Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Diody LED bez tajemnic - kompendium

Urgon 27 Nov 2022 18:33 4704 78
SterControl
  • Diody LED bez tajemnic - kompendium
    Jednym z pierwszych projektów, które zrealizowałem mając 9-10 lat było pudełko z kilkoma LEDami, przełącznikami i potencjometrem - taka tam wprawka w lutowanie. Drugim była migająca strzałka LED z kitu bodaj Jabela. Pierwszym, który zepsułem lutownicą transformatorową (której nie polecam) była elektroniczna ruletka z całą masą diod LED. Mój znajomy zaś zbudował "mrygacz" LED na tranzystorach używając płyty paździerzowej jako płytki "drukowanej" z kawałkami przewodów w roli "ścieżek". Odkąd diody LED stały się tanie i łatwodostępne, wszelkiej maści projekty i gotowe układy z diodami świecącymi, migającymi, pełzającymi światełkami, kolorofonami, wskaźnikami wysterowania i tym podobnymi cieszą się nieustającą popularnością. Od ponad 10 lat żarówki, lampy i taśmy LED RGB stały się elementem zarówno wystroju wnętrz, jak i "ozdobnikiem" podzespołów komputerowych. LEDy w praktyce niemal całkowicie wyparły inne rozwiązania oświetleniowe, a przynajmniej zepchnęły je do ról specyficznych i rozwiązań niszowych. Świat światła LEDem stoi.

    A i tak co jakiś czas ktoś pyta, jak policzyć rezystor do LEDa...


    Czym jest dioda LED?

    Diody LED bez tajemnic - kompendium
    Dioda elektroluminescencyjna to rodzaj diody półprzewodnikowej, w której ubocznym skutkiem przepływu prądu przez złącze P-N jest emisja światła o określonej długości. Każde złącze P-N emituje światło, ale zwykle w bardzo znikomym stopniu. W przypadku diod LED poprzez dobranie odpowiednich pierwiastków i związków chemicznych efekt ten jest wzmocniony wielokrotnie.

    Podstawowymi parametrami każdej diody LED jest jej napięcie przewodzenia Vf i prąd przewodzenia If. Diody LED są elementami kontrolowanymi prądem, nie napięciem. Napięcie przewodzenia jest istotne dla poprawnego dobrania rezystora ograniczającego prąd. W przypadku diod kolorowych mamy też długość emitowanego światła ?. Diody białe mają podaną temperaturę barwową oraz wartość CRI, czyli współczynnik oddawania kolorów. Znajdziemy też inne parametry typowe dla wszelkiej maści diod, jak prąd wsteczny, napięcie przebicia czy moc strat.

    Drugą ważną grupą parametrów diod LED są informacje na temat obudowy. Tu mnogość opcji jest ogromna, od tradycyjnych, okrągłych diod o średnicy 3 i 5mm, przez diody miniaturowe SMD w różnych rozmiarach po diody mocno specjalizowane. Do tych ostatnich można zaliczyć na przykład diodę SMD świecącą "do płytki" - ideą jest to, by płytka w tym miejscu miała otwór. Po co tak kombinować? A no dlatego, że można płytkę pokryć klawiaturą membranową z otworami dla światła LEDów - takie rozwiązanie spotkałem na płytce od laktatora Philips Avent. Po prawej jest pokazany rysunek poglądowy typowej, małej diody LED w okrągłej obudowie 3mm/5mm. Poniżej zaś przykłady różnych diod LED w obudowach do montażu przewlekanego.

    Diody LED bez tajemnic - kompendium



    Diody LED występują też w formie zintegrowanych modułów, w tej kategorii znajdziemy słupki LED, wyświetlacze siedmio-, czternasto- i szesnastosegmentowe czy matryce LED 5x7 czy 8x8. Przykład wyświetlacza siedmiosegmentowego czterocyfrowego jest poniżej. Diody LED mocy bywają zbudowane z wielu mniejszych diod w konfiguracji szeregowo-równoległej, podobnie jak paski diodowe do żarówek udających tradycyjne. Ponadto w jednej obudowie może być kilka niezależnych diod o różnych kolorach, a także układy scalone, ale o tym będzie niżej. Tak czy siak mnogość opcji jest ogromna, i trudno wszystkie uwzględnić w jednym artykule.

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Jak dobierać rezystor do diody LED?

    Wzór ogólny wygląda tak:

    R = (Vcc - Vf) / If

    gdzie Vcc to napięcie zasilania, Vf to napięcie przewodzenia diody LED, a If to pożądany prąd przewodzenia diody. Ten ostatni parametr ma wpływ na jasność diody. A jak poznać napięcie przewodzenia diody? Jak wspomniałem, ta informacja jest w nocie katalogowej diody. Jeśli nie mamy noty, to możemy zmierzyć tę wartość. Zasilamy diodę napięciem 5V przez rezystor 220? i mierzymy napięcie między anodą, a katodą. W analogiczny sposób działa test diody w multimetrach, choć nie każdy multimetr sobie dobrze radzi z LEDami.

    By ułatwić życie początkującym poniżej zamieszczam zestawienie typowych wartości napięcia przewodzenia dla poszczególnych kolorów diod LED wraz z tabelami wyliczonych wartości rezystorów dla typowych napięć przewodzenia przy prądach 12,5mA, 15mA i 20mA oraz typowych napięć zasilania 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V i 24V. Jeśli chcemy uzyskać prąd o połowę mniejszy, niż występuje w tabeli, mnożymy rezystancję przez dwa, dla prądu trzykrotnie mniejszego mnożymy przez trzy. Wartości rezystorów należy zaokrąglić do najbliższej wartości w szeregu E24. Dla 20mA lepiej zaokrąglać w górę. Po wybraniu rezystora należy obliczyć jego moc strat wedle wzoru:

    P = R * If^2

    Dla ułatwienia:

    P(12,5mA) = R * 0,00015625
    P(15mA) = R * 0,000225
    P(20mA) = R * 0,0004


    Podczerwone: 1,9V
    Diody stosowane głównie w pilotach do sprzętu RTV oraz jako oświetlacze dla kamer widzących w rzekomej ciemności.

    If (1,9V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA11224856880810481768
    15mA93,3206,6473,3673,3873,31473,3
    20mA701553555056551105



    Czerwone: 1,6-2V
    Jedne z pierwszych wynalezionych diod LED. Często spotykane w wyświetlaczach oraz jako kontrolki zasilania. Ten kolor nie męczy oczu w nocy i nie jest zbyt dobrze widoczny z dużej odległości.

    If (1,9V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA11224856880810481768
    15mA93,3206,6473,3673,3873,31473,3
    20mA701553555056551105



    Bursztynowe/pomarańczowe: 2-2,1V
    Kolor, który gorąco polecam do wskaźników zasilania - przypomina nieco staroświeckie neonówki i podobnie, jak czerwony nie razi w oczy.

    If (2,1V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA9623255279210321752
    15mA80193,34606608601460
    20mA601453454956451095



    Żółte: 2,1-2,2V
    Bardzo lubię ten kolor. Świetnie nadaje się do wyświetlaczy siedmiosegmentowych, które mają być czytelne zarówno w dzień, jak i w nocy, choć w ciemnościach może już trochę razić.

    If (2,1V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA9623255279210321752
    15mA80193,34606608601460
    20mA601453454956451095



    Zielone: 1,9-4V
    Kolor najlepiej rozróżniany przez ludzkie oko (dlatego prawdziwe noktowizory dają zielony, monochromatyczny obraz). Kolor dobrze widoczny, a przez to może być już lekko denerwujący we wskaźnikach zasilania w nocy. Wyświetlacze siedmiosegmentowe w tym kolorze nieodmiennie kojarzą mi się z kasami fiskalnymi. Szeroki rozrzut dostępnych napięć wynika z różnorodności stosowanych materiałów.

    If (2.5V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA6420052076010001720
    15mA53,3166,6433,3633,3833,31433,3
    20mA401253254756251075



    Niebieskie: 2,5-3,7V
    Kolor, którego osobiście nie znoszę. Niezwykle wręcz popularny we wszelkich wskaźnikach zasilania i jako wyświetlacz siedmiosegmentowy. Nieodmiennie od lat razi w oczy i denerwuje w nocy. Używanie go w amatorskich konstrukcjach to dla mnie oznaka kiczu i bezguścia. Kojarzy się też z chińską tandetą.

    If (3V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA241604807209601680
    15mA20133,34006008001400
    20mA151003004506001050



    Fioletowe: 2,8-4V
    Jak na razie, spotkałem się z tą barwą diod tylko raz i zachwycony nie jestem. Nie denerwuje tak bardzo, jak niebieskie LEDy, ale nie widzę dla tych diod innego zastosowania, niż w roli "ozdobników".

    If (3.3V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA-1364566969361656
    15mA-113,33805807801380
    20mA-852854355851035



    Ultrafioletowe: 3,1-4,4V
    Diody te znane są głównie z breloczków sprawdzających prawdziwość banknotów. Mogą też być alternatywną formą oświetlaczy dla kamer widzących w ciemności oraz realizować funkcje dezynfekcyjne. Budowanie stacji dezynfekujących z tymi diodami stało się dość popularnym projektem w ostatnich czasach.

    If (3,7V)3,3V5V9V12V15V24V
    12,5mA-1044246649041624
    15mA-86,6353,3553,3753,31353,3
    20mA-652654155651015




    Diody LED białe

    W powyższym zestawieniu nie uwzględniłem istotnego koloru, jakim jest kolor biały. Nie jest to niedopatrzenie z mojej strony, lecz celowy zabieg. Trzeba bowiem najpierw odpowiedzieć na bardzo istotne pytanie:


    Jakiego koloru jest biała dioda LED?

    Nie, nie jest to kolor biały. W dodatku bałe diody nie są białe na różne sposoby. Zaczniemy od prostszego sposobu, czyli użycia diod czerwonej, zielonej i niebieskiej do uzyskania białego koloru. Tak się budowało kolor biały w kolorowych telewizorach i monitorach kineskopowych. Działa to sprawnie, ale współczynnik oddawania barw może nie być najlepszy. Można go poprawić używając drugiego, dużo popularniejszego sposobu kosztem niewielkiego spadku wydajności.


    Jakiego koloru jest biała dioda LED tego drugiego typu?

    Nie jest biała, bo jest żółta bądź pomarańczowa. A jest żółta bądź pomarańczowa, bo jest niebieska lub ultrafioletowa. Wbrew pozorom to ma sens. Po prostu diodę w kolorze niebieskim lub UV pokrywa się wrażliwą na te barwy mieszanką luminoforów znanych ze świetlówek celem uzyskania barwy białej w formie wtórnej emisji światła. Dlatego diody białe należy traktować jak diody niebieskie bądź UV. Napięcie przewodzenia może wynosić 3-5V, jak podaje Texas Instruments w swojej nocie aplikacyjnej o zasilaniu białych LEDów, ale typowe diody LED mieszczą się w zakresie 3,1-3,7V. By pójść na skróty odpowiednie będą tabele dla diod niebieskich, fioletowych i ultrafioletowych z powyższego zestawienia.


    Szeregowe łączenie diod LED

    Metoda oporowa

    Metoda ta jest prosta i tania, ale przy rozrzucie parametrów dipd LED te mogą nie świecić z tą samą jasnością. Przy obliczaniu należy przyjąć najniższe napięcie przewodzenia, nie najwyższe. Wzór na obliczanie rezystora wygląda tak:

    R = (Vcc - ( Vf1 + Vf2 + Vf3 + ... + Vfn )) / If

    Wzór ten przyda się szczególnie przy łączeniu diod o różnych kolorach. Dla diod tego samego typu wzór wygląda tak:

    R = (Vcc - ( Vfmin * n )) / If

    gdzie n to liczba diod w szeregu. Rzeczywisty prąd będzie niższy od założonego.


    Źródło prądowe

    Diody LED bez tajemnic - kompendium
    W tym rozwiązaniu stabilizujemy prąd, więc napięcie przewodzenia nas nie interesuje (prawie) wcale. Ważne jedynie jest to, by napięcie emiter-kolektor użytych tranzystorów było wyższe od napięcia zasilania i by suma maksymalnych napięć przewodzenia diod była niższa o ~1V od napięcia zasilania. Spójrzmy na schemat po lewej.

    Na schemacie są tylko trzy diody LED, ale może ich być więcej. Maksymalne napięcie zasilania wynosi w teorii 45V, W praktyce ogranicza go moc strat tranzystora Q1, a co za tym idzie maksymalne napięcie kolektor-emiter Vce. Wartość R2 dobiera się według pożądanego prądu. Pomoże w tym poniższa tabela zawierająca typowe prądy, wartości rezystorów z szeregu E24 5%, oraz maksymalne napięcia Vce przy maksymalnej mocy, jaką może oddać tranzystor BC547C.

    PrądR2 (E24)Vce
    12,5mA51?40V
    15mA43?33V
    20mA33?25V
    25mA27?20V


    Jeśli chcemy kontrolować diody za pomocą mikrokontrolera, to wystarczy R1 podłączyć do wyjścia, zamiast do Vcc. Jeśli zaś potrzebujemy dużo wyższych napięć zasilania, to dobieramy tranzystory o stosownie większym napięciu Vceo, Q1 zaś powinien też mieć większą dopuszczalną moc strat. Zwiększamy też wartość R1 proporcjonalnie do wzrostu napięcia.


    Wyświetlacze i matryce LED

    Jeśli chcemy sterować wieloma diodami LED na raz albo przekazywać informacje za pomocą wyświetlaczy czy matryc LED, musimy rozwiązać problem kontroli. Nie ma bowiem sensu podłączać każdej diody do jednego wyjścia z mikrokontrolera, by ją indywidualnie kontrolować. Przykładowo czterocyfrowy wyświetlacz siedmiosegmentowy wymagałby 32 wyjść (doliczając kropki). Problem ten rozwiązano już w czasach lamp elektronowych, a dokładniej to lamp nixie i VFD Lampy te mają wspólną anodę i zestaw katod, z których każda załącza jedną cyfrę lub znak w lampie nixie lub jeden segment w lampie VFD (lub w siedmiosegmentowym wariancie nixie pod nazwą Panaplex). Katody poszczególnych lamp są połączone ze sobą równolegle, anody zaś są załączane po kolei. Wyświetlacz tak zbudowany potrzebuje tyle linii anodowych, ile jest w nim lamp, i tyle linii katodowych, ile ma lampa z ich największą liczbą. Pojawienie się diod i wyświetlaczy LED ułatwiło sprawę, bo pozwoliło obniżyć napięcie zasilania, co z kolei uprościło układy sterujące. Dało to też alternatywny sposób sterowania wyświetlaczami wynikający z łączenia razem katod zamiast anod.


    Wspólna katoda czy wspólna anoda?

    Generalnie nie ma zbyt wielkiej różnicy między sterowaniem wyświetlaczami o wspólnej anodzie i o wspólnej katodzie. Zmienia się tylko typ użytego tranzystora wybierającego wyświetlacz z zestawu oraz polaryzacja sygnałów sterujących. Niech za przykład posłuży zestaw czterech wyświetlaczy siedmiosegmentowych. Najpierw wspólna anoda:

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Rezystory R1-R4 oraz tranzystory PNP Q1-Q4 służą do selekcji jednego z czterech wyświetlaczy. Rezystory R5-R12 wybierają poszczególne katody diod do zapalenia. Ich wartości dobiera się wedle prądu If i napięcia Vf diod w wyświetlaczach. R1-R4 mogą mieć typową wartość 10k?. Tranzystory powinny mieć dopuszczalny prąd maksymalny 8 * If. W tym układzie połączeń polaryzacja sygnałów jest odwrotna i na wyjściach anodowych (do R1-R4) i katodowych (R5-R12) domyślnie panuje stan wysoki. Sekwencja sterowania wygląda więc tak:
    1. Ustawiamy stan niski na R1.
    2. Ustawiamy stan niski na wybranych wyjściach katodowych.
    3. Czekamy.
    4. Ustawiamy stan wysoki na wszystkich wyjściach katodowych.
    5. Ustawiamy stan wysoki na R1.
    Sekwencję powtarzamy dla każdego wyjścia anodowego tak szybko, by sekwemcja dla całego wyświetlacza potwórzyła się 20-25 razy na sekundę. Najlepiej zmiany stanów wyjść realizować w przerwaniu wywołanym przez jeden z timerów mikrokontrolera. Spójrzmy na schemat dla wyświetlaczy ze wspólną katodą:

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Tym razem R1-R8 wybierają anody wyświetlaczy, podczas gdy R9-R12 wybierają ich wspólne katody przez tranzystory NPN Q1-Q4. Tym razem to stan wysoki na wybranych wyjściach anodowych i katodowym zapala segmenty wyświetlaczy, a stan niski je gasi. Sekwencja sterująca ze strony mikrokontrolera jest praktycznie identyczna, różni się tylko polaryzacją. Dla mnie to jest preferowany sposób sterowania, przy czym zamiast tranzystorów NPN można użyć tranzystorów MOSFET-N typu logic level i o niskim Rdson, zwłaszcza gdy sterujemy nie wyświetlaczem, a matrycą wielu diod LED, o czym poniżej.


    Matryca RGB z rejestrami przesuwnymi i tranzystorami MOSFET-N

    Jest to rozwiązanie dedykowane do łatwego sterowania dużymi ilościami diod LED przy minimalnej ilości pinów mikrokontrolera. Poniżej przedstawiam fragment schematu pewnego układu, nad którym pracowałem, a dokładniej układ sterowania matrycą 64 diod RGB. Jest to matryca LED o konfiguracji 8x8, gdzie rzędy mają wspólne anody, a kolumny wspólne katody. Technicznie rzecz biorąc to matryca 24x8, gdyż każda dioda ma wspólną katodę dla kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego.

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Mamy tu cztery rejestry przesuwne 74HC595 połączone w łańcuch. Sterowane są one trzema sygnałami: Zegar, Dane i Transfer. Za każdym razem, gdy pin Zegqar przechodzi ze stanu niskiego w wysoki, bieżący stan pinu Dane jest ładowany na pozycję Q0 wewnętrznego rejestru układu 74HC595, a na wyjściu Q7S pojawia się stan z pozycji Q7 rejestru. Ponieważ to wyjście rejestru łączy się z wejściem następnego, Dzięki takiemu połączeniu możemy przesłać do rejestrów 32 bity jednym ciągiem. Zmiana stanu pinu Transfer z niskiego na wysoki załaduje stany rejestrów na ich wyjścia Q0-Q7. Pierwsze trzy rejestry sterują anodami czerwonymi, zielonymi i niebieskimi. Czwarty kontroluje katody przez tranzystory MOSFET-N typu logic level. Dlaczego? Bo przez każdy z nich może popłynąć prąd 24 * If, czyli aż 480mA.

    Stan matrycy zapisany był w pamięci w formie trzech tablic (R, G i B), po osiem bajtów na tablicę. Każdy bajt reprezentował jedną kolumnę matrycy. Co pięć milisekund (dzięki przerwaniu od timera) program składał bajt wybierający jedno z ośmiu wyjść sterujących katodami oraz trzy wartości z tablic R, G i B, po czym przesyłał je razem tak szybko, jak się da do rejestrów. Na koniec pin Transfer przechodził na moment w stan wysoki, co ładowało wczytane dane do wyjść i stosowne diody się zapalały. Przerwanie co 5 milisekund gwarantowało odświeżanie całej matrycy 25 razy na sekundę. Swoją szosą była to jedyna część tamtego programu, która działała bez zarzutu...


    Czy do obsługi wyświetlacza bądź matrycy tranzystory są potrzebne?

    Nie. Możemy wspólne katody bądź anody podłączyć bezpośrednio do wyjść mikrokontrolera. Warunkiem działania takiego rozwiązania jest zagwarantowanie, by na raz świeciła się tylko jedna dioda. Inaczej przeciążymy pin wspólny dla diod i uszkodzimy mikrokontroler. Większość mikrokontrolerów dopuszcza maksymalny prąd ?25mA na pin, czym się bezwstydnie chwalą w notach katalogowych. Ponieważ na raz pali się tylko jedna dioda LED, a reszta jest zgaszona, to sumaryczna jasność całego wyświetlacza będzie niższa.


    Specjalizowane układy do matryc i wyświetlaczy

    Na rynku dostępne są specjalizowane układy driverów LED, zarówno dla pojedynczych diod, jak i dla wyświetlaczy i matryc LEDowych. Rodziny układów 7400 i 4000 mają dedykowane dekodery LED z kodu binarnego lub BCD na wyświetlacze siedmiosegmentowe. Były też układy dedykowane do współpracy z lampami Nixie i VFD odporne na wysokie napięcia potrzebne do ich działania. Są one, podobnie jak same lampy, bardzo poszukiwane przez budowniczych zegarków retro. Przez to niejeden całkiem przyzwoity miernik stołowy został rozszabrowany i bezpowrotnie zniszczony.

    STMicro ma na przykład układy STP08DP05 i STP16CPC05, które sposobem pracy przypominają rejestry serii 74xx595. Można je bowiem kontrolować sygnałem szeregowym i łączyć szeregowo. Każde wyjście jednak przy stanie wysokim zwierane jest do masy przez źródło prądowe, którego prąd maksymalny ustala pojedynczy rezystor zewnętrzny. Jest to zatem świetny układ do kontroli pojedynczych diod LED, ale też matryc LEDowych. Pierwszy układ posiada osiem wejść prądowych, drugi szesnaście. Micrel z kolei oferuje podobny układ, MIC5400, który pozwala sterować szesnastoma diodami połączonymi w układzie wspólnej anody, w formie dwóch banków po osiem diod. Do pracy wymaga rezystora ograniczającego prąd i dwóch tranzystorów PNP do sterowania anodami. W zamian za to oferuje zgrubną (4 bity) i dokładną (10 bitów) regulację jasności diod. Podobnie, jak w przypadku układów STMicro te też można łączyć szeregowo.

    Microchip ma w swojej ofercie układy MM5450/-51, posiadające odpowiednio 34 lub 36 wyjść. Tych układów nie da się łączyć szeregowo, ale nie jest to konieczne w typowych zastosowaniach, gdyż w nocie znajdziemy przykład łączenia ośmiu wyświetlaczy siedmiosegmentowych do układu MM5450 z pomocą dwóch tranzystorów PNP. W teorii można kontrolować tymi układami matrycy LED 17x17 lub 18x18, czyli odpowiednio 289 lub 324 indywidualne diody. Podobnie, jak w powyższych układach prąd, a zarazem jasność są ograniczone i regulowane rezystorem. Microchip zaleca potencjometr. Maxim oferuje dedykowane układy, MAX7219/MAX7221, do sterowania multipleksowanych wyświetlaczy siedmiosegmentowych i matryc LED. Obsługują one matryce 8x8 lub osiem wyświetlaczy LED za pomocą protokołu SPI i jego pochodnych. Układy te oferują wiele dodatkowych funkcji i odciążają mikrokontroler - potrzebne wartości można wysłać jako kod BCD. Na Alledrogo można kupić gotowe płytki z matrycami 8x8 używające chińskich klonów MAX7219.

    Skoro już wspominamy o Chinach, to warto zwrócić uwagę na dwa układy firmy Titan Micro Electronics, które sprzedawane są głównie w gotowych modułach. Są to układy TM1637 i TM1638. TM1637 obsługuje do sześciu wyświetlaczy siedmiosegmentowych o wspólnej anodzie i jednocześnie pozwala skanować matrycę klawiszy w układzie 8x2. TM1638 obsługuje do 10 wyświetlaczy siedmiosegmentowych o wspólnej anodzie i matrycę klawiszy 8x3. Oba układy są sterowane przez dwukierunkowy interfejs szeregowy. Niestety, układy te są dostępne głównie w formie gotowych (niedrogich) modułów, więc jeśli potrzebna jest inna konfiguracja, niż to, co wymyślili chińscy inżynierowie, to trzeba będzie układ wylutować.

    Dla miłośników prostych multimetrów Maxim wciąż produkuje układy serii ICL7107 i ICL7117, a Microchip robi ich odpowiedniki pod symbolem TC7107/TC7117. Wersje sterujące wyświetlaczami LCD mają oznaczenia ICL/TC7106/7116. Schematy różnych mierników i multimetrów na ich bazie znajdują się zarówno w notach katalogowych i aplikacyjnych, jak i w wielu czasopismach i zbiorach schematów. Ja znalazłem kilka w Poradniku Radioamatora.


    Diody LED specjalne


    Diody migające

    Czyli diody LED z wbudowanym układem scalonym i ograniczeniem prądowym. Występują w wariantach jedno-, dwu- i trzykolorowym. Jednokolorowe LEDy spotyka się często w prostych zestawach typu "migadełko choinkowe", gdzie diody wtyka się w tekturową kartkę z rysunkiem choinki i łączy się od drugiej strony. Dodatkowe rezystory i tranzystor pozwalają na to, by jedna dioda migająca kontrolowała pozostałe diody. Diody dwukolorowe zapalają oba kolory naprzemiennie. Diody RGB powtarzają sekwencję wszystkich możliwych kombinacji kolorów lub sekwencję tylko kolorów głównych. Ich zastosowanie ogranicza się do dodawania tej dodatkowej porcji kiczu w najróżniejszych tanich gadżetach i zabawkach z Chin.


    Diody płynnie zmieniające kolory

    Diody RGB z wbudowanym układem scalonym, które przechodzą płynnie przez całą tęczę kolorów. Spotykane w budżetowych peryferiach komputerowych i w gadżetach. Nadal są kiczowate, ale mimo wszystko mniej kiczowate od migających konkurentów. Ze względu na rozrzut parametrów rezonatorów RC użytych w tych diodach każda z nich zmienia kolory w odrobinę innym tempie. Dlatego moje ekstra-tanie, odpustowe głośniczki komputerowe po włączeniu zasilania świecą tym samym kolorem tylko przez krótką chwilę. Podobnie odrobinę droższa myszka z czterema diodami tego typu zmienia kolory w sposób całkiem interesujący.

    Pewnym interesującym podtypem tych diod są LEDy emulujące światło świecy. Nie miałem przyjemności oglądania takiej diody na żywo, ale przypuszczam, iż efekt nie jest mocno porywający i często zależy od budżetu przeznaczonego na zakup takiej diody. Uzyskanie sensownego efektu może jednak wymagać użycia diod RGB i mikrokontrolera.


    Lampki LED - zamienniki miniaturowych żarówek

    Produkt cokolwiek niszowy, bo przeznaczony do starszych urządzeń i pojazdów. Zamienniki miniaturowych żarówek znajdą zastosowanie przy naprawie sprzętu retro jako podświetlenie skal i wskaźników, oraz w starszych samochodach, gdzie w roli kontrolek występowały miniaturowe żaróweczki na 12-24V. Lampki te mają ukryty w cokole układ zasilania, który często przyjmuje prąd stały i zmienny o dowolnej polaryzacji przy dość szerokim zakresie napięć. Za tę elastyczność często trzeba zapłacić wyższą ceną, ale prawdopodobnie taka lampka "przeżyje" sprzęt, w którym się znajdzie. Jako oświetlacze skal i wskaźników najlepiej sprawdzą się lampki białe ciepłe, chyba że oryginalnie użyto żarówek barwionych. We wskaźnikach samochodowych z wbudowanymi filtrami koloru warto sprawdzić zarówno lampki w kolorze kontrolki, jak i białe neutralne/zimne dla uzyskania optymalnej jasności.


    Diody laserowe

    Znane z napędów optycznych i breloczków-wskaźników te niewielkie komponenty potrafią być niebezpieczne dla zdrowia. Diody te generują światło konkretnej długości fali, gdzie wszystkie fotony "są w fazie", ale nadal wymagają soczewki do skupienia wiązki. Występują w kolorach podczerwonym, czerwonym i niebieskim. Inne kolory, jak zielony, są zazwyczaj uzyskiwane na drodze procesu powielania częstotliwości drgań fotonów - w tym celu używa się diod podczerwonych o mocach większych od mocy uzyskanej wiązki światła w innym kolorze. Jako przykład diody laserowej w kolorze zielonym, gdzie nie trzeba podwajać częstotliwości światła niech posłuży poniższy film demonstrujący przy okazji, co jest możliwe do legalnego kupienia i zbudowania:





    Diody laserowe są nadzwyczaj delikatne - źle znoszą wyładowania elektrostatyczne, wysoką temperaturę pracy i przekroczenie dopuszczalnego prądu znamionowego. Światło co mocniejszych diod bezproblemowo uszkadza sensory optyczne cyfrowych aparatów oraz kamer kamer, a także zwierząt i ludzi. Dlatego zabawa z diodami laserowymi nie jest zalecana dla początkujących, a dobre okulary ochronne to konieczność, a nie fanaberia. Oko nie pieczarka - nie odrośnie.


    Diody programowalne WS2812x i WS2813


    Ze wszystkich diod LED RGB rodzina WS2812x i WS2813 jest od kilku lat najpopularniejsza wśród zagranicznych hobbystów, a i w Polsce dobrze się przyjęła. Diody te są łatwo dostępne w formie taśm i modułów o różnych kształtach, z czego WS2812B jest wariantem najpopularniejszym. Ale czym są te diody i dlaczego są tak popularne?

    WS2812x i WS2813 to programowalne diody RGB w obudowach SMD. Do programowania używany jest bardzo prosty interfejs szeregowy, który umożliwia łączenie diod w długie łańcuchy i kontrolowanie ich jednym pinem. Każda dioda ma wbudowany kontroler sterujący poszczególnymi kolorami R, G i B oferując 256 poziomów jasności (8 bitów), Do łańcucha diod wysyła się strumień bitów składający się z trzech wartości ośmiobitowych dla kolorów G, R i B, bez żadnych odstępów między bajtami czy pakietami. Każda kolejna dioda zastępuje dane dla siebie stanem niskim, a resztę strumienia bajtów wysyła dalej. Po wysłaniu całego pakietu danych wstawia się krótką pauzę, by oznaczyć koniec transmisji i móc zacząć ją od nowa. Dokładniej protokół opiszę poniżej. Poniżej dwa zdjęcia diody WS2812B, na pierwszym widać strukturę diody z drutami łączącymi układ scalony z metalowymi polami wuprowadzającymi sygnały na zewnątrz i diodami. Na drugim możemy zobaczyć zbliżenie na sam układ scalony (zdjęcie zrobione chińskim mirkoskopem USB).

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Diody LED bez tajemnic - kompendium



    Czym się różni WS2812x od WS2813?

    Podstawową różnicą między tymi rodzinami diod jest obecność wejścia BIN w diodach WS2813. Wspomniałem wyżej, iż każda dioda zastępuje pakiet wartości dla siebie stanem niskim i wysyła resztę dalej, aż do pojawienia się stanu RST. Wejście BIN robi to samo, co poprzednia dioda w łańcuchu zanim dane trafią do właściwego rejestru. To sprawia, że łącząc diody sposób pokazany poniżej awaria jednej z diod nie przerywa transmisji danych do kolejnych. Dopiero awaria dwóch sąsiadujących diod przerywa łańcuch. W przypadku WS2812x awaria diody powoduje, że reszta diod w łańcuchu nie otrzymuje swoich danych i przez to nie może być kontrolowana. Sposób łączenia diod WS2813 pokazują poniższe schematy:

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Drugą zaletą WS2813 jest wyższa częstotliwość PWM, 2kHz, podczas gdy WS2812x ma częstotliwość PWM 400Hz, co przy dłuższych łańcuchach i różnych dodatkowych zaprogramowanych efektach może prowadzić do nieprzyjemnego migotania. WS2813 ma też dłuższy czas dla sygnalizacji końca pakietu, bo 300?s zamiast 50?s dla starszej wersji - przydaje się to przy używaniu wolniejszych mikrokontrolerów. Wadą jest nieco wyższa cena i mniejsza popularność. Póki to się nie zmieni, to diody WS2812B są lepszym wyborem dla hobbysty. W razie uszkodzenia któreś diody w taśmie LED można zwykle wyciąć cały segment, wstawić nowy, odcięty od taśmy i wlutować zworki z nóżek by "wstawkę" połączyć z resztą taśmy.


    WS2815, WS2811, SK9822, SK6812RGBW

    WS2815 funkcjonalnie nie różni się niczym od WS2813, z wyjątkiem napięcia zasilania. Ten wariant zasilany jest napięciem 12V, a diody w strukturze są łączone szeregowo, a nie równolegle jak w innych wariantach. W przypadku długich łańcuchów wyższe napięcie zasilania sprawia, że nie ma spadków jasności w środku łańcucha i nie trzeba dolutowywać dodatkowych przewodów zasilających co kilka metrów. W handlu dostępne są też układy WS2811, które są kontrolerami bez diod LED, i są dostępne w tanich taśmach na napięcie 12V, gdzie każdy układ kontroluje grupę trzech diod. Sposób działania jest analogiczny do WS2812, ale układ oferuje wejście SET pozwalające ustalić częstotliwość odświeżania diod na 400Hz lub 800Hz.

    SK9822 jest alternatywą dla diod WS2812x oferującą lepszy protokół komunikacji. Te diody posiadają wejście i wyjście zegarowe, dzięki czemu odpada problem dbania o czasy stanów wysokich i niskich dla poszczególnych bitów. Częstotliwość transmisji danych może przez to być kilkukrotnie wyższa, niż w przypadku innych układów. Może też być też dużo wolniejsza. Pakiet składa się z 32-bitowych ramek, z których pierwsza to ramka startu, a ostatnia to ramka stopu. Pozostałe zawierają dane jasności poszczególnych kolorów. Poza regulacją jasności poszczególnych kolorów (8 bitów) jest jeszcze regulacja wspólnej jasności w 32 poziomach (5 bitów). Moim zdaniem ta zgrubna regulacja została dodana po to tylko, by ramki miały 32 bity. Pod każdym innym względem układy te są analogiczne do WS2812.

    SK6812RGBW to alternatywa dla WS2812, w swojej strukturze zawiera dodatkową, białą diodę LED. Dostępne są warianty biały zimny, biały neutralny i biały ciepły. Te diody kosztują więcej i pobierają więcej prądu (w przypadku taśm trzeba dołączać zasilanie w większej liczbie miejsc), ale oferują lepszą jakość bieli, niż standardowe diody RGB. Sposób kontroli jest analogiczny do diod WS2812x, ale każdy pakiet danych zawiera 32 bajty zamiast 24. Dodatkowy bajt kontroluje diodę białą.


    Jak sterować diodami?

    Do sterowania diodami WS2812x i podobnymi dostępne są gotowe biblioteki. Trzy najpopularniejsze to FastLED, Neopixel i WS2812FX. Biblioteki są napisane z myślą o środowisku Arduino, więc użycie ich w środowisku niekompatybilnym może wymagać sporych modyfikacji. W planach mam przetestowanie tych bibliotek, zwłaszcza WS2812FX, w środowisku MPLAB-X z mikrokontrolerem PIC18F45K50.

    Drugą opcją jest napisanie własnej biblioteki do obsługi tych diod. Ma to sens zwłaszcza wtedy, gdy nie ma biblioteki dla użytego mikrokontrolera, albo potrzebujemy mocno zoptymalizowanego kodu do uzyskania konkretnych efektów. Można też pisanie takiej biblioteki od zera potraktować jak ćwiczenie umiejętności programowania - zwłaszcza hobbyści z małym doświadczeniem (jak ja) powinni tak robić. Gotowe moduły są absurdalnie tanie, a wizualna reprezentacja efektów dobrze motywuje do samodoskonalenia.

    Układy WS281xx i im podobne używają jednej linii danych z protokołem, w którym wartości binarne 0 i 1 są zakodowane czasem trwania stanu wysokiego.Czas trwania stanu niskiego jest mniej istotny, i musi tylko spełnić kryterium minimalnej długości. Wszystkie czasy przedstawia poniższa tabela:

    TonToffTolerancja
    0350ns800ns?150ns
    1700ns600ns?150ns
    RST->50?s


    Dla WS2813 czasy wyglądają tak:

    TonminTonmaxToffminToffmax
    0100ns450ns300ns100?s
    1750ns1000ns300ns100us
    RST-->300?s


    Dla WS2812B czasy Toff mogą osiągać 5?s. Dane są przesyłane w formie trzech kolejnych bajtów dla kolorów zielonego, czerwonego i niebieskiego. SK6812RGBW dodaje na koniec czwarty bajt dla białej diody. Pierwsza dioda zapisuje pierwszą sekwencję do rejestru, na wyjście podając stan niski. aż zacznie się sekwencja danych dla kolejnych diod. Zakończenie transmisji sygnalizowane jest stanem niskim trwającym dłużej niż czas RST. Dopiero po jego upływie pierwsza dioda zacznie akceptować nowe dane.

    Minimalny czas wykonywania instrukcji mikrokontrolera musi wynosić przynajmniej 400ns, by mikrokontroler mógł wysyłać "zera". Inaczej pisząc powinien móc "machać nóżką" z częstotliwością przynajmniej 2,5MHz. Dlaczego 400ns, a nie 450ns, jak stoi w tabeli? A dlatego, by był jakiś margines błędu zarówno dla układów w diodach, jak i w oscylatorze mikrokontrolera. Tak czy siak oznacza to, że zbyt wolne mikrokontrolery nie poradzą sobie z obsługą WS281xx i podobnych. Na szczęście szybkich mikrokontrolerów na rynku nie brakuje.


    Diody LED mocy

    Diody LED mocy zyskały niezwykłą popularność w ciągu ostatnich 10-15 lat. Hobbyści spotykali je najpierw w latarkach oraz jako alternatywę do lamp HPS czy CFL do oświetlania akwariów z bujną roślinnością czy do hodowli roślin w szafie. Mój pierwszy z nimi kontakt miał miejsce, gdy kolega poprosił mnie o złożenie dla niego lampy świecącej podczerwienią na potrzeby fotografii. Gotowa lampa zawierała 7 diod podczerwonych o mocy 1W każda, fabryczny zasilacz i fabryczne soczewki skupiające światło. Test z kamkorderem z trybem noktowizyjnym dał mi zasięg ponad 30 metrów dobrej widoczności. Z perspektywy lat mogę stwierdzić, że mogłem to lepiej zrobić.

    Do wyboru, do koloru

    Podobnie, jak z diodami "tradycyjnymi", tak i w przypadku LED mocy mamy mnogość opcji. Diody białe są najpopularniejsze, ale poza nimi mamy diody kolorowe ze spektrum od podczerwieni do ultrafioletu, z oddzielną grupą diod do hodowli roślin, oraz diody RGB i RGBW. Typowe moce to 1W, 3W, 5W i 10W. Są też diody większe, od 20W do 100W, i więcej. Sam mam diodę 100W, którą kupiłem na potrzeby naprawy projektora (utknąłem na etapie wymyślania, jak to wszystko upchnę, ale teraz mam narzędzia, których nie miałem wcześniej). Hobbyści zwykle kupują diody przylutowane już do specjalnych płytek drukowanych (bardzo cienki laminat naklejony na bazę z aluminium), poniżej zdjęcie kilku takich diod.

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Na potrzeby napraw i modyfikacji latarek i innych urządzeń można kupić "gołe" diody. Sam zrobiłem to raz, do naprawy mojej pierwszej latarki LED, którą dwa miesiące później i tak zgubiłem. Za to wymiana chińskiej diody Cree na diodę kupioną w Polsce podniosła jasność o jakieś 30%. Dlaczego tak się stało? Ano dlatego, że diody LED mocy są sortowane w fabryce pod kątem sprawności, a w przypadku diod białych także temperatury barwowej i współczynnika oddawania kolorów. Diody "gorszego sortu" są sporo tańsze od tych najlepszych, więc są chętnie kupowane przez chińskich fabrykantów latarek. Te lepsze znajdziemy w produktach klasy premium, z odpowiednio wyższą ceną. Warto o tym pamiętać wybierając diody do swojego projektu.


    Zasilanie diod mocy

    Podobnie jak zwykłe diody LED, diody mocy też są elementami prądowymi. Prądy są jednak znacząco wyższe - typowa dioda 1W potrzebuje prądu 350mA, podczas gdy mały LED wymaga maksymalnie 20-25mA. Dioda 10W może wymagać prądu 3A. Skutkiem ubocznym tak dużych prądów jest to, że standardowe dobieranie rezystora albo budowanie ograniczenia prądowego na tranzystorach nie ma zupełnie sensu. Dlaczego? Bo straty mocy na rezystorze albo na obwodzie ograniczenia prądowego będą dość spore, czasem nawet większe, niż straty mocy na samej diodzie.

    W praktyce do zasilania diod mocy używa się przetwornic impulsowych w konfiguracji źródła prądowego. Do zasilania sieciowego są to proste przetwornice transformatorowe, najczęściej typu flyback, forward albo RCC. Przy zasilaniu niższym napięciem popularne są przetwornice buck, boost i SEPIC. By ułatwić pracę projektantom producenci oferują szeroką gamę układów scalonych przeznaczonych do zasilania diod LED mocy. W praktyce amatorskiej projektowanie układu od zera może nie mieć sensu, gdyż gotowe moduły są relatywnie tanie. Dla przykładu za 5 złotych można nabyć przetwornicę typu buck na układzie LM2596S z regulacją napięcia i natężenia. Za podobną cenę można kupić moduł zasilacza LED na napięcie 230V pozwalającego zasilić 4-7 diod LED 1W, i mniejszy dla 1-3 diod 1W. Dostępne są też moduły do budowy latarek LED na okrągłych płytkach o średnicy dopasowanej do współpracy z ogniwami litowymi 18650 i podobnymi.

    Są sytuacje, gdzie jednak warto pokusić się o budowę własnej przetwornicy lub liniowego ograniczenia prądowego. Na przykład wtedy, gdy chcemy mieć kontrolę nad jasnością świecenia diody bądź diod. Prostą implementację liniowego zasilacza prądowego dla LED 1W wpółpracującego z wyjściem PWM mikrokontrolera lub z wyjściem DAC przedstawia poniższy schemat:

    Diody LED bez tajemnic - kompendium


    Sercem układu jest wzmacniacz operacyjny, na schemacie jest to połowa LM358, ale z powodzeniem można użyć LM321 albo MCP6021/2. Dla układów LM napięcie zasilania powinno wynosić przynajmniej 7V, dla MCP maksymalnie 5,5V. Wzmacniacz pracuje w konfiguracji prądowego obciążenia z rezystorem R2(izolującym wyjście wzmacniacza od tranzystora) tranzystorem Q1 (BD135, ale może być dowolnie inny tranzystor średniej mocy NPN, lub MOSFET typu N, jeśli tylko napięcie potrzebne na wysterowanie bramki będzie niższe lub równe napięciu zasilania) oraz rezystorem R3, na którym odkłada się około 77mV orzy 350mA. Rezystor R1 i kondensator C3 stanowią filtr dolnoprzepustowy o paśmie ~1,55kHz, R4 i R5 zaś stanowią dzielnik napięcia 1:64,7. Napięcie z dzielnika jest porównywane z napięcie z R3 przez wzmacniacz, który tak steruje tranzystorem Q1, by oba napięcia były równe. Maksymalny prąd diody może wynieść 351mA, nie uwzględniając napięcia niezrównoważenia wejść wzmacniacza. Dla LM358 może ono zmienić prąd diody o ±27mA. Należy też uwzględnić rozrzut parametrów rezystorów. Warto więc ustawić napięcie DAC na 2,5V (PWM o wypełnieniu 50%) i sprawdzić, czy przez diodę płynie dokładnie 175mA.

    Chłodzenie diod LED mocy

    Diody LED mocy są dość wydajne w produkcji światła, ale mimo to 10-40% energii zmieni się w ciepło, którego trzeba się pozbyć. Przy czym im większa moc diody i im gorszy sort, tym większy procent energii zmienia się w ciepło. Dlatego diody LED wymagają jakiejś formy chłodzenia. Amatorzy hodowli roślin akwariowych i szafowych montują diody LED z "gwiazdkami" do metalowego płaskownika, i to wystarczy. W latarkach diody LED 1-10W odprowadzają ciepło do obudowy, z różną skutecznością. Dla diody 100W, którą posiadam zakupiłem radiator z wentylatorem dedykowany do procesorów AMD sprzed 15 lat. W studyjnych lampach LED o dużych mocach znajdziemy sporej wielkości radiatory i wentylatory wymuszające chłodzenie.

    Diody LED mocy, jak każdy półprzewodnik, mogą pracować w temperaturze do 150°C. Ale w praktyce temperatury struktury powyżej 85°C negatywnie wpływają na żywotność diody. Szczególnie boleśnie "odczuwają" to diody, w których struktury są łączone w układzie szeregowo-równoległym. Te rozpoznamy po napięciu przewodzenia od 6V wzwyż. Te struktury mogą się zwyczajnie nagrzewać nierównomiernie. Dodatkowo w przypadku białych diod te są jeszcze pokryte luminoforem, który nie przewodzi dobrze ciepła i sam może ulegać degradacji.


    Soczewki

    Diody mocy z reguły mają dość szeroki kąt świecenia, dlatego czasem może być potrzeba dołożenia układu optycznego. Dla większości mniejszych diod o mocach od 1W do 5-10W można nabyć soczewki o szerokim zakresie kątów skupienia światła. Na potrzeby oświetlacza podczerwonego kupiłem siedem soczewek o kącie 5° by lepiej skoncentrować światło. Efekt był nadzwyczaj zadowalający. Dla diod większych mocy (np. 100W) soczewki też występują, z reguły z dodatkowym reflektorem, ale ich ceny bywają sporo wyższe. W tej sytuacji amator może pokusić się o soczewkę Fresnela z lampy typu PAR.


    Podsumowanie

    Nie ma elektronika, zarówno amatora, jak i profesjonalisty, który by nie miał do czynienia z diodami LED. Są to jedne z podstawowych komponentów, choć ich rola to tylko oświetlanie i sygnalizowanie. Budowanie własnych "mrygaczy" i innych efektów świetlnych jest, moim zdaniem, satysfakcjonującym zajęciem i dobrym powodem, by sięgnąć po lutownicę lub programator.

    Mam nadzieję, zę wystaraczajaco wyczerpałem temat, nie wyczerpujac przy tym czytelnika. Jak zwykle, zachęcam wszystkich do zadawania pytań i dzielenia się swoimi uwagami. Ale chciałbym też Was prosić, byście podzielili się swoimi projektami z diodami LED.

    Cool? Ranking DIY
    Do you have a problem with Arduino? Ask question. Visit our forum Arduino.
    About Author
    Urgon
    Editor
    Offline 
    Has specialization in: projektowanie pcb, tłumaczenie, mikrokontrolery PIC
    Urgon wrote 5851 posts with rating 1806, helped 195 times. Live in city Garwolin. Been with us since 2008 year.
  • SterControl
  • #2
    acctr
    Level 26  
    W tym ostatnim schemacie dałeś wzmacniacz sygnału z rezystora pomiarowego. Nie prościej było dać dzielnik napięcia na wejściu PWM/DAC?
    Wzmacniacz w obwodzie prądowym wprowadza dodatkowe opóźnienie i pogarsza stabilność. Do wzbudzenia mu niedaleko.
  • #3
    Gizmoń
    Level 28  
    Urgon wrote:
    Pierwszym, który zepsułem lutownicą transformatorową (której nie polecam) była elektroniczna ruletka z całą masą diod LED.

    "W nienawiści do transformatorówek, tak zostałem wychowany"?
    Urgon wrote:
    Wzór ogólny wygląda tak:R = Vcc - Vf / If

    Proponuję dodać tam nawias, bo teraz wzór jest błędny.
    Urgon wrote:
    oświetlacze dla kamer widzących w rzekomej ciemności

    Czym jest rzekoma ciemność? :D
    Urgon wrote:
    diodę w kolorze niebieskim lub UV pokrywa się wrażliwą na te barwy mieszanką fosforów znanych ze świetlówek celem

    Luminoforów, kurka wodna! Angielski "phosphor" to nie to samo co polski "fosfor".
    Urgon wrote:
    Przykładowo czterocyfrowy wyświetlacz siedmiosegmentowy wymagałby 32 wyjść (doliczając kropki). Problem ten rozwiązano już w czasach lamp elektronowych, a dokładniej to lamp nixie i numitronów. Lampy te mają wspólną anodę i zestaw katod, z których każda załącza jedną cyfrę lub znak w lampie nixie lub jeden segment w numitronie. Katody poszczególnych lamp są połączone ze sobą równolegle, anody zaś są załączane po kolei. Wyświetlacz tak zbudowany potrzebuje tyle linii anodowych, ile jest w nim lamp, i tyle linii katodowych, ile ma lampa z ich największą liczbą.

    Numitrony nie miały anod i katod, bo to były żarówki :P No i nie jestem taki pewny, że przemiatanie wyświetlaczy postało już wtedy. Może ktoś, gdzieś, coś takiego zmajstrował, ale jednak wczesne wyświetlacze były sterowane raczej akurat statycznie - każdy miał własny dekoder BCD. Nawet wspomniany ICL7107 tak robi - ma osobne wyjście dla każdego segmentu. I warto wspomnieć, że statyczne sterowanie, choć "wyjściożerne", ma zaletę: wskazania dają się bez problemu filmować kamerami oraz są łatwiejsze do odczytu, jeśli wyświetlacz drga.
  • #4
    Urgon
    Editor
    AVE...

    @Gizmoń

    Dziękuję za zwrócenie uwagi, błędy poprawiłem. Tam faktycznie powinny być luminofory, i tak nawet myślałem napisać, ale i tak "babola" walnąłem. Numitrony pomieszały mi się z lampami Panaplex. Rzekoma ciemność, nie mylić z ostrym cieniem mgły, to ciemność udawana, bo właśnie rozświetlona podczerwienią. Jedna z firm motoryzacyjnych eksperymentowała z kamerami do jazdy nocnej i we mgle, gdzie za doświetlenie robiły lampy emitujące ultrafiolet. Przypadkowi piesi na poboczach byli widoczni z większej odległości, bo proszki do prania mają składnik wrażliwy na ultrafiolet.

    Zła lutownica boli przez całe życie. A zdanie "W nienawiści do transformatorówek, tak zostałem wychowany" chyba sobie wstawię do podpisu. ;)


    @Acctr

    Układ z jednym wzmacniaczem i dzielnikiem po stronie PWM/DAC może być potencjalnie bardziej niestabilny, niż rozwiązanie ze schematu. Stopień wzmacniający ogranicza pasmo przenoszenia, co poprawia stabilność. Zależnie od wariantu LM358 pasmo w pętli pomiaru prądu jest ograniczone do ~10kHz lub ~18kHz. Dla MCP6022 będzie to ~152kHz. W razie problemów można zmniejszyć wartości R4 i R5 dziesięciokrotnie, lub dodać nieduży kondensator równolegle do R4.

    Jutro przygotuję symulację, by sprawdzić kryterium stabilności dla tego układu...
  • #5
    pawelr98
    Level 39  







    Diody LED bez tajemnic - kompendium
    Diody LED bez tajemnic - kompendium

    Sterownik LEDa typu COB o mocy 200W, dostarczana moc około 70W ustalona małym PRkiem na płytce. Dla 11.7V jest około 6A. Na wejściu pakiet 4S1P 10A.

    494 + IR2101 i górny tranzystor mosfet 55A pobrany z płyty głównej.
    Miał być synchroniczny ale się okazało, że dochodzi do przewodzenia obu tranzystorów jednocześnie bo pozyskany układ zapewniał zbyt mały deadtime.
    Tranzystor spalił płytkę, koniec końców po prostu wrzuciłem diodę schottkiego 3A, przewodzi krótko więc się nie grzeje zbytnio.

    Moduł radiowy z chin z pilotem pracujący jako PWM, sygnał PWM pobrany przewodem z bramki tranzystora, odfiltrowany poprzez człon RC i podany na wejście 494 jako sygnał w pętli stabilizacji prądu.
  • SterControl
  • #6
    acctr
    Level 26  
    Urgon wrote:
    Jutro przygotuję symulację, by sprawdzić kryterium stabilności dla tego układu

    U mnie to wygląda następująco (2 V na wejściu PWM/ADC i ekwiwalent)

    1) układ ze wzmacniaczem

    Diody LED bez tajemnic - kompendium

    Diody LED bez tajemnic - kompendium

    Makabra jakaś, @Urgon nie idź tą drogą...

    2) układ bez wzmacniacza

    Diody LED bez tajemnic - kompendium

    Diody LED bez tajemnic - kompendium
  • #8
    750kV
    Level 32  
    @Urgon
    Nie wspomniałeś o dedykowanych do zasilania małej mocy LED-ów, scalonych, dwukońcówkowych stabilizatorów prądu. Na przykład: NSI45020AT1G (20 mA/45 V).
    Diody LED bez tajemnic - kompendium
    Można je ze sobą łączyć szeregowo, kiedy spadek napięcia na stabilizatorze przekracza 45 V, bądź równolegle - gdy wymagany jest większy stabilizowany prąd.
  • #9
    jarek_lnx
    Level 43  
    @acctr Też chciałem o tym napisać, dwa identyczne wzmacniacze w pętli koło 0dB będą przesuwać fazę o blisko 180'. Oczywiście da się to skompensować, ale zalet takiego rozwiązania nie widzę.
  • #11
    tmf
    Moderator of Microcontroller designs
    Okreśłenie dioda LED nie jest poprawne - LED to skrót od light emitting diode, a więc w skrócie jest już zawarta nazwa - dioda. Robi się więc z tego masło maślane :)
    Przy okazji - unikałbym określenia, że dioda się pali - tak się niestety zdarza, ale nie jest to pożądane :) Podobnie przy diodach IR - napięcie przewodzenia takiej diody to raczej 1,2V a nie 1,9V - napięcie przewodzenia, jak widać zresztą z twoich przykładów rośnie odwrotnie proporcjonalnie do długości emitowanej fali, a więc proporcjonalnie do energii fotonu. Fotony IR mają najniższą energię, UV najwyższą.
    Do artykułu dodałbym jeszcze co najmniej następujące rzeczy:
    - przydałoby sie wyjaśnić dlaczego LEDy steruje się prądowo a nie napięciowo, bo to ciągle wywołuje żywiołowe dyskusje,
    - wyjaśnienie związku pomiędzy prądem a jasnością - wiele osób niepotrzebnie katuje LEDy, uzyskując w efekcie tylko większy pobór prądu i skrócenie żywotności,
    - opis prądu chwilowego/maksymalnego diody i jak go wykorzystać,
    - trochę więcej na temat strat przy wykorzystaniu rezystora szeregowego i jak ich uniknąć, bo to szczególnie przy większej liczbie LEDów, czy LEDach o dużej mocy jest bardzo istotne. Warto też wspomnieć o relacji efektywność - temperatura złącza i jak się to zmienia w czasie.
    Jeśłi opisujesz układy typu WS, czy scalone sterowniki LED, to warto wspomnieć jak one sterują LEDem, czy tam jest źródło prądowe oparte na stabilizacji liniowej, czy np. PWM. Swoją drogą o sterowaniu PWM też możnaby wspomnieć.
    Ale poza tym bardzo ciekawy temat - LEDy cieszą się nieustającą popularnością i niestety powstaje wokłół nich sporo mitów, szczególnie obecnie, kiedy za LEDy wzieli się spece od marketingu i osoby nie mające pojęcia o temacie.
  • #12
    Urgon
    Editor
    AVE...

    @Acctr, @Jarek_lnx

    Przeprowadziłem własne symulacje dla tego układu. Zamiast rezystora użyłem modelu diody LED mocy o prądzie przewodzenia 350mA, by było poprawnie. Układ z LM358A wzbudza się, bo margines wzmocnienia wynosi -23,64dB, a margines fazy -31,05 stopni.

    Wariant z jednym wzmacniaczem i dzielnikiem faktycznie działa lepiej, marginesy wynoszą 29dB i 81,63°. Prąd diody "podskoczył" do 351mA. Z MCP6021/6022 marginesy są jeszcze lepsze, ale symulacja wskazuje na problem ze współczynnikiem temperaturowym układu - wszystko wskazuje, że to problem z modelem. Stosowny fragment poprawiłem i podmieniłem schemat.
  • #13
    andrzejlisek
    Level 29  
    Dawniej, marzyłem o tym, żeby posiadać świetlówkę UV, bo lubiłem te efekty. Chodzi o świetlówkę używaną w dyskotekach do efektów świetlnych, nie taką używaną w szpitalach do dezynfekcji. Wtedy, sama świetlówka 36W kosztowała ponad 80zł, świetlówka 18W nie pamiętam, czy była w sprzedaży, ale tylko nieznacznie tańsza. Do tego dławik, starter, wyszłoby ponad 100zł za wielkogabarytową lampę do okazjonalnej zabawy. Spełnieniem marzeń była LED w wersji UV, którą zobaczyłem w sklepie z częściami elektronicznymi.

    Na temat prawidłowego zasilania diody miałem zerową wiedzę. Zapytałem o napięcie zasilania (bo wtedy myślałem, że diodę świecącą, zasila się napięciowo, tak samo, jak żarówkę, czym różni się od diody nieświecącej), powiedział, że 4V. Zapytałem, czy można zasilać napięciem 4,5V, powiedział, ze może być (ale nie powiedział, że do tego potrzebny jest opornik). Zmontowałem prymitywną lampkę wykorzystując diodę UV i trzy świeże ogniwa AA. Z lampki korzystałem codziennie przez 15 minut, świeciła bez żadnego problemu, a zabawa była przednia. Nic nie zanosiło się, żeby wkrótce dioda przestała działać (czasami dioda gasła z powodu niepewnego kontaktu, ale wystarczyło lekko docisnąć, za bardo nie miałem z czego taką lampkę zbudować), lampkę wyrzuciłem dopiero, jak w sklepie papierniczym kupiłem "długopis UV", do którego była załączona taka sama lampka, tylko, że wielkości breloka i na trzy miniaturowe ogniwa. Teraz wiem, ze to nie jest prawidłowe zasilanie diody (brak opornika).

    Mam dwa ciekawe spostrzeżenia:
    1. Diody świecące na niebiesko często wykazują efekt podobny do UVA (taki spotykany na dyskotekach i w testerach autentyczności banknotów), czyli fluorescencja przedmiotów białych i w niektórych kontrastowych kolorach. Czy to znaczy, że barwa niebieska też ma właściwości fluorescencyjne?

    2. Czerwona i zielona dioda obserwowana z odległości minimum 5m jest widoczna jako wyraźny świecący punkt, natomiast taka sama dioda świecąca na niebiesko jest widoczna jako niewyraźna plama świetlna, wydaje się, jakby światło wylewało się z otworu, w którym umieszczona jest dioda. Podobny efekt zauważyłem któregoś roku w grudniu w sklepie, kiedy na wystawie była girlanda składająca się z lampek LED wielkości piłeczek do ping ponga (obudowa była matowa, zupełnie, jakby była zrobiona z takiej piłeczki). Przy obserwacji z odległości minimum 10m, niebieska lampka była lekko rozmyta, a czerwona i zielona była wyraźnie widoczna. Pytałem się kilka osób o ten efekt i część osób (mniej więcej pół na pół) twierdzi, że ma takie samo spostrzeżenie, a inna część nie ma, tak samo widzi wszystkie kolory LED.

    Dodano po 10 [minuty]:

    Urgon wrote:
    Jakiego koloru jest biała dioda LED?

    Nie, nie jest to kolor biały. W dodatku bałe diody nie są białe na różne sposoby. Zaczniemy od prostszego sposobu, czyli użycia diod czerwonej, zielonej i niebieskiej do uzyskania białego koloru. Tak się budowało kolor biały w kolorowych telewizorach i monitorach kineskopowych. Działa to sprawnie, ale współczynnik oddawania barw może nie być najlepszy. Można go poprawić używając drugiego, dużo popularniejszego sposobu kosztem niewielkiego spadku wydajności.


    Jakiego koloru jest biała dioda LED tego drugiego typu?

    Nie jest biała, bo jest żółta bądź pomarańczowa. A jest żółta bądź pomarańczowa, bo jest niebieska lub ultrafioletowa. Wbrew pozorom to ma sens. Po prostu diodę w kolorze niebieskim lub UV pokrywa się wrażliwą na te barwy mieszanką luminoforów znanych ze świetlówek celem uzyskania barwy białej w formie wtórnej emisji światła. Dlatego diody białe należy traktować jak diody niebieskie bądź UV. Napięcie przewodzenia może wynosić 3-5V, jak podaje Texas Instruments w swojej nocie aplikacyjnej o zasilaniu białych LEDów, ale typowe diody LED mieszczą się w zakresie 3,1-3,7V. By pójść na skróty odpowiednie będą tabele dla diod niebieskich, fioletowych i ultrafioletowych z powyższego zestawienia.

    Czy wszystkie urządzenia potocznie nazywane "żarówkami LED" (które poza kształtem i zastosowaniem nie mając nic wspólnego z żarówką) to będą diody świecące drugiego typu? Zauważyłem, że takie lampy mają widmo ciągłe, ale mają też dużą zawartość barwy niebieskiej. Dlaczego by nie użyć LED mającego możliwy najdalszy zakres UV (jak najmniej widoczny gołym okiem) i luminoforu? A patrząc w drugą stronę, dlaczego do świetlówek nie można zastosować luminoforu takiego, jak w LED, tylko jest stosowany gorszy luminofor, który świeci wyraźnymi pasmami zamiast ciągłym widmem?

    Dodano po 3 [minuty]:

    Urgon wrote:
    Pewnym interesującym podtypem tych diod są LEDy emulujące światło świecy. Nie miałem przyjemności oglądania takiej diody na żywo, ale przypuszczam, iż efekt nie jest mocno porywający i często zależy od budżetu przeznaczonego na zakup takiej diody. Uzyskanie sensownego efektu może jednak wymagać użycia diod RGB i mikrokontrolera.

    Ja kiedyś widziałem taką "świecę" w sklepie i z większej odległości wygląda prawie, jak prawdziwa, oprócz samej diody świecącej na żółto jest chyba ruchoma blaszka, która udaje płomień.
  • #14
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Oko ludzkie jest zoptymalizowane by odróżniać najwięcej odcieni zieleni i by widzieć dobrze przy słabym świetle czerwonym. Światło niebieskie kojarzy nam się z dniem, i przez to jego nadmiar wieczorem zaburza cykl dobowy i drażni oko. To, że odbierasz światło niebieskie inaczej, niż czerwone lub zielone może sugerować jakiś problem okulistyczny.

    Są produkowane świetlówki z lepszymi luminoforami, ale w produkcji są droższe, a to oznacza że i cena sprzedaży jest zawyżona jeszcze bardziej. Mam jedną taką świetlówkę, przeznaczoną do pracy w składanej lampie studyjnej. Klienci woleli jednak produkt tani zamiast dobrego i rynek to oddaje. W końcu świetlówki do ekranów LCD oferowały zdecydowanie lepsze oddawanie barw.

    W diodach LED też stosuje się gorsze luminofory, a i mieszanka może być niejednorodna. Dlatego diody są sortowane, a te lepszego sortu są odpowiednio droższe. Zresztą nie do wszystkiego potrzebujesz maksymalnego współczynnika oddawania barw. Do tego w świetlówkach szklana rurka blokuje światło UV, podczas gdy w LEDach masz żywicę epoksydową czy inny plastik. Stosowanie diod UVC do pobudzania luminofora byłoby niezdrowe...
  • #15
    User removed account
    Level 1  
  • #16
    andrzejlisek
    Level 29  
    Urgon wrote:
    To, że odbierasz światło niebieskie inaczej, niż czerwone lub zielone może sugerować jakiś problem okulistyczny.

    Ja generalnie dobrze widzę, ale mam stwierdzoną krótkowzrocznosć na 0,5 dioptri, nie noszę okularów. W przypadku diody UV, która chcąc nie chcąc świeci też na fioletowo, również jest taki efekt.
  • #17
    tmf
    Moderator of Microcontroller designs
    andrzejlisek wrote:
    1. Diody świecące na niebiesko często wykazują efekt podobny do UVA (taki spotykany na dyskotekach i w testerach autentyczności banknotów), czyli fluorescencja przedmiotów białych i w niektórych kontrastowych kolorach. Czy to znaczy, że barwa niebieska też ma właściwości fluorescencyjne?

    To nie barwa ma własności fluorescencyjne, tylko oświetlany materiał. Tak, wiele materiałów ma właściwości fluorescencyjne w świetle niebieskim, a nawet zielonym, czerwonym itd. Normalnie tego nie widzisz za dobrze, bo emitowane światło przysłania fluorescencję obiektu oświetlanego. Użyj filtra, który ci wyeliminuje długość fali, którą oświetlasz i wtedy zauważysz, że fluorescencję wykazuje praktycznie wszystko...
    andrzejlisek wrote:
    Przy obserwacji z odległości minimum 10m, niebieska lampka była lekko rozmyta, a czerwona i zielona była wyraźnie widoczna. Pytałem się kilka osób o ten efekt i część osób (mniej więcej pół na pół) twierdzi, że ma takie samo spostrzeżenie, a inna część nie ma, tak samo widzi wszystkie kolory LED.

    Oprócz różnej struktury dyfuzora, może chodzić o budowę siatkówki. Kolory odbieramy na siatkówce w miejscu, w którym jest największa ostrość wzroku (plamka żółta), z kolei światło niebieskie odbieramy w dużym stopniu pręcikami, a te nie znajdują się w miejscu o największej ostrości, więc może z tego wynika wspomniany przez ciebie efekt.
    andrzejlisek wrote:
    Dlaczego by nie użyć LED mającego możliwy najdalszy zakres UV (jak najmniej widoczny gołym okiem) i luminoforu? A patrząc w drugą stronę, dlaczego do świetlówek nie można zastosować luminoforu takiego, jak w LED, tylko jest stosowany gorszy luminofor, który świeci wyraźnymi pasmami zamiast ciągłym widmem?

    I tak się robi. Wiele diod białych to diody UV z luminoforem. Z kolei w świetlówkach też stosuje się różne luminofory, ale jak zwykle chodzi o cenę. A że czasami jakieś fantastyczne CRI nie jest potrzebne, to wiele osób kupuje to co jest tańsze.
  • #18
    andrzejlisek
    Level 29  
    Urgon wrote:
    Są produkowane świetlówki z lepszymi luminoforami, ale w produkcji są droższe, a to oznacza że i cena sprzedaży jest zawyżona jeszcze bardziej. Mam jedną taką świetlówkę, przeznaczoną do pracy w składanej lampie studyjnej. Klienci woleli jednak produkt tani zamiast dobrego i rynek to oddaje.

    Nie wiem, jak obecnie, ale jakieś 15 lat temu, świetlówki o podwyższonym CRI miały gorszą skuteczność świetlną, czyli mówiąc wprost, oprócz tego, że była droższa, świeciła trochę ciemniej niż zwykła świetlówka. W przypadku, gdy oddawanie kolorów nie ma większego znaczenia (czyli 99% przypadków), wybór rodzaju świetlówki jest oczywisty.
    Urgon wrote:
    W końcu świetlówki do ekranów LCD oferowały zdecydowanie lepsze oddawanie barw.

    Mam dwa monitory ze świetlówkami i dwa laptopy z LED. Różnica na pewno jest, jak się postawi obok siebie, ale nie jest lepsza, gorsza, jednak jeden laptop wyświetla kolory jakby bardziej wyblakłe. Moim zdaniem, to bardzo zależy od właściwości tych diod, a także świetlówek. W obu laptopach ekran ma widmo ciągłe, jednak w obszarze między zielonym a niebieskim światło jest słabe. Wydaje się, że w monitorach LED można zastosować diody RGB, żeby emitować trzy linie widma, czerwona zielona i niebieska. Światło monochromatyczne daje najbardziej żywy kolor, a wszystkie kolory (co jest niezmiennie wykorzystywane od momentu wymyślenia telewizji kolorowej) można uzyskać proporcjami. Teoretycznie OLED miałoby szanse, już są takie wyświetlacze, ale jeszcze mało popularne w komputerach i telewizorach.
    Urgon wrote:
    Światło niebieskie kojarzy nam się z dniem, i przez to jego nadmiar wieczorem zaburza cykl dobowy i drażni oko.

    Spotkałem się ze stwierdzeniem, że niebieskie światło utrudnia zasypianie. Jakiś czas temu w jednym pokoju, który wykorzystuję do pracy wymieniłem dwie świetlówki 2700K 20W na cztery świetlówki 6500K 36W (wymieniłem całą oprawę), poza istotnie lepszym oświetleniem miejsca pracy, nie stwierdziłem zmian w odczuwaniu zmęczenia i wypoczęcia.
    tmf wrote:
    To nie barwa ma własności fluorescencyjne, tylko oświetlany materiał.

    Fluorescencja polega na tym, że materiał przyjmuje jedno promieniowanie i oddaje inne promieniowanie. Pewnie dlatego, że światło niebieskie jest słabo widoczne, dlatego wydawało się, że fluorescencja jest bardzo widoczna.
    tmf wrote:
    Oprócz różnej struktury dyfuzora, może chodzić o budowę siatkówki.

    Z siatkówką oka, może coś być na rzeczy. Natomiast dyfuzory były takie same, bo w przypadku tych lampek, to wszystkie lampki były takie same oprócz kolorów zamontowanych diod, natomiast widzenie pojedynczych diod było takie samo w różnych urządzeniach, najczęściej w laptopach, albo też w szyldach z napisem "OPEN" z diodami czerwonymi i niebieskimi (spotykane wiele lat temu przy wejściach do salonów gier hazardowych przed zmianą przepisów prawa).
  • #19
    szeryf3
    Level 26  
    @Urgon jak zawsze piszesz ciekawe tematy.
    Kiedyś, kiedyś człowiek marzył, aby wejść w posiadanie LED-ów i coś na nich zbudować świecącego, lub mrugającego.
    Pozyskiwał je w różny sposób i coś kombinował.
    Teraz w tych czasach mamy różnego rodzaju gotowce, lub półgotowce.
    Za to teraz ciekawią mnie takie cuda jak WS2812B.
    Kiedyś je kupię i gdzieś zamontuję.
  • #20
    Mateusz_konstruktor
    Level 29  
    Urgon wrote:

    [sie=24]Diody LED mocy[/size]

    ...Typowe moce to 1W, 3W, 5W i 10W. Są też diody większe, od 20W do 100W, i więcej. Sam mam diodę 100W...

    Kolega myli pojęcia. Diody Power LED kończą się na 3-5W, wyższe moce to już panele i moduły składające się z wielu pojedynczych diod.
  • #21
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Wspomniałem, iż diody większej mocy składają się z mniejszych diod łączonych w konfiguracji szeregowo-równoległej. To, czy nazwiemy diodę 100W diodą czy modułem albo panelem od strony praktycznej nie ma znaczenia. Tak samo diody dwukolorowe labo RGB nie są nazywane modułami diodowymi tylko diodami. Zresztą mam latarkę z diodą Cree XHP-70, i nawet nota katalogowa nie nazywa jej modułem czy panelem, tylko diodą, mimo że zawiera cztery struktury, które mogą pracować parami równolegle albo szeregowo...
  • #22
    Mateusz_konstruktor
    Level 29  
    Urgon wrote:
    To, czy nazwiemy diodę 100W diodą czy modułem albo panelem od strony praktycznej nie ma znaczenia.

    Nieprawda.
    Ma ogromne znaczenie, ponieważ większość modułów i paneli ma napięcie pracy będące wielokrotnością napięcia pracy pojedynczej diody. Obrazowo rzecz ujmując: potrzebujemy już nie przykładowe 3V a 6, 9 i dalsze wielokrotności. Uzupełniająco: nie miałem na myśli tutaj diod wyposażonych wewnętrznie w dwa lub trzy złącza.
  • #23
    User removed account
    Level 1  
  • #24
    Mateusz_konstruktor
    Level 29  
    @spec220
    I jest wymagany zasilacz o mocno odmiennym napięciu, nawet moduły o niższych napięciach wymagają wielokrotności wartości pojedynczej diody LED.
  • #25
    User removed account
    Level 1  
  • #27
    User removed account
    Level 1  
  • #28
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Moja dioda 100W miała napięcie przewodzenia 32-35V, prąd chyba 3A, i dokupiłem do niej dedykowany zasilacz sieciowy. Miałem umieścić w tekście jej zdjęcie przy zasilaniu niższym prądem i za niskim napięciem, by wszystkie struktury emitowały światło, by ukazać jej strukturę, ale nie mogę znaleźć pudła, w którym jest. Z tego samego powodu zabrakło też zdjęcia modułu zasilania LED 3W do budowy własnej latarki - gdzieś zapodziałem inne pudełko.

    To, jak zbudowana jest dioda LED mocy nie ma wielkiego znaczenia od strony praktycznej, i noty to odzwierciedlają podając napięcie i prąd przewodzenia tak, jakby to była jedna struktura. Wyjątek stanowić mogą diody mocy RGB(W) i podobne...
  • #29
    Mateusz_konstruktor
    Level 29  
    To może chociaż podaj nazwę, symbol lub cokolwiek innego ją identyfikującego i wtedy postaramy się zdobyć dla Ciebie to brakujące zdjęcie.
  • #30
    kaem
    Level 28  
    W jaki sposób działają diody w zniczach, migające w sposób przypadkowy? Tam też jest jakiś układ scalony?