Sehr grundlegende Fragen zu Widerstand und gnd

Ich bin ein totaler Anfänger. Ich habe ein Arduino-Starter-Kit gekauft und dies ist das erste Beispielprogramm - es lässt eine LED blinken. Der Begleittext enthält keine Theorie darüber, was in den Beispielprogrammen geschieht, daher habe ich einige Fragen.

1. Welche Funktion hat der Widerstand hier?
2. Warum ist es ein 560 Ohm Widerstand (im Gegensatz zu 2 Ohm oder 20000 Ohm)?
3. Die Schaltung beginnt am Arduino-Pin 13, von dem ich verstehe, dass er eine Spannung von 5 Volt abgibt. Aber die Schaltung endet dann bei gnd. Ich dachte, Schaltkreise sollten sich drehen, damit die Stromkreise ohne Unterbrechung weiter fließen? Was ist der Grund dafür, dass die Schaltung bei gnd endet?

Hier ist die Schaltung -

In Kürze:

1. Der Widerstand in dieser Schaltung ist ein "Strombegrenzungswiderstand"
2. Der Widerstand ist abhängig vom Durchlassspannungsabfall und den Stromanforderungen der LED.
3. Masse ist Teil der Schaltung. Der Mikrocontroller ist ebenfalls mit Masse verbunden. Es ist ein Bezugspunkt, an dem alle anderen Spannungen im Stromkreis gemessen werden.

Ausführlicher:

Die LED benötigt zum Leuchten eine bestimmte Strommenge. Es hat auch eine bestimmte Spannung, die es betreibt. Dies sind niemals die gleichen, die der 5-V-Arduino über seine E / A-Pins ausgibt. Wenn die LED eine Durchlassspannung von 2,2 V und eine maximale Nennstromstärke von 25 mA hat und der Arduino 5 V ausgibt, müssen wir einen Teil dieser Spannung verlieren, um sie auf 2,2 V zu senken. Der Widerstand erledigt das für uns.

Wir berechnen den Wert des Widerstands nach dem Ohmschen Gesetz, das besagt:

$R=\frac{V}{I}$

Oder der Widerstand ist die Spannung geteilt durch den Strom.

Für unsere LED von 2,2 V müssen wir also mit dem Widerstand 2,8 V verlieren. Die LED kann wie oben angegeben 25 mA (maximal ohne Abbrennen) ziehen.

Also können wir diese Werte in unsere Ohmsche Gesetzformel aufnehmen:

$R=\frac{2.8}{0.025}$

Was uns die Antwort 112Ω gibt

Für die LED I zufällig oben nahm, würden Sie einen 112Ω Widerstand verwenden Sie es aus gehen zu stoppen Pop . Da sie normalerweise keine 112Ω-Widerstände herstellen (Sie können jeden Wert ermitteln, aber sie kosten Schuppenlasten), wird der nächste Wert gewählt - normalerweise 120Ω.

Ohne die genauen Spezifikationen Ihrer LED zu kennen, ist es unmöglich, genau zu wissen, welcher Widerstand verwendet werden soll, aber ein Widerstand mit höherem Wert ist sicherer als ein Widerstand mit niedrigerem Wert (er leuchtet möglicherweise nicht so hell auf) und im Bereich von 500 Ω ist ein vernünftiger Wert um die meisten LEDs abzudecken.

Was die Erdungsverbindung betrifft - das ist nur ein weiterer Draht - die "Rücklauf" -Verbindung, die den Strom in einer Schleife hält. Nur weil es "Boden" heißt, macht es es nicht besonders - es ist nur ein Bezugspunkt. Die 5 V in der Schaltung sind tatsächlich "5 V in Bezug auf Masse". Alle Teile des Stromkreises, die mit dem Erdungssymbol gekennzeichnet sind, sind miteinander verbunden - dies spart nur das Einziehen der Drähte.

Eine einfache Glühbirne kann direkt an 3 V, 5 V, 12 V arbeiten (hängt davon ab, welche Sie erhalten). Eine LED ist anders, sie benötigt eine bestimmte Strommenge, bevor sie aufleuchtet. Da eine LED eine Art Diode ist (das Symbol zeigt dies), bleibt die Spannung beim Leiten nahezu konstant. Es wird ein bisschen steigen, aber das ist fast vernachlässigbar.

Eine typische LED benötigt zum Aufleuchten mindestens 1 oder 2 mA. Die meisten haben maximal ca. 20mA. Die Spannung hängt von der Farbe und manchmal der Art der LED ab, die Sie haben. Angenommen, Sie haben eine einfache rote LED. Normalerweise würde es "2V Abfall bei 20mA" sagen. Das bedeutet, dass bei einem Durchgang von 20 mA ein Spannungsabfall von 2 V auftritt (NICHT umgekehrt - dies ist zunächst möglicherweise schwer zu verstehen). Aber wir haben eine 5V Versorgung, oder? Wenn wir also 5 V anlegen, leitet die LED weit mehr als 20 mA und explodiert. Wir wollen eine Schaltung herstellen, bei der der Widerstand 3 V aufnimmt und 20 mA sowohl durch den Widerstand als auch durch die LED fließen (weil sie in Reihe geschaltet sind).

Wir können das mit dem Ohmschen Gesetz tun. Es beschreibt die Beziehung zwischen Strom und Spannung eines Widerstands: R = U / I In diesem Fall wollen wir U 3V (die Spannung über dem Widerstand) und I von 20 mA. Also füllen wir es aus: R = 3 V / 20 mA = 3 V / 0,02 A = 150 Ohm.

Da die LED eines Arduino läuft, kann der Mikrocontroller möglicherweise keine 20 mA liefern. Außerdem kenne ich die genauen Spezifikationen der LED nicht, die unterschiedlich sein können. Ich gehe also davon aus, dass sie ihre 560 Ohm gut berechnet haben.

Warum ist es offensichtlich nicht 20k oder 2 Ohm .. na ja. Wenn Sie die gesamten 5 V an einen 20k-Widerstand anschließen, erhalten Sie nur 0,25 mA Strom. Unter der Annahme, dass die LED etwas dauert, gibt es fast überhaupt kein Licht. Wenn Sie 2 Ohm nehmen, wird die LED explodieren. Es fließt so viel Strom, dass die LED Toast ist.

Was das Arduino betrifft; Ein Arduino enthält einen Mikrocontroller-Chip. Dies sind intelligente Geräte, die den Ausgang eines Pins ändern können. Es kann einen Pin hoch (machen Sie es 5V) oder niedrig (machen Sie es 0V) machen. Wir können das per Software programmieren. Wenn Sie den Pin hoch machen, werden nur 5 V an Ihre LED und Ihren Widerstand angelegt. Der Strom fließt, die LED leuchtet usw. Wenn Sie den Low-Wert einstellen, werden 0 V an die LED und den Widerstand angelegt. Das wird nicht viel bewirken und die LED wird aus sein.

Schaltungen erfordern zwar immer eine Schleife, aber der Mikrocontroller enthält Hardware, um dies zu beheben. Stellen Sie sich das als Schalter im Inneren vor, die entweder die 5-V-Versorgung an Pin 13 oder an GND anschließen (wenn der Zustand niedrig ist). Die LED und der Widerstand sind mit Masse verbunden, um diesen Stromkreis zu vervollständigen. Wir hätten es auch umgekehrt machen können, aber dann leuchtet die LED, wenn Sie den Pin niedrig (0 V) halten, und aus, wenn Sie den Pin hoch (5 V) machen.

3. Ich dachte, Schaltkreise sollten sich drehen, damit der Strom ohne Unterbrechung weiter fließt. Was ist der Grund dafür, dass die Schaltung bei gnd endet?

Das stimmt. Es muss eine vollständige Schleife vorhanden sein, damit elektrische Ladungen um die Schleife fließen und elektrische Energie von der Batterie zur LED fließen kann.

In diesem Fall fließen die elektrischen Ladungen (sehr langsam) in einem geschlossenen Regelkreis durch den Widerstand, durch die LED, durch einen Schalter im Arduino, der mit dem + 5V-Pin verbunden ist, durch den Spannungsregler, durch die Batterie und zurück zum Widerstand.

Die elektrische Energie fließt (sehr schnell) von der Batterie zur LED entlang eines Pfades (des Poynting-Flusses), der so kompliziert ist, dass nur wenige Menschen jemals versuchen, ihn zu zeichnen.

Tatsächlich machen wir uns normalerweise nicht einmal die Mühe, die gesamte Schleife für den Pfad zu zeichnen, auf dem die elektrischen Ladungen fließen. Wir haben oft Dutzende von Geräten, die jeweils mindestens einen Pin haben, der physisch mit dem negativen Ende der Batterie verbunden werden muss. Aber anstatt Dutzende von Linien von der Batterie zu Dutzenden von Geräten im gesamten Schaltplan zu ziehen, symbolisieren wir diese Verbindung mit dem kleinen dreieckigen "Erdungssymbol".

Manchmal machen wir Symbole für andere Punkte, mit denen viele Drähte und viele Komponenten verbunden sind. Mein Schaltplan enthält möglicherweise eine Gruppe von Komponenten mit "+5 V" oben und "GND" unten, die von allen anderen Elementen im Schaltplan isoliert zu sein scheinen.

Diese Gruppe von Komponenten ist jedoch nicht wirklich physisch von allem anderen isoliert. Es ist Teil einer vollständigen Schleife. Ähnlich wie wenn ich erwähne, dass Regen auf meinen Kopf fällt und dann von meinen Kleidern auf den Boden tropft, sage ich nicht, dass das Wasser aus dem Nichts kam und dann auf mysteriöse Weise verschwand, als es auf den Boden traf - ich lasse die Details von aus die Wasserscheide und die Flussbildung und der Wasserkreislauf, da die Fertigstellung der Schleife allgemein bekannt ist.

(Ich gehe davon aus, dass Sie eine 12-V-Batterie verwenden, um das Arduino und (indirekt) die blinkende LED mit Strom zu versorgen. Es gibt viele andere Stromquellen, die die LED genauso gut blinken lassen, aber ihre Erklärung ist komplizierter.)