Odabir otpornika za ograničavanje struje

Uvod

Otpornici koji ograničavaju struju postavljeni su u krug kako bi se osiguralo da količina struje koja teče ne prelazi ono što krug može sigurno podnijeti. Kada struja teče kroz otpornik, postoji, u skladu s Ohmovim zakonom, odgovarajući pad napona na otporniku (Ohmov zakon kaže da je pad napona umnožak struje i otpora: V=IR). Prisutnost ovog otpornika smanjuje količinu napona koji se može pojaviti na drugim komponentama koje su u seriji s otpornikom (kada su komponente "u seriji", postoji samo jedan put za struju, a posljedično i ista količina struje teče putem njih; to je dalje objašnjeno u informacijama dostupnim putem veze u okviru s desne strane).

Ovdje nas zanima određivanje otpora za otpornik koji ograničava struju postavljen u seriju s LED diodom. Otpornik i LED dioda su pak spojeni na napajanje od 3.3 V. Ovo je zapravo prilično kompliciran krug jer je LED nelinearni uređaj: odnos između struje kroz LED i napona na LED ne slijedi jednostavnu formulu. Stoga ćemo napraviti razne pojednostavljujuće pretpostavke i aproksimacije.

U teoriji, idealno napajanje naponom će opskrbiti bilo koju količinu struje potrebnu da pokuša održati svoje terminale na bilo kojem naponu koji bi trebao opskrbljivati. (U praksi, međutim, napon može opskrbljivati ​​samo ograničenu količinu struje.) Osvijetljena LED dioda obično će imati pad napona od oko 1.8 V do 2.4 V. Da bi stvari bile konkretne, pretpostavit ćemo pad napona od 2V. Za održavanje ove količine napona na LED-u obično je potrebno približno 15 mA do 20 mA struje. Još jednom radi konkretnosti, pretpostavit ćemo struju od 15 mA. Kad bismo LED diodu izravno priključili na napajanje, napon bi pokušao uspostaviti napon od 3.3 V na ovoj LED diodi. Međutim, LED diode obično imaju maksimalni prednji napon od oko 3V. Pokušaj uspostavljanja napona većeg od ovoga na LED diodi vjerojatno će uništiti LED i povući veliku struju. Dakle, ova neusklađenost između onoga što napajanje naponom želi proizvesti i onoga što LED može podnijeti može oštetiti LED ili napon ili oboje! Stoga želimo odrediti otpor za otpornik koji ograničava struju koji će nam dati odgovarajući napon od približno 2 V na LED diodi i osigurati da struja kroz LED bude približno 15 mA.

Kako bismo razriješili stvari, pomaže modelirati naš krug sa shematskim dijagramom, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1. Shematski dijagram strujnog kruga.

Na slici 1 možete zamisliti izvor napona od 3.3 V kao chipKIT™ ploču. Opet, općenito pretpostavljamo da će idealni izvori napona osigurati bilo koju količinu struje potrebnu za krug, ali chipKIT™ ploča može proizvesti samo ograničenu količinu struje. (Referentni priručnik za Uno32 kaže da je maksimalna količina struje koju pojedini digitalni pin može proizvesti je 18 mA, tj. 0.0018 A.) Kako bismo osigurali pad napona LED diode od 2 V, moramo odrediti odgovarajući napon na otporniku, koji smo nazvat ću VR. Jedan od načina za to je određivanje napona svake žice. Žice između komponenti ponekad se nazivaju čvorovi. Jedna stvar koju treba imati na umu je da žica ima isti napon cijelom svojom dužinom. Određivanjem napona žica možemo uzeti razliku u naponu od jedne žice do druge i pronaći pad napona na komponenti ili na skupini komponenti.

Prikladno je započeti s pretpostavkom da je negativna strana napona na potencijalu od 0V. To, zauzvrat, čini njegov odgovarajući čvor (tj. žicu spojenu na negativnu stranu napajanja) 0V, kao što je prikazano na slici 2. Kada analiziramo krug, slobodni smo dodijeliti napon uzemljenja signala od 0V do jedne točke u krugu. Svi ostali naponi su tada relativni u odnosu na tu referentnu točku. (Budući da je napon relativna mjera, između dvije točke, obično nije važno kojoj točki u krugu dodijelimo vrijednost od 0V. Naša analiza će uvijek dati iste struje i isti pad napona na komponentama. Ipak, uobičajena je praksa da se negativnom terminalu napajanja dodijeli vrijednost od 0V.) S obzirom da je negativni terminal napajanja na 0V, a s obzirom na to da razmatramo napajanje od 3.3V, pozitivni terminal mora biti na naponu od 3.3V (kao što je i žica/čvor spojen na njega). S obzirom na to da želimo pad napona od 2V na LED-u i s obzirom da je donji dio LED-a na 0V, gornji dio LED-a mora biti na 2V (kao i svaka žica spojena na nju).

Slika 2. Shematski prikaz napona čvorova.

S naponima čvora označenim kao što je prikazano na slici 2, sada možemo odrediti pad napona na otporniku kao što ćemo to učiniti za trenutak. Prvo, želimo istaknuti da se u praksi često pad napona povezan s komponentom zapisuje neposredno uz komponentu. Tako, na primjer, pored izvora napona upišemo 3.3V znajući da je to izvor od 3.3V. Za LED, budući da pretpostavljamo pad napona od 2V, možemo to jednostavno napisati pored LED diode (kao što je prikazano na slici 2). Općenito, s obzirom na napon koji postoji na jednoj strani elementa i s obzirom na pad napona na tom elementu, uvijek možemo odrediti napon na drugoj strani elementa. Suprotno tome, ako znamo napon na bilo kojoj strani elementa, tada znamo pad napona na tom elementu (ili ga možemo izračunati jednostavno uzimajući razliku napona na obje strane).

Budući da znamo potencijal žica na obje strane otpornika (Wire1 i Wire3), možemo riješiti pad napona na njemu, VR:

Ubacivanjem poznatih vrijednosti dobivamo:

Nakon što smo izračunali pad napona na otporniku, možemo koristiti Ohmov zakon da povežemo otpor otpornika s naponom. Ohmov zakon nam govori 1.3V=IR. Čini se da u ovoj jednadžbi postoje dvije nepoznanice, struja I i otpor R. Isprva bi se moglo činiti da I i R možemo napraviti bilo koje vrijednosti pod uvjetom da je njihov proizvod 1.3V. Međutim, kao što je gore spomenuto, tipična LED dioda može zahtijevati (ili "privući") struju od približno 15 mA kada ima napon od 2 V. Dakle, uz pretpostavku da je I 15 mA i rješavajući za R, dobivamo

U praksi može biti teško dobiti otpornik s otporom od točno 86.67 Ω. Moglo bi se, možda, koristiti promjenjivi otpornik i prilagoditi njegov otpor ovoj vrijednosti, ali to bi bilo skupo rješenje. Umjesto toga, često je dovoljno imati otpor koji je otprilike ispravan. Trebali biste otkriti da otpor reda veličine od 220 do XNUMX oma radi razumno dobro (što znači da osiguravamo da LED ne crpi previše struje, a ipak otpornik koji ograničava struju nije toliko velik da sprječava LED od osvjetljavanja). U ovim projektima obično ćemo koristiti otpornik za ograničavanje struje od XNUMX Ω.

Ostavite poruku 

Lista Poruka