Spänning och ström över min krets [nybörjare]

[Grutt]

Hej!

Jag har precis köpt ett kopplingsdäck och lite komponenter för att komma igång med grunderna i ellära. Till min hjälp har jag rostig kunskap från gymnasiet och internet. Mina frågor har att göra med spänning och ström och är på grundläggande nivå.

kretsen.png

Min första fråga:
Jag använder mig av tre st AA-batterier i serie. De har var för sig ett nominellt spänningsvärde på 1.5v. När jag mäter med multimetern får jag ett värde på ca 6v. Hur kommer det sig?

Min andra fråga:
Kretsen är som jag förstår kopplad så att resistor och LED(x2) är kopplade i serie och varje serie är kopplade parallellt. Det innebär att över varje par löper en spänning på 6v. Enligt specifikationen skall spänningen över dioderna vara 2.1v. Jag vill att 20 mA skall gå igenom dioderna. Beräkningen blev

6v - 2.1v / 0.02 A = 195 ohm.

Jag har därför kopplat två st 100 ohm-resistorer i serie i varje parallellkoppling. Som jag förstår bör då 3.9v ligga över resistorerna och 2.1v ligga över dioden. När jag mäter med multimetern så får jag istället 3.03v över dioden. 13.7 mA mätt mellan resistor och diod. Vad gör jag för fel?

Min tredje fråga:
Jag antar att jag får fel värden på grund av bristande förståelse för de olika enheterna. Så en kort fråga med kanske ett komplicerat svar: vad är det som påverkar storheten på strömmen? Jag läste att strömmen beror på vad komponenterna förbrukar. Kopplar jag in ytterliggare en LED på någon av serierna skulle strömmen då öka medan volten över varje enskild komponent minskar.

Tack på förhand

[Klas-Kenny]

För det första har du i ditt schema ritat en stor kortslutning, du har ju en ledning utan resistans parallellt med de båda dioderna, antar dock att det endast är ett ritningsfel och du inte kopplat så.

Jag gissar på, att anledningen till att du får 6V på 3st 1,5V-batterier i serie, är för att de är obelastade, batterier har en tendens att sjunka i spänning så fort de får lite belastning. Har du mätt spänningen över batteriena när resten av kretsen är inkopplad?

Förutom att du skrivit formeln lite fel (Tänk på prioriteringsreglerna...) så stämmer den, det skulle skrivits (6v - 2,1v) / 0,02A.

Vad jag vet, så är det lite si och så med att mäta på LED i serie med motstånd, har man räknat rätt ska man i regel inte bry sig om vad multimetern säger. (Men där kanske jag är ute och cyklar?)

[PeterH]

Fråga 1: var mäter du upp dina 6V? Över batterierna eller mellan plus på batteriet och någon annanstans? Vad har du ställt in din multimeter på, lik- eller växelspänning?

Fråga 2: Samma sak, vad har du ställt din multimeter på att mäta?

Fråga 3: strömmen i en sluten krets är lika i hela kretsen (kretsen i detta fall är den ena diodens krets). Kopplar du in fler kretsar med förbrukare ökar strömmen från källan (batteriet). Kopplar du in fler förbrukare på samma krets (exempelvis en till diod i serie med den första) minskar strömmen i den kretsen eftersom du får ytterligare spänningsfall över den nya dioden. Genom att sänka värdet på motståndet i den aktuella kretsen ökar strömmen igen...

[Grutt]

Först och främst tack för de snabba svaren! Lite väl pinsamma misstag men jag bjussar på dem

Jag har mätt spänningen över batterierna på två sätt. Först genom att helt enkelt ansluta kablarna från batterierna direkt till multimetern, dvs utom kretsen. Uppmätt värde var då mer eller mindre precist 6v. Multimetern är inställd på likström 20v. (Caltek CM1100). För den andra genom att i vardera seriekoppling mäta med multimeterns röda don mot plussidan och det svarta donet mot den negativa sidan. Antog att spänningen är densamma där som mellan batteriets poler i kretsen. Uppmätt värde var då strax under 6v.

Edit: uppskattar alla påpekanden. Hade faktiskt helt förbisett prioriteringsreglerna.

[jesse]

Det man vara en riktigt billig och kass multimeter också. Jag hade en som visade totalt fel. Ett problem kan också vara glapp eller oxid i själva väljaren - den ratten du väljer område med i multimetern, då kan det också bli hur fel som helst. Annars har jag då aldrig varit med om 1.5 volts batterier som ger 2.0 volt, även obelastade.

Vad får du när du mäter spänningen över vart och ett av batterierna?

Min tredje fråga:
...vad är det som påverkar storheten på strömmen? Jag läste att strömmen beror på vad komponenterna förbrukar. Kopplar jag in ytterliggare en LED på någon av serierna skulle strömmen då öka medan volten över varje enskild komponent minskar.

om det går 20 mA genom varje diod så blir summan 40 mA. Om du har 25 lysdioder parallellt (med 200 Ω motstånd på varje) så blir den totala strömmen genom batterierna 25*20 mA = 500mA. Men strömmen i varje enskild diod är ju fortfarande 20 mA och inget annat. Spänningen sjunker inte nödvändigtvis bara för att man parallellkopplar flera dioder. Normalt håller den sig på den nivå det står på batterierna, vare sig det är en eller tre lysdioder.

Min andra fråga:
... osv ...

När du är osäker på resultaten när du mäter så mät på flera ställen och använd de enkla formler som finns för spänning: Att summan av alla spänningar i en sluten krets blir noll. (då tänker man sig att man mäter "runt" åt samma håll hela tiden, så om du mäter positiv spänning över batterierna så blir det negativ spänning över motstånd och dioder. Mät ALLA spänningar och summera. Då vet du att du mäter rätt.

När du ska ta reda på strömmen genom en krets, och du har ett motstånd i kretsen, då är det bättre (och enklare) att mäta spänningen över motståndet och sedan räkna ut strömmen genom ohms lag I = U/R... Om du har 13.7 mA genom diod och motstånd så bör spänningen över motståndet alltså ligga på ca 2.74 volt. Om det då är 3.03 volt över lysdioden och multimetern inte är kass, då måste det vara så att du fått del siffror för lysdioden. Du kanske har kopplat dit en annan sort än den du läste om där det stod 2.1 volt? Olika färger har ju olika spänningsfall. Spänningen som anges vara lysdiodens framspänning är också ungefärlig - den varierar några tiondels volt upp eller ner beroende på ström, temperatur mer mera...

EDIT: hoppsan, både Peter och Grutt hann emellan...

[Grutt]

Tack för de utförliga svaren! Jag tror jag börjar förstå i alla fall.

Vad gäller batterierna:
Uppmätte två av batterierna (IKEA alkaliska AA) till 1.85v resp 1.90v.

Vad gäller beräkningen i övrigt:
Jag har inte riktigt hajat förhållandet mellan ström och spänning ännu men here we go: Strömmen bestäms alltså av vad kretsen förbrukar. Dioden (och resistorn?) förbrukar ett visst mått av mA och är anledningen till mängden ström som förs ut av batteriet.

Utvikning: Strömmen är lika på alla ställen i en sluten krets. Spänningen över R1 är 2.77, resistansen är 200 ohm. Strömmen är då 2.77/200=0.013850000 ampere. Det innebär att strömmen är densamma i den krets R2 tillhör. Jag antar att det är sant då jag uppmäter strax över 27 mA vid batteriets pluspol.

Tillbaka på spåret:
Specifikationen för dioden:

Kod: Markera allt

A-Bright AL-314GD
Grön lysdiod med diffus lins.
2.1-2.4V
20 mA (max 30 mA)
min 4.0 mcd
typ 6.3 mcd
70 grader spridningsvinkel 

Min tanke var alltså att få en spänning och en ström genom mina två dioder enligt specifikationen. I det här fallet 2.1-2.4v och 20 mA. Vad jag förstår så behöver jag inte sänka strömmen. Den regleras av vad komponenterna förbrukar. Om spänningsfallet är för stort kan dock resistorn minskas för att öka spänning och (därmed?) strömmen över komponenterna.

Jag mäter med multimetern inställd på 20 v likström och sätter pekdonen på den sidan av resistorn som är vänd mot den positiva sidan samt det andra pekdonet på den negativa sidan av dioden. Uppmätt värde 5.8v.

Jag vill ha 2.1v över dioden. Dioden förbrukar 20 mA (max 30 mA? Innebär det att om jag matar in 2.4v så förbrukar den 30 mA istället?). Resistorn behöver medföra ett spänningsfall på 5.8-2.1=3.7v. Jag använder ohms lag för att beräkna storleken motståndet vid en ström på 20 mA. 3.7/0.02=185 ohm. Jag kopplar in 200 ohm.

Multimetern visar nu 3.04v över dioden och 2.71v över resistorn. Strömmen mellan R1 och dioden är 13.4 mA. Dioden får alltså just nu för mycket spänning och för lite ström. Som jag förstår det kan jag öka resistansen och därmed minska spänningen över dioden. Men jag förstår inte varför jag inte kan mäta värdena som skall gälla enligt uträkningen. Jag har kopplat in mer motstånd (15 ohm) än vad uträkningen kräver. Även med beaktan av felmarginalen på resistorerna bör jag väl inte ha en skillnad på 0.8v och 6.6 mA?

[Mindmapper]

Verkar lite mysko! Spänningen över resistorn bestämmer strömmen, enligt ohmslag. Spänningsfallet över dioden ska vara ganska konstant som över alla dioder. Batterispänningen ändras väl inte.

Ett vanligt bekymmer med multimetrar är att de visar för hög spänning om batterierna i multimetern är dåliga.

[Grutt]

Jag bytte batteriet i multimetern och vardera AA batteri mäter nu 1.32v för en total av 3.96v i kretsen. Beräkning: ( 4 - 2.1 ) / 0.02 = 95 ohm. Med en 100 ohm-resistor får jag en spänning på 2.24v över dioden. 16.3 mA genom kretsen.

Det ser mycket bättre ut! Tack så mycket för alla era svar!

[sodjan]

> Spänningen över R1 är 2.77, resistansen är 200 ohm. Strömmen är då 2.77/200=0.013850000 ampere.

Avrunda och använd en lämplig enhet. 13.8 mA låter mycket bättre.

> Det innebär att strömmen är densamma i den krets R2 tillhör.

Nej !
Det är inte samma krets, det är en annan krets som kan ha en annan ström.
Mät och kolla !

> Vad jag förstår så behöver jag inte sänka strömmen. Den regleras av vad komponenterna förbrukar.

Nej nej nej...
Du *MÅSTE* begränsa strömmen genom lysdioderna, ja, om du inte vill
använda dom som fyrverkerier om några dagar så klart. Alltså måste du ha
motstånden (R1 och R2) med, annars går det åt fanders.

> Jag vill ha 2.1v över dioden.

*Nej*, det vill du inte! Du vill ha ca 20 mA *genom* lysdioderna. Inget annat.
Spänningsfallet (Vf) används (bara) för att räkna ut ett lämpligt värde
på strömbegränsningsmotståndet. Men varför ska det vara just 20 mA ?
Vad ska lysdioderna användas till ?

> Innebär det att om jag matar in 2.4v

Helt feltänkt. Du "matar" inte in något alls någonstans. Om lysdioden har
ett spänningsfall på 2.1 V vid 20 mA så är det sannolikt så att den bränns
upp direkt om man lägger på 2.4 v direkt på lysdioden. Gör inte det. Du måste
alltid begränsa strömmen.

> Dioden får alltså just nu för mycket spänning och för lite ström.

Den *får* ingen spänning alls. Helt feltänkt.

> Som jag förstår det kan jag öka resistansen och därmed minska spänningen över dioden.

Helt bakfram. Fundera lite till. Det som händer är att strömmen minskar genom lysdioden.
Skit i spänningen (just nu, den kommer i och för sig att minska, men det gör
även strömmen och ljusstyrkan, vilket väl inte var det du ville?).

> Men jag förstår inte varför jag inte kan mäta värdena som skall gälla enligt uträkningen.

1. Du verkar ha en multimeter som inte går att lita på.
2. Du förstår inte vad det är du mäter.
3. Uträkningen är teori, i praktiken har alla komponentern (t.ex lysdioder och
motstånd processvariationer som gär att de inte stämmer "enligt kartan".
Och det har du ju själv visat, att Vf kan vara mellan 2.1 och 2.4 V. Det
varierar från exemplar till exemplar. Se till att du har marginaler, och det gör
att det i princip inte går att räkna sig fram till få precis 20 mA genom dom,
och det är igentligen ganska ointressant dessutom. Räkna med 15 mA så
ar du lagom marginaler.

[jesse]

>Den *får* ingen spänning alls. Helt feltänkt.

Det där var komplicerat...

En diod bestämmer själv vilken spänning den vill ha som mest - får den en högre spänning än en viss tröskelspänning vill den dra ner spänningen genom att låta ström rusa genom dioden. Det du kan "mata in" till dioden är en ström. Sedan "väljer" dioden en passande spänning. Din diod väljer att sänka spänningen ner till 2.24 volt när den får 16.3 mA ström igenom sig. Hade du tagit bort dioden, då finns det ingen komponent som sänker spänningen, och du upptäcker att du har lika hög spänning på båda sidorna om motståndet. Ingen diod finns där som kan sänka spänningen.

Här är typiska kurvor för lysdioder av olika färg vilken spänning har vid en viss ström:


Teoretiskt räknade du ut att du skulle ha 95 ohm och 2.1 volt över dioden. Du valde 100 ohm och fick 2.24 volt över dioden. Det är rimligt (om multimetern stämmer). Om batterierna fortfarande ger 3.96 volt (kolla!) så måste alltså spänningen över motståndet vara 1.72 volt. Nu kan du räkna ut den verkliga strömmen: I = 1.72 / 100 = 17.2 mA. Att du får en lägre ström när du mäter med multimetern kan bero på att även den har en viss resistans, men mätfelet kan ju bero annat (vi vet ju fortfarande inte hur exakt multimetern verkligen är) eller att spänningen över batterierna sjunker något när lysdioderna är inkopplade.

En lysdiod ska ha max 20 mA ström. Att det står max 30 mA beror antagligen på att den kan tåla det en kortare tid, men det är inte så bra. Om man inte måste ha jättestarkt ljus och vill spara på batterierna så går det utmärkt att driva lysdioden på 5 mA. Testa med R = 400 ohm. Då blir strömmen ca (3.94 - 2.1) / 400 = 4.6 mA. Eller koppla gärna några likadana lysdioder intill varandra med olika strömmar: med R = 100, 200 , 300 och 400 ohm eller 1 kΩ så ser du hur mycket det skiljer i ljussyrka.

[Grutt]

Jag tänkte bara tacka för alla er svar! Det har hjälpt mycket! Härnäst kommer jag att koppla ihop olika komponentkombinationer på mitt kopplingsdäck för att testa de tips och insikter jag fått från er.

[Walle]

Och glöm inte; friskt kopplat, hälften brunnet!

[Mindmapper]

>.
.
.
.

En lysdiod ska ha max 20 mA ström. Att det står max 30 mA beror antagligen på att den kan tåla det en kortare tid, men det är inte så bra. Om man inte måste ha jättestarkt ljus och vill spara på batterierna så går det utmärkt att driva lysdioden på 5 mA. Testa med R = 400 ohm. Då blir strömmen ca (3.94 - 2.1) / 400 = 4.6 mA. Eller koppla gärna några likadana lysdioder intill varandra med olika strömmar: med R = 100, 200 , 300 och 400 ohm eller 1 kΩ så ser du hur mycket det skiljer i ljussyrka.

Bra beskrivit, men det här med max 20mA vill jag kommentera. Normalströmmen till de vanligaste lysdioderna bör vara 20mA. Men som du beskrivit så går det att spara ström och köra på t.ex 5mA. Själv har jag testat att köra 100mA genom en LED med max 30mA, jag tror den fungerade runt 40 dagar. Det är värmen som minskar livslängden. Hade den varit i ett varmare rum så hade den levt ett kortare liv.

Ett knep vid kommunikation med IR-dioder är att pulsa dom med en mycket högre ström än de är avsedda för. Om dioderna får en kort puls värms de inte upp speciellt mycket och får tid att svalna under uppehållet till nästa puls.

Att överskrida framströmmen till en halvledare förkortar dess livslängd, men det blir oftast ingen omedelbar skada om man inte toköverskrider. Att överskrida max spänningen för en halvledare resulterar i en omedelbar förstörelse av komponenten, när man nått överslagsgränsen.

[sodjan]

> Normalströmmen till de vanligaste lysdioderna bör vara 20mA.

Vad är "normalt" ?

> Ett knep vid kommunikation med IR-dioder är att pulsa dom med en mycket högre ström än de är avsedda för.

Nja, om man läser databladen så är det ofta specat vilken ström man kan köra med under
vissa omständigheter (t.ex vid en viss max pulslängd). Och det *är* de "avsedda för" och
det betyder inte att man kör dom utanför spec eller så.

[jesse]

En annan orsak att inte lägga sig exakt på 20mA är att man riskerar variationer i matningsspänning och resistortolerans. Lägger du dig på 15 mA istället har du lite mer marginaler utan att dioden brunnit upp efter några veckor/månader.