ตัวไดโอดเปล่งแสงหรือ LED เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เจอบ่อยมากในอุปกรณ์ต่างๆ เลย มันมีหลายประเภท แต่ละแบบก็มีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น แรงดันคร่อม (Forward Voltage) และกระแสสูงสุด (Maximum Current) ส่วนใหญ่แล้วเราต้องต่อมันเข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันที่สูงกว่า เลยต้องมีตัวต้านทาน (Resistor) ต่ออนุกรมเข้าไปด้วย

อุปกรณ์ที่เราจะพูดถึงในคลิปนี้คือเครื่องมือเจ๋งๆ เอาไว้ทดสอบและหาค่าคุณสมบัติของ LED พร้อมทั้งคำนวณค่าตัวต้านทานที่ต้องใช้ตามแรงดันที่เราจะเอาไปต่อด้วย

ไอเดียโปรเจคนี้เอามาจากโมเดลของ Dave Cook จากนั้นเอามาปรับใช้กับ Arduino จาก Jaycar Electronics แล้วพี่ก็ปรับโค้ดนิดหน่อย โดยใช้จอ LCD แบบ I2C และปุ่มกดเฉพาะ แทนที่จะใช้ LCD Keypad Shield

ฟิสิกส์ของไดโอด และหลักการทำงานของเครื่องทดสอบ

LED สีต่างกันต้องการแรงดันต่างกันนะตัวน้อง LED สีแดงต้องการประมาณ 2V ส่วนสีน้ำเงินต้องการประมาณ 3.3V เครื่องทดสอบ LED & เครื่องคิดเลขค่าตัวต้านทาน นี้คือเครื่องมือ DIY ในแล็บที่ช่วยแก้ปัญหานี้ได้ชะงัดนัก มันจะทำให้ LED ที่เราไม่รู้สเปคสว่างขึ้นอย่างปลอดภัย และบอกค่าแรงดันคร่อม (Forward Voltage Drop) ที่แท้จริงของมันมาให้

หัวใจของการทดสอบคือการใช้ ไดรฟ์แบบกระแสคงที่ (Constant Current Drive) แทนที่จะใช้ตัวต้านทานค่าตายตัวที่อาจปล่อยกระแสมากเกินไปสำหรับ LED บางตัว วงจรนี้จะจ่ายกระแสที่แม่นยำและปลอดภัย (เช่น 20mA) ให้ มันรับประกันว่า LED ตัวไหนก็จะติดสว่างโดยไม่พัง ไม่ว่าจะสีอะไร

เมื่อ LED สว่างปลอดภัยแล้ว Arduino ก็จะใช้ฟังก์ชัน analogRead() วัดแรงดันคร่อมที่ขาของ LED เพื่อคำนวณหา แรงดันคร่อม ($V_f$) ที่แท้จริงของไดโอดตัวนั้น

การคำนวณค่าตัวต้านทาน

หลังจากได้ค่า $V_f$ แล้ว Arduino ก็จะคำนวณค่าที่จำเป็นให้เราด้วยกฎของโอห์ม: $R = \frac{(แรงดันแหล่งจ่าย - แรงดัน LED)}{กระแส}$

แล้วมันก็จะแสดงผลลัพธ์ออกมาบนหน้าจอ LCD เช่น "เจอ LED สีน้ำเงิน Vf: 3.2V แนะนำให้ใช้ตัวต้านทาน 100 โอห์ม สำหรับวงจร 5V"

อุปกรณ์นี้สร้างง่ายมาก ประกอบด้วยชิ้นส่วนไม่กี่อย่าง:

- Arduino Nano

- จอ LCD 16x2 พร้อมโปรโตคอลสื่อสาร I2C

- ตัวต้านทาน 7 ตัว

- ตัวเก็บประจุ (Capacitor)

- และปุ่มกด 4 ปุ่ม

ถ้าน้องอยากทำ PCB สำหรับโปรเจคนี้ หรือโปรเจคอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ การสั่งทำ PCB จากผู้ผลิตมืออาชีพก็เป็นตัวเลือกที่ดีเลย

มาดูกันว่าเครื่องทดสอบนี้ทำงานยังไงในสถานการณ์จริง เมื่อเปิดเครื่อง หน้าจอจะแสดงค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้าสำหรับกระแสและแรงดันที่จะใช้กับ LED นั่นคือกระแส 10mA และแรงดัน 14V ถ้ายังไม่ได้ต่อ LED มันจะไม่แสดงค่าตัวต้านทาน และค่ากระแสจะกระพริบ

ปุ่มด้านบนใช้สำหรับตั้งค่ากระแสที่จะไหลผ่าน LED ได้ในช่วง 1 ถึง 20mA นี่คือค่าที่ส่วนใหญ่ไม่ทำให้ LED เสียหาย ปุ่มด้านล่างใช้ตั้งค่าแรงดันที่เราจะเอา LED ไปต่อผ่านตัวต้านทานอนุกรมในวงจรจริง แรงดันนี้ตั้งได้ตั้งแต่ 1 ถึง 99 V จากนั้นหน้าจอจะแสดงค่าตัวต้านทานที่ต้องการ ตามแรงดันและกระแสที่เลือกไว้ และที่มุมขวาล่างของหน้าจอยังแสดงรหัสตัวต้านทานที่เราสามารถหาซื้อได้ที่ร้าน Jaycar Electronic อีกด้วย ถ้าตัวต้านทานนั้นจะต้องทนกำลังเกินครึ่งวัตต์ ตัวอักษร P จะกระพริบบนบรรทัดบนเพื่อบอกให้รู้ว่าอาจต้องเลือกตัวต้านทานที่ทนกำลังสูงกว่า ถ้าเผลอต่อไดโอดกลับขั้ว ไดโอดจะไม่เสีย แต่มันก็จะไม่สว่างแค่นั้นเอง

สรุปสั้นๆ เลยนะ เครื่องมือที่นำเสนอในโปรเจคนี้สร้างง่ายมาก แต่เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์จริงๆ ในแล็บ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะทุกวันนี้เราใช้ LED หลากหลายประเภทมาก ตัวเครื่องถูกบรรจุลงในกล่องที่ทำจากวัสดุ PVC และปิดผิวด้วยวอลเปเปอร์สีแบบติดเอง