Закон Ома для ардуинщика: считаем ток схемы

Ночник на фоторезисторе был моей первой схемой, которую я собирал по чувству, а не по расчёту. Светодиод еле тлел. Я поменял светодиод — потемнел так же. Поменял резистор — снова тлел. Переписал порог в скетче трижды — без толку, и я уже грешил на плату. Виновником оказался резистор 4,7 кОм: я брал его «как подтяжку», по привычке, и через цепь шёл ток 3 В / 4700 Ом ≈ 0,64 мА — в двадцать раз меньше тех самых 13,6 мА, на которые рассчитан светодиод с резистором 220 Ом. Одна строка арифметики ответила бы за полчаса тыканья.

Вторая история была про противоположную крайность. К шестому светодиоду в макетке я прицепил зуммер, RGB и реле-модуль — и при работе через дешёвый USB-хаб плата начала самопроизвольно перезагружаться: стабилизатор и порт не вытягивали суммарный аппетит. Схема собрана без ошибок, скетч правильный — не хватало ватт. Обе беды лечатся тремя строками формул, которые знают все и которыми почти не пользуются новички.

Здесь закон Ома превращается из школьного воспоминания в инструмент. Три формулы — по одной задаче каждой: сколько току идёт, сколько напряжения упадёт, какой резистор поставить. Дальше — бюджет: таблица типовых токов всего, что втыкается в макетку, и правило суммы для порта USB. Финал — скетч-аудит, который печатает расход вашей схемы и запас до лимита, и симулятор, прогоняющий формулы по реальным номиналам.

Первая формула отвечает «сколько»: I = U / R. Пять вольт на резисторе 250 Ом — ток 5 / 250 = 0,02 А, двадцать миллиампер. Те же пять вольт на 4700 Ом — 1,06 мА, тот самый тусклый ночник. Формулой пользуются как прикидкой до сборки: прикинул ток — понял, светит ли светодиод и не греется ли бочонок. Вторая формула отвечает «сколько упадёт»: U = I × R. В цепи светодиода при 13,6 мА на резисторе 220 Ом падает 3 В — остаток от пяти, остальное съел кристалл. Тем же счётом на плохой перемычке в 0,1 Ом при токе полампера падает 50 мВ — незаметно для логики, но греется она ощутимо, о чём мы говорили в уроке про провода.

Третья формула отвечает «что поставить»: R = U / I. Хотите 10 мА от остатка в 3 В — считаете 3 / 0,01 = 300 Ом и берёте ближайший из ряда вверх, 330. Именно ею я пользуюсь чаще всех остальных: она переводит желание («хочу такой-то ток») в деталь с конкретными полосками. Полный проход по трём формулам занимает меньше минуты: U/R — ток, I×R — проверка падения, U/I — номинал.

К трём формулам добавляется четвёртая — мощность P = U × I, она же I²R: это про то, сколько тепла выделится на резисторе, и подробный разбор с пределами бочонка 0,25 Вт живёт в предыдущем уроке про подбор номинала. Здесь достаточно прикинуть на нашем эталоне: 5 В × 20 мА = 100 мВт на резисторе 250 Ом — тёплый, но с трёхкратным запасом до паспорта.

Бюджет считается как кошелёк на месяц: сначала обязательные расходы, потом хотелки. Урок Uno от USB стабильно ест около 50 мА — плата работает, даже если к пинам не подключено ничего. Каждый светодиод с резистором — ещё 10–15 мА, зуммер на пьезоэлементе — единицы миллиампер, катушка реле-модуля — 70–90 мА в момент, когда она притянута. Складываем типовой день моей перегруженной макетки: 50 + 6 × 15 + 5 + 80 = 225 мА от пятисот доступных — запас больше двух раз, и всё хорошо. Добавляю серву с пиком 650 мА — и никакого порта не хватит, потому что пик сервы съедает весь бюджет один.

Отсюда два правила из той перезагружающейся сборки. Первое: серва, мотор и всё с пиком выше сотни миллиампер питается от отдельного источника, а не от пина и не от шины макетки, — общий с платой у них только GND. Второе: в бюджет записывают и средний ток, и пик, и сверяют каждый со своим лимитом. Перезагрузки от хаба были именно просадкой: в момент щелчка реле напряжение на 5 В проваливалось, и сбрасывался уже сам микроконтроллер.

Числа из таблицы — с условиями, как любые числа: светодиод берёт 15 мА только при резисторе, посчитанном под 15; скетч с analogWrite 128 режет средний ток примерно вдвое; а «40 мА на пин» — это предел выносливости, не рабочий режим, о чём ниже.

Скетч печатает три пары: rashod=225 limit=500 zapas=275 и вердикт. Константы сверху — это ваша схема: поменяйте число светодиодов и перезалейте, и аудит пересчитается. Вердикт устроен по правилу из главы про бюджет: запас меньше двух раз — предупреждение, потому что на пиках (реле щёлкнуло, серва дёрнулась) просадка уходит в перезагрузку. Точно такую же проверку я делаю руками перед каждой сборкой «а ещё добавим», просто теперь она печатается сама.

Симулятор ниже прогоняет сами формулы по трём реальным номиналам: 250, 1000 и 4700 Ом при 5 В. Смотрите на строку с 250 Ом — там i=20.00: эталонный ток светодиода; строка с 4700 — те самые 1,06 мА тусклого ночника из начала урока.

Вывод симулятора — это готовая шпаргалка на три случая жизни: 250 Ом — рабочий ток индикатора, 1 кОм — экономная индикация с током 5 мА, 4,7 кОм — сигнальный уровень, где светодиоду уже не жить, зато подтяжкам и делителям самое место. При 3,3 В те же резисторы дают примерно 13, 3 и 0,7 мА — на 3,3-вольтовых платах тот же бочонок светит тусклее, и это не дефект, а арифметика. Подставить эти номиналы в живую цепь проще всего на самой первой мигалке: разница между 220 и 4700 Ом там видна невооружённым глазом.

Формулы из этого урока понадобятся в каждом следующем: в делителе напряжения они считают выход, в силовых схемах — выбрать ключ вместо прямого подключения нагрузки. Возьмите за привычку одну минуту с калькулятором перед сборкой — и истории про тлеющий ночник и перезагружающийся хаб останутся чужими.