O uso de LEDs em circuitos eletrônicos

Todo mundo está familiarizado com os LEDs agora. Sem eles, a tecnologia moderna é simplesmente impensável. São luzes e lâmpadas de LED, uma indicação dos modos de operação de vários aparelhos domésticos, a iluminação de telas de monitores de computador, televisões e muitas outras coisas que você nem consegue se lembrar imediatamente. Todos esses dispositivos contêm LEDs na faixa de radiação visível de várias cores: vermelho, verde, azul (RGB), amarelo e branco. A tecnologia moderna permite obter praticamente qualquer cor.

Além dos LEDs na faixa visível, existem LEDs para luz infravermelha e ultravioleta. O principal campo de aplicação desses LEDs são os dispositivos de automação e controle. Apenas lembre-se Controle remoto de vários aparelhos domésticos. Se os primeiros modelos de controle remoto foram usados ​​exclusivamente para controlar TVs, agora eles podem ser usados ​​para controlar aquecedores de parede, condicionadores de ar, ventiladores e até utensílios de cozinha, como panelas e máquinas de pão.

Então, o que é um LED?

Essencialmente LED não muito diferente do habitual diodo retificador, - a mesma junção p-n e a mesma propriedade básica, condutividade unilateral. Ao estudarmos a junção p-n, verificou-se que, além da condutividade unilateral, essa mesma junção também possui várias propriedades adicionais. No processo de evolução da tecnologia de semicondutores, essas propriedades foram estudadas, desenvolvidas e aprimoradas.

O radiofísico soviético deu uma grande contribuição ao desenvolvimento de semicondutores Oleg Vladimirovich Losev (1903 - 1942). Em 1919, ele entrou no famoso e ainda conhecido laboratório de rádio Nizhny Novgorod e, desde 1929, trabalha no Instituto de Física e Tecnologia de Leningrado. Uma das atividades do cientista foi o estudo de um brilho fraco e levemente perceptível de cristais semicondutores. É com esse efeito que todos os LEDs modernos funcionam.

Essa fraca luminescência ocorre quando a corrente é passada através da junção pn na direção direta. Atualmente, porém, esse fenômeno foi estudado e melhorado tanto que o brilho de alguns LEDs é tal que pode ser simplesmente cego.

O esquema de cores dos LEDs é muito amplo, quase todas as cores do arco-íris. Mas a cor não é obtida alterando a cor da caixa do LED. Isto é conseguido pelo fato de que dopantes são adicionados à junção pn. Por exemplo, a introdução de uma pequena quantidade de fósforo ou alumínio permite obter as cores vermelho e amarelo, e o gálio e o índio emitem luz de verde para azul. A caixa do LED pode ser transparente ou fosca, se a caixa for colorida, será apenas um filtro de luz correspondente à cor do brilho da junção p-n.

Outra maneira de obter a cor desejada é a introdução de um fósforo. O fósforo é uma substância que fornece luz visível quando exposta a ela por outras radiações, mesmo infravermelhas. Um exemplo clássico são as lâmpadas fluorescentes. No caso dos LEDs, o branco é obtido pela adição de fósforo ao cristal azul.

Para aumentar a intensidade da radiação, quase todos os LEDs têm uma lente de foco. Freqüentemente, a face final de um corpo transparente com uma forma esférica é usada como lente. Nos diodos emissores de luz infravermelha, às vezes a lente parece opaca e cinza esfumaçada. Embora nos últimos anos, os LEDs infravermelhos estejam disponíveis apenas em um estojo transparente, esses são os usados ​​em vários controles remotos.

LEDs bicolores

Também conhecido por quase todos. Por exemplo, um carregador para um telefone celular: durante o carregamento, o indicador acende em vermelho e, no final do carregamento, fica verde.Essa indicação é possível devido à existência de LEDs de duas cores, que podem ser de tipos diferentes. O primeiro tipo são os LEDs de três saídas. Uma caixa contém dois LEDs, por exemplo, verde e vermelho, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1. Diagrama de conexão de um LED de duas cores

A figura mostra um fragmento de um circuito com um LED de duas cores. Nesse caso, um LED de três saídas com um cátodo comum é mostrado (também existe com um ânodo comum) e sua conexão com microcontrolador. Nesse caso, você pode acender um ou outro LED ou os dois ao mesmo tempo. Por exemplo, ele ficará vermelho ou verde e, quando você acender dois LEDs ao mesmo tempo, ficará amarelo. Se, ao mesmo tempo, usar a modulação PWM para ajustar o brilho de cada LED, você poderá obter vários tons intermediários.

Neste circuito, você deve prestar atenção ao fato de que os resistores limitadores são incluídos separadamente para cada LED, embora pareça que você pode fazer apenas um, incluindo-o na saída geral. Porém, com essa inclusão, o brilho dos LEDs mudará quando um ou dois LEDs estiverem ligados.

Que voltagem é necessária para o LED? Essa pergunta pode ser ouvida com bastante frequência, é feita por aqueles que não estão familiarizados com as especificidades do LED ou apenas por pessoas muito longe da eletricidade. Ao mesmo tempo, tenho que explicar que o LED é um dispositivo controlado por corrente e não por tensão. Você pode ligar o LED pelo menos 220V, mas a corrente através dele não deve exceder o máximo permitido. Isso é possível ligando o resistor de lastro em série com o LED.

Ainda assim, lembrando a voltagem, deve-se notar que ela também desempenha um grande papel, porque os LEDs têm uma voltagem direta grande. Se para um diodo de silício convencional essa tensão é da ordem de 0,6 ... 0,7 V, então, para um LED, esse limite começa em dois volts e acima. Portanto de uma célula galvânica Com uma tensão de 1,5V, o LED não acende.

Mas com essa inclusão, queremos dizer 220V, não devemos esquecer que a tensão reversa do LED é muito pequena, não mais do que várias dezenas de volts. Portanto, para proteger o LED da alta tensão reversa, são tomadas medidas especiais. A maneira mais fácil é a conexão contra-paralela de um diodo de proteção, que também pode não ser de alta tensão, por exemplo, KD521. Sob a influência da tensão alternada, os diodos se abrem alternadamente, protegendo-se mutuamente da alta tensão reversa. O circuito de comutação do diodo de proteção é mostrado na Figura 2.

Figura 2 Diagrama de fiaçãoparalelo ao LEDdiodo de proteção

Os LEDs de duas cores também estão disponíveis em um pacote de dois pinos. Uma mudança na cor do brilho nesse caso ocorre quando a direção da corrente muda. Um exemplo clássico é uma indicação da direção de rotação de um motor CC. Ao mesmo tempo, não se deve esquecer que o resistor limitador está necessariamente ligado em série com o LED.

Recentemente, um resistor limitador é simplesmente incorporado ao LED e, por exemplo, eles simplesmente escrevem nas etiquetas de preço da loja que esse LED é de 12V. Além disso, os LEDs piscantes são marcados pela tensão: 3V, 6V, 12V. Dentro desses LEDs, há um microcontrolador (que pode ser visto através de um gabinete transparente), portanto, qualquer tentativa de alterar a frequência de piscar não produz resultados. Com esta marcação, você pode acender o LED diretamente na fonte de alimentação na tensão especificada.

Desenvolvimentos do rádio amador japonês

O rádio amador, ao que parece, está envolvido não apenas nos países da ex-URSS, mas também em um "país eletrônico" como o Japão. É claro que mesmo um rádio amador japonês comum não pode criar dispositivos muito complexos, mas as soluções de circuitos individuais merecem atenção. Você nunca sabe em que esquema essas soluções podem ser úteis.

Aqui está uma visão geral de dispositivos relativamente simples que usam LEDs.Na maioria dos casos, o controle é realizado a partir de microcontroladores, e você não pode chegar a lugar nenhum. Mesmo para um circuito simples, é mais fácil escrever um programa curto e soldar o controlador no pacote DIP-8 do que soldar vários microcircuitos, capacitores e transistores. Também é atraente que alguns microcontroladores possam funcionar sem nenhum acessório.

Circuito de controle de LED de duas cores

Um esquema interessante para controlar um poderoso LED de duas cores é oferecido pelos presuntos japoneses. Mais precisamente, aqui são usados ​​dois LEDs poderosos com uma corrente de até 1A. Mas, deve-se supor que existem poderosos LEDs de duas cores. O diagrama é mostrado na Figura 3.

Figura 3. Circuito poderoso de controle de LED de duas cores

O chip TA7291P foi projetado para controlar motores DC de pequena potência. Ele fornece vários modos, a saber: rotação para frente, para trás, parar e frear. O estágio de saída do microcircuito é montado de acordo com o circuito da ponte, que permite executar todas as operações acima. Mas valeu a pena fazer alguma imaginação e agora, por favor, o microcircuito tem uma nova profissão.

A lógica do chip é bastante simples. Como pode ser visto na Figura 3, o microcircuito possui 2 entradas (IN1, IN2) e duas saídas (OUT1, OUT2), às quais dois LEDs poderosos estão conectados. Quando os níveis lógicos nas entradas 1 e 2 são os mesmos (não importa 00 ou 11), então os potenciais das saídas são iguais, ambos os LEDs estão apagados.

Em diferentes níveis lógicos nas entradas, o microcircuito funciona da seguinte maneira. Se uma das entradas, por exemplo, IN1 tiver um nível lógico baixo, a saída OUT1 será conectada a um fio comum. O cátodo do LED HL2 através do resistor R2 também é conectado a um fio comum. A tensão na saída OUT2 (se houver uma unidade lógica na entrada IN2) neste caso depende da tensão na entrada V_ref, o que permite ajustar o brilho do LED HL2.

Nesse caso, a tensão V_ref é obtida dos pulsos PWM do microcontrolador usando o circuito de integração R1C1, que controla o brilho do LED conectado à saída. O microcontrolador também controla as entradas IN1 e IN2, o que permite obter uma ampla variedade de tons de luz e algoritmos para controlar os LEDs. A resistência do resistor R2 é calculada com base na corrente máxima admissível dos LEDs. Como fazer isso será descrito abaixo.

A Figura 4 mostra a estrutura interna do chip TA7291P, seu diagrama estrutural. O circuito foi retirado diretamente da folha de dados; portanto, um motor elétrico é representado como uma carga nele.

Figura 4Chip de dispositivo interno TA7291P

De acordo com o esquema estrutural, é fácil rastrear os caminhos de corrente através da carga e os métodos para controlar os transistores de saída. Os transistores são ativados em pares, ao longo da diagonal: (superior esquerdo + inferior direito) ou (superior direito + inferior esquerdo), o que permite alterar a direção e a velocidade do motor. No nosso caso, acenda um dos LEDs e controle seu brilho.

Os transistores inferiores são controlados pelos sinais IN1, IN2 e são projetados simplesmente para ligar / desligar as diagonais da ponte. Os transistores superiores são controlados pelo sinal Vref, eles regulam a corrente de saída. O circuito de controle, mostrado simplesmente como um quadrado, também contém um circuito de proteção contra curto-circuito e outras circunstâncias imprevistas.

Como calcular um resistor limitador

A lei de Ohm sempre ajudará nesses cálculos. Os dados iniciais para o cálculo são os seguintes: a tensão de alimentação (U) é de 12V, a corrente através do LED (I_HL) é de 10mA, o LED é conectado a uma fonte de tensão sem transistores e microcircuitos como indicador de inclusão. Queda de tensão no LED (U_HL) 2V.

Então é óbvio que a tensão (U-U_HL) será necessária para o resistor limitador, - o próprio LED "comeu" dois volts. Então a resistência do resistor limitador é

R_o = (U-U_HL) / I_HL = (12-2) / 0,010 = 1000 (Ω) ou 1KΩ.

Não se esqueça do sistema SI: tensão em volts, corrente em amperes, o resultado em Ohms. Se o LED estiver aceso pelo transistor, no primeiro suporte, a tensão da seção coletor-emissor do transistor aberto deve ser subtraída da tensão de alimentação. Mas, como regra, ninguém nunca faz isso, não é necessária precisão de até centésimos de um por cento aqui, e isso não funcionará devido à dispersão nos detalhes das peças. Todos os cálculos em circuitos eletrônicos fornecem resultados aproximados, o restante deve ser alcançado por depuração e ajuste.

LEDs tricolores

Além dos dois tons ultimamente, LEDs RGB tricolores. Seu principal objetivo é a iluminação decorativa nos palcos, nas festas, nas comemorações do ano novo ou nas discotecas. Esses LEDs possuem um compartimento de quatro pinos, um dos quais é um ânodo ou cátodo comum, dependendo do modelo específico.

Mas um ou dois LEDs, mesmo os de três cores, são de pouca utilidade; portanto, é necessário combiná-los em guirlandas e, para controlar guirlandas, use todos os tipos de dispositivos de controle, chamados de controladores.

A montagem de guirlandas a partir de LEDs individuais é chata e de pouco interesse. Portanto, nos últimos anos, a indústria começou a produzir Tiras de LED em cores diferentesbem como fitas baseadas em LEDs tricolores (RGB). Se fitas monocromáticas são produzidas a uma tensão de 12V, a tensão operacional de fitas tricolores é geralmente de 24V.

As tiras de LED são marcadas por tensão, porque já contêm resistores de limite, para que possam ser conectados diretamente a uma fonte de tensão. Fontes para tira conduzida poder vendido no mesmo local da fita.

Para controlar LEDs e fitas de três cores, para criar vários efeitos de iluminação, são utilizados controladores especiais. Com a ajuda deles, é possível alternar facilmente os LEDs, ajustar o brilho, criar vários efeitos dinâmicos, além de desenhar padrões e até imagens. A criação de tais controladores atrai muitos presuntos, naturalmente aqueles que podem escrever programas para microcontroladores.

Usando um LED de três cores, você pode obter praticamente qualquer cor, porque a cor na tela da TV também é obtida misturando apenas três cores. Aqui é apropriado relembrar outro desenvolvimento do rádio amador japonês. Seu diagrama de circuito é mostrado na Figura 5.

Figura 5. Diagrama de conexão de um LED de três cores

O poderoso LED de três cores de 1W contém três emissores. Quando os resistores são indicados no diagrama, a cor do brilho é branca. Ao selecionar os valores dos resistores, é possível uma ligeira alteração na tonalidade: de branco para branco para branco quente. No design do autor, a lâmpada foi projetada para iluminar o interior do carro. Eles (os japoneses) ficarão tristes! Para não se preocupar em observar a polaridade, uma ponte de diodos é fornecida na entrada do dispositivo. O dispositivo é montado em uma tábua de pão e mostrado na Figura 6.

Figura 6. Placa de desenvolvimento

O próximo desenvolvimento de radioamadores japoneses também é automotivo. Este dispositivo para iluminar a sala, é claro, em LEDs brancos é mostrado na Figura 7.

Figura 7. Esquema do dispositivo para destacar o número nos LEDs brancos

O projeto utilizou 6 LEDs ultra brilhantes de alta potência, com uma corrente limitadora de 35 mA e um fluxo luminoso de 4 lm. Para aumentar a confiabilidade dos LEDs, a corrente através deles é limitada a 27 mA usando um chip regulador de tensão, incluído no circuito estabilizador de corrente.

Os LEDs EL1 ... EL3, o resistor R1 e o chip DA1 formam um estabilizador de corrente. Uma corrente estável através do resistor R1 suporta uma queda de tensão de 1,25V nele. O segundo grupo de LEDs é conectado ao estabilizador exatamente pelo mesmo resistor R2, de modo que a corrente através do grupo de LEDs EL4 ... EL6 também será estabilizada no mesmo nível.

A Figura 8 mostra o circuito conversor para fornecer um LED branco a partir de uma célula galvânica com uma tensão de 1,5 V, o que claramente não é suficiente para acender o LED. O circuito conversor é muito simples e controlado por um microcontrolador. De fato, o microcontrolador é multivibrador comum com uma frequência de pulso de cerca de 40KHz. Para aumentar a capacidade de carga, as saídas do microcontrolador são emparelhadas em paralelo.

Figura 8Circuito conversor para alimentar um LED branco

O esquema funciona da seguinte maneira. Quando as saídas PB1, PB2 estão baixas, as saídas PB0, PB4 estão altas. Neste momento, os capacitores C1, C2 são carregados através dos diodos VD1, VD2 para cerca de 1,4V. Quando o status das saídas do controlador é revertido, a soma das tensões de dois capacitores carregados mais a tensão da bateria será aplicada ao LED. Assim, quase 4,5V serão aplicados ao LED na direção direta, o que é suficiente para acender o LED.

Um conversor semelhante pode ser montado sem um microcontrolador, apenas em um chip lógico. Esse circuito é mostrado na Figura 9.

Figura 9

Um gerador de oscilação retangular é montado no elemento DD1.1, cuja frequência é determinada pelos valores R1, C1. É com esta frequência que o LED pisca.

Quando a saída do elemento DD1.1 é alta, a saída de DD1.2 é naturalmente alta. Neste momento, o capacitor C2 é carregado através do diodo VD1 da fonte de energia. O caminho de carga é o seguinte: mais a fonte de energia - DD1.1 - C2 - VD1 - DD1.2 - menos a fonte de energia. No momento, apenas a tensão da bateria é aplicada ao LED branco, o que não é suficiente para acender o LED.

Quando o nível fica baixo na saída do elemento DD1.1, um nível alto aparece na saída do DD1.2, o que leva ao bloqueio do diodo VD1. Portanto, a tensão no capacitor C2 é adicionada à tensão da bateria e essa quantidade é aplicada ao resistor R1 e ao LED HL1. Essa soma de tensões é suficiente para acender o LED HL1. Em seguida, o ciclo se repete.

Como verificar o LED

Se o LED é novo, tudo é simples: essa conclusão, que é um pouco mais longa, é um sinal de adição ou ânodo. É isso que deve ser incluído no sinal de mais da fonte de alimentação, naturalmente não esquecendo o resistor limitador. Mas, em alguns casos, por exemplo, o LED foi removido da placa antiga e as conclusões têm a mesma duração, sendo necessária uma chamada.

Multímetros nessa situação se comportam de maneira um tanto incompreensível. Por exemplo, um multímetro DT838 no modo de teste de semicondutores pode simplesmente iluminar levemente o LED em teste, mas ao mesmo tempo um circuito aberto é mostrado no indicador.

Portanto, em alguns casos, é melhor verificar os LEDs conectando-os através do resistor limitador à fonte de energia, conforme mostrado na Figura 10. O valor do resistor é 200 ... 500 Ohm.

Figura 10. Circuito de teste de LED

LED sequencial

Figura 11. Inclusão seqüencial de LEDs

Não é difícil calcular a resistência do resistor limitador. Para fazer isso, adicione a tensão direta a todos os LEDs, subtraia-a da tensão da fonte de energia e divida o resíduo resultante pela corrente fornecida.

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

Suponha que a voltagem da fonte de alimentação seja 12V e a queda de voltagem nos LEDs seja 2V, 2,5V e 1,8V. Mesmo que os LEDs sejam retirados de uma caixa, ainda pode haver uma propagação tão grande!

Por condição da tarefa, uma corrente de 20 mA é definida. Resta substituir todos os valores da fórmula e ensinar a resposta.

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

LED paralelo

Figura 12. Ativação paralela de LEDs

No fragmento esquerdo, todos os três LEDs são conectados através de um resistor limitador de corrente. Mas por que esse esquema é delineado, quais são suas desvantagens?

Isso afeta a propagação dos LEDs. A maior corrente passa pelo LED, no qual a queda de tensão é menor, ou seja, a resistência interna é menor.Portanto, com essa inclusão, não é possível obter um brilho uniforme dos LEDs. Portanto, o esquema mostrado na Figura 12 à direita deve ser reconhecido como o circuito correto.

 

Boris Aladyshkin