LED数码管的设计和组装过程

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED数码管由优质、超高亮LED组成，主要用于城市景观，起亮化作用。表6-5 电源配置电阻LED数码管电路设计以TM1812作为控制芯片，设计1m8段的LED数码管。LED灯的数量为120个，工作电压为DC 24V，1m8段的LED数码管由2个TM1812组成。

LED数码管由优质、超高亮LED组成，主要用于城市景观，起亮化作用。由红、绿、蓝三基色混色实现渐变、闪变、扫描、追逐、流水等各种效果，灯管长度为0.5m或1m；抗紫外线照射，防水，防潮。

注意：

LED数码管有内控和外控两种，内控是将变化效果程序的芯片置入灯管里面，不能随便更改变化的时间和效果。

外控是将变化效果程序的芯片外围于一个控制器中，可以通过对控制器中的芯片进行编程，从而改变为理想的效果。

1.LED数码管的设计

我们以外控LED数码为例讲解其设计与安装过程。

注意：

外控型LED数码管只能做低压，如DC 12V或24V。从性能上来说，外控的比内控的质量稳定。

（1）芯片

本节以TM1812作为LED数码管的驱动芯片，来设计LED数码管。TM1812是12通道LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动等电路。通过外围MCU控制实现单独辉度控制，级联控制实现户外大屏、护栏管、幻彩灯条的彩色点阵发光控制。采用SOP16的封装形式，如图6-19所示。

图6-19 TM1812引脚图

TM1812具有以下特点：

① 采用高压功率CMOS工艺；输出端口耐压24V。

② 芯片引脚V_DD外接串联电阻，电压支持6～24V输入。

③ 内置电源稳压电路。

④ 辉度调节电路（256级辉度可调）。

⑤ 单线串行级联接E1，通过一根信号线完成数据的接收与解码。

⑥ 振荡方式：内置双RC振荡并根据数据线上的信号进行时钟同步。

⑦ 内置上电复位电路。

⑧ PWM控制端能够实现256级调节，扫描频率不低于400Hz/s。

⑨ 当刷新速率为30帧/s时，级联灯个数不小于1080个。

⑩ 数据发送速度为800kbit/s。

⑪ 封装形式：SOP16，其各引脚功能见表6-4。

表6-4 引脚功能定义

（续）

TM1812芯片采用单线通信方式，用归零码的方式发送信号。芯片在上电复位以后，收DIN端的数据，接收4组24bit数据后，DOUT端口开始转发数据，供下一个芯片提入数据。在转发之前，DOUT口电平一直拉低。此时芯片将不接收新的数据，芯片OUTR、OUTG、OUTB三个PWM输出口根据接收到的数据，发出相应不同的占空比信号，该信号周期为4ms。

如果DIN端输入信号为RESET，则芯片将接收到的数据送显示，在该信号结束后重新接收新的数据，在接收完开始的4组24bit数据后，通过DOUT口转发数据。

TM1812芯片采用自动整形转发技术，使得其对线形传输时，级联个数不受信号传送限制，但对显示屏的应用会受到刷屏速度的限制。例如，设计一个1080灯珠（360片TM1812）级联，其刷屏时间为360×0.8×2ms＝0.576ms（芯片的数据延迟时间为0.8μs），不会有闪烁的现象。

TM1812应用电路如图6-20所示。

图6-20 TM1812应用电路

注：0.1μF电容尽量放在芯片电源电路附件。

TM1812可以配置成6～24V电压供电，但根据输入电压不同，应配置不同的电阻，见表6-5。

表6-5 电源配置电阻

（2）LED数码管电路设计

以TM1812作为控制芯片，设计1m8段的LED数码管。LED灯的数量为120个，工作电压为DC 24V，1m8段的LED数码管由2个TM1812组成（即1m8段是由2个0.5m4段LED数码管组成的）。TM1812连接示意图，如图6-21所示。LED数码管电路原理图（0.5m），如图6-22所示。

图6-21 TM1812连接示意图

图6-22 LED数码管电路原理图（0.5m）

注意：

可以根据自己的要求自行更改限流电阻。

（3）控制器（控制TM1812芯片）

选择SD-301-L控制器作为TM1812芯片的驱动LED数码管控制器。每路可带1024点，TTL两线输出（2路信号完全一样），支持1803/1809、1804/1812等芯片。在SD-301-L控制器前面必须加断路器、微电脑时控开关、交流接触器，保证对控制器统一供电，才能保证LED数码管同步工作，同一相电源供电。SD-301-L控制器应用了过零检测技术，采用变压器隔离办法。控制器与LED数码管供电的接法，分别如图6-23、图6-24所示。

图6-23 LED数码管供电的接法

注：每个开关电源所连接的灯的条数（40条），多余的部分以此类推（注：只可少，可能多），每组（40条）的直流部分要独立。

2.LED数码管组件材料

主要材料：LED数码管、数码管安装卡子、防水电箱、开关电源、主控器与分控器。

辅助材料：公母插头、超5类双绞线、2.5mm²电源线、自攻螺钉、胶粒等。

3.LED外控数码管安装步骤

1）安装供电AC 220V系统、直流供电系统、控制器供电、信号连接线。

2）先将LED数码管安装到墙体上，在墙体上打孔，装膨胀胶粒，再装LED数码管，用自攻螺钉锁住；数码管之问的距离根据客户要求而定，一般是1～3cm。

3）将信号线对接起来，信号线一般是四芯或五芯，也有两芯的公母插头；将两芯的公母插头或者2mm×0.5mm的护套线直接接到直流供电部分。

4）安装电源（开关电源）。根据开关电源的功率（如350W、400W）及数码管的功率，确定每个开关电源可以带多少条数码管；比如108灯的LED七彩数码管是10W/m；144灯的LED数码管是12W/m。若用400W的开关电源，则可以带108灯36m数码管；144灯的则带32m数码管。若开关电源可以带36m数码管，则开关电源放在中间位置，每边引出两条导线供电，每边各带18条。

图6-24 控制器的接法

注意：

开关电源一般只用80%～90%的功率。

不管开关电源功率多大，最好不要超过25m（一般说来20m是比较合适的）。因为电源导线有功率损耗；数量接得越多，接近导线尾部的LED数码管工作电压越低，亮度越暗。

5）线路损耗及线路压降的计算：

P_电线＝I^{2 R}_电线U_电线＝IR_电线R_电线＝ρL/S

式中

L——电线长度；

S——电线横截面积；

ρ——电线电导率。

也可以查电工手册得到线路损耗及线路压降。

例如，用长度为10m（正、负极电线各5m），24AWG的铜芯电线，通过电流为2A，其损耗的功率及线路压降为多少？

查电工手册可知：R_电线＝0.737Ω，V_电线＝2×0.737V＝1.474V，P_电线＝2²×0.737W＝2.948W。

从以上计算可以看出，线路电流较大时，要注意选择合适的导线截面积，否则线路损耗及线路压降相当大。

6）LED数码管控制器的安装。先装分控器，直接将分控器信号输出端接在LED数码管上；分控器电源线接DC 24V或DC 12V。分控器输入端两条接线头接到从主控器输出的信号线上。

信号接信号公母插，电源接电源公母插；然后将分控器与主控器的信号对接，如果分控器与主控器的距离远，则可以用超5类双绞线连接，信号衰减比较小；每个分控器只能带固定数量的LED数码管，一般可以带到128m。

7）通电，通信号。将开关电源全部接到一条220V主电源上，功率要控制在设计导线的功率之内，用一个断路器和时控开关作为控制LED数码管的统一开关时间。同时将主控器上的插头插在220V的电源上。

4.LED数码管的防护

目前，市场上数码管在保质期内的损坏率高达8%～15%，质量的稳定性成为用户最大的烦恼，也制约着城市亮化的推广进展。如何解决这个问题，成了困惑业界的课题。

1）保质期内，元器件早期的失效率大概为0.3%～1%，实际损坏率会因企业对元器件的质量控制要求而不同。

2）数码管管内空气中的水分及酸碱性物质因温度的变化侵蚀元器件，其损坏率约为2%～3%。

3）管壳意外胀裂、堵头脱胶导致进水所造成的损坏率约为6%～11%。

实际上只要PCB放在铝槽内，在PCB上滴胶就可以防止水分凝珠对电路板的损害（防护层与电子元器件及管材无不良化学反应，防护层耐-20～200℃高温，防水等级达到IP67等）。同时也解决了堵头与管材连接的防护问题，以及如数码管管材经不住恶劣环境的侵蚀而形成的破裂进水、管材内存在的空气在低温环境下的水分凝珠对电路板的损害等问题。

LED数码管的设计和组装过程

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