Линейные индикаторы на светодиодах.
Автор: Tro-Sha
Опубликовано 15.05.2008
В 1984 году болгарский инженер Кирил Мечков в журнале "Радио, телевизия, електроника" предложил схемы двухцветных линейных индикаторов напряжения на светодиодах. Принцип действия основан на разнице в напряжениях зажигания светодиодов красного и зеленого свечения. Схемы работают при приложении к входу положительного, относительно корпуса, напряжения. Во всех приведенных схемах VD1. VD10-светодиоды красного свечения, VD11. VD20-зеленого.
Схема, изображенная на Рис.1, работает следующим образом. При нулевом напряжении на входе транзисторы VT1. VT10 закрыты. Ток от источника +30В протекает через стабилизатор тока, собранный на транзисторе VT11 и резисторах R11. R13, и зеленые светодиоды с напряжением зажигания 1,9-2,0В. Высвечивается зеленая линейка. По мере увеличения входного напряжения транзистор VT1 открывается и ток начинает течь как через VD11, так и через VD1. При полностью открытом транзисторе VT1 светодиод VD1, с напряжением зажигания 1,5-1,6В, оказывается подключенным параллельно VD11 и шунтирует последний. В линейке гаснет зеленый светодиод и зажигается красный. При дальнейшем увеличении входного напряжения процесс повторяется для VT2, VD2, VD12 и так далее до VT10. Зеленая линейка на шкале заменяется красной.
Стабилизатор тока VT11 уменьшает влияние входного напряжения на яркость свечения светодиодов(для его нормальной работы и требуется питание схемы +30В).
В схеме на Рис.2 при нулевом входном напряжении транзисторы VT1. VT10 открыты, и светится красная линейка. По мере увеличения входного напряжения транзисторы, начиная с VT1 последовательно закрываются, гася красные светодиоды и зажигая зеленые.
В схеме на Рис.3, при отсутствии входного напряжения, VT1. VT10 закрыты. Светятся зеленые светодиоды и один красный (полоса с курсором). При увеличении входного напряжения VT1 открывается и подключает к корпусу светодиод VD2. Зажигаясь, VD2 шунтирует последовательно соединенные VD1 и VD11 и гасит их. Зеленая линейка укорачивается, курсор перемещается вслед за ней. И так далее до полного погасания индикаторной полосы.
Схема на Рис.4 работает по обратному принципу. При нулевом напряжении на входе светодиоды не горят, так как зашунтированы открытыми транзисторами VT1. VT10. При повышении входного напряжения, сначала закрывается транзистор VT1. Ток начинает протекать через светодиоды VD1 и VD11. В индикаторной полосе зажигаются зеленая и красная точки. При закрывании, под действием входного напряжения, транзистора VT2 VD1 гаснет, но зажигаются VD2 и VD12 и продолжает гореть VD11. Зеленая полоса увеличивается, красный курсор перемещается.
В схемах можно использовать транзисторы широкого применения с напряжением коллектор-эмиттер не ниже 30В из серий КТ315, КТ361, КТ3102, КТ3107, и.т.п.
Шкáльный светодиодный индикатор — это знакосинтезирующий дискретный показывающий прибор, предназначенный для визуального отображения уровней или значений величин в виде количества или положения элементов индикации на дискретной шкале. Это разновидность матричного индикатора, в котором есть только одна строка. Шкальный, или линейный индикатор имеет несколько однотипных элементов индикации, расположенных вдоль прямого отрезка или кривой линии. Светодиодные шкальные индикаторы выпускаются на различное количество элементов индикации, в зависимости от назначения. При необходимости изготовления шкалы значительной длины, индикаторы устанавливают друг за другом.
Основное назначение шкальных индикаторов — визуальное отображение уровня сигнала в различных приборах. Элементы индикации в шкальном индикаторе чаще всего имеют статичное управление, при котором каждый элемент (пиксел) управляется отдельно. Для удобства восприятия разные участки шкалы делают разного цвета. Например, начальную часть — зеленую в диапазоне допустимых значений, затем — желтую в области предельных значений и красную для индикации превышения уровня сигнала.
Для управления шкалой светодиодов в советские времена была разработана специальная микросхема ИД11 (серия 155,555,554 и другие). Она позволяет напрямую подключить светодиодную шкалу к выходу АЦП. При этом получается шкала с заполнением, когда светятся все светодиоды от нулевой позиции до показываемого значения.
Еще один вариант управления светодиодной шкалой предоставляет микросхема A277D или UAA180 (наш аналог К1003ПП1). Эта микросхема уже содержит аналого-цифровой преобразователь и драйверы светодиодов. Она позволяет создать шкалу с заполнением и без в зависимости от схемы включения и управляет 12 светодиодами. Имеется возможность задать яркость свечения, начальное значение и диапазон измерения. Возможно каскадное включение для увеличения длины шкалы.
В настоящее время, с развитием микроконтроллеров, стало проще управлять шкалой программным способом. Все светодиоды индикатора подключаются к выводам микроконтроллера. При таком управлении, возможна индикация максимумов динамического сигнала, когда текущее значение показывается в виде заполненной шкалы, а максимальное — в виде светящейся точки. Максимальное значение горит не более секунды, но хорошо показывает динамику измеряемого сигнала.
Шкальные светодиодные индикаторы применяются в бытовых приборах для индикации уровня заряда батареи, качества или уровня сигнала, везде где не требуется высокая точность, но нужна наглядность и простота.
Лисицын Б.Л. Низковольтные индикаторы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1985. — С. 63–66, 95–101, 108–123, 132–135.
Микросхемы LM3914, LM3915 и LM3916 фирмы National Semiconductors позволяют строить светодиодные индикаторы с различными характеристиками — линейной, растянутой линейной, логарифмической, специальной для контроля аудиосигнала.
Uоп = (R2/R1+1)x1,25В + I8R2,
где R1 — сопротивление резистора, подключенного между выводами 7 и 8, R2 — сопротивление резистора, подключенного между выводом 8 и общим проводом, I8 — вытекающий ток вывода 8, составляющий около 100 мкА.
Переключение между режимами «точка» и «столбик» производится управлением по выводу 9. При подключении этого вывода к плюсу источника питания микросхемы (вывод 3) реализуется режим «столбик», если же вывод оставить свободным или подключить к общему проводу — «точка». Порог переключения между режимами примерно на 100 мВ ниже напряжения на выводе питания 3.
Параметры микросхемы LM3914 приведены в табл. 2.
Входное сопротивление микросхемы весьма велико, поэтому в большинстве случаев при расчете номинала резистора R1 его можно не учитывать.
Интересна роль резистора R3, его сопротивление определяет ток через светодиоды. На рис. 3 представлены начальные участки выходных характеристик генераторов тока, включающих светодиоды, при различных значениях тока нагрузки источника опорного напряжения lL(REF) (ток вывода 7). Как видно из рис. 3, ток через каждый свето-диод примерно в 10 раз больше тока нагрузки источника опорного напряжения.
Возможна подача опорного напряжения, например, 10 В от внешнего источника (рис. 4). В этом случае диапазон входного напряжения составляет 0… 10 В, а при указанном на схеме сопротивлении резистора R3, так же, как и для варианта по схеме на рис. 2, номинальный ток через светодиоды равен 10 мА.
При необходимости индикации числа уровней, большего 10, можно использовать несколько микросхем, соединив их каскадно, допустимо соединение до пяти микросхем. Возможный вариант соединения двух микросхем LM3914 приведен на рис. 11, следует обратить внимание на следующее. Источник опорного напряжения микросхемы DA1 работает в обычном режиме и нагружен на резистор R3, что обеспечивает ток 10 мА через подключенные к этой микросхеме светодиоды. Минусовый вывод источника микросхемы DA2 подключен к плюсовому выводу первого источника и обеспечивает между входами UB и UH микросхемы DA2 напряжение 1,2 В, «поднятое» вверх на 1,2 В. Источник микросхемы DA2 нагружен на резистор R4, что задает ток через светодиоды, подключенные к этой микросхеме, той же величины, что и через светодиоды DA1.
Для обеспечения режима «столбик» достаточно выводы 9 каждой микросхемы соединить с выводами 3. Сложнее с режимом «точка», для него необходимо гашение светодиода HL10 при включении любого из светодиодов HL11— HL20. Сигнал о необходимости гашения HL10 поступает с выхода 1 DA2 на вход 9 DA1. Если включен любой из светодиодов HL11—HL20, падение напряжения на HL1 составляет не менее 1 В, поскольку через него проходит или рабочий ток светодиода, или специально формируемый микросхемой DA2 ток порядка 150 мкА (допуск— 60…450мкА), не вызывающий заметного свечения обычных (не супе-рярких) светодиодов. Это падение сравнивается специальным компаратором микросхемы DA1 с напряжением питания светодиодов. Для подачи этого напряжения на второй вход компаратора, соединенный с выводом 11 (выход 9) DA1, служит резистор R5.
Делитель напряжения микросхемы имеет очень хорошую точность, однако для реализации потенциальных возможностей микросхемы следует тщательно подойти к разводке цепей общего провода. Ток вывода 2, который в режиме «столбик» может доходить до 300 мА, не должен протекать по проводникам, через которые подключаются нижний вывод резистивного делителя микросхемы (вывод UH)f источник входного сигнала и минус источника опорного напряжения. В режиме «столбик» по проводнику, соединяющему выводы 9 и 3, не должны протекать токи светодиодов.
Для четкой работы индикатора рекомендуется «цену деления» устанавливать не менее 20 мВ в режиме «столбик» и 50 мВ в режиме «точка».