LED-ul și rezistorul său de serie - Arduino - tutoriale

rotering-net.de »Tutoriale» Arduino: LED-ul și rezistorul său de serie

rezistorul

Noțiuni de bază Arduino: LED-ul și rezistorul său de serie

  1. Despre tensiune, curent și rezistență
  2. LED-ul
  3. Rezistorul seriei
  4. Amperajul optim pentru un LED
  5. Diferența de tensiune
  6. Exemple concrete

În fiecare tutorial Arduino pentru începători, puteți citi la început că un LED poate fi acționat numai cu un rezistor de serie. Apoi, pur și simplu un rezistor standard de 220 О © este conectat în serie cu LED-ul și gata. Acest articol va încerca să intre mai puțin în detaliu.

Despre tensiune, curent și rezistență

Când conectați o tensiune electrică la un obiect, un curent curge prin el. Dacă aplicați o tensiune de 5 V unei bucăți de lemn (uscate), cu greu vom avea șansa de a măsura un curent, deoarece este absolut mic. Dacă aplicăm aceeași tensiune unei bucăți de sârmă metalică, curge atât de mult curent încât apare un scurtcircuit. Diferența este conductivitatea materialelor. În timp ce o bucată de lemn oferă o rezistență electrică extrem de ridicată, rezistența electrică dintr-o bucată de sârmă de metal este neglijabilă. Relația dintre tensiune, rezistență și intensitatea curentului poate fi descrisă în practică folosind legea lui Ohm: intensitatea curentului I corespunde raportului dintre tensiunea U și rezistența R.

Puterea și rezistența curentei sunt invers proporționale între ele. Cu cât rezistența este mai mare, cu atât curentul este mai mic. Prin urmare, cu o tensiune dată putem limita puterea curentului cu un rezistor. Să presupunem că conectați +5 V al Arduino la masă printr-un rezistor de 1 kO ©.

Cu ajutorul legii lui Ohm putem calcula acum puterea curentă:

5 mA este un curent sigur pentru Arduino, deci îl puteți implementa în siguranță. Dacă alegeți doar un rezistor de 10 О ©, rezultatul este un curent de 500 mA, ceea ce ne-ar pune mult în afara specificațiilor admise. Așa că vă sfătuiesc cu tărie.

Pe de altă parte, putem lăsa rezistența din ecuație la o valoare fixă ​​și putem modifica tensiunea. Puterea și tensiunea curentului sunt proporționale. Cu cât este mai mare tensiunea, cu atât este mai mare curentul. Dacă mărim tensiunea la câteva milioane de volți, putem măsura și un curent respectabil în bucata noastră de lemn, în ciuda rezistenței ridicate. Și de aceea nu ar trebui să căutați fagi în timpul unei furtuni. Dar să rămânem cu rezistorul nostru de 1 kO © și să arătăm relația dintre tensiune și curent ca o diagramă:

Se vede: o linie dreaptă. Nu ne așteptam la altceva, tensiunea și curentul sunt proporționale între ele.

LED-ul

La fel ca un tranzistor sau o diodă, un LED este așa-numitul semiconductor. În cazul unui semiconductor, aceeași diagramă arată complet diferită.

Termenul de semiconductori se bazează pe faptul că sub o anumită tensiune se comportă ca o bucată de lemn (rezistența lor este atât de mare încât practic nu curge curent) și deasupra unei anumite tensiuni ca o bucată de sârmă de metal (rezistența lor este atât de mică încât curentul curge prin aproape nestingherit). Între acestea există o mică zonă de tranziție în care poate curge suficient curent pentru a face strălucirea LED-ului, dar nu prea mult pentru a crea un scurtcircuit. Prin urmare, tensiunea maximă de +5 V este extrem de inadecvată pentru a acționa un LED. Puteți continua linia mentală.

Deci, ar fi evident să setați corect tensiunea pentru LED. În teorie, acest lucru este, de asemenea, posibil, dar în practică este o sarcină dificil de rezolvat. Pe de o parte, procesele de fabricație a LED-urilor sunt supuse fluctuațiilor, ceea ce înseamnă că tensiunea optimă este întotdeauna ușor diferită pentru fiecare LED; pe de altă parte, este foarte mult timp să setați o tensiune cu precizie absolută și să o mențineți constantă sub sarcină. Tensiunea +5 V a Arduino poate fluctua între +4,5 V și +5,5 V, de exemplu, conform specificațiilor. Cu toate acestea, așa cum se poate observa în diagramă, abaterile mici de tensiune duc la abateri uriașe ale intensității curentului, care în cel mai bun caz pur și simplu determină fluctuația puternică a luminozității LED-ului, în cel mai rău caz LED-ul pâlpâie sau are o durată de viață redusă.

Rezistorul seriei

Să o privim din cealaltă parte. Problema noastră este că, de la o anumită tensiune, LED-ul lasă curentul să treacă aproape nestingherit; presupunem pur și simplu că rezistența LED-ului ar fi atunci 0 О ©. Deci, pentru a limita curentul, nu avem nevoie de altceva decât de un rezistor suplimentar. Vă amintiți rezistența noastră de 1 kO © care a lăsat să treacă doar 5 mA? Dacă acum adăugăm o componentă suplimentară fără rezistență semnificativă (LED-ul nostru) în serie în acest circuit, atunci doar 5 mA vor curge și acolo. Ei bine, strict vorbind, asta nu mai este de 5 mA, ci mai multe despre asta într-un moment.

Amperajul optim pentru un LED

Deci, mai întâi trebuie să clarificăm ce cantitate de curent avem nevoie pentru LED. Deși LED-urile funcționează cu materiale semiconductoare foarte diferite în funcție de culoarea luminii, dar și uneori cu aceeași culoare luminoasă, curentul optim este aproape întotdeauna de 20 mA. În acest context, optim înseamnă că obținem luminozitatea maximă a LED-ului fără a-i scurta durata de viață. Multe calculatoare de rezistențe de serie care pot fi găsite pe Internet, prin urmare, funcționează cu un curent fix de 20 mA. Cu toate acestea, chiar și cele mai ieftine LED-uri sunt mai eficiente astăzi decât erau acum 20 de ani. Aceasta înseamnă că funcționarea cu 20 mA este încă optimă, dar pierderea de luminozitate la curenți mai mici este doar minimă. În imaginea următoare puteți vedea patru LED-uri verzi. Un curent de 18 mA, 9 mA și 6,5 mA trece prin el de la stânga la dreapta. LED-ul potrivit nu are funcție și este doar pentru referință.

Dacă nu doriți să utilizați LED-ul în scopuri de iluminare, este suficient să calculați cu un curent de 15 mA. Acest lucru protejează LED-ul, ieșirile Arduino și cu greu observați o pierdere de luminozitate.

Diferența de tensiune

Dacă încercăm formula de mai sus, obținem un curent de aproximativ 15 mA la o tensiune de 5 V cu un rezistor de 330 О ©. Dar trecem cu vederea faptul că tensiunea totală (UB) de +5 V nu este nici măcar aplicată rezistenței, deoarece LED-ul conectat în serie generează deja o pierdere de tensiune (UF). Rezistența noastră se datorează de fapt doar diferenței dintre UB și UF. Deși este clar că tensiunea totală este UB = 5 V, trebuie să aflăm care este așa-numita tensiune directă UF a LED-ului.

În timp ce intensitatea optimă a curentului pentru LED-uri este practic întotdeauna aceeași, tensiunea de curgere este foarte specifică pentru materialele semiconductoare utilizate. Puteți găsi tabele pe Internet care atribuie o anumită tensiune înainte unei culori deschise. Fie introduceți o gamă largă de valori, fie presupuneți un semiconductor folosit frecvent în momentul creării tabelului. Ambele sunt de utilizare limitată. În cel mai bun caz, aveți o fișă tehnică pentru fiecare LED, în care este specificată tensiunea directă (căutați „Fluxssspannung”, „Tensiunea înainte”, „Tensiunea înainte”, „UF” sau „VF”). Cu multe kituri de pornire Arduino, totuși, doar câteva LED-uri sunt adesea incluse fără alte comentarii. În trusa mea de pornire exista o foaie de date pentru LED-ul inclus, dar datele erau pur și simplu greșite. Probabil că la un moment dat ați început să includeți LED-uri de la un alt furnizor. Apoi, doar experimentarea și măsurarea vor ajuta.

Exemple concrete

Să luăm ca exemplu un LED roșu cu UF = 2,1 V. Apoi restul de 2,9 V sunt încă prezenți la rezistența noastră. Cu un curent vizat de 15 mA, adică 0,015 A, obținem:

Cele mai apropiate rezistențe standard sunt 150 О © și 220 О ©. Lucrând înapoi, am ajunge cu rezistența de 150 О © la 19,3 mA (inutil de înaltă), cu rezistența de 220 О © la 13,2 mA (perfect). Ca al doilea exemplu, să luăm un LED albastru cu UF = 3,2 V. Apoi, restul de 1,8 V sunt prezenți pe rezistorul nostru. Așa că primim:

Cele mai apropiate rezistențe standard sunt 100 О © și 150 О ©. Calculând înapoi, am ajunge cu rezistența de 100 О © la 18,0 mA (o puteți face), cu rezistența de 150 О © la 12,0 mA (o puteți face și).

Proiectarea se bazează pe șablonul „Canvass” din Șabloane CSS gratuite.