การเลือกตัวต้านทานจำกัดกระแส

บทนำ

ตัวต้านทานจำกัดกระแสจะถูกวางไว้ในวงจรเพื่อให้แน่ใจว่าปริมาณกระแสที่ไหลไม่เกินที่วงจรสามารถจัดการได้อย่างปลอดภัย เมื่อกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน ตามกฎของโอห์ม แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานที่สอดคล้องกัน (กฎของโอห์มระบุว่าแรงดันตกคร่อมเป็นผลคูณของกระแสและความต้านทาน: V=IR) การมีอยู่ของตัวต้านทานนี้ช่วยลดปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่สามารถปรากฏบนส่วนประกอบอื่นๆ ที่อยู่ในอนุกรมพร้อมกับตัวต้านทาน (เมื่อส่วนประกอบ "อยู่ในอนุกรม" จะมีเพียงเส้นทางเดียวสำหรับกระแสที่จะไหล และด้วยเหตุนี้จึงมีปริมาณกระแสไหลเท่ากัน โดยจะอธิบายเพิ่มเติมในข้อมูลที่มีอยู่ในลิงก์ในช่องด้านขวา)

เราสนใจที่จะหาค่าความต้านทานของตัวต้านทานจำกัดกระแสที่วางเป็นอนุกรมด้วย LED ในทางกลับกัน ตัวต้านทานและ LED จะต่อเข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันไฟ 3.3V นี่เป็นวงจรที่ค่อนข้างซับซ้อนเนื่องจาก LED เป็นอุปกรณ์ไม่เชิงเส้น: ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสผ่าน LED กับแรงดันไฟฟ้าข้าม LED ไม่ได้เป็นไปตามสูตรง่ายๆ ดังนั้น เราจะทำการตั้งสมมติฐานและการประมาณค่าต่างๆ ให้ง่ายขึ้น

ในทางทฤษฎี แหล่งจ่ายแรงดันไฟในอุดมคติจะจ่ายกระแสไฟเท่าที่จำเป็นเพื่อพยายามรักษาขั้วของมันให้อยู่ที่แรงดันไฟใดก็ตามที่มันควรจะจ่าย (อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ แหล่งจ่ายแรงดันไฟสามารถจ่ายกระแสไฟได้ในปริมาณจำกัดเท่านั้น) โดยทั่วไปแล้ว LED ที่ส่องสว่างจะมีแรงดันตกประมาณ 1.8V ถึง 2.4V ในการทำให้เป็นรูปธรรม เราจะถือว่าแรงดันตกที่ 2V ในการรักษาจำนวนแรงดันไฟฟ้านี้ทั่วทั้ง LED โดยทั่วไปต้องใช้กระแสไฟประมาณ 15 mA ถึง 20 mA อีกครั้งเพื่อความเป็นรูปธรรม เราจะถือว่ากระแส 15 mA หากเราต่อ LED เข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันโดยตรง แหล่งจ่ายแรงดันจะพยายามสร้างแรงดันไฟฟ้า 3.3V ให้ทั่วทั้ง LED นี้ อย่างไรก็ตาม ไฟ LED มักจะมีแรงดันไปข้างหน้าสูงสุดประมาณ 3V การพยายามสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่านี้ทั่วทั้ง LED มีแนวโน้มที่จะทำลาย LED และดึงกระแสไฟออกมาเป็นจำนวนมาก ดังนั้นความไม่ตรงกันระหว่างสิ่งที่แหล่งจ่ายไฟต้องการผลิตและสิ่งที่ LED สามารถจัดการได้อาจทำให้ LED หรือแหล่งจ่ายไฟเสียหายหรือทั้งสองอย่าง! ดังนั้นเราจึงต้องการกำหนดความต้านทานสำหรับตัวต้านทานจำกัดกระแสซึ่งจะทำให้เรามีแรงดันไฟที่เหมาะสมประมาณ 2V ทั่วทั้ง LED และให้แน่ใจว่ากระแสผ่าน LED อยู่ที่ประมาณ 15 mA

ในการแยกแยะ จะช่วยให้แบบจำลองวงจรของเรามีแผนผังดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังไดอะแกรมของวงจร

ในรูปที่ 1 คุณสามารถนึกถึงแหล่งจ่ายแรงดันไฟ 3.3V เป็นบอร์ด chipKIT™ อีกครั้ง โดยทั่วไปแล้วเราคิดว่าแหล่งจ่ายแรงดันไฟในอุดมคติจะจ่ายกระแสไฟเท่าที่จำเป็นให้กับวงจร แต่บอร์ด chipKIT™ สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในจำนวนจำกัดเท่านั้น (คู่มืออ้างอิง Uno32 ระบุว่าจำนวนกระแสสูงสุดของพินดิจิทัลแต่ละตัวสามารถผลิตได้คือ 18 mA เช่น 0.0018 A.) เพื่อให้แน่ใจว่า LED มีแรงดันตก 2V เราจำเป็นต้องกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมในตัวต้านทาน ซึ่งเรา จะเรียก VR วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการกำหนดแรงดันไฟฟ้าของแต่ละสาย สายไฟระหว่างส่วนประกอบบางครั้งเรียกว่าโหนด สิ่งหนึ่งที่ต้องจำไว้คือลวดมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากันตลอดความยาวทั้งหมด โดยการกำหนดแรงดันไฟฟ้าของสายไฟ เราสามารถนำความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าจากสายหนึ่งไปยังอีกเส้นหนึ่ง และค้นหาแรงดันตกคร่อมส่วนประกอบหรือกลุ่มของส่วนประกอบ

สะดวกในการเริ่มต้นโดยสมมติว่าด้านลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 0V ในทางกลับกัน ทำให้โหนดที่เกี่ยวข้องกัน (เช่น ลวดที่ต่อกับด้านลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟ) 0V ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อเราวิเคราะห์วงจร เราสามารถกำหนดแรงดันกราวด์ของสัญญาณเป็น 0V ได้ ถึงจุดหนึ่งในวงจร แรงดันไฟฟ้าอื่นๆ ทั้งหมดจะสัมพันธ์กับจุดอ้างอิงนั้น (เนื่องจากแรงดันเป็นการวัดสัมพัทธ์ ระหว่างจุดสองจุด โดยทั่วไปแล้วไม่สำคัญว่าจุดใดในวงจรที่เรากำหนดค่าเป็น 0V การวิเคราะห์ของเราจะให้กระแสเดียวกันเสมอและแรงดันไฟเท่ากันตกทั่วส่วนประกอบ อย่างไรก็ตาม มัน เป็นวิธีปฏิบัติทั่วไปในการกำหนดค่าขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟให้เป็น 0V) เนื่องจากขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟอยู่ที่ 0V และเนื่องจากเรากำลังพิจารณาการจ่ายไฟ 3.3V ขั้วบวกจะต้องอยู่ที่แรงดันไฟ ที่ 3.3V (เช่นเดียวกับสายไฟ/โหนดที่ต่ออยู่) เนื่องจากเราต้องการให้แรงดันไฟตก 2V บน LED และเนื่องจากด้านล่างของ LED อยู่ที่ 0V ส่วนบนของ LED จะต้องอยู่ที่ 2V (เช่นเดียวกับสายไฟที่ต่ออยู่)

รูปที่ 2 แผนผังแสดงแรงดันไฟฟ้าของโหนด

ด้วยแรงดันไฟฟ้าของโหนดที่มีป้ายกำกับดังแสดงในรูปที่ 2 ตอนนี้เราสามารถกำหนดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานตามที่เราทำในอีกสักครู่ อันดับแรก เราต้องการชี้ให้เห็นว่าในทางปฏิบัติ มักจะเขียนแรงดันตกคร่อมที่เกี่ยวข้องกับส่วนประกอบที่อยู่ถัดจากส่วนประกอบโดยตรง ตัวอย่างเช่น เราเขียน 3.3V ถัดจากแหล่งจ่ายแรงดัน โดยรู้ว่าเป็นแหล่งกำเนิด 3.3V สำหรับ LED เนื่องจากเราสมมติว่าแรงดันตก 2V เราสามารถเขียนมันไว้ข้าง LED ได้ (ดังแสดงในรูปที่ 2) โดยทั่วไป เมื่อพิจารณาจากแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ด้านหนึ่งขององค์ประกอบและให้แรงดันตกคร่อมองค์ประกอบนั้น เราสามารถกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่อีกด้านหนึ่งขององค์ประกอบได้เสมอ ในทางกลับกัน หากเราทราบแรงดันไฟฟ้าที่ด้านใดด้านหนึ่งขององค์ประกอบ เราจะทราบแรงดันตกคร่อมองค์ประกอบนั้น

เนื่องจากเราทราบศักยภาพของสายไฟที่ด้านใดด้านหนึ่งของตัวต้านทาน (Wire1 และ Wire3) เราจึงสามารถแก้ปัญหาแรงดันตกคร่อมมันได้ VR:

เสียบค่าที่รู้จักเราได้รับ:

เมื่อคำนวณแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแล้ว เราสามารถใช้กฎของโอห์มเพื่อสร้างความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของตัวต้านทานกับแรงดันไฟฟ้า กฎของโอห์มบอกเรา 1.3V=IR ในสมการนี้ ดูเหมือนจะมีไม่ทราบค่าสองค่า คือ ปัจจุบัน I และความต้านทาน R ตอนแรกอาจปรากฏว่าเราสามารถทำให้ I และ R มีค่าใดๆ โดยที่ผลคูณของพวกมันคือ 1.3V อย่างไรก็ตาม ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น LED ทั่วไปอาจต้องการ (หรือ "ดึง") กระแสไฟประมาณ 15 mA เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าข้าม 2V สมมติว่าฉันเป็น 15 mA และแก้หา R เราจะได้

ในทางปฏิบัติ อาจเป็นเรื่องยากที่จะได้รับตัวต้านทานที่มีความต้านทานที่แม่นยำ 86.67 Ω อาจใช้ตัวต้านทานผันแปรและปรับความต้านทานให้เป็นค่านี้ได้ แต่นั่นอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ค่อนข้างแพง แต่บ่อยครั้งก็เพียงพอแล้วที่จะมีความต้านทานที่ถูกต้อง คุณควรพบว่าความต้านทานในลำดับหนึ่งถึงสองร้อยโอห์มทำงานได้ดีพอสมควร (หมายความว่าเรามั่นใจว่า LED จะไม่ดึงกระแสไฟมากเกินไป แต่ตัวต้านทานจำกัดกระแสก็ไม่ใหญ่มากจนขัดขวาง LED จากการส่องสว่าง) ในโครงการเหล่านี้ โดยปกติเราจะใช้ตัวต้านทานจำกัดกระแสที่ 220 Ω

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ