Одна линия порта управляет двойным светодиодом

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018

Tom Gay

EDN

Линии портов ввода/вывода большинства современных микроконтроллеров могут менять свои функции во время выполнения программы. В качестве выходов эти порты способны служить источниками достаточно большого втекающего или вытекающего тока. В предлагаемой статье показаны три альтернативных способа управления двухцветными двухвыводными светодиодами с помощью одной линии порта ввода/вывода. Один из подходов иллюстрируется схемой на Рисунке 1, в которой для управления красно-зеленым светодиодом D₁ использован внешний инвертор IC₁. Высокий логический уровень на выходе порта включает зеленый (верхний по схеме) светодиод и устанавливает низкий уровень на выходе инвертора, который начинает принимать ток из зеленого светодиода. Низкий логический уровень на выходе порта устанавливает высокий уровень на выходе инвертора, открывая путь для тока красного (нижнего) светодиода; ток из красного светодиода будет принимать выход микроконтроллера.

Рисунок 1.	Двунаправленным светодиодом может управлять простой инвертор, однако ток обоих светодиодов будет одинаковым.

Чтобы погасить оба светодиода, линию порта микроконтроллера надо переключить в третье состояние или в режим ввода. Тогда в обоих случаях пути для втекающего или вытекающего тока будут закрыты. Основной недостаток схемы заключается в том, что раздельное управление яркостью каждого светодиода в ней невозможно; один резистор R5 определяет ток обоих светодиодов.

Этого недостатка лишена схема, изображенная на Рисунке 2. Стабилитроны D₃, D₄ и резисторы R₃, R₄ образуют низкоимпедансный делитель, выходное напряжение V_CC/2 В которого приложено к одному из выводов светодиода D₅. Выбор напряжения стабилизации стабилитронов V_Z зависит от величины напряжения питания V_CC. Чем напряжение стабилизации ниже, тем больший ток будет течь через светодиоды, и наоборот. Учитывая, что логические уровни выходных сигналов микроконтроллера близки к напряжениям шин питания, максимальный прямой ток обоих светодиодов будет зависеть от разности напряжений V_CC и V_Z. Например, если V_CC = 5 В и V_Z = 3 В, прямое напряжение на каждом из светодиодов будет меньше 2 В. Выбрав напряжение стабилизации стабилитронов, разработчик должен позаботиться о стабильности напряжения питания, так как при любых изменениях V_CC яркость светодиодов будет заметно колебаться.

Рисунок 2.	Конструкция, основанная на делителе напряжения, образованном стабилитронами и резисторами, чувствительна к вариациям напряжения питания, что выражается в неравномерном свечении светодиодов.

Воспользовавшись несколькими дискретными компонентами, можно получить недорогое решение, устраняющее все недостатки предыдущих схем (Рисунок 3). При высоком уровне на выходе линии порта микроконтроллера ток течет через верхний (зеленый) светодиод, резистор R₂, диод D₂ и MOSFET Q₂, открытый высоким уровнем порта. При низком уровне на выходе микроконтроллера открывается транзистор Q₁ и начинает отдавать ток в линию порта через резистор R₂ и красный (нижний) светодиод. Схема работает симметрично, поскольку вклад прямого падения напряжения на кремниевом диоде D₂ не зависит от логического уровня на выходе микроконтроллера. Стабильность напряжения V_CC для этой схемы не требуется, однако оно не должно опускаться ниже 3 В.

Рисунок 3.	Эта схема обеспечивает защиту от колебаний напряжения питания и более однородную яркость свечения светодиодов.

Чтобы выровнять яркости светодиодов или компенсировать разницу между напряжениями питания микроконтроллера и схемы драйвера светодиода (V_CC), ток каждого светодиода можно настроить индивидуально. Для этого замените R₂ парой соединенных последовательно резисторов, включенных между эмиттером Q₁ и анодом D₂. Среднюю точку этих резисторов подключите к светодиодам.

Если линия порта микроконтроллера сконфигурирована как вход с подтягивающим резистором, она будет отдавать небольшой ток в зеленый светодиод. Однако при сопротивлении подтягивающего резистора 22 кОм или выше это не вызывает ложного свечения выключенных светодиодов. При плавающей линии порта, что будет, когда напряжение V_CC равно 5 В, и линия порта сконфигурирована как вход без подтягивающего резистора, схема не потребляет никакого дополнительного тока, и среднее значение тока покоя, определяемое величиной резистора R₁ будет менее 100 мкА.

Материалы по теме