Светодиоды - полупроводниковые приборы, преобразующие электроток в непосредственное световое излучение.
Как подключить светодиод через резистор или напрямую, а главное сделать такое подсоединение безопасным в эксплуатации и долговечным - основные вопросы, которые рассматриваются с целью обеспечения работоспособности любых светоизлучающих диодов.
Самостоятельное определение светодиодной полярности осуществляется несколькими несложными методами:
- посредством измерений;
- по результатам визуальной оценки;
- при подключении к источнику питания;
- в процессе ознакомления с технической документацией.
К числу самых распространенных вариантов определения полярности светоизлучающих диодов относятся первые три способа, которые должны выполняться с соблюдением стандартной технологии.
Использование тестирующих устройств
С целью максимально точного определения светодиодной полярности, щупы подключаются непосредственно к диоду, после чего отслеживаются показания тестера. При высвечивании на шкале «бесконечного» сопротивления, провода щупов меняются местами.
Если тестер показывает какие-либо показатели конечного значения в условиях замеров сопротивления проверяемых светоизлучающих диодов, то можно быть уверенным в подключении прибора с соблюдением вида полярности, а данные о расположении «плюса» и «минуса» являются точными.
Проверка светодиодов мультиметром
Визуальное определение полярности
Несмотря на множество существующих в настоящее время видов конструкций , наиболее широкое распространение получили излучающие свет диоды, заключенные в цилиндрический корпус D от 3,5 мм.
Наиболее мощные диоды сверх яркого типа обладают планарными плоскими выводами, промаркированными «+» и «-».
Устройства в цилиндрическом корпусе имеют внутри пару электродов, отличающихся площадью. Именно катодная часть светоизлучающих диодов отличается большей электродной площадью и наличием характерного скоса на «юбке».
Светодиоды, применяемые в поверхностном монтаже, обладают специальным скосом или «ключом», указывающим на катод или минусовую полярность.
Подключение к источнику питания
Передача питания от элементов с постоянным напряжением - один из самых наглядных вариантов определения диодной полярности, требующий использования специального блока с поступательным регулированием напряжения, или традиционной аккумуляторной батареи. После подключения, постепенно повышаются показатели напряжения, что вызывает свечение светодиода и свидетельствует о правильном определении полярности.
Подключение диодов к питанию
Чтобы проверить работоспособность светового диода, в обязательном порядке подключается резистор токоограничивающего типа с сопротивлением от 680 Ом.
Этапы сборки
При самостоятельной сборке и последующем тестировании излучающих свет диодов в рабочем режиме, целесообразно воспользоваться данной последовательностью:
- определиться с техническими характеристиками, отраженными в сопроводительной документации;
- составить схему подключения с учетом уровня напряжения;
- вычислить показатели потребляемой мощности электроцепи;
- подобрать драйвер или блок питания с оптимальной мощностью;
- рассчитать резистор при стабилизированном напряжении;
- определить полярность LЕD-источника;
- припаять провода к светодиодным выходам;
- подсоединить источник питания;
- зафиксировать диод на радиаторе.
Процесс тестирования излучающих свет диодов, заключается в подключении собранной конструкции к электрической сети и замере потребляемого тока.
Звезда устанавливается на радиатор посредством теплопроводной пасты, а припаивать провода следует достаточно мощным паяльником, что обусловлено естественным забором алюминием тепла, с участка контакта и припоя.
Источники питания
Для подключения светодиода применяются специальные источники питания, разрабатываемые согласно установленным требованиям и нормативам. В процессе проектирования, потребуется определиться с коэффициентом мощности, энергетической эффективностью и уровнем пульсации.
Основной особенностью современных источников питания является наличие встроенного корректора коэффициента мощности, а приборы для внутреннего освещения отличаются повышенными требованиями к уровню токовой пульсации.
Схемы подключения светодиодов
Если источник питания в виде светоизлучающих диодов, предполагается применять в наружном освещении, то показатели защиты такого устройства должны составлять IP-67 при широком температурном диапазоне.
Источниками светодиодного питания в условиях токовой стабилизации обеспечиваются постоянные показатели выходного тока в широком диапазоне. Если источник для LЕD-светильника имеет стабилизацию по показателям напряжения, то формируется постоянное напряжение выходного типа в условиях токовой нагрузки, но не более максимально допустимых значений. В некоторых современных приборах присутствует комбинированная стабилизация.
Как подключить светодиод
Обеспечение работоспособности излучающих свет диодов, предполагает не только наличие источника питания, но и строгого соблюдения схемы подключения.
К 1,5 В
Показатели рабочего напряжения светоизлучающих диодов, как правило, превышают 1,5 В, поэтому сверх яркие светодиоды нуждаются в источнике питания не менее 3,2-3,4 В. При подключении применяется преобразователь напряжения в виде блокинг-генератора на резисторе, транзисторе и трансформаторе.
Запитываем светодиод к 1,5 ватт
Использование упрощенной схемы, лишенной стабилизатора, позволяет обеспечивать непрерывную работоспособность светоизлучающих диодов до снижения напряжения в элементе питания до показателей 0,8 В.
К 5 В
Подключение светодиода к элементу питания с номинальными токовыми показателями на уровне 5 В предполагает подсоединение резистора, имеющего сопротивление в пределах 100-200 Ом.
Параллельное подключение светодиодов
Если подключение в 5 вольт необходимо для установки пары диодов, то в электрическую цепь последовательным способом включается резистор ограничительного типа с сопротивлением не более 100 Ом.
К 9 В
Батарейка типа «Крона» обладает относительно небольшой емкостью, поэтому такой источник питания очень редко применяется для подключения достаточно мощных светодиодов. Согласно максимальному току, не превышающему 30-40 мА, чаще всего осуществляется последовательное подсоединение трёх светоизлучающих диодов, имеющих рабочий ток 20 мА.
К 12 В
Стандартный алгоритм подключения диодов к элементу питания на 12 В включает в себя определение типа блока, нахождение номинального тока, напряжения и потребляемой мощности, а также подсоединение к выводам с обязательным соблюдением полярности. В этом случае резистор размещается на любом участке электрической цепи.
Контакты на участках подсоединения излучающих свет диодов надежно запаиваются, а после штатной проверки работоспособности - изолируются специальной лентой.
К 220 В
При использовании , в обязательном порядке ограничивается ток, который будет протекать через световой диод, что предотвратит перегрев и выход светоизлучающего прибора из строя. Также необходимо понизить уровень обратного светодиодного напряжения с целью предупреждения пробоя.
Схема подключения светодиодов к 220 вольт
Ограничение уровня тока в условиях переменного напряжения осуществляется резисторами, конденсаторами или катушками индуктивности. Питание диода при постоянном напряжении предполагает использование исключительно резисторов.
Питание светодиодов от 220 В своими руками
Драйвер для диодных источников света на 220 В, является неотъемлемой частью сборки безопасного и долговечного прибора, и изготовить такое устройство вполне можно самостоятельно. Чтобы светоизлучающие диоды смогли работать от традиционной сети, потребуется уменьшить амплитуду напряжения, снизить силу тока, а также выполнить преобразование переменного напряжения в постоянные показатели. С этой целью используется делитель, имеющий резисторную или ёмкостную нагрузку, а также стабилизаторы.
Подключение светодиодной ленты к 220 В
Надежным самодельным драйвером для диодных источников света на 220 В, может выступать элементарный импульсный блок питания, не обладающий гальванической развязкой. Самым главным преимуществом такой схемы является простота исполнения, дополненная надёжностью эксплуатации.
Однако при самостоятельном выполнении сборки нужно соблюдать максимальную осторожность, так как особенностью данной схемы является полное отсутствие ограничений по показателям отдаваемого тока.
Безусловно, светодиодами будут забираться стандартные 1,5 А, но соприкосновение рук с оголенными проводами спровоцирует повышение до 10 А и более, что весьма ощутимо.
В основе стандартной схемы простейшего светодиодного драйвера на 220В лежат три главных каскада, представленные:
- делителем напряжения на показателях сопротивления;
- диодным мостом;
- стабилизацией напряжения.
Для сглаживания пульсации напряжения, потребуется в параллельном направлении цепи подключить электролитический конденсатор, ёмкость которого подбирается индивидуально, в соответствии с мощностью нагрузки.
Стабилизатором в этом случае вполне может выступать общедоступный элемент L-7812. Следует отметить, что собранная таким способом схема диодных источников света на 220 вольт отличается стабильной работоспособностью, но перед включением в электрическую сеть обязательно производится тщательная изоляция оголённых проводов и участков пайки.
Микросхема драйвера светодиодной шкалы LM3914.
На основе этой микросхемы можно конструировать светодиодные индикаторы с линейной шкалой. В основе микросхемы LM3914 заложены 10 компараторов.
Входной сигнал через операционный усилитель подается на инверсные входы компараторов LM3914, а прямые входы их подключены к резисторному делителю напряжения. К десяти выходамкомпараторов подключаются светодиоды.
В микросхеме есть выбор режима индикации, столбик или режим точка, то есть с изменением уровня сигнала, перемещаясь по линейке светится только один светодиод.
выводы LM3914N:
10…18 - выходы.
2 - минус питания.
3 - плюс источника питания от 3…18 вольт.
4 - на данный вывод подается напряжение, величина которого определяет нижний уровень индикации. Допустимый уровень от 0 до Uпит.
5 - на данный вывод подается входной сигнал.
6 - на данный вывод подается напряжение, величина которого определяет верхний уровень индикации. Допустимый уровень от 0 до Uпит.
7, 8 - выводы для регулирования тока, протекающего через светодиоды.
9 - вывод отвечает за режим работы индикации («точка» или «столбик»)
Порог переключения светодиодов вычисляется автоматически микросхемой по формуле Uв. – Uн.)/10
Работа индикатора на микросхеме LM3914N
Пока на ножке Uвх. сигнал ниже чем напряжение на выводе Uн., светодиоды не горят. Как только входной сигнал сравняется с Uн. – загорится светодиод HL1. При последующем увеличении сигнала, в режиме «точка» выключается HL1 и одновременно загорается HL2. В том случае если LM3914 функционирует в режиме «столбик», то при включении HL2, HL1 не гаснет. Для выбора одного из двух режимов работы нужно сделать следующее:
- Режим «точка» - вывод 9 подключить к минусу питания или оставить неподключенным.
- Режим «столбик» - вывод 9 подсоединить к плюсу питания микросхемы.
Проблема в том, что данный набор уже перестали выпускать, поэтому придётся импровизировать и закупаться запчастями по отдельности. Стоит особо отметить, что основа схемы – чип UAA180 или отечественный аналог 1003ПП1. Зная теперь это вам не составит труда собрать своими руками приборы со шкалой светодиодов для своего автомобиля.
Назначение
выводов микросхемы:
1 – земля;
18 – питание до +18 Вольт;
17 – вход для измеряемого напряжения;
16 – эталонный нижний
уровень измеряемого напряжения;
3 – эталонный верхний уровень;
2 – управлени яркостью свечения светодиодов;
4..15 – выводы
управления включением светодиодами.
Микросхема делит
разницу напряжений между 3й и 16й ногой на 12 диапазонов, и если напряжение на
17й ноге попадает в один из этих диапазонов, то зажигается соответствующий светодиод.
Однако, есть ограничения: напряжения на измерительных выводах не могут быть
больше 6 Вольт.
Чтобы ограничить измеряемое напряжение, соберём
измерительную цепочку из стабилитрона и двух резисторов. Пусть V – напряжение в
бортовой сети. В цепочке из стабилитрона VD1 и сопротивлений R1, R2 напряжение
на стабилитроне будет постоянным 9 Вольт (приблизительно), а на мостике R1, R2
оно будет равно (V-9). При одинаковых сопротивлениях R1=R2 напряжение на
сопротивлении R2 получится равным половине (V-9), т.е. если в сети напряжение V
будет меняться от 10 до 15 Вольт, то напряжение в точке между R1 и R2 будет
меняться от (10-9)/2 =0,5 до (15-9)/2 =3 Вольт.
Цепочка R3, R4,
R5 и стабилитрон VD2 задают эталонные минимальное и максимальное напряжение.
Минимальное ноль, т.к. 16 нога на земле. Максимальное устанавливается
подстроечным резистором на уровне около 3 Вольт. При такой настройке получается
возможным измерение напряжения бортовой сети в диапазоне от 9 до 15 Вольт с
шагом 0,5 Вольта на один светодиод.
Цепочка R6, R7 просто задаёт
яркость свечения диодов. При R6=50К яркость больше, при 100К
меньше.
Варианты схем со шкалой «бегающая точка» и «светящийся столб» отличаются только подключением светодиодов к микросхеме. Измерительные цепи остаются такими же.
Настройка
схемы выполняется следующим образом. Вольтметр нужно подключить к эталонному
источнику 14,7В, повернуть подстроечный резистор так, чтобы загорелся столб из
11 светодиодов, затем медленно поворачивать подстроечник в обратную сторону до
того положения, пока 11й светодиод не погаснет и в столбе останется только 10
включенных светодиодов.
Подразумевается, что шкала имеет масштаб 2
светодиода на 1 Вольт, и включение 11го светодиода соответствует достижению
измеряемым напряжением уровня 14,7В так, как это показано на рисунке
ниже.
Над
светодиодами в передней панели вольтметра сделана цветная разметка диапазонов
напряжения:
до 11,6В - красный, заряд АКБ менее 50%;
11,6-12,6В - красный пунктир, заряд АКБ 50-100%;
12,6В -
зеленая точка, заряд 100%;
13,7-14,7В - зеленый, напряжение
генератора в норме;
более 14,7В - красный, перезаряд.
Схему спаял в варианте "светящийся столб". На рисунке внизу общий вид того, что получилось. Подсветку сделал одной безцокольной автомобильной лампочкой на 12В.
Собиралось все приблизительно так, как на картинке ниже.
Рисунок платы. Сделано в зеркальном отражении, чтобы переводить отпечаток на фольгу для травления. Если печатать с плотностью 300 точек на дюйм, то получим картинку в масштабе 1:1.
Размещение деталей. Вид со стороны монтажа радиодеталей. Дорожки на самом деле с другой стороны платы, но здесь нарисованы видимыми, как будто плата прозрачная.
Во время работы прибора на автомобиле обнаружился недостаток.
Из-за дискретности шкалы последний в светящемся столбе светодиод часто работает в мерцающем режиме. Не всегда, но часто. По началу мигание отвлекает внимание, правда, потом привыкаешь, а мигание воспринимается, как попытка прибора изобразить половину деления дискретной шкалы.
Указатель остатка
топлива на самом деле является омметром и измеряет сопротивление
датчика-реостата. Если подключить переменное соротивление к указателю, то его
показания должны соответствовать следующему:
0 Ом – стрелка лежит на
левом краю шкалы;
15 Ом – стрелка на границе красной и белой зоны;
45 Ом – стрелка на линии 1/2;
90 Ом – стрелка на линии 1;
при разрыве стрелка на правом краю шкалы;
Из предыдущей схемы получается довольно простая схема указателя уровня топлива, т.к. в качестве омметра можно использовать вольтметр, который измеряет напряжение на сопротивлении, через которое протекает стабилизированный ток.
Стабилизатор
78L03 при таком подключении работает, как источник тока 30 мА. Стабилитрон на
3В нужен для защиты измерительного входа микросхемы от перенапряжения в случае
"обрыва" провода датчика. При КЗ датчика показания должны быть, как
для пустого бака.
Цепочка R3, C3 замедляет изменение напряжения на
измерительном входе 17 микросхемы UAA180. Постоянная времени цепочки около 2
секунд. Такое замедление должно предотвращать скачки в показаниях прибора при
колебаниях поплавка датчика вместе с уровнем бензина во время движения.
Для настройки прибора вместо датчика-реостата нужно подключить
сопротивление 90 Ом и, вращая подстроечный резистор, найти момент включения
полного светящегося столба.
На рисунке ниже передняя панель
указателя.
После установки
приборов на автомобиль был замечен такой недостаток в работе указателя остатка
топлива.
При полном баке все хорошо, а, вот, когда бак становится
пустым больше, чем на половину, то во время движения (в поворотах, или при
разгоне/торможении) показания могут меняться на 3 деления (а это четверь
шкалы!), например, от 1 до 4 светодиодов. Очевидно, что это связано с переливанием
бензина по горизонтально расположенному баку под действием сил инерции. Как с
этим бороться пока не очень
понятно.
Рисунок платы.
Размещение деталей.
В книжках пишут, что зависимость сопротивления исправного датчика ТМ-100А (штатный датчик на УЗАМ) от температуры должна быть такой:
Градусы – Омы 40 – 400...530 80 – 130...160 100 – 80...95 120 – 50...65
Зависимость обратная, да еще и не линейная. Но датчик логометрического типа. Такой датчик обеспечивает изменение тока в обмотке указателя пропорционально измеряемой величине. Получается интересная штука: если такой датчик включить последовательно с правильно подобранным дополнительным сопротивлением (равным сопротивлению обмотки измерителя), подать на эту цепочку стабилизированное напряжение, то на этом дополнительном сопротивлении напряжение будет пропорционально температуре. Это дополнительное сопротивление приблизительно равно 150 Ом. Из-за того, что датчик температуры должен устанавливаться на массу, схема простой не получилась. То, что получилось, представлено на рисунке.
Пояснение
для тех, кто захочет разобраться в схеме.
Схема сделана шиворот на
выворот. Представьте часы, у которых стрелка часов всегда смотрит вверх, а
циферблат вращается под стрелкой. 17я нога, которая должна быть подключена к
измеряемому напряжению, подключена к стабилизированным 3 Вольтам. Разница
измеряемых мин. и макс. напряжений между 16й и 3ей ногой тоже
стабилизированная, около 3х Вольт, но напряжения на 16й и 3й ноге меняются
синхронно, «плавают» вокруг напряжения на 17й ноге. В целом схема работает так,
что показания шкалы светодиодов соответствуют напряжению на резисторе R3. Мостики
со стабилитронами нужны для поддержания напряжений-границ измеряемого
диапазона.
Однако, оказалось, что в схеме термометра можно обойтись без стабилизации вообще. Ниже приведена гораздо более простая схема. Она основана на том, что как бы не изменялось напряжение питания схемы при постоянной температуре, пропорция напряжений на входах микросхемы U16:U17:U3 будет оставаьтся постоянной. Абсолютные величины будут меняться, но их отношение друг к другу нет.
Мостик R4-R5-R6 устанавливает границы измеряемого диапазона. Подстроечник R1 позволяет сдвигать показания в большую или меньшую сторону. Сопротивление R3 необходимо для понижения напряжения питания до уровня, при котором напряжение на входах DA1 не будет превышать предельно допустимого в 6В.
Такую схему можно использовать только в режиме светящаяся точка. Дело в том, что при минимальной температуре измеряемое в этой схеме напряжение максимально. С повышением температуры напряжение уменьшается до минимального. Чтобы светящаяся точка двигалась по шкале слева направо с увеличением температуры, а не наоборот, достаточно расположить светодиоды на индикаторе в обратном порядке. Но такое возможно только для светящейся точки. Светящийся столб в обратном порядке не зажигается.
Чтобы "перевернуть" напряжение относительно середины измеряемого диапазона можно добавить в схему инвертор на операционном усилителе.
Номиналы сопротивлений, задающих напряжения на входах 3 и 16, подобраны таким образом, чтобы полная шкала в 12 светодиодов соответствовала диапазону в 80оС.
Схема настраивается следующим образом. Можно опустить датчик температуры в кипящую воду, либо вместо датчика к схеме подсоединить сопротивление 91 Ом и подстроечным резистором найти момент переключения светящегося столба с 10 на 11 светодиодов, что должно соответствовать точке кипения воды - 100оС.
В общем номиналы сопротивлений и настройка должны соответствовать вот такой передней панели термометра.
У термометра обнаружился такой недостаток.
Т.к. шкала была рассчитана в масштабе 3 светодиода на 20оС, то один диод перекрывает диапазон приблизительно в 7 градусов. Если во время езды на шкале горит 10 диодов, то температура может быть от 93 до 100оС, а сколько именно, сказать нельзя. В то же время на автомобильном термометре не нужна растянутая левая часть шкалы для низких температур. Поэтому при повторении конструкции лучше будет сделать термометр с масштабом 5оС на диод, например, от 50 до 110оС так, как на рисунке ниже.
Рисунок платы.
Новые статьи
● Проект 4: Светодиодная шкала 10 сегментов. Вращением потенциометра меняем количество светящихся светодиодов
В этом эксперименте мы рассмотрим работу аналоговых входов Arduino, работу потенциометра в качестве аналогового датчика и будем демонстрировать показания аналогового датчика с помощью светодиодной шкалы.
Необходимые компоненты:
В предыдущих экспериментах мы рассматривали работу с цифровыми выводами Arduino, они имеют только два возможных состояния: включено или выключено, HIGH или LOW, 1 или 0. Но для получения информации об окружающем мире необходимо работать с аналоговыми данными, имеющими бесконечное число возможных значений в данном диапазоне. Для получения аналоговых данных Arduino имеет аналоговые входы, оснащенные 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем для аналоговых преобразований. Точность АЦП определена разрешением. 10-разрядный означает, что АЦП может разделить аналоговый сигнал на 210 различных значений. Следовательно, Arduino может присвоить 210 = 1024 аналоговых значения, от 0 до 1023. Опорное напряжение определяет максимальное напряжение, его значение соответствует значению 1023 АЦП. При напряжении 0 В на контакте АЦП возвращает значение 0, опорное напряжение возвращает значение 1023. Несмотря на то что можно изменить опорное напряжение, мы будем использовать опорное напряжение 5 В.
Рассмотрим, как использовать потенциометр в качестве аналогового датчика. Рисунок 4.1 показывает, как правильно подключить ваш
Рис. 4.1. Схема подключения потенциометра в качестве аналогового датчика
Потенциометр к Arduino в качестве аналогового датчика. Мы подключаем один из крайних выводов на землю, другой крайний вывод - к +5 В. Средний вывод потенциометра подключаем к аналоговому входу A0 платы Arduino. Для считывания данных с аналогового порта в Arduino есть функция analogRead().
Загружаем на плату Arduino скетч из листинга 4.1 для считывания значений из аналогового порта и вывода их в монитор последовательного порта Arduino.
Const
int
POT=0
;
int
valpot = 0
;
void
setup
()
{
Serial.begin(9600
);
}
void
loop
()
{
valpot = analogRead(POT);
Serial.println(valpot); // вывод значений в последовательный порт
delay(500
); // задержка 0.5 сек
}
Порядок подключения:
2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 4.1.
3. Запускаем в Arduino IDE монитор последовательного порта.
4. Поворачиваем ручку потенциометра и наблюдаем вывод аналоговых значений потенциометра в монитор последовательного порта (см. рис. 4.2).
Рис. 4.2. Вывод аналоговых значений потенциометра в монитор последовательного порта
Теперь визуализируем аналоговые данные потенциометра с помощью 10-разрядной линейной светодиодной шкалы. Шкала представляет собой сборку из 10 независимых светодиодов с катодами со стороны надписи на корпусе. Для подключения шкалы к Arduino будем использовать 10 цифровых выводов D3-D12. Схема соединений показана на рис. 4.3. Каждый из светодиодов шкалы выводом анода соединен с цифровым выводом Arduino, а катодом на землю через последовательно соединенный ограничивающий резистор 220 Ом. Аналоговые данные потенциометра (0-1023) масштабируем в данные шкалы (0-10) с помощью функции map() и зажигаем соответствующее количество светодиодов. Скетч приведен в листинге 4.2.
const int POT=0 ; // Аналоговый вход A0 для подключения потенциометра int valpot = 0 ; // переменная для хранения значения потенциометра // список контактов подключения светодиодной шкалы const int pinsled={3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10 ,11 ,12 }; int countleds = 0 ; // переменная для хранения значения шкалы void setup () { for (int i=0 ;i<10 ;i++) { // Сконфигурировать контакты подсоединения шкалы как выходы pinMode(pinsled[i],OUTPUT); digitalWrite(pinsled[i],LOW); { } void loop () { valpot = analogRead(POT); // чтение данных потенциометра // масштабируем значение к интервалу 0-10 countled=map (valpot,0 ,1023 ,0 ,10 ); // зажигаем количество полосок на шкале, равное countled for (int i=0 ;i<10 ;i++) { if (iПорядок подключения:
1. Подключаем потенциометр по схеме на рис. 4.1.
2. Подключаем выводы светодиодной шкалы контактами анодов через ограничительные резисторы номиналом 220 Ом к выводам Arduino D3-D12, контактами катодов - на землю (см. рис. 4.3).
3. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 4.2.
4. Поворачиваем ручку потенциометра и наблюдаем на светодиодной шкале уровень значения потенциометра от максимального номинала.
Благодаря таким своим свойствам как: низкое энергопотребление, малые габариты и простота необходимых для работы вспомогательных цепей, светодиоды (имеются ввиду светодиоды видимого диапазона длин волн) получили очень широкое распространение в радиоэлектронной аппаратуре самого разного назначения. Используются они в первую очередь как универсальные устройства индикации режимов работы или устройства аварийной индикации. Реже (обычно только в радиолюбительской практике) встречаются светодиодные автоматы световых эффектов и светодиодные информационные панели (табло).
Для нормального функционирования любого светодиода достаточно обеспечить протекание через него в прямом направлении тока не превышающего максимально допустимый для применяемого прибора. Если величина этого тока не будет слишком низкой, светодиод будет светиться. Для управления состоянием светодиода необходимо обеспечить регулировку (коммутацию) в цепи протекания тока. Это можно сделать с помощью типовых последовательных или параллельных схем коммутации (на транзисторах, диодах и т.п.). Примеры таких схем приведены на рис. 3.7-1, 3.7-2.
Рис. 3.7-1. Способы управления состоянием светодиода с помощью транзисторных ключей
Рис. 3.7-2. Способы управления состоянием светодиода от цифровых микросхем ТТЛ
Примером применения светодиодов в цепях сигнализации могут служить следующие две простые схемы индикаторов сетевого напряжения (рис. 3.7-3, 3.7-4).
Схема на рис. 3.7-3 предназначена для индикации наличия в бытовой сети переменного напряжения. Ранее в подобных устройствах обычно использовались малогабаритные неоновые лампочки. Но светодиоды в этом отношении гораздо более практичны и технологичны. В данной схеме ток через светодиод проходит только во время одной полуволны входного переменного напряжения (во время второй полуволны светодиод шунтируется работающим в прямом направлении стабилитроном). Этого оказывается достаточно для нормального восприятия человеческим глазом света от светодиода как непрерывного излучения. Напряжение стабилизации стабилитрона выбирается несколько большим, чем прямое падение напряжения на используемом светодиоде. Емкость конденсатора \(C1\) зависит от требуемого прямого тока через светодиод.
Рис. 3.7-3. Индикатор наличия сетевого напряжения
На трех светодиодах выполнено устройство, информирующее об отклонениях сетевого напряжения от номинального значения (рис. 3.7-4). Здесь также свечение светодиодов происходит только во время одного полупериода входного напряжения. Коммутация светодиодов осуществляется через включенные последовательно с ними динисторы. Светодиод \(HL1\) горит всегда, когда сетевое напряжение присутствует, два пороговых устройства на динисторах и делителях напряжения на резисторах обеспечивают включение двух других светодиодов только при достижении входным напряжением установленного порога срабатывания. Если их отрегулировать так, чтобы при нормальном напряжении в сети горели светодиоды \(HL1\), \(HL2\), то при повышенном напряжении будет загораться и светодиод \(HL3\), а при понижении напряжения в сети будет гаснуть светодиод \(HL2\). Входной ограничитель напряжения на \(VD1\), \(VD2\) предотвращает выход устройства из строя при значительном превышении нормального значения напряжения в сети.
Рис. 3.7-4. Индикатор уровня сетевого напряжения
Схема на рис. 3.7-5 предназначена для сигнализации о перегорании предохранителя. Если предохранитель \(FU1\) цел, падение напряжения на нем очень мало, и светодиод не светится. При перегорании предохранителя напряжение питания через незначительное сопротивление нагрузки прикладывается к цепи индикатора, и светодиод загорается. Резистор \(R1\) выбирается из условия, что через светодиод будет протекать требуемый ток. Не все виды нагрузок могут подойти для данной схемы.
Рис. 3.7-5. Светодиодный индикатор перегорания предохранителя
Устройство индикации перегрузки стабилизатора напряжения представлено на рис. 3.7‑6. В нормальном режиме работы стабилизатора напряжение на базе транзистора \(VT1\) стабилизировано стабилитроном \(VD1\) и примерно на 1 В больше, чем на эмиттере, поэтому транзистор закрыт и горит сигнальный светодиод \(HL1\). При перегрузке стабилизатора выходное напряжение уменьшается, стабилитрон выходит из режима стабилизации и напряжение на базе \(VT1\) уменьшается. Поэтому транзистор открывается. Поскольку прямое напряжение на включенном светодиоде \(HL1\) больше, чем на \(HL2\) и транзисторе, в момент открывания транзистора светодиод \(HL1\) гаснет, а \(HL2\) - включается. Прямое напряжение на зеленом светодиоде \(HL1\) приблизительно на 0,5 В больше, чем на красном светодиоде \(HL2\), поэтому максимальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора \(VT1\) должно быть меньше 0,5 В. Резистор R1 ограничивает ток через светодиоды, а резистор \(R2\) определяет ток через стабилитрон \(VD1\).
Рис. 3.7-6. Индикатор состояния стабилизатора
Схема простого пробника, позволяющего определять характер (постоянное или переменное) и полярность напряжения в диапазоне 3...30 В для постоянного и 2,1...21 В для действующего значения переменного напряжения приведена на рис. 3.7-7. Основу пробника составляет стабилизатор тока на двух полевых транзисторах, нагруженный на встречно-параллельно включенные светодиоды. Если на клемму \(XS1\) подается положительный потенциал, а на \(XS2\) - отрицательный, то загорается светодиод HL2, если наоборот - светодиод \(HL1\). Когда на входе переменное напряжение, зажигаются оба светодиода. Если ни один из светодиодов не горит, это означает, что входное напряжение менее 2 В. Потребляемый устройством ток не превышает 6 мА.
Рис. 3.7-7. Простой пробник-индикатор характера и полярности напряжения
На рис. 3.7-8 дана схема еще одного простого пробника со светодиодной индикацией. Он используется для проверки логического уровня в цифровых цепях, построенных на микросхемах ТТЛ. В исходном состоянии, когда к клемме \(XS1\) ничего не подключено, светодиод \(HL1\) светится слабо. Его режим задается установкой соответствующего напряжения смещения на базе транзистора \(VT1\). Если на вход будет подано напряжение низкого уровня, транзистор закроется, и светодиод погаснет. При наличии на входе напряжения высокого уровня транзистор открывается, яркость свечения светодиода становится максимальной (ток ограничен резистором \(R3\)). При проверке импульсных сигналов яркость HL1 возрастает, если в последовательности сигналов преобладает напряжение высокого уровня, и убывает, если преобладает напряжение низкого уровня. Питание пробника можно осуществлять как от источника питания проверяемого устройства, так и от отдельного источника питания.
Рис. 3.7-8. Пробник-индикатор логического уровня ТТЛ
Более совершенный пробник (рис. 3.7-9) содержит два светодиода и позволяет не только оценивать логические уровни, но и проверять наличие импульсов, оценивать их скважность и определять промежуточное состояние между напряжениями высокого и низкого уровней. Пробник состоит из усилителя на транзисторе \(VT1\), повышающего его входное сопротивление, и двух ключей на транзисторах \(VT2\), \(VT3\). Первый ключ управляет светодиодом \(HL1\), имеющим зеленый цвет свечения, второй - светодиодом \(HL2\), имеющим красный цвет свечения. При входном напряжении 0,4...2,4 В (промежуточное состояние) транзистор \(VT2\) открыт, светодиод \(HL1\) выключен. В то же время закрыт и транзистор \(VT3\), поскольку падение напряжения на резисторе \(R3\) недостаточно для полного открывания диода \(VD1\) и создания требуемого смещения на базе транзистора. Поэтому \(HL2\) тоже не светится. Когда входное напряжение становится меньше 0,4 В, транзистор \(VT2\) закрывается, загорается светодиод \(HL1\), индицируя наличие логического нуля. При напряжении на входе более 2,4 В открывается транзистор \(VT3\), включается светодиод \(HL2\), индицируя наличие логической единицы. Если на вход пробника подано импульсное напряжение, скважность импульсов можно оценить по яркости свечения того или иного светодиода.
Рис. 3.7-9. Улучшенный вариант пробника-индикатора логического уровня ТТЛ
Еще один вариант пробника представлен на рис. 3.7-10. Если клемма \(XS1\) никуда не подсоединена, все транзисторы закрыты, светодиоды \(HL1\) и \(HL2\) не работают. На эмиттер транзистора \(VT2\) с делителя \(R2-R4\) поступает напряжение около 1,8 В, на базу \(VT1\) - около 1,2 В. Если на вход пробника подать напряжение выше 2,5 В, напряжение смещения база-эмиттер транзистора \(VT2\) превысит 0,7 В, он откроется и своим коллекторным током откроет транзистор \(VT3\). Светодиод \(HL1\) включится, индицируя состояние логической единицы. Ток коллектора \(VT2\), примерно равный току его эмиттера, ограничивается резисторами \(R3\) и \(R4\). При превышении напряжением на входе уровня 4,6 В (что возможно при проверке выходов схем с открытым коллектором) транзистор \(VT2\) входит в режим насыщения, и если не ограничить ток базы \(VT2\) резистором \(R1\), транзистор \(VT3\) закроется и светодиод \(HL1\) выключится. При уменьшении напряжения на входе ниже 0,5 В открывается транзистор \(VT1\), его коллекторный ток открывает транзистор \(VT4\), включается \(HL2\), индицируя состояние логического нуля. С помощью резистора \(R6\) регулируется яркость свечения светодиодов. Подбором резисторов \(R2\) и \(R4\) можно установить необходимые пороги включения светодиодов.
Рис. 3.7-10. Пробник-индикатор логического уровня на четырех транзисторах
Для индикации точной настройки в радиоприемниках часто применяются простые устройства, содержащие один, а иногда и несколько, светодиодов разного цвета свечения.
Схема экономичного светодиодного индикатор настройки для приемника с питанием от батареек приведена на рис. 3.7-11. Ток потребления устройства не превышает 0,6 мА в отсутствие сигнала, а при точной настройке составляет 1 мА. Высокая экономичность достигается за счет питания светодиода импульсным напряжением (т.е. светодиод не светится непрерывно, а часто мигает, однако из-за инерционности зрения такое мерцание не заметно на глаз). Генератор импульсов выполнен на однопереходном транзисторе \(VT3\). Генератор вырабатывает импульсы длительностью около 20 мс, следующие с частотой 15 Гц. Эти импульсы управляют работой ключа на транзисторе \(DA1.2\) (один из транзисторов микросборки \(DA1\)). Однако в отсутствие сигнала светодиод не включается, так как при этом сопротивление участка эмиттер-коллектор транзистора \(VT2\) велико. При точной настройке транзистор \(VT1\), а за ним и \(DA1.1\) и \(VT2\) откроются настолько, что в моменты, когда открыт транзистор \(DA1.2\), будет загораться светодиод \(HL1\). Чтобы уменьшить потребляемый ток, эмиттерная цепь транзистора \(DA1.1\) подключена к коллектору транзистора \(DA1.2\), благодаря чему последние два каскада (\(DA1.2\), \(VT2\)) также работают в ключевом режиме. При необходимости подбором резистора \(R4\) можно добиться слабого начального свечения светодиода \(HL1\). В этом случае он выполняет и функцию индикатора включения приемника.
Рис. 3.7-11. Экономичный светодиодный индикатор настройки
Экономичные светодиодные индикаторы могут понадобиться не только в радиоприемниках с батарейным питанием, но и во множестве других носимых устройств. На рис. 3.7‑12, 3.7‑13, 3.7‑14 приведено несколько схем таких индикаторов. Все они работают по уже описанному импульсному принципу и по сути представляют собой экономичные генераторы импульсов, нагруженные на светодиод. Частота генерации в таких схемах выбирается достаточно низкой, фактически на границе зрительного восприятия, когда мигания светодиода начинают отчетливо восприниматься человеческим глазом.
Рис. 3.7-12. Экономичный светодиодный индикатор на однопереходном транзисторе
Рис. 3.7-13. Экономичный светодиодный индикатор на однопереходном и биполярном транзисторах
Рис. 3.7-14. Экономичный светодиодный индикатор на двух биполярных транзисторах
В УКВ ЧМ приемниках для индикации настройки можно применять три светодиода. Для управления таким индикатором используется сигнал с выхода ЧМ детектора, в котором постоянная составляющая положительна при незначительной расстройке в одну сторону от частоты станции и отрицательна при незначительной расстройке в другую сторону. На рис. 3.7-15 приведена схема простого индикатора настройки, работающего по описанному принципу. Если напряжение на входе индикатора близко к нулю, то все транзисторы закрыты и светодиоды \(HL1\) и \(HL2\) не излучают, а через \(HL3\) при этом протекает ток, определяемый напряжением питания и сопротивлением резисторов \(R4\) и \(R5\). При указанных на схеме номиналах он примерно равен 20 мА. Как только на входе индикатора появляется напряжение, превышающее 0,5 В, транзистор \(VT1\) открывается и включается светодиод \(HL1\). Одновременно открывается транзистор \(VT3\), он шунтирует светодиод \(HL3\), и тот гаснет. Если напряжение на входе отрицательное, но по абсолютному значению больше 0,5 В, то включается светодиод \(HL2\), а \(HL3\) выключается.
Рис. 3.7-15. Индикатор настройки для УКВ-ЧМ приемника на трех светодиодах
Схема еще одного варианта простого индикатора точной настройки для УКВ ЧМ приемника представлена на рис. 3.7-16.
Рис. 3.7-16. Индикатор настройки для УКВ ЧМ приемника (вариант 2)
В магнитофонах, низкочастотных усилителях, эквалайзерах и т.п. находят применение светодиодные индикаторы уровня сигнала. Число индицируемых такими индикаторами уровней может варьироваться от одного-двух (т.е. контроль типа “сигнал есть – сигнала нет”) до нескольких десятков.
Схема двухуровнего двухканального индикатора уровня сигнала приведена на рис. 3.7‑17. Каждая из ячеек \(A1\), \(A2\) выполнена на двух транзисторах разной структуры. При отсутствии сигнала на входе оба транзистора ячеек закрыты, поэтому светодиоды \(HL1\), \(HL2\) не горят. В таком состоянии устройство находится до тех пор, пока амплитуда положительной полуволны контролируемого сигнала не превысит примерно на 0,6 В постоянное напряжение на эмиттере транзистора \(VT1\) в ячейке \(A1\), заданное делителем \(R2\), \(R3\). Как только это произойдет, транзистор \(VT1\) начнет открываться, в цепи коллектора появится ток, а поскольку он в то же время является и током эмиттерного перехода транзистора \(VT2\), транзистор \(VT2\) тоже начнет открываться. Возрастающее падение напряжения на резисторе \(R6\) и светодиоде \(HL1\) приведет к увеличению тока базы транзистора \(VT1\), и он откроется еще больше. В результате очень скоро оба транзистора окажутся полностью открыты и светодиод \(HL1\) включится. При дальнейшем росте амплитуды входного сигнала аналогичный процесс протекает в ячейке \(A2\), после чего загорается светодиод \(HL2\). С уменьшением уровня сигнала ниже установленных порогов срабатывания ячейки возвращаются в исходное состояние, светодиоды гаснут (сначала \(HL2\), затем \(HL1\)). Гистерезис не превышает 0,1 В. При указанных в схеме значениях сопротивлений, ячейка \(A1\) срабатывает при амплитуде входного сигнала примерно 1,4 В, ячейка \(A2\) - 2 В.
Рис. 3.7-17. Двухканальный индикатор уровня сигнала
Многоканальный индикатор уровня на логических элементах представлен на рис. 3.7‑18. Такой индикатор можно применять, например, в усилителе НЧ (организовав из ряда светодиодов индикатора световую шкалу). Диапазон входного напряжения этого устройства может колебаться от 0,3 до 20 В. Для управления каждым светодиодом используется \(RS\)-триггер, собранный на элементах 2И‑НЕ. Пороги срабатывания этих триггеров задаются резисторами \(R2\), \(R4-R16\). На линию “сброс” периодически должен подаваться импульс гашения светодиодов (разумным будет подавать такой импульс с периодичностью 0,2...0,5 с).
Рис. 3.7-18. Многоканальный индикатор уровня НЧ сигнала на \(RS\)-триггерах
Приведенные выше схемы индикаторов уровня обеспечивали резкое срабатывание каждого канала индикации (т.е. светодиод в них либо светится с заданным режимом яркости, либо погашен). В шкальных индикаторах (линия последовательно срабатывающих светодиодов) такой режим работы совсем не обязателен. Поэтому для этих устройств могут использоваться более простые схемы, в которых управление светодиодами осуществляется не отдельно по каждому каналу, а совместно. Последовательное включение ряда светодиодов при увеличении уровня входного сигнала достигается за счет последовательного включения делителей напряжения (на резисторах или других элементах). В таких схемах происходит постепенное увеличение яркости свечения светодиодов при нарастании уровня входного сигнала. При этом для каждого светодиода устанавливается свой токовый режим, такой, что свечение указанного светодиода визуально наблюдается только при достижении входным сигналом соответствующего уровня (при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала светодиод горит все более ярко, но до определенного предела). Простейший вариант индикатора, работающего по описанному принципу приведен на рис. 3.7-19.
Рис. 3.7-19. Простой индикатор уровня сигнала НЧ
При необходимости увеличения количества уровней индикации и повышения линейности индикатора схема включения светодиодов должна быть несколько изменена. Подойдет, например, индикатор по схеме рис. 3.7-20. В нем, кроме прочего, имеется и достаточно чувствительный входной усилитель, обеспечивающий работу как от источника постоянного напряжения, так и от сигнала звуковой частоты (при этом индикатор управляется только положительными полуволнами входного переменного напряжения).