На «0» - «1» засветись! Или индикация логических уровней светодиодами

Автор: Ирбис
Опубликовано 31.10.2007

1. Да будет свет! Или как правильно просто зажечь светодиод (LED – Light-Emitting Diode по-буржуйски)

Светодиод светиться, когда через него течёт ток в прямом направлении. «Стрелочка» диода как раз и указывает это направление. А ток не просто течёт сам по себе, куда ему вздумается, а от «плюса» источника питания к «минусу». Для удобства иногда один полюс источника питания с общим проводом соединяют, и он становится нулём напряжения. А общий провод потом заземляют. Тогда один полюс остаётся: или «плюс» или «минус». Но ток всё равно течёт, но от большего к меньшему. А вот светодиоду всего источника питания будет слишком много, и он может испортиться. А чтобы этого не произошло, ему нанимают телохранителя – добавочный резистор. И не просто какой-нибудь, а чтобы специальный отбор по формулам прошёл.
Светодиод на схемах в СНГ обозначают HL – световой индикатор.

Схема получается вот такая:

А вот страшные формулы для резистора-телохранителя:

R_доб = (U_ип – U_сд) / I_сд      (1)
P = I²_сд·R                   (2)

В 1-й формуле сопротивление R_доб в омах высчитываем. А для этого нам напряжение источника питания U_ип, падение напряжения на светодиоде U_сд и рабочий ток светодиода I_сд знать надо. Напряжения измеряются, как известно в вольтах, а ток в амперах.
С напряжением источника питания U_ип понятно, даже если оно неизвестно, его вольтметром измерить можно. А вот чтобы узнать U_сд и I_сд в справочники заглянуть надо (или на справочные сайты в Internet).
Ток I_сд у большинства светодиодов от 10 до 20 мА, поэтому смело можно 10 мА в формулы ставить. Сверхъяркие светодиоды и при меньших токах хорошо светятся, но это уже другая история.
Во 2-й формуле мы мощность P (в ваттах) резистора R_доб высчитываем. Защита ведь должна быть надёжной. Смотрим, что получилось, и выбираем с запасом из ряда стандартного: 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2 Вт (там и дальше он продолжается, но это уже настоящие «броневики с печным отоплением», если таковые потребовались, значит, неправильно посчитали или напряжение питания слишком большим выбрано).

2. «0» и «1» или логические уровни

Микросхемы цифровые, хоть и зовутся цифровыми, но нули и единички у них напряжением (потенциалом) на самом деле являются. У разных микросхем они (нули с единичками) разные, а мы возьмём самые распространённые: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП-транзисторы). Питается ТТЛ от +5 В, а вот КМОП современные от +3 до +12 В питаются.
«0» у них (микросхем) потенциал «земли» считается, но на деле он чуток повыше будет: +0,3 В для КМОП и +0,5 В для ТТЛ;
«1» у них (микросхем) считается потенциал «плюса» источника питания, но на деле он где-то пополам будет.
Всё от того, что на выходных транзисторах микросхем часть напряжения теряется, да и помехи ещё хулиганят.
Но на самом деле, для надёжности считают, то, что от 0 до +0,8 В (для ТТЛ микросхем) или от 0 до +1,5 В (для КМОП микросхем) является «низким уровнем» или «нулём», а то что больше +2 В (для ТТЛ микросхем) или +1,5 В (для КМОП микросхем) будет уже «высоким уровнем» или «единицей».
Так как надо будет светодиод зажигать, а зажигать мы его будем через транзистор, который в микросхеме стоит, то уровни «0» и «1» учитывать надо. Именно на них нам в 1 й формуле напряжение питания поправлять надо.

3. Переходим к схемам

Для того чтобы сто раз не пересчитывать, для ТТЛ микросхем резистор R будет нужен 220 – 330 Ом, а его мощность должна быть 0,125 Вт или 0,25 Вт. Можно, конечно, и большей мощности резистор поставить, ну уж очень большим он по размерам будет. Транзисторы можно любые маломощные ставить (буржуины их TUN и TUP называют), а нам и КТ315/КТ361 или КТ3102/КТ3107 сгодятся. Светодиоды самые обычные, лучше конечно, красные, АЛ307БМ, например.

Итак:

Схема № 1 — Индикация высокого «1» уровня

Токовая нагрузка на выход микросхемы около 0 (при «0») и около 3,3/R (при «1»).

Достоинства: очень простая.
Недостатки: с этого выхода нельзя снимать сигнал на входы других микросхем.

Схема № 2 — Индикация высокого «1» уровня

Используется для микросхем с открытым коллектором (стоком), токовая нагрузка на выход микросхемы около 5/R (при «0») и около 0 (при «1»).

Достоинства: очень простая.
Недостатки:
1) с этого выхода нельзя снимать сигнал на входы других микросхем;
2) потребляется энергия при выключенном светодиоде.

Схема № 3 — Индикация низкого «0» уровня

Токовая нагрузка на выход микросхемы около 3,3/R (при «0») и около 0 (при «1»).

Достоинства: очень простая.
Недостатки: с этого выхода нельзя снимать сигнал на входы других микросхем.

Схема № 4 — Индикация высокого «1» уровня

Используется для микросхем с активным выходом (т.е. для схем с открытым коллектором (стоком) не подходит), токовая нагрузка на выход микросхемы около 0 (при «0») и около 0 (при «1»).

Достоинства: не создаёт нагрузки на выход микросхемы.
Недостатки:
1) сложновата – транзистор прибавился;
2) можно использовать только для микросхем с активным выходом.

Схема № 5 — Индикация высокого «1» уровня

Используется для микросхем с активным выходом (т.е. для схем с открытым коллектором (стоком) не подходит), токовая нагрузка на выход микросхемы около 0 (при «0») и около 0 (при «1»).

Достоинства: не создаёт нагрузки на выход микросхемы;
Недостатки:
1) сложновата – транзистор прибавился;
2) можно использовать только для микросхем с активным выходом.

Схема № 6 — Индикация низкого «0» уровня

Используется для микросхем с активным выходом (т.е. для схем с открытым коллектором (стоком) не подходит), токовая нагрузка на выход микросхемы около 0 (при «0» и если RБ > 5 кОм) и около 0 (при «1»).

Достоинства: не создаёт нагрузки на выход микросхемы;
Недостатки:
1) сложновата – транзистор да ещё в компании с резистором R_Б прибавился;
2) можно использовать только для микросхем с активным выходом;
3) потребляется энергия при выключенном светодиоде.

Схема № 7 — Индикация высокого «1» уровня

Токовая нагрузка на выход микросхемы около 0 (при «0») и около 0 (при «1»).

Достоинства: не создаёт нагрузки на выход микросхемы;
Недостатки:
1) сложновата – транзистор прибавился;
2) потребляется энергия при выключенном светодиоде.

Схема № 8 — Индикация низкого «0» уровня

Токовая нагрузка на выход микросхемы около 0 (при «0») и около 0 (при «1»).

Достоинства: не создаёт нагрузки на выход микросхемы;
Недостатки: сложновата – транзистор прибавился.

4. Подведём итог:

- Схемы №1, №2 и №3 – светодиод подключен непосредственно к выходу микросхем и их ограничения на коэффициент разветвления не позволяет использовать этот выход для других нагрузок;
- В остальных схемах (№4 — №8) – транзистор буферный используется, и предыдущей проблемы уже нет;
- Схемы №4 и №8 – используются, когда проводимость транзистора особой важности не имеет;
- Схемы №6 и №7 – настоящие обжоры, электроэнергию кушают, даже тогда, когда светодиод выключен;
- И ещё раз о схеме №1 – ток при зажигании светодиода уж очень зависит от внутреннего резистора в микросхеме, через который питание на выходной транзистор подаётся.

И, наконец, если мы очень быстро в микросхемах уровни переключать начнём, то мы можем и не заметить, что же нам показывают светодиоды. Но это уже другая история.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

По материалам журнала «Электроника» 1977 (т.50) №5