Управління світлодіодом з резистором та без резистора

У статті зроблено спробу показати, чому необхідно використовувати струмообмежуючий резистор для світлодіода. І як можна управляти світлодіодом без резистора. Коли ви читаєте про світлодіоди, ви можете помітити, що всі говорять про необхідність використання струмообмежувального резистора. Але зазвичай не говориться чому. Якщо подивитися документацію на світлодіод, можна помітити, що вольт-амперна характеристика світлодіода нелінійна. Оскільки світлодіод є напівпровідниковим елементом, його характеристика відрізняється від резистора.

Якщо до резистора докласти певну напругу, струм через неї можна обчислити за формулою: I = R/V Приклад: I = 100 Ом / 5 В = 20 мА Очевидно, що ця формула не застосовується до світлодіодів, тому що вони є лінійним опором. Якщо подивитися на наведений вище графік, то стає зрозумілим, що підвищення напруги від 0 до 1,6 не призводить до помітного збільшення струму. Якщо прикласти ще трохи більше напруги, струм збільшиться і світлодіод почне світитися. Ми досягли відкриваючого потенціалу для pn-переходу. Відкриваючий потенціал для типового червоного світлодіода знаходиться в діапазоні від 17 до 22 В. Невеликі зміни напруги призводять до сильних змін прямого струму.

У документації зазвичай вказується абсолютне максимальне значення прямого струму, наприклад 25 мА. Якщо прикласти напругу, що веде до більшого струму, світлодіод вийде з ладу. Отже, життєво важливо залишатися в рамках гранично допустимих параметрів. Якщо під'єднати світлодіод безпосередньо до джерела живлення, він відразу згорить. Сильний струм зруйнує pn-перехід.З цього моменту з'являється резистор, що обмежує. Припустимо, що у нас є червоний світлодіод з максимальним прямим струмом 25 мА і відкриваючим потенціалом 2,1 В. Якщо ми хочемо використовувати 5 В джерело живлення, щоб на ньому впало 2,9 В, що залишилися. Для резистора отримаємо: R = V / I = (5 В – 2.1 В) / 25 мА = 116 Ом. Для безпеки світлодіода використовуйте резистор номіналом 120 Ом або краще 150 Ом.

Так ми не доведемо світлодіод до максимально допустимого струму. R = V / I = (5 - 2 В) / 20 мА = 150 Ом. Для збереження резистора звернемо увагу на потужність, що розсіюється. Вона обчислюється так: P = V * I = 3 В * 20 мА = 60 мВт. Так що найпростіше взяти резистор 150 Ом, 0,25 Вт. Отже, це все про звичайне використання світлодіода з резистором, що обмежує. Світлодіод без струмообмежувального резистора По-перше, чому ми хочемо позбавитися резистора? Є дві причини. Для початку він розсіює енергію. Перетворює електрику на тепло. А ми хочемо одержати світло від світлодіода. Погано. До того ж, ви можете зменшити кількість компонентів. Пристрій буде економічнішим і на друкованій платі залишиться більше місця. Є два способи обійтись без резистора. Один із них - знизити вхідну напругу.

Якщо весь пристрій може працювати при напрузі, що дорівнює відкритій напрузі світлодіода, це чудово. Резистор не потрібний. Іншим способом є використання широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Це означає, що ми вмикаємо та вимикаємо світлодіод. Якщо це відбувається досить швидко, людське око не помічає різниці. Він інтегрує яскравість за певний проміжок часу, як то кажуть. Часто у документації вказується піковий прямий струм.Наприклад: IF(peak) = 160 mA (піковий прямий струм = 160 мА) Condition: Pulse Width

Дивлячись на графік, можна оцінити його рівень близько 3 – 3,2 В, але автор не перевіряв цього. Обидва методи були використані автором для 64-піксельної світлодіодної матриці, де світлодіоди були підключені до мікроконтролера без струмообмежувальних резисторів.

Вхідна напруга була 3, якщо використовувати 2 батареї типу АА або близько 2,4 з використанням акумуляторів. Це дозволяє отримати відкриваючий потенціал світлодіодів. Матриця дозволяє адресацію одного рядка цілком у момент часу. Ви можете вибирати осередки лише на вибраному рядку, встановлюючи біти стовпців. У наступний момент часу перший рядок відключається, підключається другий, і т.д. Так ви перемикаєте у циклі всі рядки. Це робиться так швидко, що бачити миготіння неможливо. Кожен рядок оновлюється із частотою приблизно 2 кГц та заповненням імпульсу 1/8 (бо рядків 8).

Якщо для керування світлодіодом або світлодіодною матрицею ви використовуєте мікроконтролер, потрібно звернути увагу на гранично допустимий струм мікроконтролера. Кожен I/O висновок може бути джерелом або поглиначем певного струму.

У документації до ATtiny2313 на сторінці 181 написано: Absolute Maximum Ratings (абсолютні максимальні параметри):

* DC Current per I/O pin: 40.0 mA (постійний струм - 40 мА на висновок) І на сторінці 182 є зауваження: 4. 5 mA at VCC = 3V) під встановленим станом умов (неперевірені), що продовжують мусити бути поміщені: 1] Сума всіх IOL, для всіх портів, не повинна exceed 60 mA. Якщо IOL exceeds до test condition, VOL може exceed the related specification.Pins є не garanted до sink current greater than listed test condition.

(4. незважаючи на те, що I/O струм при тестуванні становить 10 мА при живленні 5 В і 5 мА при живленні 3 В, відсутність перехідних процесів має спостерігатися: 1) Сума всіх струмів, що втікають в процесор, для всіх портів не повинна перевищувати 60 мА. Якщо струм, що втікає, перевищує тестові умови, то напруга логічного нуля може перевищувати номінальні значення.

Як можна зрозуміти, якщо ви намагаєтеся отримати струм більше 10 мА, високий або низький рівень вихідної напруги може вийти за рамки, гарантовані виробником. Погляд на наступні два графіки документації може прояснити цю річ.

Цей графік показує як вихідна напруга виведення просідає при збільшенні струму для живлення 2,7 В. 2,7 це не ті 3 В, які можуть забезпечити 2 батареї АА типу, але на даний момент це досить близько. Як видно, якщо споживається більше струму, вихідна напруга падає. При 5 мА ми маємо напругу 2,5, а при 15 мА напруга падає до 2,1 В.

Цей графік показує як вихідна напруга виведення залежить від струму, що входить у висновок. В цьому випадку при споживанні більшого струму вихідна напруга збільшується. При 5 мА напруга дорівнює 0,15, і при 15 мА воно зростає до 0,5 В. Щоб перевірити, чи можна в даній схемі використовувати ATtiny2313, потрібно провести деякі обчислення. Для матриці ми не маємо документації з красивими графіками, але є деякі цифри. Forward Voltage: 1.80 - 2.20 V (Пряма напруга: 1,8 - 2,2 В) Maximum Rating: Forward Current: 25 mA (Граничний струм: 25 мА) Припустимо, що світлодіод працює при 1,8 В та 5 мА.

Це виглядає розумним, якщо подивитися на іншу документацію. Тепер, якщо проаналізувати показані вище 2 графіки при струмі 5 мА, отримаємо 2,5 для виведення - джерела і 0,15 для виведення - стоку. 2.5 В – 0.15 В = 2.35 В Таким чином, ми отримуємо 2,35 В для світлодіода. Це більше, ніж ми припускали (1,8 В). Більше напруження для світлодіода означає більший струм. Тепер порахуємо на 10 мА. Аналізуючи знову, отримаємо 2,3 для виведення - джерела і 0,3 для виведення - стоку. 2.3 - 0.3 В = 2.0 В Як видно, якщо напруга на світлодіоді підвищується, струм також збільшується. Збільшення струму призводить до зменшення/збільшення вихідної напруги на виводі - джерелі/стоку. І це означає зменшення струму.

Тобто. на якомусь рівні струм стабілізується. Схоже, 2,0 В при 10 мА підходить для світлодіода та мікроконтролера. Це справедливо для світлодіоду двома висновками. А що, якщо ми хочемо керувати всією лінійкою із 8 світлодіодів? У цьому випадку ми маємо 8 висновків – джерел, 8 світлодіодів та один висновок – стік. З наведеного прикладу слід, що 10 мА на кожен світлодіод відповідає 80 мА (!). Це багато. На графіку це навіть не показано. Припустимо, що у сумі ми маємо лише 25 мА, тоді виходить 3,125 мА на світлодіод.

Це дає 2,6 на кожному джерелі і 1,0 на стоку. 2.6 В - 1.0 В = 1.6 В Це означає, що для кожного світлодіода залишається 1,6 В, що трохи менше потенціалу, що відкриває. Світлодіоди будуть затемнені. Знову ж таки, якщо світлодіоди споживають більше струму, мікроконтролер дасть їм меншу вихідну напругу. У такому разі яскравість рядків залежатиме від кількості підключених осередків: рядки з меншою кількістю діодів, що горять, будуть яскравішими. Всі ці підрахунки та вивчення відповідної документації допоможуть зрозуміти у яких випадках потрібно, а у яких не потрібно використовувати струмообмежуючий резистор.

Переклад: Piyavka, на замовлення РадіоЛоцман