Zastosowanie diod LED w obwodach elektronicznych

Wszyscy znają teraz diody LED. Bez nich nowoczesna technologia jest po prostu nie do pomyślenia. Są to światła i lampy LED, wskazujące tryby działania różnych urządzeń gospodarstwa domowego, podświetlenie ekranów monitorów komputerowych, telewizorów i wiele innych rzeczy, których nawet nie możesz od razu zapamiętać. Wszystkie te urządzenia zawierają diody LED w zakresie promieniowania widzialnego w różnych kolorach: czerwonym, zielonym, niebieskim (RGB), żółtym, białym. Nowoczesna technologia pozwala uzyskać prawie każdy kolor.

Oprócz diod LED w zakresie widzialnym istnieją diody LED na podczerwień i światło ultrafioletowe. Głównym obszarem zastosowania takich diod LED są urządzenia automatyki i sterowania. Po prostu pamiętaj Zdalne sterowanie różnymi urządzeniami gospodarstwa domowego. Jeśli pierwsze modele zdalnego sterowania były używane wyłącznie do sterowania telewizorami, teraz można ich używać do sterowania grzejnikami ściennymi, klimatyzatorami, wentylatorami, a nawet urządzeniami kuchennymi, takimi jak garnki i maszyny do wypieku chleba.

Czym jest dioda LED?

Zasadniczo LED niewiele różni się od zwykłego dioda prostownicza, - wszystkie te same złącza p-n i wszystkie te same podstawowe właściwości, jednostronne przewodnictwo. Kiedy badaliśmy złącze pn, okazało się, że oprócz jednostronnego przewodnictwa, to samo złącze ma również kilka dodatkowych właściwości. W procesie ewolucji technologii półprzewodnikowej właściwości te zostały zbadane, opracowane i ulepszone.

Duży wkład w rozwój półprzewodników wniósł sowiecki radiofizyk Oleg Władimirowicz Łosew (1903–1942). W 1919 r. Wstąpił do słynnego i wciąż znanego laboratorium radiowego Niżny Nowogród, a od 1929 r. Pracował w Instytucie Fizyki i Technologii w Leningradzie. Jednym z działań naukowca było badanie słabego, lekko zauważalnego blasku kryształów półprzewodnikowych. Właśnie na tym działaniu działają wszystkie nowoczesne diody LED.

Ta słaba luminescencja występuje, gdy prąd przepływa przez złącze pn w kierunku do przodu. Ale obecnie zjawisko to zostało tak dokładnie zbadane i poprawione, że jasność niektórych diod LED jest taka, że ​​można go po prostu oślepić.

Kolorystyka diod LED jest bardzo szeroka, prawie wszystkie kolory tęczy. Ale koloru nie uzyskuje się wcale przez zmianę koloru obudowy LED. Uzyskuje się to poprzez dodanie domieszek do złącza pn. Na przykład wprowadzenie niewielkiej ilości fosforu lub aluminium pozwala uzyskać kolory czerwony i żółty, a gal i ind emitują światło z zielonego na niebieski. Obudowa LED może być przezroczysta lub matowa, jeśli obudowa jest kolorowa, to jest to tylko filtr światła odpowiadający kolorowi jarzenia złącza p-n.

Innym sposobem uzyskania pożądanego koloru jest wprowadzenie luminoforu. Fosfor jest substancją, która daje światło widzialne po wystawieniu na działanie innego promieniowania, nawet podczerwieni. Klasycznym przykładem są lampy fluorescencyjne. W przypadku diod LED biel uzyskuje się przez dodanie luminoforu do niebieskiego kryształu.

Aby zwiększyć intensywność promieniowania, prawie wszystkie diody LED mają soczewkę skupiającą. Często powierzchnia czołowa przezroczystego korpusu o kulistym kształcie jest używana jako soczewka. W diodach emitujących światło podczerwone czasami soczewka wydaje się nieprzezroczysta, dymna szarość. Chociaż w ostatnich latach diody podczerwieni są dostępne po prostu w przezroczystej obudowie, są one stosowane w różnych pilotach.

Dwukolorowe diody LED

Znany również prawie wszystkim. Na przykład ładowarka do telefonu komórkowego: podczas ładowania wskaźnik świeci na czerwono, a pod koniec ładowania świeci na zielono.Takie wskazanie jest możliwe dzięki istnieniu dwukolorowych diod LED, które mogą być różnych typów. Pierwszy typ to trzy-wyjściowe diody LED. Jedna obudowa zawiera dwie diody LED, na przykład zieloną i czerwoną, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat podłączenia dwukolorowej diody LED

Na rysunku pokazano fragment obwodu z dwukolorową diodą LED. W tym przypadku pokazana jest trójwyjściowa dioda LED ze wspólną katodą (są też ze wspólną anodą) i jej połączenie z mikrokontroler. W takim przypadku możesz włączyć jedną lub drugą diodę LED lub obie naraz. Na przykład będzie czerwony lub zielony, a po włączeniu dwóch diod LED jednocześnie zmieni kolor na żółty. Jeśli jednocześnie używasz modulacji PWM do regulacji jasności każdej diody LED, możesz uzyskać kilka pośrednich odcieni.

W tym obwodzie należy zwrócić uwagę na fakt, że rezystory ograniczające są zawarte osobno dla każdej diody LED, chociaż wydaje się, że można to zrobić tylko przez włączenie go do ogólnego wyjścia. Ale dzięki temu włączeniu jasność diod LED zmieni się, gdy jedna lub dwie diody LED zostaną włączone.

Jakie napięcie jest potrzebne do diody LED? To pytanie można usłyszeć dość często, zadają je ci, którzy nie są zaznajomieni ze specyfiką diody LED lub po prostu ludzie bardzo daleko od elektryczności. Jednocześnie muszę wyjaśnić, że dioda LED jest urządzeniem sterowanym prądem, a nie napięciem. Możesz włączyć LED co najmniej 220 V, ale prąd przez nią nie powinien przekraczać maksymalnego dopuszczalnego. Osiąga się to poprzez włączenie rezystora statecznika szeregowo z diodą LED.

Ale wciąż, pamiętając napięcie, należy zauważyć, że odgrywa również dużą rolę, ponieważ diody LED mają duże napięcie przewodzące. Jeśli w przypadku konwencjonalnej diody krzemowej napięcie to jest rzędu 0,6 ... 0,7 V, to w przypadku diody LED próg ten zaczyna się od dwóch woltów i powyżej. Dlatego od jedno ogniwo galwaniczne Przy napięciu 1,5 V dioda LED nie świeci.

Ale dzięki temu włączeniu mamy na myśli 220 V, nie powinniśmy zapominać, że napięcie wsteczne diody LED jest dość małe, nie więcej niż kilkadziesiąt woltów. Dlatego w celu ochrony diody LED przed wysokim napięciem wstecznym podejmowane są specjalne środki. Najprostszym sposobem jest połączenie równoległe diody ochronnej, która może również nie być bardzo wysokim napięciem, na przykład KD521. Pod wpływem napięcia przemiennego diody otwierają się naprzemiennie, chroniąc się w ten sposób przed wysokim napięciem wstecznym. Obwód przełączający diodę ochronną pokazano na rysunku 2.

Rycina 2 Schemat połączeńrównolegle do diody LEDdioda ochronna

Dwukolorowe diody LED są również dostępne w pakiecie dwubiegunowym. Zmiana koloru poświaty w tym przypadku następuje, gdy zmienia się kierunek prądu. Klasycznym przykładem jest wskazanie kierunku obrotów silnika prądu stałego. Jednocześnie nie należy zapominać, że rezystor ograniczający jest koniecznie włączony szeregowo z diodą LED.

Ostatnio rezystor ograniczający jest po prostu wbudowany w diodę LED, a następnie, na przykład, na metkach w sklepie po prostu piszą, że ta dioda ma napięcie 12V. Migające diody LED są również oznaczone napięciem: 3V, 6V, 12V. Wewnątrz takich diod LED znajduje się mikrokontroler (można go nawet zobaczyć przez przezroczystą obudowę), więc wszelkie próby zmiany częstotliwości migania nie dają rezultatów. Dzięki temu oznaczeniu można włączyć diodę LED bezpośrednio do zasilacza przy określonym napięciu.

Rozwój japońskiego radia amatorskiego

Okazuje się, że radioamator jest zaangażowany nie tylko w krajach byłego ZSRR, ale także w tak „elektronicznym kraju” jak Japonia. Oczywiście nawet japoński zwykły amator radiowy nie jest w stanie stworzyć bardzo skomplikowanych urządzeń, ale indywidualne rozwiązania obwodów zasługują na uwagę. Nigdy nie wiadomo, w jakim schemacie te rozwiązania mogą się przydać.

Oto przegląd stosunkowo prostych urządzeń wykorzystujących diody LED.W większości przypadków kontrola odbywa się z mikrokontrolerów i nigdzie nie można się dostać. Nawet w przypadku prostego obwodu łatwiej jest napisać krótki program i lutować kontroler w pakiecie DIP-8 niż lutować kilka mikroukładów, kondensatorów i tranzystorów. Atrakcyjne jest również to, że niektóre mikrokontrolery mogą działać bez żadnych dodatków.

Dwukolorowy obwód sterujący LED

Ciekawy schemat sterowania mocną dwukolorową diodą LED oferuje japońska szynka. Dokładniej mówiąc, zastosowano tutaj dwie mocne diody LED o prądzie do 1A. Należy jednak założyć, że istnieją mocne dwukolorowe diody LED. Schemat pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Potężny dwukolorowy obwód sterujący LED

Chip TA7291P jest przeznaczony do sterowania silnikami prądu stałego o małej mocy. Zapewnia kilka trybów, a mianowicie: obrót do przodu, do tyłu, zatrzymanie i hamowanie. Stopień wyjściowy mikroukładu jest montowany zgodnie z obwodem mostka, co pozwala wykonać wszystkie powyższe operacje. Ale warto było sobie wyobrazić, a teraz, proszę, mikroukład ma nowy zawód.

Logika układu jest dość prosta. Jak widać na ryc. 3, mikroukład ma 2 wejścia (IN1, IN2) i dwa wyjścia (OUT1, OUT2), do których podłączone są dwie mocne diody LED. Gdy poziomy logiczne na wejściach 1 i 2 są takie same (bez względu na 00 lub 11), wówczas potencjały wyjść są równe, obie diody LED są wyłączone.

Na różnych poziomach logicznych na wejściach mikroukład działa w następujący sposób. Jeśli jedno z wejść, na przykład IN1, ma niski poziom logiczny, wówczas wyjście OUT1 jest podłączone do wspólnego przewodu. Katoda diody LED HL2 przez rezystor R2 jest również podłączona do wspólnego przewodu. Napięcie na wyjściu OUT2 (jeśli na wejściu IN2 jest jednostka logiczna) w tym przypadku zależy od napięcia na wejściu V_ref, co pozwala wyregulować jasność diody LED HL2.

W tym przypadku napięcie V_ref jest uzyskiwane z impulsów PWM z mikrokontrolera za pomocą układu scalającego R1C1, który kontroluje jasność diody LED podłączonej do wyjścia. Mikrokontroler steruje również wejściami IN1 i IN2, co pozwala uzyskać szeroką gamę odcieni światła i algorytmy do sterowania diodami LED. Rezystancja rezystora R2 jest obliczana na podstawie maksymalnego dopuszczalnego prądu diod LED. Jak to zrobić, zostanie opisane poniżej.

Rysunek 4 pokazuje wewnętrzną strukturę układu TA7291P i jego schemat strukturalny. Obwód został pobrany bezpośrednio z arkusza danych, dlatego silnik elektryczny jest przedstawiony jako obciążenie.

Rycina 4Układ wewnętrzny urządzenia TA7291P

Zgodnie ze schematem strukturalnym łatwo jest prześledzić ścieżki prądu przez obciążenie i metody sterowania tranzystorami wyjściowymi. Tranzystory są włączane parami, po przekątnej: (górny lewy + dolny prawy) lub (górny prawy + dolny lewy), co pozwala zmienić kierunek i częstotliwość obrotów silnika. W naszym przypadku zapal jedną z diod LED i kontroluj jej jasność.

Dolne tranzystory są kontrolowane przez sygnały IN1, IN2 i są zaprojektowane po prostu do włączania / wyłączania przekątnych mostu. Górne tranzystory są sterowane sygnałem Vref, regulują prąd wyjściowy. Obwód sterowania, pokazany po prostu jako kwadrat, zawiera również obwód zabezpieczenia przed zwarciem i inne nieprzewidziane okoliczności.

Jak obliczyć rezystor ograniczający

Prawo Ohma zawsze pomoże w tych obliczeniach. Początkowe dane do obliczeń powinny być następujące: napięcie zasilania (U) wynosi 12 V, prąd przez diodę LED (I_HL) wynosi 10 mA, dioda LED jest podłączona do źródła napięcia bez tranzystorów i mikroukładów jako wskaźnika włączenia. Spadek napięcia na diodzie LED (U_HL) 2 V.

Wtedy jest całkiem oczywiste, że napięcie (U-U_HL) będzie konieczne dla rezystora ograniczającego, - sama dioda LED „zjadła” dwa wolty. Zatem rezystancja rezystora ograniczającego wynosi

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

Nie zapomnij o układzie SI: napięcie w woltach, prąd w amperach, wynik w omach. Jeśli dioda LED jest włączona przez tranzystor, to w pierwszym wsporniku napięcie sekcji kolektor-emiter otwartego tranzystora należy odjąć od napięcia zasilania. Ale z reguły nikt tego nie robi, dokładność do setnych procent nie jest tutaj potrzebna i nie zadziała z powodu rozpowszechnienia się szczegółów części. Wszystkie obliczenia w obwodach elektronicznych dają przybliżone wyniki, resztę należy osiągnąć poprzez debugowanie i dostrajanie.

Trójkolorowe diody LED

Oprócz dwóch tonów ostatnio szeroko rozpowszechnione trójkolorowe diody LED RGB. Ich głównym celem jest dekoracyjne oświetlenie na scenach, na imprezach, podczas uroczystości noworocznych lub dyskotek. Takie diody LED mają czteropinową obudowę, z których jedna jest wspólną anodą lub katodą, w zależności od konkretnego modelu.

Ale jedna lub dwie diody LED, nawet trójkolorowe, są mało przydatne, więc musisz połączyć je w girlandy, a do sterowania girlandami używaj wszelkiego rodzaju urządzeń sterujących, które najczęściej nazywane są kontrolerami.

Montaż girland z poszczególnych diod LED jest nudny i mało interesujący. Dlatego w ostatnich latach przemysł zaczął produkować Taśmy LED w różnych koloracha także taśmy oparte na trójkolorowych diodach LED. Jeśli taśmy jednokolorowe są wytwarzane przy napięciu 12 V, wówczas napięcie robocze taśm trójkolorowych wynosi często 24 V.

Taśmy LED są oznaczone napięciem, ponieważ już zawierają rezystory krańcowe, dzięki czemu można je podłączyć bezpośrednio do źródła napięcia. Źródła dla pasek LED mocy sprzedawane w tym samym miejscu co taśma.

Do sterowania trójkolorowymi diodami LED i wstążkami, do tworzenia różnych efektów świetlnych stosuje się specjalne kontrolery. Za ich pomocą możesz łatwo przełączać diody LED, regulować jasność, tworzyć różne efekty dynamiczne, a także rysować wzory, a nawet obrazy. Stworzenie takich kontrolerów przyciąga wiele szynek, naturalnie tych, którzy potrafią pisać programy dla mikrokontrolerów.

Używając trójkolorowej diody LED, można uzyskać prawie każdy kolor, ponieważ kolor na ekranie telewizora uzyskuje się również przez zmieszanie tylko trzech kolorów. W tym miejscu należy przypomnieć inny rozwój japońskiego radia amatorskiego. Schemat obwodu pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Schemat podłączenia trójkolorowej diody LED

Potężna trójkolorowa dioda LED o mocy 1 W zawiera trzy emitery. Gdy rezystory są pokazane na schemacie, kolor blasku jest biały. Wybierając wartości rezystorów, możliwa jest niewielka zmiana odcienia: z białego na biały na ciepły biały. W projekcie autora lampa przeznaczona jest do oświetlania wnętrza samochodu. Czy oni (Japończycy) będą smutni? Aby nie martwić się o zachowanie biegunowości, na wejściu urządzenia znajduje się mostek diodowy. Urządzenie jest zamontowane na płycie chlebowej i pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Plansza rozwoju

Kolejnym rozwinięciem japońskich amatorów radia jest również motoryzacja. To urządzenie do oświetlania pokoju, oczywiście, białymi diodami LED pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7. Schemat urządzenia do podświetlania liczby na białych diodach LED

W projekcie zastosowano 6 bardzo jasnych diod LED o wysokiej mocy z prądem granicznym 35 mA i strumieniem świetlnym 4 lm. Aby zwiększyć niezawodność diod LED, prąd przez nie jest ograniczony do 27 mA za pomocą układu regulatora napięcia zawartego w obwodzie stabilizatora prądu.

Diody EL1 ... EL3, rezystor R1 wraz z układem DA1 tworzą stabilizator prądu. Stabilny prąd przez rezystor R1 utrzymuje na nim spadek napięcia o 1,25 V. Druga grupa diod LED jest podłączona do stabilizatora przez dokładnie ten sam rezystor R2, więc prąd przez grupę diod EL4 ... EL6 również zostanie ustabilizowany na tym samym poziomie.

Rysunek 8 pokazuje obwód konwertera do zasilania białej diody LED z pojedynczego ogniwa galwanicznego o napięciu 1,5 V, co wyraźnie nie wystarcza do zapalenia diody LED. Obwód konwertera jest bardzo prosty i sterowany mikrokontrolerem. W rzeczywistości jest to mikrokontroler zwykły multiwibrator o częstotliwości impulsu około 40 kHz. Aby zwiększyć nośność, wyjścia mikrokontrolera są parowane równolegle.

Rycina 8Obwód konwertera do zasilania białej diody LED

Schemat działa w następujący sposób. Gdy wyjścia PB1, PB2 są niskie, wyjścia PB0, PB4 są wysokie. W tym czasie kondensatory C1, C2 są ładowane przez diody VD1, VD2 do około 1,4 V. Gdy status wyjść kontrolera zostanie odwrócony, do diody LED zostanie przyłożona suma napięć dwóch naładowanych kondensatorów plus napięcie akumulatora. Tak więc prawie 4,5 V zostanie przyłożone do diody LED w kierunku do przodu, co wystarczy, aby zapalić diodę LED.

Podobny konwerter można zmontować bez mikrokontrolera, tylko na układzie logicznym. Taki obwód pokazano na rysunku 9.

Rycina 9

Prostokątny generator oscylacyjny jest zamontowany na elemencie DD1.1, którego częstotliwość jest określona przez wartości R1, C1. Z tą częstotliwością dioda LED będzie migać.

Kiedy moc wyjściowa elementu DD1.1 jest wysoka, moc wyjściowa DD1.2 jest naturalnie wysoka. W tym momencie kondensator C2 jest ładowany przez diodę VD1 ze źródła zasilania. Ścieżka ładowania jest następująca: plus źródło zasilania - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - minus źródło zasilania. W tej chwili do białej diody LED doprowadzane jest tylko napięcie akumulatora, co nie wystarcza, aby ją zaświecić.

Kiedy poziom staje się niski na wyjściu elementu DD1.1, na wyjściu DD1.2 pojawia się wysoki poziom, co prowadzi do zablokowania diody VD1. Dlatego napięcie na kondensatorze C2 jest dodawane do napięcia akumulatora i ta ilość jest stosowana do rezystora R1 i LED HL1. Ta suma napięć wystarcza do włączenia diody LED HL1. Następnie cykl się powtarza.

Jak sprawdzić diodę LED

Jeśli dioda LED jest nowa, wszystko jest proste: ten wniosek, który jest nieco dłuższy, jest plusem lub anodą. To właśnie musi być uwzględnione w plusie zasilacza, oczywiście nie zapominając o oporniku ograniczającym. Ale w niektórych przypadkach, na przykład, dioda LED została usunięta ze starej płyty, a wnioski są tej samej długości, wymagane jest połączenie.

Multimetry w tej sytuacji zachowują się nieco niezrozumiale. Na przykład multimetr DT838 w trybie testu półprzewodników może po prostu delikatnie oświetlić testowaną diodę LED, ale jednocześnie na wskaźniku jest pokazany obwód otwarty.

Dlatego w niektórych przypadkach lepiej jest sprawdzić diody LED, podłączając je przez rezystor ograniczający do źródła zasilania, jak pokazano na rysunku 10. Wartość rezystora wynosi 200 ... 500 Ohm.

Rysunek 10. Obwód testowy LED

Sekwencyjny LED

Rysunek 11. Sekwencyjne włączenie diod LED

Obliczenie rezystancji rezystora ograniczającego nie jest trudne. Aby to zrobić, dodaj napięcie bezpośrednie do wszystkich diod LED, odejmij je od napięcia źródła zasilania i podziel otrzymaną pozostałość przez podany prąd.

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

Załóżmy, że napięcie zasilacza wynosi 12 V, a spadek napięcia na diodach LED wynosi 2 V, 2,5 V i 1,8 V. Nawet jeśli diody LED są pobierane z jednego pudełka, nadal może istnieć taki spread!

Według warunków zadania ustawiony jest prąd 20 mA. Pozostaje zastąpić wszystkie wartości we wzorze i uczyć odpowiedzi.

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

LED równoległe

Rysunek 12. Równoległa aktywacja diod LED

Na lewym fragmencie wszystkie trzy diody LED są połączone przez jeden opornik ograniczający prąd. Ale dlaczego ten schemat jest przekreślony, jakie są jego wady?

Wpływa na rozprzestrzenianie się diod LED. Największy prąd przejdzie przez diodę LED, w której spadek napięcia jest mniejszy, to znaczy rezystancja wewnętrzna jest mniejsza.Dlatego dzięki temu włączeniu nie będzie możliwe uzyskanie równomiernego świecenia diod LED. Dlatego schemat pokazany na rysunku 12 po prawej stronie należy uznać za prawidłowy obwód.

 

Boris Aladyshkin