沒有電子產(chǎn)品，無論是業(yè)余愛好者還是專業(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，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。如果我們沒有注釋，那么我們可以測(cè)量這個(gè)值。我們通過 220 電阻為二極管提供 5V 電壓?并測(cè)量陽極和陰極之間的電壓。萬用表中的二極管測(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，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，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)我來說是媚俗和無味的標(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，我只見過這種顏色的 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”之外沒有任何其他用途。

紫外線：3.1-4.4V

這些二極管主要來自檢查鈔票真?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頗受歡迎的項(xiàng)目。

　　白色 LED

　　在上面的陳述中，我沒有包括重要的顏色，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)單的方法開始，即使用紅色、綠色和藍(lán)色 LED 來獲得白色。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?？梢允褂玫诙N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)問題在真空管時(shí)代已經(jīng)解決了，更具體地說，是數(shù)碼管和 VFD 管。這些管有一個(gè)公共陽極和一組陰極，每個(gè)陰極在數(shù)碼管中打開一個(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將陰極而不是陽極連接在一起來控制顯示器的替代方法

共陰極還是共陽極?

一般驅(qū)動(dòng)共陽極和共陰極顯示器沒有太大區(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)，陽極(到 R1-R4)和陰極(R5-R12)輸出默認(rèn)為高電平?？刂菩蛄腥缦滤荆?/p>

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 選擇顯示器的陽極，而 R9-R12 通過 NPN 晶體管 Q1-Q4 選擇它們的公共陰極。這一次，是所選陽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)我來說，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?。將傳輸引腳的狀態(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)色陽極。第四個(gè)通過邏輯電平 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……是否需要晶體管來操作顯示器或矩陣?

不是。我們可以將公共陰極或陽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 反過來提供了一個(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三極管來驅(qū)動(dòng)陽極工作。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)買帶有 8x8 矩陣的現(xiàn)成電路板。

說到中國(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)單萬用表的愛好者，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用表的圖表可以在目錄和應(yīng)用說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“圣誕樹金屬絲”套裝中，其中 LED 被插入帶有圣誕樹圖片的硬紙板中，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?，但仍然沒有閃光的競(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。我沒有在現(xiàn)場(chǎng)看到這樣一個(gè)二極管的樂趣，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?？梢栽谙喈?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。

可編程 LED WS2812x 和 WS2813

在所有 RGB LED 中，WS2812x 和 WS2813 系列多年來一直深受國(guó)外愛好者的歡迎，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，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)斷開鏈。對(duì)于 WS2812x，二極管故障會(huì)導(dǎo)致鏈中的其余二極管無法接收數(shù)據(jù)，因此無法控制。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 二極管是愛好者的更好選擇。如果 LED 燈帶中的一個(gè)二極管損壞，通?？梢郧械粽麄€(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，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?？刂品椒愃朴?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。

第二種選擇是編寫您自己的庫(kù)來處理這些 LED。這在沒有使用微控制器庫(kù)，或者我們需要高度優(yōu)化的代碼來實(shí)現(xiàn)特定效果時(shí)尤其有意義。您還可以將從頭開始編寫這樣的庫(kù)視為編程技能的練習(xí)——尤其是經(jīng)驗(yàn)不足的愛好者(如我)應(yīng)該這樣做?，F(xiàn)成的模塊便宜得離譜，效果的視覺表現(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，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。無論哪種方式，這都意味著太慢的微控制器將無法處理 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

在過去的 10-15 年中，功率 LED 獲得了非凡的普及。業(yè)余愛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 30 米，并且能見度良好。回顧這些年，我可以說我本可以做得更好。

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)在我有了以前沒有的工具)。業(yè)余愛好者通常會(huì)購(gòu)買已經(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)買裸二極管來修理和改裝手電筒和其他設(shè)備。我自己做過一次，修理我的第一個(gè) LED 手電筒，無論如何我在兩個(gè)月后丟失了它。但是，用在波蘭購(gòu)買的二極管替換中國(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?！傲淤|(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，從頭開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)可能沒有意義，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 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 6V 以上的正向電壓來識(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)買具有各種光聚焦角度的透鏡。為了紅外照明器的需要，我買了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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