Využití LED v elektronických obvodech

Nyní jsou všichni obeznámeni s LED. Bez nich je moderní technologie jednoduše nemyslitelná. Jsou to LED světla a žárovky, indikace provozních režimů různých domácích spotřebičů, osvětlení obrazovek počítačových monitorů, televizorů a mnoho dalších věcí, na které si ani nevzpomínáte. Všechna tato zařízení obsahují diody LED v rozsahu viditelného záření různých barev: červená, zelená, modrá (RGB), žlutá, bílá. Moderní technologie vám umožní získat téměř jakoukoli barvu.

Kromě LED ve viditelném rozsahu existují i ​​LED pro infračervené a ultrafialové světlo. Hlavní oblastí použití takových LED je automatizační a řídicí zařízení. Jen si pamatuj Dálkové ovládání různých domácích spotřebičů. Pokud byly první modely dálkového ovládání použity výhradně pro ovládání televizorů, mohou být nyní použity k ovládání nástěnných radiátorů, klimatizací, ventilátorů a dokonce i kuchyňských spotřebičů, jako jsou například hrnce na crock a chléb.

Co je to LED?

V podstatě LED moc se neliší od obvyklých usměrňovací dioda, - všechny stejné křižovatky p-n a všechny stejné základní vlastnosti, jednostranná vodivost. Když jsme studovali pn křižovatku, ukázalo se, že kromě jednostranné vodivosti má i tato křižovatka několik dalších vlastností. V procesu vývoje polovodičové technologie byly tyto vlastnosti studovány, vyvíjeny a zlepšovány.

Velkou měrou přispěl k vývoji polovodičů sovětský radiofyzik Oleg Vladimirovič Losev (1903 - 1942). V roce 1919 vstoupil do slavné a dosud známé radiostanice Nižnij Novgorod a od roku 1929 pracoval v Leningradském fyzikálním a technologickém institutu. Jednou z aktivit vědce bylo studium slabé, mírně patrné záře polovodičových krystalů. Z tohoto důvodu fungují všechny moderní LED diody.

K této slabé luminiscenci dochází, když proud prochází pn křižovatkou směrem vpřed. V současné době je však tento jev studován a vylepšen natolik, že jas některých LED diod je takový, že jej lze jednoduše oslepit.

Barevné schéma LED diod je velmi široké, téměř všechny barvy duhy. Barva však není získána změnou barvy pouzdra LED. Toho je dosaženo skutečností, že do pn křižovatky se přidávají příměsi. Například zavedení malého množství fosforu nebo hliníku vám umožní získat barvy červené a žluté a gallium a indium vyzařovat světlo ze zelené na modrou. Pouzdro LED může být průhledné nebo matné, pokud je pouzdro barevné, pak jde pouze o světelný filtr odpovídající záři barvy p-n křižovatky.

Dalším způsobem, jak získat požadovanou barvu, je zavedení fosforu. Fosfor je látka, která dává viditelné světlo, když je vystaveno jinému záření, dokonce infračervenému. Klasickým příkladem jsou zářivky. V případě LED se bílá získává přidáním fosforu do modrého krystalu.

Pro zvýšení intenzity záření mají téměř všechny LED diody zaostřovací čočku. Jako čočka se často používá koncová plocha průhledného tělesa, která má kulovitý tvar. V diodách emitujících infračervené světlo se někdy čočka jeví jako neprůhledná, kouřově šedá. I když v posledních letech jsou infračervené LED diody dostupné jednoduše v průhledném případě, jedná se o ty, které se používají v různých dálkových ovladačích.

Dvoubarevné LED

Také známý téměř každému. Například nabíječka pro mobilní telefon: během nabíjení se indikátor rozsvítí červeně a na konci nabíjení se rozsvítí zeleně.Taková indikace je možná díky existenci dvoubarevných LED, které mohou být různých typů. Prvním typem jsou třívýstupové LED diody. Jedno pouzdro obsahuje dvě LED diody, například zelené a červené, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1. Schéma zapojení dvoubarevné LED

Obrázek ukazuje fragment obvodu s dvoubarevnou LED. V tomto případě je zobrazena trojstupňová LED se společnou katodou (jsou zde také se společnou anodou) a její připojení k mikrokontrolér. V takovém případě můžete zapnout buď jednu nebo druhou LED, nebo obojí najednou. Například bude červená nebo zelená a když zapnete dvě LED diody najednou, změní se na žlutou. Pokud současně pomocí PWM modulace upravíte jas každé LED, můžete získat několik přechodných odstínů.

V tomto obvodu byste měli věnovat pozornost skutečnosti, že omezovací odpory jsou pro každou LED diodu zahrnuty samostatně, i když by se zdálo, že můžete udělat pouze jeden jeho zahrnutím do obecného výstupu. Ale s tímto zahrnutím se jas LED změní, když je zapnuta jedna nebo dvě LED.

Jaké napětí je pro LED zapotřebí? Tuto otázku slyšíte velmi často, kladou ji ti, kteří nejsou obeznámeni se specifikami LED nebo jen lidmi velmi vzdálenými od elektřiny. Současně musím vysvětlit, že LED je zařízení ovládané proudem, nikoli napětím. Můžete zapnout LED alespoň 220V, ale proud, který skrz něj, by neměl překročit maximální přípustnou hodnotu. Toho je dosaženo zapnutím předřadníku v sérii s LED.

Přesto si musíme pamatovat na napětí, ale je třeba poznamenat, že také hraje velkou roli, protože diody LED mají velké dopředné napětí. Pokud je pro konvenční křemíkovou diodu toto napětí řádově 0,6 ... 0,7 V, pak pro LED tato prahová hodnota začíná od dvou voltů a výše. Proto od jeden galvanický článek Při napětí 1,5 V nesvítí LED.

Ale s tímto zahrnutím máme na mysli 220V, neměli bychom zapomenout, že zpětné napětí LED je docela malé, ne více než několik desítek voltů. Proto jsou za účelem ochrany LED před vysokým zpětným napětím přijata zvláštní opatření. Nejjednodušším způsobem je protioparalelní připojení ochranné diody, která také nemusí být velmi vysokého napětí, například KD521. Pod vlivem střídavého napětí se diody střídavě otevírají, čímž se navzájem chrání před vysokým zpětným napětím. Obvod pro spínání ochranných diod je znázorněn na obrázku 2.

Obrázek 2 Schéma zapojeníparalelně s LEDochranná dioda

Dvoubarevné LED diody jsou k dispozici také ve dvoukolíkovém balení. Ke změně barvy záře dochází v tomto případě, když se změní směr proudu. Klasickým příkladem je označení směru otáčení stejnosměrného motoru. Nemělo by se zapomínat, že v sérii s LED je omezovací odpor nutně zapnutý.

Nedávno je do diody LED jednoduše zabudován omezovací odpor a poté například jednoduše na cenovky v obchodě zapíší, že tato LED je 12V. Blikající LED diody jsou rovněž označeny napětím: 3V, 6V, 12V. Uvnitř takových LED je mikrokontrolér (je vidět i přes průhledné pouzdro), takže jakékoli pokusy změnit blikající frekvenci nedávají výsledky. S tímto označením můžete LED zapnout přímo k napájení při specifikovaném napětí.

Vývoj japonského amatérského rádia

Ukázalo se, že amatérský rozhlas je zapojen nejen do zemí bývalého SSSR, ale také do takové „elektronické země“, jako je Japonsko. Samozřejmě ani japonský běžný amatérský amatérský amatér nemůže vytvořit velmi složitá zařízení, ale jednotlivá řešení obvodů si zaslouží pozornost. Nikdy nevíte, v jakém schématu se tato řešení hodí.

Zde je přehled relativně jednoduchých zařízení, která používají LED diody.Ve většině případů se ovládání provádí z mikrokontrolérů a nemůžete se nikam dostat. I pro jednoduchý obvod je snazší napsat krátký program a pájet regulátor v balíčku DIP-8, než pájet několik mikroobvodů, kondenzátorů a tranzistorů. Je také atraktivní, že některé mikrokontroléry mohou pracovat bez přídavných zařízení.

Dvoubarevný ovládací obvod LED

Zajímavé schéma pro ovládání výkonné dvoubarevné LED nabízí japonská šunka. Přesněji se zde používají dvě výkonné LED diody s proudem až 1A. Je však třeba předpokládat, že existují výkonné dvoubarevné LED. Schéma je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3. Výkonný dvoubarevný ovládací obvod LED

Čip TA7291P je určen k řízení stejnosměrných motorů malého výkonu. Poskytuje několik režimů: rotace dopředu, dozadu, zastavení a brzdění. Výstupní fáze mikroobvodu je sestavena podle můstkového obvodu, který umožňuje provádět všechny výše uvedené operace. Ale stálo za to si udělat nějakou představivost a nyní, prosím, mikroobvod má novou profesi.

Logika čipu je poměrně jednoduchá. Jak je vidět na obrázku 3, mikroobvod má 2 vstupy (IN1, IN2) a dva výstupy (OUT1, OUT2), ke kterým jsou připojeny dvě výkonné LED diody. Když jsou logické úrovně na vstupech 1 a 2 stejné (bez ohledu na 00 nebo 11), pak jsou potenciály výstupů stejné, obě LED diody nesvítí.

Na různých logických úrovních na vstupech funguje mikroobvod takto. Pokud jeden ze vstupů, například, IN1 má nízkou logickou úroveň, je výstup OUT1 připojen ke společnému vodiči. Katoda LED HL2 prostřednictvím rezistoru R2 je také připojena ke společnému vodiči. Napětí na výstupu OUT2 (pokud je na vstupu IN2 logická jednotka) závisí v tomto případě na napětí na vstupu V_ref, které vám umožňuje nastavit jas LED HL2.

V tomto případě je napětí V_ref získáno z pulzů PWM z mikrokontroléru pomocí integračního řetězce R1C1, který řídí jas LED připojené k výstupu. Mikrokontrolér také ovládá vstupy IN1 a IN2, což vám umožní získat širokou škálu odstínů světla a algoritmů pro ovládání LED. Odpor rezistoru R2 se vypočítá na základě maximálního přípustného proudu LED. Jak to udělat, bude popsáno níže.

Obrázek 4 ukazuje vnitřní strukturu čipu TA7291P, jeho strukturální schéma. Okruh byl odebrán přímo z datového listu, proto je elektrický motor zobrazen jako zátěž.

Obrázek 4Čip interního zařízení TA7291P

Podle strukturálního schématu je snadné sledovat aktuální cesty zátěží a způsoby řízení výstupních tranzistorů. Tranzistory se zapínají ve dvojicích podél úhlopříčky: (vlevo nahoře + vpravo dole) nebo (vpravo nahoře + dole vlevo), což vám umožňuje změnit směr a rychlost motoru. V našem případě rozsvítí jednu z LED a řídí její jas.

Dolní tranzistory jsou ovládány signály IN1, IN2 a jsou navrženy tak, aby jednoduše zapínaly / vypínaly úhlopříčky mostu. Horní tranzistory jsou ovládány signálem Vref, regulují výstupní proud. Řídicí obvod, zobrazený jednoduše jako čtverec, také obsahuje obvod ochrany proti zkratu a další nepředvídané okolnosti.

Jak vypočítat omezovací odpor

Ohmův zákon v těchto výpočtech vždy pomůže. Počáteční data pro jejich výpočet jsou následující: napájecí napětí (U) je 12 V, proud přes LED (I_HL) je 10 mA, LED je připojena ke zdroji napětí bez jakýchkoli tranzistorů a mikroobvodů jako indikátoru inkluze. Pokles napětí na LED (U_HL) 2V.

Pak je zcela zřejmé, že pro omezovací odpor bude nezbytné napětí (U-U_HL), - samotná LED „jedla“ dva volty. Pak je odpor omezujícího odporu

R_o = (U-U_HL) / I_HL = (12 - 2) / 0,010 = 1 000 (Ω) nebo 1 KΩ.

Nezapomeňte na systém SI: napětí ve voltech, proud v ampérech, výsledek v ohmech. Pokud je LED zapnuta tranzistorem, pak by se v první závorce mělo odečíst napětí z části kolektor - emitor otevřeného tranzistoru od napájecího napětí. Ale zpravidla to nikdo nikdy nedělá, přesnost až stotiny procenta zde není nutná a kvůli rozptylu v detailech částí to nebude fungovat. Všechny výpočty v elektronických obvodech poskytují přibližné výsledky, zbývající musí být dosaženo laděním a laděním.

Tříbarevné LED

Kromě dvou tónů v poslední době, rozšířené tříbarevné LED diody RGB. Jejich hlavním účelem je dekorativní osvětlení na pódiích, na večírcích, na novoroční oslavy nebo na diskotékách. Takové LED diody mají čtyřpólové pouzdro, z nichž jedna je běžnou anodou nebo katodou, v závislosti na konkrétním modelu.

Jedna nebo dvě LED diody, i trojbarevné, jsou však málo užitečné, takže je musíte kombinovat do girlandy a pro ovládání girlandy použijte všechny druhy ovládacích zařízení, které se nejčastěji nazývají řadiče.

Sestavování věnců z jednotlivých LED je nudné a málo zajímavé. Proto v posledních letech začal průmysl vyrábět LED pásky v různých barváchstejně jako pásky založené na tříbarevných (RGB) LED. Pokud jsou jednobarevné pásky vyráběny při napětí 12V, pak je provozní napětí tříbarevných pásek často 24V.

LED pásky jsou označeny napětím, protože již obsahují omezující odpory, takže je lze připojit přímo ke zdroji napětí. Zdroje pro elektricky vedený pásek prodává se na stejném místě jako páska.

K ovládání tříbarevných LED a pásek, k vytváření různých světelných efektů se používají speciální ovladače. S jejich pomocí je možné snadno přepínat diody LED, upravovat jas, vytvářet různé dynamické efekty, stejně jako kreslit vzory a dokonce i obrázky. Vytvoření takových ovladačů přitahuje mnoho šunek, samozřejmě těch, kteří mohou psát programy pro mikrokontroléry.

Pomocí tříbarevné LED můžete získat téměř jakoukoli barvu, protože barva na televizní obrazovce je také získána smícháním pouze tří barev. Zde je vhodné připomenout další vývoj japonského amatérského rádia. Schéma zapojení je na obr. 5.

Obrázek 5. Schéma zapojení tříbarevné LED

Výkonná 1W tříbarevná LED obsahuje tři zářiče. Když jsou na obrázku vyznačeny odpory, barva záře je bílá. Výběrem hodnot rezistorů je možné mírně změnit odstín: z bílé na bílou na teplou bílou. Podle autora je lampa navržena tak, aby osvětlovala interiér automobilu. Budou (Japonci) smutní! Aby nedošlo k obavám z pozorování polarity, je na vstupu zařízení uspořádán diodový můstek. Zařízení je namontováno na prkénku a je znázorněno na obrázku 6.

Obrázek 6. Vývojová deska

Dalším vývojem japonských radioamatérů je také automobilový průmysl. Toto zařízení pro osvětlení místnosti samozřejmě na bílých LED diodách je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7. Schéma zařízení pro zvýraznění čísla na bílých LED

Při návrhu bylo použito 6 vysoce výkonných ultra jasných LED s omezovacím proudem 35 mA a světelným tokem 4 lm. Aby se zvýšila spolehlivost LED, je jejich proud omezen na 27 mA pomocí čipu regulátoru napětí, který je součástí obvodu stabilizátoru proudu.

LED diody EL1 ... EL3, rezistor R1 spolu s čipem DA1 tvoří stabilizátor proudu. Stabilní proud přes rezistor R1 podporuje pokles napětí 1,25 V na něm. Druhá skupina LED je připojena ke stabilizátoru přes přesně stejný odpor R2, takže proud přes skupinu LED EL4 ... EL6 bude také stabilizován na stejné úrovni.

Obrázek 8 ukazuje obvod měniče pro napájení bílé LED z jednoho galvanického článku s napětím 1,5 V, což zjevně nestačí k zapálení LED. Obvod měniče je velmi jednoduchý a ovládaný mikrokontrolérem. Mikrokontrolér je ve skutečnosti obyčejný multivibrátor s pulzní frekvencí asi 40 kHz. Pro zvýšení nosnosti jsou výstupy mikrokontroléru spárovány paralelně.

Obrázek 8Obvod měniče pro napájení bílé LED

Schéma funguje následovně. Když jsou výstupy PB1, PB2 nízké, jsou výstupy PB0, PB4 vysoké. V tomto okamžiku jsou kondenzátory C1, C2 nabíjeny prostřednictvím diod VD1, VD2 na přibližně 1,4 V. Když je stav výstupů regulátoru obrácený, na LED se přičte součet napětí dvou nabitých kondenzátorů plus napětí baterie. Tak bude téměř 4,5 V aplikováno na LED ve směru vpřed, což je dostatečné pro zapálení LED.

Podobný převodník lze sestavit bez mikrokontroléru, pouze na logický čip. Takový obvod je znázorněn na obrázku 9.

Obrázek 9

Generátor pravoúhlého kmitání je sestaven na prvku DD1.1, jehož frekvence je určena hodnotami R1, C1. Právě s touto frekvencí bude LED blikat.

Když je výstup prvku DD1.1 vysoký, je výstup DD1.2 přirozeně vysoký. V tomto okamžiku je kondenzátor C2 nabíjen diodou VD1 ze zdroje energie. Nabíjecí cesta je následující: plus zdroj energie - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - mínus zdroj energie. V tuto chvíli je na bílou LED diodu přivedeno pouze napětí baterie, což nestačí k rozsvícení LED.

Když úroveň klesne na výstup prvku DD1.1, objeví se na výstupu DD1.2 vysoká úroveň, což vede k blokování diody VD1. Proto je napětí na kondenzátoru C2 přičteno k napětí baterie a toto množství je aplikováno na odpor R1 a LED HL1. Tento součet napětí je dostatečný pro zapnutí LED HL1. Dále se cyklus opakuje.

Jak zkontrolovat LED

Pokud je LED nová, pak je vše jednoduché: ten závěr, který je o něco delší, je plus nebo anoda. Je to to, co musí být součástí napájení plus, samozřejmě nezapomenout na omezující odpor. Ale v některých případech, například, LED byla odstraněna ze staré desky a závěry jsou stejné délky, je třeba volat.

Multimetry se v této situaci chovají poněkud nepochopitelně. Například multimetr DT838 v polovodičovém zkušebním režimu může jednoduše lehce osvětlovat testovanou LED, ale současně se na indikátoru zobrazuje přerušený obvod.

Proto je v některých případech lepší zkontrolovat diody LED jejich připojením přes omezovací odpor ke zdroji energie, jak je znázorněno na obrázku 10. Hodnota odporu je 200 ... 500 Ohm.

Obrázek 10. Zkušební obvod LED

LED sekvenční

Obrázek 11. Postupné začlenění LED

Není obtížné vypočítat odpor omezovacího odporu. Chcete-li to provést, přidejte do všech LED diody přímé napětí, odečtěte je od napětí zdroje energie a výsledný zbytek vydělte daným proudem.

R = (U - (U_HL_1 + U_HL_2 + U_HL_3)) / I

Předpokládejme, že napětí napájecího zdroje je 12V a pokles napětí na LED je 2V, 2,5V a 1,8V. I když LED diody jsou převzaty z jedné krabice, stále může dojít k takovému rozšíření!

Podle stavu úlohy je nastaven proud 20 mA. Zbývá nahradit všechny hodnoty ve vzorci a naučit odpověď.

R = (12– (2 + 2,5 + 1,8)) / 0,02 = 285 Q

LED paralelní

Obrázek 12. Paralelní aktivace LED

Na levém fragmentu jsou všechny tři LED diody připojeny pomocí jednoho odporu omezujícího proud. Proč je však tento systém přeškrtnut, jaké jsou jeho nevýhody?

Ovlivňuje šíření LED. Největší proud bude procházet LED, ve které je pokles napětí menší, to znamená, že vnitřní odpor je menší.Proto s tímto začleněním není možné dosáhnout jednotné záře LED. Proto by schéma znázorněné na obrázku 12 napravo mělo být rozpoznáno jako správný obvod.

 

Boris Aladyshkin