Резистор. Падение напряжения на резисторе. Мощность. Закон Ома. Токоограничивающий резистор в базе транзистора Паяльник долго на ножке не держать

Те, кому лень изучать данный матерниал, могут ознакомиться с более компактной версией этой статьи, где просто изложены правила подключения светодиодов без их объяснений. Также там есть глава часто задаваемых вопросов по подключению светодиодов. Остальным предлагаю ознакомится с этой статьёй, где подробно расписана сущность каждого правила, а также очень доступно объяснены основные понятия электротехники.

Правило 1. Светодиод нельзя подключать к питающему напряжению напрямую. Это делается только через ограничивающий ток резистор или специальную микросхему, автоматически ограничивающую ток (драйвер светодиода), например CL1, CL2 и т.п.

Правило 2. Светодиоды не различают по напряжению питания! Нет такой характеристики у светодиода, и ближайшая к ней по смыслу характеристика — прямое падение напряжения.

Введение

Всем нам с детства знакомы эти красивые яркие лампочки. Сегодня они присутствуют практически в любой аппаратуре. Кто постарше, помнят, как покупали их по 40–50 копеек за штуку и вставляли в магнитофоны «Электроника 302».

Сегодня их тоже используют самоделкины, но в основном для создания красивой подсветки автомобилей, компьютеров или других устройств (т.н. моддинг). Но правильно ли их подключают? Почему они то работают годами, а то сгорают в первые же дни, хотя подключены к одинаковому напряжению? Ответы на эти вопросы вы найдёте в этой статье.

Статья рассчитана на дилетантов в электронике, простым языком объясняя основные её понятия, необходимые для осмысленного подключения светодиодов к различным источникам питания.

Терминология русским языком

Последовательное включение радиодеталей — это когда детали соединены между собой только одной стороной, т.е. последовательно:

Параллельное включение радиодеталей — это когда детали соединены между собой в двух точках — в начале и в конце.

Напряжение — сила, с которой электричество «вдавливается» в провод, чтобы создать его ток.
Аналогична разности давления в начале и конце трубопровода, зависящей от силы насоса, загоняющего воду в трубу.
Измеряется в вольтах (В).

Ток — «количество электричества», проходящее по проводу в единицу времени.
Аналогичен количеству проходящей воды в трубе.
Измеряется в Амперах (А).

Сопротивление — сила, препятствующая прохождению электричества.
Аналогично сужению трубы, препятствующему свободному протоку воды.
Измеряется в омах (Ом).

Мощность — характеристика, отражающая способность, например, резистора без вреда для себя (перегрева или разрушения) пропускать электрический ток.
Аналогична толщине стенок места сужения трубы.

Постоянный ток — это когда электричество течёт постоянно в одну сторону, от плюса к минусу.
Это батарейки, аккумуляторы, ток после выпрямителей.
Аналогичен потоку воды, гоняемой насосом по закольцованной трубе в одну сторону.

Падение напряжения — разность потенциалов до и после детали, дающей сопротивление электрическому току, то есть напряжение, замеренное на контактах этой детали.
Аналогично разности давления воды, гоняемой насосом по кругу, до и после одного из сужений трубы.

Переменный ток — это когда электричество течёт то вперёд, то назад, меняя направление движения на противоположное с определённой частотой, например 50 раз в секунду.
Это электрическая сеть освещения, розетки. В них один провод (ноль ) является общим, относительно которого а другом проводе (фазе ) напряжение то положительное, то отрицательное. В результате при включении в розетку, например, электрочайника, ток в нём течёт то в одну, то в другую сторону.
Аналогичен движению воды, которую насос через трубу (фазу ), опущенную сверху, то выдавливает в бак (ноль ), то всасывает из него.

Частота переменного тока — число полных циклов (периодов ) изменения направления тока (туда-обратно ) за секунду.
Измеряется в герцах (Гц). Один период за секунду равен частоте в 1 герц.
Переменный ток имеет прямой и обратный (т.е. положительный и отрицательный) полупериод.
В Российских бытовых электросетях (в розетках и в лампочках) частота равна 50 герцам.

Важнейшие характеристики светодиодов

1. Полярность.

Светодиод — это полупроводник. Он пропускает через себя ток только в одном направлении (также, как и обычный диод ). В этот момент он и зажигается. Поэтому при подключении светодиода важна полярность его подключения. Если же светодиод подключается к переменному току (полярность которого меняется, например, 50 раз в секунду, как в розетке ), то светодиод будет пропускать ток в одном полупериоде и не пропускать в другом, то есть быстро мигать, что, впрочем, практически незаметно для глаза.

Замечу, что при подключении светодиода к переменному току необходимо обезопасить его от действия напряжения обратного полупериода, поскольку максимально допустимое обратное напряжение большинства индикаторных светодиодов лежит в пределах единиц вольт. Для этого параллельно светодиоду но с обратной полярностью нужно включить любой кремниевый диод, который даст току течь в обратном направлении и организует на себе падение напряжения, не превышающее максимально допустимое обратное напряжение светодиода.

Минус (катод ) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса или более коротким выводом. При отсутствии указанных меток полярность можно определить и опытным путём, кратковременно подключая светодиод к питающему напряжению через соответствующий резистор. Однако это не самый удачный способ определения полярности. Кроме того, во избежание теплового пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность «методом тыка» без соответствующего резистора!

2. Напряжение питания и падение напряжения.

Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов такой характеристики, потому что нельзя подключать светодиоды к источнику питания напрямую. Главное, чтобы напряжение, от которого (через резистор ) питается светодиод, было выше прямого падения напряжения светодиода (прямое падение напряжения указывается в характеристике вместо напряжения питания и у обычных индикаторных светодиодов колеблется в среднем от 1,8 до 3,6 вольт ).

Напряжение питания не может являться характеристикой светодиода, поскольку для каждого экземпляра светодиода одного и того же номинала подходящее для него напряжение может быть разным. Включив несколько светодиодов одного и того же номинала параллельно, и подключив их к напряжению, например, 2 вольта, мы рискуем из-за разброса характеристик быстро спалить одни экземпляры и недосветить другие. Поэтому при подключении светодиода надо отслеживать не напряжение, а ток .

3. Ток.

Номинальный ток большинства индикаторных светодиодов соответствует либо 10, либо 20 миллиамперам (у зарубежных светодиодов чаще указывают 20 мА ), и регулируется он индивидуально для каждого светодиода сопротивлением последовательно включенного резистора. Кроме того, мощность резистора не должна быть ниже расчётного уровня, иначе он может перегреться. Местоположение резистора (со стороны плюса светодиода или со стороны минуса ) безразлично.

Поскольку светодиоду важно, чтобы его ток соответствовал номинальному, становится ясно, почему его нельзя подключать к напряжению питания напрямую. Если, например, при напряжении 1,9 вольта ток равен 20 миллиамперам, то при напряжении 2 вольта ток будет равен уже 30 миллиамперам. Напряжение изменилось всего на десятую часть вольта, а величина тока подскочила на 50% и существенно сократила жизнь светодиоду. А если включить в цепь последовательно со светодиодом даже приблизительно рассчитанный резистор, то он произведёт гораздо более тонкую регулировку тока.

Расчет ограничивающего ток резистора

Сопротивление резистора:

R = (U пит. − U пад.) / (I * 0,75)

• U пит. — напряжение источника питания в вольтах.
• U пад. — прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.
• I — максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в характернистиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера). При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.
• 0,75 — коэффициент надёжности для светодиода.

Минимальная мощность резистора:

P = (U пит. − U пад.) 2 / R

• P — мощность резистора в ваттах.
• U пит. — действующее (эффективное, среднеквадратичное) напряжение источника питания в вольтах.
• U пад. — прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .
• R — сопротивление резистора в омах.

Пример 1:

Запитать светодиод (характеристики: ток 10 мА т.е. 0,01 А, падение напряжения 2 В ) от автомобильного аккумулятора 12 В.

R = (12 − 2) / (0,01 * 0,75) = 1333

То есть последовательно со светодиодом нужно ставить резистор 1,333 кОм. Ближайшим по номиналу будет резистор 1,3 кОм (1300 Ом ).

Сначала посчитаем фактический ток, ибо он будет отличаться от номинального светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности и соответствующего увеличения сопротивления. Итак,

Теперь посчитаем мощность:

P = (U пит. − U пад.) 2 / R = (12 −1,6) 2 / 1300 = 0,0832 Вт).

Мощность резистора должна быть не менее этой величины (0,0832 Вт), а лучше немного больше, чтобы избежать его нагрева. Ближайшим большим по мощности будет резистор 0,125 Вт.

Результат: Для подключения светодиода с указанными характеристиками к автомобильному аккумулятору нам потребуется резистор 1,3 кОм мощностью 0,125 Вт.

Пример 2:

Запитать светодиод (характеристики: ток 10 мА т.е. 0,01 А, падение напряжения 2 В ) от сети переменного тока 220 В. Поскольку физика светодиода несколько отличается от физики простого теплоизлучателя, то для расчёта номинала резистора мы берём не среднеквадратичные 220 вольт, а настоящие присутствующие в розетке амплитудные 311 вольт.

R = (311 − 2) / (0,01 * 0,75) = 41200

То есть, последовательно со светодиодом нужно ставить резистор 41,2 кОм. Такой номинал существует в номинальном ряду Е96, но можно взять и более распространённый резистор из номинального ряда Е24 — 43 кОм и даже 39 кОм из номинального ряда Е12. Последний вариант даже более предпочтителен, поскольку напряжение питания достигает 311 вольт лишь в кратком пике, и поэтому имеет смысл округлить номинал резистора вниз.

Теперь посчитаем минимальную мощность такого резистора.

Сначала посчитаем фактический ток, ибо он будет отличаться от номинального светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности и соответствующего увеличения сопротивления. Поскольку мы расчитываем мощность резистора, а резистор является простым теплоизлучателем, то в расчётах используем среднеквадратичное напряжение 220 вольт. Итак,

I = U / (R рез. + R светодиода), где

R светодиода = U пад.номин. / I номин. = 2 / 0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 220 / (39000 + 200) ≈ 0,006 А

Отсюда фактическое падение напряжения на светодиоде будет:

U пад.светодиода = R светодиода * I = 200 * 0,006 = 1,2 В

Теперь посчитаем мощность:

P = (U пит. − U пад.) 2 / R = (220 −1,2) 2 / 39000 ≈ 1,23 Вт).

Мощность резистора должна быть не менее этой величины (1,23 Вт), а лучше немного больше, чтобы избежать его нагрева. Ближайшим по мощности будет резистор 2 Вт.

Результат: Для включения светодиода с указанными характеристиками в сеть переменного тока 220 В нам потребуется резистор 39 кОм мощностью 2 Вт. Кроме того, следует оградить светодиод от вредного воздействия обратного напряжения, о чём подробно будет рассказано в следующей главе.

Замечание: Поскольку светодиод питается только одним полупериодом, а второй полупериод по идее пропускать не должен, то мощность резистора можно было бы уменьшить в 2 раза. Но во - первых, при напряжении 220 вольт у светодиода на каждой волне обратного полупериода происходит электрический пробой, а значит ток будет проходить и в обратном направлении, а во вторых, мы в конце концов будем специально пропускать обратный полупериод (другим обратно включенным параллельным диодом), чтобы не насиловать светодиод электрическими пробоями. Поэтому нагрузку на резистор всё равно надо расчитывать исходя из двухполупериодных 220 вольт, что мы и сделали.

Ограничение обратного напряжения при подключении светодиода к переменному току

При подключении светодиода к переменному току необходимо ограничить влияние опасного для него напряжения обратного полупериода. У большинства светодиодов предельно допустимое обратное напряжение составляет всего около 2 вольт, а поскольку светодиод в обратном направлении заперт и ток по нему практически не течёт, то падение напряжения на нём становится полным, то есть равным напряжению питания. В результате на выводах диода оказывается полное напряжение питания обратного полупериода.

Для того, чтобы создать на светодиоде приемлимое падение напряжения для обратного полупериода, надо пропустить «через него» обратный ток. Для этого параллельно светодиоду, но с обратной полярностью, надо включить любой кремниевый диод (маркировка начинается на 2Д… или КД…), который рассчитан на прямой ток не менее того, что течёт в цепи (напр. 10 мА ).

Диод пропустит проблемный полупериод и создаст на себе падение напряжения, являющегося обратным для светодиода. В результате обратное напряжение светодиода станет равным прямому падению напряжения диода (для кремниевых диодов это примерно в 0,5–0,7 В ), что ниже ограничения большинства светодиодов в 2 вольта. Обратное же максимально допустимое напряжение для диода значительно выше 2 вольт, и в свою очередь с успехом снижается прямым падением напряжения светодиода. В результате все довольны.

Исходя из соображения экономии места, предпочтение следует отдать малогабаритным диодам (например, диоду КД522Б, который используется, кстати, в сетевых фильтрах «Пилот» именно для этой цели ). Вместо кремниевого диода можно также поставить второй светодиод с аналогичным или более высоким максимальным прямым током, но при условии, что для обоих светодиодов падение напряжения одного светодиода не будет превышать максимально допустимое обратное напряжение другого.

Примечание: Некоторые радиолюбители не защищают светодиод от обратного напряжения, аргументируя это тем, что светодиод и так не перегорает. Тем не менее такой режим опасен. При обратном напряжении свыше указанного в характеристиках светодиода (обычно 2 В ) при каждом обратном полупериоде в результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе, происходит электрический пробой светодиода и через него проходит ток в обратном направлении.

Сам по себе электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода восстанавливаются. Для стабилитронов, например, это вообще рабочий режим. Тем не менее этот дополнительный ток, хоть он и ограничен резистором, может вызвать перегрев р-n-перехода светодиода, в результате чего произойдёт необратимый тепловой пробой и дальнейшее разрушение кристалла. Поэтому не стоит лениться ставить шунтирующий диод. Тем более для этого подходит практически любой кремниевый диод, поскольку у них (в отличие от германиевых ) малый обратный ток, а следовательно он не будет забирать его на себя, снижая яркость шунтируемого светодиода.

Наиболее распространённые ошибки при подключении светодиодов

1. Подключение светодиода напрямую к источнику питания без ограничителя тока (резистора или специальной микросхемы-драйвера ). Обсуждалось выше. Светодиод быстро выходит из строя из-за плохо контролируемой величины тока.

2. Подключение параллельно включенных светодиодов к общему резистору. Во-первых, из-за возможного разброса параметров, светодиоды будут гореть с разной яркостью. Во-вторых, что более существенно, при выходе из строя одного из светодиодов, ток второго возрастёт вдвое, и он может тоже сгореть. В случае использования одного резистора целесообразнее подключать светодиоды последовательно. Тогда при расчёте резистора ток оставляем прежним (напр. 10 мА ), а прямое падение напряжения светодиодов складываем (напр. 1,8 В + 2,1 В = 3,9 В ).

3. Включение последовательно светодиодов, рассчитанных на разный ток. В этом случае один из светодиодов будет либо работать на износ, либо тускло светиться — в зависимости от настройки тока ограничивающим резистором.

4. Установка резистора недостаточного сопротивления. В результате текущий через светодиод ток оказывается слишком большим. Поскольку часть энергии из-за дефектов кристаллической решётки превращается в тепло, то при завышенных токах его становится слишком много. Кристалл перегревается, в результате чего значительно снижается срок его службы. При ещё большем завышении тока из-за разогрева области p-n-перехода снижается внутренний квантовый выход, яркость светодиода падает (это особенно заметно у красных светодиодов ) и кристалл начинает катастрофически разрушаться.

5. Подключение светодиода к сети переменного тока (напр. 220 В ) без принятия мер по ограничению обратного напряжения. У большинства светодиодов предельно допустимое обратное напряжение составляет около 2 вольт, тогда как напряжение обратного полупериода при запертом светодиоде создаёт на нём падение напряжения, равное напряжению питания. Существует много различных схем, исключающих разрушающее воздействие обратного напряжение. Простейшая рассмотрена выше.

6. Установка резистора недостаточной мощности. В результате резистор сильно нагревается и начинает плавить изоляцию касающихся его проводов. Потом на нём обгорает краска, и в конце концов он разрушается под воздействием высокой температуры. Резистор может безболезненно рассеять не более той мощности, на которую он рассчитан.

Если нет нужного резистора

Нужное сопротивление (R) и мощность (P) резистора можно получить, комбинируя в последовательно-параллельном порядке резисторы других номиналов и мощностей.

Формула сопротивления для последовательного соединения резисторов

Формула сопротивления для параллельного соединения резисторов

R = (R1 * R2) / (R1 + R2) или R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2)

неограниченного количества:

R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + … + 1 / Rn)

Мощности резисторов

Мощности резисторов в сборке рассчитываются исходя из тех-же формул, что и одиночные резисторы. При последовательном включении в формулу вычисления мощности подставляется напряжение источника питания за вычетом падения напряжения на других последовательно стоящих резисторах и светодиоде. Подробнее это будет показано на нижеследующих примерах.

Примеры

1. Заменим резистор 1,3 кОм 0,125 Вт из первого примера последовательной сборкой.

1,3 кОм = 1 кОм + 100 Ом + 100 Ом + 100 Ом

Рассчитаем минимальные мощности для каждого резистора. Для этого посчитаем фактическое падение напряжения на каждом резисторе, для чего сначала посчитаем фактический ток, ибо он будет отличаться от номинального светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности и соответствующего увеличения сопротивления. Итак,

I = U / (R рез. + R светодиода), где

R светодиода = U пад.номин. / I номин. = 2 / 0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 12 / (1300 + 200) = 0,008 А

Теперь вычисляем фактическое падение напряжения на резисторах и светодиоде:

U пад.рез_1000 = R рез_1000 * I = 1000 * 0,008 = 8 В

U пад.рез_100 = R рез_100 * I = 100 * 0,008 = 0,8 В

U пад.светодиода = R светодиода * I = 200 * 0,008 = 1,6 В

P рез_1000 = (12 −(0,8 + 0,8 + 0,8 + 1,6)) 2 / 1000 = 0,064 Вт

P рез_100 = (12 −(8 + 0,8 + 0,8 + 1,6)) 2 / 100 ≈ 0,0064 Вт

Итого, исходя из стандартных мощностей резисторов, получаем 1 кОм 0,125 Вт и 3 резистора 100 Ом по 0,05 Вт. Включив резисторы указанного номинала последовательно, мы получим общее сопротивление 1,3 кОм нужной нам мощности.

2. Заменим резистор 39 кОм 2 Вт из второго примера параллельной сборкой.

Занеся формулу R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3) в Excel, выясним, что
41,2 кОм ≈ параллельному соединению 100 кОм, 130 кОм и 150 кОм. Точнее это будет сопротивление 41053 Ом.

Рассчитаем минимальные мощности для каждого резистора. Для этого посчитаем фактическое падение напряжения на каждом резисторе, для чего сначала посчитаем фактический ток, ибо он будет отличаться от номинального светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности и соответствующего увеличения сопротивления. Итак,

I = U / (R рез. + R светодиода), где

R светодиода = U пад.номин. / I номин. = 2 / 0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 220 / (41053 + 200) ≈ 0,005 А

Теперь вычисляем фактическое падение напряжения на светодиоде:

U пад.светодиода = R светодиода * I = 200 * 0,005 = 1 В

Теперь у нас есть все данные для расчёта мощностей:

P рез_68 = (220 −1) 2 / 100000 ≈ 0,48 Вт

P рез_100 = (220 –1) 2 / 130000 ≈ 0,37 Вт

P рез_110 = (220 –1) 2 / 150000 ≈ 0,32 Вт

Итого, исходя из стандартных мощностей резисторов, получаем все резисторы по 0,5 Вт. Включив резисторы указанного номинала параллельно, мы получим общее сопротивление 41 кОм нужной нам мощности.

Указанные выше параллельный и последовательный способы можно комбинировать, без проблем создавая вот такие сборки, которые также легко расчитываются при их разбивании на фрагменты:

Полезные ссылки:

Физика работы светодиода — моя статья о физических процессах на уровне электронов, вызывающих свечение светодиода.

http://www.infor.sp.ru/led_eff.htm — формулы светодиодов (из кандел в люмены, телесный угол, расчёт эффективности). На сайте много разной информации по светодиодам.

Резистор - один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение - простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.

Основной характеристикой резистора является сопротивление. Единица измерения сопротивления - Ом (Ohm, Ω). Чем больше сопротивление, тем большая часть тока рассеивается в тепло. В схемах, питаемых небольшим напряжением (5 – 12 В), наиболее распространены резисторы номиналом от 100 Ом до 100 кОм.

Закон Ома

Закон Ома позволяет на заданном участке цепи определить одну из величин: силу тока I , напряжение U , сопротивление R , если известны две остальные:

Для обозначения напряжения наряду с символом U используется V .

Рассмотрим простую цепь

Расчитаем силу тока, проходящего через резистор R1 и, соответственно, затем через лампу L1 . Для простоты будем предполагать, что сама лампа обладает нулевым собственным сопротивлением.

Аналогично, если бы у нас был источник питания на 5 В и лампа, которая по документации должна работать при токе 20 мА, нам нужно бы было выбрать резистор подходящего номинала.

В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не играет большого значения: можно смело брать стандартный номинал - 240 или 220 Ом.

Соединение резисторов

При последовательном соединении резисторов, их сопротивление суммируется:

При параллельном соединении, итоговое сопротивление расчитывается по формуле:

Если резистора всего два, то:

В частном случае двух одинаковых резисторов, итоговое сопротивление при параллельном соединении равно половине сопротивления каждого из них.

Таким образом можно получать новые номиналы из имеющихся в наличии.

Применеие на практике

Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:

Токоограничивающий резистор (current-limiting resistor)

Стягивающий, подтягивающий резистор (pull-down / pull-up resistor)

Делитель напряжения (voltage divider)

Токоограничивающий резистор

Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе - резистор снижает силу тока до нужного уровня.

В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.

Стягивающие и подтягивающие резисторы

Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему

Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому - шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:

Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.

Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:

То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.

Делитель напряжения

Мощность резисторов

Резисторы помимо сопротивления обладают ещё характеристикой мощности. Она определяет нагрузку, которую способен выдержать резистор. Среди обычных керамических резисторов наиболее распространены показатели 0.25 Вт, 0.5 Вт и 1 Вт. Для расчёта нагрузки, действующей на резистор, используйте формулу:

При превышении допустимой нагрузки, резистор будет греться и его срок службы может сильно сократиться. При сильном превышении - резистор может начать плавиться и вызвать воспламенение. Будьте осторожны!

Обычный маленький светодиод выглядит как пластиковая колбочка-линза на проводящих ножках, внутри которой расположены катод и анод. На схеме светодиод изображается как обычный диод, от которого стрелочками показан излучаемый свет. Вот и служит светодиод для получения света, когда электроны движутся от катода к аноду — излучается видимый свет.

Изобретение светодиода приходится на далекие 1970-е, когда для получения света во всю применяли лампы накаливания. Но именно сегодня, в начале 21 века, светодиоды заняли наконец место самых эффективных источников электрического света.

Где у светодиода «плюс», а где «минус»?

Чтобы правильно подключить светодиод к источнику питания, необходимо прежде всего соблюсти полярность. Анод светодиода подключается к плюсу «+» источника питания, а катод — к минусу «-». Катод, подключаемый к минусу, имеет вывод короткий, анод, соответственно, - длинный — длинную ножку светодиода - на плюс «+» источника питания.

Взгляните во внутрь светодиода: большой электрод — это катод, его — к минусу, маленький электрод, похожий просто на окончание ножки, - на плюс. А еще рядом с катодом линза светодиода имеет плоский срез.

Паяльник долго на ножке не держать

Паять выводы светодиода следует аккуратно и быстро, ведь полупроводниковый переход очень боится лишнего тепла, поэтому нужно краткими движениями паяльника дотрагиваться его жалом до припаиваемой ножки, и тут же паяльник отводить в сторону. Лучше в процессе пайки держать припаиваемую ножку светодиода пинцетом, чтобы обеспечить на всякий случай отвод тепла от ножки.

Резистор обязателен при проверке светодиода

Мы подошли к самому главному — как подключить светодиод к источнику питания. Если вы хотите , то не стоит напрямую присоединять его к батарее или к блоку питания. Если ваш блок питания на 12 вольт, то используйте для подстраховки резистор на 1 кОм последовательно с проверяемым светодиодом.

Не забывайте о полярности — длинный вывод на плюс, вывод от большого внутреннего электрода — к минусу. Если не использовать резистор, то светодиод быстро перегорит, в случае если вы нечаянно превысите номинальное напряжение, через p-n-переход потечет большой ток, и светодиод практически тут же выйдет из строя.

Светодиоды бывают разных цветов, однако цвет свечения не всегда определяется цветом линзы светодиода. Белый, красный, синий, оранжевый, зеленый или желтый — линза может быть прозрачной, а включишь — окажется красным или синим. Светодиоды синего и белого свечения — самые дорогие. Вообще, на цвет свечения светодиода влияет в первую очередь состав полупроводника, и как вторичный фактор - цвет линзы.

Находим номинал резистора для светодиода

Резистор включается последовательно со светодиодом. Функция резистора — ограничить ток, сделать его близким к номиналу светодиода, чтобы светодиод мгновенно не перегорел, и работал бы в нормальном номинальном режиме. Берем в расчет следующие исходные данные:

Vps - напряжение источника питания;

Vdf - прямое падение напряжения на светодиоде в нормальном режиме;

If - номинальный ток светодиода при нормальном режиме свечения.

Теперь, прежде чем находить , отметим, что ток в последовательной цепи у нас будет постоянным, одним и тем же в каждом элементе: ток If через светодиод будет равен току Ir через ограничительный резистор.

Следовательно Ir = If. Но Ir = Ur/R - по закону Ома. А Ur = Vps-Vdf. Таким образом, R = Ur/Ir = (Vps-Vdf)/If.

То есть, зная напряжение источника питания, падение напряжения на светодиоде и его номинальный ток, можно легко подобрать подходящий ограничительный резистор.

Если найденное значение сопротивления не удается выбрать из стандартного ряда номиналов резисторов, то берут резистор несколько большего номинала, например вместо найденных 460 Ом, берут 470 Ом, которые всегда легко найти. Яркость свечения светодиода уменьшится весьма незначительно.

Пример подбора резистора:

Допустим, имеется источник питания на 12 вольт, и светодиод, которому нужно 1,5 вольта и 10 мА для нормального свечения. Подберем гасящий резистор. На резисторе должно упасть 12-1,5 = 10,5 вольт, а ток в последовательной цепи (источник питания, резистор, светодиод) должен получиться 10 мА, следовательно из Закона Ома: R = U/I = 10,5/0,010 = 1050 Ом. Выбираем 1,1 кОм.

Какой мощности должен быть резистор? Если R = 1100 Ом, а ток составит 0,01 А, то, по закону Джоуля-Ленца, на резисторе каждую секунду будет выделяться тепловая энергия Q = I*I*R = 0,11 Дж, что эквивалентно 0,11 Вт. Резистор мощностью 0,125 Вт подойдет, даже запас останется.

Последовательное соединение светодиодов

Если перед вами стоит цель соединить несколько светодиодов в единый источник света, то лучше всего соединение выполнять последовательно. Это нужно для того, чтобы к каждому светодиоду не цеплять свой резистор, чтобы избежать лишних потерь энергии. Наиболее подходят для последовательного соединения светодиоды одного и того же вида, из одной и той же партии.

Допустим, необходимо последовательно объединить 8 светодиодов по 1,4 вольта с током по 0,02 А для подключения к источнику питания 12 вольт. Очевидно, общий ток будет составлять 0,02 А, но общее напряжение составит 11,2 вольта, следовательно 0,8 вольт при токе в 0,02 А должны рассеяться на резисторе. R = U/I = 0,8/0,02 = 40 Ом. Выбираем резистор на 43 Ом минимальной мощности.

Параллельное соединение цепочек светодиодов — не лучший вариант

Если есть выбор, то светодиоды лучше всего соединять последовательно, а не параллельно. Если соединить несколько светодиодов параллельно через один общий резистор, то в силу разброса параметров светодиодов, каждый из них будет не в равных условиях с остальными, какой-то будет светиться ярче, принимая больше тока, а какой-то — наоборот тусклее. В результате, какой-нибудь из светодиодов сгорит раньше в силу быстрой деградации кристалла. Лучше для параллельного соединения светодиодов, если альтернативы нет, применить к каждой цепочке свой ограничительный резистор.

Статью? Если да, то это очень хорошо, если нет, срочно читайте, иначе не поймёте о чем речь в этой статье.

Для чего ставят резистор в базу

Итак, у некоторых возникли непонятки с резистором, который цепляется к базе транзистора. Вроде бы понятно, что он ограничивает силу тока, но непонятно зачем. Давайте вспомним нашу картинку с предыдущей статьи:

Видите резистор на 500 Ом? Что он там делает и для чего нужен, мы с вами разберем в этой статье.

Итак, у нас есть всеми нами любимый и знакомый транзистор КТ815Б – классика Советского Союза;-)

Вспоминаем его цоколевку (расположение выводов):

Включение транзистора в схему с ОЭ (О бщим Э миттером) будет выглядеть приблизительно вот так:

Как вы видите, в этой схеме мы подключали также лампочку и источник тока к коллектору-эмиттеру.

Откинем пока что лампу и источник Bat2 и просто цепляемся крокодилами от Блока питания на выводы базы и эмиттера:

Плюс от блока питания на базу, а минус на эмиттер.

Теперь давайте будем увеличивать напряжение от нуля и до какого-то значения. Итак, кручу крутилку до 0,6 В и только тогда амперметр на блоке питания показал 10 мА:

Дальше добавлять напряжение страшновато, так как транзистор становится горячим. Кстати, первый подопытный транзистор скончался, испустив белый дым, под напряжением в 1,5 В. Слишком резко крутанул крутилку).

Давайте построим график по нашим точкам, или как говорится в народе, Вольт амперную характеристику (ВАХ) :

Чуток коряво конечно, но смысл уловить можно.

Среди профи-электронщиков этот график называется входной характеристикой биполярного транзистора, при нулевом напряжении на коллектор-эмиттере.

Как вы помните, транзистор можно схематически представить, как два диода, соединенные или анодами, или катодами (кто не помнит, читаем статью). В нашем случае транзистор КТ815Б является транзистором NPN, следовательно, его можно представить вот так:

Так что это получается? Мы подавали напряжение на диод? Ну да, все верно)

Так вот, для диода будет выглядеть как-то вот так:

Что тут можно увидеть? Подавая напряжение на диод в прямом включении (на анод плюс, на катод – минус), мы видим, что через диод ток начинает течь только тогда, когда напряжение становится больше, чем 0,5 В. Далее подавая напряжение на диод чуточку больше, сила тока через диод возрастает непропорционально. Напряжения добавили чуть-чуть, а сила тока стала в разы больше.

Так как переход база-эмиттер – это что ни на есть самый простой диод, то следовательно, малое изменение напряжения в плюс вызовет большое изменение силы тока. Настолько большое, что транзистор можно сгореть! Для нашего подопечного максимально допустимый постоянный ток базы составляет 0,5 А. Я же выжал 0,7 А, но транзистор за эти пару секунд чуть не вскипел.

Что же это получается? Если напряжение изменится в плюс даже на каких-то десятки Вольт, то транзистор сгорит? Да, все именно так. Но как нам теперь быть? Неужели придется использовать высокостабильный блок питания?

Но выход есть проще некуда, и называется он токоограничивающий резистор.

Давайте проведем два небольших опыта. Для этого к базе цепляем резистор на 10 Ом:

Смотрим теперь на показания блока питания (слево-направо):

Строим график по полученным точкам:

Сравниваем с графиком без резистора:

Обратите внимание на вертикальную шкалу силы тока базы (I базы). При одном вольте на графике без резистора базовый ток был уже почти 0,7 А! А с резистором на 10 Ом базовый при 1 В уже был каких-то 0,02 А. Чувствуете разницу?

Почему же так все получилось? Дело в том, что на резисторе “осело” лишнее напряжение. Досконально это схема будет выглядеть вот таким образом:

По цепи, которую я отметил красными проводками, течёт электрический ток. Нагрузкой для электрического тока является резистор и диод транзистора. А так как они соединены последовательно, то вспоминая статью Делитель напряжения можно сказать, что и на диоде транзистора и на резисторе R падает напряжение. А сумма этих напряжений равняется напряжению батареи Bat. В данном случае вместо батареи я использовал блок питания. То есть можно записать, что

U Bat = U R + U база-эмиттер

Проверяем, так ли оно на самом деле?

В нашем случае используем тот же самый резистор на 10 Ом. Выставляем на блоке питания напряжение 1 В.

Видим, что сила тока, протекающая по цепи равна 20 мА.

Итак, замеряем падение напряжения на резисторе:

А теперь падение напряжения на базе-эмиттере:

Итого: 0,32 + 0,74 = 1,06 В

0,06 В спишем на погрешность вольтметра блока питания).

Ну как, теперь понятно, почему всё так происходит?

Небольшое лирическое отступление. Так как резистор рассчитан на определенную мощность, нужно таким образом подбирать резистор, чтобы он не колыхнул ярким пламенем. Какая же мощность сейчас в данный момент рассеивается на резисторе? Так как в нашем случае нагрузки подцеплены последовательно (резистор и диод транзистора), сила тока, проходящая через каждую нагрузку везде будет одинаковой. Значит, резистор в данный момент рассеивает мощность, равную

P = IU = 0,02х0,32 = 0,0064 Вт.

Мой резистор рассчитан максимум на 0,25 Вт, значит все гуд. Если на резисторе будет рассеиваться мощность больше, чем 0,25 Вт, то резистор сгорит. Имейте это ввиду, когда будете проектировать свои электронные поделки.

А что будет, если взять резистор еще больше по номиналу? Давайте попробуем. Возьмем резистор на 100 Ом:

И проводим аналогичный опыт. Вот наши показания (слева-направо):

Строим по ним график:

Заключение

Из всего выше сказанного, показанного и написанного делаем простые и не очень выводы:

1) Резистор в базе используется для того, чтобы плавно регулировать силу тока в базе, а также для ограничения силы тока, которая может спалить транзистор. Для чего нам плавно регулировать ток базы, мы с вами еще обсудим.

2) Чем больше номинал резистора, тем больше станет диапазон напряжения для регулировки силы тока в базе, тем самым можно плавнее регулировать этот самый ток.

На рисунке (художник из меня так себе) мы видим резистор, который качается на качелях, прикрепленных к графику входной характеристики транзистора ну и следовательно, чем больше его номинал, тем больше он прогибает график))).

В этой статье мы рассмотрим резистор и его взаимодействие с напряжением и током, проходящим через него. Вы узнаете, как рассчитать резистор с помощью специальных формул. В статье также показано, как специальные резисторы могут быть использованы в качестве датчика света и температуры.

Представление об электричестве

Новичок должен быть в состоянии представить себе электрический ток. Даже если вы поняли, что электричество состоит из электронов, движущихся по проводнику, это все еще очень трудно четко представить себе. Вот почему я предлагаю эту простую аналогию с водной системой, которую любой желающий может легко представить себе и понять, не вникая в законы.

Обратите внимание, как электрический ток похож на поток воды из полного резервуара (высокого напряжения) в пустой(низкое напряжение). В этой простой аналогии воды с электрическим током, клапан аналогичен токоограничительному резистору.
Из этой аналогии можно вывести некоторые правила, которые вы должны запомнить навсегда:
- Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает
- Для того чтобы протекал ток, на концах проводника должны быть разные потенциалы.
- Количество воды в двух сосудах можно сравнить с зарядом батареи. Когда уровень воды в разных сосудах станет одинаковым, она перестанет течь, и при разряде аккумулятора, разницы между электродами не будет и ток перестанет течь.
- Электрический ток будет увеличиваться при уменьшении сопротивления, как и скорость потока воды будет увеличиваться с уменьшением сопротивления клапана.

Я мог бы написать гораздо больше умозаключений на основе этой простой аналогии, но они описаны в законе Ома ниже.

Резистор

Резисторы могут быть использованы для контроля и ограничения тока, следовательно, основным параметром резистора является его сопротивление, которое измеряется в Омах . Не следует забывать о мощности резистора, которая измеряется в ваттах (Вт), и показывает, какое количество энергии резистор может рассеять без перегрева и выгорания. Важно также отметить, что резисторы используются не только для ограничения тока, они также могут быть использованы в качестве делителя напряжения для получения низкого напряжения из большего. Некоторые датчики основаны на том, что сопротивление варьируется в зависимости от освещённости, температуры или механического воздействия, об этом подробно написано в конце статьи.

Закон Ома

Понятно, что эти 3 формулы выведены из основной формулы закона Ома, но их надо выучить для понимания более сложных формул и схем. Вы должны быть в состоянии понять и представить себе смысл любой из этих формул. Например, во второй формуле показано, что увеличение напряжения без изменения сопротивления приведет к росту тока. Тем не менее, увеличение тока не увеличит напряжение (хотя это математически верно), потому что напряжение - это разность потенциалов, которая будет создавать электрический ток, а не наоборот (см. аналогию с 2 емкостями для воды). Формула 3 может использоваться для вычисления сопротивления токоограничивающего резистора при известном напряжении и токе. Это лишь примеры, показывающие важность этого правила. Вы сами узнаете, как использовать их после прочтения статьи.

Последовательное и параллельное соединение резисторов

Понимание последствий параллельного или последовательного подключения резисторов очень важно и поможет вам понять и упростить схемы с помощью этих простых формул для последовательного и параллельного сопротивления:

В этом примере схемы, R1 и R2 соединены параллельно, и могут быть заменены одним резистором R3 в соответствии с формулой:

В случае с 2-мя параллельно соединёнными резисторами, формулу можно записать так:

Кроме того, что эту формулу можно использовать для упрощения схем, она может быть использована для создания номиналов резисторов, которых у вас нет.
Отметим также, что значение R3 будет всегда меньше, чем у 2 других эквивалентных резисторов, так как добавление параллельных резисторов обеспечивает дополнительные пути
электрическому току, снижая общее сопротивление цепи.

Последовательно соединённые резисторы могут быть заменены одним резистором, значение которого будет равно сумме этих двух, в связи с тем, что это соединение обеспечивает дополнительное сопротивление тока. Таким образом, эквивалентное сопротивление R3 очень просто вычисляется: R 3 =R 1 +R 2

В интернете есть удобные он-лайн калькуляторы для расчета и соединения резисторов.

Токоограничивающий резистор

Самая основная роль токоограничивающих резисторов - это контроль тока, который будет протекать через устройство или проводник. Для понимания их работы, давайте сначала разберём простую схему, где лампа непосредственно подключена к 9В батареи. Лампа, как и любое другое устройство, которое потребляет электроэнергию для выполнения определенной задачи (например, светоизлучение) имеет внутреннее сопротивление, которое определяет его текущее потребление. Таким образом, отныне, любое устройство может быть заменено на эквивалентное сопротивление.

Теперь, когда лампа будет рассматриваться как резистор, мы можем использовать закон Ома для расчета тока, проходящего через него. Закон Ома гласит, что ток, проходящий через резистор равен разности напряжений на нем, поделенное на сопротивление резистора: I=V/R или точнее так:
I=(V 1 -V 2)/R
где (V 1 -V 2) является разностью напряжений до и после резистора.

Теперь обратите внимание на рисунок выше, где добавлен токоограничительный резистор. Он будет ограничивать ток идущий к лампе, как это следует из названия. Вы можете контролировать, количество тока протекающего через лампу, просто выбрав правильное значение R1. Большой резистор будет сильно снижать ток, а небольшой резистор менее сильно (так же, как в нашей аналогии с водой).

Математически это запишется так:

Из формулы следует, что ток уменьшится, если значение R1 увеличится. Таким образом, дополнительное сопротивление может быть использовано для ограничения тока. Однако важно отметить, что это приводит к нагреву резистора, и вы должны правильно рассчитать его мощность, о чем будет написано дальше.

Вы можете воспользоваться он-лайн калькулятором для .

Резисторы как делитель напряжения

Как следует из названия, резисторы могут быть использованы в качестве делителя напряжения, другими словами, они могут быть использованы для уменьшения напряжения путем деления его. Формула:

Если оба резистора имеют одинаковое значение (R 1 =R 2 =R), то формулу можно записать так:

Другой распространенный тип делителя, когда один резистор подключен к земле (0В), как показано на рисунке 6B.
Заменив Vb на 0 в формуле 6А, получаем:

Узловой анализ

Теперь, когда вы начинаете работать с электронными схемами, важно уметь их анализировать и рассчитывать все необходимые напряжения, токи и сопротивления. Есть много способов для изучения электронных схем, и одним из наиболее распространенных методов является узловой, где вы просто применяете набор правил, и рассчитываете шаг за шагом все необходимые переменные.

Упрощенные правила узлового анализа

Определение узла

Узел – это любая точка соединения в цепи. Точки, которые связаны друг с другом, без других компонентов между ними рассматриваются как единый узел. Таким образом, бесконечное число проводников в одну точку считаются одним узлом. Все точки, которые сгруппированы в один узел, имеют одинаковые напряжения.

Определение ветви

Ветвь представляет собой набор из 1 и более компонентов, соединенных последовательно, и все компоненты, которые подсоединены последовательно к этой цепи, рассматриваются как одна ветвь.

Все напряжения обычно измеряются относительно земли напряжение на которой всегда равно 0 вольт.

Ток всегда течет от узла с более высоким напряжением на узел с более низким.

Напряжение на узле может быть высчитано из напряжения около узла, с помощью формулы:
V 1 -V 2 =I 1 *(R 1)
Перенесем:
V 2 =V 1 -(I 1 *R 1)
Где V 2 является искомым напряжением, V 1 является опорным напряжением, которое известно, I 1 ток, протекающий от узла 1 к узлу 2 и R 1 представляет собой сопротивление между 2 узлами.

Точно так же, как и в законе Ома, ток ответвления можно определить, если напряжение 2х соседних узлах и сопротивление известно:
I 1 =(V 1 -V 2)/R 1

Текущий входящий ток узла равен текущему выходящему току, таким образом, это можно записать так: I 1 + I 3 =I 2

Важно, чтобы вы были в состоянии понимать смысл этих простых формул. Например, на рисунке выше, ток протекает от V1 до V2, и, следовательно, напряжение V2 должно быть меньше, чем V1.
Используя соответствующие правила в нужный момент, вы сможете быстро и легко проанализировать схему и понять её. Это умение достигается практикой и опытом.

Расчет необходимой мощности резистора

При покупке резистора вам могут задать вопрос: "Резисторы какой мощности вы хотите?" или могут просто дать 0.25Вт резисторы, поскольку они являются наиболее популярными.
Пока вы работаете с сопротивлением больше 220 Ом, и ваш блок питания обеспечивает 9В или меньше, можно работать с 0.125Вт или 0.25Вт резисторами. Но если напряжение более 10В или значение сопротивления менее 220 Ом, вы должны рассчитать мощность резистора, или он может сгореть и испортить прибор. Чтобы вычислить необходимую мощность резистора, вы должны знать напряжение через резистор (V) и ток, протекающий через него (I):
P=I*V
где ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В) и Р - рассеиваемая мощность в ваттах (Вт)

На фото предоставлены резисторы различной мощности, в основном они отличаются размером.

Разновидности резисторов

Резисторы могут быть разными, начиная от простых переменных резисторов (потенциометров) до реагирующих на температуру, свет и давление. Некоторые из них будут обсуждаться в этом разделе.

Переменный резистор (потенциометр)

На рисунке выше показано схематическое изображение переменного резистора. Он часто упоминается как потенциометр, потому что он может быть использован в качестве делителя напряжения.

Они различаются по размеру и форме, но все работают одинаково. Выводы справа и слева эквивалентны фиксированной точке (например, Va и Vb на рисунке выше слева), а средний вывод является подвижной частью потенциометра, а также используется для изменения соотношения сопротивления на левом и правом выводах. Следовательно, потенциометр относится к делителям напряжения, которым можно выставить любое напряжение от Va к Vb.
Кроме того, переменный резистор может быть использован как тока ограничивающий путем соединения выводов Vout и Vb, как на рисунке выше (справа). Представьте себе, как ток будет течь через сопротивление от левого вывода к правому, пока не достигнет подвижной части, и пойдет по ней, при этом, на вторую часть пойдет очень мало тока. Таким образом, вы можете использовать потенциометр для регулировки тока любых электронных компонентов, например лампы.

LDR (светочувствительные резисторы) и термисторы

Есть много датчиков основанных на резисторах, которые реагируют на свет, температуру или давление. Большинство из них включаются как часть делителя напряжения, которое изменяется в зависимости от сопротивления резисторов, изменяющегося под воздействием внешних факторов.

Фоторезистор (LDR)

Как вы можете видеть на рисунке 11A, фоторезисторы различаются по размеру, но все они являются резисторами, сопротивление которых уменьшается под воздействием света и увеличивается в темноте. К сожалению, фоторезисторы достаточно медленно реагируют на изменение уровня освещённости, имеют достаточно низкую точность, но очень просты в использовании и популярны. Как правило, сопротивление фоторезисторов может варьироваться от 50 Ом при солнце, до более чем 10МОм в абсолютной темноте.

Как мы уже говорили, изменение сопротивления изменяет напряжение с делителя. Выходное напряжение можно рассчитать по формуле:

Если предположить, что сопротивление LDR изменяется от 10 МОм до 50 Ом, то V out будет соответственно от 0.005В до 4.975В.

Термистор похож на фоторезистор, тем не менее, термисторы имею гораздо больше типов, чем фоторезисторы, например, термистор может быть либо с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), сопротивление которого уменьшается с повышением температуры, или положительным температурным коэффициентом (PTC), сопротивление которого будет увеличиваться с повышением температуры. Сейчас термисторы реагируют на изменение параметров среды очень быстро и точно.

Про определение номинала резистора используя цветовую маркировку можно почитать .