Område 1 · lektion 3

Effekt och komponentval

Här slutar ellära vara teori. Efter det här passet kan du välja en komponent och säga varför det blev just den – och det är skillnaden mellan ett bygge som fungerar och ett bygge som råkar fungera.

Mål

När du är klar kan du räkna ut hur stor förresistor en lysdiod behöver, motivera valet, och avgöra om motståndet klarar effekten.

Genomgång

Effekt är hur snabbt energi omvandlas

Effekt mäts i watt. P = U · I. En watt är en joule per sekund. I ett motstånd omvandlas all effekt till värme – det är hela motståndets uppgift, och det är därför ett motstånd som arbetar hårt går att känna med fingret.

Med Ohms lag insatt får formeln två användbara omskrivningar:

P = U · I

P = I² · R

P = U² / R

Alla tre ger samma svar. Vilken du väljer beror bara på vilka två storheter du råkar känna till.

Räknat exempel: förresistorn till en röd lysdiod

En röd lysdiod har framspänningen 2,0 V och ska drivas med 20 mA från 5 V. En lysdiod är inte ett motstånd – den håller ungefär sin framspänning och låter strömmen skena om ingenting begränsar den. Därför sitter alltid ett motstånd i serie.

Över motståndet ligger det som blir över när lysdioden tagit sitt:

U = 5,0 V − 2,0 V = 3,0 V

R = U / I = 3,0 V / 0,020 A = 150 Ω

Effekten i motståndet blir

P = U · I = 3,0 · 0,020 = 0,06 W

Samma sak med de andra två formlerna, som kontroll:

P = I² · R = 0,020² · 150 = 0,0004 · 150 = 0,06 W

P = U² / R = 3,0² / 150 = 9 / 150 = 0,06 W

Ett vanligt 1/4 W-motstånd tål 0,25 W, alltså drygt fyra gånger mer. Det duger med marginal.

Var tar resten av effekten vägen? Lysdioden tar

P = 2,0 · 0,020 = 0,04 W

och ur källan kommer

P = 5,0 · 0,020 = 0,10 W

0,06 + 0,04 = 0,10. Ingenting försvinner. Men lägg märke till fördelningen: 60 procent av effekten går till värme i motståndet och bara 40 procent når ens fram till lysdioden – och av de 40 procenten blir bara en del ljus, resten värme även där. Så ser det ut när en 2-voltskomponent drivs från 5 V, och det är priset för att slippa en egen spänningskälla.

E12-serien: värdena som faktiskt finns

Motstånd tillverkas inte i alla värden utan i standardserier. E12 har tolv värden per tiopotens:

10 · 12 · 15 · 18 · 22 · 27 · 33 · 39 · 47 · 56 · 68 · 82

Varje värde gäller gånger tio, hundra, tusen och så vidare: 15 ger 15 Ω, 150 Ω, 1,5 kΩ, 15 kΩ. Vårt uträknade 150 Ω finns alltså i serien. Men ett startkit innehåller sällan hela serien, och saknar du 150 Ω är de närmaste grannarna 120 Ω och 180 Ω.

Vad blir skillnaden? Räkna:

180 Ω: I = 3,0 / 180 = 0,0167 A = 17 mA

120 Ω: I = 3,0 / 120 = 0,025 A = 25 mA

Med 180 Ω sjunker strömmen till 17 mA och lysdioden lyser obetydligt svagare – ögat märker knappt skillnaden, eftersom ljusstyrkan uppfattas logaritmiskt. Med 120 Ω stiger den till 25 mA, vilket är över de 20 mA som många lysdioder är specificerade för. Välj uppåt när du är osäker. Ett värde för högt ger en något svagare lampa. Ett värde för lågt förkortar komponentens liv, ofta utan att det syns förrän långt senare.

När 1/4 W inte räcker

Marginalen ovan var bekväm. Den är det inte alltid.

Räknat exempel. Ett motstånd på 100 Ω läggs direkt över 12 V, till exempel för att någon glömt att lysdioden skulle sitta i serie:

I = 12 / 100 = 0,12 A = 120 mA

P = U² / R = 12² / 100 = 144 / 100 = 1,44 W

1,44 / 0,25 ≈ 5,8. Motståndet får nästan sex gånger sin märkeffekt. Det blir brännhett på några sekunder, missfärgas och går sönder – och luktar innan det gör det.

Ett mellanläge. Ett motstånd på 470 Ω över 9 V:

P = U² / R = 9² / 470 = 81 / 470 = 0,17 W

Det ligger under 0,25 W och håller. Men 0,17 W är nästan 70 procent av märkeffekten, och motståndet blir för varmt att hålla i länge. En bra tumregel: håll dig under halva märkeffekten. Ett motstånd som ligger nära sin gräns fungerar, men det åldras snabbare och det värmer allt som ligger bredvid.

Lysdioder är inte utbytbara

Framspänningen beror på vilket material dioden är gjord av, alltså i praktiken på färgen. Byter du färg måste du räkna om.

Färg	Framspänning, typiskt	Kvar till motståndet vid 5 V
Röd	1,8–2,1 V	omkring 3,0 V
Gul, orange	2,0–2,2 V	omkring 2,9 V
Grön, äldre typ	2,0–2,2 V	omkring 2,9 V
Blå, vit, klargrön	3,0–3,4 V	omkring 1,8 V

Notera sista raden. En blå lysdiod lämnar bara omkring 1,8 V till motståndet i stället för 3,0 V, och behöver därför ett betydligt mindre motstånd för samma ström. Räknat vid 20 mA:

U = 5,0 − 3,2 = 1,8 V

R = 1,8 / 0,020 = 90 Ω → välj 100 Ω i E12

Sätter du kvar det gamla 150 Ω-motståndet blir strömmen 1,8 / 150 = 0,012 A = 12 mA, och lampan lyser svagare än väntat. Det är inte ett fel i kopplingen – det är fysik, och den syns bara om du räknar.

Värdena är typiska, inte exakta Tabellen ovan är ungefärlig. Det verkliga värdet står i lysdiodens datablad, och två lysdioder ur samma påse kan skilja sig en tiondels volt. Det är därför du mäter efter i bygge 0 i stället för att lita på uträkningen ensam. Att beräkna och mäta är två olika saker, och kursen kräver båda.

I industrin och i vardagen

I industrin: statuslamporna på en manöverpanel dimensioneras precis så här, men med större marginal, eftersom de lyser dygnet runt i åratal. En konstruktör som väljer ett motstånd nära dess effektgräns bygger in ett fel som visar sig efter garantitiden. Samma resonemang styr när ett skåp behöver fläkt: summan av alla små värmeeffekter är det som avgör, inte en enskild komponent.

I vardagen: laddaren till telefonen blir varm av exakt samma skäl. Den effekt som inte går vidare till batteriet blir värme i laddaren. En laddare som är märkt 5 V och 2 A lämnar 10 W, och är den 90 procent effektiv blir ungefär 1 W värme – lagom för att den ska kännas ljummen. Blir den brännhet är verkningsgraden sämre än så.

Prova själv

Räkna ut förresistorn för en grön lysdiod med framspänningen 2,2 V vid 15 mA från 5 V. Skriv ner de tre stegen: spänningen över motståndet, resistansen, och effekten i motståndet. Välj sedan ett värde ur E12 och motivera i en mening varför du valde det du valde.

Bygg kopplingen på däcket och mät sedan spänningen över motståndet. Stämmer det med det du räknade?

Kontrollfrågor

Varför sitter motståndet i serie och inte parallellt?

I serie går samma ström genom både motståndet och lysdioden, och motståndet kan därmed begränsa den. Parallellt skulle lysdioden få hela spänningen och strömmen skulle bara begränsas av lysdioden själv – som knappt begränsar alls.

Du mäter 3,1 V över ett 180 Ω-motstånd. Hur stor är strömmen?

I = U / R = 3,1 / 180 = 0,0172 A, alltså 17 mA.

Spelar det någon roll om motståndet sitter före eller efter lysdioden i slingan?

Nej, inte elektriskt. I en serieslinga går samma ström genom allt, oavsett ordning, och motståndet begränsar den lika bra på båda sidor. Det spelar däremot roll för hur lätt schemat är att läsa, och det är vanligast att rita motståndet först.

En blå lysdiod med framspänningen 3,2 V ska drivas med 20 mA från 5 V. Vilket motstånd, och vilken effekt får det?

Över motståndet ligger 5,0 − 3,2 = 1,8 V. R = 1,8 / 0,020 = 90 Ω, och närmaste E12-värde uppåt är 100 Ω. Effekten blir P = U² / R = 1,8² / 100 = 3,24 / 100 = 0,032 W, alltså långt under ett 1/4 W-motstånds 0,25 W. Med 100 Ω blir strömmen 1,8 / 100 = 0,018 A = 18 mA.

Ett motstånd på 220 Ω ligger över 5 V. Klarar ett 1/4 W-motstånd det?

P = U² / R = 5² / 220 = 25 / 220 = 0,114 W. Det är under 0,25 W, alltså ja – men det är nästan halva märkeffekten, och motståndet kommer att kännas varmt. Fungerar, men utan mycket marginal.

Vanliga fel

Motståndet glöms bort och lysdioden lyser ändå. Den lyser tills den slocknar för gott. Utan begränsning bestäms strömmen bara av lysdiodens eget lilla motstånd, och den blir för hög. Att den lyste i tio sekunder betyder inte att kopplingen var rätt.
Räknar med 5 V över motståndet. Lysdiodens framspänning ska dras bort först. Annars blir motståndet för stort och lysdioden svag: 5,0 / 0,020 ger 250 Ω i stället för 150 Ω, och strömmen landar på 3,0 / 250 = 12 mA.
Blandar ihop mA och A. 20 mA är 0,020 A. Räknar du med 20 får du ett motstånd på 0,15 Ω. Det värdet finns inte i din låda, och det är ledtråden om att något gått fel.
Byter lysdiodens färg utan att räkna om. Motståndet som var rätt för röd är för stort för blå. Lampan lyser svagt, du tror att den är trasig, och byter komponent i stället för att räkna.
Väljer närmaste E12-värde nedåt. Det ger högre ström än beräknat. Blir det 25 mA där 20 mA var taket syns ingenting genast, men komponenten åldras snabbare. Vid osäkerhet: uppåt.
Tittar bara på resistansen, inte på effekten. Ett motstånd har två märkdata, och den ena står inte på kroppen. Rätt värde i fel storlek blir varmt, missfärgas och driver iväg i resistans innan det går sönder helt.
Lysdioden vänd åt fel håll. Den lyser inte alls, och det ser precis ut som en trasig komponent eller ett brutet motstånd. Långa benet är plus, och den plattade kanten på kapseln är minus. Vänd den innan du börjar mäta.

Vidare

Ingen kod ännu. Nästa guide är kopplingsschema, där samma krets ritas med symboler i stället för ord, och därefter bygger du bygge 0. Uträkningen ovan är den du ska redovisa där.