Επιλέγοντας μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος

Εισαγωγή

Οι αντιστάσεις περιορισμού ρεύματος τοποθετούνται σε ένα κύκλωμα για να διασφαλιστεί ότι η ποσότητα του ρεύματος που ρέει δεν υπερβαίνει αυτό που μπορεί να χειριστεί με ασφάλεια το κύκλωμα. Όταν το ρεύμα ρέει μέσω μιας αντίστασης, υπάρχει, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, μια αντίστοιχη πτώση τάσης στην αντίσταση (ο νόμος του Ohm δηλώνει ότι η πτώση τάσης είναι το γινόμενο του ρεύματος και της αντίστασης: V=IR). Η παρουσία αυτής της αντίστασης μειώνει την ποσότητα της τάσης που μπορεί να εμφανιστεί σε άλλα εξαρτήματα που βρίσκονται σε σειρά με την αντίσταση (όταν τα εξαρτήματα είναι "σε σειρά", υπάρχει μόνο μία διαδρομή για τη ροή του ρεύματος και κατά συνέπεια η ίδια ποσότητα ρεύματος μέσω αυτών· αυτό εξηγείται περαιτέρω στις πληροφορίες που είναι διαθέσιμες μέσω του συνδέσμου στο πλαίσιο στα δεξιά).

Εδώ μας ενδιαφέρει να προσδιορίσουμε την αντίσταση για μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος τοποθετημένη σε σειρά με ένα LED. Η αντίσταση και το LED είναι, με τη σειρά τους, συνδεδεμένα σε τροφοδοσία τάσης 3.3 V. Αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα αρκετά περίπλοκο κύκλωμα επειδή το LED είναι μια μη γραμμική συσκευή: η σχέση μεταξύ του ρεύματος μέσω ενός LED και της τάσης στο LED δεν ακολουθεί έναν απλό τύπο. Έτσι, θα κάνουμε διάφορες απλοποιητικές υποθέσεις και προσεγγίσεις.

Θεωρητικά, μια ιδανική τροφοδοσία τάσης θα παρέχει οποιαδήποτε ποσότητα ρεύματος είναι απαραίτητη για να προσπαθήσει να διατηρήσει τους ακροδέκτες της σε οποιαδήποτε τάση υποτίθεται ότι παρέχει. (Στην πράξη, ωστόσο, μια τροφοδοσία τάσης μπορεί να παρέχει μόνο μια πεπερασμένη ποσότητα ρεύματος.) Ένα αναμμένο LED θα έχει τυπικά πτώση τάσης περίπου 1.8 V έως 2.4 V. Για να κάνουμε τα πράγματα συγκεκριμένα, θα υποθέσουμε πτώση τάσης 2 V. Για να διατηρηθεί αυτή η ποσότητα τάσης στο LED συνήθως απαιτούνται περίπου 15 mA έως 20 mA ρεύματος. Για άλλη μια φορά για λόγους ακρίβειας, θα υποθέσουμε ρεύμα 15 mA. Εάν συνδέσαμε απευθείας το LED στην τροφοδοσία τάσης, η τροφοδοσία τάσης θα προσπαθήσει να δημιουργήσει μια τάση 3.3 V σε αυτό το LED. Ωστόσο, τα LED έχουν συνήθως μέγιστη τάση προς τα εμπρός περίπου 3V. Η προσπάθεια δημιουργίας τάσης υψηλότερης από αυτή στο LED είναι πιθανό να καταστρέψει το LED και να τραβήξει πολύ ρεύμα. Έτσι, αυτή η αναντιστοιχία μεταξύ αυτού που θέλει να παράγει η τροφοδοσία τάσης και αυτού που μπορεί να χειριστεί το LED μπορεί να βλάψει το LED ή την παροχή τάσης ή και τα δύο! Θέλουμε λοιπόν να προσδιορίσουμε μια αντίσταση για μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος που θα μας δώσει την κατάλληλη τάση περίπου 2 V κατά μήκος του LED και θα διασφαλίσει ότι το ρεύμα μέσω του LED είναι περίπου 15 mA.

Για να τακτοποιήσουμε τα πράγματα, βοηθάει να μοντελοποιήσουμε το κύκλωμά μας με ένα σχηματικό διάγραμμα, όπως φαίνεται στην Εικ. 1.

Εικόνα 1. Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος.

Στο Σχ. 1 μπορείτε να σκεφτείτε την πηγή τάσης 3.3 V ως την πλακέτα chipKIT™. Και πάλι, γενικά υποθέτουμε ότι οι ιδανικές πηγές τάσης θα παρέχουν οποιαδήποτε ποσότητα ρεύματος απαιτείται για το κύκλωμα, αλλά η πλακέτα chipKIT™ μπορεί να παράγει μόνο μια πεπερασμένη ποσότητα ρεύματος. (Το εγχειρίδιο αναφοράς Uno32 λέει ότι η μέγιστη ποσότητα ρεύματος που μπορεί να παράγει μια μεμονωμένη ψηφιακή ακίδα είναι 18 mA, δηλαδή 0.0018 A.) Για να διασφαλίσουμε ότι η λυχνία LED έχει πτώση τάσης 2 V, πρέπει να προσδιορίσουμε την κατάλληλη τάση στην αντίσταση, την οποία Θα καλέσω VR. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να προσδιορίσετε την τάση κάθε καλωδίου. Τα καλώδια μεταξύ των στοιχείων ονομάζονται μερικές φορές κόμβοι. Ένα πράγμα που πρέπει να έχετε κατά νου είναι ότι ένα καλώδιο έχει την ίδια τάση σε όλο το μήκος του. Καθορίζοντας την τάση των καλωδίων, μπορούμε να πάρουμε τη διαφορά τάσης από το ένα καλώδιο στο άλλο και να βρούμε την πτώση τάσης σε ένα εξάρτημα ή σε μια ομάδα εξαρτημάτων.

Είναι βολικό να ξεκινήσετε υποθέτοντας ότι η αρνητική πλευρά της τροφοδοσίας τάσης είναι σε δυναμικό 0V. Αυτό, με τη σειρά του, κάνει τον αντίστοιχο κόμβο του (δηλαδή, το καλώδιο που συνδέεται στην αρνητική πλευρά της τροφοδοσίας τάσης) 0V, όπως φαίνεται στο Σχ. 2. Όταν αναλύουμε ένα κύκλωμα, είμαστε ελεύθεροι να εκχωρήσουμε μια τάση γείωσης σήματος 0V σε ένα σημείο του κυκλώματος. Όλες οι άλλες τάσεις είναι τότε σχετικές με αυτό το σημείο αναφοράς. (Επειδή η τάση είναι ένα σχετικό μέτρο, μεταξύ δύο σημείων, συνήθως δεν έχει σημασία σε ποιο σημείο του κυκλώματος εκχωρούμε μια τιμή 0V. Η ανάλυσή μας θα αποδίδει πάντα τα ίδια ρεύματα και την ίδια πτώση τάσης στα εξαρτήματα. Ωστόσο, είναι κοινή πρακτική να εκχωρείτε στον αρνητικό ακροδέκτη μιας τροφοδοσίας τάσης μια τιμή 0V.) Δεδομένου ότι ο αρνητικός ακροδέκτης της τροφοδοσίας τάσης είναι στα 0V, και δεδομένου ότι εξετάζουμε τροφοδοσία 3.3 V, ο θετικός ακροδέκτης πρέπει να είναι σε τάση των 3.3 V (όπως είναι το καλώδιο/κόμβος που συνδέεται σε αυτό). Δεδομένου ότι επιθυμούμε πτώση τάσης 2V στο LED και δεδομένου ότι το κάτω μέρος του LED είναι στα 0V, το επάνω μέρος του LED πρέπει να είναι στα 2V (όπως και κάθε καλώδιο που είναι συνδεδεμένο σε αυτό).

Σχήμα 2. Σχηματική εμφάνιση τάσεων κόμβου.

Με τις τάσεις του κόμβου με την ένδειξη όπως φαίνεται στο Σχ. 2, μπορούμε τώρα να προσδιορίσουμε την πτώση τάσης στην αντίσταση όπως θα κάνουμε σε μια στιγμή. Πρώτον, θέλουμε να επισημάνουμε ότι στην πράξη κάποιος συχνά γράφει την πτώση τάσης που σχετίζεται με ένα εξάρτημα ακριβώς δίπλα σε ένα εξάρτημα. Έτσι, για παράδειγμα, γράφουμε 3.3V δίπλα στην πηγή τάσης γνωρίζοντας ότι είναι πηγή 3.3V. Για το LED, εφόσον υποθέτουμε πτώση τάσης 2V, μπορούμε απλά να το γράψουμε δίπλα στο LED (όπως φαίνεται στο Σχ. 2). Γενικά, δεδομένης της τάσης που υπάρχει στη μία πλευρά ενός στοιχείου και δεδομένης της πτώσης τάσης σε αυτό το στοιχείο, μπορούμε πάντα να προσδιορίσουμε την τάση στην άλλη πλευρά του στοιχείου. Αντίθετα, αν γνωρίζουμε την τάση σε κάθε πλευρά ενός στοιχείου, τότε γνωρίζουμε την πτώση τάσης σε αυτό το στοιχείο (ή μπορούμε να την υπολογίσουμε απλώς λαμβάνοντας τη διαφορά των τάσεων σε κάθε πλευρά).

Επειδή γνωρίζουμε το δυναμικό των καλωδίων σε κάθε πλευρά της αντίστασης (Wire1 και Wire3), μπορούμε να λύσουμε για την πτώση τάσης σε αυτήν, VR:

Συνδώντας τις γνωστές τιμές, παίρνουμε:

Έχοντας υπολογίσει την πτώση τάσης στην αντίσταση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το νόμο του Ohm για να συσχετίσουμε την αντίσταση της αντίστασης με την τάση. Ο νόμος του Ohm μας λέει 1.3V=IR. Σε αυτήν την εξίσωση, φαίνεται να υπάρχουν δύο άγνωστα, το ρεύμα I και η αντίσταση R. Αρχικά μπορεί να φανεί ότι μπορούμε να κάνουμε I και R οποιεσδήποτε τιμές υπό την προϋπόθεση ότι το προϊόν τους είναι 1.3 V. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, μια τυπική λυχνία LED μπορεί να απαιτεί (ή να «τραβάει») ρεύμα περίπου 15 mA όταν έχει τάση στα 2V. Έτσι, υποθέτοντας ότι το I είναι 15 mA και λύνουμε το R, λαμβάνουμε

Στην πράξη, μπορεί να είναι δύσκολο να αποκτήσετε μια αντίσταση με αντίσταση ακριβώς 86.67 Ω. Θα μπορούσε, ίσως, κάποιος να χρησιμοποιήσει μια μεταβλητή αντίσταση και να προσαρμόσει την αντίστασή του σε αυτήν την τιμή, αλλά αυτή θα ήταν μια κάπως ακριβή λύση. Αντίθετα, συχνά αρκεί να έχουμε μια αντίσταση που είναι περίπου σωστή. Θα πρέπει να διαπιστώσετε ότι μια αντίσταση της τάξης του ενός έως διακόσια ohms λειτουργεί αρκετά καλά (που σημαίνει ότι διασφαλίζουμε ότι η λυχνία LED δεν αντλεί πολύ ρεύμα και ωστόσο η αντίσταση περιορισμού ρεύματος δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να εμποδίζει το LED από το φωτισμό). Σε αυτά τα έργα θα χρησιμοποιήσουμε συνήθως μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος 220 Ω.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων