Proračun komponenata za LED displej modul

Uvod i teorija

Za proračun nam je potreban samo jedan LED displej, dok ostatak šeme možemo da zanemarimo. U narednom blogu o multipleksiranju ću objasniti zašto su otpornici obavezni. Na internetu često možete pronaći verzije digitalnog sata sa LED displejom sa zajedničkom anodom koji je kontrolisan čipom ULN2803 bez redno vezanih otpornika. To rešenje nije stabilno iz više razloga – prosto vam digitalni sat neće dugo raditi, čak i ako u prvom trenutku dobijete rezultate.

Slika 1: LED displej segment od interesa za računanje vrednosti konkretnih komponenti sa kojima ćemo realizovati LED displej modul.

Koji deo šeme određuje potrošnju LED displej segmenta prikazanog na gornjoj slici?

PNP tranzistor nam služi za multipleksiranje, odnosno paljenje i gašenje LED displeja u tačno zadato vreme. Samim tim, PNP tranzistor možemo smatrati delom napajanja jer uključuje i isključuje LED displej pod kontrolom mikrokontrolera.

“LED displej je komponenta koja diktira potrošnju struje kroz granu kojom protiče jednosmerna struja.” TAČKA.

Sa druge strane, ULN2803 nam služi da upalimo određene segmente LED displeja kako bismo prikazali broj. U suštini, svaka komponenta električne šeme jeste potrošač, ali mi ćemo ovde zaobići rasprave koje se vode na fakultetima i prosto pojednostaviti stvari.

Kako pronaći LED displej u prodavnicama kod distributera?

Sledeća stavka koju treba da odredimo jeste konkretan LED displej koji ćemo koristiti u našem modulu. Da bismo to uradili, potrebno je da pokrenemo internet pretraživač i pronađemo distributere elektronike na našim prostorima u Srbiji. Na raspolaganju imamo sledeće opcije:

·         Beograd: MikroPrinc (centar) i Kelco (Zvezdara) – odlični za brzu kupovinu 'iz ruke'.

·         Novi Sad: Sprint Electronics (Braće Ribnikar) i Orbit Electronics (Bulevar Oslobođenja)

·         Svilajnac: ITC Electronic.

·         Veliki distributeri (Online/Dostava): Comet Electronics – vrhunski izbor za naručivanje veće količine delova i specifičnih čipova direktno preko sajta.

Pošto sada znamo odakle možemo da naručimo delove za projekat, hajde da bacimo pogled na katalog Mikro Princa i pronađemo jedan LED displej. Na donjoj slici prikazan je naš izbor.

Slika 2: Izbor zelenog LED displeja sa zajedničkom anodom.

Prva stvar koju treba da uradimo jeste da pronađemo tehničku specifikaciju (datasheet) LED displeja. Pregledom stranice proizvoda vidimo opis i deklaraciju, ali nigde nema tačnih podataka o strujno-naponskim karakteristikama. To znači da moramo putem pretraživača da pronađemo zvanični PDF dokument proizvođača koji detaljno opisuje ovaj LED displej. Nakon brze pretrage, uspešno smo pronašli tehnički list za model SA39-11GWA.

Slika 3: Strujno-naponske karakteristike odabranog LED displeja.

Iz priloženih tabela vidimo da je ovaj LED displej sačinjen od zelenih LED dioda. Parametri koji su ključni za naše projektovanje jesu Forward Voltage (direktan napon) i DC Forward Current (direktna struja). Ovo su vrednosti koje važe za jedan pojedinačni LED segment:

·         Jedan LED segment troši 25 mA (maksimalna vrednost) pri padu napona na PN spoju od 2.5 V.

·         Pošto unutar LED displeja imamo ukupno 8 LED dioda (7 segmenata + decimalna tačka), to znači da maksimalna potrošnja displeja iznosi 200 mA kada su svi segmenti uključeni istovremeno.

Računica je jednostavna:

Broj LED dioda × DC Forward Current = Ukupna potrošnja

8 × 25 mA = 200 mA

Sada tačno znamo koliko će LED displej maksimalno trošiti struje kada prikazuje broj 8 sa upaljenom decimalnom tačkom.

Šta je sledeće od komponenti?

Sledeće što treba odrediti jeste odgovarajući PNP tranzistor. Kako da znamo koji nam je potreban? Pošto je ovaj open-source portal zamišljen kao edukativan, uzećemo za primer popularni BC557 PNP tranzistor i proveriti njegove specifikacije u katalogu.

Slika 4: Karakteristike BC557 tranzistora.

U opisu tranzistora odmah vidimo ključni podatak: BC557 može da izdrži maksimalnu kontinualnu struju od 0.1 A (100 mA). Da li je to dovoljno za naš LED displej koji troši maksimalno 200 mA? NIJE! Ako bismo upotrebili ovaj PNP tranzistor, u trenutku kada displej upali sve segmente da prikaže broj 8, tranzistor bi pregoreo zbog preopterećenja.

Zato moramo pronaći snažniji tranzistor koji može bezbedno da preklapa struju od minimum 200 mA. Nastavljamo pretragu kataloga.

Izbor ovog puta pada na PNP tranzistor BC327. On može da izdrži maksimalnu struju do 0.5 A (500 mA), što nam ostavlja odličnu rezervu pošto je nama potrebno svega 200 mA. BC327 je sasvim dovoljan i bezbedan izbor.

Slika 5: Karakteristike BC327 tranzistora iz kataloga.

Nešto osnovno o tranzistorima

Tranzistor nije nikakva “Baba Roga” niti veštica, već ga u elektronici možemo posmatrati prosto kao slavinu za vodu. Svi znamo kako obična slavina funkcioniše: koliko odvrnete ventil, toliko će vode proteći. Isto važi i za tranzistore. Dva glavna tipa koja se koriste u ovakvim projektima jesu BJT (bipolarni) i MOSFET tranzistori. U ovom primeru koristimo BJT tranzistor PNP tipa.

Bipolarni PNP tranzistor ima tri terminala: bazu, emiter i kolektor. Kod njega važi pravilo: koliko struje "pustite" kroz bazu, toliko će struje proteći na relaciji emiter–kolektor. Zato kažemo da je BJT tranzistor strujno kontrolisan. MOSFET funkcioniše drugačije – on je naponski kontrolisan, što znači da dovedeni napon na gejtu (Gate) određuje kolika će struja proteći između sorsa (Source) i drejna (Drain).

Šta to praktično znači za naš LED displej modul? Pošto displej troši 200 mA, naš zadatak je da PNP tranzistor „odvrnemo“ dovoljno široko da može opušteno da propusti tih 200 mA. Pošto struja baze kontroliše rad tranzistora, moramo da izračunamo kolika nam je struja baze potrebna da bismo tranzistor uveli u režim potpunog prekidača. Imajte na umu: ako na displeju rade samo dva segmenta, on će povući oko 50 mA, ali mi tranzistor proračunavamo za maksimalnih 200 mA, a otpornost samog kola će u svakom trenutku odrediti tačnu količinu struje koja se povlači iz napajanja.

Evo i proračuna

Pošto pomoću PNP tranzistora palimo i gasimo LED displej, koristićemo ga isključivo kao prekidač, što znači da ga moramo konfigurisati da radi u zasićenju (saturation). Na osnovu fabričke tehničke specifikacije za BC327 imamo sledeće parametre:

Slika 6: Tehnički parametri tranzistora BC327 u zasićenju.

Kada tranzistor ulazi u zasićenje, njegov stvarni strujni dobitak drastično opada. Zbog toga se u inženjerskoj praksi za proračun struje baze koristi takozvani prinudni dobitak (forced beta) koji za prekidački režim tipično iznosi između hFE = 10 i hFE = 20.

Ako pogledate red u tabeli za VCEsat (napon zasićenja), videćete da proizvođač garantuje nizak pad napona i potpuno zasićenje tek kada je odnos struja sledeći:

·         IC = -500 mA

·         IB = -50 mA (što je tačno odnos 10:1, odnosno prinudno pojačanje hFE = 10).

Tačan proračun struje i otpora baze za 200 mA

Pošto je naša radna struja IC = 200 mA (što je znatno manje od maksimalnih 500 mA), uzećemo siguran i standardan faktor pojačanja u zasićenju od hFE(sat) = 20.

1. Potrebna struja baze (IB):

IB = IC / hFE(sat) = 200 mA / 20 = 10 mA

(Sa strujom baze od 10 mA potpuno smo sigurni da će tranzistor raditi kao maksimalno otvoren prekidač i da će pad napona na njemu biti minimalan).

2. Proračun otpornika baze (RB):

Pretpostavimo da mikrokontroler radi na naponu od 5 V. Pošto je u pitanju PNP tranzistor, on se aktivira (provodi) kada pin mikrokontrolera ode na logičku nulu (0 V). Iz tabele vidimo da napon između baze i emitera (VBE) u zasićenju iznosi oko 0.7 V.

Pad napona na samom otporniku baze iznosi:

URb = 5 V – VBE = 5 V – 0.7 V = 4.3 V

Primenom Omovog zakona dobijamo potrebnu otpornost:

RB = URb / IB = 4.3 V / 10 mA = 430 Ω

Prva standardna vrednost otpornika iz E24 serije koju možete upotrebiti je tačno 430 Ω. Ukoliko je nemate u fioci, odlične i bezbedne alternative su 390 Ω (za još sigurnije zasićenje) ili standardni 470 Ω.

Proračun otpornika koji ograničavaju struju kroz LED segmente

Ostaje nam još da izračunamo vrednost otpornika koji direktno ograničavaju struju kroz LED displej, a povezani su na open-collector izlaze Darlingtonovog niza unutar čipa ULN2803.

Za precizan proračun moramo uzeti u obzir sve padove napona u toj strujnoj grani:

·         Napon napajanja: 5 V

·         Pad napona na PNP tranzistoru (VEC(sat)): oko 200 mV (odnosno 0.2 V) pri struji od 200 mA

·         Maksimalni pad napona na zelenom LED segmentu (VLED): 2.5 V

·         Pad napona na izlaznom tranzistoru čipa ULN2803 (VULN): iznosi između 0.9 V i 1.1 V; za proračun uzimamo najgori slučaj od 1.1 V

Sada računamo preostali pad napona koji mora da se potroši na samom otporniku (VR):

VR = 5 V – VEC(sat) – VLED – VULN = 5 V – 0.2 V – 2.5 V – 1.1 V = 1.2 V

Pošto želimo da struja kroz pojedinačni segment bude tačno 25 mA (0.025 A), ponovo primenjujemo Omov zakon (R = U / I):

R = 1.2 V / 25 mA = 48 Ω

Najbliža standardna vrednost iz široko dostupne E24 serije otpornika iznosi 47 Ω. Slobodno možete upotrebiti otpornike od 47 Ω, displej će raditi maksimalno efikasno i svetlo, a sve komponente na pločici će ostati potpuno hladne i bezbedne.

Napomena: Kako se tačno biraju i klasifikuju standardne vrednosti otpornika po serijama (E12, E24, E48) nećemo detaljno pokrivati u ovom članku jer to predstavlja posebnu temu za sebe, koja se primarno oslanja na standarde tolerancije i dostupnost komponenti kod lokalnih distributera.

💣 Proračun ne laže: u realnom svetu elektronike, Omov zakon je zakon. Znamo da vam to zvuči previše prosto pored svih onih beskonačnih integrala i matrica sa fakulteta, ali praksa ne trpi komplikovanje bez razloga. Dok vas na fakultetu muče teorijama, u realnom dizajnu elektronike posao vas uči da rešavate probleme, a ne da ih komplikujete.

---

📦 Open Source & Podela znanja:Ovaj članak, prateće slike i PDF dokumenti su licencirani pod Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licencom. Slobodno možete deliti, kopirati i prerađivati materijal u bilo koje svrhe, uključujući i komercijalne, pod uslovom da jasno navedete izvor: zilsel-invent.com.

Autor: Vladimir Savić | Gemini AI