Charlieplexing LED diode- teorija: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:38

Ovo uputstvo manje je izrada vlastitog projekta, već više opis teorije charlieplexinga. Pogodan je za ljude s osnovama elektronike, ali ne i za potpune početnike. Napisao sam to kao odgovor na mnoga pitanja koja sam dobio u prethodno objavljenim Instructables.

Što je 'Charlieplexing'? Pokreće puno LED dioda sa samo nekoliko pinova. U slučaju da se pitate da li je Charlieplexing dobio ime po Charlesu Allenu u Maximu koji je razvio tehniku. Ovo može biti korisno za mnoge stvari. Možda ćete morati prikazati podatke o statusu na malom mikrokontroleru, ali imajte samo nekoliko pinova rezervnih. Možda ćete htjeti prikazati otmjenu matricu ili prikaz sata, ali ne želite koristiti puno komponenti. Neki drugi projekti koji prikazuju charlieplexing koje biste mogli pogledati su: Kako izvesti nekoliko LED dioda s nekoliko pinova mikrokontrolera. by Westfw:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ I nekoliko mojih vlastitih projekata, sat Microdot:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ Sat Minidot 2: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ Još jedan zanimljiv primjer korištenja charlieplexinga nalazi se na: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ Sat Minidot 2 uvodi naprednu shemu charlieplexinga za blijeđenje/zatamnjenje o čemu se ovdje neće raspravljati. AŽURIRANO 19. kolovoza 2008.: Dodao sam zip datoteku sa krugom koji bi mogao iskoristiti matrično charliplexing za LED velike snage o kojima se raspravljalo (opširno:)) u odjeljku komentara. Ima tipku + koder položaja za upravljanje korisničkim sučeljem, plus sklop za upravljanje računalom putem USB -a ili RS232. Svaka od visokonaponskih tračnica može se postaviti na jedan od dva napona, recimo 2,2 V za CRVENE LED diode i 3,4 V za zelenu/plavu/bijelu. Napon za visoke bočne tračnice može se postaviti trimpotom. Predviđao bih da se 20 -žični IDC vrpčani kabel priključi na ploču, a 20 -pinski IDC konektori dodaju duž duljine vrpce, pri čemu svaka LED ploča ima veze sa bilo kojim žicama u matrici koje se žele. Krug je u Eagle Cad -u i iscrtan je na donjoj donjoj slici. Visoki bočni krug implementiran je upotrebom optokaplera za koje mislim da bi moglo biti prikladno. Nisam zapravo testirao ovaj sklop niti napisao neki softver zbog nedostatka vremena, ali sam ga stavio na komentar, posebno me zanima implementacija optičke sprege. Svatko tko je dovoljno hrabar da to pokuša … molim vas objavite svoje rezultate. AŽURIRAJ 27. kolovoza 2008.: Za one koji ne koriste EagleCad …. Dolje je dodan pdf sheme

Korak 1: Neka LED teorija

Charlieplexing se oslanja na brojne korisne aspekte LED dioda i modernih mikrokontrolera.

Prvo što se događa kada spojite LED na električnu energiju. Donji glavni dijagram prikazuje ono što se naziva If v Vf krivulja tipične LED diode male snage 5 mm. Ako stoji za "naprednu struju" Vf znači "napon naprijed" Okomita os u drugim riječima prikazuje struju koja će teći kroz LED ako postavite napon vodoravne osi preko njegovih stezaljki. Radi i obrnuto, ako izmjerite da je struja neke vrijednosti, možete pogledati prema vodoravnoj osi i vidjeti napon koji će LED prikazati na svojim stezaljkama. Drugi dijagram prikazuje shematski prikaz LED sa oznakama If i Vf. Iz glavnog dijagrama također sam označio područja grafikona koja nas zanimaju. - Prvo područje je gdje je LED 'isključen'. Točnije, LED emitira svjetlo tako prigušeno da ga nećete moći vidjeti ako niste imali nekakav super-duper pojačivač slike. - Drugo područje ima LED koji samo blago emitira prigušen sjaj. - Treće područje je mjesto gdje LED obično radi i emitira svjetlo prema ocjeni proizvođača. - Četvrto područje je mjesto gdje LED radi izvan svojih radnih granica, vjerojatno svijetli jako jako, ali nažalost samo kratko vrijeme prije nego što čarobni dim iz unutrašnjosti pobjegne i više neće raditi … tj. U ovom području izgara jer kroz njega protiče previše struje. Imajte na umu da je krivulja If/Vf ili radna krivulja LED diode 'nelinearna' krivulja. To jest, to nije ravna linija … u sebi ima zavoj ili pregib. Konačno, ovaj dijagram je za tipičnu 5 mm crvenu LED diodu dizajniranu za rad na 20 mA. Različite LED diode različitih proizvođača imaju različite radne krivulje. Na primjer, u ovom dijagramu pri 20mA prednji napon LED -a bit će približno 1,9V. Za plavu LED diodu od 5 mm na 20 mA prednji napon može biti 3,4 V. Za bijelu lukseonsku LED diodu velike snage na 350 mA prednji napon mogao bi biti oko 3,2 V. Neki paketi LED dioda mogu biti nekoliko LED serija u nizu ili paralelno, čime se opet mijenja krivulja Vf/If. Obično proizvođač navodi radnu struju u kojoj je LED sigurno koristiti i napon naprijed pri toj struji. Obično (ali ne uvijek) dobivate grafikon sličan donjem u podatkovnom listu. Morate pogledati podatkovni list za LED kako biste utvrdili koliki je napon naprijed kod različitih radnih struja. Zašto je ovaj grafikon toliko važan? Budući da pokazuje da kada je napon preko LED diode, struja koja će teći bit će prema grafikonu. Smanjite napon i manje će struje teći …..i LED će biti 'isključen'. Ovo je dio teorije charlieplexinga, do koje ćemo doći u sljedećem koraku.

Korak 2: Zakoni (elektronike)

Još uvijek nismo u čaroliji charlieplexinga ….moramo ići na neke osnove zakona o elektronici. Prvi zakon interesa kaže da je ukupni napon na bilo kojem nizu povezanih komponenti u električnom krugu jednak zbroju pojedinačnih naponi na komponentama. To je prikazano na donjem glavnom dijagramu. Ovo je korisno kada koristite LED diode jer vaš prosječni izlazni pin baterije ili mikrokontrolera nikada neće biti upravo pravi napon za pokretanje vaše LED diode pri preporučenoj struji. Na primjer, mikrokontroler će obično raditi na 5V, a njegovi izlazi će biti na 5V kad su uključeni. Ako samo spojite LED diodu na izlazni pin mikrofona, vidjet ćete prema radnoj krivulji na prethodnoj stranici da će LED strujati previše struje i da će se zagrijati i izgorjeti (vjerojatno će oštetiti i mikro). Međutim, ako uvedemo drugu komponentu u nizu sa LED -om, možemo oduzeti neke od 5V tako da je lijevi napon upravo pravi za pokretanje LED -a pri odgovarajućoj radnoj struji. To je obično otpornik, a kada se koristi na ovaj način naziva se otpornik za ograničavanje struje. Ova se metoda koristi vrlo često i dovodi do onoga što se naziva 'ohmov zakon' …. Tako nazvan po gospodinu Ohmu. Omov zakon slijedi jednadžbu V = I * R gdje je V napon koji će se pojaviti na otporu R kad struja I teče kroz otpornik. V je u voltima, ja u amperima, a R u ohmima. Dakle, ako imamo 5V za potrošnju, a želimo 1,9V preko LED-a da radi na 20mA tada želimo da otpornik ima 5-1,9 = 3,1 V preko njega. To možemo vidjeti na drugom dijagramu. Budući da je otpornik u nizu sa LED diodom, kroz otpornik će teći ista struja kao i LED, tj. 20mA. Preuređujući jednadžbu možemo pronaći otpor koji nam je potreban da ovo uspije. V = I * RsoR = V / Zamjenom vrijednosti u našem primjeru dobivamo: R = 3,1 / 0,02 = 155 ohma (napomena 20 mA = 0,02 ampera) Još uvijek sam sa mnom do sada … super. Sada pogledajte dijagram 3. LED dioda se nalazi između dva otpornika. Prema prvom gore spomenutom zakonu, imamo istu situaciju na drugom dijagramu. Imamo 1,9 V preko LED -a pa radi prema specifikacijama. Također imamo svaki otpornik koji oduzima 1,55 V svaki (ukupno 3,1). Zbrajanjem napona zajedno imamo 5V (pin mikrokontrolera) = 1.55V (R1) + 1.9V (LED) + 1.55V (R2) i sve se uravnotežuje. Koristeći zakon oma otkrivamo da otpornici moraju imati 77,5 ohma svaki, što je polovica iznosa izračunatog iz drugog dijagrama. Naravno, u praksi bi vam bilo teško pronaći otpornik od 77,5 ohma, pa biste samo zamijenili najbližu dostupnu vrijednost, recimo 75 ohma, i na kraju dobili malo više struje u LED ili 82 ohma kako bi bili sigurni i imali malo manje. Zašto bismo, pobogu, radili ovaj otpornik koji radi za pogon jednostavne LED …..pa ako imate jednu LED diodu, sve je to pomalo glupo, ali ovo je uputstvo o charlieplexingu i dobro dođe za sljedeći korak.

Korak 3: Predstavljanje „komplementarnog pogona“

Drugi naziv koji je točnije opisati 'charlieplexing' je 'komplementarni pogon'.

U vašem prosječnom mikrokontroleru možete u firmveru reći mikrofonu da postavi izlazni pin na '0' ili '1' ili da na izlazu prikaže 0V napon ili 5V napon na izlazu. Donji dijagram sada prikazuje sendvič LED sa obrnutim partnerom … ili komplementarnom LED, dakle komplementarnim pogonom. U prvoj polovici dijagrama mikro izlaz daje 5V na pin A i 0V na pin B. Struja će tako teći od A do B. Budući da je LED2 orijentirana unatrag prema LED1, kroz nju neće teći struja i neće sjaj. To se zove obrnuta pristranost. Imamo ekvivalent situacije na prethodnoj stranici. U osnovi možemo zanemariti LED2. Strelice prikazuju trenutni protok. LED je u biti dioda (dakle dioda koja emitira svjetlo). Dioda je uređaj koji propušta struju u jednom smjeru, ali ne i u drugom. Shema LED -a prikazuje to, struja će teći u smjeru strelice ……. ali blokirana je na drugi način. Ako uputimo mikro da sada izlazi 5V na pin B i 0V na pin A, imamo suprotno. Sada je LED1 obrnuto pristran, LED2 je pristran prema naprijed i omogućit će protok struje. LED2 će svijetliti, a LED1 će biti taman. Možda bi bilo dobro pogledati sheme različitih projekata spomenutih u uvodu. Trebali biste vidjeti puno ovih komplementarnih parova u matrici. Naravno u donjem primjeru upravljamo s dvije LED diode s dva pina mikrokontrolera … mogli biste reći zašto se truditi. Sljedeći odjeljak je gdje dolazimo do utrobe čarlipleksiranja i kako učinkovito koristi izlazne pinove mikrokontrolera.

Korak 4: Konačno …. Matrica Charlieplex

Kao što je spomenuto u uvodu, charliplexing je zgodan način za pokretanje puno LED dioda sa samo nekoliko pinova na mikrokontroleru. Međutim, na prethodnim stranicama zapravo nismo spremili nikakve pinove, pogonivši dvije LED diode s dva pina ….veliki huk!

Pa možemo proširiti ideju komplementarne vožnje u matricu charlieplex. Donji dijagram prikazuje minimalnu matricu charlieplexa koja se sastoji od tri otpornika i šest LED dioda i koristi samo tri pina mikrokontrolera. Vidite li koliko je ova metoda zgodna? Da želite voziti šest LED dioda na uobičajen način ….trebalo bi vam šest pinova za mikrokontroler. Zapravo s N pinova mikrokontrolera potencijalno možete pokrenuti N * (N - 1) LED diode. Za 3 pina ovo je 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 LED dioda. Stvari se brzo slažu s više pribadača. Sa 6 pinova možete upravljati sa 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 LED dioda …. Wow! A sada malo o charlieplexingu. Pogledajte donji dijagram. Imamo tri komplementarna para, jedan par između svake kombinacije mikro izlaznih pinova. Jedan par između A-B, jedan par između B-C i jedan par između A-C. Ako ste za sada isključili pin C, imali bismo istu situaciju kao i prije. S 5V na pin A i 0V na pin B, LED1 će svijetliti, LED2 je obrnuto pristran i neće provoditi struju. S 5V na pin B i 0V na pin A LED2 će svijetliti, a LED1 je obrnuto pristran. Ovo slijedi za ostale mikro iglice. Ako odspojimo pin B i pin A postavimo na 5V, a pin C na 0V tada bi LED5 svijetlila. Promjenom unatrag tako da je pin A 0V, a pin C 5V, tada bi LED6 svijetlila. Isto za komplementarni par između pinova B-C. Čekaj, čujem kako govoriš. Pogledajmo drugi slučaj malo pobliže. Imamo 5V na pinu A i 0V na pinu C. Isključili smo pin B (srednji). U redu, dakle, struja teče kroz LED5, struja ne teče kroz LED6 jer je obrnuto pristrana (pa tako i LED2 i LED4)….ali postoji i put za struju koja vodi od pina A, preko LED1 i LED3 zar ne? Zašto i ove LED diode ne svijetle. Ovdje je srce sheme charlieplexing. Doista postoji struja koja teče i LED1 i LED3, međutim napon na obje ove kombinacije bit će samo jednak naponu na LED5. Obično bi imali pola napona na sebi koji LED5 ima. Dakle, ako imamo 1,9 V na LED5, tada će samo 0,95 V biti na LED1 i 0,95 V na LED3. Iz krivulje If/Vf spomenute na početku ovog članka možemo vidjeti da je struja na ovoj polovici napona mnogo niža od 20 mA…..i te LED diode neće vidljivo svijetliti. To je poznato kao trenutna krađa. Tako će većina struje teći kroz LED diodu kakvu želimo, najdirektniji put kroz najmanji broj LED dioda (tj. Jednu LED), a ne kroz bilo koju kombinaciju LED dioda. Ako ste pogledali trenutni tok za bilo koju kombinaciju stavljanja 5V i 0V na bilo koja dva pogonska pina matrice charlieplex, vidjet ćete istu stvar. Istovremeno će svijetliti samo jedna LED dioda. Kao vježbu, pogledajte prvu situaciju. 5V na pin A i 0V na pin B, odspojite pin C. LED1 je najkraći put za provođenje struje, a LED 1 će svijetliti. Mala struja će također prolaziti kroz LED5, zatim sigurnosno kopirati LED4 na pin B …..ali opet, ove dvije LED diode u seriji neće moći sifonirati dovoljno struje u usporedbi s LED 1 da svijetli jako. Tako se ostvaruje moć charlieplexinga. Pogledajte drugi dijagram koji je shematski za moj sat Microdot…..30 LED dioda, sa samo 6 pinova. Moj sat Minidot 2 u osnovi je proširena verzija Microdota….sa 30 LED dioda raspoređenih u niz. Kako bi se napravio uzorak u nizu, svaka LED dioda koju treba osvijetliti nakratko se uključi, a zatim mikro prelazi na sljedeću. Ako je predviđeno da svijetli, ponovno se uključuje na kratko. Brzim skeniranjem kroz LED diode, princip nazvan 'postojanost vida' omogućit će nizu LED dioda pokazati statički uzorak. Članak Minidot 2 ima malo objašnjenja o ovom principu. Ali čekaj ….. Naizgled sam malo prešutio gornji opis. Što je to s poslovima 'odspojite pin B', 'odspojite pin C'. Sljedeći odjeljak molim.

Korak 5: Tri stanja (ne tricikli)

U prethodnom smo koraku spomenuli da se mikrokontroler može programirati za izlaz 5V ili 0V napona. Kako bi matrica charlieplex funkcionirala, odabiremo dva pina u matrici i odspojimo sve druge pinove.

Naravno, ručno odvajanje pinova malo je teško učiniti, osobito ako skeniramo stvari vrlo brzo kako bismo upotrijebili postojanost efekta vida za prikaz uzorka. No izlazni pinovi mikrokontrolera također se mogu programirati da budu i ulazni pinovi. Kada je mikro pin programiran da bude ulaz, on prelazi u ono što se naziva 'visoka impedancija' ili 'tri stanja'. Odnosno, predstavlja vrlo visok otpor (reda megagaoma ili milijuna oma) na pin. Ako postoji vrlo veliki otpor (vidi dijagram), tada možemo smatrati da je pin isključen, pa shema charliplex radi. Drugi dijagram prikazuje matrične pinove za svaku kombinaciju koja može osvijetliti svaku od 6 LED dioda u našem primjeru. Obično je tro stanje označeno s 'X', 5V je prikazano kao '1' (za logički 1), a 0V kao '0'. U mikro firmveru za '0' ili '1' programirali biste pinove kao izlaz i njihovo je stanje dobro definirano. Za tri stanja programirate ga kao ulaz, a budući da je ulaz, zapravo ne znamo kakvo stanje može biti …. Otuda 'X' za nepoznato. Iako bismo mogli dodijeliti pin kao tro-stanje ili ulaz, ne moramo ga čitati. Iskoristit ćemo samo činjenicu da je ulazni pin na mikrokontroleru visoka impedancija.

Korak 6: Neke praktične stvari

Magija charlieplexinga oslanja se na činjenicu da će pojedinačni napon prikazan na više LED -a u nizu uvijek biti manji od onog na jednoj LED -i kad je jedna LED paralelna s serijskom kombinacijom. Ako je napon manji, tada je i struja manja, a nadamo se da će struja u serijskoj kombinaciji biti tako niska da LED neće svijetliti. Međutim, to nije uvijek slučaj. Recimo da ste imali dvije crvene LED diode s tipičnom prednji napon od 1,9 V u vašoj matrici i plava LED dioda s naponom od 3,5 V (recimo LED1 = crvena, LED3 = crvena, LED5 = plava u našem primjeru sa 6 LED). Kad biste upalili plavu LED diodu, dobili biste 3,5/2 = 1,75 V za svaku od crvenih LED dioda. To može biti vrlo blizu zatamnjenog radnog područja LED diode. Možda ćete otkriti da će crvene LED diode slabo svijetliti kad svijetli plava boja. Stoga je dobra ideja provjeriti je li napon naprijed svih LED -ova različitih boja u vašoj matrici približno isti pri radnoj struji ili koristite iste boje LED diode u matrici. U mojim projektima Microdot/Minidot nisam morao brinuti o tome, koristio sam plavo/zelene SMD LED diode visoke učinkovitosti koje na sreću imaju isti napon naprijed kao i crvene/žute. Međutim, ako bih implementirao istu stvar s 5 mm LED diodama, rezultat bi bio problematičniji. U ovom slučaju bih zasebno implementirao plavo/zelenu matricu charlieplex i crveni/žuti matix. Trebao bih upotrijebiti više pinova …. Ali eto. Drugi je problem pogledati trenutačno izvlačenje iz mikro i koliko žarko želite LED. Ako imate veliku matricu i brzo je skenirate, svaka LED dioda svijetli samo kratko vrijeme. To će izgledati relativno prigušeno u usporedbi sa statičkim zaslonom. Možete varati povećavajući struju kroz LED smanjujući otpornike za ograničavanje struje, ali samo do određene točke. Ako predugo izvlačite previše struje iz mikro, oštetit ćete izlazne pinove. Ako imate matricu koja se sporo kreće, recimo statusni ili ciklonski prikaz, mogli biste zadržati struju na sigurnoj razini, ali i dalje imati svijetli LED zaslon jer je svaka LED uključena dulje vrijeme, moguće statična (u slučaju indikator statusa). Neke prednosti charlieplexinga:- koristi samo nekoliko pinova na mikrokontroleru za upravljanje mnogim LED-ima- smanjuje broj komponenti jer vam ne treba puno upravljačkih čipova/otpornika itd. Neki nedostaci:- vaš mikro firmver morat će se nositi s postavkama i naponsko stanje i ulazno/izlazno stanje pinova- morate biti oprezni pri miješanju različitih boja- raspored PCB-a je težak, jer je LED matrica složenija.

Korak 7: Reference

Na webu postoji mnogo referenci o charlieplexingu. Osim veza na prednjoj strani članka, neke od njih su: Izvorni članak iz Maxima, ovo ima puno toga za reći o vožnji 7 segmentnih zaslona što je također moguće. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880A wiki unoshttps://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing