Консультация № 199510
04.11.2020, 17:00
0.00 руб.
1 3 1
Здравствуйте, уважаемые эксперты! Прошу вас ответить на следующий вопрос:

Светодиод, характеристика которого изображена на рисунке, подключают к блоку питания последовательно с токоограничивающим резистором. Блок питания рассчитан на номинальное напряжение 𝑈=9 В вне зависимости от нагрузки. Номинальный ток светодиода равен 20 мА. Напряжение на выходе блока питания может отличаться от номинального, но не более, чем на 5 %. На сколько процентов будет отличаться ток через светодиод от номинального при пятипроцентном скачке напряжения блока питания?
Прикрепленные файлы:
cd33d7d6f17d3b9efbdf145d63524f800cd2bd2a.png

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
06.11.2020, 11:50
общий
это ответ
Здравствуйте, Carl Friedrich Gauss!
Условие : Выходное напряжение БП : U = 9 В ; Номинальный ток светодиода Iн = 20 мА.
Коэффициент нестабильности БП-напряжения : Ku = 0.05 (5%) . Дан график ВАХ светодиода.
Вычислить коэффициент нестабильности Ki тока свето-диода.

Решение : Задача поначалу кажется сложной изза кусочно-ломаной ВАХ - ВольтАмперной характеристики светодиода. Однако, искусство инженера состоит в упрощении технических задач, и оно (это искусство) поддаётся тренировке.

В текущей задаче можно заметить, что наиболее вероятной рабочей областью является восходящий отрезок ВАХ с напряжением на св-диоде U >= 3 В . Значит, можно попытаться упростить условие и заменить ломаную ВАХ на одиночную линейно-восходящую, как будто участок с диапазоном 0 <= U < 3 В и нулевым током не существует. При этом запомним свой факт упрощения, чтоб в конце решения убедиться в допустимости этого упрощения.

На графике отчётливо видны 2 точки координатной сетки, которые пересекает восходящая прямая: (3.0 ; 0) и (3.5 ; 50) . Из школьного курса математики вспоминаем, как создать формулу прямой, проходящей ч-з 2 заданные точки (x1 ; y1) и (x2 ; y2) . Угловой коэффициент прямой :
k = (y2 - y1) / (x2 - x1) = (0.05 - 0) / (3.5 - 3) = 0.1 А / В (тут я заменил y2 = 50 мА на 0,05 А для единообразия системы единиц измерения)
Смещение b = y1 - k·x1 = -0.3 А
Мы получили формулу
Iсв(Uсв) = 0.1·Uсв - 0.3 зависимости тока Iсв светодиода от приложенного к нему напряжения Uсв при условии Uсв >= 3 В - оцифрованная ВАХ .
Вы можете проверить эту формулу подстановкой "удобных" аргументов и убедиться, что
Iсв(3) = 0 ; Iсв(3,5) = 0.05 .

Из этой формулы можно узнать номинальное напряжение Uн на свето-диоде, соответствующее его номинальному току:
Iсв(Uн) = Iн
0.1·Uн - 0.3 = Iн . Решением этого уравнения будет Uн = 3,2 В .

Теперь мы можем возомнить себя разработчиками и рассчитать сопротивление токо-ограничивающего резистора R для обеспечения номинального тока Iн светодиода.
Чертим простенькую эл-схему (прилагаю её ниже) и составляем уравнение Кирхгофа:
U = Iн·R + Uн
откуда R = (U - Uн) / Iн = (9 - 3,2) / 0.02 = 290 Ом.
Вы снова можете проверить и сложить напряжения на светодиоде и на резисторе, при этом Вы получите U источника.

Для вычисления коэффициентов нестабильности токов воспользуемся простотой ВАХ-формулы и вывернем её наоборот :
Uсв(i) = 10·i + 3 - это АВХ - АмперВольтовая характеристика СветоДиода.

Вычислим ток Ip свето-диода при повышении напряжения на выходе БП (Блока питания) на 5 % . Составим уравнение Кирхгофа :
U·(1 + Ku) = Ip·R + Uсв(Ip)
Решаем его : U·1.05 = Ip·R + 10·Ip + 3
Ip = 0.0215 А
Кратность тока свето-диода при повышении напряжения
Kp = Ip·100 / Iн = 107.5 %

Аналогично вычислим ток Im свето-диода при понижении напряжения на выходе БП на 5 % :
U·(1 - Ku) = Im·R + Uсв(Im)
U·0.95 = Im·R + 10·Im + 3
Im = 0.0185 А
Кратность тока свето-диода при понижении напряжения
Km = Im·100 / Iн = 92.5 %

В обоих случаях Коэффициент нестабильности Ki = 107.5 - 100 = 100 - 92.5 = 7.5 %.
Ответ : при 5%-ном скачке напряжения БП ток через светодиод изменяется на 7.5 %.

Чтобы убедиться в допустимости упрощения ВАХ достаточно обозреть все значения, использованные в выше-решении. Поскольку нигде не упомянуты недопустимые области Uсв < 3 В или Iсв <= 0 , значит упрощение легитимно.
5
давно
Посетитель
404424
3
07.11.2020, 12:18
общий
Владимир Николаевич, спасибо!
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
07.11.2020, 12:47
общий
Адресаты:
Наздоровье Вам!
Форма ответа