A LED és soros ellenállása - Arduino - oktatóanyagok

rotering-net.de »Oktatóanyagok» Arduino: A LED és soros ellenállása

arduino

Az Arduino alapjai: a LED és soros ellenállása

  1. A feszültségről, áramról és ellenállásról
  2. A LED
  3. A soros ellenállás
  4. Az optimális áramerősség egy LED-hez
  5. A feszültségkülönbség
  6. Konkrét példák

Minden kezdő Arduino oktatóanyagban az elején olvashatja, hogy a LED csak soros ellenállással működtethető. Ezután egyszerűen egy szabványos 220 О © ellenállást sorba kötnek a LED-del, és ennyi. Ez a cikk megpróbál egy kicsit részletesebben bemutatni.

A feszültségről, áramról és ellenállásról

Ha elektromos feszültséget csatlakoztat egy tárgyhoz, áram áramlik rajta keresztül. Ha 5 V feszültséget alkalmaz egy (száraz) fadarabra, akkor aligha lesz esélyünk áramot mérni, mert abszolút apró. Ha ugyanazt a feszültséget alkalmazzuk egy darab fémdrótra, akkora áram folyik, hogy rövidzárlat lép fel. A különbség az anyagok vezetőképessége. Míg egy fadarab rendkívül nagy elektromos ellenállást kínál, egy fémhuzal elektromos ellenállása elhanyagolható. A feszültség, az ellenállás és az áram intenzitása közötti összefüggést a gyakorlatban Ohm-törvény segítségével írhatjuk le: Az I áramerősség megfelel az U feszültség és az R ellenállás arányának.

Az áram erőssége és ellenállása fordítottan arányos egymással. Minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb az áram. Adott feszültség mellett tehát ellenállással korlátozhatjuk az áram erősségét. Tegyük fel, hogy az Arduino +5 V feszültségét 1 kO © ellenállással köti földre.

Ohm törvényének segítségével most kiszámíthatjuk az aktuális erősséget:

Az 5 mA biztonságos áram az Arduino számára, így ezt biztonságosan megvalósíthatja. Ha csak 10 О © ellenállást választ, akkor az eredmény 500 mA áramerősség, ami messze tenné a megengedett specifikációkat. Ezért határozottan nem tanácsolom.

Másrészt az ellenállást az egyenletben rögzített értéken hagyhatjuk, és megváltoztathatjuk a feszültséget. Az áram erőssége és feszültsége arányos. Minél nagyobb a feszültség, annál nagyobb az áram. Ha néhány millió voltra növeljük a feszültséget, akkor a nagy ellenállás ellenére tekintélyes áramot mérhetünk fadarabunkban. És ezért nem szabad bükkösöket keresni zivatar idején. De maradjunk az 1 kО © ellenállásnál, és diagramként mutassuk meg a feszültség és az áram viszonyát:

Láthatja: egyenes vonal. Nem vártunk mást, a feszültség és az áram arányos egymással.

A LED

A tranzisztorhoz vagy a diódához hasonlóan a LED is egy úgynevezett félvezető. Félvezető esetében ugyanaz a diagram teljesen másképp néz ki.

A félvezetők kifejezés azon a tényen alapul, hogy egy bizonyos feszültség alatt úgy viselkednek, mint egy fadarab (ellenállásuk olyan nagy, hogy gyakorlatilag nem folyik áram), és bizonyos feszültség felett, mint egy darab fémdrót (ellenállásuk olyan alacsony, hogy az áram szinte akadálytalanul átfolyik). Között van egy kis átmeneti terület, ahol elegendő áram folyhat a LED kigyulladásához, de nem túl nagy a rövidzárlat létrehozásához. A +5 V teljes feszültség ezért rendkívül alkalmatlan a LED működtetésére. Mentálisan folytathatja a sort.

Tehát kézenfekvő lenne a LED feszültségének megfelelő beállítása. Elméletileg ez is lehetséges, de a gyakorlatban nehéz feladat megoldani. Egyrészt a LED-gyártási folyamatok ingadozásoknak vannak kitéve, ami azt jelenti, hogy az optimális feszültség minden LED-nél mindig kissé eltér, másrészt nagyon időigényes a feszültséget abszolút pontossággal beállítani és állandó terhelés alatt tartani. Az Arduino +5 V feszültsége például a specifikáció szerint +4,5 V és +5,5 V között ingadozhat. Azonban, amint az a diagramon látható, a kis feszültségeltérések hatalmas eltérésekhez vezetnek az áram intenzitásában, amelyek a legjobb esetben egyszerűen a LED fényerejének nagy ingadozását eredményezik, a legrosszabb esetben a LED villog vagy jelentősen csökkent az élettartama.

A soros ellenállás

Nézzük a másik oldalról. A problémánk valójában az, hogy egy bizonyos feszültségtől kezdve a LED szinte akadálytalanul engedi át az áramot; egyszerűen feltételezzük, hogy a LED ellenállása ekkor 0 О © lenne. Tehát az áram korlátozásához nincs szükségünk másra, csak egy további ellenállásra. Emlékszel az 1 kО © ellenállásunkra, amely csak 5 mA-t enged át? Ha most ebben az áramkörben sorozatban hozzáadunk egy további, jelentős ellenállás nélküli elemet (azaz a LED-jünket), akkor ott is csak az 5 mA áramlik. Nos, szigorúan véve ez már nem 5 mA, de erről egy pillanat alatt többet.

Az optimális áramerősség egy LED-hez

Tehát először tisztáznunk kell, hogy mennyi áramra van szükségünk a LED-hez. Bár a LED-ek a fény színétől függően nagyon különböző félvezető anyagokkal működnek, de néha ugyanazon a fényszínnel is, az optimális áram szinte mindig 20 mA. Ebben az összefüggésben az optimális azt jelenti, hogy a LED maximális fényerejét úgy kapjuk meg, hogy az élettartama nem csökken. Számos soros ellenállású számítógép, amely megtalálható az interneten, ezért 20 mA-es fix árammal működik. Azonban még a legolcsóbb LED-ek is hatékonyabbak ma, mint 20 évvel ezelőtt. Ez azt jelenti, hogy a 20 mA-vel történő működés még mindig optimális, de alacsonyabb áramoknál a fényveszteség csak minimális. A következő képen négy zöld LED látható. 18 mA, 9 mA és 6,5 mA áram folyik rajta balról jobbra. A jobb LED-nek nincs funkciója, és csak tájékoztató jellegű.

Ha nem szeretné a LED-et világítási célokra használni, akkor elegendő 15 mA árammal számolni. Ez védi a LED-et, az Arduino kimeneteit, és alig veszi észre a fényerő csökkenését.

A feszültségkülönbség

Ha felülről próbáljuk meg képletünket, akkor 330 V-os ellenállással 5 V-os feszültségen körülbelül 15 mA áramot kapunk. De figyelmen kívül hagyjuk azt a tényt, hogy a +5 V összfeszültség (UB) még az ellenállásra sem vonatkozik, mert a sorba kapcsolt LED már feszültségvesztést (UF) generál. Ellenállásunk tulajdonképpen csak az UB és az UF közötti különbségnek köszönhető. Bár egyértelmű, hogy a teljes feszültség UB = 5 V, meg kell találnunk, hogy mi a LED úgynevezett előremenő feszültsége.

Míg a LED-ekkel az optimális áramintenzitás gyakorlatilag mindig azonos, az áramlási feszültség nagyon specifikus az alkalmazott félvezető anyagokra. Az interneten olyan táblázatokat találhat, amelyek egy bizonyos előrefeszültséget rendelnek egy világos színhez. Vagy adjon meg nagy értéktartományt, vagy vegyen fel egy félvezetőt, amelyet gyakran használnak a táblázat létrehozásakor. Mindkettő korlátozott felhasználású. A legjobb esetben minden egyes LED-hez van egy adatlapja, amelyben meg van adva az előremenő feszültség (keresse meg a „Fluxxspannung”, „Forward feszültség”, „Forward feszültség”, „UF” vagy „VF” elemeket). Számos Arduino kezdőkészlet mellett azonban gyakran csak néhány LED található meg minden további megjegyzés nélkül. A kezdőkészletemmel volt egy adatlap a mellékelt LED-hez, de az adatok egyszerűen hibásak voltak. Valószínűleg valamikor elkezdte egy másik szállító LED-eket is beépíteni. Akkor csak a kísérletezés és a mérés segít.

Konkrét példák

Vegyünk példaként egy piros UF = 2,1 V LED-et, majd a fennmaradó 2,9 V még mindig jelen van az ellenállásunknál. 15 mA, azaz 0,015 A célzott árammal a következőket kapjuk:

A legközelebbi standard ellenállás 150 О © és 220 О ©. Visszafelé haladva a 150 О © ellenállással 19,3 mA-re (feleslegesen magasra), a 220 О © ellenállással 13,2 mA-re jutunk (tökéletes). Második példaként vegyünk egy kék LED-t, amelynek UF = 3,2 V. Ezután a fennmaradó 1,8 V jelen van az ellenállásunkon. Tehát kapjuk:

A legközelebbi standard ellenállás 100 О © és 150 О ©. Ha visszafelé számolunk, akkor a 100 О © ellenállással 18,0 mA-re jutunk (megteheti), a 150 О © ellenállással 12,0 mA-re (megteheti).

A tervezés az ingyenes CSS-sablonok "Canvass" sablonjára épül.