 |
Практическая работа. Лабораторная работа №1. Подключение светодиода к Аrduino.
|
|
|
|
Практическая работа
Лабораторная работа №1. Подключение светодиода к Аrduino.
Практическую работу с контроллером начнем с традиционной процедуры моргания светодиодом.
Светодиоды почти наверняка будут одними из наиболее часто используемых деталей в проектах. Подключая светодиоды, необходимо соблюдать правильную полярность. Положительный вывод светодиода называется анодом, отрицательный— катодом. Определить назначение контактов светодиода можно визуально: вывод катода короче, чем анода. Ток через светодиод течет только в одном направлении: от анода к катоду. Поскольку ток протекает от положительного полюса к отрицательному, анод светодиода следует подключить к источнику тока (цифровой выход +5 В), а катод к земле. При подключении необходимо также учитывать, что светодиод может быть рассчитан на меньшее напряжение чем-то что мы получаем с ардуино (5 В). Чтобы исключить выход из строя нашего светодиода мы воспользуемся формулами, изученными ранее и посчитаем дополнительное сопротивление, которое включится со светодиодом последовательно и ограничит ток. Немного теории.
Светодиод – один из самых распространенных электронных компонентов, применяемых в электротехнических проектах. И естественно то, что любые проекты начинаются с примеров работы со светом – мигание, мерцание, переключение. Существует огромное количество светодиодов разных вариантов и моделей в разных корпусах и с различными характеристиками.
Главное, что нам нужно знать о светодиодах (кроме того, что они светятся) – что это полупроводниковый прибор. Свет в виде испускаемых фотонов возникает в специальном слое (pn – переходе), когда через него проходит определенный ток. Принцип работы светодиода показан на следующей картинке.
|
|
|
Устройство светодиода
Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.
Светодиод состоит из нескольких частей:
- анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл;
- катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл;
- отражатель;
- кристалл полупроводника;
- рассеиватель.
Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.
Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.
Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.
Цвета светодиодов
Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.
Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.
RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.
|
|
|
Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.
Принцип работы светодиодов
Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.
При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.
Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:
- ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;
- полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.
Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.
Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).
Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.
Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.
Виды светодиодов, классификация
По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.
|
|
|
По типу исполнения выделяют:
- Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света.
- Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.
- Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам.
- Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров.
- Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.
- Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп. Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1, 5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно. Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий.
|
|
|
- Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.
- В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.
Светодиоды могут быть:
- мигающими – используются для привлечения внимания;
- многоцветными мигающими;
- трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
- RGB;
- монохромными.
Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.
Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).
По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.
Полярность светодиодов
При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.
Полярность моно определить несколькими способами:
- Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
- При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.
- При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число, отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
- По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.
Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.
|
|
|
Расчет сопротивления для светодиода
Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.
Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.
Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.
Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.
Рисунок 8. Чем больше сопротивление резистора, тем сильнее он ограничивает ток. Резистор может быть подключен последовательно с любым из выводов светодиода. Полярность подключения для резисторов не важна.
Рис. 8–Установка светодиода на плате Arduino
Подключаем светодиод к контакту 8 Arduino последовательно с резистором,
В этом примере мы установим токоограничивающий резистор номиналом 220 Ом. Нам надо знать напряжение светодиода и его ток после чего по известному нам закону Ома мы сможем найти необходимое нам ограничивающее сопротивление. Все эти параметры можно экспериментально найти, применив мульти метр и лабораторный блок питания.
Пример:
Предположим, что LED1 — стандартный светодиод с прямым током 20 мА и падением напряжения 2 В. Напряжение питания 5 В должно перераспределиться между светодиодом и резистором. Поскольку доля светодиода составляет 2 В, оставшиеся 3 В должны быть приложены к резистору. Зная максимальное значение прямого тока через светодиод (20 мА), можно найти номинал резистора:
R=U/I= 3/0, 02 = 150 Ом.
Таким образом, при сопротивлении резистора 150 Ом через него и светодиод протекает ток 20 мА. По мере увеличения сопротивления ток будет уменьшаться.
Резистор 220 Ом обеспечивает достаточную яркость свечения светодиода, к тому же этот номинал очень распространен.
Еще одно важное соотношение — формула для расчета мощности, которая показывает, сколько ватт рассеивается на каждом компоненте. Увеличение мощности рассеивания связано с ростом тепловыделения прибора. Для каждого компонента, как правило, задается максимально допустимая мощность. Максимальная мощность резистора в нашем примере равна 0, 125 Вт. Формула для расчета мощности выглядит следующим образом:
Р = UI
где Р — мощность, Вт; U— напряжение, В; I— сила тока, А.
Для резистора из схемы на Рисунок 78 при падении напряжения 3 В и силе тока 20 мА
мощность равна
Р = 3 0, 02 = 0, 06 Вт.
Поскольку 60 мВт < 0, 125 Вт = 125 мВт, следовательно, данный резистор не сгорит.
Пример кода включения светодиода к Ардуино.
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT); // объявляем пин 13 как выход
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH); // зажигаем светодиод
delay(1000); // ждем 1 секунду
digitalWrite(13, LOW); // выключаем светодиод
delay(1000); // ждем 1 секунду
}
Пояснения к коду:
1. процедура setup выполняется при запуске микроконтроллера один раз. Используется для конфигурации портов микроконтроллера и других настроек;
2. после выполнения setup запускается процедура loop, которая выполняется в бесконечном цикле. Это мы используем, чтобы светодиод мигал постоянно;
3. процедуры setup и loop должны присутствовать в любой программе (скетче), даже если вам не нужно ничего выполнять в них — пусть они будут пустые, просто не пишите ничего между фигурными скобками.
4. delay(); останавливает программу на заданное количество микросекунд;
5. каждые 500 миллисекунд состояние переменной boolean меняется на противоположное с помощью команды ledState=! ledState.
Пример кода включения светодиода к Ардуино без delay.
unsigned long currentTime; // переменная времени
boolean ledState = 0; // переменная состояния светодиода
void setup() {
pinMode(10, OUTPUT); // объявляем пин 10, как выход
}
void loop() {
if (millis() - currentTime > 500) // проверяем сколько прошло миллисекунд
{
currentTime = millis();
ledState=! ledState; // меняем состояние светодиода на противоположное
digitalWrite(10, ledState);
}
}
Пример кода включения и мигания двух светодиодов к Ардуино.
void setup() {
pinMode(12, OUTPUT); // объявляем пин 12 как выход
pinMode(10, OUTPUT); // объявляем пин 10 как выход
}
void loop() {
digitalWrite(12, HIGH); // зажигаем светодиод
digitalWrite(10, LOW); // выключаем светодиод
delay(1000); // ждем 1 секунду
digitalWrite(12, LOW); // выключаем светодиод
digitalWrite(10, HIGH); // зажигаем светодиод
delay(1000); // ждем 1 секунду
}
Подключение кнопки и светодиода к Ардуино.
Включение и выключение светодиода кнопкой Ардуино производится с помощью подключения одной тактовой кнопки к цифровому пину без подтягивающего резистора. Дело в том, что платы Arduino имеют встроенные резисторы, которыми можно управлять. Для этого следует использовать в pinMode() параметр INPUT_PULLUP, которая сконфигурирует пин на вход с подтягивающим резистором.
Обратите внимание, что при использовании INPUT_PULLUP происходит подтяжка цифрового входа к 5 вольтам, поэтому значение входящего сигнала будет инвертирован. То есть, при отпущенной кнопке, которая подключена к заземлению — GND, на цифровом входе будет высокий сигнал. При нажатии на кнопку — на входе, который сконфигурирован с помощью INPUT_PULLUP, будет низкий сигнал.
Пример кода включения светодиода к Ардуино через кнопку.
boolean buttonWasUp = true;
boolean ledEnabled = false;
void setup() {
pinMode(10, OUTPUT);
pinMode(2, INPUT_PULLUP);
}
void loop() {
// узнаем, отпущена ли кнопка сейчас
boolean buttonIsUp = digitalRead(2);
// если кнопка была отпущена и не отпущена сейчас
if (buttonWasUp & & ! buttonIsUp) {
// исключаем дребезг контактов тактовой кнопки
delay(10);
// и считываем сигнал с кнопки снова
buttonIsUp = digitalRead(2);
// если кнопка нажата, то переворачиваем сигнал светодиода
if (! buttonIsUp) {
ledEnabled =! ledEnabled;
digitalWrite(10, ledEnabled);
}
}
// запоминаем состояние кнопки для новой итерации
buttonWasUp = buttonIsUp;
}
Пояснения к коду:
· boolean — это глобальная переменная Ардуино, которая может принимать всего два значения – true (истина) и false (ложь);
· задержка delay(10); в программе позволяет избежать «дребезг контактов» кнопки и исключить ложное срабатывание.
|
|
|
