Использование светоизлучающих панелей на чип-светодиодах
Развитие технологии поверхностного монтажа привело к тому, что многие радиокомпоненты начали выполнять в специальных миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа.
Появились чип-резисторы, чип-конденсаторы, в этом же исполнении начали выпускать транзисторы, диоды, микросхемы и многое другое. Эта тенденция коснулась и светодиодов. Первой чип-светодиоды начала выпускать фирма Agilent Technologies [1]. В настоящее время такие све-тодиоды выпускают фирмы Sharp, Kingbright и др.
Но кроме удобства монтажа у чип-светодиодов проявилось другое неожиданное свойство: из них на печатной плате можно "выкладывать" различные цветные узоры и даже целые панно. Это произошло потому, что у чип-светодиодов светящаяся поверхность занимает почти всю площадь чипа. Кроме того, чип-светодиоды выпускают различных размеров, цвета свечения, более того, имеются светодиоды двух- и даже трехцветные, что дает дизайнеру неограниченные возможности.
Технические данные. Рассмотрим технические данные чип-светодиодов на примере продукции фирмы Sharp. На рис.1 показан чертеж сравнительно крупного светодиода серии GM5 размером 6х6 мм.
Его параметры приведены в табл.1, где S - интенсивность света; ип - прямое падение напряжения; 1п - максимальный непрерывный ток.
Рис. 1. Чертеж сравнительно крупного светодиода серии GM5 размером 6х6 мм.
На рис.2 показан чертеж чип-светодиода меньших размеров серий LT1 и GM4 размером 2,7х1,3 мм. Их параметры приведены в табл.2 с теми же обозначениями.
Рис. 2. Чертеж чип-светодиода меньших размеров серий LT1 и GM4 размером 2,7х1,3 мм.
На рис.3 показан чертеж сверхминиатюрных чип-светодиодов размером 0,8х1,6 мм серии LT1. Их параметры приведены в табл.3 с теми же обозначениями.
Рис. 3. Чертеж сверхминиатюрных чип-светодиодов размером 0,8х1,6 мм серии LT1.
На рис.4 показан чертеж двухцветных чип-светодиодов серии GM1Z. Их параметры приведены в табл.4 с теми же обозначениями (для каждого цвета в отдельности).
Рис. 4. Чертеж двухцветных чип-светодиодов серии GM1Z.
На рис. 5 показан чертеж трехцветных чип-светодиодов серии LT1W. Их параметры приведены в табл.5 с теми же обозначениями (для каждого цвета в отдельности).
Рис. 5. Чертеж трехцветных чип-светодиодов серии LT1W.
Применение
На рис.6 показан пример применения чип-светодиодов различного размера и цвета свечения для формирования цветного панно - логотипа фирмы СЭА. Основные поля заполняются чип-светодиодами крупного размера (например, 6х6 мм).
Но на стыках цветов, где имеются криволинейные поверхности, необходимо применять более мелкие чип-светодиоды (среднего размера 1,3х2,7 мм или даже 0,8х1,6 мм).
Черные полосы на рис.6 - контактные выводы светодиодов. Но при полностью светящемся панно они не будут видны, особенно если рассматривать панно на расстоянии. В месте размещения надписи SEA светодиодов нет, черные полосы получаются более широкими, и поэтому надпись будет видна.
Еще один пример показан на рис.8, где из чип-светодиодов выложены пути железнодорожной станции. Те участки путей, где стоят поезда выделяются светящимися отрезками линий (длина отрезка пропорциональна длине поезда).
В данном случае применены трехцветные чип-светодиоды, цвет используется для обозначения либо категории поезда (скорый, пассажирский, товарный), либо для обозначения времени, оставшегося для отправления (например, если больше 5 мин - зеленый цвет, от 1 до 5 мин - желтый цвет, меньше 1 мин - красный), либо для других параметров.
Рис. 6. Пример применения чип-светодиодов различного размера и цвета свечения для формирования цветного панно - логотипа фирмы СЭА.
Подобных примеров применения можно привести много. Важно одно - описанные выше "картинки" формируются на печатной плате, на которой на оборотной стороне можно разместить схемы включения и управления. Такие устройства легко тиражировать.
На рис.7 показан пример применения чип-светодиодов для формирования мнемосхемы технологического процесса. В данном случае имеются два варианта процесса: один идет по линиям и блокам красного цвета, другой по линиям и блокам зеленого цвета.
Те блоки и линии, которые участвуют в обоих вариантах, выложены двухцветными светодиода-ми (на рис.7 показаны через косую линию).
Рис. 7. Пример применения чип-светодиодов для формирования мнемосхемы технологического процесса.
Рис. 8. Пример чип-светодиодов где ими выложены пути железнодорожной станции.
Схемы включения
В табл.1-5 приведен такой параметр как прямое падение напряжения при включении светодиода. Следует помнить, что этот параметр имеет большой разброс: от -15 до +30%.
Поэтому параллельно включать светодиоды нельзя, при таком включении один светодиод будет светиться полностью, а второй еле-еле (или вообще не светиться).
Рис. 9. Схемы включения светодиодов, управление полевым транзистором.
Вот почему светодиоды нужно включать последовательными цепочками. Многие помнят, что так можно включать и лампы накаливания, но при перегорании одной лампы выключается вся цепочка.
В светодиодных цепочках этого бояться не следует. Если не превышать номинальный ток (он также указан в табл.1-5), то светодиоды могут светить десятилетиями.
Количество светодиодов в цепочке определяется имеющимся у пользователя напряжением питания. Например, если напряжение питания +12 В, то для красных светодиодов из табл.1 (с падением напряжения 2,4 В плюс допуск +30%, всего 3,1 В) можно составить цепочку всего из трех светодиодов.
Остаток напряжения придется на балластное сопротивление. Для голубых светодиодов с падением напряжения 3,8 В плюс 30% (всего 4,9 В) цепочка будет состоять из двух светодиодов.
Понятно, что для панно придется ставить большое количество балластных резисторов. Для уменьшения количества балластных резисторов необходимо повышать рабочее напряжение хотя бы до 30-40 В.
Включать большое число цепочек можно по двум схемам. На рис.9,а показано включение цепочек в коллекторную (стоковую) цепь мощного транзистора VT1.
При подаче положительного потенциала на базу (затвор) транзистора все светодиоды в цепочках от HL1-1 до HLn-k светятся. По зарубежной терминологии такой мощный каскад называют нижним драйвером.
На рис.9,б показано включение цепочек в эмиттерную (истоковую) цепь мощного транзистора. Так же, как и в схеме рис.9,а на базу (затвор) VT1 следует подать положительный потенциал (с уровнем напряжения питания +Еп).
По зарубежной терминологии такой мощный каскад называют верхним драйвером. Недостатком схемы рис.9,а является то, что светодиоды не связаны с земляной шиной, но зато амплитуда импульса управления на базу (затвор) невелика. В схеме рис.9,б светодиоды связаны с земляной шиной, но зато необходим импульс управления большой амплитуды.
Балластные резисторы рассчитывают следующим образом. Предположим имеется напряжение питания +30 В. В цепочку можно включить до 9 красных светодиодов с максимальным напряжением 3,1 В.
Но минимальное напряжение будет всего 2,1 В (от номинального 2,4 В необходимо вычесть 15%). Тогда на цепочке светодиодов падение напряжения будет 9х2,1 = 18,9 В. Остальные 11,1 В останутся на балластном резисторе.
При номинальном токе для данного светодиода 70 мА сопротивление балластного резистора составит 11,1/0,07 = 158 Ом при мощности 11,1х0,07 = 0,78 Вт.
Понятно, что не может быть ситуации, когда у всех светодиодов в цепочке напряжение горения ниже нормы, но при таком подходе ток горения будет в среднем на 15% ниже номинального, а рассеиваемая мощность даже на 30% ниже расчетной.
Количество ветвей, которые можно включать на один транзистор в схемах рис.9, определяется рабочим током транзистора. Если, как указано в примере, номинальный ток светодиода 70 мА, а рабочий ток транзистора не должен превышать 1 А, то допустимо включение 1/0,07 = 14 цепочек.
Вместо транзисторов можно использовать микросхемы с мощными драйверами на выходе. В [2] были описаны цифровые микросхемы триггеров и регистров с драйверами, рассчитанными на напряжение до +40 В и рабочий ток до 250 мА. Такие микросхемы удобны для схем рис.7 и 8, где необходимо переключать цепочки.
Для включения целых панно более удобны специальные микросхемы силовых нижних и верхних драйверов [3]. Например, нижний драйвер BUK106-50L/S фирмы Philips Semiconductor рассчитан на напряжение до 50 В и рабочий ток до 50 А, а входные сигналы принимает с ТТЛ-микросхем. Верхний драйвер BUK203-50 той же фирмы рассчитан на напряжение 50 В и рабочий ток 20 А.
В отличие от обычных транзисторов такие драйверы имеют защиту от бросков напряжения и от короткого замыкания по выходу, следовательно, более надежны в эксплуатации.
Рис. 10. Схема для коммутации перемещающихся светящихся цепочек различной длины из светодиодов.
На рис.8 необходимо производить коммутацию перемещающихся светящихся цепочек различной длины. Для этого можно воспользоваться схемой рис.10. Цепочка светодиодов HL1...HLn подключена к двум дешифраторам DD1 и DD2, причем дешифратор DD1 имеет прямые выходы, а DD2 - инверсные. Например, требуется из всей цепочки светодиодов включить HL1 и HL2.
Для этого на выход 0 DD1 нужно подать положительный потенциал, а на выход 2 DD2 - нулевой потенциал. Цепь тока горения проходит через балластный резистор R1, диод VD1*, светодиоды HL1, HL2 и диод VD3 (диоды VD1, VD2 заперты положительными потенциалами на выходах 0 и 1 DD2, а диоды VD2*, VD3* - нулевыми потенциалами на выходах 1 и 2 DD1).
Тогда код К1 на входе DD1 обозначает номер первого светящегося светодиода плюс 1, а код К2 на входе DD2 - номер последнего светящегося светодиода. Синхронно изменяя коды К1 и К2, можно перемещать светящийся участок.
В этой схеме есть недостаток. При изменении длины светящегося участка и неизменном напряжении на выходах дешифраторов будет изменяться рабочий ток светодиодов. Для сохранения постоянного рабочего тока необходимо напряжение питания изменять пропорционально длине светящегося участка (рис.11).
Рис. 11. Схема ЦАП, УИП.
Длина участка определяется разностью кодов К1 и К2, поэтому первым в схеме рис.11 установлен вычитатель SUB (его можно выполнить на микросхемах типа К561ИП3 [4] или 4560 [5]).
Код разности в цифро-аналоговом преобразователе (его можно выполнить на резисторах по сетке R-2R [4]) превращается в напряжение, которое подается как управляющее на УИП (управляемый источник питания). В качестве УИП можно использовать регулируемый стабилизатор КР142ЕН19 [6] с рабочим током до 100 мА или LM317 (КР1157ЕН1) [7] с рабочим током до 2 А. Понятно, что это напряжение нужно подавать не на микросхемы дешифраторов DD1, DD2, а на выходные драйверы, подключенные к выходам дешифраторов.
Автор: О.Н. Партала, г.Киев
Литература:
- Новые эффективные светодиоды фирмы Agilent Technologies // Радиокомпоненты. -2001. - N2. -C.9.
- Микросхемы триггеров и регистров с мощными выходными драйверами фирмы Texas Instruments // Радiоаматор-Электрик. -2001. -№10. -C.14.
- Зарубежные микросхемы для управления силовым оборудованием. -М.: Додека, 2000. - 288с.
- Партала О.Н. Цифровая электроника. - СПб.: Наука и техника, 2000. - 208с.
- Партала О.Н. Цифровые КМОП микросхемы. - СПб.: Наука и техника, 2001. - 396с.
- Новые микросхемы для блоков питания // Радиоаматор. -2000. - №12. - C.31.
- Трехвыводные стабилизаторы положительного напряжения LM117/ LM217/LM317 (КР1157ЕН1) // Радиоаматор. - 1998. - №7. - C.31.