Светодиоды и ленты

Светодиод #

Светодиод - простейший индикатор, который можно использовать для отладки кода: его можно включить при срабатывании условия или просто подмигнуть. Светодиод питается током, а не напряжением, и в целом ведёт себя как диод - имеет такую же нелинейную ВАХ:

• Светодиод в цепи нельзя "заменить резистором", потому что он ведёт себя иначе, нелинейно
• Полярен - при неправильном подключении светить не будет
• Имеет характеристику максимального тока, на котором может работать. Для обычных 3 и 5 мм светодиодов это обычно 20 мА
• Имеет характеристику "падение напряжения" или "прямое напряжение" (Forward Voltage), его величина зависит от излучаемого цвета. У красных светодиодов падение составляет ~2.5V, у синих, зелёных и белых ~3.5V. Более точную информацию можно узнать из документации на конкретный светодиод

Подключение #

Как определить плюс (анод) и минус (катод) светодиода? Плюсовая нога длиннее, со стороны минусовой ноги бортик чуть срезан, а сам электрод внутри светодиода - крупнее:

Питание #

Если питать светодиод напряжением ниже его прямого напряжения, то яркость будет не максимальная и здесь никаких драйверов не нужно. То есть красный светодиод можно без проблем питать от пальчиковой батарейки (1.5V). В то же время, кристалл может деградировать со временем (и от нагрева) и прямое напряжение уменьшится, что приведёт к росту тока при том же напряжении питания. Как только мы превышаем прямое напряжение - нужно стабилизировать питание, а именно - ток.

В простейшем случае для обычного светодиода ставят резистор, номинал которого нужно рассчитать по формуле: R = (Vcc - Vf) / I, где Vcc это напряжение питания, Vf - прямое напряжение, I - ток светодиода, а R - искомое сопротивление резистора. Посчитаем резистор для обычного 5 мм светодиода красного цвета при питании от 5V на максимальной яркости (2.5 В, 20 мА): (5 - 2.5) / 0.02 = 125 Ом. Для синего и зелёного цветов получится 75 Ом.

Яркость светодиода нелинейно зависит от тока, поэтому "на глаз" при 10 мА яркость будет практически такая же, как на 20 мА, и величину сопротивления можно увеличить для снижения тока. А вот уменьшать нельзя, как и подключать вообще без резистора. В большинстве уроков и проектов в целом для обычных светодиодов всех цветов ставят резистор номиналом 220 Ом. С резистором в 1 кОм светодиод тоже будет светиться, но уже заметно тусклее. Таким образом, при помощи резистора можно аппаратно задать яркость светодиода.

Можно собрать следующую схему - ограничить максимальную яркость резистором (двумя по 220, дадут 110 Ом) и дополнительно поставить последовательно потенциометр на 10 кОм. Вращая рукоятку, можно будет получить сопротивление от 0 до 10 кОм и соответствующую яркость при разном токе. Светодиод будет светить даже на очень небольшом токе - это его очень полезная особенность.

Для питания мощных светодиодов используют драйверы - источники тока. Драйвер подбирает такое напряжение, чтобы в цепи установился заданный ток.

Управление #

Светодиодная лента #

Светодиодная лента представляет собой цепь соединённых светодиодов. Соединены они не просто так, например обычная 12V лента состоит из сегментов по 3 светодиода в каждом. Сегменты соединены между собой параллельно, то есть на каждый приходят общие 12V. Внутри сегмента светодиоды соединены последовательно, а ток на них ограничивается общим резистором (могут стоять два для более эффективного теплоотвода):

Таким образом достаточно просто подать 12V от источника напряжения на ленту и она будет светиться. За простоту и удобство приходится платить эффективностью: три белых светодиода, каждому нужно по ~3.2V, суммарно это 9.6V. Подключаем ленту к 12V и понимаем, что 2.5V у нас просто уходят в тепло на резисторах. И это в лучшем случае, если резистор подобран так, чтобы светодиод горел на полную яркость.

Подключение к Arduino #

Для подключения можно использовать полевой транзистор или модуль силового ключа:

Питание и мощность #

Светодиодная лента потребляет немаленький ток, поэтому нужно убедиться в том, что выбранный блок питания, модуль или аккумулятор справится с задачей. Потребляемая мощность светодиодной ленты зависит от нескольких факторов:

• Яркость. Максимальная мощность будет потребляться на максимальной яркости
• Напряжение питания (чаще всего 12V). Также бывают 5, 24 и 220V ленты
• Качество, тип и цвет светодиодов: одинаковые на вид светодиоды могут потреблять разный ток и светить с разной яркостью
• Длина ленты. Чем длиннее лента, тем больший ток она будет потреблять
• Плотность ленты, измеряется в количестве светодиодов на метр. Бывает от 30 до 120 штук, чем плотнее - тем больший ток будет потреблять при той же длине и ярче светить

Лента всегда имеет характеристику мощности на погонный метр (Ватт/м), указывается именно максимальная мощность ленты при питании от номинального напряжения. Китайские ленты в основном имеют чуть меньшую фактическую мощность (в районе 80%, бывает лучше, бывает хуже). Блок питания нужно подбирать так, чтобы его мощность была больше мощности ленты, т.е. с запасом как минимум на 20%.

• Пример 1: нужно подключить 4 метра ленты с мощностью 14 Ватт на метр, лента может работать на максимальной яркости. 14 * 4 == 56W, с запасом 20% это будет 56 * 1.2 ~ 70W, ближайший блок питания в продаже будет скорее всего на 100W
• Пример 2: берём ту же ленту, но точно знаем, что яркость во время работы не будет больше половины. Тогда можно взять блок на 70 / 2 == 35W

Важные моменты по току и подключению:

• Подключение: допустим, у нас подключено ленты на 100W. При 12 Вольтах это будет 8 Ампер - весьма немаленький ток! Ленту нужно располагать как можно ближе к блоку питания и подключать толстыми (2.5 кв. мм и толще) проводами. Также при создании освещения есть смысл перейти на 24V ленты, потому что ток в цепи будет меньше и можно взять более тонкие провода: если бы лента из прошлого примера была 24-Вольтовой, ток был бы около 4 Ампер, что уже не так "горячо"
• Дублирование питания: лента сама по себе является гибкой печатной платой, то есть ток идёт по тонкому слою меди. При подключении большой длины ленты ток будет теряться на сопротивлении самой ленты, и чем дальше от точки подключения - тем слабее она будет светить. Если требуется максимальная яркость на большой длине, нужно дублировать питание от блока питания дополнительными проводами или ставить дополнительные блоки питания вдоль ленты. Дублировать питание рекомендуется каждые 2 метра, потому что на такой длине просадка яркости становится заметной уже почти на всех лентах
• Охлаждение: светодиоды имеют не 100% КПД, плюс ток в них ограничивается резистором и как результат - лента неслабо греется. Рекомендуется приклеивать яркую и мощную ленту на теплоотвод - алюминиевый профиль. Так она не будет отклеиваться и проживёт гораздо дольше

Видео #