Използването на светодиоди в електронни схеми

Всички вече са запознати със светодиодите. Без тях съвременните технологии са просто немислими. Това са LED светлини и лампи, индикация за режимите на работа на различни домакински уреди, осветяването на екраните на компютърни монитори, телевизори и много други неща, които дори не можете да си спомните веднага. Всички тези устройства съдържат светодиоди във видимия диапазон на излъчване на различни цветове: червен, зелен, син (RGB), жълт, бял. Съвременната технология ви позволява да получите почти всеки цвят.

В допълнение към светодиодите във видимия диапазон има светодиоди за инфрачервена и ултравиолетова светлина. Основната област на приложение на такива светодиоди е устройства за автоматизация и управление. Само не забравяйте Дистанционно управление на различни домакински уреди, Ако първите модели на дистанционно управление се използваха изключително за управление на телевизори, сега те могат да се използват за управление на нагреватели на стени, климатици, вентилатори и дори кухненски уреди, като съдове за съдове и хляб.

И така, какво е светодиод?

В действителност, светодиод не се различава много от обикновено изправител диод, - всички едни и същи p-n връзки и едно и също основно свойство, едностранна проводимост. Докато проучвахме pn кръстовището, се оказа, че освен едностранна проводимост, това само съединение има и няколко допълнителни свойства. В процеса на еволюция на полупроводниковата технология тези свойства са изучени, разработени и подобрени.

Голям принос за развитието на полупроводници направи съветският радиофизик Олег Владимирович Лосев (1903 - 1942). През 1919 г. той постъпва в известната и все още добре известна радио лаборатория Нижни Новгород, а от 1929 г. работи в Ленинградския физико-технологичен институт. Една от дейностите на учения беше изследването на слаб, леко забележим блясък на полупроводникови кристали. Именно върху този ефект работят всички съвременни светодиоди.

Тази слаба луминесценция възниква, когато токът се прекара през pn кръстовището в посока напред. Но в момента този феномен е изучен и подобрен толкова много, че яркостта на някои светодиоди е такава, че може просто да се заслепи.

Цветовата схема на светодиодите е много широка, почти всички цветове на дъгата. Но цветът изобщо не се получава чрез промяна на цвета на LED корпуса. Това се постига чрез факта, че добавките се добавят към pn кръстовището. Например въвеждането на малко количество фосфор или алуминий ви позволява да получите цветовете червено и жълто, а галият и индият излъчват светлина от зелено до синьо. Корпусът на LED може да бъде прозрачен или матов, ако корпусът е оцветен, тогава това е просто светлинен филтър, съответстващ на цвета на светене на p-n кръстовището.

Друг начин за получаване на желания цвят е въвеждането на фосфор. Фосфорът е вещество, което дава видима светлина, когато е изложено на него от друго лъчение, дори инфрачервено. Класически пример са флуоресцентни лампи. В случай на светодиоди, бялото се получава чрез добавяне на фосфор към синия кристал.

За да увеличите интензивността на излъчване, почти всички светодиоди имат фокусираща леща. Често крайното лице на прозрачно тяло със сферична форма се използва като леща. В инфрачервените светлинни диоди понякога лещата изглежда непрозрачна, опушена сиво. Въпреки че през последните години инфрачервените светодиоди се предлагат просто в прозрачен калъф, това са тези, използвани в различни дистанционни управления.

Двуцветни светодиоди

Също известен на почти всички. Например зарядно за мобилен телефон: докато се зарежда, индикаторът свети в червено, а в края на зареждането става зелен.Подобна индикация е възможна поради наличието на двуцветни светодиоди, които могат да бъдат от различни видове. Първият тип са триизходни светодиоди. Един корпус съдържа два светодиода, например зелен и червен, както е показано на фигура 1.

Фигура 1. Схема на свързване на двуцветен светодиод

Фигурата показва фрагмент от схема с двуцветен светодиод. В този случай се показва триизходен светодиод с общ катод (има и с общ анод) и връзката му към микроконтролер, В този случай можете да включите един или друг светодиод или и двете едновременно. Например, той ще бъде червен или зелен, а когато включите два светодиода наведнъж, той става жълт. Ако в същото време използвате PWM модулация, за да регулирате яркостта на всеки светодиод, можете да получите няколко междинни нюанса.

В тази схема трябва да обърнете внимание на факта, че ограничителните резистори са включени отделно за всеки светодиод, въпреки че изглежда, че можете да направите само един, като го включите в общия изход. Но с това включване, яркостта на светодиодите ще се промени при включване на един или два светодиода.

Какво напрежение е необходимо за светодиода? Този въпрос може да се чуе доста често, той се задава от тези, които не са запознати със спецификата на светодиода или просто хора, много далеч от електричеството. В същото време трябва да обясня, че светодиодът е устройство, контролирано от ток, а не от напрежение. Можете да включите светодиода поне 220V, но токът през него не трябва да надвишава максимално допустимия. Това се постига чрез включване на баластния резистор последователно със светодиода.

Но все пак, помняйки напрежението, трябва да се отбележи, че той също играе голяма роля, тъй като светодиодите имат голямо напрежение напред. Ако за конвенционален силициев диод това напрежение е от порядъка на 0,6 ... 0,7 V, тогава за светодиод този праг започва от два волта и повече. Следователно от една галванична клетка С напрежение 1,5V, светодиодът не свети.

Но с това включване имаме предвид 220V, не бива да забравяме, че обратното напрежение на светодиода е доста малко, не повече от няколко десетки волта. Следователно, за да се защити светодиодът от високо обратно напрежение, се предприемат специални мерки. Най-лесният начин е контра-паралелно свързване на защитен диод, който също може да не е много високо напрежение, например, KD521. Под влияние на променливото напрежение диодите се отварят последователно, като по този начин се предпазват взаимно от високо обратно напрежение. Защитната верига за превключване на диодите е показана на фигура 2.

Фигура 2 Схема на свързванеуспоредни на светодиодазащитен диод

Двуцветни светодиоди се предлагат и в двупинов пакет. Промяна в цвета на сиянието в този случай се случва, когато посоката на тока се промени. Класически пример е индикация на посоката на въртене на постоянен двигател. В същото време не трябва да забравяме, че ограничаващият резистор задължително се включва последователно със светодиода.

Напоследък ограничаващият резистор е просто вграден в светодиода и след това, например, те просто пишат на етикетите с цените в магазина, че този светодиод е 12V. Също така мигащите светодиоди се маркират с напрежение: 3V, 6V, 12V. Вътре в такива светодиоди има микроконтролер (дори може да се види през прозрачен калъф), така че всякакви опити за промяна на мигащата честота не дават резултати. С тази маркировка можете да включите светодиода директно към захранването при посоченото напрежение.

Разработки на японското любителско радио

Радиолюбителят, оказва се, се занимава не само в страните от бившия СССР, но и в такава "електронна страна" като Япония. Разбира се, дори японски обикновени любители радиолюбители не могат да създават много сложни устройства, но отделните схематични решения заслужават внимание. Никога не знаете в коя схема тези решения могат да ви бъдат полезни.

Ето преглед на сравнително прости устройства, които използват светодиоди.В повечето случаи контролът се осъществява от микроконтролери и не можете да стигнете до никъде. Дори за обикновена схема е по-лесно да напишете кратка програма и да спойкате контролера в пакета DIP-8, отколкото да споявате няколко микросхема, кондензатори и транзистори. Също така е привлекателно, че някои микроконтролери могат да работят без никакви прикачени файлове.

Двуцветна LED контролна верига

Интересна схема за управление на мощен двуцветен светодиод се предлага от японските бутове. По-точно тук се използват два мощни светодиода с ток до 1А. Но, трябва да се приеме, че има мощни двуцветни светодиоди. Диаграмата е показана на фигура 3.

Фигура 3. Мощна двуцветна LED контролна верига

Чип TA7291P е предназначен за управление на двигатели с постоянен ток с малка мощност. Той осигурява няколко режима, а именно: въртене напред, назад, спиране и спиране. Изходният етап на микросхемата се сглобява според мостовата верига, което ви позволява да извършвате всички горепосочени операции. Но си струваше да направим малко въображение и сега, моля, микросхемата има нова професия.

Логиката на чипа е доста проста. Както се вижда от фигура 3, микросхемата има 2 входа (IN1, IN2) и два изхода (OUT1, OUT2), към които са свързани два мощни светодиода. Когато логическите нива на входове 1 и 2 са еднакви (без значение 00 или 11), тогава потенциалите на изходите са равни, и двата светодиода са изключени.

На различни логически нива на входовете микросхемата работи както следва. Ако един от входовете, например, IN1 има ниско логическо ниво, тогава изходът OUT1 е свързан към общ проводник. Катодът на светодиода HL2 през резистора R2 също е свързан към общ проводник. Напрежението на изхода OUT2 (ако има логическа единица на входа IN2) в този случай зависи от напрежението на входа V_ref, което ви позволява да регулирате яркостта на светодиода HL2.

В този случай напрежението V_ref се получава от PWM импулсите от микроконтролера, използвайки интегриращата верига R1C1, която контролира яркостта на светодиода, свързан към изхода. Микроконтролерът също контролира входовете IN1 и IN2, което ви позволява да получите голямо разнообразие от светлинни нюанси и алгоритми за управление на светодиоди. Съпротивлението на резистора R2 се изчислява въз основа на максимално допустимия ток на светодиодите. Как да направите това ще бъде описано по-долу.

Фигура 4 показва вътрешната структура на чипа TA7291P, неговата структурна схема. Веригата е взета директно от листа с данни, следователно електрически мотор е изобразен като товар върху него.

Фигура 4Чип за вътрешно устройство TA7291P

Според структурната схема е лесно да се проследят текущите пътища през товара и методите за управление на изходните транзистори. Транзисторите са включени по двойки, по диагонала: (горен ляв + долен десен) или (горен десен + долен ляв), което ви позволява да промените посоката и скоростта на двигателя. В нашия случай запалете един от светодиодите и контролирайте яркостта му.

Долните транзистори се управляват от сигналите IN1, IN2 и са проектирани просто за включване / изключване на диагоналите на моста. Горните транзистори се управляват от Vref сигнала, те регулират изходния ток. Управляващата верига, показана просто като квадрат, също съдържа защитна верига от късо съединение и други непредвидени обстоятелства.

Как се изчислява ограничаващ резистор

Законът на Ом винаги ще помогне при тези изчисления. Първоначалните данни за изчислението нека да бъдат както следва: захранващото напрежение (U) е 12V, токът през светодиода (I_HL) е 10mA, светодиодът е свързан към източник на напрежение без транзистори и микросхеми като индикатор за включване. Спад на напрежението на светодиода (U_HL) 2V.

Тогава е съвсем очевидно, че напрежението (U-U_HL) ще е необходимо за ограничаващия резистор, - самият светодиод „изяде“ два волта. Тогава съпротивлението на ограничаващия резистор е

R_o = (U-U_HL) / I_HL = (12 - 2) / 0.010 = 1000 (Ω) или 1KΩ.

Не забравяйте за системата SI: напрежение във волта, ток в ампери, резултатът в ома. Ако светодиодът е включен от транзистора, тогава в първата скоба напрежението на секцията колектор - емитер на отворения транзистор трябва да се извади от захранващото напрежение. Но като правило никой никога не прави това, точност до стотни проценти тук не е необходима и няма да се получи поради разпространението в детайлите на частите. Всички изчисления в електронни схеми дават приблизителни резултати, останалото трябва да се постигне чрез отстраняване на грешки и настройка.

Трицветни светодиоди

В допълнение към двутонната напоследък, широко разпространена трицветни RGB светодиоди, Основната им цел е декоративно осветление на сцени, на партита, на новогодишни тържества или в дискотеки. Такива светодиоди имат корпус с четири извода, единият от които е общ анод или катод, в зависимост от конкретния модел.

Но един или два светодиода, дори трицветни, са малко полезни, така че трябва да ги комбинирате в гирлянди, а за да контролирате гирляндите, използвайте всички видове контролни устройства, които най-често се наричат ​​контролери.

Сглобяването на гирлянди от отделни светодиоди е скучно и представлява малък интерес. Затова през последните години индустрията започна да произвежда LED ленти в различни цветовекакто и ленти, базирани на трицветни (RGB) светодиоди. Ако едноцветните ленти се произвеждат при напрежение 12V, тогава работното напрежение на трицветните ленти често е 24V.

LED лентите са маркирани с напрежение, тъй като те вече съдържат ограничаващи резистори, така че те могат да бъдат свързани директно към източник на напрежение. Източници за захранваща лента продава се на същото място като лентата.

За управление на трицветните светодиоди и ленти, за създаване на различни светлинни ефекти се използват специални контролери. С тяхна помощ е лесно да превключвате светодиодите, да регулирате яркостта, да създавате различни динамични ефекти, както и да рисувате шарки и дори снимки. Създаването на такива контролери привлича много хакове, естествено тези, които могат да пишат програми за микроконтролери.

С помощта на трицветен светодиод можете да получите почти всеки цвят, тъй като цветът на телевизионния екран също се получава чрез смесване само на три цвята. Тук е подходящо да си припомним още едно развитие на японското любителско радио. Неговата схема е показана на фигура 5.

Фигура 5. Схема на свързване на трицветен светодиод

Мощният 1W трицветен светодиод съдържа три излъчвателя. Когато резисторите са посочени на диаграмата, цветът на светенето е бял. Избирайки стойностите на резисторите, е възможна лека промяна в нюанса: от бяло в бяло до топло бяло. В авторския дизайн лампата е предназначена да осветява интериора на автомобила. Ще тъгуват ли те (японците)! За да не се притеснявате от спазването на полярността, на входа на устройството е осигурен диоден мост. Устройството е монтирано на дъска и е показано на фигура 6.

Фигура 6. Съвет за развитие

Следващото развитие на японските радиолюбители също е автомобилостроенето. Това устройство за осветяване на стаята, разбира се, върху бели светодиоди е показано на фигура 7.

Фигура 7. Схема на устройството за маркиране на номера върху бели светодиоди

Дизайнът използва 6 високоякостни ултра-ярки светодиоди с ограничаващ ток от 35 mA и светещ поток от 4 lm. За да се увеличи надеждността на светодиодите, токът през тях е ограничен до 27 mA с помощта на чип на регулатор на напрежението, включен в веригата на стабилизатора на тока.

Светодиодите EL1 ... EL3, резистор R1 заедно с чипа DA1 образуват стабилизатор на тока. Стабилен ток през резистора R1, поддържа спад на напрежението от 1,25 V върху него. Втората група светодиоди е свързана към стабилизатора чрез точно същия резистор R2, така че токът през групата светодиоди EL4 ... EL6 също ще бъде стабилизиран на същото ниво.

Фигура 8 показва конверторната верига за подаване на бял светодиод от една галванична клетка с напрежение 1,5 V, което очевидно не е достатъчно за запалване на светодиода. Схемата на конвертора е много проста и се управлява от микроконтролер. Всъщност микроконтролерът е обикновен мултивибратор с честота на пулса около 40KHz. За да увеличите товароносимостта, изходите на микроконтролера се сдвояват паралелно.

Фигура 8Преобразувателна верига за захранване на бял светодиод

Схемата работи както следва. Когато изходите PB1, PB2 са ниски, изходите PB0, PB4 са високи. По това време кондензаторите С1, С2 се зареждат през диоди VD1, VD2 до около 1.4V. Когато състоянието на изходите на контролера се обърне, сумата от напреженията на два заредени кондензатора плюс напрежението на батерията ще бъде приложена към светодиода. По този начин почти 4.5V ще бъде приложен към светодиода в посока напред, което е достатъчно, за да запали светодиода.

Подобен конвертор може да бъде сглобен без микроконтролер, само на логически чип. Такава схема е показана на фигура 9.

Фигура 9

На елемент DD1.1 се сглобява правоъгълен генератор на трептения, честотата на който се определя от стойностите на R1, C1. Именно с тази честота светодиодът ще мига.

Когато изходът на елемент DD1.1 е голям, изходът на DD1.2 е естествено висок. По това време кондензаторът С2 се зарежда през диода VD1 от източника на захранване. Пътят на зареждане е както следва: плюс източника на захранване - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - минус източника на захранване. По това време към бялото светодиод се прилага само напрежението на батерията, което не е достатъчно, за да свети светодиода.

Когато нивото стане ниско при изхода на елемента DD1.1, на изхода на DD1.2 се появява високо ниво, което води до блокиране на диода VD1. Следователно напрежението през кондензатор С2 се добавя към напрежението на акумулатора и това количество се прилага към резистор R1 и LED HL1. Тази сума от напрежения е достатъчна, за да включите светодиода HL1. След това цикълът се повтаря.

Как да проверите светодиода

Ако светодиодът е нов, тогава всичко е просто: този извод, който е малко по-дълъг, е плюс или анод. Именно той трябва да бъде включен в плюс на захранването, естествено да не забравяме ограничаващия резистор. Но в някои случаи например светодиодът е премахнат от старата платка и изводите са със същата дължина, изисква се обаждане.

Мултиметрите в тази ситуация се държат някак неразбираемо. Например, мултицет DT838 в режим на изпитване на полупроводници може просто леко да свети тествания светодиод, но в същото време на индикатора се показва отворена верига.

Следователно в някои случаи е по-добре да проверите светодиодите, като ги свържете през ограничаващия резистор към източника на захранване, както е показано на фигура 10. Стойността на резистора е 200 ... 500 Ohm.

Фигура 10. LED тестова верига

LED последователен

Фигура 11. Последователно включване на светодиоди

Не е трудно да се изчисли съпротивлението на ограничаващия резистор. За да направите това, добавете директното напрежение към всички светодиоди, извадете го от напрежението на източника на енергия и разделете получения остатък от дадения ток.

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

Да предположим, че напрежението на източника на захранване е 12V, а спадът на напрежението върху светодиодите е 2V, 2.5V и 1.8V. Дори ако светодиодите са взети от една кутия, все още може да има такова разпространение!

При условие на задачата се задава ток от 20 mA. Остава да заменим всички стойности във формулата и да научим отговора.

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

LED паралел

Фигура 12. Паралелно активиране на светодиоди

В левия фрагмент и трите светодиода са свързани чрез един резистор за ограничаване на тока. Но защо тази схема е зачеркната, какви са нейните недостатъци?

Той влияе върху разпространението на светодиодите. Най-големият ток ще премине през светодиода, при който спадът на напрежението е по-малък, тоест вътрешното съпротивление е по-малко.Следователно с това включване няма да е възможно да се постигне равномерно сияние на светодиодите. Следователно схемата, показана на фигура 12 вдясно, трябва да бъде разпозната като правилна схема.

 

Борис Аладишкин