Gaismas diožu izmantošana elektroniskajās shēmās

Visi tagad ir pazīstami ar gaismas diodēm. Bez tiem mūsdienu tehnoloģijas vienkārši nav iedomājamas. Tie ir LED lukturi un lampas, dažādu mājsaimniecības ierīču darbības režīmu indikācija, datoru monitoru, televizoru ekrānu apgaismojums un daudzas citas lietas, kuras jūs pat neatceraties uzreiz. Visas šīs ierīces satur gaismas diodes dažādu krāsu redzamā starojuma diapazonā: sarkanā, zaļā, zilā (RGB), dzeltenā, baltā. Mūsdienu tehnoloģijas ļauj iegūt gandrīz jebkuru krāsu.

Papildus gaismas diodēm redzamajā diapazonā ir arī gaismas diodes infrasarkanajai un ultravioletajai gaismai. Šādu gaismas diožu galvenā piemērošanas joma ir automatizācijas un vadības ierīces. Tikai atcerieties Dažādu sadzīves tehnikas tālvadība. Ja pirmie tālvadības modeļi tika izmantoti tikai televizoru vadīšanai, tagad tos var izmantot, lai kontrolētu sienas sildītājus, gaisa kondicionierus, ventilatorus un pat virtuves ierīces, piemēram, šķīvjus un maizes aparātus.

Kas ir gaismas diode?

Būtībā LED nav daudz atšķirīgs no parastā taisngrieža diode, - visi tie paši p-n krustojumi un visi tie paši pamatīpašumi, vienpusēja vadītspēja. Pētot pn krustojumu, izrādījās, ka papildus vienpusējai vadītspējai šim ļoti krustojumam ir arī vairākas papildu īpašības. Pusvadītāju tehnoloģijas attīstības procesā šīs īpašības ir pētītas, attīstītas un pilnveidotas.

Lielu ieguldījumu pusvadītāju attīstībā sniedza padomju radiofiziķis Oļegs Vladimirovičs Losevs (1903 - 1942). 1919. gadā viņš ienāca slavenajā un joprojām plaši pazīstamajā Ņižņijnovgorodas radio laboratorijā, un kopš 1929. gada viņš strādāja Ļeņingradas Fizikas un tehnoloģijas institūtā. Viena no zinātnieka aktivitātēm bija vāja, nedaudz pamanāma pusvadītāju kristālu mirdzuma izpēte. Tieši uz šī efekta darbojas visas mūsdienu gaismas diodes.

Šī vājā luminiscence rodas, kad strāva tiek izvadīta caur pn krustojumu virzienā uz priekšu. Bet šobrīd šī parādība ir tik daudz pētīta un uzlabota, ka dažu gaismas diožu spilgtums ir tāds, ka to var vienkārši apžilbināt.

Gaismas diožu krāsu shēma ir ļoti plaša, gandrīz visās varavīksnes krāsās. Bet, mainot LED korpusa krāsu, krāsa vispār netiek iegūta. Tas tiek panākts ar to, ka pn krustojumam tiek pievienotas palīgvielas. Piemēram, neliela fosfora vai alumīnija daudzuma ieviešana ļauj iegūt sarkanās un dzeltenās krāsas, un gallijs un indijs izstaro gaismu no zaļas līdz zilai. LED korpuss var būt caurspīdīgs vai matēts, ja korpuss ir krāsains, tad tas ir tikai gaismas filtrs, kas atbilst p-n krustojuma mirdzuma krāsai.

Vēl viens veids, kā iegūt vēlamo krāsu, ir fosfora ievadīšana. Fosfors ir viela, kas dod redzamu gaismu, ja to pakļauj citam, pat infrasarkanam, starojumam. Klasisks piemērs ir dienasgaismas spuldzes. Gaismas diožu gadījumā balto krāsu iegūst, pievienojot fosforu zilajam kristālam.

Lai palielinātu starojuma intensitāti, gandrīz visiem gaismas diodēm ir fokusēšanas objektīvs. Bieži vien kā lēcu izmanto caurspīdīga korpusa gala sfērisko formu. Infrasarkanās gaismas diodēs objektīvs dažreiz šķiet necaurspīdīgs, dūmakaini pelēks. Lai gan pēdējos gados infrasarkanās gaismas diodes ir pieejamas vienkārši caurspīdīgā apvalkā, tās tiek izmantotas dažādās tālvadības pultīs.

Divkrāsu gaismas diodes

Zināms arī gandrīz visiem. Piemēram, mobilā tālruņa lādētājs: lādēšanas laikā indikators iedegas sarkanā krāsā, un uzlādes beigās tas kļūst zaļš.Šāda norāde ir iespējama divu krāsu gaismas diožu dēļ, kas var būt dažādu veidu. Pirmais veids ir trīs izvades gaismas diodes. Vienā korpusā ir divas gaismas diodes, piemēram, zaļā un sarkanā, kā parādīts 1. attēlā.

1. attēls. Divkrāsu gaismas diodes savienojuma shēma

Attēlā parādīts ķēdes fragments ar divkrāsu gaismas diodi. Šajā gadījumā tiek parādīta trīs izeju gaismas diode ar kopēju katodu (ir arī ar kopēju anodu) un tā savienojums ar mikrokontrolieris. Šajā gadījumā jūs varat ieslēgt vai nu vienu, vai otru LED, vai abus vienlaikus. Piemēram, tas būs sarkans vai zaļš, un, ieslēdzot divus gaismas diodes vienlaikus, tas kļūst dzeltens. Ja vienlaikus izmantojat PWM modulāciju, lai pielāgotu katras gaismas diodes spilgtumu, varat iegūt vairākus starpposma toņus.

Šajā shēmā jums jāpievērš uzmanība faktam, ka ierobežojošie rezistori ir iekļauti katram gaismas diodei atsevišķi, lai gan šķiet, ka jūs varat darīt tikai vienu, iekļaujot to vispārējā izejā. Bet ar šo iekļaušanu gaismas diožu spilgtums mainīsies, ieslēdzot vienu vai divas gaismas diodes.

Kāds spriegums ir nepieciešams gaismas diodei? Šo jautājumu var dzirdēt diezgan bieži, to uzdod tie, kuri nav pazīstami ar gaismas diodes specifiku vai vienkārši cilvēki, kas atrodas ļoti tālu no elektrības. Tajā pašā laikā man jāpaskaidro, ka LED ir ierīce, ko kontrolē strāva, nevis spriegums. Jūs varat ieslēgt gaismas diodi vismaz 220 V, bet strāva caur to nedrīkst pārsniegt maksimāli pieļaujamo. To panāk, ieslēdzot balasta rezistoru virknē ar LED.

Bet tomēr, atceroties spriegumu, jāatzīmē, ka tam ir arī liela loma, jo gaismas diodēm ir liels priekšējais spriegums. Ja parastajai silīcija diodei šis spriegums ir aptuveni 0,6 ... 0,7 V, tad gaismas diodei šis slieksnis sākas no diviem voltiem un augstāk. Tāpēc no plkst viena galvaniskā šūna Ar spriegumu 1,5 V LED nedeg.

Bet ar šo iekļaušanu mēs domājam 220 V, nevajadzētu aizmirst, ka gaismas diodes reversais spriegums ir diezgan mazs, ne vairāk kā vairāki desmiti voltu. Tādēļ, lai aizsargātu gaismas diodi no augsta reversā sprieguma, tiek veikti īpaši pasākumi. Vienkāršākais veids ir aizsargdiodes pretparalēlais savienojums, kas arī var nebūt ļoti augstsprieguma, piemēram, KD521. Maiņstrāvas ietekmē diodes pārmaiņus atveras, tādējādi aizsargājot viens otru no augsta reversā sprieguma. Aizsardzības diodes pārslēgšanas shēma ir parādīta 2. attēlā.

2. attēls Elektroinstalācijas shēmaparalēli gaismas diodeiaizsargājoša diode

Divkrāsu gaismas diodes ir pieejamas arī divu kontaktu komplektā. Kvēldiena krāsa šajā gadījumā mainās, mainoties strāvas virzienam. Klasisks piemērs ir līdzstrāvas motora griešanās virziena norāde. Tajā pašā laikā nevajadzētu aizmirst, ka ierobežojošais rezistors obligāti tiek ieslēgts virknē ar LED.

Nesen gaismas diodē ir vienkārši iebūvēts ierobežojošs rezistors, un tad, piemēram, uz cenu zīmēm veikalā viņi vienkārši raksta, ka šis LED ir 12V. Arī mirgojošās gaismas diodes tiek apzīmētas ar spriegumu: 3V, 6V, 12V. Šādu gaismas diožu iekšpusē ir mikrokontrolieris (to var redzēt pat caur caurspīdīgu apvalku), tāpēc visi mēģinājumi mainīt mirgošanas frekvenci nedod rezultātus. Izmantojot šo marķējumu, jūs varat ieslēgt gaismas diodi tieši barošanas avotā ar norādīto spriegumu.

Japāņu radioamatieru attīstība

Radioamatieris, izrādās, nodarbojas ne tikai ar bijušās PSRS valstīm, bet arī tādā "elektroniskā valstī" kā Japāna. Protams, pat japāņu parastais radioamatieris nevar radīt ļoti sarežģītas ierīces, taču atsevišķi shēmas risinājumi ir pelnījuši uzmanību. Jūs nekad nezināt, kurā shēmā šie risinājumi var noderēt.

Šeit ir salīdzinoši vienkāršu ierīču, kuras izmanto gaismas diodes, pārskats.Vairumā gadījumu kontroli veic mikrokontrolleri, un jūs nekur nevarat nokļūt. Pat vienkāršas shēmas gadījumā ir vieglāk uzrakstīt īsu programmu un lodēt kontrolieri DIP-8 paketē, nevis lodēt vairākas mikroshēmas, kondensatorus un tranzistorus. Pievilcīgi ir arī tas, ka daži mikrokontrolleri var strādāt bez pielikumiem.

Divkrāsu LED vadības shēma

Interesantu shēmu jaudīgas divkrāsu LED vadībai piedāvā Japānas šķiņķi. Precīzāk, šeit tiek izmantotas divas jaudīgas gaismas diodes ar strāvu līdz 1A. Bet jāpieņem, ka ir jaudīgi divkrāsu gaismas diodes. Diagramma parādīta 3. attēlā.

3. attēls. Jaudīga divkrāsu LED vadības shēma

Čips TA7291P ir paredzēts nelielas jaudas līdzstrāvas motoru vadīšanai. Tas nodrošina vairākus režīmus, proti: griešanos uz priekšu, atpakaļ, apstāšanos un bremzēšanu. Mikroshēmas izejas posms ir samontēts atbilstoši tilta shēmai, kas ļauj veikt visas iepriekš minētās darbības. Bet bija vērts iedomāties, un tagad, lūdzu, mikroshēmai ir jauna profesija.

Mikroshēmas loģika ir diezgan vienkārša. Kā redzams 3. attēlā, mikroshēmai ir 2 ieejas (IN1, IN2) un divas izejas (OUT1, OUT2), kurām ir pievienotas divas jaudīgas gaismas diodes. Ja loģikas līmeņi 1. un 2. ieejā ir vienādi (vienalga 00 vai 11), tad izeju potenciāli ir vienādi, abi LED indikatori ir izslēgti.

Dažādos loģiskos līmeņos ieejās mikroshēma darbojas šādi. Ja kādai no ieejām, piemēram, IN1, ir zems loģikas līmenis, tad izeja OUT1 ir savienota ar kopēju vadu. HL2 LED katods caur rezistoru R2 ir savienots arī ar kopēju vadu. Spriegums pie izejas OUT2 (ja pie ieejas IN2 ir loģiska vienība) šajā gadījumā ir atkarīgs no sprieguma pie ieejas V_ref, kas ļauj pielāgot gaismas diodes HL2 spilgtumu.

Šajā gadījumā spriegumu V_ref iegūst no PWM impulsiem no mikrokontrollera, izmantojot integrējošo shēmu R1C1, kas kontrolē ar izvadi savienotās gaismas diodes spilgtumu. Mikrokontrolieris kontrolē arī ieejas IN1 un IN2, kas ļauj iegūt visdažādākās gaismas nokrāsas un algoritmus LED kontrolei. Rezistora R2 pretestību aprēķina, pamatojoties uz gaismas diožu maksimālo pieļaujamo strāvu. Kā to izdarīt, tiks aprakstīts zemāk.

4. attēlā parādīta TA7291P mikroshēmas iekšējā struktūra, tās struktūras shēma. Ķēde tika ņemta tieši no datu lapas, tāpēc elektromotors tiek attēlots kā slodze uz to.

4. attēlsIekšējās ierīces mikroshēma TA7291P

Saskaņā ar strukturālo shēmu ir viegli izsekot pašreizējiem ceļiem caur slodzi un izejas tranzistoru vadības metodēm. Tranzistori tiek ieslēgti pa pāriem pa diagonāli: (augšējais kreisais + labais apakšējais) vai (augšējais labais + apakšējais kreisais), kas ļauj mainīt motora virzienu un ātrumu. Mūsu gadījumā apgaismojiet vienu no gaismas diodēm un kontrolējiet tā spilgtumu.

Apakšējos tranzistorus kontrolē signāli IN1, IN2, un tie ir paredzēti, lai vienkārši ieslēgtu / izslēgtu tilta diagonāles. Augšējos tranzistorus kontrolē ar Vref signālu, tie regulē izejas strāvu. Vadības ķēdē, kas parādīta vienkārši kā kvadrāts, ir arī īssavienojuma aizsardzības shēma un citi neparedzēti apstākļi.

Kā aprēķināt ierobežojošo rezistoru

Ohma likums vienmēr palīdzēs šajos aprēķinos. Sākotnējie dati aprēķiniem ļauj viņiem būt šādi: barošanas spriegums (U) ir 12V, strāva caur gaismas diodi (I_HL) ir 10mA, gaismas diode ir savienota ar sprieguma avotu bez tranzistoriem un mikroshēmām kā iekļaušanas indikators. Sprieguma kritums uz gaismas diodes (U_HL) 2V.

Tad ir pilnīgi skaidrs, ka ierobežojošajam rezistoram būs nepieciešams spriegums (U-U_HL), - pati gaismas diode “ēda” divus voltus. Tad ierobežojošā rezistora pretestība ir

R_o = (U-U_HL) / I_HL = (12 - 2) / 0,010 = 1000 (Ω) vai 1KΩ.

Neaizmirstiet par SI sistēmu: spriegums voltos, strāva ampēros, rezultāts Ohm. Ja LED ieslēdz tranzistors, tad pirmajā iekavās no barošanas sprieguma vajadzētu atņemt atvērtā tranzistora kolektora - emitētāja sekcijas spriegumu. Bet tas, kā likums, nekad netiek darīts, precizitāte procentos līdz simtdaļām šeit nav nepieciešama, un detaļu detaļu izplatības dēļ tas nedarbosies. Visi aprēķini elektroniskajās shēmās dod aptuvenus rezultātus, pārējais jāpanāk, atkļūdot un noskaņojot.

Trīskrāsu gaismas diodes

Papildus divu toņu pēdējā laikā plaši izplatīta trīskrāsu RGB gaismas diodes. Viņu galvenais mērķis ir dekoratīvs apgaismojums uz skatuvēm, ballītēs, Jaungada svinībās vai diskotēkās. Šādām gaismas diodēm ir četru tapu korpuss, no kuriem viens ir parasts anods vai katods, atkarībā no konkrētā modeļa.

Bet vienai vai divām LED, pat trīskrāsu, nav lielas nozīmes, tāpēc jums tie ir jāapvieno vītnēs, un, lai vadītu vītnes, ir jāizmanto visa veida vadības ierīces, kuras visbiežāk sauc par kontrolieriem.

Vītņu salikšana no atsevišķiem gaismas diodēm ir garlaicīga un maz interesējoša. Tāpēc pēdējos gados rūpniecība sāka ražot Dažādu krāsu LED sloksneskā arī lentes, kuru pamatā ir trīskrāsu (RGB) gaismas diodes. Ja vienkrāsu lentes tiek ražotas ar spriegumu 12 V, tad trīskrāsu lentu darba spriegums bieži ir 24 V.

Gaismas diožu sloksnes ir apzīmētas ar spriegumu, jo tajās jau ir ierobežojošie rezistori, tāpēc tās var savienot tieši ar sprieguma avotu. Avoti barošanas bloks pārdod tajā pašā vietā, kur lente.

Trīs krāsu gaismas diožu un lentu vadīšanai, dažādu gaismas efektu radīšanai tiek izmantoti speciāli kontrolleri. Ar viņu palīdzību jūs varat viegli pārslēgt gaismas diodes, pielāgot spilgtumu, radīt dažādus dinamiskus efektus, kā arī zīmēt modeļus un pat gleznas. Šādu kontrolieru izveidošana piesaista daudzus šķiņķus, dabiski tos, kuri var rakstīt programmas mikrokontrolleriem.

Izmantojot trīskrāsu gaismas diodi, jūs varat iegūt gandrīz jebkuru krāsu, jo krāsu televizora ekrānā iegūst arī sajaucot tikai trīs krāsas. Šeit der atcerēties vēl vienu Japānas amatieru radio attīstību. Tās shēma ir parādīta 5. attēlā.

Trīs krāsu gaismas diodes savienojuma shēma

Jaudīgā 1 W trīs krāsu LED satur trīs izstarotājus. Kad diagrammā ir norādīti rezistori, mirdzuma krāsa ir balta. Izvēloties rezistoru vērtības, ir iespējamas nelielas toņu izmaiņas: no baltas līdz baltai līdz silti baltai. Autora dizainā lukturis ir paredzēts, lai apgaismotu automašīnas salonu. Vai viņi (japāņi) būs skumji! Lai nebūtu jāuztraucas par polaritātes ievērošanu, ierīces ieejā tiek nodrošināts diodes tilts. Ierīce ir uzstādīta uz maizes dēļa un parādīta 6. attēlā.

6. attēls. Attīstības panelis

Nākamā Japānas radioamatieru attīstība ir arī automobiļu rūpniecība. Šī ierīce telpas apgaismošanai, protams, ar baltām gaismas diodēm, ir parādīta 7. attēlā.

7. attēls. Ierīces shēma numura izcelšanai uz baltiem gaismas diodēm

Dizainā tika izmantotas 6 augstas jaudas īpaši spilgtas gaismas diodes ar ierobežojošo strāvu 35 mA un gaismas plūsmu 4 lm. Lai palielinātu gaismas diožu uzticamību, strāva caur tām tiek ierobežota līdz 27 mA, izmantojot sprieguma regulatora mikroshēmu, kas iekļauta strāvas stabilizatora ķēdē.

Gaismas diodes EL1 ... EL3, rezistors R1 kopā ar DA1 mikroshēmu veido strāvas stabilizatoru. Stabila strāva caur rezistoru R1 atbalsta sprieguma kritumu 1,25 V uz tā. Otrā gaismas diožu grupa ir savienota ar stabilizatoru caur tieši to pašu rezistoru R2, tāpēc arī strāva caur gaismas diožu grupu EL4 ... EL6 tiks stabilizēta tajā pašā līmenī.

8. attēlā parādīta pārveidotāja shēma baltas gaismas diodes barošanai no vienas galvaniskas šūnas ar spriegumu 1,5 V, kas acīmredzami nav pietiekams, lai LED aizdegas. Pārveidotāja shēma ir ļoti vienkārša, un to kontrolē mikrokontrollers. Faktiski mikrokontrollers ir parasts multivibrators ar impulsa frekvenci aptuveni 40KHz. Lai palielinātu kravnesību, mikrokontrollera izejas tiek sapārotas paralēli.

8. attēlsKonvertora ķēde baltas gaismas diodes barošanai

Shēma darbojas šādi. Ja izejas PB1, PB2 ir zemas, izejas PB0, PB4 ir augstas. Šajā laikā kondensatori C1, C2 tiek uzlādēti caur diodēm VD1, VD2 līdz aptuveni 1,4 V. Kad kontroliera izeju statuss tiek mainīts, gaismas diodei tiks piemērota divu uzlādētu kondensatoru spriegumu summa plus akumulatora spriegums. Tādējādi gaismas diodei tiks uzlikts gandrīz 4,5 V virzienā uz priekšu, kas ir pietiekami, lai LED aizdegas.

Līdzīgu pārveidotāju var salikt bez mikrokontrollera, tikai uz loģiskās mikroshēmas. Šāda shēma ir parādīta 9. attēlā.

9. attēls

Uz elementa DD1.1 ir samontēts taisnstūra svārstību ģenerators, kura frekvenci nosaka ar R1, C1 vērtībām. Tieši ar šo frekvenci gaismas diode mirgos.

Ja elementa DD1.1 izeja ir augsta, DD1.2 izeja ir dabiski augsta. Šajā laikā kondensators C2 tiek uzlādēts caur diodi VD1 no barošanas avota. Uzlādes ceļš ir šāds: plus enerģijas avots - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - mīnus enerģijas avots. Šajā laikā baltajam gaismas diodei tiek piemērots tikai akumulatora spriegums, ar kuru nepietiek, lai gaismas diode iedegtos.

Kad līmenis pazeminās pie elementa DD1.1 izejas, DD1.2 izejā parādās augsts līmenis, kas noved pie diodes VD1 bloķēšanas. Tāpēc akumulatora spriegumam tiek pievienots spriegums pāri kondensatoram C2, un šis daudzums tiek piemērots rezistoram R1 un LED HL1. Šī spriegumu summa ir pietiekama, lai ieslēgtu HL1 LED. Tālāk cikls atkārtojas.

Kā pārbaudīt gaismas diodi

Ja gaismas diode ir jauna, tad viss ir vienkārši: šis secinājums, kas ir nedaudz garāks, ir plus vai anods. Tieši tas ir jāiekļauj barošanas avota plusā, dabiski neaizmirstot par ierobežojošo rezistoru. Bet dažos gadījumos, piemēram, gaismas diode ir noņemta no vecās tāfeles, un secinājumi ir vienāda garuma, ir nepieciešams zvans.

Multimetri šajā situācijā izturas nedaudz nesaprotami. Piemēram, DT838 multimetrs pusvadītāju testa režīmā var vienkārši nedaudz izgaismot testējamo gaismas diodi, bet tajā pašā laikā indikatoram tiek parādīta atvērta ķēde.

Tāpēc dažos gadījumos LED ir labāk pārbaudīt, savienojot tos caur ierobežojošo rezistoru pie enerģijas avota, kā parādīts 10. attēlā. Rezistora vērtība ir 200 ... 500 omi.

10. attēls. LED testa shēma

LED secīgs

11. attēls. Gaismas diožu secīga iekļaušana

Nav grūti aprēķināt ierobežojošā rezistora pretestību. Lai to izdarītu, pievienojiet tiešo spriegumu visām gaismas diodēm, atņemiet to no barošanas avota sprieguma un iegūto atlikumu sadaliet ar doto strāvu.

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

Pieņemsim, ka barošanas avota spriegums ir 12 V, un sprieguma kritums pāri gaismas diodēm ir 2 V, 2,5 V un 1,8 V. Pat ja gaismas diodes tiek ņemtas no vienas kastes, šāda izplatība joprojām var būt!

Atkarībā no uzdevuma tiek iestatīta strāva 20 mA. Atliek aizstāt visas formulas vērtības un iemācīt atbildi.

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

LED paralēli

12. attēls. Gaismas diožu paralēla aktivizēšana

Kreisajā fragmentā visas trīs gaismas diodes ir savienotas caur vienu strāvas ierobežojošo pretestību. Bet kāpēc šī shēma ir izsvītrota, kādi ir tās trūkumi?

Tas ietekmē gaismas diožu izplatību. Vislielākā strāva iet caur LED, kurā sprieguma kritums ir mazāks, tas ir, iekšējā pretestība ir mazāka.Tāpēc ar šo iekļaušanu nebūs iespējams panākt vienmērīgu gaismas diožu mirdzumu. Tāpēc shēma, kas parādīta 12. attēlā labajā pusē, būtu jāatzīst par pareizu shēmu.

 

Boriss Aladyshkin