Šviesos diodų naudojimas elektroninėse grandinėse

Dabar visi yra susipažinę su šviesos diodais. Be jų šiuolaikinės technologijos tiesiog neįsivaizduojamos. Tai yra LED lemputės ir lempos, įvairių buitinių prietaisų veikimo režimų indikacijos, kompiuterių monitorių, televizorių ekranų apšvietimas ir daugybė kitų dalykų, kurių net negalite atsiminti iš karto. Visuose šiuose įrenginiuose yra įvairių spalvų šviesos diodai, matomi įvairių spalvų: raudona, žalia, mėlyna (RGB), geltona, balta. Šiuolaikinės technologijos leidžia išgauti beveik bet kokią spalvą.

Be matomų diapazonų šviesos diodų, yra ir infraraudonųjų spindulių bei ultravioletinės šviesos šviesos diodų. Pagrindinė tokių šviesos diodų taikymo sritis yra automatikos ir valdymo įtaisai. Tik atsimink Nuotolinis įvairių buitinių prietaisų valdymas. Jei pirmieji nuotolinio valdymo pultų modeliai buvo naudojami tik televizoriams valdyti, dabar jie gali būti naudojami valdyti sieninius šildytuvus, oro kondicionierius, ventiliatorius ir net virtuvės prietaisus, tokius kaip viryklės puodai ir duonos aparatai.

Taigi, kas yra šviesos diodas?

Iš esmės LED nedaug kuo skiriasi nuo įprasto lygintuvo diodas, - visos tos pačios p-n sankryžos ir visos tos pačios pagrindinės savybės, vienpusis laidumas. Kai tyrėme p-n sankryžą, paaiškėjo, kad be vienpusio laidumo, ši sankryža taip pat turi keletą papildomų savybių. Puslaidininkių technologijos evoliucijos procese šios savybės buvo tiriamos, tobulinamos ir tobulinamos.

Didelį indėlį į puslaidininkių vystymąsi padarė sovietinis radiofizikas Olegas Vladimirovičius Losevas (1903 - 1942). 1919 m. Jis pateko į garsiąją ir vis dar gerai žinomą Nižnij Novgorodo radijo laboratoriją, o nuo 1929 m. Dirbo Leningrado fizikos ir technologijos institute. Viena iš mokslininko veiklų buvo silpno, šiek tiek pastebimo, puslaidininkinių kristalų švytėjimo tyrimas. Būtent dėl ​​šio efekto veikia visi šiuolaikiniai šviesos diodai.

Ši silpna liuminescencija atsiranda, kai srovė praleidžiama per pn sankryžą į priekį. Tačiau šiuo metu šis reiškinys buvo tiek ištirtas ir patobulintas, kad kai kurių šviesos diodų ryškumas yra toks, kad jį galima tiesiog užtemdyti.

Šviesos diodų spalvų schema yra labai plati, beveik visos vaivorykštės spalvos. Bet keičiant LED korpuso spalvą spalva visiškai negaunama. Tai pasiekiama tuo, kad į pn sandūrą pridedami dopantai. Pvz., Įvedus nedidelį fosforo ar aliuminio kiekį, galite gauti raudonos ir geltonos spalvos spalvas, o galis ir indis skleidžia šviesą nuo žalios iki mėlynos. LED korpusas gali būti skaidrus arba matinis, jei korpusas yra spalvotas, tai yra tik šviesos filtras, atitinkantis p-n sankryžos švytėjimo spalvą.

Kitas būdas gauti norimą spalvą yra fosforo įvedimas. Fosforas yra medžiaga, suteikianti matomą šviesą, kai ją veikia kita spinduliuotė, netgi infraraudonieji. Klasikinis pavyzdys yra fluorescencinės lempos. Šviesos diodų atveju balta gaunama pridedant fosforą prie mėlynojo kristalo.

Norint padidinti radiacijos intensyvumą, beveik visuose šviesos dioduose yra fokusuojantis objektyvas. Dažnai skaidraus kūno, turinčio sferinę formą, galinis paviršius naudojamas kaip lęšis. Infraraudonųjų spindulių šviesos dioduose kartais objektyvas atrodo nepermatomas, dūmiškai pilkas. Nors pastaraisiais metais infraraudonųjų spindulių šviesos diodai yra prieinami paprasčiausiai permatomu atveju, jie yra naudojami įvairiuose nuotolinio valdymo pultuose.

Dviejų spalvų šviesos diodai

Taip pat žinomas beveik visiems. Pvz., Mobiliojo telefono įkroviklis: kraunant indikatorius šviečia raudonai, o įkrovimo pabaigoje jis tampa žalias.Tokia nuoroda yra įmanoma dėl to, kad yra dviejų spalvų šviesos diodų, kurie gali būti įvairių tipų. Pirmasis tipas yra trijų išėjimų LED. Viename korpuse yra du šviesos diodai, pavyzdžiui, žalia ir raudona, kaip parodyta 1 paveiksle.

Dviejų spalvų šviesos diodų prijungimo schema

Paveiksle pavaizduotas grandinės fragmentas su dviejų spalvų šviesos diodu. Tokiu atveju rodomas trijų išvesties šviesos diodų su bendru katodu (taip pat yra ir su bendru anodu) ryšys su mikrovaldiklis. Tokiu atveju galite įjungti arba vieną, arba kitą šviesos diodą, arba abu vienu metu. Pvz., Jis bus raudonas arba žalias, o kai įjungsite du šviesos diodus iškart, jis pasidarys geltonas. Jei tuo pačiu metu naudojate PWM moduliaciją norėdami sureguliuoti kiekvieno šviesos diodo ryškumą, galite gauti kelis tarpinius atspalvius.

Šioje grandinėje turėtumėte atkreipti dėmesį į tai, kad ribojantys varžai yra pridedami atskirai kiekvienam šviesos diodui, nors atrodytų, kad galite padaryti tik vieną, įtraukdami jį į bendrą išvestį. Tačiau įtraukus LED indikatorių ryškumas pasikeis, kai įjungsite vieną ar du šviesos diodus.

Kokia įtampa reikalinga šviesos diodui? Šį klausimą galima išgirsti gana dažnai, jo klausia tie, kurie nėra susipažinę su šviesos diodo specifika ar tiesiog žmonės, esantys labai toli nuo elektros. Tuo pačiu metu turiu paaiškinti, kad šviesos diodas yra prietaisas, valdomas srovės, o ne pagal įtampą. Galite įjungti šviesos diodą bent 220 V, tačiau per jį srovė neturėtų viršyti didžiausios leistinos. Tai pasiekiama įjungiant balastinį varžą nuosekliai su LED.

Bet vis tiek, prisimenant įtampą, reikia pažymėti, kad ji taip pat vaidina didelį vaidmenį, nes šviesos diodai turi didelę įėjimo įtampą. Jei įprastam silicio diodui ši įtampa yra maždaug 0,6 ... 0,7 V, tai LED atveju ši riba prasideda nuo dviejų voltų ir aukščiau. Todėl nuo viena galvaninė ląstelė Esant 1,5 V įtampai, šviesos diodas neužsidega.

Bet turėdami omenyje šį 220 taškų, neturėtume pamiršti, kad atvirkštinė šviesos diodo įtampa yra gana maža, ne didesnė kaip kelios dešimtys voltų. Todėl, siekiant apsaugoti šviesos diodą nuo aukštos atvirkštinės įtampos, imamasi specialių priemonių. Lengviausias būdas yra priešpriešinis lygiagretus apsauginio diodo sujungimas, kuris taip pat gali būti ne itin aukštos įtampos, pavyzdžiui, KD521. Esant kintamai įtampai, diodai atsidaro pakaitomis, taip apsaugodami vienas kitą nuo aukštos atvirkštinės įtampos. Apsauginės diodų perjungimo schema parodyta 2 paveiksle.

2 pav Elektros schemalygiagrečiai LEDapsauginis diodas

Dviejų spalvų šviesos diodai taip pat tiekiami dviejų kontaktų pakuotėje. Švytėjimo spalva keičiasi šiuo atveju, kai keičiasi srovės kryptis. Klasikinis pavyzdys yra nuolatinės srovės variklio sukimosi krypties nurodymas. Tuo pačiu metu nereikia pamiršti, kad ribojamasis rezistorius būtinai įjungiamas nuosekliai su LED.

Neseniai ribojamasis rezistorius yra tiesiog įmontuotas į LED, o tada, pavyzdžiui, parduotuvėje ant kainų etikečių jie tiesiog rašo, kad šis LED yra 12V. Taip pat mirksinčius šviesos diodus žymi įtampa: 3V, 6V, 12V. Tokių šviesos diodų viduje yra mikrovaldiklis (jį galima pamatyti net per skaidrų dėklą), todėl bet kokie bandymai pakeisti mirksėjimo dažnį neduoda rezultatų. Naudodami šį ženklinimą, galite įjungti šviesos diodą tiesiai į maitinimo šaltinį nurodytoje įtampoje.

Japonijos mėgėjų radijo raida

Radijo mėgėjas, pasirodo, užsiima ne tik buvusios SSRS šalyse, bet ir tokioje „elektroninėje šalyje“ kaip Japonija. Žinoma, net paprastas japonų radijo mėgėjas negali sukurti labai sudėtingų prietaisų, tačiau atskiri grandinių sprendimai verti dėmesio. Niekada negali žinoti, kurioje schemoje šie sprendimai gali būti naudingi.

Čia yra palyginti paprastų prietaisų, kuriuose naudojami šviesos diodai, apžvalga.Daugeliu atvejų valdymas atliekamas iš mikrovaldiklių, o jūs niekur negalite patekti. Net ir paprastos grandinės atveju yra lengviau parašyti trumpą programą ir lituoti valdiklį DIP-8 pakete, nei lituoti keletą mikroschemų, kondensatorių ir tranzistorių. Taip pat patrauklu tai, kad kai kurie mikrovaldikliai gali dirbti be jokių priedų.

Dviejų spalvų LED valdymo grandinė

Įdomią galingo dviejų spalvų LED valdymo schemą siūlo japoniški kumpiai. Tiksliau, čia naudojami du galingi šviesos diodai, kurių srovė yra iki 1A. Tačiau reikia manyti, kad yra galingų dviejų spalvų šviesos diodų. Diagrama parodyta 3 paveiksle.

3 pav. Galinga dviejų spalvų LED valdymo grandinė

Lustas TA7291P skirtas valdyti mažos galios nuolatinės srovės variklius. Jis siūlo keletą režimų, būtent: sukimąsi į priekį, atgal, sustabdymą ir stabdymą. Išėjimo mikroschemos etapas yra surenkamas pagal tilto grandinę, kuri leidžia atlikti visas aukščiau išvardytas operacijas. Bet buvo verta šiek tiek įsivaizduoti, ir dabar, prašau, mikroschema turi naują profesiją.

Lusto logika yra gana paprasta. Kaip matyti 3 paveiksle, mikroschemoje yra 2 įėjimai (IN1, IN2) ir du išėjimai (OUT1, OUT2), prie kurių prijungti du galingi šviesos diodai. Kai loginiai lygiai 1 ir 2 įėjimuose yra vienodi (nesvarbu, 00 ar 11), tada išėjimų potencialai yra vienodi, abu šviesos diodai neveikia.

Skirtingais loginiais lygmenimis įvestyse mikro grandinė veikia taip. Jei vienas iš įėjimų, pavyzdžiui, IN1, turi žemą logikos lygį, tada išėjimas OUT1 yra prijungtas prie bendro laido. HL2 LED katodas per rezistorių R2 taip pat yra prijungtas prie bendro laido. Įtampa išvestyje OUT2 (jei IN2 įvestyje yra loginis vienetas) šiuo atveju priklauso nuo įvesties V_ref įtampos, kuri leidžia jums reguliuoti šviesos diodo HL2 ryškumą.

Tokiu atveju įtampa V_ref gaunama iš PWM impulsų iš mikrovaldiklio, naudojant integravimo grandinę R1C1, kuri kontroliuoja prie išvesties prijungto šviesos diodo ryškumą. Mikrokontroleris taip pat kontroliuoja įėjimus IN1 ir IN2, kurie leidžia jums gauti daugybę įvairių šviesos atspalvių ir algoritmų, skirtų valdyti šviesos diodus. Rezistoriaus R2 varža apskaičiuojama pagal didžiausią leistiną šviesos diodų srovę. Kaip tai padaryti, bus aprašyta žemiau.

4 paveiksle parodyta TA7291P lusto vidinė struktūra, jos struktūrinė schema. Grandinė buvo paimta tiesiai iš duomenų lapo, todėl elektrinis variklis pavaizduotas kaip jo apkrova.

4 pavVidinis įrenginio lustas TA7291P

Pagal struktūrinę schemą lengva atsekti dabartinius kelius per apkrovą ir išėjimo tranzistorių valdymo metodus. Tranzistoriai įjungiami poromis, išilgai įstrižainės: (viršutinė kairė + apatinė dešinė) arba (viršutinė dešinė + apatinė kairė), tai leidžia pakeisti variklio kryptį ir greitį. Mūsų atveju uždekite vieną iš šviesos diodų ir valdykite jo ryškumą.

Apatiniai tranzistoriai yra valdomi signalais IN1, IN2 ir yra skirti tiesiog įjungti / išjungti tilto įstrižaines. Viršutiniai tranzistoriai valdomi Vref signalu, jie reguliuoja išėjimo srovę. Valdymo grandinėje, parodytoje tiesiog kaip kvadratą, taip pat yra trumpojo jungimo apsaugos grandinė ir kitos nenumatytos aplinkybės.

Kaip apskaičiuoti ribojamąjį varžą

Atlikti šiuos skaičiavimus visada padės Ohmo įstatymas. Pradiniai skaičiavimų duomenys leidžia jiems būti tokie: maitinimo įtampa (U) yra 12V, srovė per šviesos diodą (I_HL) yra 10mA, šviesos diodas yra prijungtas prie įtampos šaltinio be jokių tranzistorių ir mikroschemų kaip įtraukimo indikatorius. Įtampos kritimas LED (U_HL) 2V.

Tuomet visiškai akivaizdu, kad ribojančiam rezistoriui bus reikalinga įtampa (U-U_HL), - pats šviesos diodas „suvalgė“ du voltus. Tada ribojamojo rezistoriaus varža yra

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

Nepamirškite apie SI sistemą: įtampa voltais, srovė amperais, rezultatas Ohm. Jei LED įjungia tranzistorius, tada pirmajame laikiklyje iš maitinimo įtampos turėtų būti atimta atvirojo tranzistoriaus kolektoriaus - emiterio sekcijos įtampa. Tačiau paprastai to niekada nedaro, tikslumo iki šimtosios procentų čia nereikia, ir jis nebus veiksmingas dėl detalių detalių paplitimo. Visi skaičiavimai elektroninėse schemose pateikia apytikslius rezultatus, o likusią dalį reikia pasiekti derinant ir derinant.

Trispalviai šviesos diodai

Be dviejų tonų pastaruoju metu plačiai paplitęs trijų spalvų RGB šviesos diodai. Pagrindinis jų tikslas yra dekoratyvus apšvietimas scenose, vakarėliuose, Naujųjų metų šventėse ar diskotekose. Tokie šviesos diodai turi keturių kontaktų korpusą, vienas iš jų yra įprastas anodas arba katodas, atsižvelgiant į konkretų modelį.

Tačiau vienas ar du šviesos diodai, net trispalviai, mažai naudojami, todėl jūs turite juos sujungti į girliandas, o norėdami valdyti girliandas naudokite visų rūšių valdymo įtaisus, kurie dažniausiai vadinami valdikliais.

Surinkti girliandas iš atskirų šviesos diodų yra nuobodus ir mažai dominantis. Todėl pastaraisiais metais pramonė pradėjo gaminti Įvairių spalvų LED juostostaip pat juostos, kurių pagrindą sudaro trijų spalvų (RGB) šviesos diodai. Jei vienspalviai juostos gaminamos esant 12 V įtampai, tada trijų spalvų juostų darbinė įtampa dažnai yra 24 V.

LED juostos yra pažymėtos įtampa, nes juose jau yra ribiniai rezistoriai, todėl jas galima prijungti tiesiai prie įtampos šaltinio. Šaltiniai maitinimo šaltinio juostelė parduodamas toje pačioje vietoje kaip ir juosta.

Trijų spalvų šviesos diodams ir juostelėms valdyti, įvairiems apšvietimo efektams kurti naudojami specialūs valdikliai. Jų pagalba galite lengvai perjungti šviesos diodus, reguliuoti ryškumą, sukurti įvairius dinaminius efektus, taip pat piešti modelius ir net paveikslus. Tokių valdiklių sukūrimas pritraukia daugybę žiurkėnų, natūraliai tuos, kurie gali rašyti programas mikrovaldikliams.

Naudodamiesi trijų spalvų šviesos diodu, galite gauti beveik bet kokias spalvas, nes televizoriaus ekrane spalva taip pat gaunama maišant tik tris spalvas. Čia reikėtų prisiminti kitą Japonijos mėgėjų radijo raidą. Jo grandinės schema parodyta 5 paveiksle.

Trijų spalvų šviesos diodų prijungimo schema

Galingoje 1 W 3 spalvų LED lemputėje yra trys skleidėjai. Kai schemoje yra nurodyti rezistoriai, spindesio spalva yra balta. Pasirinkus varžų vertes, įmanoma šiek tiek pakeisti atspalvį: nuo baltos iki baltos iki šiltai baltos. Autoriaus sumanyme lempa skirta apšviesti automobilio saloną. Ar jie (japonai) bus liūdni! Norint nesijaudinti stebint poliškumą, prietaiso įvestyje yra diodų tiltas. Įrenginys sumontuotas ant duonos lentos ir parodytas 6 paveiksle.

6 pav. Plėtros lenta

Kitas Japonijos radijo mėgėjų vystymasis taip pat yra automobilių pramonė. Šis patalpos apšvietimo įtaisas, be abejo, ant baltų šviesos diodų, parodytas 7 paveiksle.

7 pav. Numerio paryškinimo ant baltų šviesos diodų prietaiso schema

Projekte buvo naudojami 6 labai galingi ypač ryškūs šviesos diodai, kurių ribinė srovė yra 35 mA, o šviesos srautas - 4 lm. Norint padidinti šviesos diodų patikimumą, srovė per juos yra ribojama iki 27 mA, naudojant įtampos reguliatoriaus lustą, įeinantį į srovės stabilizatoriaus grandinę.

Šviesos diodai EL1 ... EL3, rezistorius R1 kartu su DA1 mikroschema sudaro srovės stabilizatorių. Stabili srovė per rezistorių R1 palaiko 1,25 V įtampos kritimą. Antroji šviesos diodų grupė yra prijungta prie stabilizatoriaus per tiksliai tą patį rezistorių R2, taigi srovė per šviesos diodų grupę EL4 ... EL6 taip pat bus stabilizuota tame pačiame lygyje.

8 paveiksle pavaizduota keitiklio grandinė, skirta tiekti baltą šviesos diodą iš vieno galvaninio elemento, kurio įtampa yra 1,5 V, o to aiškiai nepakanka LED uždegti. Keitiklio grandinė yra labai paprasta ir valdoma mikrovaldiklio. Tiesą sakant, mikrovaldiklis yra paprastas multivibratorius kurių impulsų dažnis yra apie 40KHz. Norėdami padidinti apkrovos galią, mikrovaldiklio išėjimai yra suporuoti lygiagrečiai.

8 pavKeitiklio grandinė, skirta maitinti baltą šviesos diodą

Schema veikia taip. Kai išvestys PB1, PB2 yra žemos, išėjimai PB0, PB4 yra aukšti. Šiuo metu kondensatoriai C1, C2 įkraunami per diodus VD1, VD2 iki maždaug 1,4 V. Kai valdiklio išėjimų būsena bus pakeista, šviesos diodui bus taikoma dviejų įkrautų kondensatorių įtampų suma kartu su akumuliatoriaus įtampa. Taigi, šviesos diodui į priekį bus pritaikyta beveik 4,5 V, to užtenka šviesos diodui uždegti.

Panašų keitiklį galima surinkti be mikrovaldiklio, tiesiog ant logikos lusto. Tokia grandinė parodyta 9 paveiksle.

9 pav

Ant elemento DD1.1 surinktas stačiakampis virpesių generatorius, kurio dažnis nustatomas pagal R1, C1 reikšmes. Būtent tokiu dažniu šviesos diodas mirksi.

Kai elemento DD1.1 išėjimas yra didelis, DD1.2 išėjimas yra natūraliai didelis. Šiuo metu kondensatorius C2 įkraunamas per diodą VD1 iš maitinimo šaltinio. Įkrovimo kelias yra toks: plius energijos šaltinis - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - atėmus energijos šaltinį. Šiuo metu baltam šviesos diodui taikoma tik akumuliatoriaus įtampa, kurio nepakanka šviesos diodui uždegti.

Kai lygis tampa žemas elemento DD1.1 išvestyje, DD1.2 išvestyje pasirodo aukštas lygis, dėl kurio blokuojamas diodas VD1. Todėl įtampa, esanti per kondensatorių C2, pridedama prie akumuliatoriaus įtampos ir ši suma taikoma rezistoriui R1 ir LED HL1. Šios įtampos sumos pakanka įjungti „HL1“ LED. Kitas ciklas kartojasi.

Kaip patikrinti šviesos diodą

Jei šviesos diodas yra naujas, tada viskas paprasta: ta išvada, kuri yra šiek tiek ilgesnė, yra pliusas ar anodas. Būtent jis turi būti įtrauktas į maitinimo šaltinio pliusą, natūraliai nepamirštant apie ribojamąjį rezistorių. Bet kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, šviesos diodas buvo pašalintas iš senosios plokštės, o išvados yra vienodo ilgio, reikia skambučio.

Multimetrai šioje situacijoje elgiasi šiek tiek nesuprantamai. Pavyzdžiui, DT838 multimetras puslaidininkių bandymo režimu gali tiesiog šiek tiek apšviesti bandomą šviesos diodą, tačiau tuo pačiu metu indikatoriuje rodoma atvira grandinė.

Todėl kai kuriais atvejais šviesos diodus geriau patikrinti sujungiant juos per ribojantįjį varžą prie maitinimo šaltinio, kaip parodyta 10 paveiksle. Rezistoriaus vertė yra 200 ... 500 omų.

10 pav. LED bandymo grandinė

LED nuoseklusis

11 pav. Šviesos diodų nuoseklus įtraukimas

Apskaičiuoti ribojančio rezistoriaus varžą nėra sunku. Norėdami tai padaryti, pridėkite tiesioginę įtampą prie visų šviesos diodų, atimkite ją iš maitinimo šaltinio įtampos ir gautą liekaną padalinkite iš nurodytos srovės.

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

Tarkime, kad maitinimo šaltinio įtampa yra 12 V, o įtampos kritimas per šviesos diodus yra 2 V, 2,5 V ir 1,8 V. Net jei šviesos diodai imami iš vienos dėžutės, vis tiek gali būti toks sklidimas!

Pagal užduotį nustatoma 20 mA srovė. Belieka pakeisti visas reikšmes formulėje ir išmokyti atsakymą.

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

Šviesos diodas lygiagretus

12 paveikslas. Lygiagretus šviesos diodų įjungimas

Kairiajame fragmente visi trys šviesos diodai yra sujungti per vieną srovę ribojantį varžą. Bet kodėl ši schema išbraukta, kokie jos trūkumai?

Tai turi įtakos šviesos diodų sklaidai. Didžiausia srovė eis per šviesos diodą, kuriame įtampos kritimas yra mažesnis, tai yra, vidinė varža yra mažesnė.Taigi, naudojant šį įtraukimą, neįmanoma pasiekti vienodo šviesos diodų spindesio. Todėl schema, parodyta 12 paveiksle dešinėje, turėtų būti pripažinta tinkama grandine.

 

Borisas Aladyshkinas