Bạn đã nghe nói đến bảng mạch thử nghiệm (breadboard) chưa? Chắc chắn là bạn đã nghe, nhưng một số bạn chưa biết nhiều về những gì mà miếng ghép nhỏ này có thể làm được. Chúng ta sẽ bắt đầu với một số kiến ​​thức cơ bản về bảng mạch thử nghiệm trước khi bắt đầu thực hiện các dự án. Bảng mạch thử nghiệm là một trong những thành phần cơ bản khi bạn bắt đầu học cách lắp ráp mạch điện. Bảng mạch thử nghiệm là nền tảng được ưa chuộng để bắt đầu lắp ráp mạch điện vì nó không cần hàn, do đó mang lại cho bạn sự linh hoạt để thử nghiệm, kiểm tra và sửa đổi mạch điện của mình bất cứ lúc nào. Chúng cho phép bạn tạo mạch nhanh, thử nghiệm các ý tưởng và cho phép tạo mẫu trước khi tạo ra một bảng mạch in vĩnh viễn. Chúng không đắt tiền và có thể tái sử dụng, đồng thời dễ dàng tìm thấy ở bất kỳ cửa hàng điện tử nào.

Bảng mạch thử nghiệm (breadboard) thực chất là một đế nhựa có nhiều lỗ, nơi bạn có thể lắp linh kiện và dây điện vào để tạo mạch. Bạn không thể nhìn thấy bên trong bảng mạch thử nghiệm, nhưng bên trong nó chỉ là nhiều dải kim loại nối các hàng và cột lại với nhau. Những dải kim loại này có độ đàn hồi, vì vậy khi bạn cắm dây điện hoặc linh kiện vào lỗ, các kẹp sẽ bám chặt vào chúng.

Bảng mạch thử nghiệm (breadboard) được sử dụng cho cả mạch đơn giản nhất lẫn mạch phức tạp. Trong trường hợp một bảng mạch thử nghiệm không thể chứa hết mạch của bạn, bạn có thể ghép nhiều bảng mạch thử nghiệm lại với nhau để tạo thành một đế bảng mạch thử nghiệm lớn. Bạn có thể sử dụng bảng mạch thử nghiệm để kiểm tra và tìm hiểu hoạt động của các mạch tích hợp (IC).

Nếu bạn tham khảo mô tả trong hình trên, bạn có thể thấy cách các đường ray được kết nối bên trong bảng mạch. Tham khảo các đường Vcc và Gnd trong hình trên, bạn có thể thấy hai đường này chạy quanh viền, do đó cho phép chúng ta sử dụng các đường này để phân phối nguồn điện, nhưng có một điểm gián đoạn giữa các đường Vcc và Gnd như được hiển thị ở trên (được đề cập là "Không được kết nối"), bạn cần kết nối chúng bằng jumper để phân phối nguồn điện. Các lỗ ở giữa được kết nối theo cột như trong hình và có một khoảng trống giữa các cột tương ứng, cho phép chúng ta lắp IC vào khoảng trống. Để làm rõ hơn, chúng tôi đã thêm hình ảnh tháo rời của bảng mạch, hãy tham khảo sơ đồ tiếp theo để hiểu rõ hơn về các kết nối bên trong.

Hình ảnh hiển thị ở trên là một bảng mạch thí nghiệm cỡ một nửa, do đó đừng nhầm lẫn khi so sánh với các hình ảnh trước đó. Hy vọng mọi thứ đã rõ ràng đến thời điểm này và bạn đã hiểu rõ về bảng mạch thí nghiệm. Bây giờ chúng ta sẽ đi sâu hơn và xem cách bắt đầu xây dựng các mạch cơ bản trên bảng mạch thí nghiệm này. Chúng ta sẽ bắt đầu với mạch LED, mạch phổ biến trong tất cả các thiết bị, chúng ta sẽ xây dựng một mạch cho đèn LED báo nguồn, tức là bất cứ khi nào có nguồn điện trong mạch, đèn LED này sẽ báo cho chúng ta biết.

Nếu bạn để ý hình ảnh trên, bạn sẽ thấy chân LED được đề cập với Anode và Cathode. Để hiểu cách phân biệt chân Anode và Cathode, chúng tôi đã cung cấp gợi ý trong hình ảnh, chỉ có một vết cắt (có nghĩa là LED không hoàn toàn tròn từ phía dưới) cho biết chân bên dưới là chân Cathode (-ve) và nếu chúng ta nhìn vào kích thước của các chân, chân Anode (+ve) dài hơn một chút. Tuy nhiên, hầu hết thời gian bạn phải cắt bớt chân LED khi sử dụng LED trong bất kỳ mạch nào, do đó chân Anode và Cathode không thể phân biệt được về kích thước chân.

Tầm quan trọng của chân anode và cathode trong đèn LED là đèn LED chỉ sáng khi bạn cấp nguồn dương cho chân anode và nguồn âm cho chân cathode. Tuy nhiên, bạn không thể cấp nguồn ngay cho đèn LED vì có khả năng dòng điện sẽ chạy qua đèn LED nhiều hơn và điều này sẽ làm hỏng đèn LED. Để tránh tình trạng này, chúng tôi khuyến nghị nên sử dụng điện trở cùng với đèn LED.

Mạch sẽ tương tự như hình trên. Tuy nhiên, việc sử dụng đúng giá trị điện trở trong mạch để hạn chế dòng điện là rất quan trọng. Chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn cách chọn đúng giá trị điện trở cho từng mạch. Để làm được điều này, bạn cần hiểu hai thông số cần thiết của đèn LED, đó là Dòng điện LED và Điện áp thuận LED . Vui lòng tham khảo phần bên dưới để biết mô tả chi tiết:‍

Dòng điện LED:

Bắt đầu từ trên xuống dưới, điều đầu tiên chúng ta thấy là bảng định mức tối đa tuyệt đối này:

Vậy nên, hàng đầu tiên trong bảng cho biết mức dòng điện mà đèn LED của bạn có thể chịu được liên tục. Trong trường hợp này, bạn có thể cho nó 20mA hoặc thấp hơn, và nó sẽ sáng nhất ở mức 20mA . Hàng thứ hai cho chúng ta biết dòng điện cực đại tối đa nên là bao nhiêu cho các xung ngắn. Đèn LED này có thể chịu được các xung ngắn lên đến 30mA, nhưng bạn không nên duy trì dòng điện đó quá lâu. Bảng dữ liệu này thậm chí còn hữu ích khi đề xuất phạm vi dòng điện ổn định (ở hàng thứ ba từ trên xuống) là 16-18mA. Đây là một con số mục tiêu tốt để giúp bạn tính toán điện trở như chúng ta đã nói.

Một vài dòng sau đây ít quan trọng hơn đối với mục đích của hướng dẫn này. Điện áp ngược là một đặc tính của diode mà bạn không cần phải lo lắng trong hầu hết các trường hợp. Công suất tiêu tán là lượng công suất tính bằng miliwatt mà đèn LED có thể sử dụng trước khi bị hỏng. Điều này sẽ tự khắc ổn thỏa miễn là bạn giữ đèn LED trong phạm vi điện áp và dòng điện được khuyến nghị.

Điện áp thuận LED

Đây là một bảng nhỏ hữu ích! Hàng đầu tiên cho chúng ta biết điện áp rơi thuận trên LED sẽ là bao nhiêu. Điện áp rơi thuận là một thuật ngữ thường gặp khi làm việc với LED. Con số này sẽ giúp bạn quyết định mức điện áp mà mạch của bạn cần cung cấp cho LED. Bạn cần tuân theo công thức sau mỗi khi xây dựng mạch điện có LED, hãy tham khảo phần bên dưới:

Định luật Ohm cơ bản phát biểu rằng:

V = I x R hoặc R = V/I‍

Ở đâu,

• ‍V = Điện áp cung cấp
• I = Dòng điện chạy qua đèn LED
• R = Điện trở mạch

Như vậy, áp dụng định luật này cho mạch đèn LED, ta sẽ thu được công thức sau:Ở đâu,

Ở đâu,

• V_S  = Điện áp nguồn (thường là điện áp pin hoặc nguồn điện)
• V_F  = Điện áp thuận của đèn LED
• I_F  = Dòng điện mong muốn chạy qua nó.

Ví dụ, giả sử trong ví dụ này bạn có một pin 9V để cấp nguồn cho một đèn LED. Nếu đèn LED của bạn màu đỏ, điện áp thuận của nó có thể khoảng 1,8V. Nếu bạn muốn giới hạn dòng điện ở mức 10mA (hoặc 0,010A) thay vì giới hạn ở mức 20mA, hãy sử dụng điện trở nối tiếp có giá trị khoảng 720Ω.

Bây giờ, nếu chúng ta định xây dựng mạch chỉ báo nguồn điện cho hệ thống 5v, thì phép tính điện trở của chúng ta sẽ như sau:‍

• ‍R = (5-1,8)V ÷ 0,010A
• R = 3,2V ÷ 0,010 A
• R = 320 V/A
• R = 320 Ω
• R = 330Ω Xấp xỉ (Giá trị điện trở chuẩn gần nhất)‍

Do đó, nếu bạn để ý trong mạch điện được hiển thị ở trên, bạn sẽ thấy chúng ta đã sử dụng điện trở 330Ω, nhưng khoan đã, có thể bạn sẽ nhầm lẫn vì điện trở được hiển thị ở trên là 330Ω, một lần nữa, bạn cần phải theo dõi màu sắc của vòng tròn trên bề mặt điện trở. Tham khảo hình ảnh bên dưới để hiểu rõ hơn:

Nếu bạn để ý trong hình, cách tính giá trị 330Ω được ghi chép rất rõ ràng. Tham khảo công thức được hiển thị trên hình, công thức này sẽ giúp bạn tìm ra giá trị điện trở của điện trở. Bạn chỉ cần thay giá trị A, B, C và D vào công thức dựa trên vòng màu.

Trong trường hợp của chúng ta, màu của điện trở là cam, cam, nâu, vàng theo thứ tự, do đó, nếu chúng ta thay thế các giá trị tương ứng của màu trong công thức, bạn sẽ nhận được: 33 x 10, chính là 330 với dung sai 5%, dung sai sẽ cho bạn biết điện trở tốt như thế nào?

Trong trường hợp này, 5% có nghĩa là: Giá trị điện trở bị giới hạn trong phạm vi rộng [ 270 – (5% của 270) ]  và [ 270 + (5% của 270) ], điều này không tốt, phạm vi càng nhỏ thì điện trở càng gần với giá trị điện trở mong muốn.

Chúng ta hãy bắt đầu lắp ráp mạch vào bảng mạch, tham khảo hình ảnh bên dưới để hiểu rõ hơn:

Bây giờ, bạn có thể thấy cách chúng tôi sử dụng các cột mạch cắm thử nghiệm được nối tắt bên trong để kết nối chân anode của LED với điện trở, tương tự như vậy, chúng tôi đã sử dụng dây nối để kết nối chân catốt của LED và đầu còn lại của điện trở. Bây giờ, nếu bạn cấp nguồn cho mạch được hiển thị ở trên, tức là dây đỏ với nguồn 5V và dây đen với nguồn nối đất, bạn sẽ thấy đèn LED của bạn sáng an toàn.

Lưu ý: Chúng tôi đã kết nối nguồn 5V và GND từ bo mạch Arduino trong hình ảnh bên dưới, bạn có thể sử dụng Raspberry Pi hoặc bất kỳ bo mạch nào khác bạn có để cấp nguồn 5V và GND từ bo mạch.

Bây giờ, chúng tôi muốn bạn tự xây dựng một mạch với nhiều đèn LED nối tiếp, nhưng trước khi làm điều đó, chúng tôi muốn làm rõ một số điều cơ bản liên quan đến việc xây dựng các mạch như vậy. Khi bạn đã xem qua phần điện áp thuận của đèn LED ở trên, bạn đã thấy bảng điện áp thuận của đèn LED, bạn phải sử dụng giá trị đó để tìm ra lượng đèn LED bạn có thể sử dụng trong mạch của mình. Khi sử dụng nhiều đèn LED nối tiếp, hãy luôn nhớ rằng điện áp thuận của tất cả các đèn LED của bạn cộng lại không được vượt quá điện áp hệ thống của bạn. Điều này là do mọi thành phần trong mạch của bạn phải chia sẻ điện áp và lượng điện áp mà mọi bộ phận sử dụng cùng nhau sẽ luôn bằng lượng điện áp khả dụng. Đây được gọi là Định luật điện áp Kirchhoff . Vì vậy, nếu bạn có nguồn điện 9V và mỗi đèn LED của bạn có độ sụt điện áp thuận là 2,4V thì bạn không thể cấp nguồn cho nhiều hơn ba đèn cùng một lúc.

Định luật Kirchhoff cũng hữu ích khi bạn muốn ước lượng điện áp trên một linh kiện nhất định dựa trên điện áp thuận của các linh kiện khác. Ví dụ, trong ví dụ vừa đề cập, có một nguồn 9V và 3 đèn LED với độ sụt áp thuận 2,4V mỗi đèn. Tất nhiên chúng ta sẽ muốn thêm một điện trở giới hạn dòng điện, phải không? Làm thế nào để tìm ra điện áp trên điện trở đó? Rất dễ:‍

• ‍9 (Điện áp hệ thống) = 2,4 (LED 1) + 2,4 (LED 2) + 2,4 (LED 3) + Điện trở
• 9 = 7,2 + Điện trở
• Điện trở = 9 – 7,2
• Điện trở = 1,8‍

Vậy là có 1,8V trên điện trở! Đây là một ví dụ đơn giản và không phải lúc nào cũng dễ dàng, nhưng hy vọng điều này sẽ giúp bạn hiểu tại sao Sụt áp Thuận lại quan trọng. Sử dụng giá trị điện áp bạn thu được từ Định luật Kirchhoff, bạn cũng có thể thực hiện các thao tác như xác định dòng điện qua một linh kiện bằng Định luật Ohm. Tóm lại, bạn muốn điện áp hệ thống bằng với điện áp thuận dự kiến ​​của các linh kiện mạch kết hợp.