Світлодіод та його серійний резистор - Arduino - навчальні посібники
rotering-net.de »Підручники» Arduino: Світлодіод та його серійний резистор
Основи Arduino: світлодіод та його серійний резистор
- Про напругу, струм та опір
- Світлодіод
- Серійний резистор
- Оптимальна сила струму для світлодіода
- Різниця напруги
- Конкретні приклади
У кожному посібнику для початківців Arduino ви можете прочитати на початку, що світлодіодом можна керувати лише з послідовним резистором. Тоді просто стандартний резистор 220 О © підключається послідовно до світлодіода і все. Ця стаття спробує вдатися трохи детальніше.
Про напругу, струм та опір
Коли ви підключаєте до об’єкта електричну напругу, через нього протікає струм. Якщо ви прикладете напругу 5 В до (сухого) шматка дерева, ми навряд чи зможемо виміряти струм, оскільки він абсолютно крихітний. Якщо ми подаємо ту саму напругу на шматок металевого дроту, стільки струму протікає, що виникає коротке замикання. Різниця полягає в електропровідності матеріалів. Хоча шматок дерева має надзвичайно високий електричний опір, електричний опір у шматку металевого дроту незначний. Зв'язок між напругою, опором та інтенсивністю струму можна описати на практиці, використовуючи закон Ома: Інтенсивність струму I відповідає відношенню напруги U та опору R.
Сила струму та опір обернено пропорційні між собою. Чим вище опір, тим менший струм. Отже, з заданою напругою ми можемо обмежити силу струму за допомогою резистора. Припустимо, що ви підключаєте +5 В Arduino до заземлення через резистор 1 кО ©.
За допомогою закону Ома тепер можна обчислити силу струму:
5 мА є безпечним струмом для Arduino, тому ви можете безпечно реалізувати це. Якщо замість цього ви виберете лише резистор 10 О ©, вийде струм 500 мА, що виведе нас далеко за межі допустимих характеристик. Тому я настійно не рекомендую цього робити.
З іншого боку, ми можемо залишити опір у рівнянні на фіксованому значенні і змінити напругу. Сила струму та напруга пропорційні. Чим вище напруга, тим вище сила струму. Якщо ми збільшимо напругу до декількох мільйонів вольт, ми можемо також виміряти поважний струм у нашому шматку дерева, незважаючи на високий опір. І тому не слід шукати буків під час грози. Але давайте залишимося на нашому резисторі 1 кО © і покажемо залежність між напругою та струмом як схему:
Ви можете побачити: пряма лінія. Ми не очікували нічого іншого, напруга та струм пропорційні один одному.
Світлодіод
Як і транзистор або діод, світлодіод - це так званий напівпровідник. У випадку з напівпровідником та сама діаграма виглядає зовсім по-іншому.
Термін напівпровідники заснований на тому, що нижче певної напруги вони поводяться як шматок дерева (їх опір настільки великий, що практично не протікає струм) і вище певної напруги, як шматок металевого дроту (їх опір настільки низький, що струм протікає майже безперешкодно). Між ними є невелика зона переходу, де може протікати достатньо струму, щоб світлодіод загорівся, але не надто багато, щоб створити коротке замикання. Тому повна напруга +5 В надзвичайно непридатна для роботи світлодіода. Ви можете продовжувати лінію подумки.
Тому було б очевидно правильно встановити напругу для світлодіода. Теоретично це також можливо, але на практиці це складно вирішити. З одного боку, процеси виробництва світлодіодів піддаються коливанням, а це означає, що оптимальна напруга завжди дещо відрізняється для кожного світлодіода; з іншого боку, дуже складно встановлювати напругу з абсолютною точністю і підтримувати її постійною під навантаженням. Напруга +5 В Arduino може коливатися між +4,5 В і +5,5 В, наприклад, відповідно до специфікації. Однак, як видно на схемі, невеликі відхилення напруги призводять до величезних відхилень інтенсивності струму, які в найкращому випадку просто змушують яскравість світлодіода сильно коливатися, у гіршому випадку світлодіод блимає або значно зменшує термін служби.
Серійний резистор
Давайте подивимось на це з іншого боку. Наша проблема насправді полягає в тому, що, починаючи з певної напруги, світлодіод пропускає струм майже безперешкодно; ми просто припускаємо, що опір світлодіода тоді буде 0 О ©. Тож для обмеження струму нам не потрібно нічого, крім додаткового резистора. Ви пам’ятаєте наш резистор 1 кО ©, який пропускав лише 5 мА? Якщо тепер ми додамо додатковий компонент без значного опору (тобто наш світлодіод) послідовно в цю схему, тоді туди також буде надходити лише 5 мА. Ну, строго кажучи, це вже не 5 мА, але про це докладніше за мить.
Оптимальна сила струму для світлодіода
Отже, спочатку ми повинні з’ясувати, яка сила струму нам потрібна для світлодіода. Хоча світлодіоди працюють із дуже різними напівпровідниковими матеріалами залежно від кольору світла, але іноді і з однаковим кольором світла, оптимальний струм майже завжди становить 20 мА. У цьому контексті оптимальне означає, що ми отримуємо максимальну яскравість світлодіода, не скорочуючи термін його служби. Тому багато серійних резисторних комп’ютерів, які можна знайти в Інтернеті, працюють з постійним струмом 20 мА. Однак навіть найдешевші світлодіоди сьогодні ефективніші, ніж були 20 років тому. Це означає, що робота з 20 мА все ще є оптимальною, але втрата яскравості при менших струмах лише мінімальна. На наступному малюнку ви можете побачити чотири зелених світлодіода. Через нього зліва направо протікає струм 18 мА, 9 мА та 6,5 мА. Правий світлодіод не функціонує і призначений лише для довідки.
Якщо ви не хочете використовувати світлодіод для освітлення, цього достатньо для розрахунку зі струмом 15 мА. Це захищає світлодіод, виходи Arduino, і ви навряд чи помітите втрату яскравості.
Різниця напруги
Якщо ми спробуємо нашу формулу зверху, ми отримуємо струм близько 15 мА при напрузі 5 В з резистором 330 О ©. Але ми не помічаємо того факту, що загальна напруга (UB) +5 В навіть не подається на резистор, оскільки послідовно підключений світлодіод вже генерує втрату напруги (UF). Наш опір насправді обумовлений лише різницею між UB та UF. Хоча очевидно, що загальна напруга UB = 5 В, ми повинні з'ясувати, якою є так звана пряма напруга UF світлодіода.
Хоча оптимальна інтенсивність струму для світлодіодів практично завжди однакова, напруга потоку дуже специфічна для використовуваних напівпровідникових матеріалів. В Інтернеті ви можете знайти таблиці, які призначають певну пряму напругу світлому кольору. Або введіть великий діапазон значень, або припустимо напівпровідник, який часто використовується на момент створення таблиці. Обидва вони мають обмежене використання. У найкращому випадку у вас є технічний паспорт для кожного світлодіода, в якому вказана пряма напруга (шукайте "пряма напруга", "пряма напруга", "пряма напруга", "Вгору" або "VF"). Однак у багатьох стартових наборах Arduino часто додається лише кілька світлодіодів без додаткових коментарів. У моєму стартовому наборі містився паспорт на включений світлодіод, але дані були просто помилковими. Можливо, в якийсь момент ви почали включати світлодіоди іншого постачальника. Тоді допоможуть лише експерименти та вимірювання.
Конкретні приклади
Візьмемо для прикладу червоний світлодіод з UF = 2,1 В. Тоді решта 2,9 В все ще є на нашому резисторі. При цільовому струмі 15 мА, тобто 0,015 А, ми отримуємо:
Найближчі стандартні опори - 150 О © і 220 О ©. Розраховуючи назад, ми отримали б з резистором 150 О © до 19,3 мА (надмірно високий), а з резистором 220 О © до 13,2 мА (ідеально). Як другий приклад, візьмемо синій світлодіод з UF = 3,2 В. Тоді решта 1,8 В присутні на нашому резисторі. Отримаємо:
Найближчі стандартні опори - 100 О © і 150 О ©. Розраховуючи назад, ми отримаємо з резистором 100 О © до 18,0 мА (ви можете це зробити), з резистором 150 О © до 12,0 мА (ви також можете це зробити).
Дизайн заснований на шаблоні "Canvass" із безкоштовних шаблонів CSS.