Warum sind LEDs bei den meisten Embedded-Designs invertiert?

Mir ist aufgefallen, dass auf allen meinen Evaluierungsboards, die ich bis zu diesem Zeitpunkt hatte. Die LEDs waren alle aktiv low an den Microcontroller Port angeschlossen. Ich verstehe, dass es aus Sicherheitsgründen besser ist, aktive Low-RESET-Leitungen und dergleichen zu haben. Aber warum LEDs?

Es ist immer noch so, dass MCU-E / A-Pins häufig einen schwächeren Strom für die Laufwerksbeschaffung haben als einen sinkenden Strom.

Bei einem typischen CMOS-MCU-Ausgang schalten sie einen N-Kanal-MOSFET ein, wenn sie LOW-Pegel ansteuern. und wenn sie HIGH fahren, schalten sie einen P-Kanal-MOSFET ein. (Sie schalten niemals beide gleichzeitig ein!) Aufgrund der Unterschiede in der Mobilität, die für den N-Kanal gegenüber dem P-Kanal gelten (um den Faktor 2 bis 3), ist ein zusätzlicher Aufwand erforderlich, um den P- Kanalgerät weisen eine ähnliche "Qualität" wie ein Schalter auf. Einige gehen zu diesem zusätzlichen Aufwand. Manche nicht. Wenn nicht, ist die Fähigkeit, Strom zu entnehmen (N-Kanal) oder zu beziehen (P-Kanal), unterschiedlich.

Einige von ihnen sind insofern fast symmetrisch, als sie fast so viel beschaffen können, wie sie sinken können. (Das bedeutet, dass sie ungefähr so ​​gut auf Masse geschaltet werden können wie auf die Stromversorgungsschiene.) Aber auch wenn zusätzliche Probleme versucht werden, gibt es andere Probleme, die es unwahrscheinlich machen, dass sich die beiden Geräte vollständig ähneln nach wie vor ist in der regel die beschaffungsseite zumindest noch etwas schwächer.

Letztendlich ist es jedoch immer eine gute Idee, sich das Datenblatt selbst anzusehen. Hier ist ein Beispiel aus dem PIC12F519 (einer der billigsten Teile von Microchip, der noch einige interne, beschreibbare nichtflüchtige Speicher für Daten enthält.)

Diese Grafik zeigt die LOW-Ausgangsspannung (vertikale Achse) im Verhältnis zum LOW-Sinkstrom (horizontale Achse), wenn die CPU :$V_{CC}=3\:\textrm{V}$

Diese Grafik zeigt die HIGH-Ausgangsspannung (vertikale Achse) im Verhältnis zum HIGH-Quellstrom (horizontale Achse), auch wenn die CPU :$V_{CC}=3\:\textrm{V}$

Sie können leicht erkennen, dass sie sich nicht einmal die Mühe machen, die gleichen Fähigkeiten wie die Beschaffung von Strom zu zeigen.

Um sie zu lesen, wählen Sie einen Strom, der auf beiden Diagrammen in ähnlicher Größenordnung ist (sehr schwer, ist es nicht?) Wir wählen auf der ersten Grafik und auf der der zweite. (Ungefähr so ​​nah wie möglich.) Sie können sehen, dass der PIC12F519 beim ersten typischerweise um , was auf einen Innenwiderstand von etwa hindeutet . In ähnlicher Weise können Sie sehen, dass der PICF519 im zweiten Diagramm typischerweise um , was auf einen Innenwiderstand von etwa$5\:\textrm{mA}$$4\:\textrm{mA}$$230\:\textrm{mV}$$R_{LOW}=\frac{230\:\textrm{mV}}{5\:\textrm{mA}}\approx 46\:\Omega$$600\:\textrm{mV}$$R_{HIGH}=\frac{600\:\textrm{mV}}{4\:\textrm{mA}}\approx 150\:\Omega$. Nicht sehr ähnlich. (HINWEIS: Ich habe Daten aus den Kurven für .)$25^\circ\textrm{C}$

Wenn Sie also diese spezielle MCU in eine Schaltung in der Sie eine direkt bei etwa , wie würden Sie sie verdrahten? Es ist klar, dass Sie LOW als ON betrachten müssen, da dies die einzige Möglichkeit ist, die besagt, dass Sie möglicherweise überhaupt erfolgreich sind, ohne dass ein externer Transistor erforderlich ist, um die Stromkonformität des Ausgangs zu steigern.$2\:\textrm{V}$$10\:\textrm{mA}$

[Sie können auch beachten, dass die obigen Berechnungen bei nahegelegenen Sink- / Sourcing-Strömen zwei Widerstandswerte anzeigen, die ungefähr einen Faktor drei voneinander haben (ungefähr vs .) Dies ist wahrscheinlich nicht zufällig zu den eingangs erwähnten Unterschieden in der Mobilität, die zwischen P-Kanal- und N-Kanal-Mosfets bestehen.]$50\:\Omega$$150\:\Omega$

Es ist ziemlich häufig (obwohl nicht mehr so ​​häufig wie früher), dass Mikrocontroller-Ausgangspins im niedrigen Zustand mehr Strom aufnehmen können als im hohen Zustand. Infolgedessen gewöhnten sich die Designer daran, LEDs zu platzieren oder etwas anderes, das einen hohen Strom (für einen Mikrocontroller-Pin) zwischen Strom und Pin anstelle von Masse und Pin benötigt. Wenn das Mikro über symmetrische Quellen- / Senkenfunktionen verfügt, ist dies nicht erforderlich, aber auch nicht schädlich.

Hier ist zum Beispiel ein Ausschnitt aus dem Datenblatt PIC 16F1459 (ein relativ neuer und mit Sicherheit Mainstream-Produktionsteil):

Beachten Sie, dass die Ströme für das Ausgangs-Niederspannungsgehäuse bei gleicher Versorgungsspannung höher sind als für das Ausgangs-Hochspannungsgehäuse . Die Senkenströme sind für einen Anstieg von 600 mV spezifiziert, während die Quellenströme für einen Abfall von 700 mV spezifiziert sind. Insgesamt verfügt dieses Mikro über wesentlich stärkere Low-Side-Treiber an den regulären E / A-Pins.

Viele neuere Mikros sind symmetrisch, anscheinend vor allem solche, die in erster Linie nicht viel Quellen- / Senkenfähigkeit haben.

Wenn die LED mehr Strom benötigt, als ein digitaler Ausgang verarbeiten kann, oder zumindest mehr, als Sie verarbeiten möchten, müssen Sie einen externen Transistor verwenden. Ein Low-Side-Schalter ist die natürliche und einfache Wahl. Die LED ist dann zwischen Strom und diesem Transistor geschaltet.

Durch die Verwendung eines Pull-Down-Designs ist es möglich, ein Gerät (z. B. eine LED) mit einer 5-V-Versorgung unter Verwendung eines 1,8- V- Mikrocontrollers mit 5- V-Toleranz ohne externe Komponenten zu schalten .

Wenn der (Open-Drain-konfigurierte) Pin nicht nach unten gezogen wird, ist er potentialfrei, da kein Strom gezogen wird, und die Spannung schwimmt auf die Versorgungsspannung der LED, also auf 5V. Dies ist für einige, aber nicht alle Niederspannungsmikros in Ordnung.

Auf diese Weise können Sie die LEDs direkt von einer Versorgungsleitung aus betreiben und einen Spannungswandler mit niedrigerem Strom für das Mikro verwenden. Dies ist der einzige Weg, um z. blaue leds auf einem 1,8 v micro ohne zusätzliche komponenten.

Zum Beispiel sind die Pins der NXP LPC81xM-Serie 5 V tolerant, wenn das Mikro mit Strom versorgt wird, selbst bei 1,8 V

Datensatz von NXP LPC81xM

Denn Open-Drain- Mosfets verbrauchen in der Regel mehr Strom als Push-Pull und tolerieren manchmal sogar einen größeren Spannungsbereich. Die Verwendung einer LED mit offenem Drain funktioniert nur bei einer Konfiguration mit aktivem Low-Pegel. Hängt allerdings vom Mikro ab, manche sind nur Push-Pull.