Что произойдет, если подать на светодиод слишком большое напряжение?

Проще говоря: это убьет светодиод. Однако на самом деле все не так просто.

Во-первых, светодиод — это устройство, работающее на токе, а не на напряжении. То есть ему все равно, какое напряжение, но ему важно, какой ток. Конечно, слишком большое напряжение его убьет, но и слишком большой ток, независимо от напряжения, его убьет.

Важно понимать, что светодиод — это то, что известно как нелинейный компонент. Такие вещи, как резисторы, называются линейными, потому что у них есть линейная зависимость между напряжением и током. Увеличьте напряжение, и ток увеличится в той же пропорции. Увеличьте сопротивление, и ток уменьшится в той же пропорции.

Однако светодиод не такой. Типичный график зависимости напряжения от тока для светодиода выглядит так:

Как только напряжение достигает «прямого напряжения» светодиода, ток, протекающий через него, быстро увеличивается. Как вы можете видеть, он очень быстро приближается к бесконечности. Выше определенной точки увеличение напряжения не имеет реальной разницы в токе. В этом примере разница между 3 В и 5 В будет как бесконечной, так и нулевой. Другими словами, это довольно бессмысленно.

Но мы все еще слишком упрощаем, и это потому, что мы предположили идеальный источник питания. То есть такой, который может поставлять фиксированное напряжение, но бесконечный ток. Другими словами, источник питания с нулевым импедансом.

Хотя ничего подобного не существует.

Каждый источник питания с фиксированным напряжением можно рассматривать как идеальный источник напряжения с линейным (последовательным) резистором. Этот резистор ограничивает величину тока, который может обеспечить источник питания до того, как напряжение упадет слишком низко. Схематически это выглядит так:

Если напряжение источника выше прямого напряжения светодиода, он попытается получить бесконечное количество тока от источника. Этот ток приведет к падению напряжения на сопротивлении RZ, что приведет к снижению выходного напряжения источника.

Оно уменьшится до значения, равного прямому напряжению светодиода.

Мы, конечно, можем рассчитать ток, который выйдет из источника, если мы знаем импеданс источника, но это не то, что часто известно. Поэтому вы предполагаете, что он низкий, и принимаете меры предосторожности.

Например, если мы знаем, что сопротивление источника составляет 1 Ом (возможно, это указано в техническом описании источника питания...), а напряжение составляет 5 В, и у нас есть светодиод с прямым напряжением 2 В (мне нравятся круглые числа), мы можем вычислить, что:

• Падение напряжения, вызванное импедансом, составляет 3 В (5-2)
• Ток, вызывающий это падение, равен 3 А (I=V/R, 3/1=3 А)

3 А — это слишком много для светодиода, и он, по сути, расплавится изнутри.

Поэтому мы добавляем дополнительное сопротивление, чтобы снизить больше напряжения при меньшем токе.

Теперь, если мы возьмем пример питания светодиода напрямую от контакта GPIO Arduino без резистора, мы можем выполнить те же вычисления.

Мы знаем, что не должны брать более 40 мА с контакта (абсолютный максимум), поэтому, если мы возьмем это как ток, который может выйти из контакта, прежде чем он упадет ниже приемлемого уровня, мы можем вычислить оценку импеданса. Поскольку в техническом описании указано, что выходной уровень, ниже которого он не должен падать, составляет 4,2 В при питании от 5 В, мы знаем, что максимальное падение напряжения при максимальном токе составит 0,8 В (5-4,2). Итак:

• R=V/I = 0,8/0,04 = 20 Ом.

Вот. Это приближение выходного импеданса контакта GPIO на Arduino. Так что мы можем включить это в наши формулы и подключить светодиод, и мы получим:

• Падение напряжения, вызванное импедансом, составляет 3 В (5-2)
• Ток, вызывающий это падение, составляет 150 мА (I=V/R, 3/20=0,15)

150 мА — это не так уж много. Это больше, чем обычно требуется светодиоду (максимум 20–30 мА), поэтому светодиод не будет счастлив, но и не перегорит мгновенно при таком уровне. Он будет ярче обычного, станет горячее обычного, а его срок службы будет намного короче обычного.

Но это не самое тревожное. Хуже всего рассеивание мощности из-за импеданса:

• P=I²R = 0,15²×20 = 0,45 Вт.

Это почти полватта тепла, вырабатываемого драйверами пина GPIO. Если учесть, что резистор на полватта довольно большой, если представить, что эта мощность втиснута в крошечное пространство одного MOSFET внутри кремниевого чипа, то можно понять, как это может стать проблемой.

Он действительно не способен справиться с таким уровнем тепла, и драйвер MOSFET контакта GPIO выходит из строя. Пока-пока MOSFET, пока-пока GPIO контакт.

Кстати, вы, вероятно, также увидите другие странные вещи, происходящие, когда чип тщетно пытается подать большие токи на один GPIO-контакт. Другие области чипа испытывают нехватку питания, напряжение на шинах питания падает, код падает и т. д. Все из-за того, что один маленький светодиод подключен без резистора.