Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED — light emitting diode)— полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.

Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход.

Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Достоинства:

1. Светодиоды не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания, что обеспечивает высокую механическую прочность и надежность(ударная и вибрационная устойчивость)
2. Отсутствие разогрева и высоких напряжений гарантирует высокий уровень электро- и пожаробезопасности
3.

Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда требуется высокое быстродействие
4. Миниатюрность
5. Долгий срок службы (долговечность)
6. Высокий КПД,
7. Относительно низкие напряжения питания и потребляемые токи, низкое энергопотребление
8.

Большое количество различных цветов свечения, направленность излучения

  • 9. Регулируемая интенсивность
  • Недостатки:

1. Относительно высокая стоимость. Отношение деньги/люмен для обычной лампы накаливания по сравнению со светодиодами составляет примерно 100 раз
2. Малый световой поток от одного элемента
3. Деградация параметров светодиодов со временем

  1. 4. Повышенные требования к питающему источнику
  2. Внешний вид и основные параметры:
  3. У светодиодов есть несколько основных параметров:

1. Тип корпуса
2. Типовой (рабочий) ток
3. Падение (рабочее) напряжения
4. Цвет свечения (длина волны, нм)

5. Угол рассеивания

В основном, под типом корпуса понимают диаметр и цвет колбы (линзы). Как известно, светодиод — полупроводниковый прибор, который необходимо запитать током. Так ток, которым следует запитать тот или иной светодиод называется типовым. При этом на светодиоде падает определенное напряжение.

Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями. Важнейшими элементами, используемыми в светодиодах, являются: Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Фосфор (P), вызывающие свечение в диапазоне от красного до жёлтого цвета.

Индий (In), Галлий (Ga), Азот (N) используют для получения голубого и зелёного свечений. Кроме того, если к кристаллу, вызывающему голубое (синее) свечение, добавить люминофор, то получим белый цвет светодиода.

Угол излучения также определяется производственными характеристиками материалов, а также колбой (линзой) светодиода.

В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.

Схема включения и расчет необходимых параметров:

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод («минус»), а другой — анод («плюс»).

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Светодиод будет «гореть» только при прямом включении, как показано на рисунке

При обратном включении светодиод «гореть» не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода при малых допустимых значениях обратного напряжения.

Зависимости тока от напряжения при прямом (синяя кривая) и обратном (красная кривая) включениях показаны на следующем рисунке. Нетрудно определить, что каждому значению напряжения соответствует своя величина тока, протекающего через диод.

Чем выше напряжение, тем выше значение тока (и тем выше яркость). Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umaxобр (соответственно для прямого и обратного включений).

При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при котором наблюдается свечение светодиода.

Диапазон питающих напряжений между Umin и Umax называется «рабочей» зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

1. Имеется один светодиод, как его подключить правильно в самом простом случае?

Чтобы правильно подключить светодиод в самом простом случае, необходимо подключить его через токоограничивающий резистор.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Пример 1

Имеется светодиод с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА. Необходимо подключить его к источнику с напряжением 5 вольт.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Рассчитаем сопротивление токоограничивающего резистора

R = Uгасящее / Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – Uсветодиода
Uпитания = 5 В
Uсветодиода = 3 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А

R =(5-3)/0.02= 100 Ом = 0.1 кОм

То есть, надо взять резистор сопротивлением 100 Ом

P.S. Вы можете воспользоваться on-line калькулятором расчета резистора для светодиода

2. Как подключить несколько светодиодов?

Несколько светодиодов подключаем последовательно или параллельно, рассчитывая необходимые сопротивления.

Пример 1.

Имеются светодиоды с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА. Надо подключить 3 светодиода к источнику 15 вольт.

Производим расчет: 3 светодиода на 3 вольта = 9 вольт , то есть 15 вольтового источника достаточно для последовательного включения светодиодов

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Расчет аналогичен предыдущему примеру

R = Uгасящее / Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – N * Uсветодиода
Uпитания = 15 В
Uсветодиода = 3 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А

R = (15-3*3)/0.02 = 300 Ом = 0.3 кОм

  • Пример 2.
  • Пусть имеются светодиоды с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА. Надо подключить 4 светодиода к источнику 7 вольт

Производим расчет: 4 светодиода на 3 вольта = 12 вольт, значит нам не хватит напряжения для последовательного подключения светодиодов, поэтому будем подключать их последовательно-параллельно. Разделим их на две группы по 2 светодиода. Теперь надо сделать расчет токоограничивающих резисторов. Аналогично предыдущим пунктам делаем расчет токоограничительных резисторов для каждой ветви.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

R = Uгасящее/Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – N * Uсветодиода
Uпитания = 7 В
Uсветодиода = 3 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А

R = (7-2*3)/0.02 = 50 Ом = 0.05 кОм

  1. Так как светодиоды в ветвях имеют одинаковые параметры, то сопротивления в ветвях одинаковые.
  2. Пример 3.
  3. Если имеются светодиоды разных марок то комбинируем их таким образом, чтобы в каждой ветви были светодиоды только ОДНОГО типа (либо с одинаковым рабочим током). При этом необязательно соблюдать одинаковость напряжений, потому что мы для каждой ветви рассчитываем свое собственное сопротивление

Например имеются 5 разных светодиодов:
1-ый красный напряжение 3 вольта 20 мА
2-ой зеленый напряжение 2.5 вольта 20 мА
3-ий синий напряжение 3 вольта 50 мА
4-ый белый напряжение 2.7 вольта 50 мА

  • 5-ый желтый напряжение 3.5 вольта 30 мА
  • Так как разделяем светодиоды по группам по току
    1) 1-ый и 2-ой
    2) 3-ий и 4-ый
  • 3) 5-ый

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

рассчитываем для каждой ветви резисторы:
R = Uгасящее/Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – (UсветодиодаY + UсветодиодаX + …)
Uпитания = 7 В
Uсветодиода1 = 3 В
Uсветодиода2 = 2.5 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А

R1 = (7-(3+2.5))/0.02 = 75 Ом = 0.075 кОм

  1. аналогично
    R2 = 26 Ом
  2. R3 = 117 Ом
  3. Аналогично можно расположить любое количество светодиодов

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ!!!

При подсчете токоограничительного сопротивления получаются числовые значения которых нет в стандартном ряде сопротивлений, ПОЭТОМУ подбираем резистор с сопротивлением немного большим чем рассчитали.

3. Что будет если имеется напряжение источник с напряжением 3 вольта (и меньше) и светодиод с рабочим напряжением 3 вольта?

Допустимо (НО НЕЖЕЛАТЕЛЬНО) включать светодиод в цепь без токоограничительного сопротивления. Минусы очевидны – яркость зависит от напряжения питания. Лучше использовать dc-dc конвертеры (преобразователи повышающие напряжение).

4. Можно ли включать несколько светодиодов с одинаковым рабочим напряжением 3 вольта параллельно друг другу к источнику 3 вольта (и менее)? В «китайских» фонариках так ведь и сделано.

Опять, это допустимо в радиолюбительской практике. Минусы такого включения: так как светодиоды имеют определенный разброс по параметрам, то будет наблюдаться следующая картина, одни будут светится ярче, а другие тусклее, что не является эстетичным, что мы и наблюдаем в приведенных выше фонариках. Лучше использовать dc-dc конвертеры (преобразователи повышающие напряжение).

RGB-светодиоды

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Полноцветный светодиод или по другому RGB-светодиод — Red, Green, Blue. Смешивая эти три цвета в разной пропорции можно отобразить любой цвет. К примеру, если зажечь все три цвета на полную мощность (Red: 100%, Green: 100%, Blue: 100%), то получится свечение белого цвета. Если зажечь только два (Red: 100%, Green: 100%, Blue: 0%), то будет светиться желтый цвет.

Конструктивно, RGB-светодиод состоит из трех кристаллов под одним корпусом и имеет 4 вывода: один общий и три цветовых вывода.
RGB-светодиоды бывают:
1. С общим анодом (CA)
2. С общим катодом (CC)

3. Без общего анода или катода (6 выводов). Как правило в SMD-исполнении.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

  • Самый длинный вывод RGB-светодиода, обычно является общим (анодом или катодом).
  • При подключении данных светодиодов, следует учесть, что напряжение, подаваемое для свечения цвета может быть разным для разных цветов.
    К примеру, возьмем 5мм светодиод MCDL-5013RGB (I=20мА):
  • Ured = 2.0 Вольт

Ugreen = 3.5 Вольт
Ublue = 3.5 Вольт

  1. Также следует отметить то, что для некоторых типов RGB-светодиодов необходимо использовать рассеиватель, иначе будут видны составляющие цвета.
  2. ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ!

Представленные выше схемы не отличаются высокой точность рассчитанных параметров, это связано с тем, что при протекании тока через светодиод происходит выделение тепла в нем, что приводит к разогреву p-n перехода, наличие токоограничивающего сопротивления снижает этот эффект, но установление баланса происходит при немного повышенном токе через светодиод. Поэтому целесообразно для обеспечения стабильности применять стабилизаторы тока, а не стабилизаторы напряжения. При применении стабилизаторов тока, можно подключать только одну ветвь светодиодов.

Читайте также:  Как работает электрический генератор

Как восстановить светодиодную лампу за 2 минуты при минимальных навыках работы с паяльником и знаниях об электронике

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Исторически так сложилось, что в моем загородном доме все освещение сделано с помощью светодиодных ламп мощностью 10-11, а в последнее время и 12-13 вт с цоколем Е27. Лампы накаливания на площадь 200 м2 тратили бы слишком много электроэнергии, что не вписывалось бы в концепцию моего энергоэффективного дома с приличным утеплением, твердотопливным дровяным котлом, бесперебойником на автомобильных аккумуляторах и рекуператором. Люминесцентные «энергосберегайки» я невзлюбил с первого взгляда — они часто перегорают, не имеют той энергоэффективности что светодиодные, хрупкие, токсичные при случайном разбивании, мерцают и имеют неприятный спектр.

Покупать дорогие светодиодные лампы лучшего качества или подешевле с сомнительным качеством? Я решил что буду покупать дешевые, по цене до 120 рублей за штуку, что с учетом периодических скидок в сетевых магазинах типа Леруа Мерлен вполне реально, а при заявленном сроке службы и энергоэффективности выглядит неплохим выбором. За несколько лет чего я только не перепробовал — всякие Космос, Camelion, Фотон, Bellight, Эра, Wolta и т.п… Из последних покупок — 13 ваттные лампы Norma стандартного размера по приемлемой цене 100 с небольшим рублей.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Лампа действительно яркая, инструментальных замеров я не проводил, но визуально светит ярче чем 11 и 12 ваттки того же и аналогичных производителей.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

25000 часов работы? Ха-ха. Грубо говоря 3 года непрерывной работы? Ни одна лампа у меня столько не светила, перегорают раньше, как ни крути.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

3 года гарантии, но 27 лет работы при условии использования 2.5 часа в сутки? Ха-ха-ха. Больше похоже на 3 года работы при использовании 2.5 часа в сутки, если усреднить те сроки службы, на которых перегорали мои лампы, купленные до этого.

Итак, мы имеем достаточно большой ассортимент неплохих по соотношению цена-яркость недорогих светодиодных ламп среднего качества, которые, к сожалению, склонны внезапно перегорать задолго до заявленного конца срока службы. Почему бы не попробовать продлить их жизнь несложным ремонтом?

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Светодиодная лампа устроена довольно просто. Корпус, состоящий из цоколя, теплоотводящего радиатора в средней части и матового рассеивателя, драйвер (плата с микросхемой, диодным мостиком и несколькими конденсаторами) для обеспечения стабильных параметров питания светодиодов и плата со светодиодами.

Чтобы добраться до внутренностей лампы, нам нужно тонким ножом пройтись по щели между плафоном-рассеивателем и средней частью корпуса лампы, они соединены чем-то типа герметика, который легко разрезать и, поддев плафон кончиком ножа, вытащить его из защелок средней части корпуса. Обратная сборка лампы производится простым защелкиванием плафона на свое место, при необходимости промазав место контакта силиконовым герметиком.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Если хочется оценить состояние конденсаторов, трансформатора и микросхемы драйвера — аналогичным способом подрезаем и поддеваем плату со светодиодами и отделяем ее от средней части корпуса

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Причин, по которым светодиодная лампа может перестать гореть, может быть несколько.

Это может быть вспухание или короткое замыкание в одном из конденсаторов, перегорание микросхемы на драйвере, потеря контакта драйвера с цоколем (с удивлением обнаружил в лампочке Wolta драйвер не припаянный к цоколю, а опирающийся на него ножками-контактами). Наиболее частой причиной выхода лампочки из строя является перегорание одного из светодиодов на плате.

Ремонт в случае вспухания и выхода из строя конденсаторов, микросхемы, диодного мостика и т.п. я рассматривать не буду, т.к. данная статья посвящена простому двухминутному ремонту лампочки, доступному каждому, кто умеет держать в руках паяльник.

Ремонт, связанный с большими трудозатратами по выпаиванию, тестированию, покупке и замене радиодеталей, представляется мне нецелесообразным по соотношению потраченное время/сэкономленные деньги.

Светодиоды на плате соединены последовательно — по одному или блоками из 2-4 штук. В случае если в блоке один светодиод, как в лампочках стандартного типоразмера, при его перегорании размыкается вся цепь и остальные светодиоды перестают гореть т.к. через них перестает проходить электрический ток.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Перегоревший светодиод чаще всего можно определить визуально — он раскрошился или имеет черную точку или потемнение.

Итак, чтобы заставить светодиоды гореть, нам нужно восстановить цепь.

Можно пойти по сложному пути — заказать светодиоды такого же номинала по напряжению и силе тока, или использовать как донор одну из лампочек такого же типа — отпаять от нее светодиоды, припаять к ремонтируемой лампе взамен испорченного, но мы уже решили, что наш способ ремонта — для тех, кто не имеет особых навыков работы с мелкими радиодеталями и не сможет воспользоваться столом для нагрева или феном для выпаивания светодиодов с лампы-донора и тем более не сможет припаять микродеталь миллиметрового размера аккуратно на плату при том, что контакты находятся в труднодоступном месте.

Значит нам остается восстановить цепь закорачиванием испорченного светодиода. Выкрашиваем его отверткой, шилом или ножом, оголяем контакты, капаем на них флюсом — паяльной кислотой, канифолью и т.п. и наносим сверху капельку припоя, который соединит эти контакты и восстановит целостность цепи.

Выполнение этой процедуры займет не больше времени, чем прочитать ее описание.

Есть ли недостатки у данного метода? Очевидно, есть. Например, если у нас в цепи было 18 светодиодов напряжением 9 вольт (суммарное напряжение 162 вольта), то теперь в цепи у нас 17 светодиодов, и на каждый приходится уже не 9, а 9.53 вольта, что, конечно, заставит их гореть немного ярче, но и сократит срок их службы.

Тем не менее, если вы не эксперт в пайке и электронике и не сможете легко найти или выпаять из лампы-донора светодиод на замену сгоревшему, то и такой способ ремонта лампочки можно считать целесообразным, ведь альтернативой обычно является выбрасывание этой лампы. Не думаю что имеет большой смысл везти ее менять по гарантии, т.к. потраченное на это время вряд ли окупит стоимость лампы.

Видео с примером ремонта светодиодной лампочки Camelion:

Как подключить светодиод к батарейке: 1,5 и 3 Вольта, 9В Крона

Доступность и относительно невысокие цены на сверхъяркие светодиоды (LED) позволяют использовать их в различных любительских устройствах.

Начинающие радиолюбители, впервые применяющие LED в своих конструкциях, часто задаются вопросом, как подключить светодиод к батарейке? Прочтя этот материал, читатель узнает, как зажечь светодиод практически от любой батарейки, какие схемы подключения LED можно использовать в том или ином случае, как выполнить расчет элементов схемы.

К каким батарейкам можно подключать светодиод?

В принципе, просто зажечь светодиод, можно от любой батарейки. Разработанные радиолюбителями и профессионалами электронные схемы позволяют успешно справиться с этой задачей. Другое дело, сколько времени будет непрерывно работать схема с конкретным светодиодом (светодиодами) и конкретной батарейкой или батарейками.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Для оценки этого времени следует знать, что одной из основных характеристик любых батарей, будь то химический элемент или аккумулятор, является емкость. Емкость батареи – С выражается в ампер-часах.

Например, емкость распространенных пальчиковых батареек формата ААА, в зависимости от типа и производителя, может составлять от 0.5 до 2.5 ампер-часов. В свою очередь светоизлучающие диоды характеризуются рабочим током, который может составлять десятки и сотни миллиампер.

Таким образом, приблизительно рассчитать, на сколько хватит батареи, можно по формуле:

T= (C*Uбат)/(Uраб.led*Iраб.led)

В данной формуле в числителе стоит работа, которую может совершить батарея, а в знаменателе мощность, которую потребляет светоизлучающий диод. Формула не учитывает КПД конкретно схемы и того факта, что полностью использовать всю емкость батареи крайне проблематично.

При конструировании приборов с батарейным питанием обычно стараются, чтобы их ток потребления не превышал 10 – 30% емкости батареи. Руководствуясь этим соображением и приведенной выше формулой можно оценить сколько нужно батареек данной емкости для питания того или иного светодиода.

Как подключить от пальчиковой батарейки АА 1,5В

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

К сожалению, не существует простого способа запитать светодиод от одной пальчиковой батарейки. Дело в том, что рабочее напряжение светоизлучающих диодов обычно превышает 1.5 В. Для сверхьярких светодиодов эта величина лежит в диапазоне 3.2 – 3.4В. Поэтому для питания светодиода от одной батарейки потребуется собрать преобразователь напряжения. Ниже приведена схема простого преобразователя напряжения на двух транзисторах с помощью которого можно питать 1 – 2 сверхъярких LED с рабочим током 20 миллиампер.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Данный преобразователь представляет собой блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2, трансформаторе Т1 и резисторе R1. Блокинг-генератор вырабатывает импульсы напряжения, которые в несколько раз превышают напряжение источника питания. Диод VD1 выпрямляет эти импульсы. Дроссель L1, конденсаторы C2 и С3 являются элементами сглаживающего фильтра.

Читайте также:  Почему ржавеют металлы

Транзистор VT1, резистор R2 и стабилитрон VD2 являются элементами стабилизатора напряжения. Когда напряжение на конденсаторе С2 превысит 3.

3 В, стабилитрон открывается и на резисторе R2 создается падение напряжения. Одновременно откроется первый транзистор и запирет VT2, блокинг-генератор прекратит работу.

Тем самым достигается стабилизация выходного напряжения преобразователя на уровне 3.3 В.

В качестве VD1 лучше использовать диоды Шоттки, которые имеют малое падение напряжения в открытом состоянии.

Трансформатор Т1 можно намотать на кольце из феррита марки 2000НН. Диаметр кольца может быть 7 – 15 мм. В качестве сердечника можно использовать кольца от преобразователей энергосберегающих лампочек, катушек фильтров компьютерных блоков питания и т. д. Обмотки выполняют эмалированным проводом диаметром 0.3 мм по 25 витков каждая.

Данную схему можно безболезненно упростить, исключив элементы стабилизации. В принципе схема может обойтись и без дросселя и одного из конденсаторов С2 или С3 . Упрощенную схему может собрать своими руками даже начинающий радиолюбитель.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Cхема хороша еще тем, что будет непрерывно работать, пока напряжение источника питания не снизится до 0.8 В.

Как подключить от 3В батарейки

Подключить сверхъяркий светодиод к батарее 3 В можно не используя никаких дополнительных деталей. Так как рабочее напряжение светодиода несколько больше 3 В, то светодиод будет светить не в полную силу. Иногда это может быть даже полезным.

Например, используя светодиод с выключателем и дисковый аккумулятор на 3 В (в народе называемая таблеткой), применяемый в материнских платах компьютера, можно сделать небольшой брелок-фонарик.

Такой миниатюрный фонарик может пригодиться в разных ситуациях.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиодОт такой батарейки — таблетки на 3 Вольта можно запитать светодиод

Используя пару батареек 1.5 В и покупной или самодельный преобразователь для питания одного или нескольких LED, можно изготовить более серьезную конструкцию. Схема одного из подобных преобразователей (бустеров) изображена на рисунке.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Бустер на основе микросхемы LM3410 и нескольких навесных элементов имеет следующие характеристики:

  • входное напряжение 2.7 – 5.5 В.
  • максимальный выходной ток до 2.4 А.
  • количество подключаемых LED от 1 до 5.
  • частота преобразования от 0.8 до 1.6 МГц.

Выходной ток преобразователя можно регулировать, изменяя сопротивление измерительного резистора R1. Несмотря на то, что из технической документации следует, что микросхема рассчитана на подключение 5-ти светодиодов, на самом деле к ней можно подключать и 6.

Это обусловлено тем, что максимальное выходное напряжение чипа 24 В. Еще LM3410 позволяет регулировать яркость свечения светодиодов (диммирование). Для этих целей служит четвертый вывод микросхемы (DIMM).

Диммирование можно осуществлять, изменяя входной ток этого вывода.

Как подключить от 9В батарейки Крона

«Крона» имеет относительно небольшую емкость и не очень подходит для питания мощных светодиодов. Максимальный ток такой батареи не должен превышать 30 – 40 мА. Поэтому к ней лучше подключить 3 последовательно соединенных светоизлучающих диода с рабочим током 20 мА. Они, как и в случае подключения к батарейке 3 вольта не будут светить в полную силу, но зато, батарея прослужит дольше.

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиодСхема питания от батарейки крона
Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

В одном материале трудно осветить все многообразие способов подключения светодиодов к батареям с различным напряжением и емкостью. Мы постарались рассказать о самых надежных и простых конструкциях. Надеемся, что этот материал будет полезен как начинающим, так и более опытным радиолюбителям.

Урок 02. Управление светодиодами

Для ограничения тока через светодиод необходим резистор

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Примечание 1: последовательность подключения светодиода и резистора в схеме не имеет значения, можно подключить и так: +5 В, резистор 300 Ом, светодиод, 0 В

Примечание 2: +5 В в схеме подается с одного из цифровых пинов (D0…D13), а 0 В – пин земли Gnd

Макетная плата

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Используемый для курса стенд содержит макетную плату, все верхние контакты которой подключены к пину +5 В (верхние на рисунке), нижние контакты – к пину Gnd (0 В, нижние на рисунке) Arduino. Эти контакты используются в схемах и для питания внешних датчиков и модулей.

  • Остальные отверстия соединены вместе по 5 контактов (некоторые выделены полосками в качестве примеров, таким же образом соединены и все остальные) и могут использоваться для реализации различных схем путем втыкания в отверстия макетной платы элементов и проводных соединителей типа штырек/штырек.
  • Практическое занятие 1. Простой светофор
  • Нужные компоненты:
  • три светодиода трех разных цветов (красный, желтый и зеленый) с припаянными к ним резисторами
  • красный, желтый и зеленый соединительные провода со штырьками на обоих концах

Сборка:

Шаг 1: подключите светодиоды к макетной плате в соответствии с приведенным рисунком

Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Примечание: к цифровым выходам контроллера подключается контакт светодиода + (который с резистором)

Шаг 2: проводным соединителем штырек-штырек соедините контакт макетной платы с цифровым пином Arduino: красного светодиода – с пином 2, желтого – с пином 9, зеленого – с пином 12. Используйте провода тех же цветов, что и цвета светодиодов

Шаг 3: подключите второй контакт светодиодов (минус, без резистора, прямой на картинке) к земле. Соедините отверстие под этим контактом с нижним рядом отверстий. Для соединения с землей используйте провода синего или черного цвета

Шаг 4: Напишем программу для управления светофором. Для начала – просто включение светодиодов по очереди. Алгоритм работы:

  • включить красный светодиод
  • подождать одну секунду
  • выключить красный светодиод
  • включить желтый светодиод
  • подождать одну секунду
  • выключить желтый светодиод
  • включить зеленый светодиод
  • подождать одну секунду
  • выключить зеленый светодиод
  1. Шаг 5: Напишите в среде Arduino IDE программу, написанную по данному алгоритму (выделенный жирным текст, комментарии писать не обязательно)
  2. int led_red = 2;                       // красный светодиод подключен к пину 2
  3. int led_yellow = 9;                // желтый светодиод подключен к пину 9
  4. int led_green = 12;               // зеленый светодиод подключен к пину 12
  5. void setup() {
  6. // прописываем пины, к которым подключены светодиоды, как выходные
  7. pinMode(led_red, OUTPUT);
  8. pinMode(led_yellow, OUTPUT);
  9. pinMode(led_green, OUTPUT);
  10. }
  11. void loop() {
  12. digitalWrite(led_red, HIGH);                   // включить красный светодиод
  13. delay(1000);                                                // подождать одну секунду
  14. digitalWrite(led_red, LOW);                    // выключить красный светодиод
  15. digitalWrite(led_yellow, HIGH);            // включить желтый светодиод
  16. delay(1000);                                                // подождать одну секунду
  17. digitalWrite(led_yellow, LOW);               // выключить желтый светодиод
  18. digitalWrite(led_green, HIGH);               // включить зеленый светодиод
  19. delay(1000);                                                // подождать одну секунду
  20. digitalWrite(led_green, LOW);                // выключить зеленый светодиод
  21. }   // начать цикл loop снова
  22. Шаг 6: Загрузите написанную программу в контроллер и убедитесь, что светодиоды зажигаются в соответствии с написанным алгоритмом
  23. Шаг 7: Сохраните написанную программу в папку Мои документы / Arduino / Learning / Ваша фамилия латинскими буквами под именем Svetofor_Simple
  24. Примечание 1: сохранение выполняется командой Файл / Сохранить как. Открывается папка Arduino, в ней надо открыть папку Learning, в ней создать папку вида Ivanov, открыть ее, ввести имя файла (Svetofor_Simple) и нажать Сохранить
  25. Примечание 2: так как тексты программ будут использоваться в дальнейших занятиях и для обеспечения возможности вновь просмотреть написанные программы обязательно сохраняйте написанные программы в папку Learning / Ваша фамилия

Практическое занятие 2. Светофор с миганием

Напишем более сложный алгоритм работы и изменим программу таким образом, чтобы поведение светодиодов было похоже на настоящий светофор

  • включить красный светодиод
  • подождать три секунды
  • помигать красным светодиодом 4 раза
  • включить желтый светодиод
  • подождать три секунды
  • выключить желтый светодиод
  • включить зеленый светодиод
  • подождать три секунды
  • помигать зеленым светодиодом 4 раза
  • В этом случае задачу «помигать красным светодиодом 4 раза» можно решить «в лоб» таким способом:
  • digitalWrite(led_ red, HIGH);                    // включить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  • digitalWrite(led_ red, LOW);                   // выключить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  •   digitalWrite(led_ red, HIGH);                  // включить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  • digitalWrite(led_ red, LOW);                   // выключить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  •   digitalWrite(led_ red, HIGH);                  // включить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  • digitalWrite(led_ red, LOW);                   // выключить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  •   digitalWrite(led_ red, HIGH);                  // включить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  • digitalWrite(led_ red, LOW);                   // выключить светодиод
  •   delay(500);                                                  // подождать полсекунды
  • Но такой вариант трудоемок, приводит к большому объему написанного кода и вследствие этого к трудности чтения программы и последующего изменения. Для многократных повторений одной и той же части кода можно использовать цикл for:
  • for (начальное значение переменной счетчика, конечное значение переменной счетчика, прибавление счетчика){
  • код, который нужно повторить несколько раз
  • }
  • С использованием цикла for код, выполняющий задачу «помигать красным светодиодом 4 раза» будет выглядеть так:
Читайте также:  Что беречь, электроэнергию или зрение ребенка?

for(int i = 1 ; i

Чарлиплексинг

Самодельные электронные часы, использующие на 90 диодов 10 выводов микроконтроллера PIC16C54.

Чарлиплексинг — конструкция светодиодной индикации, когда к каждой паре выводов микроконтроллера подключены два встречно-параллельных светодиода. Такая конструкция позволяет подключить много светодиодов к сравнительно небольшому количеству выводов микроконтроллера.

Этот метод пользуется тем, что цифровые выводы микроконтроллеров способны на трёхзначную логику: присоединён к питанию, присоединён к «земле» и не подсоединён ни к чему. Несмотря на эффективность, у этого метода есть и недостатки, не дающие использовать его на больших индикаторах: скважность, отказоустойчивость, требования к току и прямые напряжения светодиодов.

Метод назван в честь Чарли Аллена из Maxim Integrated (1995)[1]. Хотя им пользовались и в 1980-х, и он описан в патенте AEG-Telefunken 1979 года под названием «трёхзначная сигнальная система»[2][3].

Традиционная матричная схема

Светодиоды, подключенные по матричной схеме
Основная статья: Матричный индикатор

Обычно индикацию подключают по матричной схеме: есть m шин-строк и n шин-столбцов, между каждой строкой и каждым столбцом подключён светодиод. Строки сканируются по одной (на одной отрицательное напряжение, на всех остальных — положительное либо Z-состояние), на столбцы подаётся напряжение (положительное, если диод зажжён, отрицательное или Z-состояние — если нет). Ток будет проходить только через те светодиоды, которые соединяют положительный столбец и отрицательную строку.

Когда нужно экономить выводы, желательно сделать m и n предельно близкими, в лучшем случае — равными. Без использования строчного дешифратора из 2n выводов можно получить n² светодиодов.

Если напряжения таковы, что светодиодам нужны токоограничивающие резисторы, их надо подключать не на сканирующие выводы (строки), а на выводы данных (столбцы).

Два встречно-параллельных диода

Одинаковые встречно-параллельные диоды
Разные встречно-параллельные диоды

Другая конструкция, широко употребляющаяся, но всё ещё не являющаяся чарлиплексингом — встречно-параллельные диоды.

Если подать «+» на вывод X1 и «−» на X2, загорится 1-й светодиод. Если наоборот — то 2-й. Если быстро менять направление тока, будут гореть оба.

Такие диоды часто объединяют в одном корпусе (обычно красный и зелёный; если зажечь оба сразу, получится оранжевый цвет). Их также можно объединять в матричные схемы. Но если для матрицы обычных диодов Z-состояние желательно, то для встречно-параллельных — обязательно.

Чарлиплексинг: больше выводов

3 вывода, 6 одинаковых светодиодов (сканируется отрицательным напряжением)
3 вывода, 6 разных светодиодов

Чарлиплексинг начинается, когда мы отходим от матричной схемы и подключаем к любой паре выводов по два встречно-параллельных светодиода. Если нам надо зажечь светодиоды 1, 2 и 3, сначала мы подаём «+» на X1, «−» на X2 и ни к чему не подключаем X3 (горит LED1). Потом подаём «+» на X2, а «−» — на X1 и X3 (горят LED2 и LED3).

Как мы видим, сканирование чарлиплексированных диодов происходит таким образом: на один из выводов циклически подаётся «+», на остальные или «−», или ничего, в зависимости от того, зажжён диод или нет.

Можно и наоборот, сканировать отрицательным напряжением, а в зависимости от того, горят ли диоды, подавать «+» или ничего: «−» на X1, «+» на X2, ничего на X3 (горит LED2), «−» на X2, «+» на X1, ничего на X3 (горит LED1), «−» на X3, «+» на X2, ничего на X1 (горит LED3).

Важный нюанс этой конструкции — как подключать общие токоограничивающие резисторы: их подключать надо так, чтобы со сканируемым выводом диоды были соединены напрямую, без резистора. В противном случае два диода будут гореть тусклее, чем один.

Разумеется, когда подан ток X1 → X2, ток будет проходить и по пути X1 → X3 → X2, поэтому надо позаботиться, чтобы падение напряжения на светодиодах было достаточно велико, чтобы половинное напряжение не зажгло лишних диодов.

Комбинаторика говорит, что n штырей позволяют подключить n(n−1) = n²−n светодиодов.

Гугаплексинг: три напряжения

Транзисторная пара устанавливается так, чтобы, в зависимости от состояния порта, напряжение было V, V/2 или 0. Эта конструкция позволяет 2n(n−1) светодиодов[4][5], но, по-видимому, является простым «трюкачеством» (много обвязки, проще и дешевле поставить более мощный вариант микроконтроллера).

Впрочем, у этих конструкций есть недостатки.

Недостатки

Частота обновления и скважность

В матричной схеме из m строк не все светодиоды горят одновременно: каждой строчке отведена доля времени 1/m. Если переключать строки достаточно быстро, человеку будет казаться, что диод горит постоянно. Чтобы не было заметного мигания, частота этого переключения должна быть не менее 50 Гц.

Чарлиплексинг по этому параметру ничем не отличается от матричной схемы: если к 8 выводам подключены 56 светодиодов (8 разрядов семисегментного индикатора без запятых) и нам нужна частота обновления 50 Гц, мы должны с частотой в 400 Гц подавать на один вывод «+», а остальные или подключать к земле, или переводить в Z-состояние. Соответственно, 400 раз в секунду микроконтроллер приостанавливает всю работу и переключает светодиоды.

Повышенные токи

Из-за высокой скважности через матричный индикатор текут большие пиковые токи. Чем выше скважность, тем больше нужен ток, чтобы сохранить постоянную яркость. К тому же, если микроконтроллер зависнет, строка светодиодов будет гореть на полной яркости, повышая риск отказа, пока поломку не заметят.

С чарлиплексированным индикатором эта проблема обостряется, особенно если рассчитывается, что будет гореть только небольшая часть диодов: ведь небольшие токи идут и по паразитным путям. Например, когда X2 «в воздухе», небольшой ток идёт и по пути X1 → X2 → X3.

Обязательна трёхзначная логика

Все выводы в чарлиплексированном индикаторе должны быть троичными. Если микроконтроллерного тока хватает, чтобы зажечь светодиод, это не проблема, но внешние трёхзначные драйверы требуют двух выводов каждый, лишая чарлиплексинг главного преимущества — экономии выводов.

Некто Guillermo Jaquenod предложил ставить на выводы эмиттерные повторители, чтобы снизить микроконтроллерные токи — такую конструкцию он обозвал «чипиплексинг»[6].

Сложность

Из-за сложности чарлиплексированные схемы сложнее и в разводке печатных плат, и в программировании, и в пайке. Хотя можно найти компромисс между сложностью разработки и количеством задействованных выводов, чарлиплексируя между собой несколько готовых светодиодных матриц[7].

Прямое напряжение светодиодов

Если использовать светодиоды с разным прямым напряжением (например, разных цветов), некоторые диоды могут гореть, когда не должны. Если у LED6 прямое напряжение 4 В, а у диодов 1 и 3 — по 2 В, они будут гореть вместе с LED6. Это решается проверкой диодов на совместимость — или установкой одинаковых светодиодов[1][8][9].

Эта проблема остаётся и с раздельными резисторами: если между выводами X и Y есть путь, где падение напряжения меньше, чем на собственно диоде X→Y, эти диоды будут гореть.

Отказы светодиодов

У диодов бывают три поломки: сгорел (перестал проводить), пробит (начал проводить в обоих направлениях) и частично пробит (появляется параллельное сопротивление, проводящее в обоих направлениях, светодиод продолжает гореть).

В матричной схеме относительно опасен только пробитый диод: частично пробитый не влияет на работоспособность, сгоревший перестаёт показывать сам, но работоспособности остальной схемы не мешает. В чарлиплексированной схеме опасны все три, и любой отказ приводит к полной неработоспособности всего индикатора.

Без хорошего знания схемы сложно определить, который из диодов виноват, особенно если отказов несколько.

Если светодиод сгорает, ток будет искать себе путь между какими-то другими диодами; таких путей n−2. Поэтому могут загореться два или более светодиода, никак не связанных с отказавшим.

При пробое между выводами X и Y будет загораться любой диод, соседний с X или Y. Поэтому вместо отказа одного сегмента откажет большая часть индикатора — а то и весь.

Это надо учитывать, исследуя разрабатывамое устройство на отказобезопасность.

Чарлиплексинг ввода

Светодиоды сами по себе являются диодами, поэтому там диоды «бесплатны». При сканировании кнопок последовательно с каждой кнопкой приходится припаивать импульсный диод.

Прямое напряжение выпрямительного диода невелико, 1 В и меньше[10], и не нормируется, так что главный «защитник» чарлиплексированных светодиодных схем — прямое напряжение диодов — не действует.

Поэтому даже с диодами чарлиплексированная схема не может считывать одновременные нажатия трёх и более кнопок — в отличие от матричной, которая без диодов считывает две кнопки и обнаруживает три и более, а с диодами считывает любую комбинацию.

Существует схема с четырьмя выводами и четырьмя диодами, позволяющая считывать одиночные нажатия на телефонной клавиатуре 3×4 и обнаруживать нажатия двух соседних[11].

Поэтому чарлиплексинг для ввода используется крайне редко — если диоды действительно «дешевле», чем дополнительные выводы.

См. также: Технологии клавиатур

Примечания

  1. 1 2 Maxim’s appnote on Charlieplexing use in their chips.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector