ทำไมเราต้องมีตัวต้านทานเป็นไฟ LED

ฉันวิจัยแล้วและมันบอกว่าตัวต้านทาน จำกัด กระแสที่ไหลผ่าน LED

แต่ข้อความนี้ทำให้ฉันสับสนเพราะเรารู้ว่าในวงจรอนุกรมกระแสคงที่ทุกจุดดังนั้นตัวต้านทานจึงสามารถ จำกัด กระแสที่ไหลได้

ไฟ LED มีแรงดันไฟฟ้าคงที่พอสมควรเช่น 2.2V สำหรับ LED สีแดงซึ่งเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในปัจจุบัน หากคุณจ่าย 3V ให้กับ LED นี้โดยไม่มีตัวต้านทานอนุกรม LED จะพยายามตั้งค่าสำหรับแรงดันไฟฟ้า / กระแสรวมสำหรับ 3V นี้ ไม่มีกระแสไฟฟ้าที่ไปกับแรงดันไฟฟ้าชนิดนี้ตามหลักวิชามันอาจเป็น 10 วินาทีหรืออาจเป็น 100 แอมแปร์ซึ่งจะทำลาย LED และนั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้นถ้าแหล่งจ่ายไฟของคุณสามารถจ่ายกระแสไฟได้เพียงพอ
ดังนั้นการแก้ปัญหาคือตัวต้านทานแบบอนุกรม หาก LED ของคุณต้องการ 20mA คุณสามารถคำนวณหา LED สีแดงได้ในตัวอย่าง

$R = \dfrac{\Delta V}{I} = \dfrac{3V - 2.2V}{20mA} = 40 \Omega$

คุณอาจคิดว่าการจัดหา 2.2V โดยตรงจะใช้งานได้ แต่ก็ไม่เป็นความจริง ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยใน LED หรือแรงดันไฟฟ้าอาจทำให้ไฟ LED สลัวมากสว่างมากหรือแม้แต่ทำลาย ตัวต้านทานแบบอนุกรมจะตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันเล็กน้อยมีผลเพียงเล็กน้อยต่อกระแสไฟ LED หากแรงดันตกคร่อมของตัวต้านทานมีขนาดใหญ่พอ

จุดคือLED เป็นไดโอดต่อไปและไดโอดมีความต้านทานภายในเล็กมาก (ในทิศทาง "ไปข้างหน้า" แน่นอน) ดังนั้นหากไม่มีสิ่งอื่นในซีรีส์ความต้านทานโดยรวมอยู่ในระดับต่ำมากและปัจจุบันมี จำกัด น้อยและกระแส จำกัด แทบ สามารถทำลายไฟ LED และโอเวอร์โหลดวงจรที่ทรงพลัง

ใช่แล้วคุณถูกต้องว่ากระแสนั้นเหมือนกันในแต่ละจุดของวงจรเมื่อองค์ประกอบเชื่อมต่อเป็นอนุกรม แต่เมื่อคุณเพิ่มตัวต้านทานคุณจะเพิ่มความต้านทานโดยรวมของซีรีย์และจะลดกระแสลง

คำตอบที่ซับซ้อนเสมอ ;-) ดูด้วยวิธีนี้ จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณวางสายเชื่อมต่อขั้วของแบตเตอรี่? ในโลกที่สมบูรณ์แบบคุณจะได้รับกระแสอนันต์ที่หลอมละลายลวด เราเรียกสิ่งนี้ว่า curcuit สั้น ๆ เนื่องจากไดโอดได้รับการออกแบบให้มีความต้านทานไปข้างหน้าเพียงเล็กน้อยเราจึงได้รับผลกระทบเช่นเดียวกับระยะสั้น ใส่ตัวต้านทานเข้าไปที่นั่นเพื่อให้บางสิ่งบางอย่างเพื่อต่อต้านกระแสไฟฟ้าเพื่อ จำกัด ตัวต้านทานลงจากอินฟินิตี้

ลองจินตนาการว่า

• คุณมีมอเตอร์ขับเคลื่อนด้วยน้ำซึ่งความเร็วนั้นแปรผันตามการไหลของกระแสไฟฟ้า

• มอเตอร์นั้นมีความต้านทานน้อยมากต่อการไหลของกระแส - คุณต้องควบคุมการไหลของกระแสภายนอกไปยังปั๊ม

• คุณมีปั๊มที่สามารถปั๊ม 10 ลิตรต่อวินาทีผ่านท่อ 10 เมตรไปยังมอเตอร์จากนั้นผ่านมอเตอร์แล้วผ่านท่ออีก 10 เมตรไปยังด้านดูดของปั๊ม (อัตราการไหลมีความสัมพันธ์กับแรงดันที่ปั๊มทำและความต้านทานของท่อ - ไม่ใช่ปั๊มเชิงบวก

• เมื่อปั๊มทำงานคุณพบว่ามอเตอร์วิ่งเร็วเกินไปและคุณต้อง จำกัด การไหลของน้ำประมาณ 1 ลิตร / วินาที

เพื่อให้บรรลุความต้องการคุณสามารถวางวาล์วลดลงในวงจรเพื่อลดความดันส่วนใหญ่และ จำกัด การไหล วาวล์ทำงานเพื่อลดแรงดันจำนวนหนึ่งในอัตราการไหลที่กำหนดและสามารถปรับได้ (นี่เป็นเรื่องเกี่ยวกับจำนวนวาล์วน้ำ rel ที่ทำงาน)

คุณสามารถวางวาล์วได้ทุกที่ในวงจรและมันจะได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการ อาจเป็นทางเข้าของปั๊มหรือทางออกหรือที่ทางออกมอเตอร์หรือทางเข้าหรือที่ใดก็ได้ในท่อทั้งสอง

นี่คือคำถาม LED ใกล้เคียงกับคุณ กระแสจะต้องถูก จำกัด เนื่องจากมันสูงเกินไปโดยไม่มีตัว จำกัด ตัว จำกัด ลิมิตอาจวางไว้ที่ใดก็ได้ในวงจร

ด้วยแบตเตอรี่ - วงจร LED ตัวต้านทาน

LED มีแรงดันตกที่กำหนดที่แน่นอนที่เลือก
ในการที่เฉพาะเจาะจงให้บอกว่าที่ 20 mA ไฟ LED ลดลงอย่างแน่นอน 3.00 โวลต์ นี่เป็นเรื่องปกติของ LED บางรุ่นที่ทันสมัย
ถ้าเราต้องการรัน LED ที่ 20 mA เราต้องจัดให้มันปล่อย 3 V - ไม่มากและไม่น้อย
หากเราต้องการที่จะใช้แหล่งจ่าย 9V เพื่อใช้งาน LED เรา N = ต้อง "กำจัด" 9-3 = 6B อย่างใด
ตัวต้านทานทำสิ่งนี้
ในการปล่อย 6V ที่ 20 mA ตัวต้านทานที่ต้องการคือ R = V / I = 6 / 0.02 = 300 ohms
ในตัวอย่างนี้แบตเตอรี่ 9V + ตัวต้านทาน + LED จะทำงานที่ 20 mA ตัวต้านทานสามารถวางก่อนหรือหลังไฟ LED กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งไปที่ใดที่หนึ่ง

มันไม่เกี่ยวข้องกับคำถามนี้ แต่สำคัญมากที่ต้องรู้ว่าคำแถลงของคุณนั้น

• "เรารู้ว่าอนุกรม ciircuit กระแสคงที่ทุกจุด"

ไม่ถูกต้อง

มีหลายวงจรที่นี่เป็น rue แต่ก็มีอีกหลายวงจรที่มันไม่เป็นความจริง
ในวงจร DC ที่มีส่วนประกอบตัวต้านทานเท่านั้นเช่น 1 LED, 1 ตัวต้านทานวงจรแล้วมันจะเป็นจริง แต่เมื่อมีองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยาเช่นตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุหรือองค์ประกอบเชิงเส้นที่ไม่ใช่เชิงเส้นบางอย่างก็มักจะไม่เป็นความจริง

ลองเน้นสิ่งที่สำคัญตรงนี้: เส้นโค้งลักษณะ LED (ซึ่งเป็นไดโอด) โปรดดูภาพนี้จากวิกิพีเดีย อย่างที่คุณเห็นสำหรับแรงดันบวกข้ามไดโอดกระแสจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ลองนึกภาพตอนนี้คุณเชื่อมต่อ LED ของคุณกับแหล่งจ่ายไฟโดยไม่มีตัวต้านทาน คุณจะต้องตั้งค่าแรงดันที่แน่นอนผ่านไดโอดเพื่อให้ได้กระแสที่แน่นอนที่คุณต้องการเพื่อให้ไฟ LED สว่างขึ้น หากแหล่งจ่ายไฟของคุณเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่คุณต้องการเล็กน้อยกระแสไฟจะสูงกว่าก่อนหน้าซึ่งอาจทำให้ไดโอดของคุณเสียหายได้ ดังนั้นตัวต้านทานสามารถช่วยเราแก้ปัญหานี้ได้อย่างไร ข้อเสนอแนะ!หนึ่งในแนวคิดที่สำคัญที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์! ลองย้อนกลับไปที่ตัวอย่างของเราและเพิ่มตัวต้านทานแบบอนุกรมที่มีไดโอดและแหล่งจ่ายไฟ ทีนี้ทุกครั้งที่แหล่งจ่ายไฟของคุณเกินแรงดันที่กำหนดไดโอดจะเพิ่มกระแสเพิ่มขึ้นอีกครั้ง แต่เนื่องจากกระแสมีแรงดันสูงกว่าตัวต้านทานจะสูงขึ้นเช่นกันซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าข้ามไดโอดจะลดลงชดเชยพลังงาน แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

LED เป็นไดโอดที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งจะสร้างโฟตอนของแสงเมื่อกระแสไหลผ่านวัสดุ ยิ่งกระแสผ่าน LED มากขึ้นเท่าไรไฟก็จะยิ่งเปล่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตามมีข้อ จำกัด ด้านบนซึ่งเป็นปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่เพียงพอที่จะทำลาย LED

LED มีความต้านทานเล็กน้อยต่อกระแสที่ไหลผ่าน ความต้านทานเล็กน้อยส่วนใหญ่นั้นมาจากพลังงานที่สูญเสียไปจากแสงที่ปล่อยออกมาและการสร้างโฟตอนนั้นมีประสิทธิภาพมากจนความต้านทานจะเล็กน้อยมาก อย่างไรก็ตามเมื่อเพิ่มขึ้นในปัจจุบันการเพิ่มปริมาณของแสงไฟ LED ในบางจุดจะล้มเหลวเนื่องจากปริมาณของกระแสที่ไหลผ่าน LED ทำให้เกิดความล้มเหลวของวัสดุ ด้วยกระแสไฟฟ้าจำนวนมากเพียงพอการระเหยของวัสดุที่เป็นหายนะอาจส่งผลให้เกิดการระเบิดขนาดเล็กภายในซองจดหมายด้านนอก LED ด้วยระดับกระแสที่ต่ำกว่าที่พบในวงจรดิจิตอล 3.3v หรือ 5v ผลลัพธ์ที่น่าเป็นไปได้มากที่สุดคือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ล้มเหลวและหยุดดำเนินการและ LED ไม่เรืองแสงอีกต่อไป

แรงดันไฟฟ้าวงจรมีผลต่อการจับกระแสของ LED อย่างไร เนื่องจาก LED เป็นไดโอดชนิดหนึ่งสมการ Shockley diode อธิบายถึงไดโอดปัจจุบันที่ช่วยให้แรงดันไฟฟ้าในระดับต่างๆ สมการแสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์ของฟังก์ชั่น Shockley สำหรับช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดนั้นเป็นไปตามเส้นโค้งเลขชี้กำลัง ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน ดังนั้นการใช้ LED ในวงจรง่ายๆที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของ LED มีความเสี่ยงที่จะมีหลอดไฟ LED ดึงกระแสเกินกว่าระดับที่แนะนำอย่างน่าประหลาดใจทำให้ LED ล้มเหลว

ดูวิกิพีเดียหัวข้อ LED วงจรเช่นเดียวกับสมการไดโอดวิกิพีเดียหัวข้อ Shockley

ดังนั้นความคิดคือการสร้างวงจรไฟ LED เพื่อ จำกัด ปริมาณของกระแสที่ไหลผ่านไฟ LED เราต้องการสร้างความสมดุลในการมีกระแสไฟฟ้าเพียงพอเพื่อทำให้ระดับความสว่างที่ต้องการโดยไม่ต้องมากจนวัสดุ LED ล้มเหลว วิธีการ จำกัด กระแสที่พบมากที่สุดคือการเพิ่มตัวต้านทานไปยังวงจร

LED ควรมีแผ่นข้อมูลที่อธิบายคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความคลาดเคลื่อนของ LED ยกตัวอย่างเช่นดูข้อมูลนี้แผ่นรุ่น No .: YSL-R531R3D-D2

ลักษณะแรกที่เราสนใจคือ (1) อะไรคือกระแสสูงสุดที่ LED สามารถรักษาไว้ได้ก่อนที่ความล้มเหลวของวัสดุจะเกิดขึ้นทำให้เกิด LED ล้มเหลวและ (2) ช่วงปัจจุบันที่แนะนำคืออะไร คะแนนสูงสุดเหล่านี้และอื่น ๆ สำหรับ LED สีแดงมาตรฐานทั่วไป (LED ที่ต่างกันจะมีค่าแตกต่างกัน) อยู่ในตารางตามที่ซ้ำกันด้านล่าง

ในตารางจากแผ่นข้อมูลสำหรับ LED สีแดงมาตรฐานนี้เราจะเห็นว่ากระแสสูงสุดคือ 20mA โดยช่วงที่แนะนำคือ 16mA ถึง 18mA ช่วงที่แนะนำนี้เป็นกระแสสำหรับ LED ที่จะสว่างที่สุดในขณะที่ไม่เสี่ยงต่อความล้มเหลวของวัสดุ นอกจากนี้เรายังเห็นว่าการกระจายพลังงานที่ได้รับคะแนนคือ 105mW เราต้องการให้แน่ใจว่าในการออกแบบวงจร LED ของเราเราอยู่ในช่วงที่แนะนำเหล่านี้

เมื่อดูในตารางถัดไปเราจะพบค่า Forward Voltage สำหรับ LED 2.2v ค่า Forward Voltage คือแรงดันตกเมื่อกระแสไหลผ่าน LED ในทิศทางไปข้างหน้าจากขั้วบวกไปยังแคโทด ดูแรงดันไฟฟ้า“ ไปข้างหน้า” และ“ ย้อนกลับ” คืออะไรเมื่อทำงานกับไดโอด .

ถ้าเราใช้ LED นี้ในวงจรที่มี 2.2v และกระแส 20mA ดังนั้น LED จะกระจาย 44mW ซึ่งอยู่ภายในเขตความปลอดภัยในการกระจายพลังงานของเรา หากการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันจาก 20mA เป็น 100mA การกระจายจะมากกว่า 5 เท่าหรือ 220mW ซึ่งสูงกว่าระดับ 105mW Power Dissipation สำหรับ LED ดังนั้นเราจึงคาดหวังว่า LED จะล้มเหลว ดูเกิดอะไรขึ้นกับ LED ของฉันเมื่อฉันจัดหากระแสไฟฟ้ามากเกินไป .

เพื่อลดกระแสไฟฟ้าผ่าน LED ถึงระดับที่แนะนำเราจะแนะนำตัวต้านทานเข้าสู่วงจร เราควรใช้ตัวต้านทานค่าอะไร

V = I x Rเราคำนวณค่าความต้านทานโดยใช้กฎหมายโอห์ม อย่างไรก็ตามเราจะทำการแปลงเชิงพีชคณิตเพราะเราต้องการแก้หาค่าความต้านทานมากกว่าแรงดันดังนั้นเราจึงใช้สูตรR = V / Iแทน

ค่าสำหรับ I, กระแสเป็นแอมแปร์ค่อนข้างชัดเจนให้ใช้ค่าต่ำสุดที่แนะนำคือ 16mA หรือ. 016A จากแผ่นข้อมูล LED ในสูตรเปลี่ยนรูป แต่เราควรใช้ค่าใดกับโวลต์ V

เราจำเป็นต้องใช้แรงดันตกคร่อมของตัวต้านทานซึ่งเป็นผลงานที่ตัวต้านทานทำกับแรงดันตกรวมของวงจรทั้งหมด ดังนั้นเราจะต้องลบการลดลงของแรงดันไฟฟ้าของ LED จากแรงดันวงจรรวมเพื่อตรวจสอบการมีส่วนร่วมของแรงดันไฟฟ้าตกที่ต้องการจากตัวต้านทาน แรงดันไฟฟ้าตกของ LED คือค่าแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าแรงดันไฟฟ้าตกในทิศทางไปข้างหน้าจากขั้วบวกไปยังแคโทดจากตารางด้านบน

สำหรับโครงการ Raspberry Pi มาตรฐานโดยใช้ราง 3.3v เป็นแหล่งจ่ายไฟการคำนวณจะเป็น (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

แล้วทำไมค่าตัวต้านทานเช่น 200 โอห์มจึงใช้กันโดยทั่วไปเมื่อการคำนวณแสดง 69 โอห์ม

คำตอบง่าย ๆ คือตัวต้านทาน 200 ohm เป็นตัวต้านทานทั่วไปที่รวมอยู่ในชุดการทดลองหลายชุด เราต้องการใช้ตัวต้านทานทั่วไปหากแสงที่ปล่อยออกมาจาก LED จะไม่ลดลงอย่างเห็นได้ชัด

ดังนั้นถ้าเราเปลี่ยนจากตัวต้านทาน 69 โอห์มเป็นตัวต้านทาน 200 โอห์มการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันคืออะไร? เราใช้กฎของโอห์มอีกครั้งในการแก้ปัญหากระแสในวงจรI = V / Rหรือ3.3v / 200 ohms = .0165Aเมื่อเราดูแผ่นข้อมูล LED เราจะเห็นว่าค่านี้อยู่ในช่วงที่แนะนำคือ 16 mA ถึง 18 mA ดังนั้น LED ควรมีความสว่างเพียงพอ

เพียงแค่นำมีความต้านทานต่ำถ้าเชื่อมต่อกับ battary เพียงอย่างเดียวกระแสที่ไหลผ่านจะสูงมาก (I = V / R) กระแสสูงหมายถึงพลังงานที่กระจายไปมากในความต้านทานของไฟ LED ขนาดเล็กซึ่งนำไปสู่การเผาไหม้ไดโอด (ความร้อน) เนื่องจากวัสดุมีค่าคงที่การถ่ายเทความร้อนต่ำมาก

โปรดทราบว่าพลังงานกระจายไป = (I ^ 2 × R)