LED diódy Charlieplexing- teória: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Tento návod je menej stavbou vlastného projektu a skôr opisom teórie charlieplexingu. Je vhodný pre ľudí so základmi elektroniky, ale nie pre úplných začiatočníkov. Napísal som to v reakcii na mnohé otázky, ktoré som dostal v predtým publikovaných pokynoch.

Čo je to „charlieplexing“? Ovláda veľa LED diód iba s niekoľkými kolíkmi. V prípade, že vás zaujíma, či je Charlieplexing pomenovaný po Charlesovi Allenovi z Maximu, ktorý túto techniku vyvinul. To môže byť užitočné pre veľa vecí. Možno budete musieť zobraziť informácie o stave na malom mikrokontroléri, ale máte k dispozícii iba niekoľko pinov. Možno budete chcieť ukázať efektný bodový displej alebo hodiny, ale nechcete používať veľa komponentov. Niektoré ďalšie projekty demonštrujúce charlieplexing, na ktoré by ste sa chceli pozrieť, sú: Ako riadiť veľa LED diód z niekoľkých pinov mikrokontroléra. od Westfw:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ A niekoľko mojich vlastných projektov, hodinky The Microdot:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ Hodiny Minidot 2: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ Ďalší skvelý príklad použitia charlieplexingu je na: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ Hodiny Minidot 2 predstavujú pokročilú schému charlieplexovania blednutie/stmievanie, o ktorých sa tu nebude diskutovať. AKTUALIZÁCIA 19. augusta 2008: Pridal som súbor zip s obvodom, ktorý môže byť schopný využiť maticové charliplexovanie pre vysokovýkonné diódy LED, o ktorých sa diskutuje (v dĺžke:)) v sekcii komentárov. Má tlačidlo + kodér polohy na vytváranie používateľského rozhrania a obvody na ovládanie počítača USB alebo RS232. Každú z vysokonapäťových koľajničiek je možné nastaviť na jedno z dvoch napätí, povedzme 2,2 V pre ČERVENÉ LED diódy a 3,4 V pre zeleno/modrú/bielu. Napätie pre vysoké bočné lišty je možné nastaviť trimprom. Predpokladal by som, že do dosky bude zapojený 20 -žilový plochý kábel IDC a po dĺžke pásky budú pridané 20 -kolíkové konektory IDC, pričom každá doska LED bude mať prepojenie na akékoľvek drôty v matici. Okruh je v Eagle Cad a je vykreslený na nižšie uvedenom obrázku. Vysoký obvod je implementovaný pomocou optočlenov, ktoré si myslím, že by mohli byť vhodné. Tento obvod som v skutočnosti netestoval ani nenapísal žiadny softvér kvôli nedostatku času, ale dal som ho na pripomienkovanie, obzvlášť ma zaujíma implementácia optočlenu. Každý, kto má odvahu to skúsiť … pošlite svoje výsledky. AKTUALIZÁCIA 27. augusta 2008: Pre tých, ktorí nepoužívajú EagleCad …. Nižšie uvedené je pdf schémy

Krok 1: Niektoré teórie LED

Charlieplexing sa spolieha na množstvo užitočných aspektov diód LED a moderných mikrokontrolérov.

Po prvé, čo sa stane, keď pripojíte LED k elektrine. Nasledujúci hlavný diagram ukazuje, čo sa nazýva krivka If v Vf typickej 5 mm diódy LED s nízkym výkonom. Ak skratka znamená „prúd vpred“, Vf znamená „napätie vpred“Vertikálna os v iných slovách zobrazuje prúd, ktorý bude pretekať diódou LED, ak na jeho svorky vložíte napätie horizontálnej osi. Funguje to aj naopak, ak zmeriate, že prúd má nejakú hodnotu, môžete sa pozrieť naprieč k horizontálnej osi a zistiť napätie, ktoré bude LED dióda predstavovať na svojich svorkách. Druhý diagram ukazuje schematicky LED diódu s označením If a Vf. Z hlavného diagramu som tiež označil oblasti grafu, ktoré sú zaujímavé. - Prvá oblasť je tam, kde je dióda LED „vypnutá“. Presnejšie povedané, LED dióda vyžaruje svetlo, takže ho slabo uvidíte, pokiaľ nebudete mať nejaký zosilňovač superduper obrazu. - Druhá oblasť má diódu LED, ktorá mierne vyžaruje slabú žiaru. - Tretia oblasť je miesto, kde sa LED dióda obvykle prevádzkuje a vyžaruje svetlo podľa hodnotenia výrobcu. - Štvrtá oblasť je miesto, kde je LED prevádzkovaná mimo prevádzkových limitov, pravdepodobne žiari veľmi jasne, ale bohužiaľ len krátku dobu, kým magický dym unikne dovnútra a už nebude fungovať …… tj v tejto oblasti horí, pretože preteká ním príliš veľa prúdu. Všimnite si toho, že krivka If/Vf alebo prevádzková krivka diódy LED je „nelineárna“krivka. To znamená, že to nie je rovná čiara … má v sebe ohyb alebo zauzlenie. Nakoniec tento diagram je pre typickú 5 mm červenú diódu LED navrhnutú na prácu pri 20 mA. Rôzne diódy LED od rôznych výrobcov majú rôzne prevádzkové krivky. Napríklad v tomto diagrame pri 20 mA bude predné napätie LED približne 1,9 V. Pri modrej 5 mm dióde LED pri 20 mA môže byť predné napätie 3,4 V. V prípade vysoko výkonnej bielej luxeonovej diódy LED pri 350 mA môže byť predné napätie okolo 3,2 V. Niektoré sady LED diód môžu mať niekoľko LED diód v sérii alebo paralelne, čím sa opäť zmení krivka Vf/If. Výrobca spravidla určí prevádzkový prúd, pri ktorom je bezpečné používať LED, a dopredné napätie pri tomto prúde. Obvykle (ale nie vždy) dostanete v technickom liste graf podobný nižšie uvedenému. Musíte sa pozrieť na technický list LED, aby ste určili, aké je napätie vpred pri rôznych prevádzkových prúdoch. Prečo je tento graf taký dôležitý? Pretože ukazuje, že keď je napätie cez LED, prúd, ktorý bude prúdiť, bude podľa grafu. Znížte napätie a prúdi menší prúd….. a LED dióda zhasne. Toto je časť teórie charlieplexingu, ku ktorej sa dostaneme v nasledujúcom kroku.

Krok 2: Zákony (elektroniky)

Stále ešte nie sme v máji charlieplexingu … musíme ísť na niektoré základy zákonov elektroniky. Prvý zákon záujmu uvádza, že celkové napätie v akejkoľvek sérii pripojených komponentov v elektrickom obvode sa rovná súčtu jednotlivých napätia naprieč komponentmi. Toto je zobrazené v nasledujúcom hlavnom diagrame. Je to užitočné pri použití diód LED, pretože váš priemerný výstupný kolík batérie alebo mikrokontroléra nikdy nebude presne tým správnym napätím na spustenie diódy LED pri odporúčanom prúde. Napríklad mikrokontrolér obvykle beží na 5V a jeho výstupné piny budú pri zapnutí na 5V. Ak k výstupnému kolíku mikro zapojíte iba diódu LED, z prevádzkovej krivky na predchádzajúcej stránke uvidíte, že v dióde LED bude prúdiť príliš veľa prúdu, ktorý sa zahreje a vyhorí (pravdepodobne poškodí aj mikro). Avšak, ak predstavíme druhý komponent v sérii s LED diódou, môžeme odpočítať časť 5V tak, aby napätie vľavo bolo správne na spustenie LED pri správnom prevádzkovom prúde. Toto je typicky odpor a ak sa používa týmto spôsobom, nazýva sa odpor obmedzujúci prúd. Táto metóda sa používa veľmi často a vedie k tomu, čo sa nazýva „ohmový zákon“…. Pomenovaný podľa pána Ohma. Ohmov zákon sa riadi rovnicou V = I * R, kde V je napätie, ktoré sa objaví na odporu R, keď prúd I preteká cez odpor. V je vo voltoch, I je v ampéroch a R je v ohmoch. Takže ak máme 5 V na útratu a chceme 1,9 V cez LED, aby bežal na 20 mA, potom chceme, aby mal odpor 5-1,9 = 3,1 V cez to. Môžeme to vidieť na druhom diagrame. Pretože odpor je v sérii s LED diódou, cez odpor bude prúdiť rovnaký prúd ako LED, tj. 20mA. Preskupením rovnice môžeme nájsť odpor, ktorý potrebujeme na to, aby to fungovalo. V = I * RsoR = V / Ak nahradíme hodnoty v našom príklade, dostaneme: R = 3,1 / 0,02 = 155 ohmov (poznámka 20mA = 0,02Amp) Stále so mnou zatiaľ … v pohode. Teraz sa pozrite na diagram 3. Má LED vloženú medzi dva odpory. Podľa prvého zákona uvedeného vyššie máme rovnakú situáciu na druhom diagrame. Máme LED 1,9 V, takže beží podľa špecifikačného listu. Každý rezistor tiež odčítame každý po 1,55 V (spolu 3,1). Sčítaním napätí dohromady máme 5 V (kolík mikrokontroléra) = 1,55 V (R1) + 1,9 V (LED) + 1,55 V (R2) a všetko je v rovnováhe. Pri použití zákona ohmov zistíme, že odpory musia mať každý 77,5 ohmov, čo je polovica sumy vypočítanej z druhého diagramu. V praxi by ste samozrejme ťažko hľadali odpor 77,5 ohmov, takže by ste nahradili najbližšiu dostupnú hodnotu, povedzme 75 ohmov, a skončili by ste s trochou väčšieho prúdu v LED alebo 82 ohmov, aby boli v bezpečí a mali o niečo menej. Prečo by sme preboha mali robiť tento odporový piesok, ktorý poháňa jednoduchú LED….. keď máte jednu LED, je to všetko hlúpe, ale toto je návod na charlieplexovanie a hodí sa to pre ďalší krok.

Krok 3: Predstavujeme „doplnkový disk“

Ďalší názov, ktorý je presnejšie opísať „charlieplexing“, je „komplementárny pohon“.

Vo vašom priemernom mikrokontroléri môžete vo firmvéri povedať mikro, aby nastavil výstupný kolík buď na „0“alebo „1“, alebo aby na výstupe predstavoval napätie 0 V alebo 5 V na výstupe. Nasledujúci diagram teraz zobrazuje vloženú diódu LED s obráteným partnerom … alebo doplnkovú LED diódu, teda komplementárny pohon. V prvej polovici diagramu mikro napája 5 V na pin A a 0 V na pin B. Prúd bude teda prúdiť z A do B. Pretože LED2 je orientovaná dozadu na LED1, nebude cez ňu pretekať žiadny prúd a nebude žiara. Tomu sa hovorí reverzné zaujatie. Máme ekvivalent k situácii na predchádzajúcej stránke. LED2 môžeme v zásade ignorovať. Šípky ukazujú aktuálny tok. LED dióda je v podstate dióda (odtiaľ svetlo emitujúca dióda). Dióda je zariadenie, ktoré umožňuje prúdenie prúdu v jednom smere, ale nie v druhom. Schéma LED diódy to ukazuje, prúd bude prúdiť v smere šípky ……, ale bude blokovaný iným spôsobom. Ak prikážeme mikro, aby teraz vyvedlo 5V na pin B a 0V na pin A, máme to naopak. LED1 je teraz predpätá obrátene, LED2 je predpätá dopredu a umožní tok prúdu. LED2 bude svietiť a LED1 bude tmavá. Teraz by bolo vhodné pozrieť sa na schémy rôznych projektov uvedených v úvode. Mali by ste vidieť veľa týchto komplementárnych párov v matici. V nasledujúcom príklade samozrejme poháňame dve diódy LED s dvoma kolíkmi mikrokontroléra … dalo by sa povedať, prečo sa obťažovať. V nasledujúcej časti sa pozrieme na podstatu charlieplexingu a na to, ako efektívne využíva výstupné piny mikrokontrolérov.

Krok 4: Nakoniec … Matica Charlieplex

Ako je uvedené v úvode, charliplexing je praktický spôsob napájania veľkého počtu diód LED pomocou niekoľkých pinov na mikrokontroléri. Na predchádzajúcich stránkach sme však skutočne neuložili žiadne piny, poháňajúce dve diódy LED s dvoma kolíkmi ….

Myšlienku komplementárneho pohonu môžeme rozšíriť na charlieplexovú maticu. Nasledujúci diagram zobrazuje minimálnu maticu charlieplexu pozostávajúcu z troch rezistorov a šiestich LED diód a využívajúcich iba tri piny mikrokontroléra. Teraz vidíte, aká užitočná je táto metóda? Ak by ste chceli ovládať šesť diód LED normálnym spôsobom …, budete potrebovať šesť pinov mikrokontroléra. V skutočnosti s N kolíkmi mikrokontroléra môžete potenciálne ovládať LED N * (N - 1). Pre 3 piny to sú 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 LED diód. Veci sa rýchlo skladajú s ďalšími kolíkmi. So 6 kolíkmi môžete ovládať 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 LED diód …. Wow! Teraz k bitu charlieplexingu. Pozrite sa na diagram nižšie. Máme tri komplementárne páry, jeden pár medzi každou kombináciou mikro výstupných pinov. Jeden pár medzi A-B, jeden pár medzi B-C a jeden pár medzi A-C. Ak by ste zatiaľ odpojili kolík C, mali by sme rovnakú situáciu ako predtým. Pri 5 V na pine A a 0 V na pine B bude LED1 svietiť, LED2 je predpätá a nebude viesť prúd. Pri 5 V na pine B a 0 V na pine A bude LED2 svietiť a LED1 bude predpätá. To platí pre ostatné mikro kolíky. Ak by sme odpojili pin B a nastavili pin A na 5V a pin C na 0V, LED5 by svietila. Spätný chod tak, že pin A je 0 V a kolík C je 5 V, potom bude svietiť LED6. To isté pre komplementárny pár medzi kolíkmi B-C. Počkaj, počujem, čo hovoríš. Pozrime sa na druhý prípad trochu podrobnejšie. Na kolíku A máme 5 V a na kolíku 0 V. Odpojili sme kolík B (stredný). Dobre, takže prúd preteká LED5, prúd neprúdi LED6, pretože je spätne ovplyvnený (a tak sú LED2 a LED4) … ale existuje aj cesta, ktorou môže prúd odoberať z pinov A, cez LED1 a LED3 nie je tam? Prečo tieto LED diódy tiež nesvietia. Tu je jadro schémy charlieplexingu. V skutočnosti prúdi prúd LED1 aj LED3, ale napätie na oboch týchto kombinovaných jednotkách sa bude rovnať iba napätiu na LED5. Typicky by mali polovičné napätie, ktoré má LED5. Ak teda máme 1,9 V cez LED5, potom iba 0,95 V bude cez LED1 a 0,95 V cez LED3. Z krivky If/Vf uvedenej na začiatku tohto článku vidíme, že prúd pri tomto polovičnom napätí je oveľa nižší ako 20 mA ….. a tieto diódy LED nebudú viditeľne svietiť. Toto je známe ako súčasné kradnutie. Väčšina prúdu teda bude prúdiť cez diódu LED, ktorú chceme, najpriamejšiu cestu cez najmenší počet LED diód (tj jednu LED), a nie ako akúkoľvek kombináciu diód LED. Ak sa pozriete na súčasný tok pre akúkoľvek kombináciu zapojenia 5 V a 0 V na akékoľvek dva kolíky pohonu matice charlieplexu, uvidíte to isté. Súčasne bude svietiť iba jedna LED dióda. Ako cvičenie sa pozrite na prvú situáciu. 5 V na pine A a 0 V na pine B, odpojovací kolík C. LED1 je najkratšia trasa na odber prúdu a LED 1 bude svietiť. Cez LED5 bude prechádzať aj malý prúd, potom zálohovať LED4 na pin B ….. ale opäť tieto dve LED v sérii nebudú schopné dostatočne nasávať prúd v porovnaní s LED 1, aby žiarili. Tým sa realizuje sila charlieplexovania. Pozrite si druhý diagram, ktorý je schémou pre moje hodinky Microdot …..30 LED diód, iba so 6 kolíkmi. Hodiny My Minidot 2 sú v podstate rozšírenou verziou Microdot …. Rovnakých 30 LED diód usporiadaných v poli. Aby sa vytvoril vzor v poli, každá dióda LED, ktorá sa má rozsvietiť, sa krátko zapne a potom sa mikro posunie na ďalšiu. Ak je naplánované jeho rozsvietenie, na krátky čas sa znova zapne. Vďaka dostatočne rýchlemu skenovaniu cez LED diódy umožní zásada nazývaná „perzistencia videnia“rade LED diód vykazovať statický obrazec. Článok Minidot 2 má na tomto princípe trochu vysvetlenie. Ale počkajte ….. Zdá sa, že som v predchádzajúcom popise trochu prehliadol. Čo je to podnikanie „odpojovacieho kolíka B“a „odpojovacieho kolíka C“. Ďalšia časť prosím.

Krok 5: Trojstavy (nie trojkolky)

V predchádzajúcom kroku sme spomenuli, že mikrokontrolér môže byť naprogramovaný na výstup 5 V alebo 0 V napätia. Aby charlieplexová matica fungovala, vyberieme dva piny v matici a odpojíme všetky ostatné piny.

Ručné odpojenie kolíkov je samozrejme trochu ťažké, najmä ak skenujeme veci veľmi rýchlo a na zobrazenie vzoru používame efekt perzistencie videnia. Výstupné piny mikrokontroléra však môžu byť tiež naprogramované ako vstupné piny. Keď je mikro pin naprogramovaný ako vstup, prejde do takzvaného „vysokého odporu“alebo „trojstavového“stavu. To znamená, že predstavuje veľmi vysoký odpor (rádovo megaohmov alebo miliónov ohmov) voči kolíku. Ak existuje veľmi vysoký odpor (pozri diagram), potom môžeme v podstate považovať kolík za odpojený, a tak schéma charliplex funguje. Druhý diagram ukazuje maticové kolíky pre každú kombináciu možné na osvetlenie každej zo 6 LED v našom prípade. Tri-stav je typicky označený 'X', 5V je zobrazený ako '1' (pre logickú 1) a 0V ako '0'. V mikro firmvéri pre „0“alebo „1“by ste naprogramovali kolíky ako výstup a jeho stav je dobre definovaný. Pre trojstavový program naprogramujete tak, aby to bol vstup, a pretože je to vstup, v skutočnosti nevieme, aký môže byť stav … preto „X“pre neznáme. Aj keď môžeme priradiť pin ako trojstavový alebo vstupný, nepotrebujeme ho čítať. Využívame iba skutočnosť, že vstupný kolík mikrokontroléra má vysokú impedanciu.

Krok 6: Niektoré praktické záležitosti

Kúzlo charlieplexovania spočíva v skutočnosti, že individuálne napätie prezentované na viacerých LED diódach v sérii bude vždy menšie ako na jednej LED dióde, keď je jedna LED paralelne so sériovou kombináciou. Ak je napätie nižšie, potom je prúd menší a dúfajme, že prúd v sériovej kombinácii bude taký nízky, že LED dióda nesvieti. Nie vždy to však platí. Povedzme, že ste mali dve červené LED diódy s typickým dopredné napätie 1,9 V vo vašej matici a modrá LED s predným napätím 3,5 V (povedzme LED1 = červená, LED3 = červená, LED5 = modrá v našom 6 LED príklade). Ak by ste rozsvietili modrú diódu LED, skončili by ste s 3,5/2 = 1,75 V pre každú z červených LED diód. To môže byť veľmi blízko tmavej prevádzkovej oblasti diódy LED. Môžete zistiť, že červené LED diódy budú slabo svietiť, keď sa rozsvieti modrá. Je preto dobré zaistiť, aby napätie vpred všetkých rôznych farebných diód LED vo vašej matici bolo pri prevádzkovom prúde zhruba rovnaké, alebo inak použite rovnakú farbu. LED diódy v matici. Vo svojich projektoch Microdot/Minidot som sa o to nemusel starať, použil som vysoko účinné modro/zelené SMD LED diódy, ktoré majú našťastie do značnej miery rovnaké napätie vpred ako červené/žlté. Ak by som však to isté implementoval s 5 mm diódami LED, výsledok by bol problematickejší. V tomto prípade by som implementoval modro/zelenú maticu charlieplexu a červenú/žltú maticu samostatne. Potreboval by som použiť viac kolíkov …, ale idete na to. Ďalším problémom je pozrieť sa na vašu súčasnú kresbu z mikroskopu a na to, ako by ste chceli LED diódu. Ak máte veľkú maticu a rýchlo ju skenujete, potom každá LED dióda svieti iba na krátky čas. V porovnaní so statickým zobrazením to bude vyzerať relatívne slabo. Môžete podvádzať zvýšením prúdu pomocou diódy LED znížením odporov obmedzujúcich prúd, ale iba do určitého bodu. Ak budete príliš dlho odoberať príliš veľa prúdu z mikro, poškodíte výstupné kolíky. Ak máte pomaly sa pohybujúcu maticu, povedzme stavový alebo cyklónový displej, mohli by ste udržať prúd na bezpečnej úrovni, ale stále by ste mali jasný LED displej, pretože každá LED dióda svieti dlhšie, možno staticky (v prípade niektoré výhody charlieplexingu:- používa iba niekoľko pinov na mikrokontroléri na ovládanie mnohých diód LED- znižuje počet komponentov, pretože nepotrebujete veľa čipov/odporov ovládača atď. Niektoré nevýhody:- váš mikroprogramový firmvér bude musieť zvládnuť nastavenie napäťový stav aj vstupno-výstupný stav kolíkov- treba byť opatrný pri miešaní rôznych farieb- rozloženie DPS je náročné, pretože matica LED je zložitejšia.

Krok 7: Referencie

Existuje veľa odkazov na charlieplexing na webe. Okrem odkazov v prednej časti článku niektoré z nich sú: Pôvodný článok od Maxima, ktorý má veľa čo do činenia s ovládaním 7 segmentových displejov, čo je tiež možné. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880A vstup na wiki