Het gebruik van LED's in elektronische schakelingen

Iedereen is nu bekend met LED's. Zonder hen is moderne technologie gewoon ondenkbaar. Dit zijn LED-lampen en -lampen, een indicatie van de bedrijfsmodi van verschillende huishoudelijke apparaten, de verlichting van schermen van computerschermen, televisies en vele andere dingen die u zich niet meteen kunt herinneren. Al deze apparaten bevatten LED's in het zichtbare stralingsbereik van verschillende kleuren: rood, groen, blauw (RGB), geel, wit. Met moderne technologie kunt u bijna elke kleur krijgen.

Naast LED's in het zichtbare bereik zijn er LED's voor infrarood en ultraviolet licht. Het belangrijkste toepassingsgebied van dergelijke LED's is automatisering en besturingsapparaten. Onthoud gewoon Afstandsbediening van verschillende huishoudelijke apparaten. Als de eerste afstandsbedieningsmodellen exclusief werden gebruikt voor het bedienen van tv's, kunnen ze nu worden gebruikt om wandverwarmers, airconditioners, ventilatoren en zelfs keukenapparatuur, zoals crockpotten en broodmachines, te bedienen.

Dus wat is een LED?

In feite, lichtdiode niet veel anders dan normaal gelijkricht diode, - allemaal dezelfde p-n-kruising, en allemaal dezelfde basiseigenschap, eenzijdige geleidbaarheid. Toen we de pn-kruising bestudeerden, bleek dat naast de eenzijdige geleidbaarheid, deze kruising ook verschillende extra eigenschappen heeft. In het evolutieproces van de halfgeleidertechnologie zijn deze eigenschappen onderzocht, ontwikkeld en verbeterd.

Sovjet-radiofysicus heeft een grote bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van halfgeleiders Oleg Vladimirovich Losev (1903 - 1942). In 1919 trad hij het beroemde en nog steeds bekende Nizhny Novgorod radiolaboratorium binnen en sinds 1929 werkte hij bij het Leningrad Physics and Technology Institute. Een van de activiteiten van de wetenschapper was de studie van een zwakke, enigszins merkbare gloed van halfgeleiderkristallen. Het is op dit effect dat alle moderne LED's werken.

Deze zwakke luminescentie treedt op wanneer de stroom in voorwaartse richting door de pn-overgang wordt geleid. Maar op dit moment is dit fenomeen zo veel bestudeerd en verbeterd dat de helderheid van sommige LED's zodanig is dat het eenvoudig kan worden verblind.

Het kleurenschema van LED's is erg breed, bijna alle kleuren van de regenboog. Maar de kleur wordt helemaal niet verkregen door de kleur van de LED-behuizing te wijzigen. Dit wordt bereikt door het feit dat doteerstoffen worden toegevoegd aan de pn-overgang. Met de introductie van een kleine hoeveelheid fosfor of aluminium kunt u bijvoorbeeld de kleuren rood en geel krijgen en gallium en indium stralen licht uit van groen naar blauw. De LED-behuizing kan transparant of mat zijn, als de behuizing gekleurd is, is het gewoon een lichtfilter dat overeenkomt met de gloeikleur van de p-n-kruising.

Een andere manier om de gewenste kleur te verkrijgen is de introductie van een fosfor. Fosfor is een stof die zichtbaar licht geeft wanneer het eraan wordt blootgesteld door andere straling, zelfs infrarood. Een klassiek voorbeeld zijn fluorescentielampen. In het geval van LED's wordt wit verkregen door een fosfor aan het blauwe kristal toe te voegen.

Om de stralingsintensiteit te verhogen, hebben bijna alle LED's een focusseerlens. Vaak wordt het eindvlak van een transparant lichaam met een bolvorm als een lens gebruikt. In infrarood lichtgevende dioden lijkt de lens soms ondoorzichtig, rokerig grijs. Hoewel de afgelopen jaren infrarood-LED's eenvoudig verkrijgbaar zijn in een transparante behuizing, worden deze in verschillende afstandsbedieningen gebruikt.

Tweekleurige LED's

Ook bekend bij bijna iedereen. Bijvoorbeeld een oplader voor een mobiele telefoon: tijdens het opladen licht de indicator rood op en aan het einde van het opladen wordt deze groen.Een dergelijke indicatie is mogelijk vanwege het bestaan ​​van tweekleurige LED's, die van verschillende typen kunnen zijn. Het eerste type is LED's met drie uitgangen. Eén behuizing bevat twee LED's, bijvoorbeeld groen en rood, zoals weergegeven in figuur 1.

Figuur 1. Verbindingsdiagram van een tweekleurige LED

De figuur toont een fragment van een circuit met een tweekleurige LED. In dit geval wordt een drie-output LED met een gemeenschappelijke kathode getoond (er zijn ook met een gemeenschappelijke anode) en de verbinding met microcontroller. In dit geval kunt u de ene of de andere LED of beide tegelijk inschakelen. Het zal bijvoorbeeld rood of groen zijn en wanneer u twee LED's tegelijk aanzet, wordt het geel. Als u tegelijkertijd PWM-modulatie gebruikt om de helderheid van elke LED aan te passen, kunt u verschillende tussenliggende tinten krijgen.

In dit circuit moet u letten op het feit dat de beperkende weerstanden afzonderlijk voor elke LED zijn opgenomen, hoewel het lijkt dat u er slechts één kunt doen door deze op te nemen in de algemene uitgang. Maar met deze opname verandert de helderheid van de LED's wanneer een of twee LED's worden ingeschakeld.

Welke spanning is er nodig voor de LED? Deze vraag is vrij vaak te horen, wordt gesteld door diegenen die niet bekend zijn met de specifieke kenmerken van de LED of gewoon door mensen die ver van elektriciteit verwijderd zijn. Tegelijkertijd moet ik uitleggen dat de LED een apparaat is dat wordt bestuurd door stroom en niet door spanning. U kunt de LED minimaal 220V inschakelen, maar de stroom erdoorheen mag de maximaal toelaatbare niet overschrijden. Dit wordt bereikt door de ballastweerstand in serie met de LED aan te zetten.

Maar toch, bij het onthouden van de spanning, moet worden opgemerkt dat het ook een grote rol speelt, omdat de LED's een grote voorwaartse spanning hebben. Als voor een conventionele siliciumdiode deze spanning in de orde van 0,6 ... 0,7 V is, begint deze drempel voor een LED vanaf twee volt en hoger. Daarom van één galvanische cel Met een spanning van 1,5 V licht de LED niet op.

Maar met deze opname bedoelen we 220V, we moeten niet vergeten dat de omgekeerde spanning van de LED vrij klein is, niet meer dan enkele tientallen volt. Daarom worden speciale maatregelen genomen om de LED te beschermen tegen hoge omgekeerde spanning. De eenvoudigste manier is een contra-parallelle verbinding van een beschermende diode, die mogelijk ook niet erg hoogspanning is, bijvoorbeeld KD521. Onder invloed van wisselspanning openen de diodes afwisselend, waardoor ze elkaar beschermen tegen hoge omgekeerde spanning. De schakeling van de beschermende diode is weergegeven in figuur 2.

Figuur 2 Aansluitschemaparallel aan de LEDbeschermende diode

Tweekleurige LED's zijn ook verkrijgbaar in een tweepins pakket. Een verandering in de kleur van de gloed vindt in dit geval plaats wanneer de richting van de stroom verandert. Een klassiek voorbeeld is een indicatie van de draairichting van een DC-motor. Tegelijkertijd moet niet worden vergeten dat de beperkende weerstand noodzakelijkerwijs in serie met de LED is ingeschakeld.

Onlangs is een beperkende weerstand eenvoudig ingebouwd in de LED en vervolgens schrijven ze bijvoorbeeld eenvoudigweg op de prijskaartjes in de winkel dat deze LED 12V is. Knipperende LED's worden ook gekenmerkt door spanning: 3V, 6V, 12V. Binnen dergelijke LED's bevindt zich een microcontroller (deze kan zelfs door een transparante behuizing worden gezien), dus pogingen om de knipperfrequentie te wijzigen, geven geen resultaten. Met deze markering kunt u de LED rechtstreeks op de voeding op de opgegeven spanning inschakelen.

Ontwikkelingen van Japanse amateurradio

Radioamateur blijkt niet alleen in de landen van de voormalige Sovjet-Unie actief te zijn, maar ook in een 'elektronisch land' als Japan. Natuurlijk kan zelfs een Japanse gewone amateur-radioamateur geen zeer complexe apparaten maken, maar individuele circuitoplossingen verdienen aandacht. Je weet nooit in welk schema deze oplossingen van pas kunnen komen.

Hier is een overzicht van relatief eenvoudige apparaten die LED's gebruiken.In de meeste gevallen wordt de controle uitgevoerd door microcontrollers en kunt u nergens naartoe. Zelfs voor een eenvoudig circuit is het eenvoudiger om een ​​kort programma te schrijven en de controller in het DIP-8-pakket te solderen dan verschillende microschakelingen, condensatoren en transistors te solderen. Het is ook aantrekkelijk dat sommige microcontrollers helemaal zonder hulpstukken kunnen werken.

Tweekleurig LED-stuurcircuit

Japanse hammen bieden een interessant schema voor het aansturen van een krachtige tweekleurige LED. Om precies te zijn, twee krachtige LED's met een stroom tot 1A worden hier gebruikt. Maar er moet van worden uitgegaan dat er krachtige tweekleurige LED's zijn. Het diagram is weergegeven in figuur 3.

Figuur 3. Krachtig tweekleurig LED-stuurcircuit

Chip TA7291P is ontworpen voor het aansturen van DC-motoren met een klein vermogen. Het biedt verschillende modi, namelijk: rotatie vooruit, achteruit, stop en remmen. De uitgangstrap van de microschakeling is samengesteld volgens het brugcircuit, waarmee u alle bovenstaande bewerkingen kunt uitvoeren. Maar het was het waard om wat fantasie te maken en nu, alsjeblieft, heeft de microschakeling een nieuw beroep.

De logica van de chip is vrij eenvoudig. Zoals te zien is in figuur 3, heeft de microschakeling 2 ingangen (IN1, IN2) en twee uitgangen (OUT1, OUT2), waarop twee krachtige LED's zijn aangesloten. Wanneer de logische niveaus aan ingangen 1 en 2 hetzelfde zijn (ongeacht 00 of 11), dan zijn de potentialen van de uitgangen gelijk, beide LED's zijn uit.

Op verschillende logische niveaus aan de ingangen werkt de microschakeling als volgt. Als een van de ingangen, bijvoorbeeld IN1, een laag logisch niveau heeft, is de uitgang OUT1 verbonden met een gemeenschappelijke draad. De kathode van de HL2 LED via de weerstand R2 is ook verbonden met een gemeenschappelijke draad. De spanning op de uitgang OUT2 (als er een logische eenheid is op de ingang IN2) is in dit geval afhankelijk van de spanning op de ingang V_ref, waarmee u de helderheid van de LED HL2 kunt aanpassen.

In dit geval wordt de spanning V_ref verkregen uit de PWM-pulsen van de microcontroller met behulp van de integratieketen R1C1, die de helderheid regelt van de LED die op de uitgang is aangesloten. De microcontroller bestuurt ook de ingangen IN1 en IN2, waarmee u een breed scala aan lichttinten en algoritmen voor het aansturen van LED's kunt krijgen. De weerstand van de weerstand R2 wordt berekend op basis van de maximaal toelaatbare stroom van de LED's. Hoe dit te doen wordt hieronder beschreven.

Figuur 4 toont de interne structuur van de TA7291P-chip, het structurele diagram. Het circuit is rechtstreeks uit het gegevensblad overgenomen, daarom wordt een elektromotor afgebeeld als een belasting erop.

Figuur 4Interne apparaatchip TA7291P

Volgens het structurele schema is het gemakkelijk om de huidige paden door de belasting en de methoden voor het regelen van de uitgangstransistoren te traceren. Transistoren worden paarsgewijs ingeschakeld, langs de diagonaal: (linksboven + rechtsonder) of (rechtsboven + linksonder), waarmee u de richting en snelheid van de motor kunt wijzigen. Steek in ons geval een van de LED's aan en controleer de helderheid.

De onderste transistors worden bestuurd door de signalen IN1, IN2 en zijn eenvoudig ontworpen om de diagonalen van de brug in / uit te schakelen. De bovenste transistors worden bestuurd door het Vref-signaal, ze regelen de uitgangsstroom. Het stuurcircuit, eenvoudig weergegeven als een vierkant, bevat ook een kortsluitbeschermingscircuit en andere onvoorziene omstandigheden.

Hoe een beperkende weerstand te berekenen

De wet van Ohm zal altijd helpen bij deze berekeningen. De initiële gegevens voor de berekening laten ze als volgt zijn: de voedingsspanning (U) is 12V, de stroom door de LED (I_HL) is 10mA, de LED is verbonden met een spanningsbron zonder transistors en microschakelingen als een indicator voor opname. Spanningsval op de LED (U_HL) 2V.

Dan is het vrij duidelijk dat de spanning (U-U_HL) nodig zal zijn voor de beperkende weerstand, - de LED zelf "at" twee volt. Dan is de weerstand van de beperkende weerstand

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

Vergeet het SI-systeem niet: spanning in volt, stroom in ampères, het resultaat in Ohm. Als de LED wordt ingeschakeld door de transistor, moet in de eerste beugel de spanning van het collector - emittergedeelte van de open transistor worden afgetrokken van de voedingsspanning. Maar dit is in de regel niemand ooit, nauwkeurigheid tot honderdsten van een procent is hier niet nodig en het zal niet werken vanwege de verspreiding van details van de onderdelen. Alle berekeningen in elektronische circuits geven bij benadering resultaten, de rest moet worden bereikt door debuggen en afstemmen.

Driekleuren LED's

Naast tweekleurig de laatste tijd, wijdverbreid driekleuren RGB-LED's. Hun belangrijkste doel is decoratieve verlichting op podia, op feestjes, op nieuwjaarsvieringen of op disco's. Dergelijke LED's hebben een vierpinsbehuizing, waarvan er een een gemeenschappelijke anode of kathode is, afhankelijk van het specifieke model.

Maar een of twee LED's, zelfs driekleuren, zijn van weinig nut, dus je moet ze combineren in slingers en om slingers te besturen gebruik je allerlei besturingsapparaten, die meestal controllers worden genoemd.

Slingers samenstellen uit individuele LED's is saai en van weinig belang. Daarom begon de industrie de afgelopen jaren te produceren LED-strips in verschillende kleurenevenals banden op basis van driekleuren (RGB) LED's. Als banden met één kleur worden geproduceerd met een spanning van 12V, is de bedrijfsspanning van banden met drie kleuren vaak 24V.

LED-strips worden gekenmerkt door spanning, omdat ze al limietweerstanden bevatten, zodat ze direct op een spanningsbron kunnen worden aangesloten. Bronnen voor power led strip verkocht op dezelfde plaats als de tape.

Om drie-kleuren LED's en linten te besturen, om verschillende lichteffecten te creëren, worden speciale controllers gebruikt. Met hun hulp kunt u eenvoudig de LED's schakelen, de helderheid aanpassen, verschillende dynamische effecten creëren, evenals patronen en zelfs schilderijen tekenen. De oprichting van dergelijke controllers trekt veel hammen aan, natuurlijk degenen die programma's voor microcontrollers kunnen schrijven.

Met een driekleuren-LED kunt u bijna elke kleur krijgen, omdat de kleur op het tv-scherm ook wordt verkregen door slechts drie kleuren te mengen. Hier is het passend om een ​​andere ontwikkeling van de Japanse amateurradio te herinneren. Het schakelschema is weergegeven in figuur 5.

Figuur 5. Verbindingsdiagram van een driekleurige LED

Krachtige 1W driekleurige LED bevat drie emitters. Wanneer de weerstanden op het diagram worden aangegeven, is de kleur van de gloed wit. Door de waarden van de weerstanden te selecteren, is een lichte verandering in schaduw mogelijk: van wit naar wit naar warmwit. In het ontwerp van de auteur is de lamp ontworpen om het interieur van de auto te verlichten. Zullen zij (de Japanners) verdrietig zijn! Om zich geen zorgen te maken over het observeren van de polariteit, is een diodebrug voorzien aan de ingang van het apparaat. Het apparaat is op een broodplank gemonteerd en wordt getoond in figuur 6.

Figuur 6. Ontwikkelingsbord

De volgende ontwikkeling van Japanse radioamateurs is ook automotive. Dit apparaat voor het verlichten van de kamer natuurlijk op witte LED's wordt getoond in figuur 7.

Figuur 7. Schema van het apparaat voor het markeren van het nummer op witte LED's

Het ontwerp gebruikte 6 krachtige ultraheldere LED's met een limietstroom van 35 mA en een lichtstroom van 4 lm. Om de betrouwbaarheid van de LED's te vergroten, is de stroom door hen beperkt tot 27 mA met behulp van een spanningsregelaarchip, opgenomen in het stroomstabilisatorcircuit.

LED's EL1 ... EL3, weerstand R1 vormen samen met de DA1-chip een stroomstabilisator. Een stabiele stroom door de weerstand R1 ondersteunt daarop een spanningsval van 1,25 V. De tweede groep LED's is verbonden met de stabilisator via exact dezelfde weerstand R2, zodat de stroom door de groep LED's EL4 ... EL6 ook op hetzelfde niveau zal worden gestabiliseerd.

Figuur 8 toont het convertorcircuit voor het voeden van een witte LED uit een enkele galvanische cel met een spanning van 1,5 V, wat duidelijk niet voldoende is om de LED te ontsteken. Het convertorcircuit is heel eenvoudig en wordt bestuurd door een microcontroller. In feite is de microcontroller dat wel gewone multivibrator met een pulsfrequentie van ongeveer 40 KHz. Om de laadcapaciteit te vergroten, zijn de uitgangen van de microcontroller parallel gekoppeld.

Figuur 8Convertercircuit voor het voeden van een witte LED

Het schema werkt als volgt. Wanneer de uitgangen PB1, PB2 laag zijn, zijn de uitgangen PB0, PB4 hoog. Op dit moment worden de condensatoren C1, C2 opgeladen via de diodes VD1, VD2 tot ongeveer 1,4V. Wanneer de status van de controlleruitgangen wordt omgekeerd, wordt de som van de spanningen van twee geladen condensatoren plus de spanning van de batterij op de LED toegepast. Aldus zal bijna 4.5V in voorwaartse richting op de LED worden toegepast, wat voldoende is om de LED te ontsteken.

Een vergelijkbare converter kan zonder microcontroller worden geassembleerd, alleen op een logische chip. Een dergelijke schakeling is weergegeven in figuur 9.

Figuur 9

Een rechthoekige oscillatiegenerator is gemonteerd op element DD1.1, waarvan de frequentie wordt bepaald door de waarden van R1, C1. Het is met deze frequentie dat de LED knippert.

Wanneer de output van element DD1.1 hoog is, is de output van DD1.2 natuurlijk hoog. Op dit moment wordt de condensator C2 opgeladen via de diode VD1 vanaf de stroombron. Het laadpad is als volgt: plus de stroombron - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - minus de stroombron. Op dit moment wordt alleen de batterijspanning op de witte LED toegepast, wat niet genoeg is om de LED te verlichten.

Wanneer het niveau laag wordt aan de uitgang van het element DD1.1, verschijnt een hoog niveau aan de uitgang van DD1.2, wat leidt tot het blokkeren van de diode VD1. Daarom wordt de spanning over condensator C2 opgeteld bij de spanning van de batterij en deze hoeveelheid wordt toegepast op weerstand R1 en LED HL1. Deze som van spanningen is voldoende om de HL1-LED in te schakelen. Vervolgens wordt de cyclus herhaald.

Hoe de LED te controleren

Als de LED nieuw is, is alles eenvoudig: die conclusie, die iets langer is, is een plus of anode. Het is het dat moet worden opgenomen in het pluspunt van de voeding, natuurlijk zonder de beperkende weerstand te vergeten. Maar in sommige gevallen is bijvoorbeeld de LED van het oude bord verwijderd en zijn de conclusies even lang, een oproep is vereist.

Multimeters gedragen zich in deze situatie enigszins onbegrijpelijk. Een DT838-multimeter in de halfgeleidertestmodus kan bijvoorbeeld eenvoudig de te testen LED verlichten, maar tegelijkertijd wordt een open circuit weergegeven op de indicator.

Daarom is het in sommige gevallen beter om de LED's te controleren door ze via de beperkende weerstand aan te sluiten op de stroombron, zoals weergegeven in figuur 10. De weerstandswaarde is 200 ... 500 Ohm.

Afbeelding 10. LED-testcircuit

LED sequentieel

Figuur 11. Opeenvolgende opname van LED's

Het is niet moeilijk om de weerstand van de beperkende weerstand te berekenen. Voeg hiervoor de gelijkspanning toe aan alle LED's, trek deze af van de spanning van de stroombron en deel het resulterende residu door de gegeven stroom.

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

Stel dat de spanning van de voeding 12V is en de spanningsval over de LED's 2V, 2,5V en 1,8V is. Zelfs als de LED's uit één doos worden gehaald, kan er nog steeds zo'n spreiding zijn!

Afhankelijk van de taak wordt een stroom van 20 mA ingesteld. Het blijft om alle waarden in de formule te vervangen en het antwoord te onderwijzen.

R = (12– (2 + 2.5 + 1.8)) / 0.02 = 285Ω

LED parallel

Afbeelding 12. Parallelle activering van LED's

Op het linker fragment zijn alle drie de LED's verbonden via een stroombegrenzende weerstand. Maar waarom is dit schema doorgehaald, wat zijn de nadelen?

Het beïnvloedt de verspreiding van de LED's. De grootste stroom zal door de LED gaan, waarbij de spanningsval minder is, dat wil zeggen dat de interne weerstand minder is.Daarom is het met deze opname niet mogelijk om een ​​uniforme gloed van de LED's te bereiken. Daarom moet het schema dat wordt weergegeven in figuur 12 aan de rechterkant worden herkend als het juiste circuit.

 

Boris Aladyshkin