Управление светодиодами tinyAVR

December 8, 2014 by admin Комментировать »

Управление светодиодами заключается в их включении и выключении с помощью специальной схемы. Единственный способ включить и выключить светодиод в схеме на рис. 2.4 — подать и отключить напряжение питания. Однако светодиоды можно включать/выключать при помощи микроконтроллера и получать интересные световые узоры. На рис. 2.8 показана принципиальная схема, состоящая из микроконтроллера Tinyl3 и пяти светодиодов.

Рис. 2.8. Управление светодиодами от микроконтроллера

Все светодиоды подключены к контактам микроконтроллера через резисторы. Два светодиода (LED1 и LED2) подключены по схеме с общим анодом к источнику питания, а остальные три (LED1, LED2 и LED3)— по схеме с общим катодом к общей шине. Эти два разных способа использованы только для примера. Для микросхем 74-й серии TTL-вентилей (например, 7400 или 74LS00) предпочтительнее подключение внешней нагрузки к источнику питания, чем к общей шине. Однако для современных микросхем КМОП (таких, как микроконтроллеры AVR) способ подключения светодиодов не имеет значения.

В схеме на рис. 2.8 светодиоды LED1 и LED2 загорятся, когда на соответствующем выходе контроллера будет логический нуль, а остальные светодиоды — когда на соответствующих выходах появится логическая единица. Величина сопротивления резистора зависит от требуемого тока через светодиод, который не должен превышать выходной ток микроконтроллера. Максимальный выходной ток микроконтроллеров AVR — 40 мА. Напряжение источника питания должно быть больше порогового напряжения включения светодиодов. Например, двух щелочных батареек (3 В) будет достаточно для включения красных светодиодов. Однако синие светодиоды работать не будут. Для их работы напряжение питания должно быть равно 5 В.

Микроконтроллер может переключать светодиоды с любой частотой. Однако если частота коммутации превышает 20 Гц, то светодиоды будут неприятно мерцать. При увеличении частоты, например"до 100 Гц, мерцание исчезнет и светодиоды будут казаться постоянно включенными. На самом деле светодиоды будут включаться и выключаться с частотой 100 Гц, однако человеческий глаз не может реагировать на столь быстрое переключение. Это интересное явление (оно называется модуляцией интенсивности свечения) мы будем использовать для изменения интенсивности свечения светодиодов.

Рис. 2.9. Сигнал с широтно-импульсной модуляцией

На рис. 2.9 показан сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, PWM), имеющий частоту F=UT (показана на верхнем графике). Предположим, что частота F равна 100 Гц. При постоянной частоте сигнала меняем время нахождения сигнала в состоянии логической единицы. Пусть это время равно ΤΊ. Отношение периода Т к времени 71 называется скважностью сигнала. Сигналы, показанные на рис. 2.9, можно без труда сгенерировать при помощи микроконтроллерной схемы, приведенной на рис. 2.8. Если сигнал, обозначенный как 50%, подать на светодиод LED3 через контакт РВ2 данной схемы, то наблюдатель увидит интенсивность свечения 50% от той, которая будет получена в случае подачи на контакт РВ2 постоянной логической единицы (при котором яркость максимальна). Так происходит потому, что теперь средний ток через светодиод составляет 50% от максимального.

Если же на светодиод LED3 подать сигнал, помеченный как 75%, то интенсивность составит 75% от максимальной. Можно задать любое значение сигнала от 0% (минимальная интенсивность) до 100% (максимальная интенсивность). Сигнал с широтно-импульсной модуляцией можно сгенерировать либо программно, либо аппаратно (при помощи встроенных в микроконтроллер AVR таймеров). Использование аппаратных таймеров позволяет микроконтроллеру выполнять другие дополнительные задачи. Эти способы управления светодиодами будут встречаться во многих последующих проектах. Особенно удобно с помощью ШИМ управлять многоцветными светодиодами, создавая большое количество промежуточных цветов и оттенков.

Помимо управления интенсивностью свечения следует также обсудить способы соединения светодиодов. До настоящего момента мы рассматривали подключение только одного светодиода к одному контакту микроконтроллера. Кроме этого, светодиоды можно соединять последовательно или параллельно. Возможно последовательное соединение светодиодов с одним резистором (рис. 2.10).

Число светодиодов, последовательно подключаемых к выводу микроконтроллера, будет определяться напряжением включения светодиодов и напряжением питания. При напряжении питания, равном 5 В, можно последовательно подключить два красных светодиода. Но два синих светодиода подключить так не удастся, поскольку напряжение включения цепочки из двух синих светодиодов будет выше, чем напряжение питания +5 В. По той же причине не удастся последовательно подключить и три красных светодиода.

Рис. 2.10. Последовательное соединение светодиодов

Если нужно подключить три светодиода, то лучше их соединить параллельно, как показано на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Подключение параллельно соединенных светодиодов к контроллеру

Рис. 2.12. Вариант подключения последовательно соединенных светодиодов через транзистор

Обратите внимание, что вместо одного резистора и параллельного подключения светодиодов мы выбрали вариант подключения по одному резистору на каждый светодиод и последующее параллельное соединение этих· цепей. Так сделано потому, что светодиоды из одной партии могут иметь различные напряжения включения; и если при этом соединить параллельно несколько светодиодов, то светодиод с самым низким напряжением включения будет доминировать над остальными (потреблять больший ток и светиться ярче остальных). В худшем случае весь ток пойдет через один светодиод, а остальные вовсе не загорятся. При параллельном подключении нескольких светодиодов суммарный ток через все светодиоды должен быть меньше, чем максимальный ток выхода микроконтроллера. Если же ток через светодиоды превышает возможности микроконтроллера, то можно применить схему, показанную на рис. 2.12, где η-р-и-транзистор управляет несколькими последовательно соединенными светодиодами.

Напряжение V(Drive), подаваемое на светодиоды, должно быть больше суммы напряжений включения всех последовательно включенных светодиодов. Резистор R1 определяет ток через светодиоды. Резистор Rb в цепи базы п-р-и-транзистора служит для ограничения тока базы; сопротивление Rb вычисляется по току коллектора (который течет и через светодиоды) и по коэффициенту усиления транзистора. Вот пример: предположим, что вы хотите соединить последовательно пять красных светодиодов и подать на них ток 30 мА. Из табл. 2.1 видно, что напряжение включения красного светодиода равно 2 В, следовательно, потребуется источник 10 В. Падение на выводах коллектора и эмиттера транзистора составит 0,5 В. Желательно получить напряжение V(Drive) в 15 В, поэтому сопротивление R1 = (15 – 10,5) В/30 мА = 150 Ом. Для данного случая подойдет транзистор малой мощности типа ВС547. Обычно значение β для ВС547 составляет 100, поэтому требуемый ток базы 30 мА/100 = 300 мкА. Если микроконтроллер питается напряжением +5 В, то за логическую единицу можно принять напряжение в 4,5 В. Падение напряжения V(be) на переходе "база-эмиттер" примерно равно 0,7 В. Таким образом, Rb = (4,5 – 0,7) В/300 мкА = 12,6 кОм. Следовательно, в качестве Rb вполне подойдет сопротивление 10 кОм. Для схемы, приведенной на рис. 2.13, необходимо, чтобы все последовательно соединенные светодиоды были одного цвета. При расчете нужно учесть суммарное падение напряжения на всех этих светодиодах, чтобы определить напряжение V(Drive) и значения R1 и Rb.

На рис. 2.13 показано, как можно соединить несколько светодиодов параллельно и подключить к контроллеру через п-р-и-транзистор. Такая схема нужна, когда суммарный ток через светодиоды превышает выходной ток микроконтроллера. Предположим, что вы хотите управлять десятью параллельными светодиодами (каждый с током в 20 мА). Потребуется ток в 200 мА, что гораздо больше, чем может дать один вывод микроконтроллера. Однако для управления этими светодиодами будет вполне достаточно п-р-и-транзистора средней мощности с максимальным током коллектора 1 А. Расчет сопротивления резистора для каждого из светодиодов (а также сопротивления Rb) аналогичен рассмотренному ранее.

Рис. 2.13. Вариант подключения параллельно соединенных светодиодов через транзистор

Источник: Гадре, Д., Занимательные проекты на базе микроконтроллеров tinyAVR / Дхананья Гадре, Нигул Мэлхотра: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 352 с.: ил. — (Электроника)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты