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  • Committer: Tim Marston
  • Date: 2012-05-17 22:49:11 UTC
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electronics-information
 
1
Why can't I use a potentiometer to get a different voltage?
 
2
===========================================================
 
3
 
 
4
Suppose that you have 12V and you need 6V.  Why can't you use an
 
5
arrangement like this to get your 6Vs?
 
6
 
 
7
    +12V -------+---------
 
8
                |
 
9
               |¯|
 
10
               |_| R
 
11
                |
 
12
                +--------o  6V, yes?
 
13
                |
 
14
               |¯|
 
15
               |_| R
 
16
                |
 
17
     GND -------+---------
 
18
 
 
19
You *do* get 6V, but it isn't actually practical to do this.  The
 
20
problem is that, when R is suitably high, you've limited the current
 
21
at the 6V pin so much that it isn't really useful.
 
22
 
 
23
And when R is suitably low, there isn't enough resistance between the
 
24
+12V and GND rails to prevent a lot of current flowing.  Lets work
 
25
this out (lets suppose that R is 1 ohm).
 
26
 
 
27
        V = IR, therefore I = V/R
 
28
        P = VI = V(V/R) = (V^2)/R = ( 12 ^ 2 ) / 1 = 144W
 
29
        P = VI, therefore I = P/V = 144/12 = 12A
 
30
 
 
31
That's a lot of current and a lot of power, flowing continuously, just
 
32
to provide 6V!
 
33
 
 
34
Also, fluctuations in resistance and current drawn on the 6V pin would
 
35
actually change the ratio of the potentiometer, so you wouldn't get 6V
 
36
anyway.
 
37
 
 
38
The solution is to use a voltage regulator.  The 7805 will give out 5V
 
39
(so long as you can supply it with at least 7V).  But the arduinos
 
40
already have something similar on-board and they can take an input
 
41
voltage in the range 6-20V (although 7-12V is recommended).
 
42
 
 
43
 
 
44
Wiring up multiple LEDs in series to a single Arduino pin
 
45
=========================================================
 
46
 
 
47
First, lets think about a single LED.
 
48
 
 
49
             |
 
50
    Arduino  |     ___      ,,
 
51
            o-----|___|-----►|---- GND
 
52
             |      R       D
 
53
             |
 
54
 
 
55
The Arduino pin, when raised high, is at 5V and no more than 20mA can
 
56
be taken from it.  The LED will take about 10mA and wants about 1.5V.
 
57
 
 
58
You can think of this as a potentiometer arrangement, with the
 
59
resistance of R and D proportionally splitting the voltage between the
 
60
two components.  We want 1.5V across the LED, so we need 3.5V (that's
 
61
5 - 1.5) across the resistor.  Now, we don't know the resistance of
 
62
the LED, but we don't need to.  If we know that we want 10mA through
 
63
the whole series (the resistor and the diode), then we can use V=IR as
 
64
follows...
 
65
 
 
66
    V=IR, therefore R=V/I
 
67
    R = 3.5 / .01 = 350Ω
 
68
 
 
69
Which is why the standard resistor you'd use with one LED is orange,
 
70
orange, brown (actually, 340 ohms).
 
71
 
 
72
Now lets consider more than one LED in series.
 
73
 
 
74
             |
 
75
    Arduino  |     ___      ,,     ,,
 
76
            o-----|___|-----►|-----►|---- GND
 
77
             |      R       D1     D2
 
78
             |
 
79
 
 
80
Ok, so now you still need 10mA through the whole series, but you want
 
81
1.5V across the first diode and 1.5V across the second as well.  That
 
82
leaves 2V across R, the resistor (5 - 1.5 - 1.5).
 
83
 
 
84
    R = V/I = 2 / .01 = 200Ω
 
85
 
 
86
You can see that beyond three or perhaps, at a push, four LEDs you're
 
87
not going to get the required 1.5V across each LED. So three (or four)
 
88
is the limit to how many LEDs you can drive in series from one pin on
 
89
the Arduino.
 
90
 
 
91
 
 
92
Wiring up multiple LEDs in parallel to a single Arduino pin
 
93
===========================================================
 
94
 
 
95
Imagine we have this
 
96
 
 
97
             |
 
98
    Arduino  |     ___        ,,
 
99
            o-----|___|---+---►|---.
 
100
             |       R    |   D1   |
 
101
             |            |        |
 
102
             |            |   ,,   |
 
103
             |            '---►|---+--- GND
 
104
             |                D2
 
105
 
 
106
This wouldn't work. We can't use one resistor in series with the two
 
107
LEDs because the resistance of the two LEDs wont actually be exactly
 
108
the same.  You'll end up running one brighter than the other and burn
 
109
one out quicker.
 
110
 
 
111
So, imagine we have this instead
 
112
 
 
113
             |
 
114
    Arduino  |        ___     ,,
 
115
            o----+---|___|----►|---.
 
116
             |   |     R1     D1   |
 
117
             |   |                 |
 
118
             |   |    ___     ,,   |
 
119
             |   '---|___|----►|---+--- GND
 
120
             |         R2     D2
 
121
 
 
122
This is OK.  R1 and R2 are just the usual 340 ohms.  But we have to
 
123
bare in mind that each LED requires 10mA.  So the total current drawn
 
124
from the Arduino pin will be 20mA, which is the most you're allowed to
 
125
draw.  So two LEDs is the most that we can drive, in parallel, directly
 
126
from a pin.
 
127
 
 
128
 
 
129
Using a transistor to drive multiple LEDs
 
130
=========================================
 
131
 
 
132
In both of the following diagrams, the resistor on the Arduino pin,
 
133
R1, just needs to be something suitably high to provide a small
 
134
current on the base of the transistor. So, R1 could be 1kΩ.
 
135
 
 
136
Here's an "in series" set up
 
137
 
 
138
                           .----- 12V
 
139
                           |
 
140
                          |¯|
 
141
                          |_| R2
 
142
                           |
 
143
                           |
 
144
                           ▼  D1
 
145
                           ¯``
 
146
                           |
 
147
                           |
 
148
             |             ▼  D2
 
149
             |             ¯``
 
150
             |             |
 
151
             |             |
 
152
             |             ▼  D3
 
153
             |             ¯``
 
154
             |             |
 
155
    Arduino  |    ___    ,-|
 
156
            o----|___|--(|↘ ) T
 
157
             |     R1    `-|
 
158
             |             |
 
159
             |             '----- GND
 
160
 
 
161
This is fine. D1, D2 and D3 will require a total of 4.5V across them
 
162
(1.5V each), leaving plenty of headroom (you've got 12V to play with).
 
163
R2 would be
 
164
 
 
165
    R2 = V/I = ( 12 - 1.5 - 1.5 - 1.5 ) / 0.01 = 750Ω
 
166
 
 
167
So the limit here is about 8 LEDs.
 
168
 
 
169
Something else to consider here is that the transistor actually also
 
170
requires 0.7V across it.  So in that calculation, the desired voltage
 
171
across R2 should actually be 12 - 1.5 - 1.5 - 1.5 - 0.7, but we can
 
172
safely ignore it in this example.
 
173
 
 
174
Here's an "in parallel" set up
 
175
 
 
176
                           .-------+-------+----- 12V
 
177
                           |       |       |
 
178
                          |¯|     |¯|     |¯|
 
179
                          |_| R3  |_| R4  |_| R5
 
180
             |             |       |       |  
 
181
             |             |       |       |
 
182
             |             ▼  D1   ▼  D2   ▼  D3
 
183
             |             ¯``     ¯``     ¯``
 
184
             |             |       |       |
 
185
             |             +-------+-------'
 
186
             |             |
 
187
    Arduino  |    ___    ,-|
 
188
            o----|___|--(|↘ ) T
 
189
             |     R1    `-|
 
190
             |             |
 
191
             |             '----- GND
 
192
 
 
193
Here, R3 = R4 = R5 = 340Ω, as usual.  The number of LEDs is limited
 
194
only by the current that can be drawn from the power supply.
 
195
 
 
196
 
 
197
RC CIRCUITS
 
198
===========
 
199
 
 
200
An RC (resistor capacitor) circuit is a basic low-pass filter. Here
 
201
we're talking about giving it a pulse wave signal (a voltage that
 
202
oscillates between 0V and approx. 5V).
 
203
              ___
 
204
    Vin o----[___]----+-----o Vc
 
205
                R     |
 
206
                      |
 
207
                     ===
 
208
                      | C
 
209
                      |
 
210
     0V o-------------+-----o
 
211
 
 
212
If the resistor weren't there, the capacitor on it's own would act
 
213
like an open circuit to a pulse wave (or to an AC power supply). This
 
214
is because the capacitor would charge to the voltage supplied across
 
215
it and discharge almost immediately. The purpose of the resistor is to
 
216
limit the current that is available to charge the capacitor, so it
 
217
charges slowly and it takes some time before Vc becomes almost equal
 
218
to Vin.
 
219
 
 
220
With a pulse wave on Vin, Vc would look something like this:
 
221
 
 
222
    5V
 
223
             _           _           _           _
 
224
          ,'' \       ,'' \       ,'' \       ,''
 
225
         /     \     /     \     /     \     /
 
226
    0V  /       ',,_/       ',,_/       ',,_/
 
227
 
 
228
If you were to draw the tangent to the curve at time=0 (so, the
 
229
initial rate of change of charging), and you note the time that this
 
230
line crossed 5V, then this time is T. That is to say, time T is the
 
231
time it would take the capacitor to charge to the target voltage if it
 
232
charged constantly at the rate it actually initially charges at. Then
 
233
this equation applies
 
234
 
 
235
    T = RC
 
236
 
 
237
 
 
238
TRANSISTORS
 
239
===========
 
240
 
 
241
When using an NPN transistor as a switch, a typical set up might look
 
242
something like this:
 
243
 
 
244
    o--------------+---- 5V
 
245
                   |
 
246
                   []
 
247
                  (  )  some load
 
248
                   []
 
249
                   |
 
250
         ___     ,-|c
 
251
    o---[___]--b(|↘ ) T (NPN)
 
252
          R      `-|e
 
253
                   |
 
254
               ----+---- GND
 
255
 
 
256
You would typically connect the pin to 5V to turn on the transistor.
 
257
The current between the emitter and base turns on a larger current
 
258
between the emitter and collector.  The resistor, R, limits the
 
259
turn-on current and prevents a short (effectively) across the
 
260
transistor (and whatever the pin is connected to, such as an
 
261
Arduino!).
 
262
 
 
263
PNP transistors were used in the days when a -5V rail was typical
 
264
instead of a 5V rail.  In this case, a typical set up would be exactly
 
265
the same as above, but with -5V used for the top rail and a PNP
 
266
transistor.  The thing to note here is that the direction of the
 
267
current would also have changed. Now imagine flipping this diagram
 
268
up-side-down and offsetting both rails by +5V (so that -5V becomes GND
 
269
and GND becomes 5V, respectively).  Then you'd have this set up, which
 
270
is a modern-day typical usage scenario for a PNP transistor.
 
271
 
 
272
               ----+---- 5V
 
273
                   |
 
274
         ___     ,-|e
 
275
    o---[___]--b(|↙ ) T (PNP)
 
276
          R      `-|c
 
277
                   |
 
278
                   []
 
279
                  (  )  some load
 
280
                   []
 
281
                   |
 
282
    o--------------+---- GND
 
283
 
 
284
In this set up, as before, a current is required between the base and
 
285
emitter to turn on a larger current between the collector and emitter.
 
286
But the difference this time is that the pin must be connected to
 
287
ground to achieve this.
 
288
 
 
289
 
 
290
CAPACITORS
 
291
==========
 
292
 
 
293
Two capacitors in parallel are equivalent to one capacitor whose
 
294
value is the sum of the two.
 
295
 
 
296
 
 
297
COMMON PARTS LIST AND USEFUL VALUES
 
298
===================================
 
299
 
 
300
NPN transistors
 
301
        BC548/BC547, 5V switch
 
302
 
 
303
PNP transistors
 
304
        BC327/BC328, -5V switch
 
305
 
 
306
LEDs
 
307
        ~1.5V, ~10mA
 
308
        With 5V across them, a 560Ω resistor is required.
 
309
 
 
310
DIODE
 
311
        1N4001
 
312
 
 
313
Electrolytic Capacitor (Radial, 4700uF 16V)
 
314
        Maplin part no. VH57M
 
315
 
 
316
Arduino-powerable relay (DPDT, gold contacts, 5V, 27mA)
 
317
        Maplin part no. N05AW