Для нормального функционирования любого светодиода достаточно обеспечить протекание через него в прямом направлении тока не превышающего максимально допустимый для применяемого прибора. Если величина этого тока не будет слишком низкой, светодиод будет светиться. Для управления состоянием светодиода необходимо обеспечить регулировку (коммутацию) в цепи протекания тока. Это можно сделать с помощью типовых последовательных или параллельных схем коммутации (на транзисторах, диодах и т.п.). Примеры таких схем приведены на рис. 3.7-1, 3.7-2.

Рис. 3.7-1. Способы управления состоянием светодиода с помощью транзисторных ключей

Рис. 3.7-2. Способы управления состоянием светодиода от цифровых микросхем ТТЛ

Примером применения светодиодов в цепях сигнализации могут служить следующие две простые схемы индикаторов сетевого напряжения (рис. 3.7-3, 3.7-4).

Схема на рис. 3.7-3 предназначена для индикации наличия в бытовой сети переменного напряжения. Ранее в подобных устройствах обычно использовались малогабаритные неоновые лампочки. Но светодиоды в этом отношении гораздо более практичны и технологичны. В данной схеме ток через светодиод проходит только во время одной полуволны входного переменного напряжения (во время второй полуволны светодиод шунтируется работающим в прямом направлении стабилитроном). Этого оказывается достаточно для нормального восприятия человеческим глазом света от светодиода как непрерывного излучения. Напряжение стабилизации стабилитрона выбирается несколько большим, чем прямое падение напряжения на используемом светодиоде. Емкость конденсатора \(C1\) зависит от требуемого прямого тока через светодиод.

Рис. 3.7-3. Индикатор наличия сетевого напряжения

На трех светодиодах выполнено устройство, информирующее об отклонениях сетевого напряжения от номинального значения (рис. 3.7-4). Здесь также свечение светодиодов происходит только во время одного полупериода входного напряжения. Коммутация светодиодов осуществляется через включенные последовательно с ними динисторы. Светодиод \(HL1\) горит всегда, когда сетевое напряжение присутствует, два пороговых устройства на динисторах и делителях напряжения на резисторах обеспечивают включение двух других светодиодов только при достижении входным напряжением установленного порога срабатывания. Если их отрегулировать так, чтобы при нормальном напряжении в сети горели светодиоды \(HL1\), \(HL2\), то при повышенном напряжении будет загораться и светодиод \(HL3\), а при понижении напряжения в сети будет гаснуть светодиод \(HL2\). Входной ограничитель напряжения на \(VD1\), \(VD2\) предотвращает выход устройства из строя при значительном превышении нормального значения напряжения в сети.

Рис. 3.7-4. Индикатор уровня сетевого напряжения

Схема на рис. 3.7-5 предназначена для сигнализации о перегорании предохранителя. Если предохранитель \(FU1\) цел, падение напряжения на нем очень мало, и светодиод не светится. При перегорании предохранителя напряжение питания через незначительное сопротивление нагрузки прикладывается к цепи индикатора, и светодиод загорается. Резистор \(R1\) выбирается из условия, что через светодиод будет протекать требуемый ток. Не все виды нагрузок могут подойти для данной схемы.

Рис. 3.7-5. Светодиодный индикатор перегорания предохранителя

Устройство индикации перегрузки стабилизатора напряжения представлено на рис. 3.7‑6. В нормальном режиме работы стабилизатора напряжение на базе транзистора \(VT1\) стабилизировано стабилитроном \(VD1\) и примерно на 1 В больше, чем на эмиттере, поэтому транзистор закрыт и горит сигнальный светодиод \(HL1\). При перегрузке стабилизатора выходное напряжение уменьшается, стабилитрон выходит из режима стабилизации и напряжение на базе \(VT1\) уменьшается. Поэтому транзистор открывается. Поскольку прямое напряжение на включенном светодиоде \(HL1\) больше, чем на \(HL2\) и транзисторе, в момент открывания транзистора светодиод \(HL1\) гаснет, а \( HL2\) — включается. Прямое напряжение на зеленом светодиоде \(HL1\) приблизительно на 0,5 В больше, чем на красном светодиоде \(HL2\), поэтому максимальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора \(VT1\) должно быть меньше 0,5 В. Резистор R1 ограничивает ток через светодиоды, а резистор \(R2\) определяет ток через стабилитрон \(VD1\).

Рис. 3.7-6. Индикатор состояния стабилизатора

Схема простого пробника, позволяющего определять характер (постоянное или переменное) и полярность напряжения в диапазоне 3…30 В для постоянного и 2,1…21 В для действующего значения переменного напряжения приведена на рис. 3.7-7. Основу пробника составляет стабилизатор тока на двух полевых транзисторах, нагруженный на встречно-параллельно включенные светодиоды. Если на клемму \(XS1\) подается положительный потенциал, а на \(XS2\) — отрицательный, то загорается светодиод HL2, если наоборот — светодиод \(HL1\). Когда на входе переменное напряжение, зажигаются оба светодиода. Если ни один из светодиодов не горит, это означает, что входное напряжение менее 2 В. Потребляемый устройством ток не превышает 6 мА.

Рис. 3.7-7. Простой пробник-индикатор характера и полярности напряжения

На рис. 3.7-8 дана схема еще одного простого пробника со светодиодной индикацией. Он используется для проверки логического уровня в цифровых цепях, построенных на микросхемах ТТЛ. В исходном состоянии, когда к клемме \(XS1\) ничего не подключено, светодиод \(HL1\) светится слабо. Его режим задается установкой соответствующего напряжения смещения на базе транзистора \(VT1\). Если на вход будет подано напряжение низкого уровня, транзистор закроется, и светодиод погаснет. При наличии на входе напряжения высокого уровня транзистор открывается, яркость свечения светодиода становится максимальной (ток ограничен резистором \(R3\)). При проверке импульсных сигналов яркость HL1 возрастает, если в последовательности сигналов преобладает напряжение высокого уровня, и убывает, если преобладает напряжение низкого уровня. Питание пробника можно осуществлять как от источника питания проверяемого устройства, так и от отдельного источника питания.

Рис. 3.7-8. Пробник-индикатор логического уровня ТТЛ

Более совершенный пробник (рис. 3.7-9) содержит два светодиода и позволяет не только оценивать логические уровни, но и проверять наличие импульсов, оценивать их скважность и определять промежуточное состояние между напряжениями высокого и низкого уровней. Пробник состоит из усилителя на транзисторе \(VT1\), повышающего его входное сопротивление, и двух ключей на транзисторах \(VT2\), \(VT3\). Первый ключ управляет светодиодом \(HL1\), имеющим зеленый цвет свечения, второй — светодиодом \(HL2\), имеющим красный цвет свечения. При входном напряжении 0,4…2,4 В (промежуточное состояние) транзистор \(VT2\) открыт, светодиод \(HL1\) выключен. В то же время закрыт и транзистор \(VT3\), поскольку падение напряжения на резисторе \(R3\) недостаточно для полного открывания диода \(VD1\) и создания требуемого смещения на базе транзистора. Поэтому \(HL2\) тоже не светится. Когда входное напряжение становится меньше 0,4 В, транзистор \(VT2\) закрывается, загорается светодиод \(HL1\), индицируя наличие логического нуля. При напряжении на входе более 2,4 В открывается транзистор \(VT3\), включается светодиод \(HL2\), индицируя наличие логической единицы. Если на вход пробника подано импульсное напряжение, скважность импульсов можно оценить по яркости свечения того или иного светодиода.

Рис. 3.7-9. Улучшенный вариант пробника-индикатора логического уровня ТТЛ

Еще один вариант пробника представлен на рис. 3.7-10. Если клемма \(XS1\) никуда не подсоединена, все транзисторы закрыты, светодиоды \(HL1\) и \(HL2\) не работают. На эмиттер транзистора \(VT2\) с делителя \(R2-R4\) поступает напряжение около 1,8 В, на базу \(VT1\) — около 1,2 В. Если на вход пробника подать напряжение выше 2,5 В, напряжение смещения база-эмиттер транзистора \(VT2\) превысит 0,7 В, он откроется и своим коллекторным током откроет транзистор \(VT3\). Светодиод \(HL1\) включится, индицируя состояние логической единицы. Ток коллектора \(VT2\), примерно равный току его эмиттера, ограничивается резисторами \(R3\) и \(R4\). При превышении напряжением на входе уровня 4,6 В (что возможно при проверке выходов схем с открытым коллектором) транзистор \(VT2\) входит в режим насыщения, и если не ограничить ток базы \(VT2\) резистором \(R1\), транзистор \(VT3\) закроется и светодиод \(HL1\) выключится. При уменьшении напряжения на входе ниже 0,5 В открывается транзистор \(VT1\), его коллекторный ток открывает транзистор \(VT4\), включается \(HL2\), индицируя состояние логического нуля. С помощью резистора \(R6\) регулируется яркость свечения светодиодов. Подбором резисторов \(R2\) и \(R4\) можно установить необходимые пороги включения светодиодов.

Рис. 3.7-10. Пробник-индикатор логического уровня на четырех транзисторах

Для индикации точной настройки в радиоприемниках часто применяются простые устройства, содержащие один, а иногда и несколько, светодиодов разного цвета свечения.

Схема экономичного светодиодного индикатор настройки для приемника с питанием от батареек приведена на рис. 3.7-11. Ток потребления устройства не превышает 0,6 мА в отсутствие сигнала, а при точной настройке составляет 1 мА. Высокая экономичность достигается за счет питания светодиода импульсным напряжением (т.е. светодиод не светится непрерывно, а часто мигает, однако из-за инерционности зрения такое мерцание не заметно на глаз). Генератор импульсов выполнен на однопереходном транзисторе \(VT3\). Генератор вырабатывает импульсы длительностью около 20 мс, следующие с частотой 15 Гц. Эти импульсы управляют работой ключа на транзисторе \(DA1.2\) (один из транзисторов микросборки \(DA1\)). Однако в отсутствие сигнала светодиод не включается, так как при этом сопротивление участка эмиттер-коллектор транзистора \(VT2\) велико. При точной настройке транзистор \(VT1\), а за ним и \(DA1.1\) и \(VT2\) откроются настолько, что в моменты, когда открыт транзистор \(DA1.2\), будет загораться светодиод \(HL1\). Чтобы уменьшить потребляемый ток, эмиттерная цепь транзистора \(DA1.1\) подключена к коллектору транзистора \(DA1.2\), благодаря чему последние два каскада (\(DA1.2\), \(VT2\)) также работают в ключевом режиме. При необходимости подбором резистора \(R4\) можно добиться слабого начального свечения светодиода \(HL1\). В этом случае он выполняет и функцию индикатора включения приемника.

Рис. 3.7-11. Экономичный светодиодный индикатор настройки

Экономичные светодиодные индикаторы могут понадобиться не только в радиоприемниках с батарейным питанием, но и во множестве других носимых устройств. На рис. 3.7‑12, 3.7‑13, 3.7‑14 приведено несколько схем таких индикаторов. Все они работают по уже описанному импульсному принципу и по сути представляют собой экономичные генераторы импульсов, нагруженные на светодиод. Частота генерации в таких схемах выбирается достаточно низкой, фактически на границе зрительного восприятия, когда мигания светодиода начинают отчетливо восприниматься человеческим глазом.

Рис. 3.7-12. Экономичный светодиодный индикатор на однопереходном транзисторе

Рис. 3.7-13. Экономичный светодиодный индикатор на однопереходном и биполярном транзисторах

Рис. 3.7-14. Экономичный светодиодный индикатор на двух биполярных транзисторах

В УКВ ЧМ приемниках для индикации настройки можно применять три светодиода. Для управления таким индикатором используется сигнал с выхода ЧМ детектора, в котором постоянная составляющая положительна при незначительной расстройке в одну сторону от частоты станции и отрицательна при незначительной расстройке в другую сторону. На рис. 3.7-15 приведена схема простого индикатора настройки, работающего по описанному принципу. Если напряжение на входе индикатора близко к нулю, то все транзисторы закрыты и светодиоды \(HL1\) и \(HL2\) не излучают, а через \(HL3\) при этом протекает ток, определяемый напряжением питания и сопротивлением резисторов \(R4\) и \(R5\). При указанных на схеме номиналах он примерно равен 20 мА. Как только на входе индикатора появляется напряжение, превышающее 0,5 В, транзистор \(VT1\) открывается и включается светодиод \(HL1\). Одновременно открывается транзистор \(VT3\), он шунтирует светодиод \(HL3\), и тот гаснет. Если напряжение на входе отрицательное, но по абсолютному значению больше 0,5 В, то включается светодиод \(HL2\), а \(HL3\) выключается.

Рис. 3.7-15. Индикатор настройки для УКВ-ЧМ приемника на трех светодиодах

Схема еще одного варианта простого индикатора точной настройки для УКВ ЧМ приемника представлена на рис. 3.7-16.

Рис. 3.7-16. Индикатор настройки для УКВ ЧМ приемника (вариант 2)

В магнитофонах, низкочастотных усилителях, эквалайзерах и т.п. находят применение светодиодные индикаторы уровня сигнала. Число индицируемых такими индикаторами уровней может варьироваться от одного-двух (т.е. контроль типа “сигнал есть – сигнала нет”) до нескольких десятков.

Схема двухуровнего двухканального индикатора уровня сигнала приведена на рис. 3.7‑17. Каждая из ячеек \(A1\), \(A2\) выполнена на двух транзисторах разной структуры. При отсутствии сигнала на входе оба транзистора ячеек закрыты, поэтому светодиоды \(HL1\), \(HL2\) не горят. В таком состоянии устройство находится до тех пор, пока амплитуда положительной полуволны контролируемого сигнала не превысит примерно на 0,6 В постоянное напряжение на эмиттере транзистора \(VT1\) в ячейке \(A1\), заданное делителем \(R2\), \(R3\). Как только это произойдет, транзистор \(VT1\) начнет открываться, в цепи коллектора появится ток, а поскольку он в то же время является и током эмиттерного перехода транзистора \(VT2\), транзистор \(VT2\) тоже начнет открываться. Возрастающее падение напряжения на резисторе \(R6\) и светодиоде \(HL1\) приведет к увеличению тока базы транзистора \(VT1\), и он откроется еще больше. В результате очень скоро оба транзистора окажутся полностью открыты и светодиод \(HL1\) включится. При дальнейшем росте амплитуды входного сигнала аналогичный процесс протекает в ячейке \(A2\), после чего загорается светодиод \(HL2\). С уменьшением уровня сигнала ниже установленных порогов срабатывания ячейки возвращаются в исходное состояние, светодиоды гаснут (сначала \(HL2\), затем \(HL1\)). Гистерезис не превышает 0,1 В. При указанных в схеме значениях сопротивлений, ячейка \(A1\) срабатывает при амплитуде входного сигнала примерно 1,4 В, ячейка \(A2\) — 2 В.

Рис. 3.7-17. Двухканальный индикатор уровня сигнала

Многоканальный индикатор уровня на логических элементах представлен на рис. 3.7‑18. Такой индикатор можно применять, например, в усилителе НЧ (организовав из ряда светодиодов индикатора световую шкалу). Диапазон входного напряжения этого устройства может колебаться от 0,3 до 20 В. Для управления каждым светодиодом используется \(RS\)-триггер, собранный на элементах 2И‑НЕ. Пороги срабатывания этих триггеров задаются резисторами \(R2\), \(R4-R16\). На линию “сброс” периодически должен подаваться импульс гашения светодиодов (разумным будет подавать такой импульс с периодичностью 0,2…0,5 с).

Рис. 3.7-18. Многоканальный индикатор уровня НЧ сигнала на \(RS\)-триггерах

Приведенные выше схемы индикаторов уровня обеспечивали резкое срабатывание каждого канала индикации (т.е. светодиод в них либо светится с заданным режимом яркости, либо погашен). В шкальных индикаторах (линия последовательно срабатывающих светодиодов) такой режим работы совсем не обязателен. Поэтому для этих устройств могут использоваться более простые схемы, в которых управление светодиодами осуществляется не отдельно по каждому каналу, а совместно. Последовательное включение ряда светодиодов при увеличении уровня входного сигнала достигается за счет последовательного включения делителей напряжения (на резисторах или других элементах). В таких схемах происходит постепенное увеличение яркости свечения светодиодов при нарастании уровня входного сигнала. При этом для каждого светодиода устанавливается свой токовый режим, такой, что свечение указанного светодиода визуально наблюдается только при достижении входным сигналом соответствующего уровня (при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала светодиод горит все более ярко, но до определенного предела). Простейший вариант индикатора, работающего по описанному принципу приведен на рис. 3.7-19.

Рис. 3.7-19. Простой индикатор уровня сигнала НЧ

При необходимости увеличения количества уровней индикации и повышения линейности индикатора схема включения светодиодов должна быть несколько изменена. Подойдет, например, индикатор по схеме рис. 3.7-20. В нем, кроме прочего, имеется и достаточно чувствительный входной усилитель, обеспечивающий работу как от источника постоянного напряжения, так и от сигнала звуковой частоты (при этом индикатор управляется только положительными полуволнами входного переменного напряжения).

Рис. 3.7-20. Линейный индикатор уровня со светодиодной шкалой