選擇限流電阻

簡介

限流電阻器放置在電路中，以確保流過的電流量不超過電路可以安全處理的電流量。 當電流流過電阻時，根據歐姆定律，電阻上會產生相應的電壓降（歐姆定律指出電壓降是電流和電阻的乘積：V=IR）。 該電阻器的存在減少了可能出現在與電阻器串聯的其他組件上的電壓量（當組件“串聯”時，電流只有一條路徑，因此流過的電流量相同通過它們；這在通過右側框中的鏈接提供的信息中得到了進一步解釋）。

在這裡，我們感興趣的是確定與 LED 串聯放置的限流電阻器的電阻。 電阻器和 LED 依次連接到 3.3V 電壓電源。 這實際上是一個相當複雜的電路，因為 LED 是一種非線性器件：流經 LED 的電流與 LED 兩端的電壓之間的關係並不遵循簡單的公式。 因此，我們將做出各種簡化假設和近似。

理論上，理想的電壓電源將提供任何必要的電流，以嘗試將其端子保持在它應該提供的任何電壓。 （然而，實際上，電壓電源只能提供有限量的電流。）發光的 LED 通常具有大約 1.8V 至 2.4V 的壓降。 為了使事情具體化，我們假設電壓降為 2V。 為了保持 LED 上的這個電壓量，通常需要大約 15 mA 到 20 mA 的電流。 再次為具體起見，我們假設電流為 15 mA。 如果我們直接將 LED 連接到電壓源，則電壓源會嘗試在該 LED 兩端建立 3.3V 的電壓。 然而，LED 通常具有大約 3V 的最大正向電壓。 試圖在 LED 兩端建立高於此的電壓可能會損壞 LED 並消耗大量電流。 因此，電壓源想要產生的電壓與 LED 可以處理的電壓之間的這種不匹配可能會損壞 LED 或電壓源，或者兩者都損壞！ 因此，我們希望確定限流電阻的電阻，該電阻將為我們提供大約 2V 的 LED 兩端適當電壓，並確保通過 LED 的電流約為 15 mA。

為了解決問題，使用原理圖對我們的電路進行建模會有所幫助，如圖 1 所示。

圖 1. 電路原理圖。

在圖 1 中，您可以將 3.3V 電壓源視為chipKIT™ 板。 同樣，我們通常假設理想的電壓源將提供電路所需的任何電流量，但chipKIT™ 板只能產生有限量的電流。 （Uno32 參考手冊說單個數字引腳可以產生的最大電流量為 18 mA，即 0.0018 A。）為確保 LED 具有 2V 壓降，我們需要確定電阻器兩端的適當電壓，我們會打電話給VR。 一種方法是確定每根電線的電壓。 組件之間的連線有時稱為節點。 要記住的一件事是，一根電線在其整個長度上具有相同的電壓。 通過確定導線的電壓，我們可以計算一根導線與另一根導線之間的電壓差，並找出一個組件或一組組件上的電壓降。

假設電源的負端處於 0V 電位，這很方便。 這反過來又使其對應的節點（即連接到電源負極的電線）為 0V，如圖 2 所示。當我們分析電路時，我們可以隨意分配 0V 的信號接地電壓到電路中的一點。 然後所有其他電壓都相對於該參考點。 （因為電壓是兩個點之間的相對量度，所以通常我們將電路中的哪個點指定為 0V 並不重要。我們的分析將始終產生相同的電流和相同的組件電壓降。然而，它將電壓電源的負端子指定為 0V 值是一種常見做法。）假設電壓電源的負端子為 0V，並且考慮到我們正在考慮 3.3V 電源，則正極端子必須為電壓3.3V（連接到它的電線/節點也是如此）。 鑑於我們希望 LED 兩端的壓降為 2V，並且 LED 底部為 0V，LED 頂部必須為 2V（與連接到它的任何電線一樣）。

圖 2. 顯示節點電壓的示意圖。

節點電壓如圖 2 所示，我們現在可以確定電阻兩端的電壓降，稍後我們將進行。 首先，我們要指出的是，在實踐中，人們經常將與組件相關的電壓降直接寫在組件旁邊。 因此，例如，我們在知道它是 3.3V 源的電壓源旁邊寫 3.3V。 對於 LED，由於我們假設電壓降為 2V，我們可以簡單地將其寫在 LED 旁邊（如圖 2 所示）。 一般來說，給定元件一側存在的電壓以及該元件上的電壓降，我們總是可以確定元件另一側的電壓。 相反，如果我們知道一個元件任一側的電壓，我們就知道該元件上的電壓降（或者我們可以簡單地通過取任一側的電壓差來計算它）。

因為我們知道連接到電阻器（Wire1 和 Wire3）兩側的導線的電位，所以我們可以求解它兩端的電壓降 VR：

代入已知值，我們得到：

計算出電阻器上的壓降後，我們可以使用歐姆定律將電阻器的電阻與電壓聯繫起來。 歐姆定律告訴我們 1.3V=IR。 在這個等式中，似乎有兩個未知數，電流 I 和電阻 R。起初，如果 I 和 R 的乘積為 1.3V，我們似乎可以將它們設為任意值。 然而，如上所述，當其兩端的電壓為 15V 時，典型的 LED 可能需要（或“汲取”）大約 2 mA 的電流。 因此，假設 I 為 15 mA 並求解 R，我們得到

實際上，很難獲得電阻精確為 86.67 Ω 的電阻器。 也許可以使用可變電阻器並將其電阻調整到該值，但這將是一種有點昂貴的解決方案。 相反，通常只要有一個大致正確的阻力就足夠了。 您應該會發現大約一到兩百歐姆的電阻工作得相當好（這意味著我們確保 LED 不會消耗太多電流，但限流電阻器不會太大以防止 LED從照明）。 在這些項目中，我們通常會使用 220 Ω 的限流電阻器。

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