Простые мигалки на основе светодиодной ленты (LED)
Две схемы очень простых мигающих устройств на основе светодиодной ленты, использованы мигающие светодиоды и полевые транзисторы. Цветные светодиодные ленты можно успешно использовать в качестве гирлянд на новогодней ёлке, а так же в рекламе и других случаях, когда нужно световое оформление. Собственно, светодиодные ленты бывают одноцветные и трехцветные (RGB).
При подаче напряжения 12V на ленту её светодиоды светятся. У RGB-ленты три группы светодиодов, соответственно, красного, зеленого и синего цвета. Для того чтобы светодиодные ленты мигали нужно прерывать ток питания.
Принципиальная схема
На рисунке 1 показана схема простейшего прерывателя тока для одной одноцветной светодиодной ленты. Схема состоит из мигающего светодиода и полевого ключевого транзистора. Генератором импульсов служит мигающий светодиод, а усилителем тока — транзистор.
Когда мигающий светодиод зажигается напряжение на резисторе R1, через который поступает на него ток, резко увеличивается. Это напряжение поступает на затвор полевого транзистора, поэтому он открывается и подает питание на светодиодную ленту. При гашении мигающего светодиода напряжение на R1 резко падает, что приводит к закрыванию полевого транзистора. Светодиодная лента гаснет.
Рис. 1. Принципиальная схема простейшего прерывателя тока для одной одноцветной светодиодной ленты.
В этой схеме светодиодная лента мигает синхронно с мигающим светодиодом. Для переключения двух светодиодных лент нужно схему дополнить еще одним полевым ключевым транзистором (рис.2), но так, чтобы он открывался тогда, когда первый транзистор закрыт. С этой целью напряжение на затвор второго полевого транзистора поступает со стока первого.
Когда мигающий светодиод зажигается напряжение на резисторе R1, через который поступает на него ток, резко увеличивается. Это напряжение поступает на затвор полевого транзистора VТ1, поэтому он открывается и подает питание на первую светодиодную ленту (или первую группу светодиодов трехцветной ленты).
В то же время, напряжение на стоке VТ1 резко падает. VТ2 закрывается и питание на вторую светодиодную ленту (или вторую группу светодиодов трехцветной ленты) не поступает.
Рис. 2. Схема для переключения двух светодиодных лент.
При гашении мигающего светодиода закрывается транзистор VТ1. Первая светодиодная лента (или первая группа светодиодов трехцветной ленты) гаснет.
Но, закрывшись VТ1 увеличивает напряжение на своем стоке. VТ2 открывается и подает питание на вторую светодиодную ленту (или вторую группу светодиодов трехцветной светодиодной ленты).
В этой схеме две светодиодные ленты (или две группы светодиодов трехцветной светодиодной ленты) переключаются с частотой мигания мигающего светодиода.
Светодиоды и ленты
Светодиод – простейший индикатор, который можно использовать для отладки кода: его можно включить при срабатывании условия или просто подмигнуть. Но для начала его нужно подключить.
Подключение светодиода
Светодиод – это устройство, которое питается током, а не напряжением. Как это понимать? Яркость светодиода зависит от тока, который через него проходит. Казалось бы, достаточно знания закона Ома из первого урока в разделе, но это не так!
- Светодиод в цепи нельзя заменить “резистором”, потому что он ведёт себя иначе, нелинейно.
- Светодиод полярен, то есть при неправильном подключении он светиться не будет.
- Светодиод имеет характеристику максимального тока, на котором может работать. Для обычных 3 и 5 мм светодиодов это обычно 20 мА.
- Светодиод имеет характеристику падение напряжения (Forward Voltage), величина этого падения зависит от излучаемого цвета. Цвет излучается кристаллом, состав которого и определяет цвет. У красных светодиодов падение составляет
2.5 вольта, у синих, зелёных и белых
Если питать светодиод напряжением ниже его напряжения падения, то яркость будет не максимальная, и здесь никаких драйверов не нужно. То есть красный светодиод можно без проблем питать от пальчиковой батарейки. В то же время кристалл может деградировать и напряжение уменьшится, что приведёт к росту тока. Но это редкий случай. Как только мы превышаем напряжение падения – нужно стабилизировать питание, а именно – ток. В простейшем случае для обычного светодиода ставят резистор, номинал которого нужно рассчитать по формуле: R = (Vcc — Vdo) / I , где Vcc это напряжение питания, Vdo – напряжение падения (зависит от светодиода), I – ток светодиода, а R – искомое сопротивление резистора. Посчитаем резистор для обычного 5 мм светодиода красного цвета при питании от 5 Вольт 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 такая же, как на 20 мА, и величину сопротивления можно увеличить. 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. Как определить плюс (анод) и минус (катод) светодиода? Плюсовая нога длиннее, со стороны минусовой ноги бортик чуть срезан, а сам электрод внутри светодиода – крупнее: 
Мигаем
Мигать светодиодом с Ардуино очень просто: подключаем катод к GND, а анод – к пину GPIO. Очень многие уверены в том, что “аналоговые” пины являются именно аналоговыми, но это не так: это обычные цифровые пины с возможностью оцифровки аналогового сигнала. На плате Nano пины A0-A5 являются цифровыми и аналоговыми одновременно, а вот A6 и A7 – именно аналоговыми, то есть могут только читать аналоговый сигнал. Так что подключимся к A1, настраиваем пин как выход и мигаем!
Как избавиться от delay() в любом коде я рассказывал вот в этом уроке.
Мигаем плавно
Как насчёт плавного управления яркостью? Вспомним урок про ШИМ сигнал и подключим светодиод к одному из ШИМ пинов (на Nano это D3, D5, D6, D9, D10, D11). Сделаем пин как выход и сможем управлять яркостью при помощи ШИМ сигнала! Читай урок про ШИМ сигнал. Простой пример с несколькими уровнями яркости:
Подключим потенциометр на A0 и попробуем регулировать яркость с его помощью:
Как вы можете видеть, все очень просто. Сделаем ещё одну интересную вещь: попробуем плавно включать и выключать светодиод, для чего нам понадобится цикл из урока про циклы.
Плохой пример! Алгоритм плавного изменения яркости блокирует выполнение кода. Давайте сделаем его на таймере аптайма.
Теперь изменение яркости не блокирует выполнение основного цикла, но и остальной код должен быть написан таким же образом, чтобы не блокировать вызовы функции изменения яркости! Ещё одним вариантом может быть работа по прерыванию таймера, см. урок.
Ещё один момент: если подключить светодиод наоборот, к VCC, то яркость его будет инвертирована: 255 выключит светодиод, а 0 – включит, потому что ток потечет в другую сторону:
Светодиодные ленты
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 12 Вольт. 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. Простая математика: 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.
Подключаем к Arduino
Здесь всё очень просто: смотрите предыдущий урок по управлению нагрузкой постоянного тока. Управлять можно через реле, транзистор или твердотельное реле. Нас больше всего интересует плавное управление яркостью, поэтому продублирую схему с полевым транзистором: 
Конечно же, можно воспользоваться китайским мосфет-модулем! Пин VCC кстати можно не подключать, он никуда не подведён на плате. 
Управление
Подключенная через транзистор лента управляется точно так же, как светодиод в предыдущей главе, то есть все примеры кода с миганием, плавным миганием и управление потенциометром подходят к этой схеме. Про RGB и адресные светодиодные ленты мы поговорим в отдельных уроках.
Питание и мощность
Светодиодная лента потребляет немаленький ток, поэтому нужно убедиться в том, что выбранный блок питания, модуль или аккумулятор справится с задачей. Но сначала обязательно прочитайте урок по закону Ома! 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
Как сделать мигающий светодиод своими руками
Особенности человеческого восприятия таковы, что мы лучше замечаем не величину параметра, а его изменение. Поэтому во всех системах предупредительной и аварийной сигнализации применяются прерывистые звуки и свечение. Так проще привлечь внимание оператора или других людей. Подобное решение используется и в других целях. Например, в рекламе. Поэтому мигающий светодиод находит широкое применение в самых разных электронных схемах.
Что нужно для изготовления
Можно купить готовый светодиод, который при подаче питающего напряжения начнет мигать. В таком приборе, помимо обычного p-n перехода, имеется встроенная электронная схема, выполненная по следующему принципу:
Основой прибора служит задающий генератор. Он вырабатывает импульсы с относительно высокой частотой – несколько килогерц или десятков килогерц. Рабочая частота определяется параметрами цепочки RC. Емкость и сопротивление конструктивные – ими служат элементы устройства светодиода. Таким способом большую емкость получить не удается без существенного увеличения габаритов прибора. Поэтому произведение RC невелико, и работа на высоких частотах – вынужденная мера. При частоте в несколько килогерц человеческий глаз не различает мигание светодиода, и воспринимает его как постоянное свечение, так что вводится дополнительный элемент – делитель частоты. Последовательным делением он снижает частоту до нескольких герц (зависит от напряжения питания). Такое решение по массогабаритным показателям выгоднее применения конденсатора с большой емкостью. Наименьшее напряжение питания готового мигающего светодиода — около 3,5 вольт.
Как сделать мигающий светодиод
Мигающий светодиод сделать самостоятельно несложно. Во многих случаях понадобятся всего несколько дополнительных элементов. Простые варианты схем приведены ниже.
Мигалка на одном транзисторе
Подобную мигалку несложно сделать своими руками всего на одном транзисторе.
Схема собрана на однопереходном транзисторе. Можно установить отечественный элемент КТ117, можно подобрать зарубежный аналог. Частота колебаний обратно пропорциональна произведению R1C1. Номиналы и назначение элементов указаны в таблице.
| R1 | C1 | R2 | R3 |
| От нескольких килоом до десятков килоом. Совместно с С1 задает частоту генератора. | Для получения частоты 1..3 Гц надо выбирать значение 10..100 мкФ, корректировать частоту подбором R1. | Ограничивает ток через транзистор и светодиод. Выбирается в зависимости от напряжения питания, при 10 В для установки тока в 10 мА номинал должен быть 1 кОм. | Несколько десятков Ом |
Напряжение питания может лежать в пределах от 4,5 до 12 вольт. Недостатком схемы является применение оксидного конденсатора больших размеров – намного больше самого светодиода. Зато содержит мало элементов и работает сразу после безошибочной сборки. Если однопереходный транзистор приобрести не удастся, можно сделать его аналог на двух биполярных транзисторах.
Можно использовать два любых транзистора структуры p-n-p и n-p-n. Например, отечественные пары КТ315 и КТ316, КТ3102 и КТ3107 или любые другие приборы российского или зарубежного производства.
Мигающий светодиод от батарейки
Указанная схема проста, несложна в изготовлении, не нуждается в наладке (кроме, может быть, подбора параметров времязадающей цепочки). Но у нее есть особенность, которая в некоторых ситуациях может стать критической – для ее питания потребуется напряжение от 4,5 В. Такое напряжение потребует минимум трех пальчиковых батарей или CR2032. И даже небольшое снижение питания вследствие разряда может привести к неработоспособности схемы.
Почти всем распространенным светоизлучающим элементам для свечения требуется напряжение от 1,6 В (а зачастую и от 3 В), поэтому построить простую схему мигающего светодиода для питания от полуторавольтовой батарейки нельзя. Но можно сделать относительно сложную – с удвоением напряжения.
На транзисторах VT1, VT2 собран генератор, задающий частоту и длительность вспышек (их определяют цепочки R1C1 и C1R2 соответственно). Во время паузы заряжается конденсатор С2 почти до уровня питания. Во время свечения ключ VT3 открывается, VT2 закрывается, и емкость оказывается включенной последовательно с источником питания. Так напряжение на светодиоде удваивается.
Диод VD1 должен быть германиевым. На кремниевом диоде в открытом состоянии падение напряжения будет около 0,6 В – в данном случае это очень много.
Самый простой контроллер для RGB-ленты на трех транзисторах
Для создания эффекта поочередного изменения RGB светодиодов ленты предлагается собрать несложную электронную схему управления. Напряжение с каждого из трех выходов автоколебательного кольцевого мультивибратора поочередно поступает на вход R, G или B полосы светодиодов. В определенный момент времени горит только красный, зеленый либо синий цвет. Длительность переключения задается параметрами задающей время цепи из резистора и конденсатора.
Необходимые детали, инструменты
- Полевой n-канальный МОП-транзистор типа IRFZ44. Применяется в регулируемых источниках тока, стабилизированных преобразователях, системах управления, контроля электронных узлов и блоков.
- Алюминиевый электролитический конденсатор емкостью 2,2 микрофарады с рабочим напряжением не менее 25 вольт. Номинальные параметры указаны на корпусе.
- Постоянный резистор с мощностью рассеивания тепла не меньше 0,125 ватт и активным сопротивлением 1 мегомов.
Узел подключается к светодиодной трехцветной ленте типа SMD5050 или аналогичной с 12-вольтным питанием. На полосе размещены модули, каждый из которых содержит 3 трехцветных диода. Соответствующие клеммы цвета и питания, соединяясь параллельно, выведены на точки подключения на полотне. Управляющие сигналы каждого свечения поданы на светодиоды через персональный токоограничивающий резистор. Параллельно соединенные модули размещены на ленте длиной до 5 метров.
Для надежного соединения радиодеталей подойдет любой паяльник. Придать выводам удобную для работы форму, выгнуть их и отрезать до нужной длины помогут плоскогубцы, кусачки или нож. Узел работает от постоянного источника тока 12 вольт.
Сборка схемы контроллера
Деталей мало, поэтому удобно сделать монтаж навесным способом, когда элементы припаивают непосредственно друг к другу без промежуточных контактов, опор или сборочных плат.
Кристалл транзистора размещен внутри пластмассового корпуса. Расположенный по центру «Сток» соединен также с большим металлическим теплоотводом. Обычно он используется для крепления к стенке электронного блока. Металл радиатора легко лудить, поэтому удобно использовать его как контактную площадку для припаивания сопротивления.
Второй его конец соединяется с выводом «Затвор» следующего элемента.
Аналогично подключается третий транзистор, но его «Сток» соединятся через резистор с электродом «Затвор» первого каскада, образуя кольцо.
Конденсатор включается между электродами «Затвор» и «Исток» каждого транзистора. Предварительно необходимо правильно определить полярность компонента по маркировке на корпусе. Обычно отмечен отрицательный электрод, который паяем на «Исток».
Отрезком провода соединяются между собой «Исток» всех транзисторов, создавая шину подключения клеммы «минус» блока питания. Жесткие электроды транзисторов легко раздвинуть и придать устойчивую форму, чтобы избежать случайных коротких замыканий.
На светодиодном полотне обозначены точки включения «R», «G» и «B». Отрезками изолированного провода каждая из них подключается к «Сток» одного из транзисторов.
«Плюс» источника тока соединяется с клеммой «+» ленты, «минус» припаивается к шине «Исток» транзисторов.
Собранный из исправных деталей при полном соответствии монтажа принципиальной схеме контроллер начинает работать после включения без необходимости предварительной настройки или подбора параметров элементов. Частота переключения уменьшится при увеличении номинала емкости и наоборот.
Совет
Паять будет легче и быстрее, если выводы радиодеталей предварительно залудить. Работая с паяльником, нужно позаботиться о нормальном проветривании помещения, соблюдать осторожность, чтобы не получить тепловой ожог или поражение электричеством.