Charlieplexing LEDs - die Theorie - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Dieses anweisbare ist weniger ein Build, das Ihr eigenes Projekt ist, als vielmehr eine Beschreibung der Theorie des Charlieplexing. Es ist für Leute mit den Grundlagen der Elektronik geeignet, aber nicht für absolute Anfänger. Ich habe es als Antwort auf die vielen Fragen geschrieben, die ich in meinen zuvor veröffentlichten Instructables bekommen habe.

Was ist Charlieplexing? Es treibt viele LEDs mit nur wenigen Pins an. Falls Sie sich fragen, ist Charlieplexing nach Charles Allen bei Maxim benannt, der die Technik entwickelt hat. Dies kann für viele Dinge nützlich sein. Möglicherweise müssen Sie Statusinformationen auf einem kleinen Mikrocontroller anzeigen, haben jedoch nur wenige Pins frei. Vielleicht möchten Sie eine schicke Punktmatrix- oder Uhranzeige anzeigen, aber nicht viele Komponenten verwenden. Einige andere Projekte, die Charlieplexing demonstrieren, die Sie sich vielleicht ansehen möchten, sind: Wie man viele LEDs von wenigen Mikrocontroller-Pins ansteuert. von Westfw:- https://www.instructables.com/id/ED0NCY0UVWEP287ISO/ Und ein paar meiner eigenen Projekte, The Microdot Watch:- https://www.instructables.com/id/EWM2OIT78OERWHR38Z/ Die Minidot 2-Uhr: - https://www.instructables.com/id/E11GKKELKAEZ7BFZAK/ Ein weiteres cooles Beispiel für die Verwendung von Charlieplexing ist unter: https://www.jsdesign.co.uk/charlie/ Die Minidot 2-Uhr führt ein fortschrittliches Charlieplexing-Schema für Fading/Dimmen, die hier nicht besprochen werden. UPDATE 19. August 2008: Ich habe eine ZIP-Datei mit einer Schaltung hinzugefügt, die möglicherweise das Matrix-Charliplexing für Hochleistungs-LEDs ausnutzen kann, das (ausführlich:)) im Kommentarbereich diskutiert wurde. Es verfügt über eine Drucktaste + Positionsencoder für eine Benutzerschnittstelle sowie eine Schaltung für die Computersteuerung entweder über USB oder RS232. Jede der High-Side-Spannungsschienen kann auf eine von zwei Spannungen eingestellt werden, beispielsweise 2,2 V für ROTE LEDs und 3,4 V für Grün/Blau/Weiß. Die Spannung für die hohen Seitenschienen kann per Trimpot eingestellt werden. Ich würde mir vorstellen, dass ein 20-adriges IDC-Flachbandkabel in die Platine eingesteckt wird und 20-Pin-IDC-Steckverbinder entlang der Länge des Bandes hinzugefügt werden, wobei jede LED-Platine Verbindungen zu den gewünschten Drähten in der Matrix hat. Die Schaltung ist in Eagle Cad und im Unterbild unten gerendert. Die High-Side-Schaltung wird mit Optokopplern implementiert, die meiner Meinung nach geeignet sein könnten. Ich habe diese Schaltung aus Zeitmangel weder tatsächlich getestet noch irgendeine Software geschrieben, aber zur Kommentierung gestellt, ich interessiere mich besonders für die Optokoppler-Implementierung. Jeder, der mutig genug ist, es zu versuchen … poste bitte deine Ergebnisse. UPDATE 27. August 2008: Für diejenigen, die EagleCad nicht verwenden….unten hinzugefügt ist ein pdf des Schaltplans

Schritt 1: Einige LED-Theorie

Charlieplexing stützt sich auf eine Reihe nützlicher Aspekte von LEDs und modernen Mikrocontrollern.

Erstens, was passiert, wenn Sie eine LED an Strom anschließen. Das Hauptdiagramm unten zeigt die sogenannte If-Vf-Kurve einer typischen 5-mm-Low-Power-LED. If steht für 'forward current' Vf steht für 'forward voltage' Die vertikale Achse zeigt mit anderen Worten den Strom, der durch eine LED fließt, wenn Sie die Spannung der horizontalen Achse über ihre Klemmen legen. Es funktioniert auch umgekehrt. Wenn Sie messen, dass der Strom einen gewissen Wert hat, können Sie zur horizontalen Achse blicken und die Spannung sehen, die die LED an ihren Klemmen anliegt. Das zweite Diagramm zeigt eine schematische Darstellung einer LED mit beschrifteten If und Vf. Aus dem Hauptdiagramm habe ich auch Bereiche des Diagramms markiert, die von Interesse sind. - Im ersten Bereich ist die LED 'aus'. Genauer gesagt strahlt die LED so schwaches Licht aus, dass Sie es nicht sehen können, es sei denn, Sie haben eine Art Super-Duper-Bildverstärker. - Im zweiten Bereich strahlt die LED nur ein schwaches Leuchten aus. - Im dritten Bereich wird üblicherweise eine LED betrieben und emittiert Licht nach Herstellerangaben. - Der vierte Bereich ist, wo eine LED über ihre Betriebsgrenzen hinaus betrieben wird, leuchtet wahrscheinlich sehr hell, aber leider nur für kurze Zeit, bevor der magische Rauch im Inneren entweicht und sie nicht mehr funktioniert….dh in diesem Bereich brennt sie durch, weil es fließt zu viel Strom durch. Beachten Sie, dass die If/Vf-Kurve oder Betriebskurve der LED eine 'nichtlineare' Kurve ist. Das heißt, es ist keine gerade Linie … es hat eine Biegung oder einen Knick. Schließlich gilt dieses Diagramm für eine typische rote 5-mm-LED, die für den Betrieb mit 20 mA ausgelegt ist. Unterschiedliche LEDs unterschiedlicher Hersteller haben unterschiedliche Betriebskurven. Zum Beispiel beträgt in diesem Diagramm bei 20 mA die Durchlassspannung der LED ungefähr 1,9 V. Für eine blaue 5mm LED bei 20mA kann die Durchlassspannung 3,4V betragen. Für eine weiße Luxeon-LED mit hoher Leistung bei 350 mA kann die Durchlassspannung etwa 3,2 V betragen. Einige LED-Pakete können aus mehreren LEDs in Reihe oder parallel bestehen, wodurch die Vf/If-Kurve erneut geändert wird. Typischerweise spezifiziert ein Hersteller einen Betriebsstrom, bei dem die LED sicher verwendet werden kann, und die Durchlassspannung bei diesem Strom. Normalerweise (aber nicht immer) erhalten Sie eine ähnliche Grafik wie unten im Datenblatt. Sie müssen sich das Datenblatt der LED ansehen, um die Durchlassspannung bei verschiedenen Betriebsströmen zu bestimmen. Warum ist diese Grafik so wichtig? Weil es zeigt, dass, wenn eine Spannung an der LED anliegt, der Strom, der fließt, dem Diagramm entspricht. Senken Sie die Spannung und weniger Strom fließt…..und die LED ist 'aus'. Dies ist Teil der Charlieplexing-Theorie, auf die wir im nächsten Schritt eingehen werden.

Schritt 2: Die Gesetze (der Elektronik)

Immer noch nicht bei der Magie des Charlieplexings….wir müssen zu einigen Grundlagen der Elektronikgesetze gehen. Das erste interessierende Gesetz besagt, dass die Gesamtspannung über eine Reihe von verbundenen Komponenten in einem Stromkreis gleich der Summe der einzelnen Komponenten ist Spannungen an den Komponenten. Dies wird im Hauptdiagramm unten gezeigt. Dies ist nützlich, wenn Sie LEDs verwenden, da Ihr durchschnittlicher Batterie- oder Mikrocontroller-Ausgangspin nie genau die richtige Spannung hat, um Ihre LED mit dem empfohlenen Strom zu betreiben. Zum Beispiel läuft ein Mikrocontroller normalerweise mit 5 V und seine Ausgangspins haben 5 V, wenn er eingeschaltet ist. Wenn Sie nur eine LED an den Ausgangspin des Mikros anschließen, sehen Sie aus der Betriebskurve auf der vorherigen Seite, dass zu viel Strom in der LED fließt und sie heiß wird und durchbrennt (wahrscheinlich wird auch das Mikro beschädigt).. Wenn wir jedoch eine zweite Komponente in Reihe mit der LED einführen, können wir einen Teil der 5 V subtrahieren, so dass die Spannung links genau richtig ist, um die LED mit dem richtigen Betriebsstrom zu betreiben. Dies ist typischerweise ein Widerstand, und wenn er auf diese Weise verwendet wird, wird er als Strombegrenzungswiderstand bezeichnet. Diese Methode wird sehr häufig verwendet und führt zu dem sogenannten Ohmschen Gesetz….so benannt nach Herrn Ohm. Das Ohmsche Gesetz folgt der Gleichung V = I * R wobei V die Spannung ist, die an einem Widerstand R auftritt, wenn ein Strom I fließt durch den Widerstand. V ist in Volt, ich ist in Ampere und R ist in Ohm. Wenn wir also 5 V ausgeben müssen und wir 1,9 V über die LED wollen, damit sie mit 20 mA läuft, dann möchten wir, dass der Widerstand 5-1,9 = 3,1 hat V darüber. Wir können dies im zweiten Diagramm sehen. Da der Widerstand in Reihe mit der LED liegt, fließt der gleiche Strom durch den Widerstand wie die LED, dh 20 mA. Wenn wir die Gleichung neu anordnen, können wir den Widerstand finden, den wir brauchen, damit dies funktioniert soweit… cool. Schauen Sie sich nun Diagramm 3 an. Es hat die LED zwischen zwei Widerständen. Nach dem oben erwähnten ersten Gesetz haben wir die gleiche Situation im zweiten Diagramm. Wir haben 1,9 V über die LED, also läuft sie gemäß dem Datenblatt. Wir haben auch jeden Widerstand, der jeweils 1,55 V subtrahiert (insgesamt 3,1). Wenn wir die Spannungen addieren, haben wir 5 V (der Mikrocontroller-Pin) = 1,55 V (R1) + 1,9 V (die LED) + 1,55 V (R2) und alles gleicht sich aus. Unter Verwendung des Ohm-Gesetzes finden wir, dass die Widerstände jeweils 77,5 Ohm betragen müssen. Dies ist die Hälfte des aus dem zweiten Diagramm berechneten Betrags. In der Praxis wäre es natürlich schwierig, einen 77,5-Ohm-Widerstand zu finden, also würden Sie einfach den nächsten verfügbaren Wert ersetzen, sagen wir 75 Ohm und am Ende etwas mehr Strom in die LED oder 82 Ohm, um sicher zu sein und etwas weniger zu haben. Warum in aller Welt sollten wir dieses Widerstandssandwich machen, um eine einfache LED anzutreiben ….. gut, wenn Sie eine LED haben, ist alles ein bisschen albern, aber dies ist eine Anleitung für Charlieplexing? und es ist praktisch für den nächsten Schritt.

Schritt 3: Einführung von "komplementärem Laufwerk"

Ein anderer Name, der "Charlieplexing" genauer beschreibt, ist "komplementärer Antrieb".

In Ihrem durchschnittlichen Mikrocontroller können Sie in der Firmware dem Mikro mitteilen, dass ein Ausgangspin entweder auf eine '0' oder eine '1' gesetzt wird oder eine 0-V-Spannung am Ausgang oder eine 5-V-Spannung am Ausgang anliegt. Das Diagramm unten zeigt nun die Sandwich-LED mit einem umgekehrten Partner …. oder einer komplementären LED, also komplementäre Ansteuerung. In der ersten Hälfte des Diagramms gibt das Mikro 5 V an Pin A und 0 V an Pin B aus. Der Strom fließt somit von A nach B. Da LED2 rückwärts zu LED1 ausgerichtet ist, fließt kein Strom durch sie und es wird nicht glühen. Dies wird als umgekehrt vorgespannt bezeichnet. Wir haben das Äquivalent der Situation auf der vorherigen Seite. Wir können LED2 grundsätzlich ignorieren. Pfeile zeigen den aktuellen Fluss an. Eine LED ist im Wesentlichen eine Diode (daher Light Emitting Diode). Eine Diode ist ein Gerät, das Strom in eine Richtung fließen lässt, aber nicht in die andere. Der Schaltplan einer LED zeigt dies in etwa, Strom fließt in Pfeilrichtung……wird aber in die andere Richtung blockiert. Wenn wir das Mikro anweisen, jetzt 5 V an Pin B und 0 V an Pin A auszugeben, haben wir das Gegenteil. Jetzt ist LED1 in Sperrrichtung vorgespannt, LED2 ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt und ermöglicht einen Stromfluss. LED2 leuchtet und LED1 ist dunkel. Jetzt könnte es eine gute Idee sein, sich die Schaltpläne der verschiedenen in der Einleitung erwähnten Projekte anzusehen. Sie sollten eine ganze Menge dieser komplementären Paare in einer Matrix sehen. Im Beispiel unten treiben wir natürlich zwei LEDs mit zwei Mikrocontroller-Pins an ….. Sie könnten sagen, warum sich die Mühe macht. Nun, der nächste Abschnitt ist, wo wir zum Kern des Charlieplexing kommen und wie es die Ausgangspins eines Mikrocontrollers effizient nutzt.

Schritt 4: Endlich….eine Charlieplex-Matrix

Wie in der Einleitung erwähnt, ist Charlieplexing eine praktische Möglichkeit, viele LEDs mit nur wenigen Pins auf einem Mikrocontroller anzusteuern. Auf den vorherigen Seiten haben wir jedoch nicht wirklich irgendwelche Pins gespart, indem wir zwei LEDs mit zwei Pins angesteuert haben….großes Whoop!

Nun, wir können die Idee des komplementären Antriebs auf eine Charlieplex-Matrix erweitern. Das folgende Diagramm zeigt die minimale Charlieplex-Matrix, die aus drei Widerständen und sechs LEDs besteht und nur drei Mikrocontroller-Pins verwendet. Sehen Sie jetzt, wie praktisch diese Methode ist? Wenn Sie sechs LEDs auf normale Weise ansteuern möchten …. benötigen Sie sechs Mikrocontroller-Pins. Tatsächlich können Sie mit N Pins eines Mikrocontrollers potenziell N * (N - 1) LEDs ansteuern. Für 3 Pins ist dies 3 * (3-1) = 3 * 2 = 6 LEDs. Die Dinge stapeln sich schnell mit mehr Pins. Mit 6 Pins können Sie 6 * (6 - 1) = 6 * 5 = 30 LEDs ansteuern….wow! Nun zum Charlieplexing-Bit. Sehen Sie sich das Diagramm unten an. Wir haben drei komplementäre Paare, ein Paar zwischen jeder Kombination von Mikroausgangspins. Ein Paar zwischen A-B, ein Paar zwischen B-C und ein Paar zwischen A-C. Wenn Sie Pin C vorerst getrennt hätten, hätten wir die gleiche Situation wie zuvor. Bei 5 V an Pin A und 0 V an Pin B leuchtet LED1, LED2 ist in Sperrrichtung vorgespannt und leitet keinen Strom. Bei 5 V an Pin B und 0 V an Pin A leuchtet LED2 und LED1 ist in Sperrrichtung vorgespannt. Dies folgt für die anderen Mikropins. Wenn wir Pin B trennen und Pin A auf 5 V und Pin C auf 0 V setzen, würde LED5 leuchten. Umkehren, so dass Pin A 0 V und Pin C 5 V beträgt, dann würde LED6 leuchten. Gleiches gilt für das komplementäre Paar zwischen den Pins B-C. Warte, ich höre dich sagen. Schauen wir uns den zweiten Fall etwas genauer an. Wir haben 5V an Pin A und 0V an Pin C. Wir haben Pin B (den mittleren) getrennt. OK, also fließt ein Strom durch LED5, kein Strom fließt durch LED6, weil sie in Sperrrichtung vorgespannt ist (und auch LED2 und LED4)… ist nicht da? Warum leuchten diese LEDs auch nicht. Hier ist das Herzstück des Charlieplexing-Schemas. Tatsächlich fließt sowohl LED1 als auch LED3 ein Strom, jedoch wird die Spannung an beiden kombiniert nur gleich der Spannung an LED5 sein. Normalerweise haben sie die Hälfte der Spannung, die LED5 hat. Wenn wir also 1,9 V über LED5 haben, liegen nur 0,95 V über LED1 und 0,95 V über LED3. Aus der am Anfang dieses Artikels erwähnten If/Vf-Kurve können wir sehen, dass der Strom bei dieser halben Spannung viel niedriger als 20 mA ist…..und diese LEDs leuchten nicht sichtbar. Dies wird als Stromstehlen bezeichnet. Daher fließt der größte Teil des Stroms durch die gewünschte LED, den direktesten Weg durch die geringste Anzahl von LEDs (dh eine LED) und nicht durch eine Reihenkombination von LEDs. Wenn Sie sich den Stromfluss für eine beliebige Kombination von 5 V und 0 V an zwei beliebigen Antriebsstiften der Charlieplex-Matrix ansehen, sehen Sie dasselbe. Es leuchtet immer nur eine LED. Betrachten Sie als Übung die erste Situation. 5 V an Pin A und 0 V an Pin B, Pin C trennen. LED1 ist der kürzeste Weg für den Strom und LED 1 leuchtet. Ein kleiner Strom wird auch durch LED5 fließen, dann LED4 an Pin B sichern…..aber auch hier werden diese beiden LEDs in Reihe nicht in der Lage sein, im Vergleich zu LED 1 genug Strom abzusaugen, um hell zu leuchten. So wird die Kraft des Charlieplexings realisiert. Siehe das zweite Diagramm, das der Schaltplan für meine Microdot-Uhr ist…..30 LEDs mit nur 6 Pins. Meine Minidot 2-Uhr ist im Grunde eine erweiterte Version des Microdot….gleiche 30 LEDs, die in einem Array angeordnet sind. Um ein Muster im Array zu erstellen, wird jede zu beleuchtende LED kurz eingeschaltet, dann bewegt sich das Mikro zum nächsten. Ist eine Beleuchtung vorgesehen, wird sie kurzzeitig wieder eingeschaltet. Durch schnelles Scannen durch die LEDs, die schnell genug sind, ermöglicht ein Prinzip namens "Persistenz der Sicht" es einer Reihe von LEDs, ein statisches Muster zu zeigen. Der Artikel zu Minidot 2 enthält eine kleine Erklärung zu diesem Prinzip. Aber warte…..ich habe die obige Beschreibung anscheinend ein wenig beschönigt. Was ist das mit "Pin B trennen", "Pin C trennen". Nächster Abschnitt bitte.

Schritt 5: Tri-States (keine Dreiräder)

Im vorherigen Schritt haben wir erwähnt, dass ein Mikrocontroller so programmiert werden kann, dass er eine Spannung von 5 V oder eine Spannung von 0 V ausgibt. Damit die Charlieplex-Matrix funktioniert, wählen wir zwei Pins in der Matrix aus und trennen alle anderen Pins.

Natürlich ist das manuelle Trennen der Pins etwas schwierig, insbesondere wenn wir Dinge sehr schnell scannen, um den Persistenz-Effekt zu nutzen, um ein Muster anzuzeigen. Ausgangspins eines Mikrocontrollers können jedoch auch als Eingangspins programmiert werden. Wenn ein Mikro-Pin als Eingang programmiert wird, geht er in den sogenannten „Hochimpedanz“oder „Tri-State“. Das heißt, es bietet dem Pin einen sehr hohen Widerstand (in der Größenordnung von Megaohm oder Millionen von Ohm). Bei einem sehr hohen Widerstand (siehe Diagramm) können wir den Pin im Wesentlichen als getrennt betrachten, und so funktioniert das Charlieplex-Schema. Das zweite Diagramm zeigt die Matrix-Pins für jede mögliche Kombination, um jede der 6 LEDs in unserem Beispiel zu beleuchten. Typischerweise wird ein Tri-State durch ein 'X' gekennzeichnet, 5V werden als '1' (für logische 1) und 0V als '0' angezeigt. In der Mikro-Firmware für eine '0' oder '1' würden Sie die Pins als Ausgang programmieren und ihr Zustand ist gut definiert. Für Tri-State programmieren Sie es so, dass es eine Eingabe ist, und weil es eine Eingabe ist, wissen wir nicht, was der Zustand sein könnte … daher das 'X' für unbekannt. Obwohl wir einem Pin möglicherweise einen Tri-State- oder einen Eingang zuweisen, müssen wir ihn nicht lesen. Wir machen uns einfach die Tatsache zunutze, dass ein Eingangspin eines Mikrocontrollers eine hohe Impedanz hat.

Schritt 6: Einige praktische Angelegenheiten

Die Magie des Charlieplexing beruht auf der Tatsache, dass die einzelne Spannung, die über mehrere LEDs in Reihe gelegt wird, immer geringer ist als die über eine einzelne LED, wenn die einzelne LED parallel zur Reihenkombination ist. Wenn die Spannung geringer ist, ist der Strom geringer und der Strom in der Reihenschaltung wird hoffentlich so niedrig sein, dass die LED nicht leuchtet. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Nehmen wir an, Sie hätten zwei rote LEDs mit einem typischen Durchlassspannung von 1,9 V in Ihrer Matrix und eine blaue LED mit einer Durchlassspannung von 3,5 V (sagen wir LED1=rot, LED3=rot, LED5=blau in unserem Beispiel mit 6 LEDs). Wenn Sie die blaue LED aufleuchten, erhalten Sie 3,5 / 2 = 1,75 V für jede der roten LEDs. Dies kann sehr nahe am abgedunkelten Betriebsbereich der LED liegen. Sie werden möglicherweise feststellen, dass die roten LEDs schwach leuchten, wenn die blauen LEDs aufleuchten. Es ist daher eine gute Idee, sicherzustellen, dass die Durchlassspannung aller verschiedenfarbigen LEDs in Ihrer Matrix beim Betriebsstrom ungefähr gleich ist, oder verwenden Sie die gleiche Farbe LEDs in einer Matrix. In meinen Microdot / Minidot-Projekten musste ich mir keine Sorgen machen, ich habe hocheffiziente blau / grüne SMD-LEDs verwendet, die glücklicherweise die gleiche Durchlassspannung wie die Rot / Gelb haben. Wenn ich das Gleiche jedoch mit 5 mm LEDs implementiert hätte, wäre das Ergebnis problematischer. In diesem Fall hätte ich eine blau/grüne Charlieplex-Matrix und eine rot/gelbe Matrix separat implementiert. Ich hätte mehr Pins verwenden müssen … aber los geht's. Ein weiteres Problem besteht darin, sich Ihren aktuellen Abzug vom Mikro anzusehen und wie hell Sie die LED wollen. Wenn Sie eine große Matrix haben und diese schnell scannen, leuchtet jede LED nur für kurze Zeit. Dadurch erscheint es im Vergleich zu einer statischen Anzeige relativ dunkel. Sie können schummeln, indem Sie den Strom durch die LED erhöhen, indem Sie die Strombegrenzungswiderstände reduzieren, aber nur bis zu einem gewissen Punkt. Wenn Sie zu lange zu viel Strom vom Mikro ziehen, beschädigen Sie die Ausgangspins. Wenn Sie eine sich langsam bewegende Matrix haben, z Statusanzeige). Einige Vorteile von Charlieplexing: - verwendet nur wenige Pins auf einem Mikrocontroller, um viele LEDs zu steuern - reduziert die Anzahl der Komponenten, da Sie nicht viele Treiberchips / -widerstände usw. benötigen. Einige Nachteile: - Ihre Mikro-Firmware muss die Einstellungen übernehmen sowohl der Spannungszustand als auch der Eingangs-/Ausgangszustand der Pins - Vorsicht beim Mischen verschiedener Farben - PCB-Layout ist schwierig, da die LED-Matrix komplexer ist.

Schritt 7: Referenzen

Es gibt viele Referenzen über Charlieplexing im Web. Zusätzlich zu den Links am Anfang des Artikels sind einige davon: Der Originalartikel von Maxim, dies hat viel über das Fahren von 7-Segment-Anzeigen zu sagen, was auch möglich ist. https://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880Ein Wiki-Eintraghttps://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing