با سلام

مدتی بود که پست نذاشته بودم و فقط مشغول جواب دادن به کامنت ها بودم و امشب تصمیم گرفتم هر جور شده یه پست جدید برای دوستان قرار بدم. موضوعی که در این پست میخوایم در موردش بحث کنیم محاسبه مقاومت مورد نیاز جهت سری کردن با LED هاست.

همانطور که میدونید LED که در بسیاری از کتب فارسی با نام «دیود نورانی» هم ازش نام برده میشه، قطعه ای الکترونیکی از نوع دیودهاست، به این معنی که از یک طرف جریان رو از خودش عبور میده و از یک طرف عبور نمیده. این نوع دیودها که با عبور جریان الکتریکی از خودشون نور صاتع میکنن، روز به روز نقششون در زندگی ما پر رنگ میشه، به این دلیل که برخلاف لامپ های رشته ای مصرف برق بسیار کمتری دارن و علاوه بر ارزونتر بودن، طول عمر بسیار بالاتری هم دارن.

LED ها انواع مختلفی دارن که هر کدوم برای مصارف خاصی استفاده میشه، بطور مثال LEDهای معمولی که در تابلوهای روان و چراغ های راهنمایی و رانندگی استفاده میشه، یا LEDهای توان بالا که نور بسیار بیشتری دارن و ازشون در چراغ قوه ها و نورافکن ها استفاده میشه. نیاز به گفتن نیست که با پیشرفت تکنولوژی و کوچکتر شدن، LED ها امروزه جای خودشون رو در تلویزیون ها و مانیتور و LCD گوشی های شما هم باز کردن. همچنین سرعت بالای LED ها در خاموش و روشن شدن باعث شده که در صنعت مخابرات بجای لیزر در فیبرهای نوری هم کاربرد داشته باشه و احتمالاً در مورد تکنولوژی Li-Fi هم چیزهایی شنیده اید.

اگر اجزای یک دیود را بررسی کنیم، میتونیم شکل زیر رو داشته باشیم:

اجزای LED

 

از آنجایی که LED نوعی دیود است، نسبت به جریان و ولتاژ عبوری رفتارهای متفاوتی رو از خودش نشون میده، بنابراین محدود کردن جریان یک LED بوسیله مقاومت بسیار مهم و حائز اهمیت است.

به همین دلیل هر LED یکسری مشخصات مربوط به خودش رو داره که یکی از اون ها Forward Voltage (که در تصویر زیر با نماد VLED نمایش داده شده) هست که ولتاژ مورد نیاز برای روشن شدن LED رو مشخص میکنه. اگر ولتاژ ما از این مقدار که توسط کارخونه تعیین میشه کمتر باشه دیود ما روشن نمیشه، و اگر ولتاژ ما بیشتر بشه مقاومت LED به سرعت کاهش پیدا میکنه و اگر این ولتاژ بیشتر از حد تحمل LED باشه منجر به سوختنش میشه.

مشخصه دیگری که برای LED ها ارائه میشه Forward Current (در شکل زیر با نماد ILED نمایش داده شده) هست. این مشخصه مقدار جریانی است که باید بطور ثابت از یک LED عبور بدیم تا بتونیم اونو با نور و ثباتی مطلوب روشن کنیم. Forward Current اکثر LEDها برابر 20mA هست (چه دیودهای 3mm و چه دیودهای 5mm). افزایش و کاهش این مقدار در مدار میتونه باعث پر نورتر شدن، کم نورتر شدن و حتی سوختن LED ما بشه.

 

 

به پایه میکروکنترلر بدون مقاومت LED وصل میکنم ولی آسیبی نمیبینه!

بعضاً دیده میشه که دوستانی که با میکروکنترلر کار میکنن میان و بدون مقاومت سری LED رو به پایه های خروجی میکروکنترلر متصل میکنه و چون اینکار معمولاً باعث سوختن LED نمیشه پیش خودشون فکر میکنن که دارن کار درستی انجام میدن.

پایه های میکروکنترلر نمیتونن جریانی معمولاً بیشتر از 30mA رو ارائه بدن، علت نسوختن LED شما هم همین محدود بودن حداکثر جریان قابل ارائه توسط میکروکنترلر هست، اما این فقط چیزیه که شما دارید میبینید.

بدون مقاومت سری چون چیزی برای کنترل جریان عبوری از LED وجود نداره، LED تا میتونه جریان میکشه و اگر به دیتاشیت میکروکنترلر خودتون مراجعه کنید متوجه میشید که چرا اینکار اشتباهه:

 

 

این نمودار که براتون از دیتاشیت ATMega قرار دادم، به خوبی بهتون نشون میده اگر LED رو بدون مقاومت درایو کنید چه اتفاقی رخ خواهد داد. اگر باری بر روی میکروکنترلر قرار نگرفته باشه، ولتاژ 5 ولت ولتاژی هست که از هر پایه انتظار داریم دریافت کنیم. اما هر چقدر جریان بیشتری از میکرو خودمون طلب کنیم، ولتاژ هم کاهش پیدا میکنه، اگر دقیق تر بخوام بگم، به ازای هر 4mA ما در حدود 100mV (میلی ولت) افت ولتاژ خواهیم داشت.  پس اگر Forward Voltage ال ای دی ما برابر 2 ولت باشه، با توجه به مقاومت داخلی 25 اهمی خواهیم داشت:

I=5V−2V25Ω=120mA

 

یعنی LED ما 120 میلی آمپر جریان میکشه که در حدود 4 برابر بیشتر از 30 میلی آمپری هست که در دیتاشیت میکروکنترلر ما برای هر پایه ذکر شده. این موضوع همونجوری که در نمودار مشخصه باعث بالاتر رفتن حرارت میشه و بطور قطع در طولانی مدت باعث آسیب به پایه های I/O میکروکنترلر ما خواهد شد.

بنابراین هرگز فراموش نکنید که با LED خودتون یک مقاومت مناسب سری کنید.

 

مقاومت مناسب برای LED خودمون رو چطور محاسبه کنم؟

اینکار بوسیله قانون اهم انجام میشه و بسیار ساده هست. مقدار Forward Voltage برای دیودهای مختلف معمولاً به شرح زیر هست:

LED قرمز: 2.0 ولت

LED سبز: 2.2 ولت

LED آبی: 3.3 ولت

LED آبی 430 نانومتری: 4.6 ولت

LED نارنجی: 2.0 ولت

LED زرد: 2.1 ولت

LED سفید: 3.3 ولت

LED مادون قرمز: 1.5 ولت

LED فرا بنفش: 3.3 ولت

همانطور که میدونید قانون اهم برابر است با:

R = V / I

که R به معنی مقاومت و بر حسب اهم

V به معنی ولتاژ و بر حسب ولت

و I به معنی شدت جریان و بر حسب آمپر هست

 

مثال: مقدار Forward Current یک ال ای دی 20 میلی آمپر هست. اگر بخواهیم یک LED آبی رنگ معمولی را بوسیله منبع تغذیه 12 ولتی روشن کنیم، به چه مقاومتی جهت سری کردن با LED نیاز داریم؟

Forward Voltage = 3.3V
Forward Current = 20mA = 0.02A
R = V / I
R = (12V - 3.3V) / 0.02A
R = 435 ohms

از اونجایی که مقدار 435 اهم مقدار استانداردی برای یک مقاومت نیست و پیدا نمیشه، نزدیکترین مقاومت موجود به مقدار محاسبه شده ما مقاومتی 470 اهمی هست. بنابراین باید با LED خودمون مقاومت 470 اهمی سری کنیم.

 

محاسبه مقدار مقاومت مورد نیاز چند LED که بصورت سری بهم متصلند

اگر میخواهید چند LED که بصورت سری به یکدیگر متصل شده اند را درایو کنید، باز هم میتوانید از فرمول بالا استفاده کنید، با این تفاوت که ابتدا مجموع ولتاژهای LEDها را محاسبه میکنید و سپس در فرمول قرار میدهید.

 

مثال: دو LED قرمز با Forward Voltage  = 2V و آبی با Forward Voltage = 3.3V را بصورت سری به یکدیگر متصل کرده ایم. مقدار Forward Current هر دو LED برابر 20mA آمپر است. اگر بخواهیم این مجموعه را با منبع تغذیه 12 ولتی روشن کنیم، به مقاومت چند اهم نیاز داریم؟

 

 

ابتدا مجموع ولتاژ دو LED را محاسبه میکنیم:

VLED = 2 + 3.3 = 5.3V

اکنون با استفاده از روش بالا همانند یک LED مقدار R را محاسبه میکنیم:

Forward Voltage = 5.3V
Forward Current = 20mA = 0.02A
R = V / I
R = (12V - 5.3V) / 0.02A
R = 335 ohms

که نزدیکترین مقاومت موجود در بازار به عدد 335، مقاومت 390 اهمی است.