Gần như dự án điện tử đầu tiên nào cũng thắp một bóng LED, và gần như bóng LED đầu tiên nào cũng hoặc sáng yếu, hoặc cháy, hoặc lặng lẽ làm nóng điện trở. Cả ba đều do bỏ qua một phép tính nhỏ. Bài này đi qua phép tính đó bằng định luật Ohm, đúng cách máy tính điện tử làm, với số liệu cho các nguồn thường gặp và những lỗi đáng chú ý.
Định luật Ohm trong một đoạn
Điện áp trên điện trở bằng dòng điện qua nó nhân điện trở: V = I × R. Công suất biến thành nhiệt là P = V × I, cũng có thể viết P = I² × R hoặc P = V² / R. Biết hai trong bốn đại lượng là tính được hai đại lượng còn lại. Ví dụ, 12 V đặt lên 220 Ω cho I = 12 / 220 = 54,5 mA và P = 12 × 0,0545 = 0,65 W: quá nhiều với điện trở 1/4 W thông thường, nó sẽ nóng và hỏng dần.
Vì sao LED cần điện trở
LED không phải điện trở. Dưới điện áp thuận (khoảng 2 V với LED đỏ, 2 tới 3 V với xanh lá, khoảng 3 V với xanh dương và trắng) gần như không có dòng; vượt qua một chút, dòng tăng rất dốc. Nối thẳng LED vào pin thì dòng chỉ bị giới hạn bởi điện trở trong của pin: LED quá nhiệt. Điện trở nối tiếp biến đường cong dốc đó thành dòng điện dự đoán được, vì điện trở nhận phần điện áp mà LED không nhận.
Vì vậy điện trở chịu V_nguồn − V_thuận, và định luật Ohm cho
R = (V_nguồn − n × V_thuận) / I
với n là số LED nối tiếp và I là dòng mong muốn. LED báo hiệu thông thường chịu tối đa 20 mA; 5 tới 10 mA thường đã đủ sáng.
Ví dụ 1: LED đỏ với nguồn 5 V
- Nguồn 5 V, LED đỏ V_thuận = 2,0 V, dòng mục tiêu 20 mA.
- Điện trở chịu 5 − 2 = 3 V.
- R = 3 V / 0,020 A = 150 Ω, vừa đúng một giá trị chuẩn E12.
- Công suất trên điện trở: P = I² × R = 0,02² × 150 = 0,06 W. Điện trở 1/8 W (0,125 W) có biên an toàn gấp đôi.
Ví dụ 2: pin 9 V
- Nguồn 9 V, cùng LED, dòng mục tiêu 15 mA.
- R = (9 − 2) / 0,015 = 466,7 Ω. Không mua được giá trị này.
- Các giá trị E12 gần đó là 390 Ω và 470 Ω. Làm tròn lên 470 Ω: dòng còn 7 / 470 = 14,9 mA, thấp hơn mục tiêu một chút. Làm tròn xuống 390 Ω sẽ cho 17,9 mA.
- Công suất: 0,0149² × 470 = 0,104 W. Nhân đôi để có biên an toàn là 0,21 W, nên dùng điện trở 1/4 W.
Máy tính tự làm tròn theo bất kỳ dãy nào từ E6 tới E96 và cho biết dòng thực với giá trị đã chọn.
Ví dụ 3: ba LED với nguồn 12 V
Các LED nối tiếp dùng chung một dòng và một điện trở, còn điện áp thuận thì cộng lại.
- Ba LED trắng, mỗi LED 3,0 V, nguồn 12 V, dòng 20 mA.
- R = (12 − 3 × 3,0) / 0,020 = 3 / 0,02 = 150 Ω, P = 0,06 W.
- Thêm LED thứ tư sẽ cần cả 12 V, không còn gì cho điện trở: chuỗi LED gần như không sáng. Hãy để ít nhất 1,5 tới 2 V trên điện trở để nó làm được việc của mình.
Cái bẫy 3,3 V
Giờ là LED xanh dương (V_thuận danh định 3,0 V) trên chân vi điều khiển 3,3 V, dòng 20 mA: R = 0,3 / 0,02 = 15 Ω. Trên giấy thì ổn. Nhưng điện áp thuận của LED thật chênh nhau vài phần mười vôn giữa các con và theo nhiệt độ. Với điện trở 15 Ω:
| V_thuận thực tế | Dòng điện |
|---|---|
| 2,8 V | 33 mA |
| 3,0 V | 20 mA |
| 3,2 V | 6,7 mA |
Dòng thay đổi gấp năm lần, vì điện trở chỉ chịu 0,3 V. So với nguồn 5 V và điện trở 100 Ω: cùng khoảng 2,8 tới 3,2 V cho dòng 22 tới 18 mA. Quy tắc: điện trở chịu càng nhiều điện áp, dòng càng ổn định. Nếu buộc phải chạy LED xanh hay trắng từ 3,3 V, hãy dùng dòng nhỏ hơn với điện trở lớn hơn, hoặc dùng mạch dòng không đổi.
Đọc điện trở bạn đang có
Biết giá trị rồi thì tìm trong ngăn kéo. 150 Ω theo mã 4 vạch là nâu, xanh lá, nâu (15 × 10), cộng nhũ vàng cho ±5 %. 470 Ω là vàng, tím, nâu. Thẻ mã màu của máy tính đổi được cả hai chiều và vẽ các vạch.
Những lỗi thường gặp
- Không dùng điện trở, tin rằng LED "dùng được 5 V". Một số LED có sẵn điện trở bên trong; phần lớn thì không. Hãy xem datasheet.
- Một điện trở cho nhiều LED mắc song song. Điện áp thuận của chúng hơi khác nhau nên một con sẽ "giành" dòng. Mỗi LED song song cần điện trở riêng.
- Làm tròn xuống giá trị chuẩn gần nhất, làm dòng tăng lên.
- Bỏ qua công suất của điện trở. Ở 12 V, 20 mA với một LED đỏ, điện trở chịu 10 V và tỏa 0,2 W: loại 1/8 W sẽ quá nhiệt.
- Lấy dòng tối đa làm dòng thiết kế. 20 mA trong datasheet là giới hạn; 10 mA bền hơn và thường đủ sáng.
- Quên rằng nguồn cũng dao động. Nguồn "12 V" trên ô tô có thể vượt 14 V khi đang sạc; hãy thiết kế cho điện áp cao nhất có thể gặp.
Cần tính nhanh ngoài công cụ, máy tính khoa học luôn sẵn. Sau đó hãy kiểm tra như kỹ sư: đo điện áp trên điện trở rồi chia cho giá trị của nó để có dòng thực.