Урок 4. Электричество для начинающих — напряжение, ток, резистор

Чтобы подключать к Arduino что-то кроме встроенного светодиода, нужны три понятия: напряжение, ток и сопротивление. Без них легко сжечь светодиод или вывод платы. Формул здесь немного, и все они понадобятся.

Напряжение, ток, сопротивление

Удобно представить воду в трубах.

• Напряжение (обозначают U, измеряют в вольтах, В) — как давление воды: насколько сильно источник «толкает» заряды. USB и выводы Uno дают 5 В, батарейка АА — 1,5 В.
• Ток (I, амперы, А) — сколько воды течёт по трубе в секунду. Для Arduino удобнее миллиамперы: 1 мА = 0,001 А. Светодиоду нужно 5–20 мА, маленькому мотору — сотни миллиампер.
• Сопротивление (R, омы, Ом) — насколько узкая труба: чем больше сопротивление, тем меньший ток пройдёт при том же напряжении. 1 кОм = 1000 Ом.

Ток течёт только по замкнутой цепи: от плюса источника через нагрузку (светодиод, мотор) к минусу. На Arduino минус называется GND (ground, «земля»). У всех частей схемы GND должен быть общим — соединённым проводом, — иначе сигналы не дойдут.

Закон Ома

Ток, напряжение и сопротивление связаны одной формулой:

I = U / R — ток равен напряжению, делённому на сопротивление.

Пример: резистор 1 кОм подключён к 5 В. Ток I = 5 В / 1000 Ом = 0,005 А = 5 мА. Резистор 220 Ом на тех же 5 В: I = 5 / 220 ≈ 0,0227 А ≈ 23 мА.

Из той же формулы: R = U / I и U = I × R.

Короткое замыкание — когда плюс соединён с минусом напрямую, без нагрузки. Сопротивление почти нулевое, ток огромный. На Uno соединение 5V с GND проводом может вывести плату из строя, а у компьютера — отключить USB-порт.

Светодиод

Светодиод (LED) пропускает ток только в одну сторону, поэтому подключать его надо правильно:

• анод (+) — длинная ножка, к плюсу;
• катод (−) — короткая ножка, со стороны катода край корпуса срезан; к минусу (GND).

Перевёрнутый светодиод просто не горит, а в схеме с резистором на 5 В обычно и не портится. Второе свойство светодиода: на нём самом «оседает» почти постоянное напряжение, оно называется прямым напряжением. У красного, жёлтого и обычного зелёного это около 2 В, у синего, белого и ярко-зелёного — около 3 В. Точное значение — в описании светодиода.

Подключать светодиод к выводу напрямую нельзя: сверх прямого напряжения светодиод ток почти не ограничивает, и ограничит его только сопротивление самого вывода. Ток получится больше допустимого — светодиод и вывод платы могут сгореть, сразу или со временем. Поэтому последовательно со светодиодом всегда ставят резистор.

Расчёт резистора

На резисторе должна остаться разница между напряжением вывода и прямым напряжением светодиода. По закону Ома:

R = (Uпит − Uсд) / I

Для индикации хватает 5–10 мА. Вывод Arduino Uno R3 рекомендуется нагружать не больше чем на 20 мА (40 мА — абсолютный предел из описания микроконтроллера, работать на нём нельзя), у Uno R4 допустимый ток вывода меньше — около 8 мА.

Красный светодиод, 5 В, ток 10 мА: R = (5 − 2) / 0,010 = 300 Ом. Резистор берут ближайшего распространённого номинала побольше — 330 Ом. Проверка: I = (5 − 2) / 330 ≈ 0,0091 А ≈ 9,1 мА.

Синий светодиод, 5 В, ток 10 мА: R = (5 − 3) / 0,010 = 200 Ом → берут 220 Ом. Проверка: I = (5 − 3) / 220 ≈ 0,0091 А ≈ 9,1 мА.

Резистор при этом греется. Мощность считают по напряжению на самом резисторе — у красного светодиода это 5 − 2 = 3 В: P = U × I = 3 В × 0,0091 А ≈ 0,027 Вт. Обычные выводные резисторы рассчитаны на 0,25 Вт — запас почти в десять раз.

Больше сопротивление — меньше ток и тусклее свет, но вреда нет. Поэтому если сомневаетесь, ставьте больше: с резистором 1 кОм красный светодиод получит (5 − 2) / 1000 = 3 мА — светит слабее, но хорошо заметно. Подробнее и с таблицей — в справке Какой резистор нужен для светодиода.

Как прочитать номинал резистора

Номинал на маленьком резисторе нанесён цветными полосками. На резисторах с четырьмя полосками первые две — цифры, третья — сколько нулей дописать, четвёртая (обычно золотая) — точность.

Цвета цифр: чёрный 0, коричневый 1, красный 2, оранжевый 3, жёлтый 4, зелёный 5, синий 6, фиолетовый 7, серый 8, белый 9. У резисторов с пятью полосками цифр три. Надёжнее всего — измерить сопротивление мультиметром.

Макетная плата

Макетная плата (breadboard) позволяет собрать схему без пайки: ножки деталей и провода вставляются в отверстия, а внутри отверстия соединены металлическими полосками.

• Посередине платы — канавка. С каждой стороны от неё отверстия соединены поперёк платы, группами по пять: всё, что вставлено в одну такую пятёрку, соединено между собой.
• Вдоль длинных краёв идут шины питания с метками + и − (часто красная и синяя линии). Отверстия одной линии соединены по всей длине. На некоторых длинных платах шина разорвана посередине — проверьте мультиметром или перемычкой.
• Шины одной стороны не соединены с шинами другой: если нужны обе, соедините их перемычками.

Обычно GND платы соединяют с шиной −, а 5V — с шиной +, и дальше берут питание оттуда.

Первая схема: светодиод на выводе 9

Соберите цепь при отключённом USB:

1. Вывод 9 Arduino — перемычкой на макетную плату, в свободную пятёрку отверстий.
2. Резистор 220 или 330 Ом — одной ножкой в эту пятёрку, другой — в соседнюю.
3. Светодиод — длинной ножкой (анод) в пятёрку со второй ножкой резистора, короткой — в следующую пятёрку.
4. Эту последнюю пятёрку — перемычкой на GND Arduino.

Ток пойдёт так: вывод 9 → резистор → светодиод → GND. Резистор можно поставить и с другой стороны светодиода, между катодом и GND, — в последовательной цепи ток везде одинаков.

Загрузите Blink, заменив LED_BUILTIN на 9:

const int LED = 9;

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(LED, LOW);
  delay(500);
}

Не горит? Переверните светодиод, проверьте, что его ножки в разных пятёрках и что провод GND на месте.

Коротко

• Напряжение — в вольтах, ток — в амперах и миллиамперах, сопротивление — в омах; I = U / R.
• Ток течёт только по замкнутой цепи; GND у всех частей схемы общий.
• Светодиод — длинная ножка к плюсу, и обязательно резистор: R = (Uпит − Uсд) / I, номинал округляют вверх.
• Красный светодиод на 5 В — 330 Ом (около 9 мА), сомневаетесь — берите больше, например 1 кОм.
• На макетной плате соединены пятёрки отверстий поперёк платы и шины питания вдоль края.

Проверьте себя