Bezpieczne świecenie diodą LED, czyli w jaki sposób obliczać prądy płynące w obwodzie.

Poziom trudności **

Każdy z nas najprawdopodobniej słyszał o diodzie LED.
Jest to specyficzny rodzaj diód, który przy odpowiednim
zasilaniu – zaczyna świecić. Dzisiaj zbudujemy prosty
układ, w którym zaświecimy taką diodą, ale również
zabezpieczymy ją przed spaleniem. Zapraszam.
Potrzebne będą:
  • dowolna płytka stykowa
  • diody LED – czerwona i biała lub niebieska
  • oporniki od 150 do 220 ohm
  • koszyk na 3 baterie AA, lub zasilacz 5V
  • miernik uniwersalny
  • kalkulator
  • opcjonalnie – przewody połączeniowe
  • nożyk, lub szczypce tnące
  • opcjonalnie – kombinerki, lub zagięte szczypce

20151205_124914

Jak zdjęcie pokazuje, że wybrałem oporniki 120, 180, 200 i 220 Ω,
diody czerwone i białe, a za zasilacz posłuży mi Arduino Uno.

Przystępujemy do przygotowania elementów. Z taśm wycinamy po
jednym oporniku i za pomocą szczypiec, lub bez ich pomocy
wyginamy jego „nóżki”

20151205_125658

Teraz delikatnie, używając szczypiec tnących, lub nożyka, odcinamy
nóżki oporników mniej więcej 1 cm od zagięcia.

20151205_130155

Proponuję zachować odcięte druciki – na pewno przydadzą się później.
Jeśli nie mamy pod ręką przewodów połączeniowych, musimy
wykonać tak zwane „łączówki” z odciętych z rezystorów drucików.
Moja łączówka wygląda tak:

20151205_142611

Teraz montujemy układ według schematu.

Kurs1

KursB1

W moim przypadku wygląda to tak:

20151205_143902

20151205_143908

Podłączamy zasilanie. + baterii, koszyka, lub zasilacza podłączamy
przez opornik 220Ω do dłuższej nóżki diody, a -, do krótszej. Dokładnie,
jak na powyższym zdjęciu.

W przypadku, gdy jako zasilacza używamy Arduino, pin 5V łączymy
przez opornik, do dłuższej nóżki diody, a krótszą nóżkę podłączamy do
pinu GND.

Teraz zmierzmy prąd płynący w obwodzie. W tym celu musimy:

  1. Odłączyć + baterii, lub zasilacza
  2. Podłączyć czerwony kabel multimetru, do wtyku
    oznaczonego napisem VΩmA, a czarny do
    wtyku COM.
  3. Ustawić multimetr w pozycji 200m w części
    oznaczonej literą A.
  4. Połączyć czerwoną sondę multimetru z czerwonym
    kabelkiem zasilacza, koszyka, czy pinem 5V
    w przypadku Arduino, a czarną z nóżką opornika
    nie zwartą z nóżką diody.

Cały układ wygląda tak:

20151205_145042

Mój multimetr wskazał mi wartość 8,5 mA. Moje baterie były nieco
rozładowane, więc inne przyrządy najprawdopodobniej
pokazały jakąś inną wartość. Optymalny prąd dla diody
LED wynosi 15 – 20 mA. To znaczy, że dioda w naszym układzie
nie wykorzystuje pełni swoich możliwości. Potrzebuje więcej prądu.
Ale dlaczego natężenie płynącego tutaj prądu ma akurat
taką wartość? Jak ją obliczyć? Do tego posłuży nam Prawo Ohma.

Prawo Ohma, to podstawa elektroniki. Jest to zależność, między
napięciem prądu, jego natężeniem, oraz opornością, wyrażona
wzorem:

U = R * I

W tym wzorze U określa napięcie, R – oporność, a I natężenie
płynącego w obwodzie prądu. Chcę obliczyć natężenie prądu.
Modyfikuję więc wzór:

I = U/R

Moje napięcie zasilania wynosi 4V. Każdy z Państwa może
sprawdzić swoje napięcie zasilania. Aby to zrobić, trzeba
ustawić multimetr w pozycji 20 w części oznaczonej V−
(UWAGA, nie V~) i połączyć czerwony kabel
multimetru z czerwonym kablem zasilania i czarny kabel
multimetru z czarnym kablem zasilania. Ci z Państwa, którzy
używają zasilacza, lub Arduino najpewniej zobaczą wynik 5V,
a ci, którzy używają koszyka – 4,5V. Po sprawdzeniu swojego
napięcia zasilania podstawiamy wartości do wzoru.

I = 4V/220Ω

Ale chwilka! Wynik wynosi 18mA! Czyżby mój multimetr był
wadliwy? Nie, spokojnie. Gdyby w naszym obwodzie były
same oporniki, wynik byłby dobry. To specyficzne zachowanie
diody psuje nasze obliczenia. Tłumaczenie tego zjawiska
jest skomplikowane i najprawdopodobniej pojawi się w
innej części kursu. Tutaj tylko wyjaśnię, jak sobie z tym poradzić.

Jak sobie z tym poradzić?

W obwodach elektronicznych pojawia się zjawisko, nazywane
spadkiem napięcia. Chodzi o to, że każda część elektroniczna
zmienia energię elektryczną w coś innego. W przypadku opornika
jest to ciepło, a w przypadku diody LED – światło. Spadek napięcia
opornika jest zależny od jego oporności i od prądu płynącego w
obwodzie, a obliczamy go korzystając z prawa Ohma.
Tymczasem spadek napięcia na diodzie LED rządzi się swoimi
prawami. Na razie załóżmy, że jest on po prostu stały i zależny
tylko od koloru diody. Dokładne wartości spadku napięcia dla
poszczególnych kolorów łatwo można znaleźć w internecie, a
nam wystarczy wiedzieć, że dioda czerwona ma spadek napięcia
równy 2,1 V, a diody biała i niebieska – 3 V. Ale do upewnienia się,
że nasze multimetry na pewno są sprawne musimy poznać jeszcze
dwa proste wzory. Więcej o nich, w późniejszych częściach kursu.

U = Uo + Ud

i

I = Io = Id

Gdzie
U – napięcie zasilania
I – prąd płynący w całym obwodzie
Io, Uo – prąd płynący przez opornik i spadek napięcia na nim
Id, Ud – prąd płynący przez diodę i spadek napięcia na niej

UWAGA: Te wzory nie zawsze działają w tej formie. Na razie
zapamiętajmy, choć nie do końca jest to prawda, że działają
tylko w obwodach, które się nie rozgałęziają:

nierozg
Przykład obwodu nierozgałęzionego…
rozgałeziony
i rozgałęzionego

Skoro w takim razie prąd płynący przez opornik jest taki
sam, jak prąd płynący przez diodę, a dioda nie pdlega
prawu Ohma, to najprościej będzie obliczyć prąd płynący
w obwodzie, biorąc pod uwagę opornik. Dlatego właśnie nasz
wzór będzie wyglądał tak:

Io = Uo/Ro

Gdzie Ro – oporność rezystora (opornika)

Przekształćmy teraz podany wcześniej wzór:

U = Uo + Ud

Otrzymamy:

Uo = U – Ud

Podstawiamy:

I = (U – Ud)/Ro

Tego właśnie wzoru użyjemy do obliczenia płynącego w
naszym obwodzie prądu:

(4V – 2.1V)/220Ω = 0.0086A = 8,6mA

Właśnie taki wynik otrzymaliśmy na naszych multimetrach!

Podsumowując – wiemy, co to jest spadek napięcia,
jak obliczać prąd płynący przez diodę LED, oraz, że nasze
urządzenia pomiarowe są w pełni sprawne. Ale wciąż nie
wiemy, jak sprawić, żeby przez naszą diodę płynął idealny prąd.
Wiemy, że najlepszy dla diody prąd to 15 – 20 mA. To znaczy,
że nasz rezystor ma za dużą oporność. Znając wszystkie potrzebne
wzory, bardzo łatwo jest dobrać komponenty. Po prostu lekko
przekształćmy nasz wzór:

Ro = (U – Ud)/I

I = 0,015A
U = 4V
Ud = 2.1V

(4V – 2.1V)/0.015A = 126Ω

Czyli, żeby w naszym obwodzie płynął idealny dla diody
prąd musimy użyć rezystora 120Ω. Spróbujmy więc:

Kurs2

KursB2

U mnie prąd wynosi 14mA. Bierze się to po prostu z tego,
że moje baterie troszeczkę się jeszcze rozładowały. W każdym
razie obliczenia się zgadzają.

20151205_185346

Teraz, kiedy znamy prawo Ohma i dwa wzory związane z
prawami Kirchoffa, które wyjaśnię w następnych kursach,
można spróbować wytworzyć idealny prąd dla diody
niebieskiej (lub białej), dla której spadek napięcia
wynosi 3V, ale to już pozostawiam Czytelnikom

Dziękuję za uwagę.

Paweł Urbański

← Poprzednia część                                                               Następna część →