К вопросу о светодиодах
Мы пошли искать запчасти для экскаватора и, совершенно естественно, оказались на порно-сайте.
Встретил недавно текст, в котором автор прощался с трехцветными светодиодами (в выводном исполнении) и задумался, а действительно ли «адресные» светодиоды способны вытеснить их. Для начала решил посмотреть и сравнить цены, использовав данные с сайта «Чип и Дип». Примечание на полях (Пнп): многие скажут. что у них цены неправильные (и нельзя утверждать, что будут неправы), но нас ведь интересует не абсолютные значения, а их соотношение, так что будем считать, что цены одинаково неправильны (если, конечно, неправильные) для любых компонентов. Вообще-то я давно работаю с фирмой «Платан», когда-то им просто не было альтернативы, потом по привычке, ну, а потом (когда вышел на несколько бОльшие обороты) Митино, конечно же, победило. Однако, безотносительно к ценам, сайт у фирмы неплохой и я постоянно к нему обращаюсь за информацией. Даже скажу больше, сайт у фирмы хороший, поэтому прошу разработчиков принять последующую критику с достоинством.
Да, дальше будет (в том числе) критика, причем достанется всем, если интересно, нажимайте.
Итак, захожу на сайт, выбираю SMD (ну, конечно же, не выводные, 2023 год на дворе) RGB (это условие) светодиоды и наблюдаю всего лишь 10 позиций (а вот это неожиданно). Оказывается, на сайте в этой продуктовой группе в данный момент представлены только китайские производители, даже не могу предположить, с чем может быть связано отсутствие европейских производителей. Пнп: отсутствие европейских брендов в разделе «адресных» (на редкость неудачное название, поскольку как раз адреса данный тип приборов не имеет, я бы предложит «каскадируемые», но меня не спросили) светодиодов вполне можно объяснить — этот раздел есть творение сумрачного китайского гения и на их полянку никто не лезет, но в обычных четырехвыводных Европа ранее была представлена.
Смотрю на цены и вижу, что, в общем то, стоимость адресных светодиодов вполне сравнима со стоимостью обычных трехцветных, а если учесть стоимость владения (внешние ограничивающие ток резисторы, место на плате под них , стоимость монтажа и необходимость дополнительных ножек управления для отдельных светодиодов), то чуть ли и не дешевле получается. Типичные значения цены (на данном конкретном сайте в данный конкретный момент в мелком опте):
трехцветный (четырехцветный, добавился желтый) адресный светодиод — 25 рублей + монтаж 4 ножек * 1 + место на плате 1×4 = 32,
трехцветный обычный светодиод (с общим катодом или анодом) — 19 (6) рублей + 3 резистора *1 + монтаж 10 ножек *1 + место на плате 2*4 = 40 (27),
три отдельных диода — 5+6+6 рублей + 3 резистора * 1 + монтаж 12 ножек * 1 + место на плате 3*4= 44.
Результат очевиден, а если еще и вспомнить о возможности изменения яркости (за бесплатно) в адресных светодиодах, то их преимущество станет еще более значимым. Пнп: вообще говоря, регулировать яркость я бы поостерегся, разброс в светимости разных экземпляров весьма значителен, да и зависимость ощущения светимости от тока далека от линейной, но лучше иметь возможность плохонькой регулировки, чем никакой. И еще замечание — когда я применил термин «бесплатно», это было не совсем верно — бесплатно в смысле аппаратуры, но, как известно, за все в этом мире надо платить и, в данном случае, платить придется временем на передачу дополнительных двух (трех) байт, содержащих информацию о степени ШИМ модуляции каждого светодиода в цепочке. Из вышеприведенного следует, что мысль в упомянутом посте была верна и экономического смысла применять обычные светодиоды в наше время действительно нет (но это для трехцветных, применять одноцветные вполне выгодно). Более того, остаются еще религиозные соображения, но это не мой профиль.
Пнп: единственное, что мне не нравится в «адресных светодиодах» — это их, не побоюсь выразиться, чудовищный (во всех смыслах этого слова) протокол. Я внимательно изучил документацию от трех производителей, и в каждой даются свои предельные значения длительностей импульсов, которые, к счастью, перекрываются, хотя и в очень узком диапазоне.
Далее разглядываю сайт и обращаю внимание на то, что некоторые обычные трехцветные светодиоды (типа TO-5050BC-MRPBFGF, далее 1) дешевле, нежели аналогичные (типа TO-3228BC-MRPBGHF, далее 2) — 9 рублей против 19 и пытаюсь понять причины такого явления. Для этого открываю документацию на оба компонента (https://static.chipdip.ru/lib/736/DOC002736076.pdf и https://static.chipdip.ru/lib/230/DOC007230811.pdf) и ищу разницу. Тут начинается «цирк с конями» — документация в целом похожая (ну еще бы, от одного производителя), но есть и различия. Вначале идет таблица с допустимыми абсолютными значениями, в которой дан максимально допустимый ток прибора (для типа 2 для каждого отдельного диода, для типа 1 почему то общий, но можно предположить, что он допустим для каждого диода, хотя это неточно). Дана максимально допустимая выделяемая мощность (опять-таки для каждого отдельного диода в 2 и одна на всех в 1). Рабочий диапазон температур шире у дорогого диода, что естественно.
Затем дана таблица с рабочими параметрами — прямое падение (здесь все хорошо написано, есть минимальное и максимальное значение) и светимость при фиксированном токе (здесь тоже все хорошо написано и светимость красного и зеленого диода у дорогого прибора в 2 раза выше). Вроде бы приборы очень похожи, корпуса очень похожи … Но черт меня дернул пролистать несколько страниц и посмотреть на графики зависимость светимости от прямого тока. Пнп: с моей точки зрения, параметр несколько бессмысленный, поскольку задается, как правило, в виде картинки с надписью «типовая зависимость«и, с учетом исходного разброса светимости в 30%+ рассчитывать на что-то конкретное в конкретной рабочей точке нелегко, но хоть какая то информация.
И вот тут я обнаруживаю реальную разницу между документациями (наверное, и между приборам, но это не точно). Тип 1 имеет ярко выраженную нелинейность светимости, что странно, при этом шкала токов маркирована в сотнях мА (стр. 6). Также в сотнях мА маркирована и шкала токов в вольт-амперной характеристике, причем напряжение на приборе, согласно ей, составляет десятки Вольт. В общем, либо нас обманули и на самом деле прибор в корпусе 0505 способен выделить мощность до 10Вт, либо … нас обманули и привели характеристики совсем другого прибора. Лично я склоняюсь ко второму варианту, особенно, если учесть, что характеристики прибора 2 вполне отвечают ожиданиям, то есть правдоподобным предположениям. Так что напрашивается вывод — компонент с плохой документацией продается по меньшей цене, ну или, по крайней мере, есть корреляция между качеством документации и ценой (конкретно для фирмы OasisTek на сайте ЧипДипа).
Ладно, один дефект обнаружен, но на пост пока явно не тянет — оказывается, впереди еще много «открытий чудных». Решаю напоследок взглянуть на выводные диоды, под руку попадается BL-L2506PGC (он первый в списке), открываю документацию и, совершенно неожиданно, обнаруживаю в графе «прямое падение» в таблице 2 максимальное значение (это необходимый параметр), типовое значение (на фиг не сдалось, но пусть будет) и … все. То есть минимальное падение напряжения на диоде при заданном токе не определено, от слова совсем, а оно совершенно необходимо для расчета ограничивающего ток резистора, «не аккуратненько как-то».
И тут мой взгляд падает на иконку с названием «Рассчитать» — то ли новая фича, то ли раньше я ее не замечал, но все равно ткнем в нее. Всплывает окно с рисунком схемы (схема правильная), предлагается ввести идентификационный номер диода (берем со странички описания) и напряжение питания (почему то вводить надо в окне возле отрицательного контакта источника питания, ну да ладно, «это капризы», примем 5В) и тут же получаем требуемое значение резистора (25 Ом) и рекомендуемое значение из ряда Е24, смещенное в сторону увеличения (и это правильно). Вроде все хорошо, но на самом деле нет.
Заявление относительно правильности схемы требует пояснения. Поскольку схема несложная, два последовательных элемента — диод и резистор, то единственное, что можно изменять — их последовательность (да, это тавтология). Так вот, к положительному контакту источника питания следует подключать резистор, но никак не диод. Это определяется чисто технологическими соображениями — когда Вы начнете отлаживать плату и (случайно, не нарочно) уроните землю осциллографа на плату (или, как вариант, коснетесь платы обечайкой щупа), то для данной схемы будут три варианта касания: верхняя точка (питание), средняя точка (между резистором и диодом), нижняя точка (земля). В последнем случае все хорошо (просто гарантировано засветится светодиод, надеюсь, Вы не управляете им при помощи пуш-пульного вывода, иначе у Вас могут быть неприятности), в первом все плохо, но это проблема источника (и Вас, его выбирающего, надеюсь Вы не забыли про необходимость защиты от КЗ), а вот со вторым случаем есть варианты. Если у Вас к плюсу прибит светодиод, то он будет светить ярко, но недолго, а вот если резистор, то у него есть неплохие шансы выжить, в крайнем случае, его не так жалко. Нет ни малейших оснований делать по-другому, и если при разводке платы Вам утверждают, что им будет проще разводить диодом к плюсу, не соглашайтесь.
Пнп: наблюдательный читатель тут же спросит -, а что, если мы начнем ронять на плату питание, а не землю. Да, согласен, картина будет принципиально иной, но в повседневной жизни «цивильные люди паровозы жопами не останавливают» нормальные разработчики питание на платы не роняют.
Но вернемся к вопросу о том, почему расчет неправильный (я три раза пробовал ткнуть на ссылку «сообщить об ошибке», но так ничего и не произошло, так что буду писать тут). Дело в том, что формула приведена совершенно верная R>=Rmin=(Up-Uf)/If, но значение прямого падения следует брать не максимальное (и не типовое, которое вообще ни о чем), а минимальное. Почему — да потому, что именно в случае минимального падения на диоде ток через схему будет максимальным, а резистор призван именно ограничить ток. Если сделать, как в расчете на сайте, то при R=25 Ом и Uf=4.5B получим 20 мА (для такого значения и считали), но уже при Uf=3.8В получим 48 мА, что откровенно больше допустимых 30 мА. Ну, а что будет при минимальном Uf, которое, как я и сказал, не указано в документации, поэтому следовало бы принять за 0В — единственное гарантированное значение (можно предположить 0.7В, ведь у нас диод, но это уже требует доказательств), даже страшно представить. Пнп: и это мы считаем при номинальном питании, а надо бы брать максимальное выходное напряжение нашего источника 5+10%=5.5В.
Поэтому правильно будет рассчитывать минимально допустимое сопротивление резистора при минимальном прямом падении на диоде (при этом ток можно принять не рабочим, а максимально допустимым), а ток при максимальном значении прямого падения (ну и типовом, если хотите) просто принять к сведению и убедиться, что он достаточен для устойчивого свечения. При этом возможна ситуация, когда ток при максимальном падении будет слишком мало по сравнению с рабочим, об этом следует сообщить и посоветовать выбрать напряжение питания побольше (да, при этом уменьшится кпд, но за все в этом мире нужно платить). Ведь о недостаточном питании (меньшем, чем максимальное прямое падение на диоде) программа сообщает, так что расширить ее возможности, наверное, несложно.
Интересное замечание — помимо максимального тока, нам еще указана максимальная допустимая рассеиваемая мощность на диоде. Что характерно, она достигается не при минимальном падении в 0В (здесь мощность на диоде равна нулю) и совершенно не обязательно при максимальном падении (в пределе это напряжение питания, светодиод не светится и мощность тоже равна нулю), а где то в промежуточной точке. Поставим вопрос — в какой именно? Задумайтесь на секунду и предложите навскидку свой вариант, используя параметры U и R, правильный ответ под спойлером.
Hidden text
Исходя из того, что область значений прямого падения лежит от 0 до Up, и на границах имеем нулевое падение, мы можем ожидать максимум в точке Up/2, так оно и есть.
Пнп: все это соображения были мною изложены в давнем посту на этом сайте, непонятно, почему создатели сайта ЧипДип игнорируют концентрированную мудрость веков, изложенную в максимально удобной форме (если сам себя не похвалишь, то весь день ходишь, как оплеванный).
Ну и еще одно маленькое замечание — для иконки расчета резисторов при трехцветном светодиоде предлагается дополнительно выбрать вариант схемы (общий анод, общий катод, полная параллельность), что меня несколько озадачило. Мне казалось (и перебор этих трех вариантов мои предположения подтвердил), что значения резисторов отличаться не будут (и они не отличаются). Так что выбор варианта подключения мне представляется несколько излишним, хотя, быть может, для некоторых современных молодых инженеров и имеет смысл, иначе они будут волноваться, что расчет проведен не для их варианта. Как было сказано в одном хорошем фильме: «Ну ладно, пусть комары будут, если французы без них не могут», что наличие этих рисунков не ошибка, а вот расчет опять-таки делается, исходя из максимального прямого падения, что неверно.
И в заключение — что делать, если минимальное прямое падение на диоде не указано в документации — лично я рекомендую с такими компонентами не работать, но решать Вам, хотя хорошего решения нет (приемлемое я уже указал — считать минимальное напряжение равным 0В и предупредить о подобном предположении).
Закончим с замечаниями к сайту (народ, не обижайтесь, я действительно хочу, чтобы у Вас стало еще лучше) и вернемся к документации на адресные светодиоды (конкретно SK©6812-RGBW-BW).
Здесь все намного проще — поскольку собственно диоды встроены в компонент, то требования к рабочему току обеспечиваются производителем микросхемы и нас не интересуют, но есть один аспект — питание. Поскольку нам не дана информация о внутреннем устройстве, мы не вправе предполагать наличие внутри повышающего преобразователя (если он есть, то приношу свои извинения, хотя … отсутствие информации о подобном функционале тем более не допустимо, так что извинений фирма Neopixel не получит). Поэтому производитель должен от нас потребовать напряжение питания, достаточное для открывания всех трех (а то и четырех, добавлен желтый) светодиодов.
Пнп: «я не настоящий сварщик», светодиоды не проектирую и с физикой процесса знаком в самых общих чертах, но умею читать техническую документацию и вижу, что, как правило, диоды разного цвета излучения имеют разное прямое падение при близких токах. Красный, например, имеет характерную величину в 2.5В, зеленый — 3.4В , синий — 3.4В, желтый — 2.5В. С высокой долей уверенности можно предположить, что напряжения питания в 5В должно хватить для всех, 3.3В точно недостаточно.
И что в документации делает производитель — правильно, творит загадочную фигню. На странице 6 указаны «Electrical Parameters», для питания в том числе, и там фигурирует загадочная запись +3.7~+5.5В. Ладно, предположим, что это максимально допустимое значение и нам лишь гарантируют, что при таком напряжении питания прибор не выйдет из строя, функционирование не обязательно. Но тогда, формально говоря, мы должны принять меры к тому, чтобы напряжение питания не опускалось ниже +3.7В ни при каких условиях, иначе прибор имеет право сломаться, то есть отключать питание (сделать его равным 0В) нельзя вообще никогда — странно как то. Пнп: нормальные (ответственные) производители в таких случаях для минимального напряжения питания указывают значение 0В или даже -0.7В, но к данному производителю из КНР слово «нормальный» явно не применимо.
Ладно, пошли дальше, ведь есть еще и «The IC electrical parameters», наверное, определяющая рабочие значения. Тут еще забавнее (ну или так же забавно, я не считаю себя знатоком цирка) — указано типовое значение (5.2В) и … это все. То есть в зависимости от уровня осторожности (паранойи), или, противоположной ей, смелости (наглости) разработчика, Вы можете либо подать вообще любое значение напряжения питания (в пределах абсолютно допустимых 3.7~5.5), либо потребовать значения 5.2В с точностью 0.001В (можно и точнее). Есть и третий путь — не использовать данный компонент, но эта моя рекомендация универсальна и абсолютным решением не является (хотя как посмотреть — требования надежности разрабатываемого изделия она обеспечивает). Вариант — подать питание 5В, проверить функционирование и заявить «ну ведь работает же» оставим на долю сектора DIY. Пнп: справедливости ради, отметим, что для данной таблицы есть замечание «unless otherwise specified… VDD=4.5 ~ 5.5V» и вот эти значения в качестве рабочего питания мне представляются разумными.
Дальше в документации параметр, обозначаемый Idd и измеряемый в мА, называется напряжением, даются исключительно типовые значения параметров и так далее, но к такому я уже давно привык.
Ну, вроде всех, кого надо было, поругал, осталось только правительство РФ в лице МинПромТорга — относительно отсутствия в линейке продаж фирмы ЧипДип трехцветных, или даже четырехцветных отечественных светодиодов — недорогих, удобных в использовании изделий с хорошими техническими характеристиками. От высказываний, описывающих мое отношение к указанному ведомству (и сопровождаемых конкретными предложениями по улучшению ситуации в отрасли) меня останавливают три соображения:
Хабр вне политики (забавно, правда);
а вдруг это окажется дискредитацией чего-нибудь очень важного и ценного, особо охраняемого законом (в интересное время живем);
а вот это действительно важный аргумент — если в то, что:
— сайт ЧипДипа поправят, я верю (не разочаруйте меня, пожалуйста);
— китайский производитель исправит откровенные ошибки и недочеты в документации, могу поверить, хоть и с трудом;
— в возможность реакции (конструктивной) на критику со стороны МинПромТорга лично я не верю совершенно, от слова совсем.
