Преимущества светодиодов неоспоримы, сегодня они везде, в том числе и часах. Что представляют себя часы на светодиодных матрицах, о плюсах и недостатках разберем в рамках статьи. В конце статьи представлено подробное пошаговое руководство для изготовления устройства своими руками.
Что это такое
Часы на светодиодных матрицах - это электронные часы, в которых для индикации используются матрицы из множества светодиодов. Применение индикаторов другого типа - единственное их отличие.
Матрица - это набор светодиодов, собранных вместе в виде сетки с единым анодом или катодом. Как правило, разрешение таких индикаторов - количество точек по вертикали и горизонтали - 8×8.
Почему же такие часы набирают популярность, преимущества:
- Цена. Светодиодные матрицы дешевле семисегментных индикаторов аналогичных размеров.
- Яркость. Светодиоды горят ярче, чем семисегментные индикаторы, их лучше видно в местах, освещенных солнечными лучами. Многие производители также предусматривают конструктивную защиту диода от воздействия солнца.
- Функциональность. При помощи матрицы из светодиодов можно выводить не только цифры, но также различные буквы, знаки препинания, символы. При помощи набора LED-матриц можно выводить некоторую информацию в виде бегущей строки.
Светодиодные матрицы имеют и недостатки:
- Увеличенная сложность управления. Из-за большого количества элементов (в стандартной матрице их 64) управлять матричными индикаторами чем семисегментными. Для этого применяются микроконтроллеры, динамическая индикация и сдвиговые регистры.
- Угол обзора. Особенность светодиодов состоит в том, что они фокусируют свет в одном направлении. Это приводит к тому, что изображение на светодиодной матрице видно хорошо только под определенным углом.
- Непереносимость высоких температур. Нагревание снижает эффективность светодиодов и уменьшает срок службы.
- Перегорание отдельных светодиодов приведет к эффекту «битого пикселя» и ухудшению качества изображения.
Самодельные часы на светодиодных матрицах
Несмотря на большую популярность часов на светодиодных матрицах, в Рунете не так уж и много схем для их самостоятельного изготовления. Рассмотрим самую популярную.
Необходимые навыки для сборки устройства:
- изготовление печатных плат;
- пайка элементов: схема предполагает SMD-исполнение, это значит, что элементы будут устанавливаться прямо на поверхность платы;
- прошивка микроконтроллеров: в схеме используется МК ATMega16A;
- программирование МК: это не обязательно, поскольку для данного устройства уже имеется прошивка контроллера. Этот навык пригодится, если вы захотите изменить режим работы часов или расширить их функционал, например, добавив дополнительные элементы такие, как датчики температуры или влажности.
Из инструментов понадобятся:
- набор для изготовления плат;
- программатор МК;
- паяльник.
Рассмотрим подробнее схему устройства. Главным управляющим элементом является МК ATMega16A, он обеспечивает следующие возможности прибора:
- Отсчет времени и календарь. Ведется даже при отключении питания.
- Будильник. Здесь их 9 штук, можно запрограммировать на работу по дням недели.
- Измерение температуры. Конструкция часов позволяет установить два датчика температуры для измерений в комнате и на улице.
- Режим бегущей строки. Выдает следующую информацию: день недели, месяц, год, температура.
- Коррекция хода часов.
Большая часть функций возложена на микроконтроллер, что позволяет максимально разгрузить схему и использовать минимальное количество элементов.
В устройстве используется лишь две микросхемы: микроконтроллер и сдвиговый регистр TPIC6B595, также можно подключить два датчика температуры DS18B20 - один уличный, и второй комнатный.
Для индикации используются три светодиодные матрицы 8×8. В качестве диода D1 лучше использовать диод Шоттки. Диод в схеме обеспечивает переход на аварийное питание, а диод Шоттки обладает наименьшим падением напряжения и высокой скоростью переключения.
Процесс изготовления:
О некоторых особенностях при сборке часов на светодиодной матрице с ATMega 16A доступно рассказывается в следующем видео.
Часы на светодиодных матрицах имеют много преимуществ перед приборами с другим типом индикации: дешевле, не засвечиваются солнцем, с их помощью можно вывести большее количество информации. Существует большое количество моделей часов на led матрицах, и каждый найдет для себя девайс с требуемым функционалом. Также такие часы несложно изготовить самому, как вы увидели из пошагового руководства выше, это не требует особенных инструментов или специальных навыков.
Светодиоды все стремительнее занимает свое место среди источников освещения.
Низкое потребление электроэнергии, яркость позволили светодиодам вытеснить традиционные лампы накаливания и довольно уверенно соперничать с энергосберегающими.
Поддавшись общей тенденции, решил собственными руками пощупать и собственными глазами посмотреть на светодиодную матрицу, не требующую каких-то отдельных драйверов, а подключающихся непосредственно к сети 220 вольт. Кому интересна данная тема, прошу под кат.
В результате остановил свой выбор на следующем экземпляре:
Из описания на странице следует, что данный источник света:
- производится по технологии LED СОВ;
- напряжение питания 220 вольт;
- потребляемая мощность 30 ватт;
- цветовая температура 2500- 3200К;
- материал подложки (основания) алюминий;
- габаритные размеры 40*60мм;
Пока ехала посылка, изучил теорию.
Что собой представляет технология LED СОВ?
Примерно до 2009 года у светодиодной продукции было только одно направление развития – увеличение мощности светодиода или Power LED. Совершенствование данной технологии позволило добиться мощности одного светодиода на уровне 10 ватт.
Как оказалось дальнейшее наращивание мощности не имеет смысла ввиду высокой стоимости производства отдельного мощного светодиода. Важную роль в поисках иного пути развития так же послужило то, что светодиод является точечным источником света и добиться засветки большой площади поверхности с помощью мощных светодиодов оказалось не просто и весьма не дешево. Для получения более-менее приемлемых результатов требовалось применение оптических систем для того, чтобы сделать свет рассеянным.
Следующим шагом было применение для создания приемлемых источников рассеянного света SMD светодиодов – на одну плату припаивалось большое количество светодиодов. Недостатками является общая трудозатратность процесса – производство отдельных светодиодов (каждый на своей керамической подложке + персональный слой люминофора и т.д.). Кроме того, недостатками метода являлась невысокая надежность отдельных светодиодов и необходимость ремонта при выходе хотя бы одного из них из них из строя.
В итоге, к инженерам пришла мысль о необходимости производства светодиодов без персональных атрибутов и размещения их на одной плате на небольшом расстоянии друг от друга под общим слоем люминофора, т.е. технология LED СОВ. В конечном итоге это позволило снизить стоимость источника света в целом и в случае выхода из строя отдельных светодиодов менять весь модуль (матрицу).
Приехала посылка в желтом конверте с пупыркой внутри. Сама матрица вложена в соразмерный пластиковый пакет.
Как видим, действительно светодиоды расположены близко друг к другу, покрыты общим слоем люминофора и защищены массой, напоминающей пластичный клей.
Белая субстанция по периметру матрицы и защищающая схему драйвера похожа на резину или термоклей – не твердая, упругая масса. Это позволило снять ее с наиболее выдающихся корпусов и определить, что один из них диодный мост MB10S с максимальным постоянным обратным напряжением 1000 вольт и максимальным прямым током 0,5 ампер.
Даташит:
Размеры соответствуют указанным в описании.
Толщина подложки 1 мм и вес матрицы аж 8 грамм.
Само собой разумеется, что, как и для мощных светодиодов, матрицам так же необходим радиатор. В качестве такового был выбран радиатор от процессора.
Саморезами, через термопасту КПТ -8 матрица была закреплена на радиаторе.
В данной последовательности действий была допущена ошибка – провод следовало припаивать до крепления матрицы к радиатору – тепло от паяльника уходило в теплоотвод. Результат пайки виден на фото. Однако провода держались надежно, и снимать матрицу уже не стал.
Первое включение произвело неизгладимое впечатление – сказать «ярко», ничего не сказать. Даже если смотреть с расстояния под небольшим углом к плоскости матрицы «зайцы» обеспечены. По сравнению с имеющимися в наличии энергосберегающими лампами температурой 2800К свет белый и его много.
Комната площадью 14 кв. метров освещается более, чем хорошо.
После 20 минут температура поднялась до 85 градусов. Далее испытывать на прочность матрицу не стал, хотя чипы управления могут контролировать ток через светодиоды при сильном нагреве.
Далее тесты проводились с использованием принудительного охлаждения штатным куллером от данного радиатора и платой контроля частоты вращения вентилятора. Последнюю снял со старого блока питания ПК.
Температура в течение полутора часов не поднималась больше 31,5 градуса, а вентилятор работал на малых оборотах, не разгоняясь.
После чего плата контроля частоты вращения вентилятора была исключена из конструкции, а блок питания заменен на 9-ти вольтовый.
Увеличение напряжения в сети позволило убедиться что заявленная потребляемая мощность соответствует действительности.
Ожидаемо фотоаппарат реагировал на мерцание матрицы частотой 100 Герц. Видео не снимал, но смог зафиксировать следующее
Можно было бы побороться с пульсациями, припаяв к диодному мосту конденсатор. Это вызвало бы повышение напряжения до 220*1,41=310,2 вольта и нужно было бы играться с ограничивающими резисторами BP5132H, но поскольку изначально отдавал себе отчет о том, что данный источник света не для жилых помещений, то затевать эту борьбу не стал.
Сфера применения матрицы – общее освещение улицы, подсобных помещений и тому подобное, и, следовательно, пульсациями можно пренебречь.
С помощью ЛАТРа удалось установить (эксперимент проводился на работе и фото не делал, дабы не отвечать на вопросы: «Зачем?»), что нижний порог, при котором матрица еще излучает свет, 130 с небольшим вольт. Больше 250 вольт не подавал, но в том случае не помешает маска сварщика).
В связи с тем, что данный источник света обладает высокой мощностью и, если так можно выразиться, повышенной плотностью света, то совсем не лишним будет рассеивающий экран перед матрицей.
В итоге, к минусам можно отнести:
- повышенное тепловыделение (издержки технологии, но не конструкции) и необходимость применения теплоотвода (предпочтительнее активного охлаждения);
- довольно высокую стоимость.
Однако эти минусы с лихвой перекрываются яркостью данной матрицы, способностью освещать большую площадь, соответствием заявленным характеристикам.
Мерцание не могу отнести к отрицательным чертам так, как область применения матрицы НЕ ЖИЛЫЕ помещения.
Отдельно хочу обратиться к адептам ордена «Ненавистников пункта 18»). Друзья, прошу быть объективными в оценке изложенной в обзоре информации, тем более, что для ее сбора, систематизации и изложения пришлось затратить довольно много усилий и времени.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Планирую купить +44 Добавить в избранное Обзор понравился +60 +111В последние годы получили широкое распространение в наружной рекламе и различных информационных табло светодиодные матрицы. Достаточно яркие, динамичные - они прекрасно привлекают внимание и не слепнут в солнечный день. Каждый из вас видит их на улицах вашего города ежедневно.
Конечно же, их распространению поспособствовала низкая цена (за счёт китайских производителей) и простота сборки экрана.
Но что если попробовать применить подобные матрицы в своих устройствах на микроконтроллерах? Какой интерфейс обмена и логика вывода у этих матриц?
Попробуем с этим всем разобраться.
Китайцы предлагают как сами матрицы разных размеров и с разным разрешением, так и контроллеры для вывода на них изображений с различными несложными эффектами, а также всю необходимую фурнитуру, соединительные кабели, рамы.
Матрицы встречаются как одноцветные (белые, желтые, красные, зеленые, синие), так и 3-цветные (RGB). Обозначение модели матрицы выглядит обычно так Pxx или PHxx, где xx - число, указывающее расстояние между пикселями в миллиметрах. В моём случае это P10. Кроме того, матрицы некоторых типоразмеров бывают не только прямоугольными, но и квадратными.
Возможные варианты типоразмеров матриц
Итак, имеем белую матрицу 32x16 точек с размерами 320x160мм и, соответственно, межпиксельным расстоянием в 10 мм. Давайте рассмотрим её поближе.
Вид спереди:
Вам тоже показалось, что светодиоды какие-то овальные? Вам не показалось…
Над светодиодами сделан небольшой козырёк, который не даёт солнечному свету засвечивать светодиоды.
Вид спереди со снятой пластиковой маской
Переворачиваем матрицу и видим плату:
На плате кучка микросхем логики. Давайте разберёмся, что это за микросхемы:
1. 1 x SM74HC245D - неинвертирующий буфер
2. 1 x SM74HC04 - 6-канальный инвертор
3. 1 x SM74HC138D - 8-битный дешифратор
4. 4 x APM4953 - сборка из 2 P-канальных MOSFET
5. 16 x 74HC595D - сдвиговый регистр с защёлкой
Два 16-пиновых разъёма - интерфейсные, один из них входной (к нему подключается контроллер экрана), а второй - выходной (к нему подключается следующая матрица в цепочке). Стрелка на плате направлена от входного разъёма к выходному.
Питание подаётся на клеммы в центре платы. Напряжение питания - 5В, максимальный ток (когда включены все светодиодны матрицы) - 2А (для белой матрицы).
Вся изложенная выше информация, а также демонстрация работы матрицы в видео ниже. В нём я с 13:04 по 15:00 говорю про зависимость яркости экрана от кол-ва матриц. Это из-за ошибки в алгоритме. Ошибка исправлена и теперь данные загружаются до отключения экрана.
Также буду рад вас видеть на моём youtube-канале , где я ещё много всякой всячины подключаю к микроконтроллерам.
Всем спасибо за внимание!
Светодиодные матрицы представляют собой технологическое объединение на одной подложке нескольких светоизлучающих полупроводниковых кристаллов, с общей заливкой смесью люминофора и силикона.
Появление LED-матриц связано с разработкой (Chip-on-Board), что дословно переводится как «чип на плате». Эта технология пришла на смену SMD светодиодам, отличается высокой степенью автоматизации производства и привела к существенному снижению цен на светодиодные светильники и прожектора.
Виды и области применения
Сохраняя единый принцип размещения светодиодных кристаллов на теплопроводящей подложке, светодиодные матрицы существенно отличаются по количеству кристаллов на одном основании и способам их соединения между собой.
Количество кристаллов на одной подложке определяет итоговую мощность матрицы, которая может достигать сотен ватт на одно изделие. Мощные матричные источники света хорошо зарекомендовали себя в прожекторах и светильниках для уличного освещения. Способ соединения кристаллов между собой определяет возможности управления свечением отдельных кристаллов и параметры блока питания для матрицы. Последовательно-параллельная структура внутренних соединений дает возможность снизить ток и увеличить величину питающего напряжения, что находит свое отражение в характеристиках матричных изделий.
Еще одной особенностью внутренних соединений кристаллов между собой с внешними выводами выступает возможность использования светодиодных матричных структур в информационных табло и в графических или символьных экранах. Такие LED-матрицы находят свое применение в контрольно-измерительной аппаратуре и всевозможных инсталляциях рекламного характера. 
В устаревших моделях, для информационных табло, графических или символьных экранов, светодиодные матрицы конструировались на основе DIP или SMD-светодиодов.
Принципиальная схема
Как отмечалось выше, последовательно-параллельная схема соединения светодиодных кристаллов между собой определяет требования к источнику питания матрицы. Чем выше напряжения питания, тем больше светодиодов объединены в последовательные цепи. 
Такая особенность снижает требования к выходным токам драйверов, но в случае выхода из строя одного кристалла в последовательной цепи, перестает излучать свет вся цепочка. Ток перераспределяется на рабочие LED-чипы, тем самым ускоряя их деградацию и серьезно уменьшая срок службы светодиодной матрицы в целом.
Для решения проблемы, некоторые производители соединяют все светодиодные чипы внутри матрицы одновременно последовательно и параллельно. Такая особенность значительно уменьшает возможность выхода из строя LED-матрицы вследствие перегорания одного чипа. 
Параллельное соединение светодиодов между собой в пределах одной матричной структуры требует больших выходных токов драйвера, но общая излучающая способность практически не страдает от выхода из строя одного или двух кристаллов. 
Матрицы для светодиодных табло имеют в своем составе сложную систему внутренней коммутации, что определяется требованиями управления каждым светодиодом в отдельности. Для управления такими LED-матрицами созданы специальные интегральные процессоры и микросхемы. 
Подключение
В схемах подключения светодиодных матриц определяющими факторами их надежности выступают два ключевых момента - достаточная площадь радиатора для отвода тепла и стабилизация питающих токов. Оба этих фактора напрямую связаны с усиленной деградацией полупроводниковых кристаллов при превышении их температур выше максимально допустимой.
К повышению температуры кристалла приводит, как недостаточная площадь радиатора охлаждения, так и слишком высокий проходящий ток.
Рабочие величины постоянного тока указываются в параметрах светодиодных матриц, а для ориентировочного выбора площади радиатора можно использовать цифру 20-25 см² на 1 Вт мощности матрицы. При это следует учитывать, что такая площадь необходима при температурах окружающего воздуха до 35 °С. При более высоких температурах рабочую площадь радиатора следует увеличить либо дополнить активным охлаждением.
При выборе светодиодных матриц со встроенным драйвером и питанием от сети 220 В необходимо учесть, что такие источники света не подходят для освещения мест постоянного пребывания человека.
Отсутствие в схеме драйвера с питанием от сети 220 вольт электролитических конденсаторов большой емкости определяет высокий излучаемого света, вредное влияние которого на здоровье человека доказано множеством научных исследований.
Заключение
Совершенствование параметров светоизлучающих светодиодных кристаллов ведет к появлению все более мощных матричных структур, выходная мощность которых уже достигла 300 и более Вт.
Такая тенденция, в сочетании с повышением удельного светового потока на 1 Вт подводимой мощности, определяет дальнейшее развитие светодиодных матриц и их опережающее развитие на рынке осветительной техники.
Читайте так же
Сборка бегущей строки на базе светодиодной матрицы и Arduino – это несложная задача, которую можно выполнить даже в домашних условиях. Чтобы заставить буквы перемещаться на светодиодном табло не нужно быть программистом и владеть углублёнными знаниями электроники. В данной статье разберем, как собрать бегущую строку из готовых светодиодных матриц и Arduino Nano.
Что потребуется?
Для реализации идеи потребуется совсем немного деталей:
- два светодиодных модуля, состоящих из четырёх матриц 8 на 8 пикселей;
- держатель для батарейки типоразмера «Крона»;
- батарейка на 9 вольт (CR-9V, ER-9V или их аналоги);
- двухконтактный переключатель;
- соединительные провода;
- плата Arduino Nano;
- термоклей.
Схема
На печатной плате используемого светодиодного модуля расположено 4 матрицы размером 8 на 8 пикселей. Каждое светодиодное табло управляется интегральной микросхемой (ИМС) MAX7219. Данная ИМС представляет собой контроллер управления led-дисплеями, матрицами с общим катодом и дискретными светодиодами в количестве до 64 шт.
Для более комфортного восприятия информации, выводимой на светодиодное табло, рекомендуется устанавливать несколько модулей. Для этого их объединяют в последовательно включенные группы, то есть выход первого модуля (out) подключают к входу второго модуля (in). Данная сборка состоит из двух модулей (16 матриц), длины которых вполне хватит для удобного прочтения целых предложений.
Сборка
Матричный модуль может иметь штырьковое соединение или контакты на плате в виде печатных проводников. От этого зависит способ их соединения. В первом случае для получения надежного электрического контакта задействуют жгут из проводков с коннекторами, а во втором придётся установить и запаять перемычки.
Но сначала необходимо объединить оба модуля в единое целое с помощью термоклея. Термопластичный клей не проводит электрический ток, а значит, его можно смело наносить на печатную плату. Клей наносят с торцов обеих плат, прижимают и оставляют на несколько минут. После затвердевания выходные контакты первого блока подключают к входным контактам второго блока по схеме:
- VCC – VCC
- GND – GND
- D IN – D OUT
- CS – CS
- CLK – CLK
С обратной стороны печатной платы с помощью термоклея прикрепляют Arduino Nano, отсек для батарейки и выключатель. Детали располагают таким образом, чтобы можно было удобно ими пользоваться. 
На следующем этапе производят подключение Arduino со светодиодным модулем, подсоединяя провода на вход первой матрицы. В зависимости от варианта исполнения модуля, операцию выполняют через разъёмное соединение или путем пайки по приведенной схеме:
- VCC – 5V
- GND – GND
- D IN – PIN 11
- CS – PIN 10
- CLK – PIN 13.
На заключительной стадии сборки необходимо подключить питание от батарейки. Для этого минусовой контакт (черный провод) из отсека для кроны подключается на вывод GND Arduino. Плюсовой контакт (красный провод) соединяют с выключателем, а затем с выводом №30 Arduino, предназначенный для подачи питающего напряжения от нерегулируемого источника. В тестовом режиме сделанная своими руками бегущая строка может быть запитана через микро USB от компьютера. 
Убедившись в надежности креплений и качестве электрических соединений, приступают к сборке корпуса. Его можно сделать из алюминиевого или пластикового профиля, так как элементы схемы не греются. Цвет, размеры, степень защиты и крепление корпуса зависят от будущего назначения устройства. В простейшем случае подойдёт защитный экран из строительного пластикового углового профиля с вырезом под выключатель.
Программирование бегущей строки
Бегущая строка из Arduino и светодиодных модулей под управлением MAX7219 практически готова. Настало время перейти к заключающей, программной части. На компьютере должно быть установлено программное обеспечение (ПО) для используемого Arduino и драйвер к нему. Далее необходимо скачать две библиотеки и скетч (специальную программу, которая будет загружаться и выполняться процессором Arduino). Установку библиотек производят при закрытом Arduino IDE в папку «Documents – Arduino – Libraries». Затем скачивают и запускают скетч и проверяют наличие библиотек и корректность других данных.
Настройка скетча:
- «number of horizontal displays» указывают количество строк, в нашем случае 1;
- «number of vertical displays» указывают количество матриц, в нашем случае 8;
- «string tape» указывают надпись, выводимую на дисплей;
- «int wait» задают скорость вывода в миллисекундах.
После проверки введенных данных остаётся щелкнуть мышкой на кнопку «загрузить». Затем отключиться от ПЭВМ, вставить батарейку и произвести запуск устройства.
В заключение хочется добавить, что бегущая строка своими руками собирается довольно быстро даже без навыков работы с Arduino. Поэтому бояться этой замысловатой платы не стоит. Также стоит отметить, что сделать бегущую строку можно длиннее, увеличив количество светодиодных матриц.
Читайте так же