การเลือกตัวต้านทานให้ LED

ตัวต้านทานหรือ Resistor มีหน้าที่ในการจำกัดและควบคุมปริมาณแรงดันและกระแสไฟฟ้าในวงจร ให้ไม่มากไม่น้อยจนเกินไป แต่ทั้งนี้ตัวต้านทานก็มีค่าความต้านอยู่หลายค่า จึงต่อมีการคำนวณค่าหาค่าความที่เหมาะสม ที่จะมาใช้ในวงจรของเรา

• หลอด LED หรือไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode) คืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่จะเปล่งแสงออกมาเมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวมัน แต่กระแสที่ไหลผ่านนั้นก็จะต้องมีค่าไม่มากจนเกินไป ไม่เช่นนั้นหลอด LED จะสามารถขาดและเสียหายได้อย่างง่ายดาย ตัวต้านทานจึงเข้ามามีบทบาทในวงจรที่มี LED รวมทั้งวงจรอื่นทั่วๆไป ตัวต้านทานมีผลในการจำกัดปริมาณกระแสไฟฟ้าและแรงดันตกคร่อมอุปกรณ์อื่นๆ ที่ต่อเข้ากับตัวมันในวงจร การคำนวณค่าความต้านทานจึงเป็นสิ่งที่จำเป็น
หลักการ
เมื่อเราต่อหลอด LED เข้ากับแหล่งจ่าย Vcc โดยตรง หลอด LED อาจได้รับแรงดันตกคร่อมและกระแสมากเกินไป จึงต้องนำตัวต้านทานมาช่วย โดยตัวต้านทานจะมีหน้าที่รับแรงดันส่วนที่มากเกิน ไปตกคร่อมตัวมันแทน ทำให้ LED ได้รับแรงดันและกระแสที่เหมาะสม
ตัวต้านทานเป็นอุปกรณ์ประเภท Passive หมายถึงอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับกระแสไฟฟ้า ในขณะที่เราจะเรียกอุปกรณ์ที่จ่ายกระแสไฟฟ้าเช่น แหล่งจ่าย รางถ่าน แบตเตอร์รี่ ว่า Active
 ขั้นตอนการคำนวณ
ขั้นตอนการคำนวณค่าความตานมีเพียง 2 ขั้นตอนหลักๆคือ
• หาค่า Forward Current และ Forward Voltage ของ LED
• คำนวณค่าความต้านทานโดยเทียบกับ Forward Voltage ของ LED และแหล่งจ่าย
 • หาค่า IF และ VF ของ LED
อันดับแรกต้องรู้ก่อนว่าหลอด LED ของเรา ต้องการใช้กระแสตกคร่อม(Forwad Current) และโวลต์ตกคร่อม(Forwad Voltage)เท่าไหร่ ซึ่งบางครั้งอาจเรียกว่า Working Current หรือ Working Voltage ก็ได้ ซึ่งเราสามารถหาดูค่าเหล่านี้ได้จากDATASHEET หรือตามอินเตอร์เน็ตทั่วไป
ยกตัวอย่าง
หลอด LED ขนาด 3 mm สีแดง มีข้อมูลทางเทคนิคดังนี้
Items
Symbol
Min
Typical
Max
Forward Current
IF
16 mA
20 mA
30 mA
Forward Voltage
VF
1.8 V
2.0 V
2.2 V
จากตารางจะเห็นได้ว่าทั้งค่า IF และ VF จะบอกมาเป็นช่วงๆ (Min,Max) ถ้าเลือกใช้ค่าต่ำกว่าค่า Min ,หลอดไฟจะไม่ติด แต่ถ้าใช้ค่าสูงกว่าค่า Max หลอดไฟอาจขาดเสียหายได้ ดังนั้น ค่าที่เราจะเลือกใช้ควรเป็นค่าที่อยู่ในช่วงนี้ บาง DATASHEET อาจมีค่าแนะนำมาให้อยู่แล้วหรือที่เรียกว่าค่า Typical หรือ Suggestion
 • คำนวณค่า R
เมื่อได้ค่า IF และ VF แล้ว เราก็จะสามารถหาค่า R ได้ แต่เราก็จะต้องกำหนดด้วยว่าต้องการใช้แหล่งจ่ายหลัก Vcc กี่โวลต์ โดยเราจะใช้สูตรในการคำนวณคือ
R = (Vcc – VF) / IF
ที่มาของสูตร
จริงๆแล้วสูตรดังกล่าวมาจากกฎของโอห์ม V = I*R ธรรมดา แต่ค่า V ในที่นี้คือ V ที่เราต้องการให้มันไปตกคร่อมบนตัวต้านทาน ซึ่งก็คือVจากแหล่งจ่าย (Vcc) ลบกับ VF ของ LED
และเนื่องจากเรานิยมนำอุปกรณ์มาต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน เพราะฉะนั้น ค่ากระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน = กระแสที่ไหลผ่าน LED = IFนั่นเอง
 ตัวอย่างการคำนวณ
ตัวอย่างการคำนวณต่อไปนี้จะแสดงให้เห็นถึงขั้นตอนและวิธีการคำนวณอย่างละเอียด โดยจะแบ่งระดับความง่ายยากเรียงกันไป ตั้งแต่แบบง่ายใช้หลอด LED เพียง 1 ดวง ไปจนถึงแบบซับซ้อนที่ใช้ LED หลายๆดวง
 EX#1
นำหลอด LED 3 mm สีแดงมาต่อกับแหล่งจ่าย 5 Volts จะต้องใช้ตัวต้านทานที่มีค่าเท่าไหร่?
• ใช้หลอดไฟ LED 3 mm สีแดง ค่า IF = 20 mA และ VF = 2 Volts
ดังนั้น ต้องใช้ตัวต้านทาน R = (5 – 2) / 0.02 = 150 Ω
ถามเพิ่มเติม หากบ้านของเรามีแต่ตัวต้านทาน 100 Ω จะทำอย่างไร?
• เราสามารถนำตัวต้านทานตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปมาต่อเข้าด้วยกันได้ และใช้สูตรการรวมค่าของตัวต้านทานเข้ามาช่วยได้ ดังนี้
อนุกรม
Rรวม = R1 + R2
ขนาน Rรวม = (R1 x R2) / (R1 + R2)
ต้องการ 150 Ω เพราะฉะนั้น นำ R 100 Ω 3 ตัวมาต่อรวมกัน โดยให้ 2 ตัวแรกต่อขนานกัน ค่า R ที่ได้ = (100 x 100) / (100 + 100) = 50 Ω
จากนั้น นำตัวต้านทานตัวสุดท้ายมาต่ออนุกรมด้วย จะได้ค่า R รวมทั้งหมด = 100 + 50 = 150 Ω
 การนำตัวต้านทานมาต่อรวมกัน 
หากไม่มีค่าตัวต้านทานตามที่ต้องการ เราก็สามารถนำตัวต้านทานค่าอื่นๆที่มีอยู่ มาต่อรวมกันให้ได้ความต้านทานตามที่ต้องการได้
 ต่อวงจรหลังจากคำนวณ 
** สามารถเอาตัวต้านทานไว้หน้า หรือหลังหลอด LED ก็ได้ เนื่องจากตัวต้านทานไม่มีขั้ว
การต่อตัวต้านทานทั้ง 2 แบบมีค่าเท่ากัน เพราะมันมีผลต่อทังวงจรอยู่แล้ว
 EX#2
นำหลอด LED 3 mm สีแดง 5 หลอดมาต่อขนานกัน ใช้แหล่งจ่าย 6 Volts จะต้องใช้ตัวต้านทานที่มีค่าเท่าไหร่?
• ใช้หลอด LED 3 mm สีแดงเช่นเดียวกับ EX#1 แต่เพิ่มเป็น 5 หลอด มาต่อขนานกัน ซึ่งการต่อขนาน มีผลดังนี้
การต่อวงจรขนาน
Iรวม = I1 + I2 + I3 + I4 + I5
Vรวม = V1 = V2 = V3 = V4 = V5
เพราะฉะนั้น
IFรวม = (20 mA x 5) = 100 mA
VFรวม = 2 Volts
ดังนั้นต้องใช้ตัวต้านทาน R = (6 – 2) / 0.1 = 40 Ω
สังเกตความแตกต่างจาก EX#1 ได้ว่า กระแสที่วงจรใช้ ก็มีผลกับค่าความต้านทานเช่นกัน ยิ่ง LOAD ต้องการใช้กระแสมาก ก็ต้องการค่าความต้านทานน้อย
** จากวงจรนี้ สามารถใช้ R ขนาด 100 Ω 2 ตัว มาต่อขนานกันได้ โดยค่า R รวมจะเท่ากับ 50 Ω ซึ่งถึงแม้จะเกิน 40 Ω ตามที่คำนวณ แต่เราสามารถเลือกใช้ตัวต้านทานเกินกว่าที่คำนวณไว้เล็กน้อยได้ เป็นการเผื่อความปลอดภัยป้องกันกระแสเกินไปในตัวด้วย (R มากได้ I น้อย)
ต่อ LOAD แบบขนาน
การนำ LOAD ซึ่งในที่นี้คือ LED 5 หลอดมาต่อขนานกัน จะทำให้ LOAD ใช้แรงดันตกคร่อมเท่ากันทุกตัว (VF เท่ากัน) แต่กระแสรวมทั้งหมดจะต้องใช้มากขึ้น คือนำ IF ของแต่ละตัวมารวมกัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติของวงจรขนาน
 EX#3
นำหลอด LED 3 mm สีแดง 4 หลอดมาต่ออนุกรมกัน ใช้แหล่งจ่าย 12Volts จะต้องใช้ตัวต้านทานที่มีค่าเท่าไหร่?
• ใช้หลอด LED 3 mm สีแดงเช่น 4 หลอด มาต่ออนุกรมกัน มีผลดังนี้
การต่อวงจรอนุกรม
Iรวม = I1 = I2 = I3 = I4
Vรวม = V1 + V2 + V3 + V4
เพราะฉะนั้น
IFรวม = 20 mA
VFรวม = (2 Volts x 4) = 8 Volts
ดังนั้นต้องใช้ตัวต้านทาน R = (12 – 8) / 0.02 = 200 Ω
สังเกตได้ว่า หากนำ LOAD มาต่ออนุกรมกัน ก็จะต้องใช้แรงดันตกคร่อม LOAD มากขึ้นด้วย
จาก EX#1 ,2 และ 3 จะสังเกตได้ว่า การเลือกตัวต้านทานขึ้นอยู่กับความต้องการใช้กระแสและแรงดันตกคร่อมของ LOAD รวมถึงขึ้นอยู่กับแหล่งจ่ายด้วย
ต่อ LOAD แบบอนุกรม
หลังจากดูตัวอย่างแบบขนานไปแล้ว แบบอนุกรมก็จะตรงกันข้ามเลย คือ LOAD ทุกตัวจะใช้กระแสเท่ากัน (IF เท่ากัน) แต่จะต้องใช้แรงดันที่เพิ่มขึ้น (VF = VFทุกตัวรวมกัน)
 LED ต่างสี!
บางครั้ง เราก็ต้องการใช้ LED หลายๆสี ไม่ใช่แค่สีเดียว เช่นต้องการใช้ LED สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน รวมๆกัน, จากตัวอย่างที่ผ่านมา ได้แสดงให้เห็นการใช้ LED มากกว่า 1 หลอด และแสดงวิธีการต่อแบบทั้งขนานและอนุกรม แต่ต่อไปนี้จะเป็นการใช้ LED มากกว่า 1 สี ซึ่งจะต้องมีการคำนวณที่ซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจาก…
• LED ต่างสี อาจใช้ Forward Voltage ไม่เท่ากัน ,ถ้าพูดถึง LED ขนาด 3 หรือ 5 mm ซึ่งสีที่ใช้หลักๆก็จะมี สีแดง เขียว เหลือง น้ำเงิน และขาว , LED ทั้ง 5 สีนี้จะใช้ Forward Current เท่าๆกันคือประมาณ 20 mA แต่มันอาจจะใช้ Forward Voltage ไม่เท่ากันดังตารางนี้
Color
VF Min
VF Max
Red
1.9 V
2.1 V
Yellow
1.9 V
2.1 V
Green
2.1 V
3.0 V
Blue
3.0 V
3.2 V
White
3.0 V
3.2 V
* ค่าทั้งหมดเป็นค่าโดยประมาณ
จะเห็นได้ว่า เราสามารถแบ่ง LED ได้เป็น 3 กลุ่ม ตามปริมาณการใช้แรงดันตกคร่อม คือ
กลุ่มที่ 1 ประกอบด้วย LED สีแดง และเหลือง
กลุ่มที่ 2 ประกอบด้วย LED สีเขียว
กลุ่มที่ 3 ประกอบด้วย LED สีน้ำเงิน และสีขาว
ซึ่ง LED ทั้ง 3 กลุ่มนี้ ไม่สามารถนำมาต่อขนานกันได้* เนื่องจากการต่อขนานจะทำให้อุปกรณ์ที่ต่อขนานกันอยู่ ได้รับแรงดันตกคร่อมเท่ากัน ซึ่ง LED ทั้ง 3 กลุ่มใช้แรงดันตกคร่อมไม่เท่ากัน หากนำมาต่อขนานกัน จะทำให้หลอดที่ต้องการใช้แรงดันมากกว่า ได้รับแรงดันไม่เพียงพอ!
* กลุ่มที่ 1 (สีแดงและเหลือง) อาจต่อขนานกับกลุ่มที่ 2 (สีเขียว) ได้ เนื่องจากมีช่วงแรงดันตกคร่อมซ้ำกันอยู่คือ 2.1 Volts แต่ไม่นิยมต่อขนานกัน เพราะจะทำให้หลอดสีเขียวสว่างไม่เต็มที่
ดังนั้น หากต้องการต่อหลอด LED หลายๆสี แต่ถ้าใช้แค่กลุ่มเดียว ก็สามารถต่อขนานกันได้ แต่ถ้าหากมี LED 2 กลุ่มขึ้นไป ต้องใช้การต่อผสมแทน
 EX#4
นำหลอด LED 3 mm สีแดง 4 หลอดมาต่อขนานกับ สีเหลือง 4 หลอด ใช้แหล่งจ่าย 12 Volts จะต้องใช้ตัวต้านทานกี่โอห์ม?
• ในตัวอย่างนี้ใช้ LED 2 สี รวมทั้งหมด 8 ดวง แต่ทั้ง 2 สีนั้นใช้แรงดันตกคร่อมเท่่าๆกัน จึงสามารถคำนวณเหมือนกับใช้ LED สีเดียวหลายๆหลอดได้เลย
ต่อขนาน ดังนั้น…
IF = (20mA * 8) = 160 mA
VF = 2.0 Volts (ทั้ง 2 สีใช้ VF ประมาณ 2 V เหมือนกัน)
ดังนั้น R = (12 V – 2 V) / (160 / 1000) = 62.5 Ω
เช่นเดิม อาจเลือกเผื่อค่าความต้านทาน ใช้ R เป็น 100 Ω แทนได้
 EX#5
ให้ออกแบบวงจร ที่ใช้หลอด LED 3 mm สีแดง 4 หลอด สีเขียว 4หลอด และ สีน้ำเงิน 4 หลอด มาต่อเข้าด้วยกัน โดยใช้แหล่งจ่าย 12 Volts
กำหนดให้
VF Red = 2.0 Volts
VF Green= 2.2 Volts
VF Blue = 3.0 Volts
• ในตัวอย่างนี้ใช้ LED 3 สี สีละ 4 ดวง ซึ่งทั้ง 3 สีอยู่คนละกลุ่มกันทั้งหมด และใช้แรงดันตกคร่อมไม่เท่ากัน จึงไม่สามารถนำทั้ง 3 สีมาต่อขนานกันได้ แต่เราสามารถต่อผสมได้ ซึ่งการต่อผสมก็สามารถต่อได้หลายแบบ แล้วแต่ใครจะดีไซน์วงจรยังไง แต่ในที่นี้ขอยกตัวอย่างซัก 2 แบบ
 แบบที่ 1
จากภาพเป็นการต่อวงจรของ LED แบบผสม ซึ่ง LED แต่ละกลุ่มจะต่อขนานกันเอง แล้วจึงมาต่ออนุกรมกับตัวต้านทานของแต่ละกลุ่ม จากนั้นทั้งหมด จะต่อขนานรวมกันกับแหล่งจ่าย Vcc
หลักการคำนวณ
การต่อขนานกัน จะทำให้ทั้ง 3 ส่วนได้รับแรงดันเท่ากัน คือ 12 Volts ตามแหล่งจ่าย Vcc เพราะฉะนั้นในแต่ละส่วน จึงต้องมีตัวต้านทานของตัวเอง เพื่อจำกัดแรงดันที่จะไปตกคร่อมกลุ่มหลอด LED ในส่วนนั้นๆ
• ส่วนที่ 1 ,มี LED สีแดง ขนานกัน ดังนั้นใช้ IF = (20mA x 4) = 80 mA
เนื่องจากต่อขนานกัน จึงใช้ VF เท่ากัน = 2.0 Volts
และส่วนนี้จะได้รับแรงดัน 12 Volts เนื่องจากต่อขนานกับ Vcc
ดังนั้น R1 = (12V – 2V) / (80 mA / 1000) = 125 Ω
• ส่วนที่ 2 ,มี LED สีเขียวต่อขนานกัน ดังนั้น IF = (20mA x 4) = 80 mA
และใช้ VF เท่ากัน = 2.2 Volts
ดังนั้น R2 = (12V – 2.2V) / (80 mA / 1000) = 122.5 Ω
• ส่วนที่ 3 ,มี LED สีน้ำเงินต่อขนานกัน IF = (20mA x 4) = 80 mA
และใช้ VF เท่ากัน = 3.0 Volts
ดังนั้น R3 = (12V – 3V) / (80 mA / 1000) = 112.5 Ω
ข้อดีของแบบที่ 1 คือ LOAD ใช้แรงดันน้อย สังเกตได้ว่า แต่ละส่วนจะใช้แรงดันไม่เกิน VF ของตัวมันเอง เนืองจากเป็นการต่อขนาน แต่อาจจะต้องใช้กระแสมากนิดหน่อย
 การต่อที่ไม่ถูกต้อง 
เราจะไม่นำ LED ต่างกลุ่มมาต่อขนานกัน เพราะแรงดันของวงจร จะขึ้นตามหลอดที่ต้องการใช้ VF น้อยที่สุด ทำให้หลอดอืนๆที่ต้องใช้ VF มากกว่าได้รับแรงดันไม่เพียงพอ
 วงจรที่ได้จากการคำนวณ 
ปรับค่าความต้านทานตามความเหมาะสม
 แบบที่ 2
แบบที่ 2 นี้ วงจรโดยรวมคล้ายๆกับแบบที่ 1 แต่ต่างกันอย่างชัดเจนที่วงจร LOAD ของแต่ละส่วน คือ LOAD ของส่วนที่ 1 และ 2 จะต่ออนุกรมกันเอง แต่ LOAD ของกลุ่มที่ 3 ยังคงต่อขนานอยู่ เนื่องจากหากหลอด LED สีน้ำเงินทั้ง 4 หลอด ต่ออนุกรมกัน อาจต้องใช้แรงดันมากกว่า 12 Volts ซึ่งแหล่งจ่าย จ่ายให้ไม่เพียงพอ เราจึงยังคงต่อขนานในส่วนที่ 3 อยู่่เช่นเดิม
หลักการคำนวณ
• ส่วนที่ 1 ,มี LED สีแดงต่ออนุกรมกัน ดังนั้นใช้ IF = 20 mA
การต่ออนุกรมใช้แรงดันเพิ่มขึ้น คือ VF = (2V x 4หลอด) = 8 Volts
และส่วนนี้จะได้รับแรงดัน 12 Volts เนื่องจากต่อขนานกับ Vcc
ดังนั้น R1 = (12V – 8V) / (20 mA / 1000) = 200 Ω
• ส่วนที่ 2 ,มี LED สีเขียวต่ออนุกรมกัน ดังนั้นใช้ IF = 20 mA
และใช้ VF = (2.2V x 4หลอด) = 8.8 Volts
ดังนั้น R2 = (12V – 8.8V) / (80 mA / 1000) = 160 Ω
• ส่วนที่ 3 ,มี LED สีน้ำเงินต่อขนานกัน IF = (20mA x 4) = 80 mA
และใช้ VF เท่ากัน = 3.0 Volts
ดังนั้น R3 = (12V – 3V) / (80 mA / 1000) = 112.5 Ω
* หากส่วนที่ 3 ต่ออนุกรมอาจจะต้องใช้แรงดัน (3V x 4ดวง) = 12 Volts ซึ่งจริงๆแล้วอาจจะใช้มากกว่า 12 Volts ด้วยเพราะอย่าลืมว่ามันใช้แรงดันตกคร่อมตั้งแต่ 3.0 ถึง 3.2 V ดังนั้น เราจึงยังคงต่อขนานอยู่ ,เราจะต่ออนุกรมได้ก็ต่อเมื่อเพิ่มแรงดัน Vcc หรือลดจำนวนหลอด LED แทน
ข้อดีของแบบที่ 2 คือ LOAD ใชกระแสน้อยลง แต่ทั้งนี้มันก็จะต้องใช้แรงดันเพิ่มขึ้น
 วงจรที่ได้จากการคำนวณ 
ปรับค่าความต้านทานตามความเหมาะสม
**บทความยังไม่จบนะครับ รอติดตามได้เลย