Utilizarea LED-urilor în circuitele electronice

Toată lumea este familiarizată cu LED-urile acum. Fără ele, tehnologia modernă este pur și simplu de neconceput. Acestea sunt lumini și lămpi cu LED, o indicație a modurilor de funcționare ale diferitelor aparate electrocasnice, iluminarea ecranelor monitoarelor de calculator, televizoare și multe alte lucruri pe care nu le puteți aminti chiar imediat. Toate aceste dispozitive conțin LED-uri în gama de radiații vizibile de diferite culori: roșu, verde, albastru (RGB), galben, alb. Tehnologia modernă vă permite să obțineți aproape orice culoare.

Pe lângă LED-urile aflate în raza vizibilă, există LED-uri pentru lumină în infraroșu și ultraviolete. Principalul domeniu de aplicare a acestor LED-uri îl reprezintă dispozitivele de automatizare și control. Doar amintiți-vă Telecomanda diferitelor electrocasnice. Dacă primele modele de telecomandă au fost utilizate exclusiv pentru controlul televizoarelor, acum pot fi folosite pentru a controla încălzitoarele de perete, aparate de aer condiționat, ventilatoare și chiar aparate de bucătărie, cum ar fi vasele de croșetat și mașinile de pâine.

Deci, ce este un LED?

De fapt, Lumina diodice nu diferă cu mult de obicei dioda redresoare, - aceeași joncțiune p-n și toată aceeași proprietate de bază, conductivitate unilaterală. Pe măsură ce am studiat joncțiunea pn, s-a dovedit că, pe lângă conductivitatea unilaterală, această joncțiune are și câteva proprietăți suplimentare. În procesul de evoluție a tehnologiei cu semiconductor, aceste proprietăți au fost studiate, dezvoltate și îmbunătățite.

Radiofizicianul sovietic a adus o mare contribuție la dezvoltarea semiconductorilor Oleg Vladimirovici Losev (1903 - 1942). În 1919 a intrat în faimosul și încă binecunoscutul laborator de radio Nizhny Novgorod, iar din 1929 a lucrat la Institutul de fizică și tehnologie din Leningrad. Una dintre activitățile omului de știință a fost studiul unei străluciri slabe, ușor vizibile, a cristalelor semiconductoare. În acest sens, toate LED-urile moderne funcționează.

Această luminiscență slabă apare atunci când curentul este trecut prin joncțiunea pn în direcția înainte. În prezent, acest fenomen a fost studiat și îmbunătățit atât de mult, încât luminozitatea unor LED-uri este astfel încât poate fi pur și simplu orbit.

Schema de culori a LED-urilor este foarte largă, aproape toate culorile curcubeului. Dar culoarea nu se obține deloc prin schimbarea culorii carcasei LED. Acest lucru este obținut prin faptul că se adaugă dopanți la joncțiunea pn. De exemplu, introducerea unei cantități mici de fosfor sau aluminiu vă permite să obțineți culorile roșu și galben, iar galiul și indiul emit lumină de la verde la albastru. Carcasa LED poate fi transparentă sau mată, dacă carcasa este colorată, atunci este doar un filtru de lumină corespunzător culorii strălucitoare a joncțiunii p-n.

O altă modalitate de a obține culoarea dorită este introducerea unui fosfor. Fosforul este o substanță care dă lumină vizibilă atunci când este expusă acesteia prin alte radiații, chiar și în infraroșu. Un exemplu clasic îl reprezintă lămpile fluorescente. În cazul LED-urilor, albul este obținut prin adăugarea unui fosfor la cristalul albastru.

Pentru a crește intensitatea radiației, aproape toate ledurile au un obiectiv de focalizare. Adesea, ca lentilă se folosește fața finală a unui corp transparent care are o formă sferică. În diodele cu emisie de lumină infraroșie, uneori obiectivul pare a fi opac, gri fum. Deși în ultimii ani, LED-urile infraroșii sunt disponibile pur și simplu într-un caz transparent, acestea sunt cele utilizate în diferite telecomenzi.

LED-uri bi-color

De asemenea, cunoscut aproape tuturor. De exemplu, un încărcător pentru un telefon mobil: în timpul încărcării, indicatorul se aprinde în roșu, iar la sfârșitul încărcării devine verde.O astfel de indicație este posibilă datorită existenței LED-urilor în două culori, care pot fi de diferite tipuri. Primul tip este LED-urile cu trei ieșiri. O carcasă conține două LED-uri, de exemplu, verde și roșu, așa cum se arată în figura 1.

Figura 1. Schema de conectare a unui LED în două culori

Figura prezintă un fragment dintr-un circuit cu un LED în două culori. În acest caz, este afișat un LED cu trei ieșiri cu un catod comun (există și cu un anod comun) și conexiunea sa la microcontroler. În acest caz, puteți porni unul sau celălalt LED, sau ambele simultan. De exemplu, acesta va fi roșu sau verde, iar când porniți două LED-uri simultan, acesta devine galben. Dacă în același timp utilizați modularea PWM pentru a regla luminozitatea fiecărui LED, puteți obține mai multe nuanțe intermediare.

În acest circuit, ar trebui să fiți atenți la faptul că rezistențele de limitare sunt incluse separat pentru fiecare LED, deși s-ar părea că puteți face doar una incluzând-o în ieșirea generală. Însă, odată cu această includere, luminozitatea LED-urilor se va schimba atunci când unul sau două LED-uri sunt pornite.

Ce tensiune este necesară pentru LED? Această întrebare poate fi auzită destul de des, aceasta este adresată de către cei care nu sunt familiarizați cu specificul LED-ului sau doar oamenii foarte departe de electricitate. În același timp, trebuie să explic că LED-ul este un dispozitiv controlat de curent și nu de tensiune. Puteți porni LED-ul de cel puțin 220V, dar curentul prin care nu trebuie să depășească maximul admis. Acest lucru se realizează prin pornirea rezistenței de balast în serie cu LED-ul.

Dar totuși, amintind de tensiune, trebuie remarcat faptul că joacă și un rol important, deoarece LED-urile au o tensiune mare înainte. Dacă pentru o diodă convențională de siliciu această tensiune este de ordinul 0,6 ... 0,7 V, atunci pentru un LED, acest prag pornește de la două volți și mai sus. Prin urmare din o celulă galvanică Cu o tensiune de 1,5V, LED-ul nu se aprinde.

Dar, cu această includere, înseamnă 220V, nu trebuie să uităm că tensiunea inversă a LED-ului este destul de mică, nu mai mult de câteva zeci de volți. Prin urmare, pentru a proteja LED-ul de tensiune inversă mare, se iau măsuri speciale. Cea mai simplă cale este conectarea contra-paralelă a unei diode de protecție, care poate să nu fie, de asemenea, foarte înaltă tensiune, de exemplu, KD521. Sub influența tensiunii alternative, diodele se deschid alternativ, protejându-se astfel reciproc de tensiunea inversă mare. Circuitul de comutare a diodei de protecție este prezentat în figura 2.

Figura 2 Schema de cablareparalel cu LED-uldioda protectoare

LED-urile în două culori sunt de asemenea disponibile într-un pachet cu doi pini. O schimbare a culorii strălucirii în acest caz apare atunci când direcția curentului se schimbă. Un exemplu clasic este o indicație a direcției de rotație a unui motor cu curent continuu. În același timp, nu trebuie să uităm că rezistența de limitare este pornită în mod necesar în serie cu LED-ul.

Recent, un rezistor limitant este pur și simplu încorporat în LED, iar apoi, de exemplu, pur și simplu scriu pe etichetele de preț din magazin că acest LED este de 12V. De asemenea, LED-urile intermitente sunt marcate de tensiune: 3V, 6V, 12V. În astfel de LED-uri există un microcontroller (poate fi văzut chiar și printr-o carcasă transparentă), astfel încât orice încercări de schimbare a frecvenței intermitente nu dau rezultate. Cu acest marcaj, puteți porni ledul direct la sursa de alimentare la tensiunea specificată.

Evoluții ale radioamatorilor japonezi amatori

Se pare că radioamatorul este angajat nu numai în țările fostei URSS, ci și într-o astfel de „țară electronică” precum Japonia. Desigur, chiar și un radioamator japonez amator obișnuit nu poate crea dispozitive foarte complexe, dar soluțiile individuale de circuit merită atenție. Nu știi niciodată în ce schemă aceste soluții pot veni la îndemână.

Iată o imagine de ansamblu asupra dispozitivelor relativ simple care folosesc LED-uri.În cele mai multe cazuri, controlul este efectuat de la microcontrolere și nu puteți ajunge nicăieri. Chiar și pentru un circuit simplu, este mai ușor să scrieți un program scurt și să livrați controlerul în pachetul DIP-8 decât să lipiți mai multe microcircuite, condensatoare și tranzistoare. De asemenea, este atractiv faptul că unele microcontrolere pot funcționa fără a fi atașate deloc.

Circuit de control cu ​​două culori LED

O gamă interesantă de control al unui LED puternic în două culori este oferită de hams japonezi. Mai precis, aici sunt folosite două LED-uri puternice cu un curent de până la 1A. Dar trebuie să presupunem că există LED-uri puternice în două culori. Diagrama este prezentată în figura 3.

Figura 3. Circuit puternic de control cu ​​două culori LED

Chip TA7291P este proiectat pentru a controla motoarele de curent continuu de mică putere. Oferă mai multe moduri, și anume: rotire înainte, înapoi, oprire și frânare. Etapa de ieșire a microcircuitului este asamblată în conformitate cu circuitul punte, care vă permite să efectuați toate operațiunile de mai sus. Însă merita să-ți creeze ceva imaginație și acum, te rog, microcircuitul are o nouă profesie.

Logica cipului este destul de simplă. După cum se poate observa în figura 3, microcircuitul are 2 intrări (IN1, IN2) și două ieșiri (OUT1, OUT2), la care sunt conectate două LED-uri puternice. Când nivelurile logice la intrările 1 și 2 sunt aceleași (indiferent de 00 sau 11), atunci potențialele ieșirilor sunt egale, ambele LED-uri sunt stinse.

La diferite niveluri logice la intrări, microcircuitul funcționează după cum urmează. Dacă una dintre intrări, de exemplu, IN1 are un nivel logic scăzut, atunci ieșirea OUT1 este conectată la un fir comun. Catodul LED-ului HL2 prin rezistența R2 este, de asemenea, conectat la un fir comun. Tensiunea la ieșire OUT2 (dacă există o unitate logică la intrarea IN2) în acest caz depinde de tensiunea de la intrarea V_ref, ceea ce vă permite să reglați luminozitatea LED-ului HL2.

În acest caz, tensiunea V_ref este obținută din impulsurile PWM de la microcontroler folosind circuitul de integrare R1C1, care controlează luminozitatea LED-ului conectat la ieșire. Microcontrolerul controlează, de asemenea, intrările IN1 și IN2, ceea ce vă permite să obțineți o mare varietate de nuanțe de lumină și algoritmi pentru controlul LED-urilor. Rezistența rezistorului R2 este calculată pe baza curentului maxim admisibil al LED-urilor. Cum se face acest lucru va fi descris mai jos.

Figura 4 prezintă structura internă a cipului TA7291P, diagrama sa structurală. Circuitul a fost luat direct din fișa tehnică, prin urmare, un motor electric este prezentat ca o sarcină pe el.

Figura 4Chip de dispozitiv intern TA7291P

Conform schemei structurale, este ușor de urmărit traseele curente prin sarcină și metodele de control a tranzistoarelor de ieșire. Tranzistoarele sunt activate în perechi, de-a lungul diagonalei: (stânga sus + dreapta jos) sau (dreapta sus + stânga jos), ceea ce vă permite să schimbați direcția și viteza motorului. În cazul nostru, aprindeți unul dintre LED-uri și controlați luminozitatea.

Tranzistoarele inferioare sunt controlate de semnalele IN1, IN2 și sunt concepute pur și simplu pentru a porni / opri diagonalele podului. Tranzistoarele superioare sunt controlate de semnalul Vref, reglează curentul de ieșire. Circuitul de control, prezentat pur și simplu ca un pătrat, conține, de asemenea, un circuit de protecție la scurtcircuit și alte circumstanțe neprevăzute.

Cum se calculează un rezistor de limitare

Legea lui Ohm va ajuta întotdeauna în aceste calcule. Datele inițiale pentru calcul sunt următoarele: tensiunea de alimentare (U) este de 12V, curentul prin LED (I_HL) este de 10mA, LED-ul este conectat la o sursă de tensiune fără tranzistori și microcircuite ca indicator al incluziunii. Scădere de tensiune pe LED (U_HL) 2V.

Atunci este destul de evident că tensiunea (U-U_HL) va fi necesară pentru rezistența de limitare, - LED-ul însuși „a mâncat” doi volți. Atunci rezistența de rezistență limitantă este

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

Nu uitați de sistemul SI: tensiunea în volți, curentul în amperi, rezultatul în Ohms. Dacă ledul este pornit de tranzistor, atunci în primul suport, tensiunea secțiunii colector - emițător a tranzistorului deschis trebuie scăzută de la tensiunea de alimentare. Dar, de regulă, nimeni nu face acest lucru, nu este nevoie de acuratețe până la sutimi de procente aici și nu va funcționa din cauza răspândirii detaliilor pieselor. Toate calculele din circuitele electronice dau rezultate aproximative, restul trebuie realizat prin depanare și reglare.

LED-uri tricolore

În plus față de două tonuri în ultima vreme, răspândită LED-uri RGB tri-color. Scopul lor principal este iluminatul decorativ pe scene, la petreceri, la sărbătorile de Anul Nou sau la discoteci. Astfel de leduri au o carcasă cu patru pini, dintre care unul este un anod sau un catod comun, în funcție de modelul specific.

Dar unul sau două LED-uri, chiar tri-color, sunt de mică folosință, așa că trebuie să le combinați în ghirlande, iar pentru a controla ghirlandele folosiți tot felul de dispozitive de control, care sunt cel mai adesea numite controlere.

Asamblarea ghirlandelor de pe LED-uri individuale este plictisitoare și de puțin interes. Prin urmare, în ultimii ani, industria a început să producă Benzi LED în diferite culoriprecum și benzi bazate pe leduri tri-color (RGB). Dacă benzile monocolorante sunt produse la o tensiune de 12V, atunci tensiunea de funcționare a benzilor cu trei culori este adesea de 24V.

Benzile LED sunt marcate de tensiune, deoarece conțin deja rezistențe limită, astfel încât pot fi conectate direct la o sursă de tensiune. Surse pentru benzi cu putere vândut în același loc cu banda.

Pentru a controla leduri și panglici în trei culori, pentru a crea diverse efecte de iluminare, se utilizează regulatoare speciale. Cu ajutorul lor, puteți comuta cu ușurință ledurile, regla luminozitatea, crea diverse efecte dinamice, precum și desena modele și chiar tablouri. Crearea unor astfel de controlere atrage mulți hams, în mod natural cei care pot scrie programe pentru microcontrolere.

Folosind un LED în trei culori, puteți obține aproape orice culoare, deoarece culoarea de pe ecranul televizorului este obținută și amestecând doar trei culori. Aici este cazul să amintim o altă dezvoltare a radioului amator japonez. Diagrama circuitului său este prezentată în figura 5.

Figura 5. Schema de conectare a unui LED în trei culori

Puternicul LED cu trei culori de 1W conține trei emițătoare. Când rezistențele sunt indicate pe diagrama, culoarea strălucirii este albă. Prin selectarea valorilor rezistorului, este posibilă o ușoară schimbare a nuanței: de la alb rece la alb cald. În designul autorului, lampa este concepută pentru a lumina interiorul mașinii. Vor fi ei (japonezii) tristi! Pentru a nu vă face griji cu privire la respectarea polarității, la intrarea dispozitivului este prevăzută o punte de diodă. Dispozitivul este montat pe o placă de panou și este prezentat în figura 6.

Figura 6. Consiliul de dezvoltare

Următoarea dezvoltare a radioamatorilor japonezi este, de asemenea, auto. Acest dispozitiv pentru iluminarea camerei, desigur, pe LED-uri albe este prezentat în figura 7.

Figura 7. Schema dispozitivului pentru evidențierea numărului de LED-uri albe

Designul a folosit 6 LED-uri ultra-luminoase de mare putere, cu un curent limitativ de 35 mA și un flux luminos de 4 lm. Pentru a crește fiabilitatea LED-urilor, curentul prin ele este limitat la 27 mA folosind un cip regulator de tensiune, inclus în circuitul stabilizator de curent.

LED-urile EL1 ... EL3, rezistența R1 împreună cu cipul DA1 formează un stabilizator de curent. Un curent stabil prin rezistența R1, suportă o cădere de tensiune de 1,25 V pe ea. Al doilea grup de LED-uri este conectat la stabilizator prin exact aceeași rezistență R2, astfel încât curentul prin grupul de LED-uri EL4 ... EL6 va fi, de asemenea, stabilizat la același nivel.

Figura 8 prezintă circuitul convertizorului pentru furnizarea unui LED alb de la o singură celulă galvanică cu o tensiune de 1,5 V, ceea ce este clar că nu este suficient pentru a aprinde LED-ul. Circuitul convertizorului este foarte simplu și controlat de un microcontroler. De fapt, microcontrolerul este multivibrator obișnuit cu o frecvență a impulsului de aproximativ 40KHz. Pentru a crește capacitatea de încărcare, ieșirile microcontrolerului sunt împerecheate în paralel.

Figura 8Circuit convertor pentru alimentarea unui LED alb

Schema funcționează după cum urmează. Când ieșirile PB1, PB2 sunt scăzute, ieșirile PB0, PB4 sunt mari. În acest moment, condensatoarele C1, C2 sunt încărcate prin diodele VD1, VD2 până la aproximativ 1,4 V. Când starea ieșirilor controlerului este inversată, suma tensiunilor a două condensatoare încărcate plus tensiunea bateriei va fi aplicată pe LED. Astfel, aproape 4.5V vor fi aplicate pe LED în direcția înainte, ceea ce este suficient pentru a aprinde LED-ul.

Un convertor similar poate fi asamblat fără un microcontroler, doar pe un cip logic. Un astfel de circuit este prezentat în figura 9.

Figura 9

Pe elementul DD1.1 este asamblat un generator de oscilație dreptunghiulară, a cărui frecvență este determinată de valorile R1, C1. Cu această frecvență LED-ul va clipi.

Când ieșirea elementului DD1.1 este mare, randamentul DD1.2 este în mod natural ridicat. În acest moment, condensatorul C2 este încărcat prin dioda VD1 de la sursa de alimentare. Calea de încărcare este următoarea: plus sursa de alimentare - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - minus sursa de alimentare. În acest moment, numai tensiunea bateriei este aplicată pe LED-ul alb, ceea ce nu este suficient pentru a aprinde LED-ul.

Când nivelul scade la ieșirea elementului DD1.1, la ieșirea DD1.2 apare un nivel ridicat, ceea ce duce la blocarea diodei VD1. Prin urmare, tensiunea din condensatorul C2 este adăugată la tensiunea bateriei și această cantitate este aplicată rezistenței R1 și a LED-ului HL1. Această sumă de tensiuni este suficientă pentru a porni LED-ul HL1. În continuare, ciclul se repetă.

Cum se verifică LED-ul

Dacă LED-ul este nou, atunci totul este simplu: acea concluzie, care este puțin mai lungă, este un plus sau un anod. Este cel care trebuie inclus în plus al sursei de alimentare, fără a uita, în mod natural, rezistența de limitare. În unele cazuri, de exemplu, LED-ul a fost scos de pe placa veche, iar concluziile sunt de aceeași lungime, este necesar un apel.

Multimetrii în această situație se comportă oarecum de neînțeles. De exemplu, un multimetru DT838 în modul de testare a semiconductorului poate pur și simplu să lumineze ușor LED-ul testat, dar în același timp este afișat un circuit deschis pe indicator.

Prin urmare, în unele cazuri, este mai bine să verificați LED-urile conectându-le prin rezistența de limitare la sursa de alimentare, așa cum se arată în figura 10. Valoarea rezistorului este de 200 ... 500 Ohm.

Figura 10. Circuitul de testare LED

LED secvențial

Figura 11. Includerea secvențială a LED-urilor

Nu este dificil să calculăm rezistența rezistorului de limitare. Pentru a face acest lucru, adăugați tensiunea directă la toate ledurile, scăpați-o de la tensiunea sursei de alimentare și împărțiți reziduul rezultat la curentul dat.

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

Să presupunem că tensiunea sursei de alimentare este de 12V, iar căderea de tensiune pe LED-uri este de 2V, 2.5V și 1.8V. Chiar dacă LED-urile sunt preluate dintr-o cutie, poate exista încă o asemenea răspândire!

În funcție de sarcina, este stabilit un curent de 20 mA. Rămâne să înlocuim toate valorile din formulă și să învățăm răspunsul.

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

LED paralel

Figura 12. Activarea paralelă a LED-urilor

Pe fragmentul din stânga, toate cele trei LED-uri sunt conectate printr-un singur rezistor de limitare a curentului. Dar de ce este schemată această schemă, care sunt dezavantajele sale?

Afectează răspândirea LED-urilor. Curentul cel mai mare va trece prin LED, în care căderea de tensiune este mai mică, adică rezistența internă este mai mică.Prin urmare, cu această includere, nu va fi posibilă realizarea unei străluciri uniforme a LED-urilor. Prin urmare, schema prezentată în figura 12 din dreapta trebuie recunoscută drept circuitul corect.

 

Boris Aladyshkin