Charlieplexing LED- teorija: 7 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:58

Šis pamācošais ir mazāk jūsu veidots projekts un drīzāk charlieplexing teorijas apraksts. Tas ir piemērots cilvēkiem ar elektronikas pamatiem, bet ne pilnīgi iesācējiem. Es to esmu uzrakstījis, atbildot uz daudziem jautājumiem, kurus esmu saņēmis savos iepriekš publicētajos instrukcijās.

Kas ir "Charlieplexing"? Tas vada daudz gaismas diodes ar tikai dažām tapām. Gadījumā, ja jums rodas jautājums, Charlieplexing ir nosaukts pēc Čārlza Alena Maxim, kurš izstrādāja šo tehniku. Tas var noderēt daudzām lietām. Jums, iespējams, būs jāparāda statusa informācija nelielā mikrokontrollerī, taču rezerves var būt tikai dažas. Iespējams, vēlēsities parādīt izsmalcinātu punktu matricu vai pulksteņa displeju, taču nevēlaties izmantot daudzus komponentus. Daži citi projekti, kas demonstrē charlieplexing, kurus jūs varētu vēlēties apskatīt, ir šādi: Kā vadīt daudz gaismas diodes no dažām mikrokontrolleru tapām. autors Westfw:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ Un vēl daži mani projekti, The Microdot pulkstenis:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ Minidot 2 pulkstenis: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ Vēl viens lielisks piemērs charlieplexing izmantošanai ir šeit: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ Pulkstenis Minidot 2 ievieš modernu čārliteksācijas shēmu izbalēšana/aptumšošana, kas šeit netiks apspriesta. UPDATE 2008. Tam ir spiedpoga + pozīcijas kodētājs, lai izveidotu lietotāja saskarni, kā arī shēmas USB vai RS232 datora vadībai. Katru no augstsprieguma sliedēm var iestatīt uz vienu no diviem spriegumiem, piemēram, 2,2 V sarkanām gaismas diodēm un 3,4 V zaļai/zilai/baltai. Spriegumu augstajām sānu sliedēm var iestatīt ar trimpot. Es paredzētu, ka plāksnei ir jāpievieno 20 vadu IDC lentes kabelis un jāpievieno 20 kontaktu IDC savienotāji visā lentes garumā, un katrai LED plāksnei ir saites uz visiem matricas vadiem. Ķēde ir Eagle Cad un atveidota zemāk esošajā apakšattēlā. Augstās puses ķēde tiek īstenota, izmantojot optoelementus, kas, manuprāt, varētu būt piemēroti. Es neesmu faktiski pārbaudījis šo shēmu un neesmu uzrakstījis programmatūru laika trūkuma dēļ, bet esmu to ievietojis komentēšanai, mani īpaši interesē optrona ieviešana. Ikviens, kurš ir pietiekami drosmīgs, lai to izmēģinātu … lūdzu, publicējiet savus rezultātus. ATJAUNINĀT 2008. gada 27. augustu: tiem, kas neizmanto EagleCad…. Zemāk pievienots shematisks pdf

1. solis: dažas LED teorijas

Charlieplexing paļaujas uz vairākiem noderīgiem LED un mūsdienu mikrokontrolleru aspektiem.

Pirmkārt, kas notiek, pievienojot gaismas diodi elektrībai. Turpmāk redzamajā galvenajā diagrammā ir parādīta tipiska 5 mm mazjaudas gaismas diodes If v Vf līkne. Ja apzīmē “uz priekšu vērsto strāvu” Vf apzīmē “uz priekšu vērsto spriegumu”. Vertikālā ass citos vārdos parāda strāvu, kas plūst cauri gaismas diodei, ja horizontālās ass spriegumu novietojat tās spailēs. Tas darbojas arī otrādi, ja mēra, ka strāvai ir kāda vērtība, varat paskatīties uz horizontālo asi un redzēt spriegumu, ko gaismas diode parādīs tās spailēs. Otrā diagramma parāda shematisku gaismas diodes attēlojumu ar marķējumu If un Vf. No galvenās diagrammas esmu iezīmējis arī interesējošās diagrammas vietas. - Pirmā zona ir vieta, kur gaismas diode ir “izslēgta”. Precīzāk, gaismas diode izstaro tik blāvu gaismu, ka jūs to nevarēsit redzēt, ja vien jums nebūs kāda super-duper attēla pastiprinātāja. - Otrajā apgabalā gaismas diode tikai nedaudz izstaro blāvu mirdzumu. - Trešā joma ir vieta, kur parasti darbojas gaismas diode un izstaro gaismu pēc ražotāja vērtējuma. - Ceturtā zona ir vieta, kur gaismas diode tiek darbināta, pārsniedzot darbības robežas, iespējams, spīd ļoti spoži, bet diemžēl tikai īsu brīdi, pirms burvju dūmi izplūst iekšā, un tā vairs nedarbosies…… ti, šajā apgabalā tā izdeg, jo caur to plūst pārāk daudz strāvas. Ņemiet vērā, ka gaismas diodes If/Vf līkne vai darbības līkne ir “nelineāra” līkne. Tas ir, tā nav taisna līnija … tai ir līkums vai saliekums. Visbeidzot, šī diagramma ir tipiska 5 mm sarkana gaismas diode, kas paredzēta darbam pie 20 mA. Dažādu ražotāju dažādām gaismas diodēm ir atšķirīgas darbības līknes. Piemēram, šajā diagrammā pie 20mA gaismas diodes priekšējais spriegums būs aptuveni 1,9 V. Zilai 5 mm gaismas diodei pie 20 mA strāvas spriegums var būt 3,4 V. Lieljaudas baltajai luksusa gaismas diodei pie 350 mA strāvas spriegums var būt aptuveni 3,2 V. Dažas gaismas diožu paketes var būt vairākas LED sērijveidā vai paralēli, mainot Vf/If līkni vēlreiz. Ražotājs parasti norāda darba strāvu, kurā var droši izmantot gaismas diodi, un spriegumu pie strāvas. Parasti (bet ne vienmēr) datu lapā tiek parādīts līdzīgs grafiks. Jums jāaplūko LED datu lapa, lai noteiktu, kāds ir priekšējais spriegums pie dažādām darba strāvām. Kāpēc šī diagramma ir tik svarīga? Tā kā tas parāda, ka, kad spriegums ir pāri LED, strāva, kas plūst, būs saskaņā ar grafiku. Pazeminiet spriegumu un plūdīs mazāk strāvas ….. un gaismas diode būs “izslēgta”. Šī ir daļa no charlieplexing teorijas, pie kuras mēs nonāksim nākamajā solī.

2. darbība. Elektronikas likumi

Joprojām nav pie burvības charlieplexing vēl …. Mums ir jādodas uz dažiem elektronikas likumu pamatiem. Pirmais interesējošais likums nosaka, ka kopējais spriegums jebkurā savienoto komponentu sērijā elektriskajā ķēdē ir vienāds ar indivīda summu spriegums pāri komponentiem. Tas ir parādīts galvenajā diagrammā zemāk. Tas ir noderīgi, ja izmantojat gaismas diodes, jo vidējā akumulatora vai mikrokontrollera izejas tapa nekad nebūs tieši tas spriegums, lai darbinātu LED ar ieteicamo strāvu. Piemēram, mikrokontrolleris parasti darbojas ar 5 V spriegumu, un tā izejas tapas būs pie 5 V. Ja jūs vienkārši pievienojat gaismas diodi mikro izejas tapai, no iepriekšējās lapas darbības līknes redzēsiet, ka gaismas diodē ieplūdīs pārāk daudz strāvas, un tā sakarst un izdeg (iespējams, kaitējot arī mikro). Tomēr, ja mēs sērijveidā ieviešam otru komponentu ar gaismas diodi, mēs varam atņemt daļu no 5 V, lai kreisais spriegums būtu tieši tāds, lai darbinātu gaismas diodi ar pareizu darba strāvu. Tas parasti ir rezistors, un šādā veidā to sauc par strāvas ierobežošanas rezistoru. Šo metodi izmanto ļoti bieži, un tas noved pie tā sauktā “omu likuma”…. Tā nosaukts pēc Ohma kunga. Omsa likums seko vienādojumam V = I * R, kur V ir spriegums, kas parādīsies pretestībā R, kad strāva I plūst caur rezistoru.. V pāri tam. To var redzēt otrajā diagrammā. Tā kā rezistors ir sērijveidā ar gaismas diodi, caur rezistoru plūst tāda pati strāva kā LED, ti, 20 mA. Tātad, pārkārtojot vienādojumu, mēs varam atrast pretestību, kas nepieciešama, lai veiktu šo darbu. līdz šim … forši. Tagad apskatiet 3. diagrammu. Tam ir LED, kas atrodas starp diviem rezistoriem. Saskaņā ar pirmo iepriekš minēto likumu mums ir tāda pati situācija pie otrās diagrammas. Mums ir 1,9 V visā gaismas diodē, tāpēc tas darbojas saskaņā ar tā specifikācijas lapu. Mums ir arī katrs rezistors, atņemot katrs 1,55 V (kopā 3,1). Pievienojot spriegumus kopā, mums ir 5V (mikrokontrollera tapa) = 1.55V (R1) + 1.9V (LED) + 1.55V (R2), un viss līdzsvarojas. Izmantojot omu likumu, mēs konstatējam, ka rezistoriem jābūt 77,5 omiem, kas ir puse no summas, kas aprēķināta no otrās diagrammas. Protams, praksē jums būs grūti atrast 77,5 omu rezistoru, tāpēc vienkārši aizstājiet tuvāko pieejamo vērtību, teiksim, 75 omi un galu galā iegūsit nedaudz vairāk strāvas LED vai 82 omi ir droši un tiem ir nedaudz mazāk. Kāpēc uz zemes mums vajadzētu darīt šo rezistoru, lai vadītu vienkāršu LED ….. labi, ja jums ir viena gaismas diode, tas viss ir mazliet muļķīgi, bet tas ir pamācāms un tas nāk par labu nākamajam solim.

3. darbība. Papildu diska ieviešana

Vēl viens nosaukums, kas precīzāk raksturo “charlieplexing”, ir “papildinošs disks”.

Savā vidējā mikrokontrollerī jūs varat programmaparatūrā norādīt, lai mikro iestatītu izejas tapu vai nu '0', vai '1', vai arī lai izejā parādītu 0 V spriegumu vai pie izejas - 5 V spriegumu. Zemāk redzamajā diagrammā tagad ir redzama ieslēgta gaismas diode ar apgrieztu partneri… vai papildu LED, tātad papildu piedziņa. Diagrammas pirmajā pusē mikro izvada 5V uz tapu A un 0V uz tapu B. Tādējādi strāva plūdīs no A līdz B. Tā kā LED2 ir vērsts atpakaļ uz LED1, caur to neplūst strāva un spīdēt. To sauc par apgrieztu neobjektivitāti. Mums ir līdzvērtīga situācija iepriekšējā lapā. Mēs būtībā varam ignorēt LED2. Bultiņas parāda pašreizējo plūsmu. LED būtībā ir diode (tātad gaismas diode). Diods ir ierīce, kas ļauj strāvai plūst vienā virzienā, bet ne otrā. Gaismas diodes shēma to parāda, strāva plūdīs bultiņas virzienā, bet ir bloķēta citā veidā. Ja mēs norādām, ka mikro tagad izvada 5V uz tapu B un 0V uz tapas A, mums ir pretējs. Tagad LED1 ir pretēji novirzīts, LED2 ir uz priekšu novirzīts un ļaus plūst strāvai. LED2 spīdēs un LED1 būs tumšs. Tagad varētu būt laba ideja apskatīt dažādu ievadā minēto projektu shēmas. Matricā vajadzētu redzēt daudz šo papildinošo pāru. Protams, zemāk redzamajā piemērā mēs vadām divas gaismas diodes ar divām mikrokontrolleru tapām … jūs varētu pateikt, kāpēc uztraukties. Nākamā sadaļa ir vieta, kur mēs nonākam pie charlieplexing iekšām un kā tā efektīvi izmanto mikrokontrolleru izejas tapas.

4. solis: Visbeidzot… Charlieplex Matrix

Kā minēts ievadā, charliplexing ir ērts veids, kā vadīt daudz gaismas diodes ar tikai dažām mikrokontrollera tapām. Tomēr iepriekšējās lapās mēs neesam īsti saglabājuši nevienu tapu, vadot divas gaismas diodes ar divām tapām….

Nu, mēs varam paplašināt ideju par papildu piedziņu Charlieplex matricā. Zemāk redzamā diagramma parāda minimālo charlieplex matricu, kas sastāv no trim rezistoriem un sešām gaismas diodēm un izmanto tikai trīs mikrokontrollera tapas. Tagad jūs redzat, cik ērta ir šī metode? Ja jūs vēlētos vadīt sešas gaismas diodes parastajā veidā…. Jums vajadzēs sešas mikrokontrollera tapas. Patiesībā ar mikrokontrollera N tapām jūs varat vadīt N * (N - 1) gaismas diodes. 3 tapām tas ir 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 gaismas diodes. Lietas ātri sakrājas ar vairākām tapām. Ar 6 tapām jūs varat vadīt 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 gaismas diodes… wow! Tagad pie charlieplexing mazliet. Apskatiet zemāk redzamo diagrammu. Mums ir trīs savstarpēji papildinoši pāri, viens pāris starp katru mikro izvades tapu kombināciju. Viens pāris starp A-B, viens pāri starp B-C un viens pāris starp A-C. Ja jūs šobrīd atvienotu tapu C, mums būtu tāda pati situācija kā iepriekš. Ar 5V uz kontakta A un 0V uz tapas B, LED1 spīdēs, LED2 ir pretēji novirzīts un neizvadīs strāvu. Ar 5V uz tapas B un 0V uz tapas A LED2 spīd un LED1 ir pretēji novirzīts. Tas attiecas uz citām mikro tapām. Ja mēs atvienotu tapu B un iestatītu tapu A uz 5 V un tapu C uz 0 V, tad LED5 spīdētu. Atpakaļgaitas virziens, lai tapa A būtu 0 V un tapa C būtu 5 V, tad LED6 spīdētu. Tas pats attiecas uz papildu pāri starp tapām B-C. Pagaidi, es dzirdu, kā tu saki. Apskatīsim otro gadījumu mazliet rūpīgāk. Mums ir 5V uz pin A un 0V uz tapas C. Mēs esam atvienojuši tapu B (vidējo). Labi, tāpēc strāva plūst caur LED5, strāva neplūst caur LED6, jo tā ir pretēji novirzīta (un tāpat ir LED2 un LED4)….bet ir arī ceļš, kā strāvai ņemt no tapas A caur LED1 un LED3 vai tur nav? Kāpēc šīs gaismas diodes arī nedeg? Šeit ir charlieplexing shēmas sirds. Patiešām, gan LED1, gan LED3 plūst strāva, tomēr spriegums abos šajos kopā būs tikai vienāds ar spriegumu visā LED5. Parasti tiem būtu puse no sprieguma, kas ir LED5. Tātad, ja mums ir 1,9 V visā LED5, tad tikai 0,95 V būs pāri LED1 un 0,95 V visā LED3. No šī raksta sākumā minētās If/Vf līknes mēs redzam, ka strāva pie šī pus sprieguma ir daudz zemāka par 20 mA ….. un šīs gaismas diodes nedeg redzami. To sauc par pašreizējo zagšanu. Tādējādi lielākā daļa strāvas plūst, izmantojot vēlamo gaismas diodi, vistiešākais ceļš caur vismazāko gaismas diožu skaitu (ti, vienu gaismas diodi), nevis jebkura LED kombinācija. Ja paskatījāties uz pašreizējo plūsmu jebkurai kombinācijai, kurā 5V un 0V tiek novietoti uz jebkurām divām Charlieplex matricas piedziņas tapām, jūs redzēsit to pašu. Vienlaicīgi spīdēs tikai viena gaismas diode. Kā vingrinājums, apskatiet pirmo situāciju. 5V uz tapas A un 0V uz tapas B, atvienojiet tapu C. LED1 ir īsākais ceļš, kādā var uzņemt strāvu, un gaismas diode 1 iedegsies. Neliela strāva arī izies cauri LED5, pēc tam dublējiet LED4 tapu B…..bet atkal šīs divas sērijveida gaismas diodes nespēs pietiekami sifonēt strāvu, salīdzinot ar gaismas diodi 1, lai spīdētu spoži. Tādējādi tiek realizēts charlieplexing spēks. Skatiet otro diagrammu, kas ir mana Microdot pulksteņa shēma….. 30 gaismas diodes, tikai ar 6 tapām. Mans Minidot 2 pulkstenis būtībā ir paplašināta Microdot versija ….tādi paši 30 gaismas diodes, kas sakārtoti masīvā. Lai masīvā izveidotu modeli, katra apgaismotā gaismas diode tiek īslaicīgi ieslēgta, pēc tam mikro pāriet uz nākamo. Ja tas ir paredzēts izgaismot, tas uz īsu brīdi tiek atkal ieslēgts. Pietiekami ātri skenējot caur gaismas diodēm, princips, ko sauc par “redzes noturību”, ļaus gaismas diožu masīvam parādīt statisku modeli. Minidot 2 rakstā ir mazliet izskaidrojums par šo principu. Bet pagaidiet ….. Šķiet, ka aprakstā esmu mazliet paspīdējis. Kas ir šis “atvienot tapu B”, “atvienot tapu C” bizness. Lūdzu nākamo sadaļu.

5. darbība. Trīs stāvokļi (nevis trīsriteņi)

Iepriekšējā solī mēs minējām, ka mikrokontrolleru var ieprogrammēt 5V vai 0V sprieguma izvadīšanai. Lai charlieplex matrica darbotos, mēs atlasām matricā divas tapas un atvienojam visas citas tapas.

Protams, manuāli atvienot tapas ir nedaudz grūti, it īpaši, ja mēs ļoti ātri skenējam lietas, lai izmantotu redzes efekta noturības efektu, lai parādītu modeli. Tomēr mikrokontrollera izejas tapas var ieprogrammēt arī kā ievades tapas. Ja mikrotapu ir ieprogrammēts kā ievadi, tas nonāk tā dēvētajā “augstas pretestības” vai “trīs stāvokļu” stāvoklī. Tas ir, tas rada ļoti augstu pretestību tapai (apmēram megaohmu vai miljonu omu lielumā). Ja ir ļoti augsta pretestība (skat. Diagrammu), tad mēs varam uzskatīt, ka tapa ir atvienota, un tāpēc charliplex shēma darbojas. Otrajā diagrammā ir redzamas katras kombinācijas matricas tapas, lai apgaismotu katru no 6 mūsu piemēra gaismas diodēm. Parasti trīs stāvokli apzīmē ar “X”, 5V tiek parādīts kā “1” (loģiskajam 1) un 0V kā “0”. Mikro programmaparatūrā “0” vai “1” jūs ieprogrammētu tapas kā izeju, un tās stāvoklis ir labi definēts. Trīs valstu programmēšanai tā ir ieeja, un, tā kā tā ir ievade, mēs patiesībā nezinām, kāds var būt stāvoklis… Tāpēc “X” nezināmajam. Lai gan mēs varētu piešķirt tapu trīsstāvu statusam vai ievadei, mums tas nav jālasa. Mēs vienkārši izmantojam faktu, ka mikrokontrollera ievades tapai ir augsta pretestība.

6. solis: daži praktiski jautājumi

Charlieplexing burvība ir atkarīga no tā, ka atsevišķs spriegums, kas parādīts vairākās sērijveida gaismas diodēs, vienmēr būs mazāks nekā vienā gaismas diodē, ja viena gaismas diode ir paralēla sērijas kombinācijai. Ja spriegums ir mazāks, tad strāva ir mazāka, un, cerams, sērijas kombinācijā strāva būs tik zema, ka gaismas diode neiedegsies. Tomēr tas ne vienmēr notiek. Pieņemsim, ka jums bija divas sarkanas gaismas diodes ar tipisku spriegums uz priekšu jūsu matricā un zils gaismas diode ar priekšējo spriegumu 3,5 V (teiksim, LED1 = sarkans, LED3 = sarkans, LED5 = zils mūsu 6 LED piemērā). Ja iedegas zilā gaismas diode, katrai no sarkanajām gaismas diodēm būs 3,5/2 = 1,75 V. Tas var būt ļoti tuvu gaismas diodes blāvajai darbības zonai. Ja zilā gaisma iedegas, sarkanās gaismas diodes spīdēs vāji. Tāpēc ir laba ideja pārliecināties, vai jūsu matricas dažādu krāsu gaismas diodes priekšējais spriegums ir aptuveni vienāds ar darba strāvu, vai arī izmantojiet vienādas krāsas Gaismas diodes matricā. Manos Microdot/Minidot projektos man par to nebija jāuztraucas, es izmantoju augstas efektivitātes zilas/zaļas SMD gaismas diodes, kurām, par laimi, ir tāds pats priekšējais spriegums kā sarkanajiem/dzelteniem. Tomēr, ja es to pašu īstenotu ar 5 mm gaismas diodēm, rezultāts būtu problemātiskāks. Šajā gadījumā es atsevišķi būtu ieviesis zilu/zaļu charlieplex matricu un sarkanu/dzeltenu matricu. Man vajadzēja izmantot vairāk tapas…. Bet tur jūs ejat. Vēl viena problēma ir aplūkot jūsu pašreizējo zīmējumu no mikro un cik gaišu vēlaties LED. Ja jums ir liela matrica un jūs to ātri skenējat, tad katra gaismas diode iedegas tikai īsu laiku. Tas salīdzinājumā ar statisku displeju šķitīs samērā blāvs. Jūs varat krāpties, palielinot strāvu caur LED, samazinot strāvas ierobežošanas rezistorus, bet tikai līdz noteiktam punktam. Ja no mikro pārāk ilgi uzņemat pārāk daudz strāvas, jūs sabojāsit izejas tapas. Ja jums ir lēnām kustīga matrica, piemēram, statusa vai ciklona displejs, varat samazināt strāvu līdz drošam līmenim, bet joprojām ir spilgts LED displejs, jo katra gaismas diode ir ieslēgta ilgāku laiku, iespējams, statiska (ja statusa indikators). Dažas charlieplexing priekšrocības:- izmanto tikai dažas tapas mikrokontrollerī, lai kontrolētu daudzas gaismas diodes- samazina komponentu skaitu, jo jums nav nepieciešams daudz draiveru mikroshēmu/rezistoru utt. Daži trūkumi:- jūsu mikro programmaparatūrai būs jārīkojas ar iestatījumiem gan sprieguma stāvoklis, gan tapu ievades/izejas stāvoklis- jābūt uzmanīgiem, sajaucot dažādas krāsas- PCB izkārtojums ir sarežģīts, jo LED matrica ir sarežģītāka.

7. darbība: atsauces

Tīmeklī ir daudz atsauču uz charlieplexing. Papildus saitēm raksta priekšpusē daži no tiem ir šādi: Maksima oriģinālais raksts, tas ir daudz ko teikt par 7 segmentu displeju vadīšanu, kas ir arī iespējams. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880A wiki ierakstshttps://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing