Wybór rezystora ograniczającego prąd

Wprowadzenie

Rezystory ograniczające prąd są umieszczane w obwodzie, aby zapewnić, że ilość przepływającego prądu nie przekroczy wartości, którą obwód może bezpiecznie obsłużyć. Gdy prąd przepływa przez rezystor, zgodnie z prawem Ohma następuje odpowiedni spadek napięcia na rezystorze (z prawa Ohma wynika, że ​​spadek napięcia jest iloczynem prądu i rezystancji: V=IR). Obecność tego rezystora zmniejsza ilość napięcia, które może pojawić się na innych elementach połączonych szeregowo z rezystorem (gdy elementy są „połączone szeregowo”, istnieje tylko jedna ścieżka przepływu prądu, a w konsekwencji taka sama ilość prądu przepływa za ich pośrednictwem; jest to dokładniej wyjaśnione w informacjach dostępnych za pośrednictwem łącza w ramce po prawej stronie).

Tutaj jesteśmy zainteresowani określeniem rezystancji dla rezystora ograniczającego prąd umieszczonego szeregowo z diodą LED. Rezystor i dioda LED są z kolei podłączone do źródła napięcia 3.3 V. W rzeczywistości jest to dość skomplikowany obwód, ponieważ dioda LED jest urządzeniem nieliniowym: związek między prądem płynącym przez diodę LED a napięciem na diodzie LED nie jest zgodny z prostym wzorem. Przyjmiemy więc różne założenia upraszczające i przybliżenia.

Teoretycznie idealne źródło napięcia dostarczy dowolną ilość prądu potrzebną do utrzymania jego zacisków przy jakimkolwiek napięciu, które ma dostarczać. (Jednak w praktyce zasilacz może dostarczać tylko skończoną ilość prądu). Spadek napięcia świecącej diody LED wynosi zwykle od około 1.8 V do 2.4 V. Aby rzecz była konkretna, założymy spadek napięcia o 2 V. Aby utrzymać taką wartość napięcia na diodzie LED, zwykle potrzeba około 15 mA do 20 mA prądu. Jeszcze raz dla ścisłości przyjmiemy prąd o natężeniu 15 mA. Gdybyśmy bezpośrednio podłączyli diodę LED do zasilacza, zasilacz próbowałby ustalić napięcie 3.3 V na tej diodzie LED. Jednak diody LED zwykle mają maksymalne napięcie przewodzenia około 3 V. Próba ustanowienia wyższego napięcia na diodzie LED prawdopodobnie zniszczy diodę LED i pobierze duże ilości prądu. Tak więc niezgodność między tym, co zasilacz chce wytworzyć, a tym, co może obsłużyć dioda LED, może uszkodzić diodę LED lub zasilacz lub jedno i drugie! Chcemy zatem określić rezystancję dla rezystora ograniczającego prąd, który zapewni nam odpowiednie napięcie około 2 V na diodzie LED i zapewni, że prąd płynący przez diodę LED będzie wynosił około 15 mA.

Aby to uporządkować, pomocne jest modelowanie naszego obwodu za pomocą schematu, jak pokazano na ryc. 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy obwodu.

Na rys. 1 można sobie wyobrazić źródło napięcia 3.3 V jako płytkę chipKIT™. Ponownie, ogólnie zakładamy, że idealne źródła napięcia dostarczą dowolną ilość prądu potrzebną do obwodu, ale płyta chipKIT™ może wytwarzać tylko skończoną ilość prądu. (Instrukcja referencyjna Uno32 mówi, że maksymalna ilość prądu, jaką może wytworzyć pojedynczy pin cyfrowy, wynosi 18 mA, tj. 0.0018 A.) Aby upewnić się, że dioda LED ma spadek napięcia o 2 V, musimy określić odpowiednie napięcie na rezystorze, które Zadzwonię do VR. Jednym ze sposobów na to jest określenie napięcia każdego przewodu. Przewody między komponentami są czasami nazywane węzłami. Należy pamiętać, że drut ma takie samo napięcie na całej swojej długości. Określając napięcie przewodów, możemy obliczyć różnicę napięć między przewodami i znaleźć spadek napięcia na elemencie lub grupie elementów.

Wygodnie jest zacząć od założenia, że ​​ujemna strona napięcia zasilającego ma potencjał 0 V. To z kolei powoduje, że odpowiadający mu węzeł (tj. przewód podłączony do ujemnej strony zasilania) ma wartość 0 V, jak pokazano na ryc. 2. Analizując obwód, możemy przypisać sygnałowe napięcie masy o wartości 0 V. do jednego punktu obwodu. Wszystkie inne napięcia odnoszą się wtedy do tego punktu odniesienia. (Ponieważ napięcie jest miarą względną między dwoma punktami, zwykle nie ma znaczenia, któremu punktowi obwodu przypiszemy wartość 0 V. Nasza analiza zawsze da te same prądy i te same spadki napięcia na elementach. Niemniej jednak powszechną praktyką jest przypisywanie ujemnemu zaciskowi zasilania wartości 0 V.) Biorąc pod uwagę, że ujemny zacisk zasilania ma napięcie 0 V i biorąc pod uwagę, że rozważamy zasilanie 3.3 V, zacisk dodatni musi być pod napięciem 3.3 V (podobnie jak podłączony do niego przewód/węzeł). Biorąc pod uwagę, że chcemy spadku napięcia o 2 V na diodzie LED i biorąc pod uwagę, że dolna część diody LED ma napięcie 0 V, górna część diody LED musi mieć napięcie 2 V (podobnie jak każdy podłączony do niej przewód).

Rysunek 2. Schemat przedstawiający napięcia węzłowe.

Mając napięcia w węzłach oznaczone tak, jak pokazano na ryc. 2, możemy teraz określić spadek napięcia na rezystorze, co zrobimy za chwilę. Po pierwsze, chcemy zwrócić uwagę, że w praktyce często pisze się spadek napięcia związany z komponentem bezpośrednio obok komponentu. Na przykład piszemy 3.3 V obok źródła napięcia, wiedząc, że jest to źródło 3.3 V. W przypadku diody LED, ponieważ zakładamy spadek napięcia o 2 V, możemy po prostu napisać to obok diody LED (jak pokazano na ryc. 2). Ogólnie rzecz biorąc, biorąc pod uwagę napięcie istniejące po jednej stronie elementu i spadek napięcia na tym elemencie, zawsze możemy określić napięcie po drugiej stronie elementu. I odwrotnie, jeśli znamy napięcie po obu stronach elementu, znamy spadek napięcia na tym elemencie (lub możemy go obliczyć po prostu, biorąc różnicę napięć po obu stronach).

Ponieważ znamy potencjał przewodów po obu stronach rezystora (Przewód 1 i Przewód 3), możemy obliczyć spadek napięcia na nim, VR:

Podstawiając znane wartości, otrzymujemy:

Po obliczeniu spadku napięcia na rezystorze możemy skorzystać z prawa Ohma, aby powiązać rezystancję rezystora z napięciem. Prawo Ohma mówi nam, że 1.3 V=IR. W tym równaniu wydają się być dwie niewiadome, prąd I i rezystancja R. Na początku może się wydawać, że możemy ustawić I i R jako dowolne wartości, pod warunkiem, że ich iloczyn wynosi 1.3 V. Jednak, jak wspomniano powyżej, typowa dioda LED może wymagać (lub „pobierać”) prądu o natężeniu około 15 mA, gdy napięcie na niej wynosi 2 V. Tak więc, zakładając, że I wynosi 15 mA i rozwiązując R, otrzymujemy

W praktyce uzyskanie rezystora o rezystancji dokładnie 86.67 Ω może być trudne. Można by, być może, zastosować zmienny rezystor i dostosować jego rezystancję do tej wartości, ale byłoby to dość kosztowne rozwiązanie. Zamiast tego często wystarczy mieć odpowiedni opór. Powinieneś stwierdzić, że rezystancja rzędu od jednej do dwustu omów działa dość dobrze (co oznacza, że ​​dioda LED nie pobiera zbyt dużego prądu, a rezystor ograniczający prąd nie jest tak duży, aby uniemożliwić diodzie LED od oświecenia). W tych projektach będziemy zazwyczaj używać rezystora ograniczającego prąd o wartości 220 Ω.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów