נוריות Charlieplexing- התאוריה: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

ההנחיה הזו היא פחות פרוייקט לבניית עצמך ויותר תיאור של התיאוריה של שילוב דו -צדדי. הוא מתאים לאנשים עם יסודות האלקטרוניקה, אך לא למתחילים שלמים. כתבתי את זה בתגובה לשאלות הרבות שקיבלתי במדריך שפורסם בעבר.

מהו 'צ'רליפלקסינג'? זה מניע הרבה נוריות עם רק כמה סיכות. למקרה שאתה תוהה Charlieplexing נקרא על שמו של צ'ארלס אלן במקסים שפיתח את הטכניקה. זה יכול להיות שימושי להרבה דברים. ייתכן שיהיה עליך להציג מידע על מצב מיקרו -בקר קטן, אך יש לך רק כמה סיכות פנויות. ייתכן שתרצה להציג מטריצת נקודות מפוארת או תצוגת שעון אך אינך רוצה להשתמש בהרבה רכיבים. כמה פרויקטים אחרים המעידים על שילוב של שדות שאולי תרצה להסתכל עליהם הם: כיצד להניע הרבה נוריות מכמה סיכות מיקרו -בקר. מאת Westfw:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ וכמה פרויקטים משלי, שעון ה- Microdot:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ שעון Minidot 2: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ דוגמא מגניבה נוספת לשימוש ב- charlieplexing היא בכתובת: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ שעון Minidot 2 מציג תכנית מתקדמת לשידור מחדש עבור דהייה/עמעום שלא נדון כאן. עדכון 19 באוגוסט 2008: הוספתי קובץ zip עם מעגל שעשוי להיות מסוגל לנצל את charliplexing המטריצה עבור נוריות בעלות עוצמה גבוהה שנדונו (באריכות:)) בחלק ההערות. יש לו לחצן + מקודד מיקום לביצוע ממשק משתמש, בתוספת מעגלים לשליטה במחשב USB או RS232. ניתן להגדיר כל אחת ממסילות המתח בצד גבוה לאחד משני מתחים, נניח 2.2V עבור נוריות אדומות ו- 3.4V עבור ירוק/כחול/לבן. ניתן להגדיר את המתח למסילות הצד הגבוהות באמצעות טרימפוט. הייתי מדמיין כי כבל סרט IDC של 20 חוטים יוחבר ללוח, ונוספו מחברי IDC של 20 פינים לכל אורך הסרט, כאשר לכל לוח LED יש קישורים לכל החוטים במטריצה. המעגל נמצא ב- Eagle Cad ומוצג בתמונת המשנה למטה. מעגל הצד הגבוה מיושם על ידי שימוש במצלמות אופטיות שלדעתי עשויות להתאים. לא ממש בדקתי את המעגל הזה ולא כתבתי שום תוכנה בגלל חוסר זמן, אבל העברתי אותו להערה, אני מעוניין במיוחד ביישום האוטוקופולר. מישהו אמיץ מספיק כדי לנסות … אנא פרסם את התוצאות שלך. עדכון 27 באוגוסט 2008: למי שאינו משתמש ב- EagleCad… להלן קובץ PDF של הסכימה

שלב 1: כמה תורות LED

Charlieplexing מסתמך על מספר היבטים שימושיים של נוריות LED ובקרי מיקרו מודרניים.

ראשית מה קורה כאשר אתה מחבר LED לחשמל. התרשים הראשי להלן מראה מה שנקרא עקומת If v Vf של נורית אופיינית 5 מ"מ בעלת הספק נמוך. אם מייצג 'זרם קדימה' Vf מייצג 'מתח קדימה' הציר האנכי במילים אחרות מציג את הזרם שיזרום דרך נורית אם תשים את מתח הציר האופקי על מסופיו. זה פועל גם להפך, אם אתה מודד שהזרם בעל ערך כלשהו, תוכל להביט אל הציר האופקי ולראות את המתח שה- LED יציג על פני מסופיו. התרשים השני מציג ייצוג סכמטי של LED עם תווית If ו- Vf. מהתרשים הראשי סימנתי גם אזורים של הגרף שמעניינים אותם. - האזור הראשון הוא המקום בו הנורית כבויה. ליתר דיוק הנורית פולטת אור כל כך עמום עד שלא תוכל לראות אותו אלא אם כן היה לך מעצם תמונה סופר-דופר. - באזור השני יש נורית LED רק מעט פולטת זוהר עמום. - האזור השלישי הוא המקום בו בדרך כלל מופעל LED והוא פולט אור בדירוג היצרנים. - האזור הרביעי הוא המקום בו מופעלת נורית מעבר לגבולות ההפעלה שלו, כנראה זוהרת באור בהיר אך למרבה הצער רק לזמן קצר לפני שעשן הקסם בפנים בורח והוא לא יפעל שוב … כלומר באזור זה הוא נשרף מכיוון זרם רב מדי בו. שים לב כי עקומת ה- If/Vf או עקומת ההפעלה של ה- LED היא עקומה 'לא לינארית'. כלומר, זה לא קו ישר … יש בו עיקול או קינק. לבסוף תרשים זה מיועד לנורית אדומה טיפוסית בגודל 5 מ"מ המיועדת לפעול בעוצמה של 20mA. ללדים שונים מיצרנים שונים יש עקומות הפעלה שונות. לדוגמה בתרשים זה ב 20mA המתח קדימה של ה- LED יהיה בערך 1.9V. עבור LED כחול בגודל 5 מ"מ בעוצמה של 20mA המתח קדימה עשוי להיות 3.4V. עבור נורית לוקסון לבנה בהספק גבוה ב -350mA המתח קדימה עשוי להיות סביב 3.2V. חלק מחבילות הלדים עשויות להיות מספר נוריות בסדרה או במקביל, ומשנות את עקומת Vf/If שוב. בדרך כלל יצרן יציין זרם הפעלה בטוח לשימוש ב- LED ובמתח קדימה באותו זרם. בדרך כלל (אך לא תמיד) אתה מקבל גרף הדומה להלן בגיליון הנתונים. אתה צריך להסתכל על גליון הנתונים של ה- LED כדי לקבוע מהו המתח קדימה בזרמי הפעלה שונים. מדוע הגרף הזה כל כך חשוב? מכיוון שהוא מראה שכאשר מתח נמצא על פני הלד, הזרם שיזרום יהיה בהתאם לגרף. הורד את המתח ופחות זרם יזרום… והנורית תהיה כבויה. זהו חלק מהתיאוריה של שילוב דו -שכלי, שאליו נגיע בשלב הבא.

שלב 2: חוקי האלקטרוניקה

עדיין לא הקסם של חיבור מחדש … עלינו ללכת לכמה יסודות של חוקי האלקטרוניקה. חוק העניין הראשון קובע כי המתח הכולל על פני כל סדרה של רכיבים מחוברים במעגל חשמלי שווה לסכום הפרט. מתח על פני הרכיבים. זה מוצג בתרשים הראשי להלן. זה שימושי בעת שימוש בנוריות מכיוון שהסוללה הממוצעת או סיכת הפלט של המיקרו -בקר לעולם לא יהיו בדיוק המתח הנכון להפעלת הנורית שלך בזרם המומלץ. לדוגמה, מיקרו -בקר יפעל בדרך כלל על 5V וסיכות הפלט שלו יהיו ב -5V כאשר הוא מופעל. אם רק תחבר נורית לפין הפלט של המיקרו, תראה מעיקול ההפעלה בעמוד הקודם יותר מדי זרם יזרום בלד והוא יתחמם ויישרף (כנראה פוגע גם במיקרו) עם זאת, אם נציג רכיב שני בסדרה עם הלד נוכל לחסר חלק מה -5 V כך שהמתח השמאלי יהיה בדיוק כדי להפעיל את הנורית בזרם ההפעלה הנכון. בדרך כלל זהו נגד, וכאשר משתמשים בו בדרך זו נקרא נגד מגביל זרם. שיטה זו משמשת נפוץ מאוד ומובילה למה שנקרא 'חוק אוהם'. זורם דרך הנגד. V הוא ב וולט, אני במגברים ו- R באוהם. אז אם יש לנו 5V להשקיע, ואנחנו רוצים 1.9V על פני הנורית כדי לגרום לו לפעול ב 20mA אז אנחנו רוצים שלנגד יש 5-1.9 = 3.1 V על פניו. אנו יכולים לראות זאת בתרשים השני. מכיוון שהנגד הוא בסדרה עם הנורית, אותו זרם יזרום דרך הנגד כמו הנורית, כלומר 20mA. אז סידור מחדש של המשוואה נוכל למצוא את ההתנגדות הדרושה לנו בכדי לגרום לזה לעבוד. עד כאן… מגניב. עכשיו תסתכל על תרשים 3. יש לו את ה- LED דחוק בין שני נגדים. על פי החוק הראשון שהוזכר לעיל, יש לנו אותו מצב בתרשים השני. יש לנו 1.9V לרוחב הלד כך שהוא פועל בהתאם לדף המפרט שלו. יש לנו גם כל נגר שמחסור 1.55V כל אחד (בסך הכל 3.1). אם נחבר את המתחים יש לנו 5V (סיכת הבקר) = 1.55V (R1) + 1.9V (הנורית) + 1.55V (R2) והכל מתאזן. באמצעות חוק אוהם אנו מוצאים שהנגדים צריכים להיות 77.5 אוהם כל אחד, שזה חצי מהסכום המחושב מהתרשים השני. כמובן שבפועל יהיה לך קשה למצוא נגדה של 77.5 אוהם, אז פשוט תחליף את הערך הזמין הקרוב ביותר, נניח 75 אוהם וסיים עם קצת יותר זרם ב הנורית או 82 אוהם כדי להיות בטוחים וקצת פחות. למה לכל הרוחות עלינו לעשות את הנגד הזה כדי להניע נורית פשוטה … טוב אם יש לך נורית אחת זה קצת מטופש, אבל זה מדריך על שילוב של חלונות. וזה שימושי לשלב הבא.

שלב 3: היכרות עם 'דרייב משלים'

שם נוסף שיותר מדויק לתיאור 'charlieplexing' הוא 'כונן משלים'.

במיקרו הבקר הממוצע שלך אתה יכול בקושחה להגיד למיקרו להגדיר סיכת פלט להיות '0' או '1', או להציג מתח 0V ביציאה או מתח 5V ביציאה. התרשים שלהלן מציג כעת את נורית ה- LED הכרוכה עם שותף הפוך … או LED משלים, ומכאן הנעה משלימה. במחצית הראשונה של התרשים, המיקרו מוציא 5V לסיכה A, ו- 0V לסיכה B. הזרם יזרם כך מ- A ל- B. מכיוון ש- LED2 מכוון לאחור ל- LED1 שום זרם לא יזרום דרכו והוא לא יזרום לַהַט. זה מה שנקרא מוטה הפוכה. יש לנו את המקבילה למצב בעמוד הקודם. אנחנו בעצם יכולים להתעלם מ- LED2. החצים מראים את הזרימה הנוכחית. LED הוא בעצם דיודה (ומכאן דיודה פולטת אור). דיודה היא מכשיר המאפשר לזרם לזרום בכיוון אחד, אך לא בכיוון השני. סכמטי של נורית LED מראה זאת, הזרם יזרום בכיוון החץ …… אך הוא חסום בכיוון השני. אם נורה למיקרו להוציא כעת 5V לסיכה B ו- 0V על סיכה A יש לנו את ההפך. כעת LED1 מוטה לאחור, LED2 מוטה קדימה ויאפשר זרימה שוטפת. LED2 יזהר ו- LED1 יהיה כהה. עכשיו אולי יהיה רעיון טוב להסתכל על הסכימות של הפרויקטים השונים שהוזכרו במבוא. אתה אמור לראות הרבה מאוד זוגות משלימים אלה במטריצה. כמובן שבדוגמה להלן אנו מניעים שני נוריות LED עם שני סיכות של מיקרו -בקר …. אפשר לומר למה לטרוח. ובכן, החלק הבא הוא המקום בו אנו מגיעים לאומץ של charlieplexing וכיצד הוא עושה שימוש יעיל בסיכות הפלט של מיקרו -בקרים.

שלב 4: לבסוף…. מטריקס של Charlieplex

כפי שצוין בהקדמה, charliplexing היא דרך נוחה להניע הרבה נוריות עם רק מספר סיכות על מיקרו -בקר. עם זאת, בדפים הקודמים לא ממש שמרנו סיכות, נהגנו בשני נוריות עם שני סיכות ….גדול!

ובכן, אנו יכולים להרחיב את הרעיון של כונן משלים למטריצה של charlieplex. התרשים להלן מציג את המטריצה המינימלית של charlieplex המורכבת משלושה נגדים ושישה נוריות באמצעות שלושה סיכות מיקרו -בקר בלבד. עכשיו אתה רואה עד כמה השיטה הזו שימושית? אם אתה רוצה להניע שישה נוריות נורמליות בדרך הרגילה … היית צריך שישה סיכות של מיקרו -בקר. למעשה עם סיכות N של מיקרו -בקר אתה יכול להניע נוריות N * (N - 1). עבור 3 סיכות זהו 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 נוריות. הדברים נערמים במהירות עם עוד סיכות. עם 6 סיכות אתה יכול להניע 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 נוריות …. וואו! עכשיו לקטע המורכב. תסתכל על התרשים שלהלן. יש לנו שלושה זוגות משלימים, זוג אחד בין כל שילוב של סיכות פלט מיקרו. זוג אחד בין A-B, זוג אחד בין B-C וזוג אחד בין A-C. אם ניתקת את סיכה C לעת עתה היה לנו אותו מצב כמו קודם. עם 5V על סיכה A ו- 0V על סיכה B, LED1 יזהר, LED2 מוטה לאחור ולא יוביל זרם. עם 5V על סיכה B ו- 0V על סיכה A LED2 יזהר ו- LED1 מוטה לאחור. זה קורה לגבי סיכות המיקרו האחרות. אם ניתקנו את סיכה B והגדרנו את סיכה A ל- 5V וסיכה C ל- 0V אז ה- LED5 היה זוהר. הפוך כך שסיכה A היא 0V והסיכה C היא 5V ואז ה- LED6 היה זוהר. אותו דבר לגבי הזוג המשלים בין סיכות B-C. חכה, אני שומע אותך אומר. הבה נבחן את המקרה השני קצת יותר מקרוב. יש לנו 5V על סיכה A ו- 0V על סיכה C. ניתקנו את סיכה B (האמצעית). אוקיי, אז זרם זורם דרך LED5, הזרם אינו זורם דרך LED6 מכיוון שהוא מוטה הפוך (וכך גם LED2 ו- LED4). אין? מדוע הנורות הללו אינן זוהרות גם כן. הנה לב התוכנית המורכבת מ- charlieplexing. אכן יש זרם הזורם הן LED1 והן LED3, אולם המתח על פני שניהם יחדיו יהיה שווה למתח על פני LED5. בדרך כלל יהיה להם חצי מהמתח של LED5. אז אם יש לנו 1.9V על פני LED5, אז רק 0.95V יהיה על פני LED1 ו- 0.95V על פני LED3. מתוך עקומת ה- If/Vf שהוזכרה בתחילת מאמר זה אנו יכולים לראות כי הזרם בחצי המתח הזה נמוך בהרבה מ- 20mA … ונורות אלה לא יזהרו בצורה נראית לעין. זה ידוע בשם גניבה נוכחית. כך שרוב הזרם יזרום למרות ה- LED שאנו רוצים, הדרך הישירה ביותר דרך מספר הנורות הנמוך ביותר (כלומר נורית אחת), ולא כל צירוף של נוריות LED. אם הסתכלת על הזרם הנוכחי עבור כל שילוב של הצבת 5V ו- 0V על כל שני סיכות הכונן של מטריצת charlieplex, תראה את אותו הדבר. רק נורית אחת תאיר בכל פעם. כתרגיל, הסתכל על המצב הראשון. 5V על סיכה A ו- 0V על סיכה B, נתק את סיכה C. LED1 הוא המסלול הקצר ביותר עבור הזרם, ומנורת LED 1 זוהרת. זרם קטן יעבור גם דרך LED5, ואז יגבה את LED4 לסיכה B … אבל שוב, שני נוריות LED אלה בסדרה לא יוכלו לספוג מספיק זרם בהשוואה ל- LED 1 כדי להאיר בבהירות. כך מתממשת הכוח של שילוב דו -צדדי. עיין בתרשים השני שהוא סכמטי לשעון ה- Microdot שלי … 30 נוריות, עם 6 סיכות בלבד. שעון Minidot 2 שלי הוא בעצם גרסה מורחבת של ה- Microdot …..30 LEDs מסודרים במערך. כדי ליצור תבנית במערך, כל נורית שיש להאיר מופעלת לזמן קצר, ואז המיקרו עובר לשנייה. אם הוא מתוכנן להיות מואר הוא מופעל שוב לזמן קצר. על ידי סריקה מהירה של נוריות הלדים מספיק מהר עיקרון הנקרא 'התמדה בראייה' יאפשר למערך נוריות להראות דפוס סטטי. במאמר Minidot 2 יש קצת הסבר על העיקרון הזה. אבל חכה….. לכאורה השתקפתי קצת בתיאור למעלה. מה זה העסק 'נתק סיכה B', 'נתק סיכה C'. החלק הבא בבקשה.

שלב 5: מצבי תלת מימד (לא תלת אופן)

בשלב הקודם הזכרנו שניתן לתכנת מיקרו -בקר להפיק מתח 5V או מתח 0V. כדי לגרום למטריקס charlieplex לעבוד, אנו בוחרים שני סיכות במטריצה, ומנתקים כל סיכה אחרת.

כמובן שקצת קשה לבצע ניתוק הסיכות באופן ידני, במיוחד אם אנו סורקים דברים מהר מאוד כדי להשתמש בהתמדה של אפקט הראייה כדי להציג תבנית. עם זאת ניתן לתכנת גם סיכות פלט של מיקרו -בקר להיות סיכות קלט. כאשר פין מיקרו מתוכנת להיות קלט, הוא נכנס למה שנקרא 'עכבה גבוהה' או 'תלת-מצב'. כלומר, הוא מציג התנגדות גבוהה מאוד (בסדר גודל של מגה -אוהם, או מיליוני אוהם) לסיכה. אם יש התנגדות גבוהה מאוד (ראו תרשים) אז בעצם נוכל לראות את הסיכה כמנותקת, ולכן תכנית ה- charliplex עובדת. התרשים השני מציג את סיכות המטריצה עבור כל שילוב אפשרי להאיר כל אחת מששת הנורות בדוגמה שלנו. בדרך כלל תלת-מצב מסומן ב- 'X', 5V מוצג כ- '1' (עבור 1 לוגי) ו- 0V כ- '0'. בקושחת המיקרו עבור '0' או '1' היית מתכנת את הפינים כפלט ומצבו מוגדר היטב. עבור תלת-מדינה אתה מתכנת את זה כקלט, ומכיוון שזו קלט אנחנו בעצם לא יודעים מה המדינה יכולה להיות … מכאן ה- 'X' עבור לא ידוע. למרות שאנו עשויים להקצות סיכה לשלישי או כקלט, איננו צריכים לקרוא אותה. אנחנו רק מנצלים את העובדה שסיכת קלט על מיקרו -בקר היא עכבה גבוהה.

שלב 6: כמה עניינים מעשיים

הקסם של חיבור מחדש מבוסס על העובדה שהמתח האינדיבידואלי המוצג על פני מספר רב של נוריות בסדרה יהיה תמיד פחות מזה של נורית LED אחת כאשר נורית ה- LED יחידה במקביל לשילוב הסדרות. אם המתח נמוך יותר, אז הזרם פחות, ונקווה שהזרם בצירוף הסדרות יהיה כל כך נמוך שהנורית לא תדלק. עם זאת, זה לא תמיד המקרה. נניח שהיו לך שני נוריות אדומות עם אופייני מתח קדימה של 1.9V במטריצה שלך ונורית כחולה עם מתח קדימה של 3.5V (נניח LED1 = אדום, LED3 = אדום, LED5 = כחול בדוגמת ה- 6 LED שלנו). אם תאיר את הנורית הכחולה, היית מסיים עם 3.5/2 = 1.75V לכל אחת מהנורות האדומות. זה עשוי להיות קרוב מאוד לאזור ההפעלה העמום של ה- LED. אתה עשוי לגלות שהנוריות האדומות יאירו עמום כאשר הכחול מואר. לכן כדאי לוודא שהמתח קדימה של כל נוריות צבעוניות שונות במטריצה שלך זהות בערך בזרם ההפעלה, או להשתמש באותו צבע נוריות במטריצה. בפרויקטים שלי של Microdot/Minidot לא הייתי צריך לדאוג לגבי זה, השתמשתי בנורות SMD כחולות/ירוקות ביעילות גבוהה שלמרבה המזל יש להן אותו מתח קדימה כמו האדומים/צהובים. אולם אם הייתי מיישם את אותו הדבר עם נוריות 5 מ מ התוצאה תהיה בעייתית יותר. במקרה זה הייתי מיישם מטריצת charlieplex כחולה/ירוקה ומטיקס אדום/צהוב בנפרד. הייתי צריך להשתמש יותר בסיכות … אבל הנה לך. בעיה נוספת היא להסתכל על הציור הנוכחי שלך מהמיקרו ועד כמה אתה רוצה את ה LED. אם יש לך מטריצה גדולה וסורקים אותה במהירות, כל נורית דולקת לזמן קצר בלבד. זה ייראה עמום יחסית לתצוגה סטטית. אתה יכול לרמות על ידי הגדלת הזרם דרך הנורית על ידי הפחתת נגדי הגבלת הזרם, אך רק לנקודה. אם אתה שואב יותר מדי זרם מהמיקרו יותר מדי זמן תפגע בסיכות הפלט. אם יש לך מטריצה הנעה לאט, נניח תצוגת סטטוס או ציקלון, תוכל לשמור את הזרם לרמה בטוחה אך עדיין יש לך תצוגת LED בהירה מכיוון שכל נורית דולקת למשך זמן רב יותר, אולי סטטי (במקרה של כמה יתרונות של charlieplexing:- משתמש רק בכמה סיכות במיקרו-בקר לשליטה על הרבה נוריות- מפחית את ספירת הרכיבים מכיוון שאינך צריך הרבה שבבים/נגדים וכו 'כמה חסרונות:- הקושחה המיקרו שלך תצטרך להתמודד עם הגדרה גם מצב המתח וגם מצב הקלט/פלט של הפינים- צריך להיות זהיר עם ערבוב צבעים שונים- פריסת PCB קשה, מכיוון שמטריצת ה- LED מורכבת יותר.

שלב 7: הפניות

יש הרבה הפניות בנושא charlieplexing באינטרנט. בנוסף לקישורים בחלק הקדמי של המאמר, כמה מהם הם: המאמר המקורי של מקסים, יש לזה הרבה מה להגיד על נהיגה של 7 תצוגות קטע וזה גם אפשרי. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880 ערך ויקי