Att välja ett strömbegränsande motstånd

Beskrivning

Strömbegränsande motstånd placeras i en krets för att säkerställa att mängden ström som flyter inte överstiger vad kretsen säkert kan hantera. När ström flyter genom ett motstånd uppstår, i enlighet med Ohms lag, ett motsvarande spänningsfall över motståndet (Ohms lag säger att spänningsfallet är produkten av strömmen och resistansen: V=IR). Närvaron av detta motstånd minskar mängden spänning som kan uppträda över andra komponenter som är i serie med motståndet (när komponenter är "i serie" finns det bara en väg för ström att flyta, och följaktligen samma mängd strömflöden genom dem; detta förklaras ytterligare i informationen som finns tillgänglig via länken i rutan till höger).

Här är vi intresserade av att bestämma resistansen för ett strömbegränsande motstånd placerat i serie med en lysdiod. Motståndet och lysdioden är i sin tur anslutna till en 3.3V spänningskälla. Detta är faktiskt en ganska komplicerad krets eftersom lysdioden är en olinjär enhet: förhållandet mellan strömmen genom en lysdiod och spänningen över lysdioden följer inte en enkel formel. Därför kommer vi att göra olika förenklade antaganden och approximationer.

I teorin kommer en idealisk spänningsförsörjning att leverera vilken mängd ström som helst som krävs för att försöka hålla sina terminaler vid vilken spänning den än är tänkt att leverera. (I praktiken kan dock en spänningskälla bara leverera en ändlig mängd ström.) En upplyst lysdiod har typiskt ett spänningsfall på cirka 1.8V till 2.4V. För att göra saker konkret antar vi ett spänningsfall på 2V. För att upprätthålla denna mängd spänning över lysdioden krävs vanligtvis cirka 15 mA till 20 mA ström. Återigen för konkrethetens skull antar vi en ström på 15 mA. Om vi ​​direkt kopplade lysdioden till spänningsförsörjningen, skulle spänningsförsörjningen försöka etablera en spänning på 3.3V över denna lysdiod. Emellertid har lysdioder vanligtvis en maximal framspänning på cirka 3V. Ett försök att etablera en högre spänning än denna över lysdioden kommer sannolikt att förstöra lysdioden och dra en hel del ström. Alltså kan denna oöverensstämmelse mellan vad spänningsförsörjningen vill producera och vad lysdioden klarar skada lysdioden eller spänningsförsörjningen eller båda! Vi vill därför bestämma en resistans för ett strömbegränsande motstånd som ger oss en lämplig spänning på cirka 2V över lysdioden och säkerställa att strömmen genom lysdioden är ungefär 15 mA.

För att reda ut saker och ting hjälper det att modellera vår krets med ett schematiskt diagram, som visas i fig. 1.

Figur 1. Schematiskt diagram av en krets.

I Fig. 1 kan du tänka på 3.3V-spänningskällan som chipKIT™-kortet. Återigen, vi antar i allmänhet att en idealisk spänningskälla kommer att leverera vilken mängd ström som helst som behövs för kretsen, men chipKIT™-kortet kan bara producera en ändlig mängd ström. (Uno32-referensmanualen säger att den maximala mängden ström som ett enskilt digitalt stift kan producera är 18 mA, dvs. 0.0018 A.) För att säkerställa att lysdioden har ett 2V spänningsfall måste vi bestämma lämplig spänning över motståndet, vilket vi ska ringa VR. Ett sätt att göra detta är att bestämma spänningen för varje tråd. Ledningarna mellan komponenter kallas ibland noder. En sak att tänka på är att en tråd har samma spänning över hela sin längd. Genom att bestämma ledningarnas spänning kan vi ta skillnaden i spänning från en tråd till nästa och hitta spänningsfallet över en komponent eller över en grupp komponenter.

Det är bekvämt att börja med att anta att den negativa sidan av spänningsförsörjningen har en potential på 0V. Detta gör i sin tur dess motsvarande nod (dvs. tråden som är ansluten till den negativa sidan av spänningsförsörjningen) 0V, som visas i fig. 2. När vi analyserar en krets är vi fria att tilldela en signaljordspänning på 0V till en punkt i kretsen. Alla andra spänningar är då relativa till den referenspunkten. (Eftersom spänning är ett relativt mått, mellan två punkter, spelar det vanligtvis ingen roll vilken punkt i kretsen vi tilldelar ett värde på 0V. Vår analys kommer alltid att ge samma strömmar och samma spänningsfall över komponenterna. Icke desto mindre är vanlig praxis att tilldela en spänningsförsörjnings minuspol ett värde på 0V.) Med tanke på att spänningsförsörjningens minuspol är på 0V, och med tanke på att vi överväger en 3.3V-försörjning, måste den positiva polen ha en spänning på 3.3V (som tråden/noden är ansluten till den). Med tanke på att vi önskar ett spänningsfall på 2V över lysdioden och med tanke på att den nedre delen av lysdioden är på 0V, måste toppen av lysdioden vara på 2V (liksom vilken kabel som helst som är ansluten till den).

Figur 2. Schematisk beskrivning av nodspänningar.

Med nodspänningarna märkta som visas i Fig. 2 kan vi nu bestämma spänningsfallet över motståndet som vi kommer att göra om ett ögonblick. Först vill vi påpeka att man i praktiken ofta skriver det spänningsfall som är förknippat med en komponent direkt bredvid en komponent. Så, till exempel, skriver vi 3.3V bredvid spänningskällan med vetskap om att det är en 3.3V-källa. För lysdioden, eftersom vi antar ett spänningsfall på 2V, kan vi helt enkelt skriva det bredvid lysdioden (som visas i fig. 2). I allmänhet, givet spänningen som finns på ena sidan av ett element och givet spänningsfallet över det elementet, kan vi alltid bestämma spänningen på den andra sidan av elementet. Omvänt, om vi vet spänningen till vardera sidan av ett element, vet vi spänningsfallet över det elementet (eller så kan vi beräkna det helt enkelt genom att ta skillnaden mellan spänningarna till vardera sidan).

Eftersom vi vet potentialen för ledningarna till vardera sidan av motståndet (Wire1 och Wire3), kan vi lösa spänningsfallet över det, VR:

Pluggar vi in ​​de kända värdena får vi:

Efter att ha beräknat spänningsfallet över motståndet kan vi använda Ohms lag för att relatera motståndets resistans till spänningen. Ohms lag säger oss 1.3V=IR. I den här ekvationen verkar det finnas två okända, strömmen I och resistansen R. Till en början kan det tyckas att vi kan göra I och R till vilka värden som helst förutsatt att deras produkt är 1.3V. Men som nämnts ovan kan en typisk lysdiod kräva (eller "dra") en ström på cirka 15 mA när den har en spänning över sig på 2V. Så, om vi antar att I är 15 mA och löser för R, får vi

I praktiken kan det vara svårt att få ett motstånd med en resistans på exakt 86.67 Ω. Man skulle kanske kunna använda ett variabelt motstånd och justera dess motstånd till detta värde, men det skulle vara en lite dyr lösning. Istället räcker det ofta med ett motstånd som är ungefär rätt. Du bör upptäcka att ett motstånd i storleksordningen ett till tvåhundra ohm fungerar ganska bra (vilket betyder att vi ser till att lysdioden inte drar för mycket ström och ändå är det strömbegränsande motståndet inte så stort att det hindrar lysdioden från att lysa). I dessa projekt kommer vi vanligtvis att använda ett strömbegränsande motstånd på 220 Ω.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC