Светодиодът и неговият сериен резистор - Arduino - уроци

rotering-net.de »Уроци» Arduino: Светодиодът и неговият сериен резистор

сериен

Основи на Arduino: светодиодът и неговият сериен резистор

  1. Относно напрежението, тока и съпротивлението
  2. Светодиодът
  3. Серийният резистор
  4. Оптималната сила на тока за LED
  5. Разликата в напрежението
  6. Конкретни примери

Във всеки урок за начинаещи по Arduino можете да прочетете в началото, че светодиодът може да работи само със сериен резистор. Тогава просто стандартен 220 О © резистор е свързан последователно със светодиода и това е всичко. Тази статия ще се опита да влезе в малко повече подробности.

Относно напрежението, тока и съпротивлението

Когато свържете електрическо напрежение към даден обект, ток преминава през него. Ако приложите напрежение от 5 V върху (сухо) парче дърво, едва ли ще имаме шанса да измерим ток, защото той е абсолютно малък. Ако приложим същото напрежение към парче метална тел, протича толкова много ток, че се получава късо съединение. Разликата е в проводимостта на материалите. Докато парче дърво предлага изключително високо електрическо съпротивление, електрическото съпротивление в парче метална тел е незначително. Връзката между напрежението, съпротивлението и интензитета на тока може да бъде описана на практика, използвайки закона на Ом: Интензитетът на тока I съответства на съотношението на напрежението U и съпротивлението R.

Силата и съпротивлението на тока са обратно пропорционални един на друг. Колкото по-голямо е съпротивлението, толкова по-нисък е токът. Следователно с дадено напрежение можем да ограничим силата на тока с резистор. Нека приемем, че свързвате +5 V на Arduino към земята чрез резистор 1 kО ©.

С помощта на закона на Ом вече можем да изчислим текущата сила:

5 mA е безопасен ток за Arduino, така че можете да го приложите безопасно. Ако вместо това изберете само резистор 10 О ©, резултатът е ток от 500 mA, което би ни поставило далеч извън допустимите спецификации. Така че горещо не препоръчвам това.

От друга страна, можем да оставим съпротивлението в уравнението на фиксирана стойност и да променим напрежението. Силата на тока и напрежението са пропорционални. Колкото по-високо е напрежението, толкова по-голям е токът. Ако увеличим напрежението до няколко милиона волта, можем също да измерим уважаван ток в нашето парче дърво, въпреки голямото съпротивление. И затова не бива да търсите букове по време на гръмотевична буря. Но нека останем с нашия резистор 1 kО © и покажем връзката между напрежението и тока като диаграма:

Можете да видите: права линия. Не очаквахме нищо друго, напрежението и токът са пропорционални един на друг.

Светодиодът

Подобно на транзистор или диод, светодиодът е така нареченият полупроводник. В случая на полупроводник същата диаграма изглежда напълно различно.

Терминът полупроводници се основава на факта, че под определено напрежение те се държат като парче дърво (тяхното съпротивление е толкова голямо, че практически не тече ток) и над определено напрежение като парче метална тел (тяхното съпротивление е толкова ниско, че токът протича почти безпрепятствено). Между тях има малка зона на преход, където може да изтече достатъчно ток, за да свети LED, но не твърде много, за да се създаде късо съединение. Следователно пълното напрежение от +5 V е изключително неподходящо за работа с LED. Можете да продължите линията мислено.

Така че би било очевидно да настроите правилно напрежението за светодиода. На теория това също е възможно, но на практика е трудна за решаване задача. От една страна, производствените процеси на светодиодите са обект на колебания, което означава, че оптималното напрежение винаги е малко по-различно за всеки светодиод; от друга страна, отнема много време да се зададе напрежение с абсолютна точност и да се поддържа постоянно при натоварване. Напрежението +5 V на Arduino може да варира между +4,5 V и +5,5 V, например, съгласно спецификацията. Както може да се види на диаграмата, малките отклонения на напрежението водят до огромни отклонения в интензитета на тока, които в най-добрия случай просто водят до колебания на яркостта на светодиода, в най-лошия случай светодиодът мига или има силно съкратен експлоатационен живот.

Серийният резистор

Нека погледнем от другата страна. Нашият проблем всъщност е, че от определено напрежение нататък светодиодът пропуска тока почти безпрепятствено; ние просто приемаме, че тогава съпротивлението на светодиода ще бъде 0 О ©. Така че, за да ограничим тока, не ни трябва нищо друго освен допълнителен резистор. Помните ли нашия 1 kО © резистор, който пропуска само 5 mA? Ако сега добавим допълнителен компонент без значително съпротивление (т.е. нашия светодиод) последователно в тази схема, тогава само 5 mA ще текат там. Е, строго погледнато, това вече не е 5 mA, но повече за това след малко.

Оптималната сила на тока за LED

Така че първо трябва да изясним какво количество ток ни е необходимо за светодиода. Въпреки че светодиодите работят с много различни полупроводникови материали в зависимост от цвета на светлината, но понякога и със същия цвят на светлината, оптималният ток е почти винаги 20 mA. В този контекст оптималното означава, че получаваме максимална яркост от светодиода, без да съкращаваме експлоатационния му живот. Поради това много серийни резисторни компютри, които могат да бъдат намерени в Интернет, работят с постоянен ток от 20 mA. Въпреки това, дори най-евтините светодиоди са по-ефективни днес, отколкото преди 20 години. Това означава, че работата с 20 mA все още е оптимална, но загубата на яркост при по-ниски токове е само минимална. На следващата снимка можете да видите четири зелени светодиода. През него отляво надясно протича ток от 18 mA, 9 mA и 6,5 mA. Десният светодиод няма функция и е само за справка.

Ако не искате да използвате светодиода за целите на осветлението, е напълно достатъчно да изчислите с ток от 15 mA. Това защитава светодиода, изходите на Arduino и едва ли забелязвате загуба на яркост.

Разликата в напрежението

Ако изпробваме формулата си отгоре, получаваме ток от около 15 mA при напрежение 5 V с резистор 330 О ©. Но ние пренебрегваме факта, че общото напрежение (UB) от +5 V дори не се прилага към резистора, тъй като последователно свързаният светодиод вече генерира загуба на напрежение (UF). Нашата съпротива всъщност се дължи само на разликата между UB и UF. Въпреки че е ясно, че общото напрежение е UB = 5 V, трябва да разберем какво е така нареченото напрежение UF на светодиода.

Докато оптималната интензивност на тока за светодиодите е практически винаги еднаква, напрежението на потока е много специфично за използваните полупроводникови материали. В интернет можете да намерите таблици, които присвояват определено напрежение напред на светъл цвят. Или въведете голям диапазон от стойности, или приемете полупроводник, който често се използва по време на създаването на таблицата. И двете са с ограничена употреба. В най-добрия случай имате информационен лист за всеки светодиод, в който е посочено напрежението напред (потърсете "напрежение напред", "напрежение напред", "напрежение напред", "UF" или "VF"). С много стартови комплекти на Arduino обаче често са включени само няколко светодиода без допълнителни коментари. В стартовия ми комплект имаше лист с данни за включения светодиод, но данните просто бяха грешни. Вероятно в някакъв момент сте започнали да включвате светодиоди от друг доставчик. Тогава само експериментирането и измерването ще помогнат.

Конкретни примери

Да вземем за пример червен светодиод с UF = 2,1 V. Тогава останалите 2,9 V все още присъстват на нашия резистор. С насочен ток от 15 mA, т.е. 0,015 A, получаваме:

Най-близките стандартни съпротивления са 150 О © и 220 О ©. Работейки назад, бихме стигнали с резистор 150 О © до 19,3 mA (ненужно висок), с резистор 220 О © до 13,2 mA (перфектен). Като втори пример, нека вземем син светодиод с UF = 3,2 V. След това останалите 1,8 V се прилагат към нашия резистор. Така получаваме:

Най-близките стандартни съпротивления са 100 О © и 150 О ©. Изчислявайки назад, бихме получили с резистор 100 О © до 18.0 mA (можете да го направите), с резистор 150 О © до 12.0 mA (можете и да го направите).

Дизайнът се базира на шаблона "Canvass" от Free CSS Templates.