„Charlieplexing“šviesos diodai- teorija: 7 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Šis nurodymas yra ne jūsų sukurtas projektas, o daugiau charlieplexing teorijos aprašymas. Tai tinka žmonėms, turintiems elektronikos pagrindų, bet ne visiškai pradedantiesiems. Aš parašiau jį atsakydamas į daugybę klausimų, kuriuos gavau anksčiau paskelbtose instrukcijose.

Kas yra „Charlieplexing“? Jis valdo daugybę šviesos diodų tik keliais kaiščiais. Jei jums įdomu, „Charlieplexing“yra pavadintas Charles Allen iš „Maxim“, kuris sukūrė šią techniką. Tai gali būti naudinga daugeliui dalykų. Jums gali tekti rodyti būsenos informaciją mažame mikrovaldiklyje, tačiau turėkite tik keletą kaiščių. Galbūt norėsite parodyti išgalvotą taškinę matricą arba laikrodžio ekraną, bet nenorite naudoti daug komponentų. Kai kurie kiti projektai, demonstruojantys charlieplexing, kuriuos galbūt norėsite pažvelgti, yra šie: Kaip iš daugelio mikrovaldiklių kaiščių valdyti daug šviesos diodų. „Westfw“:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ Ir pora mano paties projektų, „The Microdot“laikrodis:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ „Minidot 2“laikrodis: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ Kitas puikus charlieplexing naudojimo pavyzdys yra: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ „Minidot 2“laikrodis pristato pažangią charlieplexing schemą išblukimas/pritemdymas, apie kurį čia nebus kalbama. ATNAUJINIMAS 2008 m. Rugpjūčio 19 d.: Pridėjau ZIP failą su grandine, galinčia išnaudoti matricos charlipleksavimą didelės galios šviesos diodams, aptariamiems (ilgai:)) komentarų skiltyje. Jame yra mygtukas + padėties kodavimo įrenginys, skirtas vartotojo sąsajai sukurti, taip pat USB arba RS232 kompiuterio valdymo grandinės. Kiekvieną aukštos šoninės įtampos bėgelį galima nustatyti į vieną iš dviejų įtampų, pvz., 2,2 V raudoniems šviesos diodams ir 3,4 V žaliai/mėlynai/baltai. Aukštų šoninių bėgių įtampą galima nustatyti trimpotu. Aš planuočiau, kad prie plokštės būtų prijungtas 20 laidų IDC juostinis kabelis, o išilgai juostos pridedamos 20 kontaktų IDC jungtys, kiekviena LED plokštė turi nuorodas į bet kokius matricos laidus. Grandinė yra „Eagle Cad“ir pateikiama žemiau esančiame paveikslėlyje. Aukštoji grandinė įgyvendinama naudojant optinius jungiklius, kurie, mano manymu, gali būti tinkami. Aš iš tikrųjų neišbandžiau šios grandinės ir neparašiau jokios programinės įrangos dėl laiko stokos, bet pateikiau ją komentuoti, mane ypač domina optronų diegimas. Visi, kurie pakankamai drąsiai bando … praneškite apie savo rezultatus. ATNAUJINIMAS 2008 m. Rugpjūčio 27 d. Tiems, kurie nesinaudoja „EagleCad“…. Pridėta žemiau yra schemos pdf

1 žingsnis: kai kuri LED teorija

„Charlieplexing“remiasi daugybe naudingų šviesos diodų ir šiuolaikinių mikrovaldiklių aspektų.

Pirma, kas atsitinka, kai prijungiate šviesos diodą prie elektros. Žemiau esančioje pagrindinėje diagramoje parodyta, kaip vadinama tipiško 5 mm mažos galios šviesos diodo „If v Vf“kreivė. Jei reiškia „priekinė srovė“, Vf reiškia „priekinę įtampą“. Kita vertus, vertikali ašis rodo srovę, kuri tekės per šviesos diodą, jei horizontalios ašies įtampą įvesite per jos gnybtus. Tai veikia ir atvirkščiai, jei matuojate, kad srovė yra tam tikros vertės, galite pažvelgti į horizontalią ašį ir pamatyti įtampą, kurią šviesos diodas pateiks per jo gnybtus. Antroje diagramoje pavaizduotas scheminis šviesos diodo, pažymėto If ir Vf, atvaizdavimas. Iš pagrindinės diagramos taip pat pažymėjau dominančias diagramos sritis. - Pirmoji sritis yra ta vieta, kur šviesos diodas yra „išjungtas“. Tiksliau, šviesos diodas skleidžia šviesą taip silpnai, kad jos nematysite, jei neturėsite kažkokio „super-duper“vaizdo stiprintuvo. - Antroje srityje yra šviesos diodas, kuris tik šiek tiek skleidžia silpną švytėjimą. - Trečioji sritis yra ta vieta, kur paprastai veikia šviesos diodas ir skleidžia šviesą pagal gamintojo įvertinimą. - Ketvirta sritis yra ta, kur šviesos diodas veikia neperžengdamas savo veikimo ribų, tikriausiai šviečia labai ryškiai, bet, deja, tik trumpą laiką, kol iš jo išeis magiški dūmai, ir jis nebeveiks …… ty šioje srityje jis dega, nes per ją teka per daug srovės. Atkreipkite dėmesį, kad šviesos diodo „If/Vf“arba veikimo kreivė yra „nelinijinė“kreivė. Tai yra, tai nėra tiesi linija … ji turi įlinkį ar įlinkį. Galiausiai ši schema skirta tipiškam 5 mm raudonam šviesos diodui, skirtam veikti esant 20 mA. Skirtingi skirtingų gamintojų šviesos diodai turi skirtingas veikimo kreives. Pavyzdžiui, šioje diagramoje esant 20 mA, šviesos diodo priekinė įtampa bus maždaug 1,9 V. Jei mėlynas 5 mm šviesos diodas esant 20 mA, priekinė įtampa gali būti 3,4 V. Didelės galios balto liukso diodo, esant 350 mA, priekinė įtampa gali būti apie 3,2 V. Kai kurie šviesos diodų paketai gali būti keli šviesos diodai nuosekliai arba lygiagrečiai, vėl keičiant Vf/If kreivę. Paprastai gamintojas nurodo veikimo srovę, kurioje yra saugu naudoti šviesos diodą, ir priekinę įtampą esant šiai srovei. Paprastai (bet ne visada) pateikiate diagramą, panašią į žemiau esančią duomenų lape. Turite pažvelgti į šviesos diodo duomenų lapą, kad nustatytumėte, kokia yra priekinė įtampa esant skirtingoms darbo srovėms. Kodėl ši diagrama tokia svarbi? Kadangi tai rodo, kad kai įtampa yra per šviesos diodą, srovė, kuri tekės, bus pagal grafiką. Sumažinkite įtampą ir tekės mažiau srovės….. ir šviesos diodas „išsijungs“. Tai yra charlieplexing teorijos dalis, prie kurios pateksime kitame žingsnyje.

2 žingsnis: Elektronikos įstatymai

Vis dar nėra charlieplexing magijos…. Turime pereiti prie kai kurių elektronikos įstatymų pagrindų. Pirmasis dominantis įstatymas teigia, kad bendra įtampa bet kurioje prijungtų elektros grandinės komponentų serijoje yra lygi asmens sumai įtampa tarp komponentų. Tai parodyta žemiau esančioje pagrindinėje diagramoje. Tai naudinga naudojant šviesos diodus, nes vidutinė akumuliatoriaus ar mikrovaldiklio išvesties kaištis niekada nebus tinkama įtampa, kad jūsų LED veiktų rekomenduojama srove. Pavyzdžiui, mikrovaldiklis paprastai veikia esant 5 V įtampai, o jo išvesties kaiščiai bus esant 5 V. Jei tiesiog prijungsite šviesos diodą prie mikro išvesties kaiščio, iš ankstesnio puslapio veikimo kreivės pamatysite, kad šviesos diodas teka per daug srovės, jis įkaista ir sudegs (tikriausiai taip pat kenkia mikro). Tačiau, jei įvesime antrą komponentą serijiniu būdu su šviesos diodu, galime atimti dalį 5V, kad kairioji įtampa būtų tinkama, kad šviesos diodas veiktų esant tinkamai veikimo srovei. Paprastai tai yra rezistorius, ir tokiu būdu vadinamas srovės ribojimo rezistoriumi. Šis metodas naudojamas labai dažnai ir lemia vadinamąjį omų įstatymą… taip pavadintas pono Ohmo vardu. Omso dėsnis seka lygtimi V = I * R, kur V yra įtampa, kuri atsiras per varžą R, kai srovė I teka per rezistorių.. V per jį. Tai matome antroje diagramoje. Kadangi rezistorius yra nuosekliai su šviesos diodu, per rezistorių teka ta pati srovė kaip ir šviesos diodas, ty 20 mA. Taigi pertvarkydami lygtį galime rasti pasipriešinimą, kurio reikia šiam darbui atlikti. V = I * RsoR = V / Pakeisdami mūsų pavyzdyje gautas vertes, gauname: R = 3,1 / 0,02 = 155 omai (pastaba 20mA = 0,02Amp) Vis dar su manimi kol kas … šaunu. Dabar pažvelkite į 3 diagramą. Jame yra LED tarp dviejų rezistorių. Pagal pirmiau minėtą įstatymą, antroje diagramoje turime tą pačią situaciją. Šviesos diodas turi 1,9 V įtampą, todėl jis veikia pagal specifikacijų lapą. Taip pat kiekvienas rezistorius atima po 1,55 V (iš viso 3,1). Sudėjus įtampas, mes turime 5V (mikrovaldiklio kaištis) = 1.55V (R1) + 1.9V (šviesos diodas) + 1.55V (R2) ir viskas subalansuojama. Naudodami omų dėsnį nustatome, kad rezistoriai turi būti 77,5 omų, Tai yra pusė sumos, apskaičiuotos pagal antrąją diagramą. Žinoma, praktiškai jums būtų sunku rasti 77,5 omų rezistorių, todėl tiesiog pakeiskite artimiausią turimą vertę, tarkime, 75 omus ir galiausiai turėsite šiek tiek daugiau srovės šviesos diodas arba 82 omai turi būti saugūs ir turėti šiek tiek mažiau. Kodėl mes turėtume daryti šį rezistorių, kad galėtume valdyti paprastą šviesos diodą … ir tai praverčia kitam žingsniui.

3 žingsnis: pristatome „papildomą diską“

Kitas pavadinimas, kuris tiksliau apibūdina „charlieplexing“, yra „papildomas diskas“.

Savo vidutiniame mikrovaldiklyje galite programinės įrangos programinėje įrangoje pasakyti „micro“, kad išvesties kaištis būtų „0“arba „1“arba kad išvestyje būtų 0 V įtampa arba 5 V įtampa. Žemiau esančioje diagramoje dabar rodomas sumuštas šviesos diodas su atvirkštiniu partneriu… arba papildomas šviesos diodas, taigi papildoma pavara. Pirmoje diagramos pusėje mikro siunčia 5V į kaištį A, o 0V į kaištį B. Taigi srovė teka iš A į B. Kadangi LED2 yra nukreiptas atgal į LED1, srovė per ją nesilies ir nebus. švytėti. Tai yra tai, kas vadinama atvirkštiniu šališkumu. Mes turime analogišką situaciją ankstesniame puslapyje. Mes iš esmės galime ignoruoti LED2. Rodyklės rodo dabartinį srautą. Šviesos diodas iš esmės yra diodas (taigi šviesos diodas). Diodas yra prietaisas, leidžiantis srovei tekėti viena kryptimi, bet ne kita. Šviesos diodo schema tai rodo, srovė tekės rodyklės kryptimi, bet yra užblokuota kitu būdu. Jei nurodysime, kad mikro dabar išves 5V į B kaištį ir 0V ant A kaiščio, turime atvirkščiai. Dabar LED1 yra atvirkščiai, LED2 yra nukreiptas į priekį ir leis srovei tekėti. LED2 švytės, o LED1 bus tamsus. Dabar gali būti gera idėja pažvelgti į įžangoje paminėtų įvairių projektų schemas. Matricoje turėtumėte pamatyti daugybę šių papildomų porų. Žinoma, žemiau pateiktame pavyzdyje mes vairuojame du šviesos diodus su dviem mikrovaldiklio kaiščiais … galite pasakyti, kodėl nerimauti. Kitas skyrius yra tai, kur mes pasiekiame charlieplexing vidų ir kaip jis efektyviai naudoja mikrovaldiklių išvesties kaiščius.

4 žingsnis: Pagaliau… Charlieplex Matrix

Kaip minėta įvade, charliplexing yra patogus būdas valdyti daugybę šviesos diodų, turint tik keletą mikrovaldiklio kaiščių. Tačiau ankstesniuose puslapiuose mes tikrai neišsaugojome jokių kaiščių, važiavome dviem šviesos diodais su dviem kaiščiais….

Na, mes galime išplėsti papildomo vairavimo idėją į charlieplex matricą. Žemiau esančioje diagramoje parodyta minimali „Charlieplex“matrica, susidedanti iš trijų rezistorių ir šešių šviesos diodų ir naudojant tik tris mikrovaldiklio kaiščius. Dabar matote, koks patogus šis metodas? Jei norėtumėte įprastu būdu valdyti šešis šviesos diodus … jums reikės šešių mikrovaldiklio kaiščių. Tiesą sakant, su N mikrokaiščio kaiščiais galite valdyti N * (N - 1) šviesos diodus. 3 kaiščiams tai yra 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 šviesos diodai. Daiktai greitai sukraunami su daugiau kaiščių. Turėdami 6 kaiščius, galite vairuoti 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 šviesos diodų … wow! Dabar prie charlieplexing bit. Pažvelkite į žemiau pateiktą diagramą. Mes turime tris vienas kitą papildančias poras, vieną porą tarp kiekvieno mikro išvesties kaiščių derinio. Viena pora tarp A-B, viena pora tarp B-C ir viena pora tarp A-C. Jei dabar atjungtumėte kaištį C, situacija būtų tokia pati kaip ir anksčiau. Kai 5V yra ant A kaiščio ir 0V ant B kaiščio, LED1 švytės, LED2 yra atvirkščiai šališkas ir neveda srovės. Esant 5V ant kaiščio B ir 0V ant kaiščio A, LED2 švytės, o LED1 - atvirkščiai. Tai pasakytina apie kitus mikro kaiščius. Jei atjungsime kaištį B ir nustatysime kaištį A į 5 V, o kaištį C į 0 V, tada LED5 švytės. Atbulinė eiga, kad kaištis A būtų 0V, o kaištis C - 5V, tada LED6 švytėtų. Tas pats ir papildomai porai tarp kaiščių B-C. Palaukite, aš girdžiu jus sakant. Pažvelkime į antrąjį atvejį šiek tiek atidžiau. Mes turime 5V ant kaiščio A ir 0V ant kaiščio C. Mes atjungėme kaištį B (vidurinį). Gerai, taigi srovė teka per LED5, srovė neteka per LED6, nes ji yra atvirkštinė (taip pat ir LED2 ir LED4)…. Bet taip pat yra kelias, kuriuo srovė gali būti paimta iš A kaiščio, per LED1 ir LED3 ar nėra? Kodėl šie šviesos diodai taip pat nešviečia? Čia yra charlieplexing schemos esmė. Iš tiesų tiek LED1, tiek LED3 teka srovė, tačiau abiejų šių junginių įtampa bus tik lygi LED5 įtampai. Paprastai jie turi pusę įtampos, kurią turi LED5. Taigi, jei mes turime 1,9 V per LED5, tada tik 0,95 V bus per LED1 ir 0,95 V per LED3. Iš šio straipsnio pradžioje minėtos „If/Vf“kreivės matome, kad srovė esant šiai pusės įtampai yra daug mažesnė nei 20 mA ….. ir tie šviesos diodai nespės švytėti. Tai žinoma kaip dabartinis vagystė. Taigi didžioji dalis srovės tekės per mūsų norimą šviesos diodą, tiesiausią kelią per mažiausią šviesos diodų skaičių (ty vieną šviesos diodą), o ne bet kokį serijinį šviesos diodų derinį. Jei pažvelgsite į dabartinį srautą bet kokiam 5V ir 0V įtampos deriniui ant bet kurių dviejų „Charlieplex“matricos pavaros kaiščių, pamatysite tą patį. Vienu metu šviečia tik vienas šviesos diodas. Atlikdami pratimą, pažvelkite į pirmąją situaciją. 5V ant kaiščio A ir 0V ant kaiščio B, atjunkite kaištį C. LED1 yra trumpiausias kelias, kuriuo galima srovė, ir šviesos diodas 1 šviečia. Maža srovė taip pat praeis per LED5, tada sukurkite atsarginę šviesos diodo lemputę į B kaištį….. bet vėlgi, šie du nuosekliai veikiantys šviesos diodai negalės pakankamai sifonuoti srovės, palyginti su 1 šviesos diodu. Taip realizuojama charlieplexing galia. Žr. Antrąją schemą, kuri yra mano „Microdot“laikrodžio schema….. 30 šviesos diodų, tik su 6 kaiščiais. Mano „Minidot 2“laikrodis iš esmės yra išplėsta „Microdot“versija … tie patys 30 šviesos diodų, išdėstytų masyve. Norėdami sukurti modelį masyve, kiekvienas šviečiantis šviesos diodas trumpam įjungiamas, tada mikro pereina prie kito. Jei planuojama jį apšviesti, jis trumpam vėl įjungiamas. Pakankamai greitai nuskaitydami šviesos diodus, principas, vadinamas „regėjimo patvarumu“, leis daugybei šviesos diodų parodyti statinį modelį. Minidot 2 straipsnis šiek tiek paaiškina šį principą. Bet palauk….. Atrodo, kad aukščiau pateiktame aprašyme šiek tiek užblokavau. Kas tai yra „atjungti kaištį B“, „atjungti kaištį C“. Kitas skyrius, prašau.

5 žingsnis: trijų būsenų (ne triračių)

Ankstesniame žingsnyje minėjome, kad mikrovaldiklis gali būti užprogramuotas išvesti 5 V arba 0 V įtampą. Kad „Charlieplex“matrica veiktų, matricoje pasirenkame du kaiščius ir atjungiame visus kitus kaiščius.

Žinoma, rankiniu būdu atjungti kaiščius yra šiek tiek sunku, ypač jei mes labai greitai nuskaitome dalykus, kad panaudotume regėjimo efekto patvarumą, kad parodytume modelį. Tačiau mikrovaldiklio išvesties kaiščiai taip pat gali būti užprogramuoti kaip įvesties kaiščiai. Kai mikrokaištis yra užprogramuotas kaip įvestis, jis pereina į tai, kas vadinama „didelės varžos“arba „trijų būsenų“. Tai reiškia, kad jis turi labai didelį atsparumą (maždaug megaohmų arba milijonų omų) kaiščiui. Jei yra labai didelis pasipriešinimas (žr. Diagramą), mes iš esmės galime laikyti kaištį atjungtu, todėl charliplex schema veikia. Antroje diagramoje parodyti kiekvieno derinio matricos kaiščiai, galintys apšviesti kiekvieną iš 6 mūsų pavyzdžio šviesos diodų. Paprastai trijų būsenų žymima „X“, 5V rodoma kaip „1“(loginiam 1), o 0V-kaip „0“. Mikro programinėje įrangoje, skirtoje „0“arba „1“, smeigtukus užprogramuotumėte kaip išvestį ir jos būsena būtų gerai apibrėžta. Trijų būsenų atveju jūs programuojate, kad tai būtų įvestis, o kadangi tai yra įvestis, mes iš tikrųjų nežinome, kokia būsena gali būti… Todėl nežinomas „X“. Nors mes galime priskirti kaištį trijų būsenų arba įvesties, mums nereikia jo skaityti. Mes tiesiog pasinaudojame tuo, kad mikrovaldiklio įvesties kaištis yra didelė varža.

6 žingsnis: kai kurie praktiniai dalykai

„Charlieplexing“magija priklauso nuo to, kad atskira įtampa keliuose serijiniuose šviesos dioduose visada bus mažesnė nei vieno šviesos diodo, kai vienas šviesos diodas yra lygiagretus serijos deriniui. Jei įtampa yra mažesnė, tada srovė yra mažesnė, ir tikiuosi, kad serijos derinio srovė bus tokia maža, kad šviesos diodas neužsidegs. Tačiau tai ne visada. Tarkime, kad turėjote du raudonus šviesos diodus su tipišku 1.9 V įtampa jūsų matricoje ir mėlynas šviesos diodas, kurio priekinė įtampa yra 3.5 V (tarkime, LED1 = raudona, LED3 = raudona, LED5 = mėlyna mūsų 6 LED pavyzdyje). Jei užsidegtumėte mėlyną šviesos diodą, kiekvienam raudonam šviesos diodui gautumėte 3,5/2 = 1,75 V. Tai gali būti labai arti silpnos šviesos diodo veikimo zonos. Galite pastebėti, kad raudonos šviesos diodai švytės silpnai, kai šviečia mėlyna spalva. Todėl gera idėja įsitikinti, kad bet kurios skirtingų spalvų šviesos diodų priekinė įtampa jūsų matricoje yra maždaug vienoda esant veikimo srovei, arba naudoti tos pačios spalvos Šviesos diodai matricoje. Savo „Microdot“/„Minidot“projektuose man dėl to nereikėjo jaudintis, aš naudojau didelio efektyvumo mėlynos/žalios spalvos SMD šviesos diodus, kurie, laimei, turi tą pačią priekinę įtampą kaip raudonos/geltonos spalvos. Tačiau jei tą patį įgyvendinčiau su 5 mm šviesos diodais, rezultatas būtų problemiškesnis. Šiuo atveju atskirai būčiau įdiegęs mėlyną/žalią charlieplex matricą ir raudoną/geltoną matricą. Man reikėjo naudoti daugiau kaiščių … Jei turite didelę matricą ir greitai ją nuskaitote, tada kiekvienas šviesos diodas dega tik trumpą laiką. Tai atrodys palyginti silpnai, palyginti su statiniu ekranu. Galite apgauti, padidindami srovę per šviesos diodą, sumažindami srovės ribojimo rezistorius, bet tik iki tam tikro taško. Jei per ilgai iš mikro imsite per daug srovės, sugadinsite išvesties kaiščius. Jei turite lėtai judančią matricą, tarkime, būsenos ar ciklono ekraną, galite išlaikyti saugų srovės lygį, tačiau vis tiek turite ryškų LED ekraną, nes kiekvienas šviesos diodas dega ilgiau, galbūt statiškai (jei būsenos indikatorius). Kai kurie „charlieplexing“pranašumai:- naudoja tik keletą mikrovaldiklio kaiščių, kad valdytų daugelį šviesos diodų,- sumažina komponentų skaičių, nes jums nereikia daug tvarkyklės lustų/rezistorių ir tt Kai kurie trūkumai: tiek įtampos būsena, tiek kaiščių įvesties/išvesties būsena- reikia būti atsargiems maišant skirtingas spalvas- PCB išdėstymas yra sudėtingas, nes LED matrica yra sudėtingesnė.

7 žingsnis: nuorodos

Žiniatinklyje yra daug nuorodų apie „charlieplexing“. Be nuorodų straipsnio pradžioje, kai kurios iš jų yra: Originalus „Maxim“straipsnis turi daug ką pasakyti apie 7 segmentų ekranų vairavimą, kuris taip pat yra įmanomas. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880A „Wiki“įrašashttps://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing