Закон Ома устанавливает взаимосвязь между напряжением U (которое измеряется в вольтах), током I (которое измеряется в амперах) и сопротивлением R (которое измеряется в омах) в электрической цепи.
Электрическая цепь представляет из себя замкнутый контур с элементом питания (например, аккумулятор или батарея типа крона) и нагрузкой (это такая штука, которая потребляет энергию, например, светодиод или двигатель). Но прежде чем углубляться в закон, попробуем понять, что означает каждый из этих терминов, хотя бы на базовом уровне:
- Напряжение это величина, которая показывает на сколько электрический потенциал в одной точке больше или меньше чем в другой. Это значение можно получить с помощью вольтметра или мультиметра.
- Ток двигается из точки с более высокой потенциальной энергией в точку с более низкой. Для лучшего понимания вы можете думать о токе как о потоке воды, а о напряжении — как о высоте. Вода (или ток) всегда течет от более высокого уровня (более высокое напряжение) к более низкому уровню (к земле или более низкому напряжению). Ток (также как и вода) всегда будет идти по пути наименьшего сопротивления в цепи.
- Сопротивление в этой аналогии показывает, насколько легко протекает ток.
Когда вода (ток) течет по узкой трубе, то меньшее количество воды может пройти за то же время, чем по большей трубе. Узкая труба эквивалентна высокому значению сопротивления, потому что воде будет труднее протекать через нее. Более широкая труба эквивалентна низкому значению сопротивления (как провод), потому что ток может более свободно течь по ней.
Закон Ома описывается следующей формулой:
где U — разность напряжений (в вольтах), I — сила тока (в амперах), а R — сопротивление (в омах).
В цепи всё поданное напряжение расходуется, так как каждый компонент схемы вносит свое некоторое сопротивление, которое снижает напряжение. Зная формулу закона Ома мы сможем выяснить, какое сопротивление должно быть у резистора, подключенного со светодиодом.
Расчет резистора для светодиода
Светодиоды имеют определенное падение напряжения и предназначены для работы при определенном значении тока. Чем больше ток через светодиод, тем ярче светится светодиод. Если ток превысит максимальное значение для светодиода, то он “сгорит”. Для наиболее распространенных “маломощных” светодиодов максимальный ток, проходящий через светодиод, составляет около 20 миллиампер (миллиампер равен 0,001 ампера и обычно обозначается аббревиатурой мА). Падение напряжения на светодиоде указано в технической документации.
Обычно значение напряжения для красного светодиода около двух вольт. Схема подключения светодиода показана на рисунке ниже.
Мы можем использовать закон Ома, чтобы определить номинал резистора для этой схемы. Предположим, что это стандартный светодиод с прямым током 20 мА и падением на нем 2 В. Поскольку напряжение источника составляет 5 вольт, то это напряжение должно распределиться на электронных компонентах, начиная от точки +5В и заканчивая точкой GND. На светодиоде падение составляет 2 В, остальные 3 В должны падать на резисторе.
Зная, что мы хотим, чтобы через эти компоненты протекал ток приблизительно 20 мА (т.к. компоненты соединены последовательно друг с другом, величина тока, протекающего через резистор, будет такой же величины, как и протекающая через светодиод — этому току больше некуда деваться), найдем значение резистора, подставив в уравнение закона Ома U = 3В и I = 20мА:
Таким образом, при сопротивлении резистора 150 Ом через резистор и светодиод протекает ток 20 мА. Когда вы увеличиваете значение сопротивления, через него проходит меньший ток. 220 Ом немного больше, чем 150 Ом, но все же позволяет светодиоду светиться достаточно ярко и является очень распространенным значением резистора.
Мощность, выделяемая на резисторе
Еще одним полезным уравнением, о котором следует помнить — это уравнение мощности. Уравнение мощности говорит нам, сколько мощности в ваттах рассеивается на данном резистивном компоненте. Поскольку увеличение мощности связано с увеличением рассеивания тепла, компоненты, как правило, имеют максимальную номинальную мощность. Нам нужно убедиться, что максимальная номинальная мощность для резистора не превышается, потому что в противном случае он может перегреться и выйти из строя. Обычная номинальная мощность для резисторов составляет 1/8 Вт (0.125Вт). Уравнение мощности выглядит следующим образом:
где P — мощность в ваттах, а I и U — ток и напряжение соответственно.
Для нашего резистора с падением напряжения 3 В и током 20 мА, P = 3 В × 0,02 А = 60 мВт, что намного ниже номинала резистора 125 мВт. Таким образом, нам не нужно беспокоиться о перегреве резистора, так как он находится в своих рабочих пределах.
