Arduino第一課：LED串流電阻的學問

一般而言，在Arduino學習中，第一步都是學習驅動（點亮）LED，這就如同學習程式語言一樣，第一課都是如何顯示出「Hello! World!」字串。

不過，多數Arduino初學書也多會說，在將13號接腳接到LED正極前，必須串接一個220歐姆的電阻，或者在LED負極接地前，要串接上一個220Ω（歐姆）的電阻，二擇一均可。

更粗略的教學書可能說不用串，但比較詳細的教學書會說這個電阻要串，否則容易因過高的驅動電壓而損壞LED。另外有一種更粗略的教學，因為有些Arduino系統板已經直接在13號腳位接上LED，所以連外接LED的電路都不說明，直接教導用程式驅動系統板上的LED，那所學到的就更少了。

即便如此，一般教學書不會進一步解釋，為何是220歐姆的電阻？而不是221歐姆的電阻？也不是219歐姆的電阻？但在這裡，我們要對此進行解釋，這個電阻阻值是如何決定的，但在說明之前，各位必須先了解何謂歐姆定律，以及電壓的分壓技術才行。

認識基本原理

首先說明Arduino的I/O驅動力，Arduino的接腳設定為輸出時，若為高電位輸出，電壓為5V，最大可以的輸出電流為40mA（毫安培），若輸出電流比這個大，則Arduino的主控晶片（ATmega系列微控制器）是會燒毀的。

想要點亮LED，一般而言（在此以億光的313型LED為主）需要2V電壓及20mA電流，最高則可承受2.4V電壓與瞬間160mA電流，超過這個限度，LED就會燒毀。

了解上述後，我們只是確保如何安全點亮LED，才不會燒毀Arduino晶片或燒毀LED，但確保之後我們進一步需要的，是如何以最低的用電來點亮LED，達到省電效果。

要達到這個效果，先要了解LED的電氣特性，LED是發光二極體，二極體自身的電阻值，是隨著電壓高低與電流高低而不同的，各位先看下圖圖a，在電壓2V時電流是20mA，而電壓2.2V時電流是30mA，各位除一除，會發現電阻值是會變的：

2V/20mA=100Ω
2.2V/30mA=73.3Ω
2.4V/40mA=60Ω

為了達到最低2V、20mA的要求，我們必須用電壓的分壓方式，讓接入LED正極的電壓，剛好在2V左右，而用串接的電阻，將電壓從5V降至2V，因此經過計算，需要在I/O埠到LED正極間，串接一個150歐姆的電阻才行，如此電壓電流特性改變如下：

不過，以最低條件點亮的LED，亮度也偏低，約250mcd（微坎德拉，candela=cd），最高則至500mcd。

若希望更亮一點，則可以再降低串接的電阻阻值，則電壓、電流都會增強，耗電會增加，但也會比較亮一點，但依然不要超過上述的LED限度或ATmega微控器的限度，否則會燒毀LED或晶片。

另外，還有一種省電作法，是以偷時間的方式來導通LED，因為人眼有暫態效果，只要夠頻繁的亮滅，人其實會以為是連續點亮，例如每秒亮滅20次，人眼就會以為一直亮著，這時可以運用程式技巧來控制快速亮滅，進而達到省電。

用每秒20次的亮滅雖可省電，但仔細一看，會看到燈號有點飄的感覺，若希望穩定點，則亮滅次數要增加。

進一步的，一般而言LED只用來當燈號指示，上述的亮滅就足夠，但若是拿來當LED照明，例如當檯燈，則要更多的亮滅次數，才能避免人眼長期觀看時的疲勞，所以要每秒60次，甚至120次為佳，這一樣透過程式控制，或使用脈寬調變（PWM）輸出控制等，但此已是另一堂課，容日後有機會再說明。

最後，不同的LED有不同的導通曲線，上述是以億光313型LED為準，若改以不同廠牌或不同型號的LED，就必須重新計算，以下再以億光3294-15/T2C9-1HMB為例，各位可以比較曲線（順向電壓、順向電流）的不同：

朱容川
2021/11/01

二極體的導通電阻應該是v-i特性曲線的斜率倒數，不能用絕數的電流數值去除以電壓值。以圖一來說，其v-i特性曲線幾近直線，斜率固定，故其電阻也幾近定值，約為(2.4－2.0)V / (40－20)mA = 0.02kΩ = 20Ω。
Post a Reply
DEMO
2020/10/04

如何知道目前使用的 LED 的最大可用電壓與電流
(因為買了一段時間,找不到當時的紀錄)
Post a Reply
tzu
2015/12/07

你好！抱歉剛接觸想問問所以電阻都是計算出來的？
如果買條狀的http://goods.ruten.com.tw/item/show?21105246351707
兩條串聯。接arduino要幾多少電阻呢？
算法是？
謝謝
Post a Reply