Charlieplexing LED'leri - Teori: 7 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Bu talimat, kendi projeniz olan bir yapıdan daha az ve daha çok charlieplexing teorisinin bir açıklamasıdır. Temel elektronik bilgisine sahip kişiler için uygundur, ancak yeni başlayanlar için uygun değildir. Daha önce yayınladığım Instructables'ta aldığım birçok soruya yanıt olarak yazdım.

'Charlieplexing' nedir? Sadece birkaç pimle çok sayıda LED kullanıyor. Merak ediyorsanız, Charlieplexing'in adını, tekniği geliştiren Maxim'deki Charles Allen'dan almıştır. Bu birçok şey için faydalı olabilir. Küçük bir mikro denetleyicide durum bilgilerini görüntülemeniz gerekebilir, ancak yalnızca birkaç pin yedeğiniz vardır. Süslü bir nokta vuruşlu veya saat ekranı göstermek isteyebilirsiniz, ancak çok sayıda bileşen kullanmak istemezsiniz. Bakmak isteyebileceğiniz charlieplexing'i gösteren diğer bazı projeler şunlardır: Birkaç mikrodenetleyici piminden çok sayıda LED nasıl sürülür. Westfw tarafından:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ Ve kendi projelerimden birkaçı, The Microdot izle:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ Minidot 2 saati: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ charlieplexing kullanımının bir başka harika örneği şu adreste: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ Minidot 2 saati, gelişmiş bir charlieplexing şeması sunar. burada tartışılmayacak olan solma/karartma. GÜNCELLEME 19 Ağustos 2008: Yorumlar bölümünde tartışılan (uzunlamasına:)) yüksek güçlü LED'ler için matris charliplexing'den yararlanabilecek bir devre içeren bir zip dosyası ekledim. Bir kullanıcı arabirimi yapmak için bir basma düğmesi + konum kodlayıcıya ve ayrıca USB veya RS232 bilgisayar kontrolü için devrelere sahiptir. Yüksek taraf voltaj raylarının her biri, örneğin KIRMIZI LED'ler için 2,2V ve yeşil/mavi/beyaz için 3,4V olmak üzere iki voltajdan birine ayarlanabilir. Yüksek kenar korkuluklarının voltajı trimpot ile ayarlanabilir. Panoya 20 telli bir IDC şerit kablosunun takılmasını ve şeridin uzunluğu boyunca 20 pinli IDC konektörlerinin eklenmesini, her bir LED panosunun matriste istenen herhangi bir kabloya bağlantıya sahip olmasını öngörüyorum. Devre Eagle Cad'de ve aşağıdaki alt resimde işlenmiştir. Yüksek taraf devresi uygun olabileceğini düşündüğüm optokuplörler kullanılarak gerçekleştirilir. Bu devreyi gerçekten test etmedim veya zaman yetersizliğinden dolayı herhangi bir yazılım yazmadım, ancak yorum için koydum, özellikle optokuplör uygulamasıyla ilgileniyorum. Denemek için yeterince cesur olan herkes… lütfen sonuçlarınızı gönderin. GÜNCELLEME 27 Ağustos 2008: EagleCad kullanmayanlar için…. Aşağıya şematik bir pdf eklenmiştir.

Adım 1: Bazı LED Teorisi

Charlieplexing, LED'lerin ve modern mikro denetleyicilerin bir dizi yararlı yönüne dayanır.

Öncelikle bir LED'i elektriğe bağladığınızda ne olur. Aşağıdaki ana şema, tipik bir 5 mm düşük güçlü LED'in If v Vf eğrisi olarak adlandırılan şeyi gösterir. Eğer 'ileri akım' anlamına geliyorsa, Vf 'ileri voltaj' anlamına geliyorsa Dikey eksen, diğer bir deyişle, terminallerine yatay eksen voltajını koyarsanız bir LED'den geçecek akımı gösterir. Akımın bir değerde olduğunu ölçerseniz, yatay eksene bakabilir ve LED'in terminallerinde göstereceği voltajı görebilirsiniz. İkinci diyagram, If ve Vf etiketli bir LED'in şematik bir temsilini gösterir. Ana diyagramdan, grafiğin ilgi çekici alanlarını da etiketledim. - İlk alan, LED'in 'kapalı' olduğu yerdir. Daha doğrusu, LED o kadar loş ışık yayar ki, bir çeşit süper-duper görüntü yoğunlaştırıcınız olmadıkça onu göremezsiniz. - İkinci alan, LED'in sadece biraz loş bir parıltı yayan. - Üçüncü alan, genellikle bir LED'in çalıştırıldığı ve üreticinin derecesine göre ışık yaydığı yerdir. - Dördüncü alan, bir LED'in çalışma sınırlarının ötesinde çalıştırıldığı yerdir, muhtemelen çok parlak bir şekilde yanmaktadır, ancak ne yazık ki, içindeki sihirli duman kaçmadan kısa bir süre önce tekrar çalışmayacaktır……yani bu alanda yanar çünkü üzerinden çok fazla akım geçer. LED'in If/Vf eğrisinin veya çalışma eğrisinin 'doğrusal olmayan' bir eğri olduğuna dikkat edin. Yani düz bir çizgi değil… içinde bir bükülme ya da bükülme var. Son olarak bu şema, 20mA'da çalışmak üzere tasarlanmış tipik bir 5mm kırmızı LED içindir. Farklı üreticilerin farklı LED'leri farklı çalışma eğrilerine sahiptir. Örneğin bu şemada 20mA'da LED'in ileri voltajı yaklaşık 1,9V olacaktır. 20mA'da mavi bir 5mm LED için ileri voltaj 3.4V olabilir. 350mA'da yüksek güçlü beyaz luxeon LED için ileri voltaj 3,2V civarında olabilir. Bazı LED paketleri, Vf/If eğrisini tekrar değiştirerek seri veya paralel birkaç LED olabilir. Tipik olarak bir üretici, LED'i kullanmak için güvenli olan bir çalışma akımını ve bu akımda ileri voltajı belirleyecektir. Genellikle (ancak her zaman değil) veri sayfasında aşağıdakine benzer bir grafik alırsınız. Farklı çalışma akımlarında ileri voltajın ne olduğunu belirlemek için LED'in veri sayfasına bakmanız gerekir. Bu grafik neden bu kadar önemli? Çünkü led üzerinden bir gerilim geçtiğinde akacak akımın grafiğe göre olacağını gösterir. Voltajı düşürün ve daha az akım akacaktır…..ve LED 'kapalı' olacaktır. Bu, bir sonraki adımda değineceğimiz charlieplexing teorisinin bir parçasıdır.

Adım 2: Kanunlar (Elektronik)

Henüz charlieplexing büyüsünde değiliz…. elektronik yasalarının bazı temellerine gitmemiz gerekiyor. İlgilenilen ilk yasa, bir elektrik devresindeki herhangi bir dizi bağlı bileşen üzerindeki toplam voltajın, bireyin toplamına eşit olduğunu belirtir. Bileşenler arasındaki voltajlar. Bu, aşağıdaki ana şemada gösterilmiştir. Ortalama pil veya mikro denetleyici çıkış pininiz, LED'inizi önerilen akımda çalıştırmak için asla tam olarak doğru voltaj olmayacağından, LED'leri kullanırken bu yararlıdır. Örneğin, bir mikrodenetleyici tipik olarak 5V'ta çalışır ve açıkken çıkış pinleri 5V'da olur. Mikronun çıkış pinine sadece bir LED bağlarsanız, bir önceki sayfadaki çalışma eğrisinden, LED'de çok fazla akım akacağını ve ısınıp yanacağını (muhtemelen mikroya da zarar vereceğini) göreceksiniz.. Bununla birlikte, LED ile seri olarak ikinci bir bileşen eklersek, 5V'nin bir kısmını çıkarabilir, böylece kalan voltaj LED'i uygun çalışma akımında çalıştırmak için doğru olur. Bu tipik olarak bir dirençtir ve bu şekilde kullanıldığında akım sınırlayıcı direnç olarak adlandırılır. Bu yöntem çok yaygın olarak kullanılır ve 'ohm kanunu' denen şeye yol açar….bu nedenle Bay Ohm kanunundan sonra adlandırılır. V = I * R denklemini takip eder, burada V, bir I akımı olduğunda bir R direncinde görünecek voltajdır. direnç üzerinden akıyor. V voltta, I amperde ve R ohmda. Yani harcayacak 5V'miz varsa ve LED'in 20mA'da çalışmasını sağlamak için 1.9V istiyorsak, direncin 5-1.9=3.1 olmasını istiyoruz. karşısında V. Bunu ikinci şemada görebiliriz. Direnç LED ile seri olduğu için direnç üzerinden LED ile aynı akım geçecektir, yani 20mA. Yani denklemi yeniden düzenleyerek bu işi yapmak için ihtiyacımız olan direnci bulabiliriz. V = I * RsoR = V / I Örneğimizdeki değerleri değiştirerek elde ederiz:R = 3.1 / 0.02 = 155ohms(not 20mA = 0.02Amps)Hala benimle şimdiye kadar… güzel. Şimdi şema 3'e bakın. İki direnç arasına yerleştirilmiş LED'e sahiptir. Yukarıda bahsedilen birinci yasaya göre, ikinci diyagramda da aynı duruma sahibiz. LED'de 1,9V var, bu nedenle teknik özellik sayfasına göre çalışıyor. Ayrıca, her biri 1.55V çıkaran her bir direncimiz var (toplam 3,1 için). Voltajları toplayarak 5V (mikrodenetleyici pini) = 1.55V (R1) + 1.9V (LED) + 1.55V (R2) elde ederiz ve her şey dengelenir. Ohm yasasını kullanarak dirençlerin her birinin 77,5 ohm olması gerektiğini bulduk, ki bu, ikinci diyagramdan hesaplanan miktarın yarısıdır. Tabii ki pratikte 77.5ohm'luk bir direnç bulmakta zorlanacaksınız, bu yüzden sadece mevcut olan en yakın değeri, diyelim ki 75ohm'u değiştirirsiniz ve sonunda biraz daha fazla akım elde edersiniz. LED veya 82ohms güvenli ve biraz daha az. Neden basit bir LED'i sürmek için bu rezistörü yapmalıyız…..peki bir LED'iniz varsa, hepsi biraz aptalca, ama bu charlieplexing hakkında bir talimat. ve bir sonraki adım için kullanışlı olur.

3. Adım: "tamamlayıcı Drive" ile tanışın

'Charlieplexing'i tanımlamak için daha doğru olan bir başka isim de 'tamamlayıcı sürücü'dür.

Ortalama mikrodenetleyicinizde, bellenimde mikroya bir çıkış pinini '0' veya '1' olarak ayarlamasını veya çıkışta 0V voltaj veya çıkışta 5V voltaj sunmasını söyleyebilirsiniz. Aşağıdaki şema şimdi ters ortaklı sandviç LED'i… veya tamamlayıcı LED'i, dolayısıyla tamamlayıcı sürücüyü göstermektedir. Diyagramın ilk yarısında, mikro, A pinine 5V ve B pinine 0V veriyor. Akım böylece A'dan B'ye akacak. LED2, LED1'e geriye doğru yönlendirildiği için, üzerinden hiçbir akım akmayacak ve akmayacak. Parıltı. Ters taraflı denilen şey budur. Bir önceki sayfadaki durumun eşdeğerine sahibiz. Temel olarak LED2'yi görmezden gelebiliriz. Oklar mevcut akışı gösterir. Bir LED esasen bir diyottur (dolayısıyla Işık Yayan Diyot). Diyot, akımın bir yönde akmasına izin verirken diğer yönde akmasına izin vermeyen bir cihazdır. Bir LED'in şeması bunu gösteriyor, akım ok yönünde akacak…… ama diğer yönden engelleniyor. Mikroya şimdi 5V'yi pin B'ye ve 0V'yi pin A'ya vermesini söylersek, bunun tersi olur. Şimdi LED1 ters taraflı, LED2 ileri taraflı ve akım akışına izin verecek. LED2 yanacak ve LED1 karanlık olacaktır. Şimdi girişte bahsedilen çeşitli projelerin şemalarına bakmak iyi bir fikir olabilir. Bir matriste bu tamamlayıcı çiftlerin çoğunu görmelisiniz. Tabii ki aşağıdaki örnekte iki adet mikrodenetleyici pinli iki adet LED kullanıyoruz…. Neden rahatsız olduğunu söyleyebilirsiniz. Bir sonraki bölüm, charlieplexing'in cesaretine nereden geldiğimiz ve bir mikrodenetleyici çıkış pinlerini nasıl verimli bir şekilde kullandığıdır.

Adım 4: Sonunda….bir Charlieplex Matrisi

Girişte bahsedildiği gibi, charliplexing, bir mikrodenetleyicide yalnızca birkaç pim ile çok sayıda LED'i çalıştırmanın kullanışlı bir yoludur. Ancak önceki sayfalarda gerçekten herhangi bir pin kaydetmemiştik, iki LED'i iki pinli çalıştırıyorduk….büyük kahretsin!

Tamamlayıcı sürücü fikrini bir charlieplex matrisine genişletebiliriz. Aşağıdaki şema, üç direnç ve altı LED'den oluşan ve yalnızca üç mikrodenetleyici pimi kullanan minimum charlieplex matrisini göstermektedir. Şimdi bu yöntemin ne kadar kullanışlı olduğunu görüyor musunuz? Altı LED'i normal şekilde sürmek isteseydiniz…. altı mikrodenetleyici pinine ihtiyacınız olurdu. Aslında bir mikrodenetleyicinin N pini ile potansiyel olarak N * (N - 1) LED'leri çalıştırabilirsiniz. 3 pin için bu 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 LED'dir. Daha fazla iğne ile işler hızla birikir. 6 pin ile 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 LED kullanabilirsiniz….vay! Şimdi charlieplexing bitine. Aşağıdaki şemaya bakın. Her bir mikro çıkış pimi kombinasyonu arasında bir çift olmak üzere üç tamamlayıcı çiftimiz var. A-B arasında bir çift, B-C arasında bir çift ve A-C arasında bir çift. Şimdilik pin C'nin bağlantısını kesmiş olsaydınız, daha önce olduğu gibi aynı duruma sahip olurduk. A pininde 5V ve B pininde 0V ile LED1 yanacak, LED2 ters polarmalı ve akım iletmeyecektir. Pin B'de 5V ve pin A'da 0V ile LED2 yanacak ve LED1 ters kutuplanmıştır. Bu, diğer mikro pimler için geçerlidir. B pininin bağlantısını kesip A pinini 5V'a ve C pinini 0V'a ayarlarsak LED5 yanar. A pini 0V ve C pini 5V olacak şekilde ters çevrildiğinde LED6 yanar. B-C pinleri arasındaki tamamlayıcı çift için aynı. Bekle, dediğinizi duyar gibiyim. İkinci duruma biraz daha yakından bakalım. A pininde 5V ve C pininde 0V var. B pininin (ortadaki) bağlantısını kestik. Tamam, yani bir akım LED5 üzerinden akar, akım LED6 üzerinden akmaz çünkü ters yönlüdür (ve LED2 ve LED4 de öyledir)….ama akımın pin A'dan LED1 ve LED3'e geçmesi için bir yol da vardır. orada değil mi? Bu LED'ler neden yanmıyor? İşte charlieplexing şemasının kalbi. Aslında hem LED1 hem de LED3'ten akan bir akım vardır, ancak bunların birleşimindeki voltaj yalnızca LED5'teki voltaja eşit olacaktır. Tipik olarak, LED5'in sahip olduğu voltajın yarısına sahip olurlar. Dolayısıyla, LED5'te 1,9V varsa, LED1'de yalnızca 0,95V ve LED3'te 0,95V olacaktır. Bu makalenin başında bahsedilen If/Vf eğrisinden, bu yarım voltajdaki akımın 20mA'dan çok daha düşük olduğunu görebiliriz…..ve bu LED'ler gözle görülür şekilde yanmaz. Bu akım çalma olarak bilinir. Böylece akımın çoğu, herhangi bir seri LED kombinasyonu yerine, en az sayıda LED (yani bir LED) aracılığıyla en doğrudan yol olan istediğimiz LED'den akacaktır. Charlieplex matrisinin herhangi iki sürücü pinine 5V ve 0V koymanın herhangi bir kombinasyonu için mevcut akışa bakarsanız, aynı şeyi göreceksiniz. Bir seferde yalnızca bir LED yanacaktır. Bir alıştırma olarak, ilk duruma bakın. A pininde 5V ve B pininde 0V, pin C'yi ayırın. LED1, akımın alacağı en kısa yoldur ve LED 1 yanacaktır. Küçük bir akım da LED5'ten geçecek, ardından LED4'ü pin B'ye yedekleyecek…..fakat yine, serideki bu iki LED, LED 1'e kıyasla parlak bir şekilde yanacak kadar akım çekemeyecektir. Böylece charlieplexing'in gücü gerçekleşmiş olur. Microdot saatim için şematik olan ikinci şemaya bakın…..30 LED'ler, sadece 6 pinli. Minidot 2 saatim temelde Microdot'un genişletilmiş bir versiyonudur…. Bir dizide düzenlenmiş aynı 30 LED. Dizide bir model oluşturmak için, aydınlatılacak her bir LED kısaca açılır, ardından mikro bir sonrakine geçer. Yanması planlanıyorsa, kısa bir süre için tekrar açılır. LED'leri yeterince hızlı bir şekilde tarayarak, 'görmenin kalıcılığı' adı verilen bir ilke, bir dizi LED'in statik bir model göstermesine izin verecektir. Minidot 2 makalesinde bu ilke hakkında biraz açıklama var. Ama bekleyin….. Yukarıdaki açıklamada görünüşe göre biraz parladım. Nedir bu "pin B bağlantısını kes", "pin C bağlantısını kes" işi. Sonraki bölüm lütfen.

Adım 5: Üç Durum (Üç Tekerlekli Bisikletler değil)

Bir önceki adımda, bir mikrodenetleyicinin 5V voltaj veya 0V voltaj verecek şekilde programlanabileceğinden bahsetmiştik. Charlieplex matrisinin çalışması için matriste iki pin seçiyoruz ve diğer pinlerin bağlantısını kesiyoruz.

Elbette, pinleri manuel olarak ayırmak biraz zor, özellikle de bir model göstermek için görme kalıcılığını kullanmak için şeyleri çok hızlı bir şekilde tarıyorsak. Ancak bir mikrodenetleyici çıkış pinleri aynı zamanda giriş pinleri olarak da programlanabilir. Bir mikro pin giriş olarak programlandığında, 'yüksek empedans' veya 'üç durum' olarak adlandırılan şeye girer. Yani, pime karşı çok yüksek bir direnç (megaohm veya milyonlarca ohm düzeyinde) sunar. Eğer çok yüksek bir direnç varsa (şemaya bakın), o zaman esasen pimin bağlantısının kesilmiş olduğunu kabul edebiliriz ve böylece charliplex şeması çalışır. İkinci diyagram, örneğimizdeki 6 LED'in her birini aydınlatmak için mümkün olan her kombinasyon için matris pinlerini göstermektedir. Tipik olarak bir üç durum bir 'X' ile gösterilir, 5V '1' (mantıksal 1 için) ve 0V '0' olarak gösterilir. Bir '0' veya '1' için mikro bellenimde, pinleri bir çıkış olacak şekilde programlarsınız ve durumu iyi tanımlanmıştır. Üç durum için onu bir girdi olarak programlıyorsunuz ve bu bir girdi olduğu için aslında durumun ne olabileceğini bilmiyoruz…. dolayısıyla bilinmeyen için 'X'. Bir pini tri-state veya input olarak ayırabilsek de, okumamıza gerek yok. Sadece bir mikrodenetleyici üzerindeki bir giriş pininin yüksek empedans olduğu gerçeğinden faydalanıyoruz.

6. Adım: Bazı Pratik Konular

Charlieplexing'in büyüsü, tek LED seri kombinasyonu ile paralel olduğunda, seri olarak birden fazla LED'de sunulan bireysel voltajın her zaman tek bir LED'dekinden daha az olacağı gerçeğine dayanır. Voltaj daha düşükse, akım daha azdır ve umarım seri kombinasyonundaki akım o kadar düşük olur ki LED yanmaz. Ancak bu her zaman böyle olmaz. Diyelim ki tipik bir iki kırmızı LED'iniz var. matrisinizde 1,9V ileri voltaj ve 3,5V ileri voltajlı mavi bir LED (6 LED örneğimizde LED1=kırmızı, LED3=kırmızı, LED5=mavi diyelim). Mavi LED'i yaktıysanız, kırmızı LED'lerin her biri için 3.5/2 = 1.75V ile sonuçlanırsınız. Bu, LED'in loş çalışma alanına çok yakın olabilir. Mavi yandığında kırmızı LED'lerin loş bir şekilde yanacağını görebilirsiniz. Bu nedenle, matrisinizdeki farklı renkli LED'lerin ileri voltajının çalışma akımında kabaca aynı olduğundan emin olmak veya aynı rengi kullanmak iyi bir fikirdir. LED'ler bir matris içinde. Microdot/Minidot projelerimde bunun için endişelenmeme gerek yoktu, neyse ki kırmızılar/sarılarla hemen hemen aynı ileri gerilime sahip olan yüksek verimli mavi/yeşil SMD LED'ler kullandım. Ancak aynı şeyi 5mm LED'lerle uygulasaydım sonuç daha problemli olurdu. Bu durumda ayrı ayrı mavi/yeşil charlieplex matrisi ve kırmızı/sarı matrisi uygulardım. Daha fazla pin kullanmam gerekirdi….ama işte gidiyorsunuz. Diğer bir konu, mikrodan mevcut çekilişinize ve LED'in ne kadar parlak olmasını istediğinize bakmaktır. Büyük bir matrisiniz varsa ve onu hızla tarıyorsanız, her LED yalnızca kısa bir süre için yanar. Bu, statik bir ekrana kıyasla nispeten loş görünecektir. Akım sınırlayıcı dirençleri azaltarak, ancak yalnızca bir noktaya kadar LED üzerinden akımı artırarak hile yapabilirsiniz. Mikrodan çok uzun süre çok fazla akım çekerseniz çıkış pinlerine zarar verirsiniz. Yavaş hareket eden bir matrisiniz varsa, örneğin bir durum veya siklon ekranı varsa, akımı güvenli bir seviyede tutabilirsiniz, ancak yine de parlak bir LED ekrana sahip olabilirsiniz çünkü her bir LED daha uzun süre açık kalır, muhtemelen statiktir (bir durum göstergesi). charlieplexing'in bazı avantajları: - birçok LED'i kontrol etmek için bir mikro denetleyicide yalnızca birkaç pim kullanır - çok sayıda sürücü yongasına/direnç vb.'ne ihtiyacınız olmadığı için bileşen sayısını azaltır Bazı dezavantajlar: - mikro aygıt yazılımınızın ayarı ele alması gerekir pinlerin hem voltaj durumu hem de giriş/çıkış durumu- farklı renkleri karıştırırken dikkatli olunmalıdır- LED matrisi daha karmaşık olduğu için PCB yerleşimi zordur.

7. Adım: Referanslar

Web'de charlieplexing ile ilgili birçok referans var. Makalenin başındaki bağlantılara ek olarak, bunlardan bazıları: Maxim'in orijinal makalesi, bunun da mümkün olan 7 segmentli ekranları sürmek hakkında söylenecek çok şeyi var. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880A wiki girişihttps://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing