沒(méi)有電子產(chǎn)品，無(wú)論是業(yè)余愛(ài)好者還是專業(yè)人士，都不會(huì)與 LED 打交道。這些是基本組件之一，盡管它們的作用只是照明和信號(hào)。在我看來(lái)，構(gòu)建您自己的“閃光燈”和其他照明效果是一項(xiàng)令人滿意的活動(dòng)，也是使用烙鐵或編程器的一個(gè)很好的理由。

不管怎樣，時(shí)不時(shí)有人會(huì)問(wèn)如何計(jì)算 LED 的電阻……

什么是 LED?

發(fā)光二極管是半導(dǎo)體二極管的一種，電流流過(guò)PN結(jié)的副作用是發(fā)射一定長(zhǎng)度的光。每個(gè) PN 結(jié)都會(huì)發(fā)光，但通常很少。在 LED 的情況下，通過(guò)選擇合適的元素和化合物，這種效果可以提高很多倍。

每個(gè)LED的基本參數(shù)是它的正向電壓Vf和正向電流If。LED 是電流控制元件，而不是電壓控制元件。正向電壓對(duì)于正確選擇限流電阻很重要。在彩色 LED 的情況下，我們還有發(fā)射光的長(zhǎng)度 ?。白光 LED 具有給定的色溫和 CRI 值，即顯色指數(shù)。我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)各種二極管的其他典型參數(shù)，例如反向電流、擊穿電壓或功耗。

第二組重要的 LED 參數(shù)是關(guān)于外殼的信息。這里的選擇非常多，從直徑為 3 和 5 毫米的傳統(tǒng)圓形二極管，到各種尺寸的微型 SMD 二極管，再到高度專業(yè)化的二極管。后者包括，例如，一個(gè) SMD 二極管發(fā)光“到板” - 這個(gè)想法是板應(yīng)該在這個(gè)地方有一個(gè)洞。為什么要混呢?好吧，因?yàn)槟梢杂脦в?LED 燈孔的薄膜鍵盤(pán)覆蓋面板 - 我在飛利浦新安怡吸乳器的面板上遇到了這樣的解決方案。右側(cè)是圓形 3mm/5mm 外殼中典型小型 LED 的示意圖。以下是通孔外殼中各種 LED 的示例。

LED 也以集成模塊的形式提供，在這一類中，我們會(huì)找到 LED 條、七段、十四段和十六段顯示器或 5x7 或 8x8 LED 矩陣。下面是一個(gè)四位七段顯示器的例子。功率 LED 可以由許多串并聯(lián)配置的較小二極管組成，類似于假裝傳統(tǒng)的白熾燈的二極管條。此外，在一個(gè)外殼中可以有多個(gè)不同顏色的獨(dú)立二極管，以及集成電路，但更多內(nèi)容在下面。無(wú)論如何，選項(xiàng)太多了，很難在一篇文章中涵蓋所有內(nèi)容。

如何為L(zhǎng)ED選擇電阻?

一般公式為：

R = (Vcc - Vf) / If

其中 Vcc 是電源電壓，Vf 是 LED 的正向電壓，If 是 LED 所需的正向電流。后一個(gè)參數(shù)影響二極管的亮度。以及如何知道二極管的正向電壓?正如我提到的，此信息在二極管數(shù)據(jù)表中。如果我們沒(méi)有注釋，那么我們可以測(cè)量這個(gè)值。我們通過(guò) 220 電阻為二極管提供 5V 電壓?并測(cè)量陽(yáng)極和陰極之間的電壓。萬(wàn)用表中的二極管測(cè)試以類似的方式工作，盡管并非每個(gè)萬(wàn)用表都能很好地應(yīng)對(duì) LED。

為了讓初學(xué)者的生活更輕松，下面列出了各種 LED 顏色的典型正向電壓值，以及 12.5mA、15mA 和 20mA 典型正向電壓和 3.3V 典型電源電壓的計(jì)算電阻值表, 5V, 9V, 12V, 15V 和 24V。如果我們想要獲得比表中更低的電流，我們將電阻乘以二，對(duì)于低三倍的電流，我們乘以三。電阻值應(yīng)四舍五入到 E24 系列中最接近的值。對(duì)于 20mA，最好四舍五入。選好電阻后，根據(jù)公式計(jì)算其損耗功率：P = R *

If^2 紅外線：1.9V

二極管主要用于無(wú)線電遙控器和用作在假定的黑暗中看東西的照相機(jī)的照明器。

紅色：1.6-2V

最早發(fā)明的 LED 二極管之一。經(jīng)常出現(xiàn)在顯示器中并用作電源指示器。這種顏色在晚上不會(huì)使眼睛疲勞，并且從很遠(yuǎn)的距離也不太明顯。

琥珀色/橙色：2-2.1V

我強(qiáng)烈推薦電源指示燈的顏色——它有點(diǎn)像老式的霓虹燈，和紅色一樣不刺眼。

黃色：2.1-2.2V

我很喜歡這個(gè)顏色。它非常適合七段顯示器，白天和晚上都可讀，盡管在黑暗中它可能有點(diǎn)刺眼。

綠色：1.9-4V

人眼最能分辨的顏色(這就是為什么真正的夜視鏡給出綠色單色圖像的原因)。顏色清晰可見(jiàn)，因此晚上的電源指示燈可能會(huì)有些煩人。這種顏色的七段顯示器總是讓我想起收銀機(jī)。廣泛的可用電壓范圍源于所用材料的多樣性。

藍(lán)色：2.5-3.7V

我個(gè)人討厭的顏色。在所有功率指示器和七段顯示器中都非常受歡迎。多年以來(lái)，它總是會(huì)傷害眼睛并在晚上煩人。在業(yè)余建筑中使用它對(duì)我來(lái)說(shuō)是媚俗和無(wú)味的標(biāo)志。它也與中國(guó)垃圾有關(guān)。

紫羅蘭色：2.8-4V

到目前為止，我只見(jiàn)過(guò)這種顏色的 LED 一次，但印象不深。它不像藍(lán)色 LED 燈那么煩人，但我認(rèn)為這些 LED 燈除了作為“裝飾品”之外沒(méi)有任何其他用途。

紫外線：3.1-4.4V

這些二極管主要來(lái)自檢查鈔票真?zhèn)蔚蔫€匙鏈。它們也可以作為在黑暗中看到并執(zhí)行消毒功能的相機(jī)的照明器的替代形式。用這些 LED 建造消毒站已成為近來(lái)頗受歡迎的項(xiàng)目。

　　白色 LED

　　在上面的陳述中，我沒(méi)有包括重要的顏色，即白色。這不是我的疏忽，而是故意的。首先，您需要回答一個(gè)非常重要的問(wèn)題：

　　白色 LED 是什么顏色?

　　不，它不是白色的。此外，白色 LED 在很多方面都不是白色的。我們將從更簡(jiǎn)單的方法開(kāi)始，即使用紅色、綠色和藍(lán)色 LED 來(lái)獲得白色。這就是白色在彩色電視和 CRT 顯示器中的形成方式。這很好用，但顯色指數(shù)可能不是最好的。可以使用第二種更流行的方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，但代價(jià)是性能略有下降。

　　后一種的白色LED是什么顏色?

　　它不是白色，而是黃色或橙色。它是黃色或橙色的，因?yàn)樗撬{(lán)色或紫外線。與表象相反，這是有道理的。簡(jiǎn)單地，藍(lán)色或 UV 二極管覆蓋有熒光燈已知的對(duì)這些顏色敏感的磷光體混合物，以便以二次發(fā)光的形式獲得白色。因此，白色二極管應(yīng)像藍(lán)色或 UV 二極管一樣對(duì)待。正如德州儀器在其白光 LED 電源應(yīng)用說(shuō)明中所述，正向電壓可以為 3-5V，但典型的 LED 在 3.1-3.7V 范圍內(nèi)。為了走捷徑，上面列表中的藍(lán)色、紫色和紫外線二極管的表格將是合適的。

　　LED串聯(lián)

　　電阻法

　　這種方法簡(jiǎn)單且便宜，但由于 dipd 參數(shù)的分布，這些 LED 可能無(wú)法以相同的亮度發(fā)光。計(jì)算時(shí)，使用最低的正向電壓，而不是最高的。計(jì)算電阻的公式如下所示：

　　R = (Vcc - ( Vf1 + Vf2 + Vf3 + ... + Vfn )) / If

　　這個(gè)公式在連接不同顏色的 LED 時(shí)特別有用。對(duì)于相同類型的二極管，公式如下所示：

　　R = (Vcc - ( Vf min * n )) / If

　　其中 n 是串聯(lián)二極管的數(shù)量。實(shí)際電流將低于假定值。

　　當(dāng)前來(lái)源

?

　　在此解決方案中，我們穩(wěn)定了電流，因此我們(幾乎)根本不關(guān)心正向電壓。重要的是所用晶體管的發(fā)射極-集電極電壓高于電源電壓，并且二極管的最大正向電壓之和比電源電壓低約 1V。讓我們看看左邊的圖表。

　　圖中只有三個(gè) LED，但可能更多。理論上最大供電電壓為45V，實(shí)際中受限于Q1三極管的損耗功率，進(jìn)而受限于最大集電極-發(fā)射極電壓Vce。R2 的值根據(jù)所需的電流來(lái)選擇。下表將對(duì)此有所幫助，其中包含典型電流、E24 5% 系列的電阻值，以及 BC547C 晶體管可提供的最大功率下的最大 Vce 電壓。

如果我們想用微控制器控制二極管，將 R1 連接到輸出就足夠了，而不是連接到 Vcc。如果我們需要更高的電源電壓，那么我們選擇具有相應(yīng)更高 Vceo 電壓的晶體管，并且 Q1 也應(yīng)該具有更高的允許耗散功率。我們還根據(jù)電壓的增加按比例增加 R1 的值。

LED 顯示屏和矩陣

如果我們想同時(shí)控制許多 LED 或使用顯示器或 LED 矩陣傳達(dá)信息，我們需要解決控制問(wèn)題。將每個(gè)二極管連接到微控制器的一個(gè)輸出以單獨(dú)控制它是沒(méi)有意義的。例如，四位七段顯示器需要 32 個(gè)輸出(包括點(diǎn))。這個(gè)問(wèn)題在真空管時(shí)代已經(jīng)解決了，更具體地說(shuō)，是數(shù)碼管和 VFD 管。這些管有一個(gè)公共陽(yáng)極和一組陰極，每個(gè)陰極在數(shù)碼管中打開(kāi)一個(gè)數(shù)字或字符，或一個(gè)VFD 管中的段(或稱為 Panaplex 的七段數(shù)碼管變體)。各燈的陰極并聯(lián)，陽(yáng)極依次導(dǎo)通。以這種方式構(gòu)造的顯示器需要與其中的管子一樣多的陽(yáng)極線，以及與陰極線一樣多的陰極線，其中最多的燈有多少。二極管和 LED 顯示器的出現(xiàn)使事情變得更容易，因?yàn)樗梢越档碗娫措妷海瑥亩?jiǎn)化控制系統(tǒng)。它還提供了一種通過(guò)將陰極而不是陽(yáng)極連接在一起來(lái)控制顯示器的替代方法

共陰極還是共陽(yáng)極?

一般驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極和共陰極顯示器沒(méi)有太大區(qū)別。只有用于從組中選擇顯示器的晶體管類型和控制信號(hào)的極性會(huì)改變。我們以一組四個(gè)七段顯示器為例。 一、共陽(yáng)極：

電阻器 R1-R4 和 PNP 晶體管 Q1-Q4 用于選擇四個(gè)顯示器之一。電阻器 R5-R12 選擇要點(diǎn)亮的二極管的各個(gè)陰極。它們的值是根據(jù)顯示器中二極管的電流 If 和電壓 Vf 選擇的。R1-R4 的典型值為 10kΩ。晶體管的最大允許電流應(yīng)為 8 * If。在該電路中，信號(hào)極化反轉(zhuǎn)，陽(yáng)極(到 R1-R4)和陰極(R5-R12)輸出默認(rèn)為高電平。控制序列如下所示：

1. 我們將低狀態(tài)設(shè)置為 R1。

2. 在選定的陰極輸出上設(shè)置低狀態(tài)。

3. 我們?cè)诘取?/p>

4. 將所有陰極輸出設(shè)置為高狀態(tài)。

5.我們將高狀態(tài)設(shè)置為R1。

我們?nèi)绱丝焖俚刂貜?fù)每個(gè)陽(yáng)極輸出的序列，以至于整個(gè)顯示器的序列每秒重復(fù) 20-25 次。最好在由微控制器定時(shí)器之一觸發(fā)的中斷中實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的變化。讓我們看一下共陰極顯示器的示意圖：

這次 R1-R8 選擇顯示器的陽(yáng)極，而 R9-R12 通過(guò) NPN 晶體管 Q1-Q4 選擇它們的公共陰極。這一次，是所選陽(yáng)極和陰極輸出的高電平狀態(tài)點(diǎn)亮了顯示段，而低電平狀態(tài)將它們關(guān)閉。微控制器部分的控制序列實(shí)際上是相同的，僅在極化方面有所不同。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是首選的控制方式，但可以使用邏輯電平和低 Rdson 類型的 MOSFET-N 晶體管代替 NPN 晶體管，特別是當(dāng)我們控制的不是顯示器，而是許多 LED 的矩陣時(shí)，它是下面討論。

帶移位寄存器和 MOSFET-N 晶體管的 RGB 矩陣

它是一種專用于通過(guò)最少數(shù)量的微控制器引腳輕松控制大量 LED 的解決方案。下面我展示了我一直在研究的系統(tǒng)的示意圖片段，更準(zhǔn)確地說(shuō)是 64 個(gè) RGB LED 矩陣的控制系統(tǒng)。它是一個(gè) 8x8 LED 矩陣，其中行有公共陽(yáng)極，列有公共陰極。從技術(shù)上講，它是一個(gè) 24x8 矩陣，因?yàn)槊總€(gè) LED 都有一個(gè)用于紅色、綠色和藍(lán)色的公共陰極。

這里我們有四個(gè) 74HC595 移位寄存器鏈接在一起。它們由三個(gè)信號(hào)控制：時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和傳輸。每次Clock引腳由低變高時(shí)，Data引腳的當(dāng)前狀態(tài)被加載到74HC595內(nèi)部寄存器的Q0位置，Q7S從Q7寄存器位置輸出狀態(tài)。由于這個(gè)寄存器輸出連接到下一個(gè)寄存器的輸入，我們可以在一個(gè)序列中將 32 位傳輸?shù)郊拇嫫鳌鬏斠_的狀態(tài)從低電平更改為高電平會(huì)將寄存器的狀態(tài)加載到它們的輸出 Q0-Q7。前三個(gè)寄存器控制紅色、綠色和藍(lán)色陽(yáng)極。第四個(gè)通過(guò)邏輯電平 MOSFET-N 晶體管控制陰極。為什么?因?yàn)樗鼈兠總€(gè)都能流過(guò)24*If的電流，也就是480mA之多。

矩陣的狀態(tài)以三張表(R、G 和 B)的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，每張表八個(gè)字節(jié)。每個(gè)字節(jié)代表矩陣的一列。每五毫秒(由于定時(shí)器中斷)，程序會(huì)組裝一個(gè)字節(jié)，從八個(gè)陰極輸出中選擇一個(gè)，并從 R、G 和 B 數(shù)組中選擇三個(gè)值，并盡快將它們一起發(fā)送到寄存器中。最后，傳輸引腳變高了一會(huì)兒，將加載的數(shù)據(jù)加載到輸出端，相應(yīng)的 LED 亮起。每 5 毫秒中斷一次，保證每秒刷新整個(gè)矩陣 25 次。順便說(shuō)一句，它是該程序中唯一完美

運(yùn)行的部分……是否需要晶體管來(lái)操作顯示器或矩陣?

不是。我們可以將公共陰極或陽(yáng)極直接連接到微控制器的輸出。該解決方案工作的條件是確保一次只有一個(gè) LED 點(diǎn)亮。否則，我們會(huì)使二極管的公共引腳過(guò)載并損壞微控制器。大多數(shù)微控制器允許每個(gè)引腳的最大電流為 -25mA，他們?cè)跀?shù)據(jù)表中吹噓這一點(diǎn)。由于一次只有一個(gè) LED 點(diǎn)亮，其余的都關(guān)閉，因此整個(gè)顯示屏的總亮度會(huì)降低。

矩陣和顯示器專用系統(tǒng)

市場(chǎng)上有專門(mén)的 LED 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，既可用于單個(gè)二極管，也可用于顯示器和 LED 矩陣。7400 和 4000 芯片系列具有從二進(jìn)制或 BCD 碼到七段顯示的專用 LED 解碼器。還有專用于與 Nixie 和 VFD 管配合使用的電路，可抵抗其運(yùn)行所需的高壓。它們就像燈本身一樣，受到復(fù)古手表制造商的高度追捧。結(jié)果，不止一個(gè)像樣的長(zhǎng)凳被洗劫一空并被徹底毀壞。

例如，STMicro 有 STP08DP05 和 STP16CPC05 芯片，它們的工作方式與 74xx595 系列寄存器類似。它們可以用串行信號(hào)控制并串聯(lián)連接。然而，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，它會(huì)被一個(gè)電流源短路到地，該電流源的最大電流由單個(gè)外部電阻設(shè)置。因此，它是一個(gè)用于控制單個(gè) LED 以及 LED 矩陣的出色系統(tǒng)。第一個(gè)系統(tǒng)有八個(gè)電流輸入，第二個(gè)系統(tǒng)有十六個(gè)。Micrel 反過(guò)來(lái)提供了一個(gè)類似的系統(tǒng)，即 MIC5400，它允許您以兩組八個(gè)二極管的形式控制連接在共陽(yáng)極系統(tǒng)中的十六個(gè)二極管。它需要一個(gè)限流電阻和兩個(gè)PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)極工作。相反，它提供粗略(4 位)和精細(xì)(10 位)LED 亮度調(diào)節(jié)。相似地，

Microchip 提供分別具有 34 或 36 個(gè)輸出的 MM5450/-51 芯片。這些芯片不能串聯(lián)，但在典型應(yīng)用中沒(méi)有必要，因?yàn)樵诠P記中我們將找到使用兩個(gè) PNP 晶體管將八個(gè)七段顯示器連接到 MM5450 芯片的示例。理論上，這些系統(tǒng)可以控制 17x17 或 18x18 LED 矩陣，即分別為 289 或 324 個(gè)獨(dú)立的 LED。與上述系統(tǒng)一樣，電流和亮度由電阻器限制和調(diào)節(jié)。Microchip 推薦使用電位器。Maxim 提供專用芯片 MAX7219/MAX7221，用于驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用七段顯示器和 LED 矩陣。它們支持使用 SPI 協(xié)議及其衍生協(xié)議的 8x8 矩陣或八個(gè) LED 顯示器。這些系統(tǒng)提供了許多附加功能并減輕了微控制器的負(fù)擔(dān)——必要的值可以作為 BCD 碼發(fā)送。在 Alledrogo，您可以使用中國(guó)的 MAX7219 克隆購(gòu)買(mǎi)帶有 8x8 矩陣的現(xiàn)成電路板。

說(shuō)到中國(guó)，值得關(guān)注的是泰坦微電子的兩款系統(tǒng)，主要以現(xiàn)成模塊的形式銷售。這些是 TM1637 和 TM1638 芯片。TM1637 支持多達(dá)六個(gè)共陽(yáng)極七段顯示器，并同時(shí)掃描 8x2 布局中的按鍵矩陣。TM1638 支持多達(dá) 10 個(gè)共陽(yáng)極七段顯示器和一個(gè) 8x3 鍵矩陣。兩個(gè)系統(tǒng)均由雙向串行接口控制。不幸的是，這些系統(tǒng)主要以現(xiàn)成(廉價(jià))模塊的形式提供，因此如果您需要與中國(guó)工程師提出的配置不同的配置，您將不得不拆焊系統(tǒng)。

對(duì)于簡(jiǎn)單萬(wàn)用表的愛(ài)好者，Maxim 仍然生產(chǎn) ICL7107 和 ICL7117 系列，而 Microchip 以符號(hào) TC7107/TC7117 生產(chǎn)它們的等效產(chǎn)品。LCD控制版本為ICL/TC7106/7116。基于它們的各種儀表和萬(wàn)用表的圖表可以在目錄和應(yīng)用說(shuō)明以及許多雜志和圖表集中找到。

LED 閃爍 LED

即具有內(nèi)置集成電路和限流功能的LED二極管。它們有一種、兩種和三種顏色的變體。單色 LED 經(jīng)常出現(xiàn)在簡(jiǎn)單的“圣誕樹(shù)金屬絲”套裝中，其中 LED 被插入帶有圣誕樹(shù)圖片的硬紙板中，并從另一側(cè)連接。額外的電阻器和晶體管允許一個(gè)閃爍的 LED 控制其他 LED。雙色 LED 交替點(diǎn)亮兩種顏色。RGB LED 重復(fù)所有可能顏色組合的序列或僅重復(fù)主要顏色的序列。他們的使用僅限于在來(lái)自中國(guó)的各種廉價(jià)小玩意和玩具中添加這額外的媚俗部分。

LED 平滑地改變顏色

內(nèi)置芯片的 RGB LED 可無(wú)縫循環(huán)顯示整個(gè)彩虹色。在預(yù)算計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和小工具中找到。它們?nèi)匀缓芩讱猓匀粵](méi)有閃光的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手那么俗氣。由于這些 LED 中使用的 RC 諧振器的參數(shù)分散，它們中的每一個(gè)都以略微不同的速度改變顏色。這就是為什么我的超便宜電腦揚(yáng)聲器在打開(kāi)電源后僅短時(shí)間內(nèi)發(fā)出相同顏色的光。同樣，帶有四個(gè)這種類型二極管的稍微貴一點(diǎn)的鼠標(biāo)會(huì)以一種非常有趣的方式改變顏色。

這些 LED 的一個(gè)有趣子類型是模擬燭光的 LED。我沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)看到這樣一個(gè)二極管的樂(lè)趣，但我認(rèn)為效果不是很令人興奮，而且通常取決于為購(gòu)買(mǎi)這種二極管分配的預(yù)算。然而，獲得合理的效果可能需要使用 RGB LED 和微控制器。

LED 燈 - 微型燈泡的替代品

有點(diǎn)小眾的產(chǎn)品，因?yàn)樗m用于較舊的設(shè)備和車輛。微型燈泡的替代品將用于修復(fù)復(fù)古設(shè)備作為刻度和指示器的背光，以及用于舊車的微型 12-24V 燈泡用作控制裝置。這些燈有一個(gè)隱藏在底座中的電源系統(tǒng)，它通常可以在相當(dāng)寬的電壓范圍內(nèi)接受任何極性的直流電和交流電。您通常需要為這種靈活性付出更高的代價(jià)，但這種燈很可能會(huì)“比”它所在的設(shè)備“壽命更長(zhǎng)”。作為刻度和指示器的照明器，暖白燈是最好的，除非最初使用的是彩色燈泡。在帶有內(nèi)置濾色器的汽車儀表中，值得檢查指示器顏色的兩個(gè)燈，

激光二極管

以光驅(qū)和鑰匙鏈指示器而聞名，這些小組件可能對(duì)健康有害。這些二極管產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的光，其中所有光子都“同相”，但仍需要透鏡來(lái)聚焦光束。它們有紅外線、紅色和藍(lán)色。其他顏色，例如綠色，是通過(guò)復(fù)制光子振動(dòng)頻率獲得的 - 為此，使用功率高于所獲得的不同顏色光束功率的紅外二極管。

激光二極管非常脆弱 - 它們不能承受靜電放電、高工作溫度和超過(guò)允許的額定電流。更強(qiáng)大的二極管發(fā)出的光很容易損壞數(shù)碼相機(jī)和相機(jī)的光學(xué)傳感器，也很容易損壞動(dòng)物和人。因此，不建議初學(xué)者玩激光二極管，好的安全眼鏡是必需品，而不是一時(shí)興起。眼睛不是蘑菇——它不會(huì)再長(zhǎng)出來(lái)。

可編程 LED WS2812x 和 WS2813

在所有 RGB LED 中，WS2812x 和 WS2813 系列多年來(lái)一直深受國(guó)外愛(ài)好者的歡迎，在波蘭也受到好評(píng)。這些二極管很容易以各種形狀的條帶和模塊形式提供，其中 WS2812B 是最受歡迎的變體。但這些二極管是什么，為什么如此受歡迎?

WS2812x 和 WS2813 是采用 SMD 外殼的可編程 RGB LED。一個(gè)非常簡(jiǎn)單的串行接口用于編程，它允許您連接長(zhǎng)鏈中的 LED 并使用單個(gè)引腳控制它們。每個(gè) LED 都有一個(gè)內(nèi)置控制器，可以控制 R、G 和 B 的各種顏色，提供 256 級(jí)亮度(8 位)。. 每個(gè)連續(xù)的二極管用低狀態(tài)替換其自身的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步發(fā)送其余的字節(jié)流。發(fā)送完整個(gè)數(shù)據(jù)包后，插入一個(gè)短暫的暫停以標(biāo)記傳輸結(jié)束并再次開(kāi)始。我將在下面更詳細(xì)地描述該協(xié)議。下面是 WS2812B 二極管的兩張照片，第一個(gè)顯示二極管的結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)線連接集成電路和金屬場(chǎng)，將信號(hào)引入外部和二極管。在第二張圖片上，我們可以看到集成電路本身的特寫(xiě)鏡頭(使用中國(guó) USB 顯微鏡拍攝的照片)。

WS2812x和WS2813有什么區(qū)別? 這些二極管系列之間的主要區(qū)別在于 WS2813 二極管中存在 BIN 輸入。我在上面提到過(guò)，每個(gè)二極管都會(huì)用低狀態(tài)替換其自身的值數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送其余部分，直到出現(xiàn) RST 狀態(tài)。在數(shù)據(jù)進(jìn)入正確的寄存器之前，BIN 輸入與鏈中的前一個(gè) LED 的作用相同。這意味著通過(guò)如下所示連接二極管，其中一個(gè)二極管的故障不會(huì)中斷到下一個(gè)二極管的數(shù)據(jù)傳輸。只有兩個(gè)相鄰二極管發(fā)生故障才會(huì)斷開(kāi)鏈。對(duì)于 WS2812x，二極管故障會(huì)導(dǎo)致鏈中的其余二極管無(wú)法接收數(shù)據(jù)，因此無(wú)法控制。WS2813二極管的連接方式如下圖所示：

WS2813 的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是更高的 PWM 頻率，2kHz，而 WS2812x 的 PWM 頻率為 400Hz，較長(zhǎng)的串和各種額外的編程效果可能會(huì)導(dǎo)致令人不快的閃爍。WS2813 也有更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包結(jié)束時(shí)間，300 秒而不是舊版本的 50 秒——這在使用較慢的微控制器時(shí)很有用。缺點(diǎn)是價(jià)格略高，知名度較低。在這種情況發(fā)生變化之前，WS2812B 二極管是愛(ài)好者的更好選擇。如果 LED 燈帶中的一個(gè)二極管損壞，通常可以切掉整個(gè)段，插入一個(gè)新的，從燈帶上切下，然后焊接支腿上的跳線以將“插入”與地帶的其余部分。

WS2815, WS2811, SK9822, SK6812RGBW

WS2815在功能上與 WS2813 沒(méi)有區(qū)別，除了電源電壓。該變體由 12V 供電，結(jié)構(gòu)中的二極管串聯(lián)連接，而不是像其他變體那樣并聯(lián)。在長(zhǎng)串的情況下，更高的電源電壓意味著串中間沒(méi)有亮度下降，也不需要每隔幾米焊接額外的電源線。也有市售的WS2811芯片，它們是不帶 LED 的控制器，可在便宜的 12V 燈條中使用，每個(gè)芯片控制一組三個(gè) LED。操作方法類似于 WS2812，但系統(tǒng)提供了一個(gè) SET 輸入，允許您將 LED 刷新率設(shè)置為 400Hz 或 800Hz。

SK9822是 WS2812x 二極管的替代品，提供更好的通信協(xié)議。這些二極管具有時(shí)鐘輸入和輸出，因此您不必?fù)?dān)心每個(gè)位的高電平和低電平時(shí)間。因此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率可以比其他系統(tǒng)高幾倍。它也可以慢得多。數(shù)據(jù)包由 32 位幀組成，其中第一個(gè)是起始幀，最后一個(gè)是停止幀。其他包含有關(guān)各種顏色亮度的數(shù)據(jù)。除了調(diào)整個(gè)別顏色的亮度(8 位)外，還有 32 級(jí)(5 位)的公共亮度調(diào)整。在我看來(lái)，添加這種粗調(diào)只是為了使幀成為 32 位。在所有其他方面，這些芯片類似于 WS2812。

SK6812RGBW是 WS2812 的替代品，在其結(jié)構(gòu)中它包含一個(gè)額外的白色 LED。有冷白、中性白和暖白可供選擇。這些 LED 成本更高，耗電量更大(如果是燈條，您需要在更多地方連接電源)，但它們提供比標(biāo)準(zhǔn) RGB LED 更好的白色質(zhì)量。控制方法類似于 WS2812x 二極管，但每個(gè)數(shù)據(jù)包包含 32 個(gè)字節(jié)而不是 24 個(gè)字節(jié)。一個(gè)額外的字節(jié)控制白色二極管。

如何控制LED?

現(xiàn)成的庫(kù)可用于控制 WS2812x 和類似的二極管。最受歡迎的三種是 FastLED、Neopixel 和 WS2812FX。這些庫(kù)是為 Arduino 環(huán)境編寫(xiě)的，因此在不兼容的環(huán)境中使用它們可能需要進(jìn)行大量修改。我計(jì)劃使用 PIC18F45K50 微控制器在 MPLAB-X 環(huán)境中測(cè)試這些庫(kù)，尤其是 WS2812FX。

第二種選擇是編寫(xiě)您自己的庫(kù)來(lái)處理這些 LED。這在沒(méi)有使用微控制器庫(kù)，或者我們需要高度優(yōu)化的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)特定效果時(shí)尤其有意義。您還可以將從頭開(kāi)始編寫(xiě)這樣的庫(kù)視為編程技能的練習(xí)——尤其是經(jīng)驗(yàn)不足的愛(ài)好者(如我)應(yīng)該這樣做。現(xiàn)成的模塊便宜得離譜，效果的視覺(jué)表現(xiàn)很好地激發(fā)了自我提升。

WS281xx和類似設(shè)備使用單行數(shù)據(jù)，協(xié)議二進(jìn)制值0和1用高持續(xù)時(shí)間編碼。低持續(xù)時(shí)間不太重要，只需要滿足最小長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。所有時(shí)間如下表所示：

對(duì)于 WS2813，時(shí)間如下所示：

對(duì)于 WS2812B，Toff 時(shí)間可以達(dá)到 5?s。數(shù)據(jù)作為綠色、紅色和藍(lán)色的三個(gè)連續(xù)字節(jié)發(fā)送。SK6812RGBW 在末尾為白色 LED 添加了第四個(gè)字節(jié)。第一個(gè)二極管將第一個(gè)序列寫(xiě)入寄存器，使輸出處于低電平狀態(tài)。直到下一個(gè) LED 的數(shù)據(jù)序列開(kāi)始。傳輸結(jié)束由持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于 RST 時(shí)間的低狀態(tài)表示。只有在其到期后，第一個(gè) LED 才會(huì)開(kāi)始接受新數(shù)據(jù)。

微控制器的最小指令執(zhí)行時(shí)間必須至少為 400ns，微控制器才能發(fā)送“零”。換句話說(shuō)，它應(yīng)該能夠以至少 2.5 MHz 的頻率“揮舞腿”。為什么是 400ns 而不是表中的 450ns?這是因?yàn)槎O管中的電路和微控制器的振蕩器都應(yīng)該有一定的誤差范圍。無(wú)論哪種方式，這都意味著太慢的微控制器將無(wú)法處理 WS281xx 和類似的東西。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)上并不缺乏快速微控制器。

電源 LED

在過(guò)去的 10-15 年中，功率 LED 獲得了非凡的普及。業(yè)余愛(ài)好者首先在手電筒中遇到它們，它們是 HPS 或 CFL 燈的替代品，用于照亮植被茂盛的水族箱或在壁櫥中種植植物。我第一次接觸他們是在一個(gè)朋友讓我為他組裝一個(gè)紅外線燈用于攝影時(shí)。成品燈包含 7 個(gè)紅外二極管，每個(gè)紅外二極管的功率為 1W，一個(gè)工廠電源和工廠制造的聚光透鏡。使用具有夜視模式的攝像機(jī)進(jìn)行的測(cè)試使我的范圍超過(guò) 30 米，并且能見(jiàn)度良好。回顧這些年，我可以說(shuō)我本可以做得更好。

可供選擇，顏色

就像“傳統(tǒng)”LED 一樣，我們?cè)诠β?LED 方面有多種選擇。白色二極管是最受歡迎的，但除此之外，我們還有光譜從紅外到紫外線的彩色二極管，還有一組用于植物育種的獨(dú)立二極管，以及 RGB 和 RGBW 二極管。典型的瓦數(shù)為 1W、3W、5W 和 10W。還有更大的二極管，從 20W 到 100W，等等。我自己有一個(gè) 100W 的 LED，是為了修理投影儀而買(mǎi)的(我一直想弄清楚如何把它全部塞進(jìn)去，但現(xiàn)在我有了以前沒(méi)有的工具)。業(yè)余愛(ài)好者通常會(huì)購(gòu)買(mǎi)已經(jīng)焊接到特殊印刷電路板(粘在鋁基板上的非常薄的層壓板)上的二極管，下面是幾個(gè)此類二極管的照片。

可以購(gòu)買(mǎi)裸二極管來(lái)修理和改裝手電筒和其他設(shè)備。我自己做過(guò)一次，修理我的第一個(gè) LED 手電筒，無(wú)論如何我在兩個(gè)月后丟失了它。但是，用在波蘭購(gòu)買(mǎi)的二極管替換中國(guó)Cree二極管，亮度提高了約30%。為什么會(huì)這樣?好吧，因?yàn)楣β?LED 在工廠根據(jù)效率進(jìn)行分類，對(duì)于白光 LED，還根據(jù)色溫和顯色指數(shù)進(jìn)行分類。“劣質(zhì)”二極管比最好的便宜得多，因此被中國(guó)手電筒制造商搶購(gòu)。更好的可以在價(jià)格相應(yīng)更高的高級(jí)產(chǎn)品中找到。在為您的項(xiàng)目選擇二極管時(shí)值得記住這一點(diǎn)。

電源 LED 電源

與普通LED一樣，功率LED也是電流元件。然而，電流要高得多——典型的 1W 二極管需要 350mA 的電流，而小型 LED 需要最大 20-25mA 的電流。一個(gè) 10W 的二極管可能需要 3A 的電流。如此大電流的副作用是電阻器的標(biāo)準(zhǔn)選擇或在晶體管上建立電流限制根本沒(méi)有意義。為什么?因?yàn)殡娮杌蛳蘖麟娐飞系墓β蕮p耗會(huì)相當(dāng)大，有時(shí)甚至比二極管本身的功率損耗還要大。

實(shí)際上，電流源配置中的脈沖轉(zhuǎn)換器用于為功率二極管供電。對(duì)于市電，這些是簡(jiǎn)單的變壓器轉(zhuǎn)換器，最常見(jiàn)的是反激式、正激式或 RCC 類型。對(duì)于低壓電源，降壓、升壓和 SEPIC 轉(zhuǎn)換器很受歡迎。為了方便設(shè)計(jì)人員的工作，制造商提供了范圍廣泛的專為 LED 供電的集成電路。在業(yè)余實(shí)踐中，從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)系統(tǒng)可能沒(méi)有意義，因?yàn)楝F(xiàn)成的模塊相對(duì)便宜。例如，對(duì)于 PLN 5，您可以購(gòu)買(mǎi)基于具有電壓和電流調(diào)節(jié)功能的 LM2596S 系統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器。以類似的價(jià)格，您可以購(gòu)買(mǎi) 4-7 個(gè) 1W LED 的 230V LED 電源模塊，以及 1-3 個(gè) 1W LED 的更小的 LED 電源模塊。

然而，在某些情況下，值得嘗試構(gòu)建您自己的轉(zhuǎn)換器或線性限流器。例如，當(dāng)我們要控制一個(gè)或多個(gè)二極管的亮度時(shí)。下圖顯示了與微控制器的 PWM 輸出或 DAC 輸出配合使用的 LED 1W 線性電源的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)：

系統(tǒng)的核心是運(yùn)算放大器 LM358 (U1)。U1.1 放大器以差分配置工作，它通過(guò)電阻 R2 控制 Q1 晶體管(BD135，但它可以是另一個(gè)中功率 NPN 晶體管或 MOSFET-N 晶體管)，其任務(wù)是防止激勵(lì)。在這種配置中，放大器旨在以兩個(gè)輸入端的電壓相等的方式控制晶體管。非反相輸入 U1.1 由 PWM 或 DAC 信號(hào)通過(guò)低通濾波器 R1/C3 控制，頻帶約為 1.55kHz。電容C1和C2是放大器的電源濾波器。電源電壓應(yīng)為 7-12V。如果我們用軌到軌放大器替換 LM358，例如 MCP6022，我們可以用 5V 為整個(gè)東西供電。

U1.2放大器工作在同相配置下，增益為65.7倍(由R4/R5分壓器決定)。它放大在電阻器 R3 上建立的電壓。在?346mA的電流下，?76.1mV將沉積在其上，放大65.7倍后將在反相輸入U(xiǎn)1.1處提供5V的電壓。因此，要獲得(幾乎)二極管的全亮度，必須在 C3 上施加 5V 電壓。

電源 LED 散熱

大功率 LED 發(fā)光效率很高，但即便如此，仍有 10-40% 的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為需要處理的熱量。二極管的功率越高，種類越差，能量轉(zhuǎn)化為熱能的百分比就越大。因此，LED 需要某種形式的冷卻。養(yǎng)殖水族箱和櫥柜植物的愛(ài)好者將帶“星星”的 LED 安裝到金屬扁條上，這就足夠了。在手電筒中，1-10W 的 LED 以不同程度的效率將熱量散發(fā)到外殼。對(duì)于我擁有的 100W 二極管，我從 15 年前買(mǎi)了一個(gè)帶風(fēng)扇的散熱器，專用于 AMD 處理器。在大功率的演播室LED燈中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)大尺寸的散熱器和風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻。

與任何半導(dǎo)體一樣，功率 LED 可以在高達(dá) 150°C 的溫度下工作。但實(shí)際上，高于 85°C 的結(jié)構(gòu)溫度會(huì)對(duì)二極管壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。特別痛苦的是其中結(jié)構(gòu)連接在串并聯(lián)系統(tǒng)中的二極管。我們將通過(guò) 6V 以上的正向電壓來(lái)識(shí)別這些。這些結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單地不均勻地加熱。此外，在白色 LED 的情況下，它們?nèi)匀桓采w著一種不能很好地導(dǎo)熱并且會(huì)自行降解的磷光體。

鏡片

功率二極管通常具有相當(dāng)寬的光束角，因此有時(shí)可能需要添加光學(xué)系統(tǒng)。對(duì)于大多數(shù)功率在 1W 到 5-10W 之間的小型 LED，您可以購(gòu)買(mǎi)具有各種光聚焦角度的透鏡。為了紅外照明器的需要，我買(mǎi)了7個(gè)角度為5°的透鏡，以便更好地集中光線。效果非常滿意。對(duì)于更高功率(例如 100W)的 LED，也可以使用透鏡，通常帶有額外的反射器，但它們的價(jià)格可能要高得多。在這種情況下，業(yè)余愛(ài)好者可能會(huì)想使用 PAR 燈的菲涅爾透鏡。

審核編輯：湯梓紅

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