Charlieplexing es un diseño de indicación LED , cuando dos LED contraparalelos están conectados a cada par de pines del microcontrolador . Este diseño le permite conectar muchos LED a un número relativamente pequeño de pines del microcontrolador .
Este método aprovecha el hecho de que las salidas digitales del microcontrolador son capaces de una lógica de tres valores : conectado a la alimentación, conectado a tierra y no conectado a nada . Aunque es efectivo, este método también tiene desventajas que impiden que se use en indicadores grandes: ciclo de trabajo , tolerancia a fallas , requisitos de corriente y voltajes directos de LED.
El método lleva el nombre de Charlie Allen de Maxim Integrated [1] . Aunque se usó en la década de 1980, y se describe en la patente de AEG-Telefunken de 1979 con el nombre de "sistema de señalización de tres dígitos" [2] [3] .
Por lo general, la indicación se conecta de acuerdo con un esquema matricial: hay m buses de fila y n buses de columna, se conecta un LED entre cada fila y cada columna. Las filas se escanean una a la vez (voltaje negativo en uno, positivo o estado Z en todos los demás ), se aplica voltaje a las columnas (positivo si el diodo está encendido, negativo o estado Z si no). La corriente solo fluirá a través de los LED que conectan la columna positiva y la fila negativa.
Cuando necesite guardar conclusiones, es deseable hacer m y n lo más cerca posible, en el mejor de los casos iguales. Sin usar un decodificador de línea, se pueden usar 2 n pines para obtener n ² LED.
Si los voltajes son tales que los LED necesitan resistencias limitadoras de corriente, deben conectarse no a los pines de escaneo (filas), sino a los pines de datos (columnas).
Otro diseño que se usa ampliamente, pero que aún no se ha modificado, son los diodos espalda con espalda.
Si aplica "+" al terminal X1 y "-" al X2, se encenderá el primer LED. Si es al revés, entonces es 2do. Si cambia rápidamente la dirección de la corriente, ambos se quemarán.
Dichos diodos a menudo se combinan en un solo paquete (generalmente rojo y verde ; si enciende ambos a la vez, obtiene un color naranja ). También se pueden combinar en esquemas matriciales. Pero si para una matriz de diodos ordinarios el estado Z es deseable, entonces para diodos consecutivos es obligatorio.
Charlieplexing comienza cuando nos alejamos del circuito matriz y conectamos dos LED consecutivos a cualquier par de pines. Si necesitamos encender los LED 1, 2 y 3, primero aplicamos "+" a X1, "-" a X2 y no conectamos X3 a nada (LED1 está encendido). Luego aplicamos "+" a X2, y "-" a X1 y X3 (LED2 y LED3 están encendidos).
Como podemos ver, el escaneo de diodos charlieplexed se produce de esta manera: se aplica cíclicamente “+” a una de las salidas, o “-” al resto, o nada, dependiendo de si el diodo está encendido o no. Puede, y viceversa, escanear con voltaje negativo, y dependiendo de si los diodos están encendidos, aplique "+" o nada: "-" en X1, "+" en X2, nada en X3 (LED2 está encendido), "-" en X2, "+" en X1, nada en X3 (LED1 encendido), "−" en X3, "+" en X2, nada en X1 (LED3 encendido).
Un matiz importante de este diseño es cómo conectar resistencias limitadoras de corriente comunes: deben conectarse de modo que los diodos estén conectados directamente a la salida escaneada , sin resistencia. De lo contrario, dos diodos arderán más tenues que uno.
Por supuesto, cuando se aplica la corriente X1 → X2, la corriente también fluirá a lo largo de la ruta X1 → X3 → X2, por lo que se debe tener cuidado de que la caída de voltaje en los LED sea lo suficientemente grande para que la mitad del voltaje no encienda diodos adicionales.
La combinatoria dice que n pines le permiten conectar n ( n − 1) = n ² − n LED.
El par de transistores está configurado para que, según el estado del puerto, el voltaje sea V, V/2 o 0. Este diseño permite 2 n ( n −1) LED [4] [5] , pero parece ser un simple "truco" (mucho flejado, es más fácil y barato poner una versión más potente del microcontrolador).
Sin embargo, estos diseños tienen desventajas.
En un circuito matriz de m filas, no todos los LED se encienden al mismo tiempo: cada fila tiene una parte de tiempo 1 /m . Si cambia de línea lo suficientemente rápido, a una persona le parecerá que el diodo está constantemente encendido. Para evitar un parpadeo notable, la frecuencia de esta conmutación debe ser de al menos 50 Hz.
Charlieplexing en este parámetro no es diferente de un circuito de matriz: si 56 LED están conectados a 8 pines (8 bits de un indicador de siete segmentos sin comas ) y necesitamos una frecuencia de actualización de 50 Hz, debemos aplicar "+" a un pin con una frecuencia de 400 Hz, y el resto o conectarse a tierra, o transferirse al estado Z. En consecuencia, 400 veces por segundo, el microcontrolador detiene todo el trabajo y enciende los LED.
Debido al alto ciclo de trabajo, grandes picos de corriente fluyen a través del indicador de matriz. Cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, más corriente se necesita para mantener el brillo constante. Además, si el microcontrolador se congela , la cadena de LED se encenderá con todo su brillo, aumentando el riesgo de falla hasta que se note la falla.
Con un indicador charlieplexed, este problema se agrava, especialmente si se calcula que solo una pequeña parte de los diodos se quemará: después de todo, las pequeñas corrientes también pasan por caminos parásitos. Por ejemplo, cuando X2 está “en el aire”, también fluye una pequeña corriente a lo largo del camino X1 → X2 → X3.
Todas las conclusiones en un indicador charlieplex deben ser triádicas. Si el microcontrolador tiene suficiente corriente para encender el LED, esto no es un problema, pero los controladores externos de tres dígitos requieren dos pines cada uno, lo que priva a charlieplexing de la principal ventaja: guardar pines.
Alguien , Guillermo Jaquenod, propuso colocar seguidores emisores en las salidas para reducir las corrientes del microcontrolador; llamó a este diseño "chipplexing" [6] .
Debido a la complejidad, los circuitos charlieplex son más difíciles de colocar en las placas de circuito impreso, en la programación y en la soldadura. Aunque es posible encontrar un compromiso entre la complejidad del desarrollo y la cantidad de pines involucrados, al unir varias matrices de LED preparadas entre sí [7] .
Si usa LED con diferentes voltajes directos (por ejemplo, diferentes colores), algunos diodos pueden encenderse cuando no deberían. Si el LED6 tiene un voltaje directo de 4 V y los diodos 1 y 3 tienen 2 V cada uno, se encenderán junto con el LED6. Esto se resuelve comprobando la compatibilidad de los diodos, o instalando los mismos LED [1] [8] [9] .
Este problema persiste con resistencias separadas: si hay un camino entre los pines X e Y donde la caída de voltaje es menor que la del propio diodo X→Y, estos diodos se quemarán.
Los diodos tienen tres fallas: quemados (dejaron de conducir), rotos (comenzaron a conducir en ambas direcciones) y parcialmente rotos (aparece resistencia paralela, conducen en ambas direcciones, el LED continúa ardiendo). En el circuito matriz, solo un diodo roto es relativamente peligroso: un diodo parcialmente roto no afecta el rendimiento, uno quemado deja de mostrarse, pero no interfiere con el rendimiento del resto del circuito. En un esquema charlieplexed, los tres son peligrosos y cualquier falla conduce a la inoperancia total de todo el indicador. Sin un buen conocimiento del circuito, es difícil determinar cuál de los diodos tiene la culpa, especialmente si hay varias fallas.
Si el LED se quema, la corriente encontrará su camino entre otros diodos; hay n − 2 de esos caminos . Por lo tanto, es posible que se enciendan dos o más LED que no estén relacionados con el que falló. En caso de falla entre los terminales X e Y, se encenderá cualquier diodo adyacente a X o Y. Por lo tanto, en lugar de fallar un segmento, fallará la mayor parte del indicador, o incluso todo. Esto debe tenerse en cuenta al examinar el dispositivo que se está desarrollando para la seguridad contra fallas .
Los LED en sí mismos son diodos, por lo que los diodos son "libres". Al escanear botones en serie con cada botón, debe soldar un diodo de pulso .
El voltaje directo del diodo rectificador es pequeño, 1 V o menos [10] , y no está estandarizado, por lo que el principal "defensor" de los circuitos LED charlieplexed, el voltaje directo de los diodos, no funciona. Por lo tanto, incluso con diodos, un circuito charlieplex no puede leer la presión simultánea de tres o más botones, en contraste con un circuito de matriz, que lee dos botones sin diodos y detecta tres o más, y lee cualquier combinación con diodos. Hay un circuito con cuatro pines y cuatro diodos, que le permite leer pulsaciones individuales en un teclado telefónico de 3x4 y detectar pulsaciones de dos adyacentes [11] .
Por lo tanto, charlieplexing para entrada se usa muy raramente, si los diodos son realmente "más baratos" que las salidas adicionales.