ال‌ای‌دی (LED) را قورت بده (بخش دوم : درایو!)

بخش دوم : چگونه ال‌ای‌دی را درایو(هدایت ، روشن) کنیم + چند چالش!

How to Drive LEDs 

نحوه پیدا کردن و تنظیم ولتاژ و جریان مناسب (LED) در مدارهای الکتریکی

در بخش قبلی گفتیم، دیودهای LED (Light-emitting diode) متداول با ولتاژ مستقیم (DC) در حدود 1.8 تا 3.3 ولت و جریان حدود 25 میلی آمپر روشن میشن، بقیه هم از دیتاشیت سازنده بدست میاد. به صورت عملی ولتاژ مناسب LED رو با افزایش تدریجی ولتاژ منبع تغذیه (یک مقاومت متغیر در مسیر) میشه بدست آورد و البته مولتی‌متر دیجیتال میکروشیپ در حالت تست دیود LED رو روشن میکنه و ولتاژ اون رو نمایش میده.. پیدا کردن جریان هم مشابه بالاست..

ساده ترین روش درایو یا راه‌اندازی و کنترل LED استفاده از مقاومت مناسب متصل به LED هست که ولتاژ و جریان اون رو در محدوده مجاز نگه میداره. پس از مشخص شدن ولتاژ و جریان (شروع از 7 تا 25mA) LED ولتاژ و جریان مورد نیاز خود را از منبع تغذیه دریافت می‌کند اما اضافه ولتاژ تامین شده توسط منبع تغذیه را که به LED آسیب می‌زند توسط مصرف کننده دیگری مانند مقاومت سری مسدود (مصرف) می‌کنیم. مثلا از یک مدار با باتری 9ولتی 2 ولت روی LED و 7 ولت روی مقاومت داریم اما جریان سرتاسر مدار 20mA است و اضافه ولتاژ روی مقاومت مصرف (تلفات گرمایی توان از رابطه  P: V*I که روی ولتاژ 220ولت برق متناوب (AC) شهری که مستقیمش (DC) کرده به LED داده‌ایم تلفات حرارتی زیادی در میکروشیپ خواهیم داشت) می‌شود.

بازی با روح و روان مصرف کننده‌ها در مدارهای الکتریکی با قانون اهم

به مقاومت‌های سری مقاومت محدود کننده جریان گفته می‌شود اما روی آن ولتاژی می‌افتد چون مقاومت دارد و در مسیر جریان عبوری قرار گرفته است. جریان در تمام مدار سری به میزان مصرف تنظیم می شود و در تمام قطعات سری یکسان است اما در مدارهای موازی جریان هر شاخه (که ممکن است خود ترکیب قطعات سری باشد) متفاوت است و ولتاژ همه سرشاخه‌ها مانند هم است اگر افت ولتاژی هم صورت بگیرد به یک میزان روی همه گره‌های موازی اعمال می‌شود.

گفتیم در مدارهای سری جریان ثابت است ولتاژ به اندازه مقاومت هر قطعه تقسیم می‌شود و در مدارهای موازی جریان هر شاخه متفاوت است و با همین اصل ولتاژ و جریان LED را در محدوده خودش ثابت می‌کنیم. در ساخت تابلوهای تبلیغاتی LED از همین اصول ساده استفاده می‌شود.

در واقع من دارم به قانون اهم اشاره میکنم و می‌توانید مقاومت مورد نیاز خود و جریان یا ولتاژ را در مدار از این رابطه (Ohm’s law) بدست آورید :

قانون اهم (Ohm’s law)  (رابطه پرکاربرد مقاومت و پتانسیل و جریان الکتریکی)

محاسبه مقاومت محافظ LED در مدار  :

LED که ولتاژ مورد نیاز خودشو مصرف می‌کنه و از آنجایی که تنها یک مسیر برای عبور جریان وجود داره، جریان عبوری از مقاومت با جریان عبوری از LED برابر است و جریان 10میلی‌آمپر(0.01A) از همه قطعات عبور می‌کند اما ولتاژ 2 ولت روی LED داریم و 7 باقی مانده توسط مقاومت کاهش پیدا می‌کند و محاسبه ما می‌شود یک مقاومت 700 اهمی (رنج استاندارد بازار 680 یا 820 هست):

R = V / I       R = 7 V / 0.01 A       R = 700 Ω

حالا اگه مدار بود (مقاومتش هم بود) باتری نبود یاد قانون ”VRIIII!“ میافتیم و اینطوری حسابش می‌کنیم : 

V = R * I       V = 700 Ω * 0.01A       V = 7 V^{(ON RES)} + 2V^{(ON LED)} = 9V

یک چالش (سرگرمی فکری) :

آرایه‌های LED را با یک مقاومت روشن کنیم یا تعداد بیشتر (مثلا برای هر LED یک مقاومت)

وقتی چندین led با یک آند یا کاتد مشترک دارید، چرا فقط از یک مقاومت محدود کننده جریان استفاده نکنیم؟! 

یکی از موارد مهم پیدا کردن مقدار مناسب مقاومت برای کنترل جریان LED است و میتواند پیچیده هم نباشد! اگر یک افت ولتاژ(Voltage Drop) ثابت در تمام LEDها داشته باشیم میتوانیم با توجه به جریان آنها مقاومتی را هم محاسبه کنیم البته ولتاژ و جریان کمی بالاپایین در LEDها زیاد محسوس نیست.

مثلا یک LED Arrays یا یک نمایشگر هفت_بخشی (Seven-Segment Display) که پایه مشترک 7LED به یکدیگر متصل شده است را با یک مقاومت محدودکننده جریان می توانیم راه‌اندازی کنیم؟ پس چرا مردم ترجیح می‌دهند برای هر ال‌ای‌دی یک مقاومت قرار دهند؟

مداری ببینید فقط سه دیود نورانی داره با یک مقاومت :

فرض کنید ولتاژ هدایت (forward voltage (V_F)) هرکدام 1.6ولت است. اگر سیگنال 5ولت را به هر پایه اعمال کنیم، ولتاژ کاتد مشترک 3.4 ولت و جریان عبوری از مقاومت 10.3mA است. از آنجایی که هر LED افت ولتاژ یکسانی دارد، فرض می‌کنیم که جریان یکسانی دارند، بنابراین جریان هدایت forward current (I_F) 3.4mA به هر LED میرسد. کار تمام شد، چرا با سه مقاومت زحمت بکشیم؟

دو مسئله (issues) هم داریم: اول اینکه افت ولتاژ ثابت نیست. دوم، ما نمی توانیم فرض کنیم که سه LED دقیقاً مشخصات جریان-ولتاژ یکسانی دارند.

جریان واقعی LED با یک رابطه نمایی کنترل می شود :

زمانی که LED با ولتاژ کافی روشن شد، می‌توان V_F را تقریباً ثابت در نظر گرفت، زیرا I_F در V_F تاثیر چندانی ندارد.

در ناحیه ای که شیب منحنی نمایی به سرعت در حال افزایش است، تغییرات کوچک در V_F با تغییرات بزرگ در I_F همراه است.
حالا اگر یکی از LEDها مشخصه ولتاژ و جریان متفاوتی داشته باشد:

هنگامی که ولتاژ اعمال می شود، این LED مشکل ساز مثلاً روی V_F = 1.3 ولت به طور کامل فعال(بایاس) می‌شود (هدایت کامل) می‌شود و از آنجایی که همه LED ها یک کاتد مشترک دارند، این یک LED ولتاژ بین LED های دیگر را هم به 1.3 ولت محدود می کند ولی با 1.3 ولت جریان کمتری از دو LED دیگر می‌گذرد و به طور کامل فعال نشده‌اند! پس نمی‌توانید اطمینان حاصل کنید تمام LED ها مشخصه‌های یکسانی دارند و جریان به طور مساوی تقسیم می‌شود.
با این حال، LED های موجود در یک میکروشیپ (بسته تک) عموما مشخصه جریان-ولتاژ نسبتاً ثابتی دارند (مگر اینکه عمداً ناسازگار باشند، مانند یک ماژول RGB LED). بنابراین، یک مقاومت محدود کننده جریان با توجه به شرایط ممکن است عملکرد مناسبی هم نشان دهد. اتلاف توان را یادتان نرود! قدرت متناسب با مجذور جریان است، و جریان بیشتری از یک مقاومت مشترک برای 8LED پرنور عبور می‌کند (8*10.3mA برابر با 0.0824A ضرب در افت ولتاژ روی مقاومت = اتلاف توان روی مقاومت به صورت گرما). می‌دانید یک چیز مهم را فراموش کرده‌ایم؟ در یک آرایه LED این احتمال هم وجود دارد در لحظه تمام LED ها با یکدیگر روشن نشوند و اگر تک مقاومتی را بر اساس جریان مصرفی تمام LED ها محاسبه کرده باشید در این حالت در درایورهای استاتیک جریان بیشتری برای ارائه موجود است. و البته ولتاژ بیشتری؟ به مثالی با 8 LED دقت کنید :

Vs = 12V , V_{F LED} = 2V , I_{F LEDs} = 8*10mA = 80mA  , 3*10mA = 30mA

R_{s For 8 LED =} (12 - 2) / 0.08A = 125Ω (V_Rs=10V)       ,       R_{s For 3 LED =} (12 - 2) / 0.03A = 333Ω

اگر R_s = 125Ω و 3LED روشن باشد ، افت ولتاژ روی مقاومت = 0.03*125 = 3.75V می‌شود.

فکر می‌کنید 8.25V باعث تخریب LEDها می‌شود یا مقاومت محدود کننده جریان که برای عبور 80mA محاسبه شده است؟

در تغذیه تک مقاومتی چند ال‌ای‌دی‌ به عنوان یک راه حل عجیب محافظتی شاید بتوان یک دیود زنر در بایاس معکوس با هر LED موازی کرد ولی چه کاریه همون مقاومت میزاریم!! شما چه فکری می کنید؟

جدا از اتلاف توان با رویکرد تک مقاومتی، مقاومت‌های مجزا برای هر LED ترجیح داده می‌شود و البته روشهای دیگری که در میکروشیپ گفته می‌شود (روش‌های ساده و دوست داشتنی برای کارهای ساده و مالتی پلکس و اینها در کاربردهای دیگر).

همین چیزها تلفات میگیرن

به ترمز قطار هم مقاومت می‌گویند!

Resistance Material
Carbon composition
Carbon film
Metal film
Thick and thin film
Foil
Wire Wound

How to Choose the Right Resistor?
Using Resistors

نحوه محاسبه مقدار مقاومت از روی کدهای رنگی

جریان پارادوکس جهانی چیست ؟ (جهت واقعی جریان چرا با جهتی که آدم‌ها در فرمول‌ها محاسبه می‌کنند فرق می‌کند؟!)

در نوشتن این مطلب از منابعی هم استفاده شده و در بین نوشته‌ها به آنها هم لینک داده شده است.

حکایت همچنان در بخش بعدی ادامه دارد...

مرتبط : 

آشنایی با دیودها (دیود معمولی ، زنر و...)

ال‌ای‌دی (LED) را قورت بده (بخش اول : احضار)

ال‌ای‌دی (LED) را قورت بده (بخش دوم : درایو!)

ال‌ای‌دی (LED) را قورت بده (بخش سوم : به خاطر یک بیت بیشتر!)
میکرو فلاشر 220 ولت LED بدون ترانزیستور بدون ترانس بدون باتری!

مطالب منتشر شده با تگ LED

برگرفته از: ال‌ای‌دی (LED) را قورت بده (بخش دوم : درایو!)

برگرفته از: ال‌ای‌دی (LED) را قورت بده (بخش دوم : درایو!)