Kurs elektroniki I: diody w szeregu vs diody rownolegle

[EagleEye]

Cześć, Mikroprocesorki! 🤣

Od dwóch tygodni uczę się wyłącznie jednego rozdziału z kursu - rozdziału o diodach.

Zarówno w książce jak i w artykule o mocy na blogu wspomina się, że bateria 9V będzie za słaba do podłączeniu wielu diod w szeregu. Niestety nigdzie nie było wyjaśnienia tego zjawiska.

Zrobiłem test i podpiąłem 4 zielone diody w szeregu. Nie musiałem nawet użyć rezystora, diody ledwo świeciły a prąd był na poziomie 11µA.
Oczywiście równolegle mogłem podpiąć 5 diod - wszystkie świeciły jasno i rezystory były konieczne.

Pytanie brzmi:
Jaka zasada ma tu efekt? Czy jest tu jakieś konkretne prawo w grze? Jak zrozumieć tę dwojakość?

[Treker (Damian Szymański)]

@EagleEye dla formalności dopytam, a masz za sobą też lekturę tego artykułu? Jak dobrać rezystor do diody? Różne metody zasilania LED!

[EagleEye]

Tak, to bardzo dobry artykuł, choć odnoszę wrażenie, iż zniechęca do łączenia diod równolegle (screen poniżej), a to bodaj najbezpieczeniejszy sposób.
Kluczem wydaje mi się być tu dobór baterii do takiego układu, a nie rezygnacja z połączenia równoległego. Przynajmiej tego nauczyłem się przez ostatni tydzień.

W połączeniu szeregowym, aby obliczyć R muszę odjąć V wszystkich diod od prądu baterii. W równoległym - obliczenia prowadzę dla każdej diody z osobna, tak jakby prąd baterii był nieograniczony.
I tego właśnie nie umiem sobie wyobrazić.

[BananWszyscy]

Jak zapewne wiesz, skoro przez coś płynie prąd to na tym czymś zapewne spadnie napięcie, więc w czym dalej problem? :P

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[EagleEye]

Tak, to oczywiste. Hmmm... Może nie umiem tego dobrze wytłumaczyć.

Jeśli łączę diody szeregowo, to prąd ubywa - to wydaje mi się logiczne i naturalne. Dlatego cztery diody ledwo świecą na jednej baterii. Nawet mi to z wyliczeń wynika - dodałem spadek V każdej diody do siebie.

Ale gdy połączę je równolegle to nagle już nie jest istotne, że w układzie są też inne diody. Podłączyłem 5 i działały ładnie. Szukając R nawet nie uwzględniałem pozostałych diod.

[Treker (Damian Szymański)]

3 godziny temu, EagleEye napisał:

a to bodaj najbezpieczeniejszy sposób.

Połączenie równoległe z osobnymi rezystorami to może najbezpieczniejszy sposób łączenia wielu diod, ale najmniej efektywny.

3 godziny temu, EagleEye napisał:

W połączeniu szeregowym, aby obliczyć R muszę odjąć V wszystkich diod od prądu baterii. W równoległym - obliczenia prowadzę dla każdej diody z osobna, tak jakby prąd baterii był nieograniczony.

To co obliczasz to opór rezystora, który musisz wykorzystać, aby przez diody płynął odpowiedni prądu. W żadnym z wypadków nie bierzesz tutaj pod uwagę samej baterii. Po prostu wyliczasz, że potrzebny jest taki rezystor "i tyle". To, że bateria może być zbyt słaba, aby zasilić dany układ to zupełnie inna sprawa i nie ma z tym nic wspólnego. W obliczeniach przyjmujesz, że bateria to idealne źródło napięcia, która daje zawsze 9 V. W praktyce tak nie będzie, bo jeśli pobierzesz za duży prąd z baterii to napięcie na jej zaciskach drastycznie spadnie. Budując jakiś układ, jako konstruktor, powinieneś sobie później dobrać takie źródło zasilania, aby przy napięciu 9 V można było pobrać z niego wymagany prąd.

17 minut temu, EagleEye napisał:

Ale gdy połączę je równolegle to nagle już nie jest istotne, że w układzie są też inne diody. Podłączyłem 5 i działały ładnie. Szukając R nawet nie uwzględniałem pozostałych diod.

Podłączając diody do baterii zależy nam najczęściej na tym, aby jak najwięcej energii z baterii wykorzystać na świecenie diod. Łącząc kilka diod równolegle z osobnymi rezystorami sprawiasz, że w każdej z tych gałęzi np. 15% energii jest wykorzystywanych do świecenie, a cała reszta idzie na grzanie rezystorów. W praktyce więc, jeśli podłączysz 4 takie gałęzie i w każdej będzie płynęło 20 mA to na świecenie 4 diod wykorzystasz aż 80 mA. Z kolei jeśli podłączysz 4 diody szeregowo z jednym rezystorem to taka jedna gałąź z 4 diodami będzie pobierała 20 mA - bo przez elementy połączone szeregowo płynie ten sam prąd. W takim przypadku większość energii z baterii jest wykorzystywana na świecenie, a tylko mały jej procent jest wytracany na jednym rezystorze. Twój układ będzie więc 4 razy bardziej energooszczędny (przy założeniu zasilania z 9 V).

Jeśli u Ciebie w podłączeniu szeregowym diody świeciły słabo to znaczy, że miałeś źle dobrany rezystor i bateria nie dawała sobie rady z zasileniem takiego układu. Powtórz eksperyment np. na 3 diodach. W obu przypadkach diody powinny świecić tak samo 🙂

[EagleEye]

Bardzo dziękuję za wyczerpujące wskazówki. Są one dla mnie bardzo cenne.

Wydaje mi się, że problem w zrozumieniu tego problemu sprowadza się właśnie do ostatniego paragrafu.

3 godziny temu, Treker napisał:

Jeśli u Ciebie w podłączeniu szeregowym diody świeciły słabo to znaczy, że miałeś źle dobrany rezystor i bateria nie dawała sobie rady z zasileniem takiego układu. Powtórz eksperyment np. na 3 diodach. W obu przypadkach diody powinny świecić tak samo 🙂

Ale dlaczego w tym układzie świeciły słabo podczas gdy w równoległym rozstawieniu mogłem dodać jeszcze jedną i świeciły jasno.

W mojej głowie te dwa systemy nie sumują się, nie mają sensu. Tu jest chyba całe źródło moich kłopotów w zrozumieniu tych układów. Skąd się wzięło dodatkowe napięcie które nie było dostępne w równoległym trybie?

[grzegorzc]

 

 

Cytat

W połączeniu szeregowym, aby obliczyć R muszę odjąć V wszystkich diod od prądu baterii.

Kolego, zdaje się, że mylisz trochę pojęcia prądu (natężenia) i napięcia. Jasność świecenia diody zależy tylko od natężenia prądu przez nią płynącego ale ten z kolei zależy od trzech czynników: spadku napięcia na samej diodzie (lub zestawie), spadku na rezystorze ograniczającym i napięcia zasilającego całość. Sęk w tym, że spadek napięcia na diodzie ma charakter nieliniowy, w dużym zakresie natężenia jest mniej więcej stały a na rezystorze przeciwnie, spadek zmienia się liniowo. Twój problem polega na tym, że łącząc 4 LEDy szeregowo mocno zbliżasz się sumarycznym spadkiem napięcia tych diod do napięcia zasilania. Im bliżej, tym trudniej sterować prądem płynącym przez diody za pomocą rezystora i tym większa zmiana natężenia przy minimalnej zmianie napięcia zasilania. Przy połączeniu równoległym, z kolei, spadek napięcia na zestawie diod jest mniej więcej taki jak na jednej diodzie i proporcjonalnie dużo mniejszy niż na samym rezystorze, co powoduje większą stabilność prądu (ale przy większych stratach). Taki układ jest jednak niezalecany dlatego, że diody nie są idealne i mogą się lekko różnić spadkiem napięcia, przy bezpośrednim, równoległym połączeniu przez diodę o najniższym spadku napięcia będzie płynął największy prąd, będzie najjaśniej świeciła. W skrajnych przypadkach, przy dużych różnicach taka dioda może szybciej paść, co spowoduje zwiększenie prądu na pozostałych i lawinowe uszkodzenie całego zestawu.

Zrób sobie proste przeliczenie. Załóżmy że Twoja bateria na początku ma 9,3V a pod koniec testu ma 8,9V, załóżmy że diody mają spadek napięcia 2,25V każda. Korzystając z wzorów we wspomnianym już odcinku o doborze rezystora, wylicz rezystor kolejno dla jednej, dwóch, trzech i czterech takich diod połączonych szeregowo, przy założeniu że napięcie zasilania wynosi 9,1V i natężenie 10mA i porównaj jaki prąd popłynie przez nie przy skrajnych napięciach baterii (no ok przy czterech diodach i napięciu 8,9V nic nie popłynie, nawet bez rezystora 🙂 ). Zobacz jaka różnica natężenia prądu powstaje na poszczególnych zestawach diod, zależnie od spadku napięcia na całym zestawie i napięcia zasilającego.

Złotym środkiem byłoby takie połączenie diod, żeby sumaryczny spadek napięcia na nich wynosił ok 60-80% napięcia zasilania ( w tym przypadku chyba 3szt.), wtedy straty są jeszcze w miarę dopuszczalne a cały układ zachowuje się w miarę przewidywalnie. Im spadek napięcia na diodach jest bliżej napięcia zasilającego tym trudniej dokładnie sterować natężeniem prądu.

Edytowano Luty 6, 2021 przez grzegorzc

[ethanak]

To bardzo proste. Po prostu nie zrobiłeś połączenia równoległego (czyli jeden rezystor i szeregowo z nim diody połączone równolegle), a skonstruowałeś kilka obwodów składających się z rezystora i diody każdy. W tej sytuacji każdy taki obwód powinieneś rozpatrywać oddzielnie.

To tak, jak z lampkami i gniazdkiem w domu. Ile lampek byś nie podłączył, każda będzie świecić tak samo niezależnie od tego, ile ich podłączysz.

Oczywiście - w obu przypadkach jeśli podłączysz ich odpowiednio dużo, zauważysz, że lekko przygasną. W przypadku diod daje o sobie znać rezystancja wewnętrzna baterii, w przypadku lampek i gniazdka - rezystancja przewodów dochodzących do gniazdka[1]. Możesz to zaobserwować podłączając do tego samego gniazdka małą lampkę (z klasyczną żarówką, np. 25 czy 40W) i np. 1.5 kW czajnik.

---

[1] wiem, potężne uproszczenie, ale wystarczające na nasze potrzeby.

[EagleEye]

15 godzin temu, grzegorzc napisał:

 Przy połączeniu równoległym, z kolei, spadek napięcia na zestawie diod jest mniej więcej taki jak na jednej diodzie i proporcjonalnie dużo mniejszy niż na samym rezystorze, co powoduje większą stabilność prądu (ale przy większych stratach).

OK, a dlaczego w równoległym układzie spadek napięcia wszystkich diod jest równy jednej?

Innymi słowy: Czy do baterii 9V mogę podłączyć 50 diod?

Dla mnie wyobrażenie sobie szeregowego układu jest proste: mogę podłączyć tylko tyle diod ile napięcia w sumie może mi zapewnić bateria. W równoległym przekraczam tę sumę i przekraczam granice pojmowania.

4 godziny temu, ethanak napisał:

[1] wiem, potężne uproszczenie, ale wystarczające na nasze potrzeby.

Nie martwmy się symplifikacją. Zauważyłem, że każde wideo Forbotu zawiera zdanie wytłumaczenia lub obrony przed krytyką 'znawców tematu' - to zupełnie niepotrzebne. Uproszczenia są dobre i jak widać na moim przykładzie, wręcz konieczne. 😀

Gdy piszesz, że w przypadku połączenia równoległego każdy obwód muszę rozpatrywać oddzielnie to napotykam dysonans poznawczy z racji tego, że przecież mam tylko jedną baterie. I moje kojarzenie prowadzi do analogii z samochodem: czy na jednym silniku mógłbym łatwiej prowadzić 5 pojazdów gdyby każdy miał swoje oddzielne układy rozrządu?

Dziękuję wszystkim za cierpliwość.

[ethanak]

10 minut temu, EagleEye napisał:

napotykam dysonans poznawczy z racji tego, że przecież mam tylko jedną baterie

Tak samo masz tylko jedno gniazdko w ścianie, prawda? A nawet jeśli masz kilka, to spotykają się na jednym bezpieczniku. A nawet jeśli na kilku, to gdzieś tam w końcu te przewody się spotkają... a przecież jasność świecenia Twojej lampki nie zależy od tego, czy sąsiad podłączony do tego samego trafa właśnie śpi i ma wszystkie światła pogaszone, czy zajmuje się pędzeniem bimbru w pralce albo włączył lampy nad doniczkami z mar... tą, znaczy, marchewką 🙂

11 minut temu, EagleEye napisał:

I moje kojarzenie prowadzi do analogii z samochodem: czy na jednym silniku mógłbym łatwiej prowadzić 5 pojazdów gdyby każdy miał swoje oddzielne układy rozrządu?

Zła analogia. Lepsza by była: jeden zbiornik paliwa i pięć silników, każdy ze swoim układem rozrządu. A tak się na pewno da - dopóki silniki nie zaczną żreć tyle paliwa, że nie zdąży ono wypływać ze zbiornika.

Tak samo tutaj: masz kilka diod i każda ma swój rezystor (tak jakby pięć silników i każdy ma swój rozrząd). I jedną baterię (czyli zbiornik paliwa).

 

[EagleEye]

1 godzinę temu, ethanak napisał:

Tak samo tutaj: masz kilka diod i każda ma swój rezystor (tak jakby pięć silników i każdy ma swój rozrząd). I jedną baterię (czyli zbiornik paliwa).

Czekaj, czyli w równoległym to rezystory rozprowadzają (i limitują pobór) prądu, dzięki czemu starcza go dla wszystkich? A w szeregowym po prostu wszystkie diody żrą bez opamiętania? Czy dobrze to widzę? To znaczy, chyba zaczynam to widzieć.

[ethanak]

39 minut temu, EagleEye napisał:

czyli w równoległym

Ale przecież to nie jest połączenie równoległe!

Równoległe połączenie diod wygląda tak:

A Ty masz tak:

Owszem, jest to połączenie równoległe... ale nie diod! W tym przypadku jedna dioda nic nie wie o istnieniu innych, a prądy sumują się w zależności od rezystorów. I tu każda dioda weźmie tyle prądu, ile jej prywatny rezystor pozwoli. Przy szeregowym jeden rezystor kontroluje prąd wszystkich diod, i diody wezmą tyle ile im pozwoli jeden wspólny rezystor.

[grzegorzc]

3 godziny temu, EagleEye napisał:

OK, a dlaczego w równoległym układzie spadek napięcia wszystkich diod jest równy jednej?

Innymi słowy: Czy do baterii 9V mogę podłączyć 50 diod?

 

Opisany tu przypadek dotyczy połączenia równoległego bezpośredniego, z jednym rezystorem. Czemu takie łączenie jest niezalecane, pisałem wyżej.

W wersji z oddzielnym rezystorem na każdą diodę, jest lepiej bo sterujesz prądem każdej diody niezależnie.

Tak, możesz podłączyć równolegle 50 diod, czy zaświecą to już zależy od wydajności prądowej baterii. Jeżeli dobierzesz rezystory tak, żeby na każdą diodę przypadł 1mA, to np 48 diod będzie razem pobierać z baterii ok 48mA, pytanie na ile taka bateria wystarczy. Jeżeli chciałbyś puścić 10mA na każdą to już masz obciążenie 0,48A, też niejedna bateria da radę, tyle, że będzie działać co najmniej 10 razy krócej niż w pierwszym wypadku.

Dlatego większą ilość diod optymalnie jest łączyć szeregowo-równolegle, w pakietach np po 3 szeregowo, z jednym rezystorem, i takich pakietów 3-diodowych możesz łączyć dowolną ilość równolegle.

W takim układzie będzie mniej strat na rezystorach, jeden rezystor zasili 3 diody, jak łatwo policzyć ta sama ilość diod (48) daje 16 zestawów, czyli przy prądzie 1mA na zestaw, będzie pobierać z baterii tylko 16mA zamiast 48mA przy łączeniu równoległym, dając tyle samo światła. Ile takich zestawów i jak długo bateria będzie w stanie zasilać równolegle to zależy tylko od jej wydajności prądowej. To tak jak powyżej opisał @ethanak, jak masz w domu bezpiecznik 16A to możesz do gniazdek i rozgałęźników podłączyć dowolną ilość odbiorników, byle by w sumie nie pobierały więcej niż 16A. Podobnie masz z baterią tylko w mniejszej skali.

 

Edytowano Luty 6, 2021 przez grzegorzc

[EagleEye]

😮 Zaczynam to widzieć.

Przeprowadziłem dwa eksperymenty.

Poniżej oba układy.

Pierwszy, to układ szeregowy.

Diody nawet się nie zaświeciły: I = 0mA. Gdy dodałem rezystor to zmiany wynosiły mikro wartości, więc nie był potrzebny.
Co ciekawe, Napięcie całego szeregu wynosiło 9.28V ale poszczególne diody wykazywały 1.24V, co w sumie wynosi tylko 6.2V
Czy popełniłem gdzieś błąd?

 

Drugi układ to diody z rezystorami równolegle.

Diody świeciły jasno, ale uwaga - cały układ pobierał 70mA !
Wszystko wyglądało zgodnie z matematycznymi wyliczeniami. Tu każda dioda miała 2V.

I teraz pytanie, które mam nadzieję uda mi się wreszcie sformułować.

1. Co stanęło na przeszkodzie w układzie szeregowym, że diody nie wzięły sobie potrzebnych amperów? Przecież Napięcie wynosiło pełne możliwości tej baterii, którą używam - jak mogły nie wyciągnąć prądu?

Lub też (to samo pytanie z drugiego punktu widzenia):

2. Jak to możliwe, że każda z pionowych ścieżek w układzie równoległym była sobie w stanie zapewnić 7.5 (każda) i wziąć tyle amperów ile trzeba.

 

Edytowano Luty 6, 2021 przez EagleEye
poprawione nieścisłości w liczbach.