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L'uso di LED nei circuiti elettronici
Ora tutti hanno familiarità con i LED. Senza di essi, la tecnologia moderna è semplicemente impensabile. Queste sono luci e lampade a LED, un'indicazione delle modalità operative di vari elettrodomestici, l'illuminazione di schermi di monitor di computer, televisori e molte altre cose che non puoi nemmeno ricordare subito. Tutti questi dispositivi contengono LED nella gamma di radiazione visibile di vari colori: rosso, verde, blu (RGB), giallo, bianco. La tecnologia moderna ti consente di ottenere quasi tutti i colori.
Oltre ai LED nella gamma visibile, ci sono LED per luce infrarossa e ultravioletta. Il principale campo di applicazione di tali LED è rappresentato dai dispositivi di automazione e controllo. Ricorda e basta Telecomando di vari elettrodomestici. Se i primi modelli di telecomando sono stati utilizzati esclusivamente per il controllo dei televisori, ora possono essere utilizzati per controllare i riscaldatori a parete, i condizionatori d'aria, i ventilatori e persino gli elettrodomestici da cucina, come pentole e macchine per il pane.
Quindi cos'è un LED?
In realtà, diodi emettitori di luce non molto diverso dal solito diodo raddrizzatore, - tutti la stessa giunzione p-n e tutte le stesse proprietà di base, conducibilità unilaterale. Mentre studiavamo la giunzione pn, si è scoperto che oltre alla conduttività unilaterale, questa giunzione stessa ha anche diverse proprietà aggiuntive. Nel processo di evoluzione della tecnologia dei semiconduttori, queste proprietà sono state studiate, sviluppate e migliorate.
Un grande contributo allo sviluppo dei semiconduttori fu dato dal radiofisico sovietico Oleg Vladimirovich Losev (1903-1942). Nel 1919 entrò nel famoso e ancora noto laboratorio radiofonico di Nizhny Novgorod e dal 1929 lavorò al Leningrad Physics and Technology Institute. Una delle attività dello scienziato è stata lo studio di un debole bagliore leggermente evidente di cristalli di semiconduttori. È su questo effetto che funzionano tutti i LED moderni.
Questa debole luminescenza si verifica quando la corrente viene fatta passare attraverso la giunzione pn in avanti. Ma al momento, questo fenomeno è stato studiato e migliorato così tanto che la luminosità di alcuni LED è tale da poter essere semplicemente accecato.
La combinazione di colori dei LED è molto ampia, quasi tutti i colori dell'arcobaleno. Ma il colore non si ottiene affatto cambiando il colore dell'alloggiamento del LED. Ciò si ottiene dal fatto che i droganti vengono aggiunti alla giunzione pn. Ad esempio, l'introduzione di una piccola quantità di fosforo o alluminio consente di ottenere i colori del rosso e del giallo e il gallio e l'indio emettono luce dal verde al blu. L'alloggiamento del LED può essere trasparente o opaco, se l'alloggiamento è colorato, allora è solo un filtro luminoso corrispondente al colore bagliore della giunzione p-n.
Un altro modo per ottenere il colore desiderato è l'introduzione di un fosforo. Il fosforo è una sostanza che dà luce visibile quando viene esposto ad essa da altre radiazioni, anche a infrarossi. Un esempio classico sono le lampade fluorescenti. Nel caso dei LED, il bianco si ottiene aggiungendo un fosforo al cristallo blu.
Per aumentare l'intensità della radiazione, quasi tutti i LED hanno una lente di messa a fuoco. Spesso, come obiettivo viene utilizzata la faccia terminale di un corpo trasparente a forma sferica. Nei diodi a emissione di luce infrarossa, a volte l'obiettivo sembra essere opaco, grigio fumo. Sebbene negli ultimi anni, i LED a infrarossi siano disponibili semplicemente in una custodia trasparente, questi sono quelli utilizzati in vari telecomandi.
LED bicolore
Conosciuto anche da quasi tutti. Ad esempio, un caricabatterie per un telefono cellulare: durante la ricarica, l'indicatore si illumina in rosso e alla fine della ricarica diventa verde.Tale indicazione è possibile a causa dell'esistenza di LED a due colori, che possono essere di diversi tipi. Il primo tipo sono i LED a tre uscite. Un alloggiamento contiene due LED, ad esempio verde e rosso, come mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Schema di collegamento di un LED a due colori
La figura mostra un frammento di un circuito con un LED a due colori. In questo caso, viene mostrato un LED a tre uscite con un catodo comune (ci sono anche con un anodo comune) e la sua connessione a microcontrollore. In questo caso, è possibile accendere l'uno o l'altro LED o entrambi contemporaneamente. Ad esempio, sarà rosso o verde e quando si accendono due LED contemporaneamente, diventa giallo. Se allo stesso tempo si utilizza la modulazione PWM per regolare la luminosità di ciascun LED, è possibile ottenere diverse tonalità intermedie.
In questo circuito, dovresti prestare attenzione al fatto che i resistori di limitazione sono inclusi separatamente per ciascun LED, anche se sembrerebbe che tu possa fare solo uno includendolo nell'output generale. Ma con questa inclusione, la luminosità dei LED cambierà quando uno o due LED sono accesi.
Quale tensione è necessaria per il LED? Questa domanda può essere ascoltata abbastanza spesso, è posta da coloro che non hanno familiarità con le specifiche del LED o solo persone molto lontane dall'elettricità. Allo stesso tempo, devo spiegare che il LED è un dispositivo controllato dalla corrente e non dalla tensione. È possibile accendere il LED almeno 220V, ma la corrente che lo attraversa non deve superare il massimo consentito. Ciò si ottiene accendendo la resistenza di zavorra in serie con il LED.
Tuttavia, ricordando la tensione, va notato che svolge anche un ruolo importante, perché i LED hanno una grande tensione diretta. Se per un diodo al silicio convenzionale questa tensione è dell'ordine di 0,6 ... 0,7 V, allora per un LED questa soglia inizia da due volt e oltre. Pertanto da una cella galvanica Con una tensione di 1,5 V, il LED non si accende.
Ma con questa inclusione, intendiamo 220 V, non dovremmo dimenticare che la tensione inversa del LED è piuttosto piccola, non più di diverse decine di volt. Pertanto, al fine di proteggere il LED dall'alta tensione inversa, vengono prese misure speciali. Il modo più semplice è la connessione contro-parallela di un diodo protettivo, che potrebbe anche non essere molto alta tensione, ad esempio KD521. Sotto l'influenza della tensione alternata, i diodi si aprono alternativamente, proteggendosi così dall'alta tensione inversa. Il circuito di commutazione del diodo di protezione è mostrato in Figura 2.
Figura 2 Schema elettricoparallelo al LEDdiodo protettivo
I LED a due colori sono disponibili anche in un pacchetto a due pin. In questo caso si verifica un cambiamento nel colore del bagliore quando cambia la direzione della corrente. Un esempio classico è un'indicazione del senso di rotazione di un motore DC. Allo stesso tempo, non bisogna dimenticare che la resistenza di limitazione è necessariamente accesa in serie con il LED.
Recentemente, un resistore limitante è semplicemente integrato nel LED e quindi, ad esempio, semplicemente scrivono sui cartellini dei prezzi nel negozio che questo LED è 12V. Inoltre, i LED lampeggianti sono contrassegnati dalla tensione: 3 V, 6 V, 12 V. All'interno di tali LED c'è un microcontrollore (può anche essere visto attraverso una custodia trasparente), quindi eventuali tentativi di modificare la frequenza di lampeggiamento non danno risultati. Con questa marcatura, è possibile accendere il LED direttamente all'alimentazione alla tensione specificata.
Sviluppi della radio amatoriale giapponese
Si scopre che il radioamatore è impegnato non solo nei paesi dell'ex Unione Sovietica, ma anche in un "paese elettronico" come il Giappone. Naturalmente, anche un normale radioamatore giapponese non può creare dispositivi molto complessi, ma le soluzioni di circuiti individuali meritano attenzione. Non si sa mai in quale schema queste soluzioni possano tornare utili.
Ecco una panoramica di dispositivi relativamente semplici che utilizzano LED.Nella maggior parte dei casi, il controllo viene eseguito da microcontrollori e non è possibile arrivare ovunque. Anche per un semplice circuito, è più facile scrivere un breve programma e saldare il controller nel pacchetto DIP-8 piuttosto che saldare diversi microcircuiti, condensatori e transistor. È anche interessante il fatto che alcuni microcontrollori possano funzionare senza alcun collegamento.
Circuito di controllo LED a due colori
Uno schema interessante per il controllo di un potente LED a due colori è offerto dai prosciutti giapponesi. Più precisamente, qui vengono utilizzati due potenti LED con una corrente fino a 1A. Tuttavia, si deve presumere che ci siano potenti LED a due colori. Lo schema è mostrato in Figura 3.
Figura 3. Potente circuito di controllo LED a due colori
Il chip TA7291P è progettato per controllare motori CC di piccola potenza. Offre diverse modalità, vale a dire: rotazione in avanti, indietro, arresto e frenata. Lo stadio di uscita del microcircuito è assemblato in base al circuito a ponte, che consente di eseguire tutte le operazioni di cui sopra. Ma valeva la pena fare un po 'di immaginazione e ora, per favore, il microcircuito ha una nuova professione.
La logica del chip è abbastanza semplice. Come si può vedere nella Figura 3, il microcircuito ha 2 ingressi (IN1, IN2) e due uscite (OUT1, OUT2), a cui sono collegati due potenti LED. Quando i livelli logici sugli ingressi 1 e 2 sono uguali (indipendentemente da 00 o 11), i potenziali delle uscite sono uguali, entrambi i LED sono spenti.
A diversi livelli logici sugli ingressi, il microcircuito funziona come segue. Se uno degli ingressi, ad esempio, IN1 ha un livello logico basso, l'uscita OUT1 è collegata a un filo comune. Anche il catodo del LED HL2 attraverso il resistore R2 è collegato a un filo comune. La tensione sull'uscita OUT2 (se è presente un'unità logica sull'ingresso IN2) in questo caso dipende dalla tensione sull'ingresso V_ref, che consente di regolare la luminosità del LED HL2.
In questo caso, la tensione V_ref è ottenuta dagli impulsi PWM dal microcontrollore utilizzando la catena integrata R1C1, che controlla la luminosità del LED collegato all'uscita. Il microcontrollore controlla anche gli ingressi IN1 e IN2, il che consente di ottenere un'ampia gamma di tonalità di luce e algoritmi per il controllo dei LED. La resistenza del resistore R2 viene calcolata in base alla corrente massima consentita dei LED. Come fare sarà descritto di seguito.
La Figura 4 mostra la struttura interna del chip TA7291P, il suo diagramma strutturale. Il circuito è stato prelevato direttamente dalla scheda tecnica, pertanto un motore elettrico è rappresentato come un carico su di esso.
Figura 4Chip dispositivo interno TA7291P
Secondo lo schema strutturale, è facile tracciare i percorsi correnti attraverso il carico e i metodi per controllare i transistor di uscita. I transistor sono attivati in coppia, lungo la diagonale: (in alto a sinistra + in basso a destra) o (in alto a destra + in basso a sinistra), che consente di modificare la direzione e la velocità del motore. Nel nostro caso, accendi uno dei LED e controllane la luminosità.
I transistor inferiori sono controllati dai segnali IN1, IN2 e sono progettati semplicemente per accendere / spegnere le diagonali del ponte. I transistor superiori sono controllati dal segnale Vref, regolano la corrente di uscita. Il circuito di controllo, mostrato semplicemente come un quadrato, contiene anche un circuito di protezione da cortocircuito e altre circostanze impreviste.
Come calcolare una resistenza limitante
La legge di Ohm aiuterà sempre in questi calcoli. I dati iniziali per il calcolo lasciano che siano i seguenti: la tensione di alimentazione (U) è 12V, la corrente attraverso il LED (I_HL) è 10mA, il LED è collegato a una sorgente di tensione senza transistor e microcircuiti come indicatore di inclusione. Caduta di tensione sul LED (U_HL) 2V.
Quindi è abbastanza ovvio che la tensione (U-U_HL) sarà necessaria per il resistore di limitazione, - il LED stesso "ha mangiato" due volt. Quindi la resistenza della resistenza di limitazione è
R_o = (U-U_HL) / I_HL = (12 - 2) / 0.010 = 1000 (Ω) o 1KΩ.
Non dimenticare il sistema SI: tensione in volt, corrente in ampere, il risultato in Ohm. Se il LED è acceso dal transistor, nella prima parentesi dalla tensione di alimentazione è necessario sottrarre la tensione della sezione collettore-emettitore del transistor aperto. Ma questo, di regola, nessuno lo fa mai, la precisione al centesimo per cento non è necessaria qui, e non funzionerà a causa della dispersione dei dettagli. Tutti i calcoli nei circuiti elettronici danno risultati approssimativi, il resto deve essere ottenuto tramite debug e tuning.
LED a tre colori
Oltre al bicolore ultimamente, molto diffuso LED RGB tricolore. Il loro scopo principale è l'illuminazione decorativa sui palchi, alle feste, alle celebrazioni di Capodanno o alle discoteche. Tali LED hanno un alloggiamento a quattro pin, uno dei quali è un anodo o catodo comune, a seconda del modello specifico.
Ma uno o due LED, anche quelli a tre colori, sono di scarsa utilità, quindi è necessario combinarli in ghirlande e per controllare le ghirlande utilizzare tutti i tipi di dispositivi di controllo, che spesso vengono chiamati controller.
Montare ghirlande da singoli LED è noioso e di scarso interesse. Pertanto, negli ultimi anni, l'industria ha iniziato a produrre Strisce LED in diversi colorinonché nastri basati su LED tricolore (RGB). Se i nastri monocolore vengono prodotti con una tensione di 12 V, la tensione di esercizio dei nastri tricolore è spesso di 24 V.
Le strisce LED sono contrassegnate dalla tensione, poiché contengono già resistori di limite, quindi possono essere collegate direttamente a una sorgente di tensione. Fonti per striscia principale di potere venduto nello stesso posto del nastro.
Per controllare LED e nastri a tre colori, per creare vari effetti di illuminazione, vengono utilizzati controller speciali. Con il loro aiuto, puoi facilmente cambiare i LED, regolare la luminosità, creare vari effetti dinamici, nonché disegnare disegni e persino dipinti. La creazione di tali controller attrae molti prosciutti, naturalmente quelli che possono scrivere programmi per microcontrollori.
Usando un LED a tre colori, puoi ottenere quasi tutti i colori, perché il colore sullo schermo TV si ottiene anche mescolando solo tre colori. Qui è opportuno ricordare un altro sviluppo della radio amatoriale giapponese. Lo schema circuitale è mostrato in Figura 5.
Figura 5. Schema di collegamento di un LED a tre colori
Il potente LED a tre colori da 1 W contiene tre emettitori. Quando i resistori sono indicati sul diagramma, il colore del bagliore è bianco. Selezionando i valori dei resistori, è possibile una leggera variazione di tonalità: dal bianco al bianco al bianco caldo. Nel design dell'autore, la lampada è progettata per illuminare l'interno dell'auto. Saranno loro (i giapponesi) tristi! Per non preoccuparsi di osservare la polarità, è presente un ponte a diodi all'ingresso del dispositivo. Il dispositivo è montato su una breadboard e mostrato in Figura 6.
Figura 6. Scheda di sviluppo
Il prossimo sviluppo dei radioamatori giapponesi è anche automobilistico. Questo dispositivo per illuminare la stanza, ovviamente, su LED bianchi è mostrato in Figura 7.
Figura 7. Schema del dispositivo per evidenziare il numero su LED bianchi
Il design ha utilizzato 6 LED ultra-luminosi ad alta potenza con una corrente limite di 35 mA e un flusso luminoso di 4 lm. Per aumentare l'affidabilità dei LED, la corrente che li attraversa è limitata a 27 mA utilizzando un chip regolatore di tensione incluso nel circuito stabilizzatore di corrente.
I LED EL1 ... EL3, la resistenza R1 insieme al chip DA1 formano uno stabilizzatore di corrente. Una corrente stabile attraverso la resistenza R1, supporta una caduta di tensione di 1,25 V su di essa. Il secondo gruppo di LED è collegato allo stabilizzatore attraverso esattamente lo stesso resistore R2, quindi anche la corrente attraverso il gruppo di LED EL4 ... EL6 sarà stabilizzata allo stesso livello.
La Figura 8 mostra un circuito convertitore per alimentare un LED bianco da una singola cella galvanica con una tensione di 1,5 V, che chiaramente non è sufficiente per accendere il LED. Il circuito del convertitore è molto semplice e controllato da un microcontrollore. In effetti, il microcontrollore è multivibratore ordinario con una frequenza di impulsi di circa 40 KHz. Per aumentare la capacità di carico, le uscite del microcontrollore sono accoppiate in parallelo.
Figura 8Circuito convertitore per alimentare un LED bianco
Lo schema funziona come segue. Quando le uscite PB1, PB2 sono basse, le uscite PB0, PB4 sono alte. A questo punto, i condensatori C1, C2 vengono caricati attraverso i diodi VD1, VD2 a circa 1,4 V. Quando lo stato delle uscite del controller viene invertito, la somma delle tensioni di due condensatori carichi più la tensione della batteria verrà applicata al LED. Pertanto, quasi 4,5 V verranno applicati al LED in avanti, il che è sufficiente per accendere il LED.
Un convertitore simile può essere assemblato senza un microcontrollore, solo su un chip logico. Tale circuito è mostrato in Figura 9.
Figura 9
Un generatore di oscillazione rettangolare è assemblato sull'elemento DD1.1, la cui frequenza è determinata dai valori di R1, C1. È con questa frequenza che il LED lampeggerà.
Quando l'uscita dell'elemento DD1.1 è alta, l'uscita di DD1.2 è naturalmente alta. A questo punto, il condensatore C2 viene caricato attraverso il diodo VD1 dalla fonte di alimentazione. Il percorso di carica è il seguente: più la fonte di alimentazione - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - meno la fonte di alimentazione. Al momento, solo la tensione della batteria viene applicata al LED bianco, che non è sufficiente per illuminare il LED.
Quando il livello diventa basso all'uscita dell'elemento DD1.1, all'uscita di DD1.2 appare un livello alto, che porta al blocco del diodo VD1. Pertanto, la tensione attraverso il condensatore C2 viene aggiunta alla tensione della batteria e questa quantità viene applicata al resistore R1 e al LED HL1. Questa somma di tensioni è sufficiente per accendere il LED HL1. Successivamente, il ciclo si ripete.
Come controllare il LED
Se il LED è nuovo, allora tutto è semplice: quella conclusione, che è leggermente più lunga, è un vantaggio o un anodo. È questo che deve essere incluso nel plus dell'alimentatore, naturalmente senza dimenticare la resistenza di limitazione. Ma in alcuni casi, ad esempio, il LED è stato rimosso dalla vecchia scheda e le conclusioni sono della stessa lunghezza, è necessaria una chiamata.
I multimetri in questa situazione si comportano in modo piuttosto incomprensibile. Ad esempio, un multimetro DT838 in modalità test a semiconduttore può semplicemente illuminare leggermente il LED in prova, ma allo stesso tempo viene mostrato un circuito aperto sull'indicatore.
Pertanto, in alcuni casi, è meglio controllare i LED collegandoli attraverso il resistore di limitazione alla fonte di alimentazione, come mostrato nella Figura 10. Il valore del resistore è 200 ... 500 Ohm.
Figura 10. Circuito di test LED
LED sequenziale
Figura 11. Inclusione sequenziale di LED
Non è difficile calcolare la resistenza del resistore di limitazione. Per fare ciò, aggiungere la tensione diretta a tutti i LED, sottrarla dalla tensione della fonte di alimentazione e dividere il residuo risultante per la corrente data.
R = (U - (U_HL_1 + U_HL_2 + U_HL_3)) / I
Supponiamo che la tensione dell'alimentatore sia di 12V e che la caduta di tensione attraverso i LED sia di 2 V, 2,5 V e 1,8 V. Anche se i LED sono presi da una scatola, può esserci ancora una tale diffusione!
Per condizione dell'attività, viene impostata una corrente di 20 mA. Resta da sostituire tutti i valori nella formula e insegnare la risposta.
R = (12– (2 + 2,5 + 1,8)) / 0,02 = 285Ω
LED parallelo
Figura 12. Attivazione parallela dei LED
Sul frammento di sinistra, tutti e tre i LED sono collegati attraverso un resistore di limitazione della corrente. Ma perché questo schema viene cancellato, quali sono i suoi svantaggi?
Colpisce la diffusione dei LED. La massima corrente passerà attraverso il LED, in cui la caduta di tensione è inferiore, ovvero la resistenza interna è inferiore.Pertanto, con questa inclusione, non sarà possibile ottenere un bagliore uniforme dei LED. Pertanto, lo schema mostrato nella Figura 12 a destra dovrebbe essere riconosciuto come il circuito corretto.
Boris Aladyshkin
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