Как проводить тестирование светодиодов при помощи arduino?

Question

[golira]

Здравствуйте! Хочется сделать платформу для тестирования светодиодов: на 15 светодиодов на протяжении 2-3 дней подавать одинаковое заданное напряжение и раз в час выводить ВАХ на экран монитора. Все это будет регулироваться микроконтроллером arduino UNO. Размышляя над этим вопросом пришел к выводу что нужно использовать сдвиговый регистр 74HC595 чтобы уместить все 15 светодиодов (иначе не хватит пинов на МК). Напряжение и ток будут измеряться модулями ADS1115 и ACS712. Возникает вопрос: как посылать заданное напряжение с микроконтроллера на светодиоды? То есть как сделать так чтобы на светодиод, например, поступало не 5 вольт от микроконтроллера, а 500 милливольт?

Comments

[VT100]

Какие "светодиоды" - индикаторные, с током до 20 мА, или осветительные, с током 50 и более мА?
Зачем, если не секрет?

[golira]

светодиоды, которые работают в инфракрасном спектре, у всех разные характеристики, но, как правило, все они не превышают 50мА. Зачем? рассматриваю эту идею как проект для вузовской конференции

[wibsea]

Чтобы построить ВАХ (я имею ввиду только прямую ветку), вам нужен источник тока для светодиода, задав ток, измерять на светодиоде прямое падение напряжени (Uf). Зачем вам источник напряжения?

[kalapanga]

Вопрос "Зачем?" в комментарии VT100 скорее всего подразумевал не "где Вы это хотите показать?", а "что Вы хотите увидеть?". Вы же не думаете, что за два дня сетодиоды деградируют настолько, что это будет заметно на ВАХ, особенно с учётом огромной погрешности такой наколенной измерительной установки? Деградация светодиодов станет заметной через сотни-тысячи часов работы. Да и смотреть её стоит не на ВАХ (тем более не на прямой ветви), а на световой характеристике. Глядеть изменения надо не каждый час, а, допустим, каждые сто-тысячу часов.
Я не отговариваю делать устройство. Нужно - делайте, советов Вам много надавали. Просто предостерегаю от ситуации, что устройство сделаете, а показать нечего будет.

Answer 1

[Виктор]

Хочется сделать платформу для тестирования светодиодов

Тут надо учесть, что как правильно заметил wibsea, на практике бывает нужно тестировать только прямую ветвь ВАХ светодиода. Также, по его замечанию, для тестирования прямой ветви ВАХ надо задавать ток, а измерять напряжение - но вы почему-то собрались наоборот. Вот для тестирования обратной ветви надо задавать как раз напряжение, а измерять ток, но обратная ветвь именно светодиода имеет чисто академический, а не практический интерес.

15 светодиодов... нужно использовать сдвиговый регистр 74HC595

Нет, измерительная цепь для тестирования должна быть одна, а исследуемые двухполюсники надо подключать к ней через аналоговый или релейный коммутатор. Для управления коммутатором на 16 каналов достаточно всего 4-х двоичных сигналов, так что никакого сдвигового регистра не потребуется, выводов МК будет достаточно.

как посылать заданное напряжение с микроконтроллера на светодиоды?

Никак. В действительности для тестирования прямой ветви ВАХ напряжение надо не посылать, а мерить, а посылать надо ток. Для измерения напряжения на тестируемом светодиоде сгодится имеющийся на борту микроконтроллера АЦП (если вас устроит его точность), а вот насчёт тока сложнее. В идеале, чтобы задавать тестовый ток, надо было бы использовать ЦАП, сигнал с которого подавать на управление преобразователем напряжение->ток. Но в ардуинке вроде бы нет ЦАП, зато есть выходы ШИМ, и их много. В принципе ШИМ - это тоже ЦАП, но неточный и не быстрый, поскольку его сигнал придётся интегрировать. Ввиду того, что много выводов МК свободны, можно собрать внешний не очень точный ЦАП на резисторной матрице R-2R. Думаю, для ваших целей матрица в 5...6 разрядов будет достаточна.
Вот такая вырисовывается схема вашего тестера: ардуина управляет источником тока и измеряет напряжение на диоде, а также с помощью четырёх сигналов управления коммутатором задаёт, какой диод из имеющихся 15 подключить для тестирования.

Comments

[golira]

Спасибо за полезный совет! Про существование коммутатора даже не знал. Хотел бы уточнить по поводу преобразователя напряжение-ток. Знаете ли Вы какие-нибудь готовые решения? или возможно ссылки на статьи, а то в интернете есть информация только про преобразователь ток-напряжение.

На всякий случай еще раз опишу своими словами как я понял решение: допустим у меня есть 15 светодиодов, напряжение которых не должно превышать 0.5 вольт, а ток - 20 мА, я подключаю их к коммутатору, последовательно задаю ток в интервале 0-20мА и снимаю аналоговый сигнал с каждого светодиода и конвертирую его в напряжение, тем самым стоя ВАХ? Если что прошу меня простить, я больше программист чем электрик и пока для меня это все сложно, но очень хочу научиться и пока в моей голове не укладывается как подавать ток, так что если Вы знаете ресурсы где можно было про это узнать или вдруг есть готовые решения по преобразователю напряжение-ток, то буду очень признателен!

[Виктор]

golira, ну вот вам прикидочная, очень приблизительная схема того, что я описал в своём ответе:

Про существование коммутатора даже не знал.

На этой схеме коммутатор собран на двух 8-выходных дешифраторах, к каждому выходу которых подключено обычное электромагнитное реле (на 5 вольт). Каждое реле выбирается комбинацией сигналов на входах A, B, C, D.

Хотел бы уточнить по поводу преобразователя напряжение-ток. Знаете ли Вы какие-нибудь готовые решения?

Одно из таких решений вы видите на этой схеме - транзистор и операционный усилитель. Если большой точности не надо, то можно и один транзистор, без ОУ. А вообще-то если набрать в поисковой строке яндекса/гугла "управляемый источник тока", то вам вывалится миллион подсказок.

допустим у меня есть 15 светодиодов, напряжение которых не должно превышать 0.5 вольт

До 0,5 вольт - это самый неинтересный участок (такой же неинтересный, как и обратная ветвь ВАХ светодиода), поскольку светодиоды начинают светить при 1...3 вольтах. Ничто не мешает вам задавать ток в пределах от 0 до максимального тока, разрешённого этому диоду по даташиту, и строить таким образом полную ВАХ. Примерно такую:

Теперь необходимые пояснения к моей схеме. Аналог микросхемы CD4028 - это наша K561ИД1 (можно найти и другие). Надо только убедиться, что ток обмотки реле не перегрузит выходы дешифраторов. Но вроде бы 20 мА они должны вытерпеть. Реле - надо выбрать такие, которые будут чётко щёлкать от 4 вольт, тогда при 5 всё будет вообще идеально. Ток их срабатывания должен быть не более предельного тока для выходов дешифраторов (но это я вроде уже упоминал). Регулятором установки масштаба задаёте максимальный тестовый ток для диода - 50 мА (ну или 20, как захочется). Есть и второй способ подгонки масштаба - это подбор резистора в эмиттерной цепи транзистора в источнике тока. Всё это легко поддаётся расчёту, но вам как начинающему это рановато, и тут могут помочь коллеги поопытнее (надеюсь, таковые вокруг вас есть).
Опорным напряжением Uref для ЦАПа служит общее питание 5 вольт, поэтому, если хотите, чтобы этот аппарат работал поточнее, питание 5 вольт надо хорошо стабилизировать.

[golira]

Спасибо огромное за доходчивое и понятное объяснение! Вы мне очень сильно помогли!

[golira]

Виктор извините, потревожу в заключительный раз. Собрал принципиальную схему, вместо 6-разрядного ЦАПа взял вариант с готовым (+ посмотрел решение регулирования тока с данной связкой ОУ, ЦАП и мосфета). На Ваш взгляд, данная схема выглядит адекватно?

[Виктор]

golira, не надо извиняться. Если бы я не хотел вам помогать, то не стал бы это делать с самого начала. А раз уж ввязался, то до победного конца.
Теперь по делу. Схему надо было показывать целиком, не уводя некоторые существенные связи за край картинки и делая их непонятными. Начнём с того, что понятно. Коммутатор вы сделали почти в точности как у меня. Но! Вы поняли, почему в моей схеме линия управления к входу D (в отличие от входов A, B, C) на один из дешифраторов идёт напрямую, а на второй - через инвертирующий элемент? Вижу, не поняли, поскольку у вас все 4 линии управления идут на оба дешифратора одинаково. Это ошибка, при таком управлении диоды будут подключаться к источнику тока не индивидуально, а попарно, поскольку дешифраторы в таком включении работают абсолютно параллельно и синхронно, а инвертор делает их работающими по очереди.
(Кстати, а вы разобрались, почему понадобились два дешифратора? И при каких условиях можно было бы обойтись одним?)
Далее. На моей схеме обмотки реле включены между выходами дешифраторов и общим проводом -5V. У вас - между выходами дешифраторов, и... никуда. Так реле не будут работать.
Далее. В моей схеме диоды поочерёдно включаются через контакты реле между выходом источника тока и опять-таки общим проводом -5v. А у вас в этом месте схемы какая-то непонятная мне каша: один из концов каждого диода и один из контактов контактной пары висят в воздухе, не будучи ни к чему подключены.
Что касается ЦАП и управляемого источника тока - тут я не разбирался, полностью полагаюсь на то, что вы срисовали с даташита без ошибок.

[golira]

Виктор, насчет контактов реле действительно, не подумал совсем, вроде исправил. А вот по поводу инвертирующего элемента я пока не понял как можно реализовать, поэтому оставил так сказать до лучших времен. Что касаемо необходимости двух дешифраторов, то я подумал одного на 15 светодиодов мало, а вот два как раз... или я и тут ошибался... ниже прикреплю скрины схемы

[golira]

[golira]

[Виктор]

golira, да, с подключением светодиодов и контактов реле всё стало правильно. Но вот насчёт управления этими реле... Вывод 4 каждого реле идёт на дешифратор, это верно, но второй конец обмотки где? Там выводы 5 и 6 подключены к общим +5 и -5 (т.е. GND), но который из них является выводом от обмотки? Он твёрдо должен идти на GND, а не на +5, и при неверном подключении реле не будет щёлкать. Кстати, схема будет понятнее и будет легче читаться, если на ней схемные связи будут показаны линиями, а не безликими GND или 5V (чтобы прочитать такие обозначения, всё-таки требуется некоторое напряжение мозгов).
Теперь насчёт того, что у вас явно вызвало некоторое затруднение, ну и моего дополнительного вопроса заодно. Правильных ответов на него - два. Первый: одним дешифратором можно обойтись, если количество обслуживаемых диодов снизить до 8 (для конкретного дешифратора CD4028/К561ИД1 - до 10, потому что он вообще-то десятичный). Второй: если удастся найти дешифратор на 16 выходов в одном корпусе. Такие есть (например, 74154/К155ИД3, но они не из КМОП-серии, а из ТТЛ, хотя использованию в данном применении это не помешало бы). Но в КМОП-сериях точного аналога нет, поэтому мне пришло в голову устроить дешифратор на 16 выходов из двух 8-выходных.
А дальше всё просто. Входными сигналами A, B, C выбирается тот выход дешифратора, который надо сделать активным (т.е. чтобы на нём появилась лог. 1 и сработало подключённое к нему реле). Например, при входной комбинации 110 активным станет выход 6, согласно таблице истинности для CD4028:

Но если подключить все входы обоих CD4028 параллельно, то при комбинации 110 будут выбраны два диода №6, каждый со своего дешифратора, и они параллельно подключатся к источнику тока. Значит, один из дешифраторов надо отключить. Именно для этого и служит четвёртый входной сигнал D. Когда на нём лог. 1, выбирается один дешифратор, а когда лог. 0 - другой. Чтобы получить такие взаимно противоположные сигналы, и служит логический инвертор по линии D. Кстати, если нежелательно добавлять в конструкцию девайса ещё одну микросхему с инверторами (ради единственного логического элемента), то в качестве инвертирующего элемента можно использовать обычный транзистор:

Ну и для общего развития вот вам ещё один дополнительный вопрос: можно, почти не меняя схему, заменить в ней все электромагнитные реле аналоговыми ключами на мощных полевых транзисторах. Девайс станет проще и надёжнее. Справитесь с такой задачкой самостоятельно?

[golira]

Виктор, прочитал по поводу транзисторных ключей. Тогда у меня возникает вопрос: в тот момент когда открывается транзистор, через светодиод проходит же не ток с источника тока на базе ОУ и транзистора, а ток, который идет с дешифратора... или я не так понял?

[Виктор]

golira,

через светодиод проходит же не ток с источника тока на базе ОУ и транзистора, а ток, который идет с дешифратора... или я не так понял?

Нет, вы поняли неправильно. Полевой транзистор, работающий в режиме ключа, в соответствии с его названием открывается полем затвора, т.е. фактически напряжением (а не током базы, как биполярный). Т.е. затвор надо подключать к источнику управляющего сигнала (в данном случае к выходам дешифратора), и ток в этой цепи не течёт. А вот канал полевого ключа надо подключать в разрыв управляемой цепи, вместо контактов реле (т.е. в данном случае в цепь тестируемого светодиода). Но поскольку исток полевика должен сидеть на общем проводе -5V (в точности как на вашей схеме), следовательно, цепь источника тока и светодиодов придётся немного изменить. Догадаетесь, как именно изменить?
И ещё одно замечание. Полевой транзистор, работающий как ключ, должен (в отличие от аналогового режима) чётко фиксироваться в открытом и закрытом состояниях. Существует недокументируемый параметр - "пороговое напряжение" на затворе - ниже которого mosfet считается закрытым, а выше - открытым. Это напряжение разное у разных полевиков, но в среднем около 3...4 вольт. Недокументируемое оно потому, что в даташитах открытым считается ключ, когда у него на затворе 8...15 вольт, а не 4...5 (а закрытым - меньше 1 вольта). Т.е. получается, что обычный mosfet при подаче на затвор обычной лог. единицы (5 вольт) считается недооткрытым. Таким образом, управлять обычным полевиком с помощью 5-вольтовой логики неудобно (хотя и не запрещено). Чтобы обойти этот недостаток, придумали специальные т.н. "логические" полевые транзисторы с пороговым напряжением 1,5...2 вольта. 5-вольтовый управляющий сигнал их надёжно открывает. В их обозначении обычно присутствует буква L. Вот их и применяйте.

[golira]

Виктор, пожалуй единственное подключение, которое пришло мне в голову: от дешифратора идет сигнал на затвор, когда затвор открывается, к истоку притягивается ток с источника питания и идет на сток и протекает через светодиод. Резистор на 100 Ом и 10 кОм выполняют защитную и подтягивающую функцию.

[Виктор]

golira, затворная цепь - абсолютно правильно. А вот цепь диода... Ток от источника тока в диод не пойдёт, если у него есть более короткий путь к GND. А на этой схеме он есть. Уберите короткое замыкание тестового тока на общий провод и переверните диод (это ведь случайные ошибки, верно?), и цепь диода с ключом тоже станет абсолютно правильной. Ну и конечно, надо было показать, что все диоды теперь объединяются не на общем проводе (как было на предыдущей схеме с реле), а на линии с источника тока. Покуда диод на схеме один, этого не видно.
Ну и по поводу 2N7002. Вот здесь написано, что его пороговое напряжение 1...3 вольта. Т.е. его сопрягаемость с 5-вольтовой логикой вы тоже учли. Поздравляю, дело сделано.

[golira]

Виктор, кажется все переделал, добавил инвертор на биполярном транзисторе, вроде все. Сможете, пожалуйста, еще раз посмотреть на схему, а именно правильно ли я подключил транзисторный ключ?

[Виктор]

golira,

правильно ли я подключил транзисторный ключ?

А это смотря какой ключ. Ведь инвертор на транзисторе тоже работает в ключевом режиме... В нём есть ошибка - его вход сидит не на линии D, а на линии A. Исправьте.
А что касается 16 полевых ключей, то... там вы даже добавили ошибок. Во-первых, как я уже отмечал, стоки всех полевиков должны быть на общем проводе GND. Так было на предыдущем варианте схемы (там, где ключ один). А здесь у вас на этом участке схемы вообще не видно ни одного обозначения GND. Во-вторых, замыкания линии подачи тестового тока вы не устранили - эта линия по-прежнему идёт на стоки полевиков, т.е. туда, где должен быть общий провод. Хорошо хоть исправлена полярность диодов, и все их плюсы идут куда надо - на источник тока. Исправляйте. Рановато я вас похвалил...
Каждая цепь каждого ключа и каждого светодиода должна выглядеть как на этой картинке (за исключением R2 - в вашем случае он не нужен, его роль играет источник тока):

И кстати, пригляделся я к участку схемы с преобразователем "напряжение-ток" на полевике и операционном усилителе - выглядит он как-то странно. Неестественно. На нём тоже нет ни одного GND или +5, а должны быть. Проверьте.

[golira]

Виктор, да, дейситвательно, Вы правы, мне даже как-то стыдно стало... теперь уже точно все исправил. Спасибо вам еще раз за терпение и помощь, вы один из тех типов людей, которые могут дать пример и сильно замотивировать на дальнейшее изучение этой сферы!!!

Answer 2

[Borys Latysh]

Напряжение и ток будут измеряться модулями ADS1115 и ACS712

Для измерения напряжения у микроконтроллера есть встроенный АЦП. То есть ADS1115 можно не использовать.

как посылать заданное напряжение с микроконтроллера на светодиоды?

Я бы использовал ШИМ выход микроконтроллера. Но конечно нужна будет дополнительная схема которая ШИМ преобразует в напряжение. Ну например на Мосфете.

Comments

[golira]

Спасибо за ответ! В таком случае можно докупить ЦАП и при помощи него конвертировать ШИМ сигнал в напряжение?

[Borys Latysh]

Вот готовый модуль от наших китайских товарищей.

Answer 3

[Василий Банников]

Для этого нужно использовать понижающий преобразователь, который снизит напряжение с твоих 5в до 500мв.

Если нужно программно менять - придётся более сложную схему с обратной связью городить.

Answer 4

[Wan-Derer]

Для регулировки напряжения обычно используют делитель напряжения, например, в виде потенциометра. Есть микросхемы - электронные потенциометры, которыми можно управлять с МК. Плюс надо будет добавить буфер (усилитель тока), например транзисторный каскад с общим коллектором.
Тут есть другая проблема. Диод (и светодиод тоже) - нелинейный элемент. Напряжение на нём будет расти до определённого порога, после чего избыточное напряжение будет "сжираться" повышением тока. Надо понимать что ты хочешь измерять. То напряжение, которое ты хотел бы подать или то, которое в реальности оказалось. Может так получится что придётся ставить дополнительный ключ (или использовать ногу МК если она обеспечит необходимый ток) и измерять напряжение твоего регулятора сначала без нагрузки, а потом под нагрузкой.
(тут могу нести всякую чушь, пусть коллеги поправят)