Chọn một điện trở giới hạn dòng điện

Giới thiệu

Các điện trở hạn chế dòng điện được đặt trong mạch để đảm bảo rằng lượng dòng điện chạy qua không vượt quá mức mà mạch có thể xử lý một cách an toàn. Khi dòng điện chạy qua điện trở, theo định luật Ôm, sẽ có điện áp tương ứng giảm trên điện trở (Định luật Ôm phát biểu rằng điện áp giảm là tích của dòng điện và điện trở: V = IR). Sự hiện diện của điện trở này làm giảm lượng điện áp có thể xuất hiện trên các thành phần khác mắc nối tiếp với điện trở (khi các thành phần "mắc nối tiếp", chỉ có một đường cho dòng điện chạy và do đó, lượng dòng điện chạy như nhau thông qua chúng; điều này được giải thích thêm trong thông tin có sẵn qua liên kết trong hộp bên phải).

Ở đây chúng tôi quan tâm đến việc xác định điện trở cho một điện trở hạn chế dòng điện được đặt nối tiếp với một đèn LED. Lần lượt, điện trở và đèn LED được gắn vào nguồn điện áp 3.3V. Đây thực sự là một mạch khá phức tạp vì đèn LED là một thiết bị phi tuyến: mối quan hệ giữa dòng điện qua đèn LED và điện áp trên đèn LED không tuân theo một công thức đơn giản. Do đó, chúng tôi sẽ đưa ra nhiều giả định và ước lượng đơn giản hóa khác nhau.

Về lý thuyết, một nguồn điện áp lý tưởng sẽ cung cấp bất kỳ lượng dòng điện nào cần thiết để cố gắng duy trì các cực của nó ở bất kỳ điện áp nào mà nó phải cung cấp. (Tuy nhiên, trong thực tế, nguồn điện áp chỉ có thể cung cấp một lượng dòng điện hữu hạn.) Một đèn LED chiếu sáng thường sẽ có điện áp giảm trong khoảng 1.8V đến 2.4V. Để làm cho mọi thứ trở nên cụ thể, chúng ta sẽ giả sử giảm điện áp là 2V. Để duy trì lượng điện áp này trên đèn LED thường yêu cầu dòng điện khoảng 15 mA đến 20 mA. Một lần nữa vì mục đích cụ thể, chúng ta sẽ giả sử dòng điện là 15 mA. Nếu chúng tôi gắn trực tiếp đèn LED vào nguồn điện áp, nguồn điện áp sẽ cố gắng thiết lập điện áp 3.3V trên đèn LED này. Tuy nhiên, đèn LED thường có điện áp chuyển tiếp tối đa khoảng 3V. Cố gắng thiết lập một điện áp cao hơn mức này trên LED có khả năng phá hủy LED và tạo ra một lượng lớn dòng điện. Do đó, sự không phù hợp này giữa những gì nguồn cung cấp điện áp muốn tạo ra và những gì đèn LED có thể xử lý có thể làm hỏng đèn LED hoặc nguồn điện áp hoặc cả hai! Do đó, chúng tôi muốn xác định điện trở cho một điện trở giới hạn dòng điện sẽ cung cấp cho chúng tôi điện áp thích hợp xấp xỉ 2V trên đèn LED và đảm bảo dòng điện qua đèn LED xấp xỉ 15 mA.

Để sắp xếp mọi thứ, nó sẽ giúp tạo mô hình mạch của chúng ta bằng một sơ đồ giản đồ, như thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ mạch điện.

Trong Hình 1, bạn có thể coi nguồn điện áp 3.3V là bo mạch chipKIT ™. Một lần nữa, chúng tôi thường giả định rằng nguồn điện áp lý tưởng sẽ cung cấp bất kỳ lượng dòng điện nào cần thiết cho mạch, nhưng bo mạch chipKIT ™ chỉ có thể tạo ra một lượng dòng điện hữu hạn. (Sách hướng dẫn tham khảo Uno32 cho biết lượng dòng điện tối đa mà một chân kỹ thuật số riêng lẻ có thể tạo ra là 18 mA, tức là 0.0018 A.) Để đảm bảo đèn LED có điện áp giảm 2V, chúng ta cần xác định điện áp thích hợp trên điện trở mà chúng ta Tôi sẽ gọi VR. Một cách để làm điều này là xác định điện áp của mỗi dây. Các dây giữa các thành phần đôi khi được gọi là các nút. Một điều cần ghi nhớ là một dây dẫn có cùng hiệu điện thế trên toàn bộ chiều dài của nó. Bằng cách xác định điện áp của dây dẫn, chúng ta có thể lấy sự khác biệt về điện áp từ dây này sang dây tiếp theo và tìm điện áp rơi trên một thành phần hoặc trên một nhóm thành phần.

Thật thuận tiện để bắt đầu bằng cách giả sử mặt âm của nguồn điện áp có điện thế là 0V. Điều này, đến lượt nó, làm cho nút tương ứng của nó (tức là, dây được gắn với mặt âm của nguồn điện áp) 0V, như được hiển thị trong Hình 2. Khi chúng ta phân tích một mạch, chúng ta có thể tự do gán tín hiệu điện áp mặt đất là 0V. đến một điểm trong mạch. Tất cả các điện áp khác sau đó là tương đối với điểm tham chiếu đó. (Bởi vì điện áp là một số đo tương đối, giữa hai điểm, thường không quan trọng điểm nào trong mạch mà chúng tôi gán giá trị 0V. Phân tích của chúng tôi sẽ luôn mang lại các dòng điện giống nhau và cùng một điện áp giảm trên các thành phần. Tuy nhiên, nó một thực tế phổ biến là gán giá trị đầu cực âm của nguồn điện áp là 0V.) Với đầu cực âm của nguồn điện áp là 0V và cho rằng chúng ta đang xem xét nguồn cung cấp 3.3V, đầu cực dương phải ở điện áp 3.3V (cũng như dây / nút được gắn vào nó). Giả sử rằng chúng ta mong muốn điện áp giảm 2V qua đèn LED và cho rằng đáy của đèn LED là 0V, thì đỉnh của đèn LED phải ở mức 2V (đối với bất kỳ dây nào được gắn vào nó).

Hình 2. Sơ đồ hiển thị điện áp nút.

Với các điện áp nút được ghi nhãn như trong Hình 2, bây giờ chúng ta có thể xác định điện áp rơi trên điện trở như chúng ta sẽ làm trong giây lát. Đầu tiên, chúng tôi muốn chỉ ra rằng trong thực tế, người ta thường viết điện áp rơi liên quan đến một thành phần ngay bên cạnh một thành phần. Vì vậy, ví dụ, chúng tôi viết 3.3V bên cạnh nguồn điện áp biết rằng nó là một nguồn 3.3V. Đối với đèn LED, vì chúng ta đang giả sử giảm điện áp 2V, chúng ta có thể đơn giản viết nó bên cạnh đèn LED (như trong Hình 2). Nói chung, với hiệu điện thế tồn tại ở một phía của một phần tử và cho độ sụt điện áp trên phần tử đó, chúng ta luôn có thể xác định được điện áp ở phía bên kia của phần tử. Ngược lại, nếu chúng ta biết hiệu điện thế ở hai bên của một phần tử, thì chúng ta sẽ biết điện áp rơi trên phần tử đó (hoặc chúng ta có thể tính toán nó đơn giản bằng cách lấy sự khác biệt của điện áp ở hai bên).

Bởi vì chúng tôi biết điện thế của các dây ở hai bên của điện trở (Wire1 và Wire3), chúng tôi có thể giải quyết sự sụt giảm điện áp trên nó, VR:

Cắm vào các giá trị đã biết, chúng tôi nhận được:

Sau khi tính toán điện áp rơi trên điện trở, chúng ta có thể sử dụng Định luật Ôm để liên hệ điện trở của điện trở với hiệu điện thế. Định luật Ohm cho chúng ta biết 1.3V = IR. Trong phương trình này, dường như có hai ẩn số, dòng điện I và điện trở R. Lúc đầu, có thể xuất hiện rằng chúng ta có thể đặt I và R bất kỳ giá trị nào với điều kiện tích của chúng là 1.3V. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, một đèn LED điển hình có thể yêu cầu (hoặc "vẽ") dòng điện xấp xỉ 15 mA khi nó có điện áp trên nó là 2V. Vì vậy, giả sử I là 15 mA và giải cho R, chúng ta thu được

Trong thực tế, rất khó để có được một điện trở có điện trở chính xác là 86.67 Ω. Có lẽ người ta có thể sử dụng một biến trở và điều chỉnh điện trở của nó đến giá trị này, nhưng đó sẽ là một giải pháp hơi tốn kém. Thay vào đó, nó thường chỉ đủ để có một sự kháng cự ở bên phải. Bạn sẽ thấy rằng điện trở theo thứ tự từ một đến hai trăm ohms hoạt động hợp lý (có nghĩa là chúng tôi đảm bảo rằng đèn LED không tạo ra quá nhiều dòng điện và điện trở hạn chế dòng điện không quá lớn để ngăn đèn LED khỏi chiếu sáng). Trong các dự án này, chúng tôi thường sử dụng điện trở hạn chế dòng điện là 220 Ω.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn