| • 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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
| เมื่อได้ค่า IF และ VF แล้ว เราก็จะสามารถหาค่า R ได้ แต่เราก็จะต้องกำหนดด้วยว่าต้องการใช้แหล่งจ่ายหลัก Vcc กี่โวลต์ โดยเราจะใช้สูตรในการคำนวณคือ |
|
|
|
|
|
|
| ที่มาของสูตร |
| จริงๆแล้วสูตรดังกล่าวมาจากกฎของโอห์ม V = I*R ธรรมดา แต่ค่า V ในที่นี้คือ V ที่เราต้องการให้มันไปตกคร่อมบนตัวต้านทาน ซึ่งก็คือVจากแหล่งจ่าย (Vcc) ลบกับ VF ของ LED |
| และเนื่องจากเรานิยมนำอุปกรณ์มาต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน เพราะฉะนั้น ค่ากระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน = กระแสที่ไหลผ่าน LED = IFนั่นเอง |
|
|
|
|
|
|
| ตัวอย่างการคำนวณต่อไปนี้จะแสดงให้เห็นถึงขั้นตอนและวิธีการคำนวณอย่างละเอียด โดยจะแบ่งระดับความง่ายยากเรียงกันไป ตั้งแต่แบบง่ายใช้หลอด LED เพียง 1 ดวง ไปจนถึงแบบซับซ้อนที่ใช้ LED หลายๆดวง |
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
|
|
| ** สามารถเอาตัวต้านทานไว้หน้า หรือหลังหลอด LED ก็ได้ เนื่องจากตัวต้านทานไม่มีขั้ว |
|
 |
| การต่อตัวต้านทานทั้ง 2 แบบมีค่าเท่ากัน เพราะมันมีผลต่อทังวงจรอยู่แล้ว |
|
|
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 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) |
|
|
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
|
| เราจะไม่นำ LED ต่างกลุ่มมาต่อขนานกัน เพราะแรงดันของวงจร จะขึ้นตามหลอดที่ต้องการใช้ VF น้อยที่สุด ทำให้หลอดอืนๆที่ต้องใช้ VF มากกว่าได้รับแรงดันไม่เพียงพอ |
|
|
|
|
|
|
| ปรับค่าความต้านทานตามความเหมาะสม |
|
|
|
|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
|
| ปรับค่าความต้านทานตามความเหมาะสม |
|
|
|
|
| **บทความยังไม่จบนะครับ รอติดตามได้เลย |
|
|
|
