如何設計LED七段顯示器的LED串流電阻?

為什麼發光二極體(LED)需要限流電阻?

發光二極體(LED)是一個脆弱的電子元件,對它施予過大的電流或電壓都會使它燒毀。對於每個發光二極體(LED)串接一個正確阻值得限流電阻,是一個避免燒毀的簡單並有效的方法。這篇文章會解釋如何計算正確的限流電阻值。

兩種最常見的七段顯示器接法

為了要減少七段顯示器的外接腳位,將發光二極體的一端接在一起,藉由另一端來控制發光二極體的亮暗是十分常見的做法,作法隨著連接發光二極體兩端其中一端而分成兩種,共陰極(common cathode)的接法或是共陽極(common anode)的接法

發光二極體的基礎

發光二極體在維基百科上的定義

...發光二極體(英語:Light-emitting diode縮寫LED[1]是一種能發光的半導體電子元件,... 發光二極體只能夠往一個方嚮導通(通電),叫作順向偏壓,當電流流過時,電子與電洞在其內複合而發出單色光,這叫電致發光效應,而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。...

維基百科-發光二極體LED

發光二極體(LED)是一個雙端的電子元件,電流藉由正端流向負端來發光,下方圖片利用常見的LED Lamp 來解說電路符號。

圖說:▲利用LED LAMP 來解說電路符號 (REF Wikimedia)

七段顯示器的共陰和共陽的接法

LED相關應用來說,通常同時使用多個LED,以七段顯示器來說,就是會用七個LED來顯示數字,為了要單獨顯示七個LED,最多在模組上會需要14個外部連接點,若使用共陰和共陽接法,則可以減少外部接腳,減少外部接腳可以減少整體尺寸的外觀尺寸。

我們比較兩種接法的電路圖:

  • [A] 不使用共陰和共陽接法的七段顯示器電路圖
  • [B] 使用共陽接法的七段顯示器電路圖 OPD-S3010LA-BW
  • [C] 使用共陰接法的七段顯示器電路圖 OPD-S3011A-BW 

我們會討論這兩個接法的差異:

圖說:▲共陰和共陽接法的七段顯示器電路比較. OPD-S3010LA-BW  / OPD-S3010LA-BW 

比較這兩個電路接法,使用共陰和共陽接法會外部接點從16[A]減少到10點[B]/[C]

共陰和共陽接法的主要差別?

如果你的目的只是去開關LED,使用共陰和共陽接法基本上是完全沒有差異。但若對產品電路設計者,他可以依照自己的電路需求去選擇兩種來使用。

推薦的七段顯示器串接限流電阻接法

每個限流電組的電流路徑必須要對應到每個唯一的LED上。對於共陰或是共陽接法的七段顯示器如下圖所示,這樣的接法能確保每個LED開關的時候在電流路徑上都有一個限流電組。

展躍光電提供得更好的共陰七段顯示器電阻接法。
圖示:▲推薦共陰LED7段顯示器的限流電組接法

為了要開啟LED,LED 上的跨壓VP需要大於VF,LED 流過的電流決定於VP和限流電組R。


如何設定控制LED電流的限流電組?OPD-S3010LA-BW

使用 OPD-S3010LA-BW 的規格和電器參數來設計通過LED 的電流。

展躍光電 OPD-S3010LA-BW LED 顯示器的規格
圖說:▲ OPD-S3011LA-BW 規格

首先,你必須要確認所有的電器參數,比如說發光波長(Dominant wavelength),亮度(Luminous intensity),和一個晶片的功率消耗(Power dissipation) 是否適合你的應用。我們無法討論所有選擇一個適合的七段顯示器有思考,我們會以最基本的考量,順向電流(VF)和亮度來思考,若規格LED在20(mA)的亮度是40(mcd),你不需要這麼亮的亮度,則你可以設定LED 電流是10(mA),為了要使的LED開啟,則你對於LED施加的電壓VP必須要大於VF,從規格內選取VF=2.3V,設定VP=3.2V,我們可以從電路圖列出下列方程式L。

圖說:▲共陽極七段顯示器限流電組計算-1
圖說:▲共陽極七段顯示器限流電組計算-2

解出方程式可得LED限流電組 R4=120(ohm)

使用Arduino 來點亮七段顯示器

要點亮一個七段顯示器來顯示數字有很多種方式,像是利用撰寫程式配合下列平台或是晶片:Arduino ,Raspberry Pi, 8051 Microcontroller, FPGA, or general-purpose IC(74hc14 (driver) / 74HC47 (BCD to 7 segment decoder)。因為Arduino 跨平台,開源的特性,和有龐大使用者社群的優勢,Arduino 可能是最多人使用的一個平台,點亮一個單一的插件式LED Lamp 和點亮整個七段顯示器的設計方式幾乎相同。

圖說:▲OPTO PLUS LED DIP TYPE LAMP Product page 

Arduino 的限流電組相對來說簡單很多,因為Arduino 幾乎都是5V的電源系統,基本上只要選擇220(Ohm)就和LED 串接就可以正常點亮LED。想理解為什麼是220(Ohm),可以參考懶番茄工作是製作的影片,影片內用清楚簡單的方式讓你快速了解原理(有英文字幕)。除此之後,展躍光電之後也會提供另一篇文章來解說,請敬請期待。

Video description:▲Arduino #6 – LED 與電阻的必學之術!LED & resistors 101! by LazyTomato Lab 懶番茄工作室

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