¿Por qué se invierten los LED en la mayoría de los diseños integrados?


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Me di cuenta de que en todos mis paneles de evaluación tenía hasta este momento. Todos los LED estaban conectados en activo bajo al puerto del microcontrolador. Entiendo que, desde el punto de vista de la seguridad, es mejor tener líneas activas de RESET bajas y demás. ¿Pero por qué los LED?


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En los viejos tiempos, los transistores NMOS y NPN eran mucho más fuertes que PMOS o PNP. Así que todos tenemos la costumbre de organizar los LED para que la entrada lógica se hunda en lugar de las fuentes de corriente. En la mayoría de los casos ya no importa, pero los viejos hábitos tardan en morir. He conectado los LED de otra manera en ocasiones. Funciona bien siempre que respete el límite actual del IO.
mkeith

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A menudo, los pines IO de un microcontrolador pueden absorber más corriente de la que pueden obtener. Esto puede generar LED más brillantes sin exceder la fuente de corriente máxima total para todo el chip. Su kilometraje puede variar, por supuesto, siempre consulte la hoja de datos.
Wossname

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TTL abogó por la noción de unidad baja activa y la E / S CMOS es siempre una entrada alta o flotante inactiva con / sin pullup activo. LED apagado después de RESET
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Nota histórica: las entradas TTL flotaban alto, y para conducir una entrada baja, tenía que extraer corriente de ella. Es por eso que las salidas TTL tenían que poder "hundir" una corriente significativa en el estado bajo, mientras que no tenían que "obtener" mucha corriente en el estado alto. (De hecho, las piezas TTL con salidas de colector abierto no podían generar ninguna corriente en estado alto).
Solomon Slow

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Otro punto En "los viejos tiempos", los LED eran muy ineficientes y realmente se necesitaban 20 mA para que parecieran razonables. En estos días, 5 mA es deslumbrante, por lo que la fuente o el sumidero no suelen ser un problema.
Dirk Bruere

Respuestas:


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Todavía es el caso de que los pines de E / S MCU a menudo tienen una corriente de fuente de disco más débil que la corriente de hundimiento.

En una salida típica de CMOS MCU, cuando conducen BAJO, encienden un MOSFET de canal N; y cuando conducen ALTO encienden un MOSFET de canal P. (¡Nunca los encienden a ambos al mismo tiempo!) Debido a las diferencias de movilidad que se aplican para el canal N frente al canal P (un factor de diferencia de 2 a 3), se necesita un esfuerzo adicional para hacer que el P- El dispositivo de canal exhibe una "calidad" similar a la de un interruptor. Algunos van a ese esfuerzo extra. Algunos no lo hacen. De lo contrario, la capacidad de hundir (canal N) o fuente (canal P) será diferente.

Algunos de ellos son casi simétricos, ya que pueden generar casi tanto como pueden hundirse. (Lo que solo significa que son tan buenos como un interruptor a tierra como lo son para un cambio al riel de la fuente de alimentación). Pero incluso cuando se intenta un problema adicional, hay otros problemas que hacen que sea poco probable que los dos dispositivos sean completamente similares y todavía suele darse el caso de que el lado de aprovisionamiento sea al menos algo más débil.

Pero en el análisis final, siempre es una buena idea ir a ver la hoja de datos en sí para ver. Aquí hay un ejemplo del PIC12F519 (una de las partes más baratas de Microchip que todavía incluye algo de almacenamiento interno, no volátil y grabable para datos).

Este gráfico muestra el voltaje de salida BAJO (eje vertical) frente a la corriente de hundimiento BAJO (eje horizontal), cuando la CPU está utilizando VCC=3V :

ingrese la descripción de la imagen aquí

Este gráfico muestra la ALTA tensión de salida (eje vertical) frente a la ALTA corriente de abastecimiento (eje horizontal), también cuando la CPU está utilizando VCC=3V :

ingrese la descripción de la imagen aquí

Puede ver fácilmente que ni siquiera se molestan en tratar de mostrar las mismas capacidades actuales de hundimiento frente a abastecimiento.

Para leerlos, elija una corriente de magnitud similar en ambos gráficos (muy difícil, ¿no?) Seleccionemos 5mA en el primer gráfico y4mA230mVRLOW=230mV5mA46Ω600mVRHIGH=600mV4mA150Ω25C

2V10mA

50Ω150Ω


Hola Jonk, mira mis comentarios y ejemplos a Olin a continuación y reconsidera. Es justo decir que las MCU solían ser así, y los chips lógicos en general, pero no es así en estos días. Microchip parece ser una excepción que ambos han visto, pero difícilmente son el mercado de volumen :-)
TonyM

@TonyM Probé innumerables dispositivos hace unos diez años, desde el MSP430 hasta los dispositivos Microchip PIC. Si bien en muchos casos las MCU se han acercado mucho más en las capacidades de origen frente a sumidero, SOLO hubo un caso en el que encontré que la capacidad de origen era igual o superior a la capacidad de sumidero. Y eso fue en un dispositivo donde SOLO UN PIN fue tan especificado y logrado. Todos ellos, de lo contrario, exhibieron menor impulso. No hasta el punto del dispositivo de ejemplo que di, pero lo suficientemente lejos como para que valga la pena saberlo. El MSP430, por ejemplo, proporciona un sumidero de aproximadamente 60 ohmios y una fuente de aproximadamente 100 ohmios.
jonk

VCC=3V

Ahora me preguntas, los he cerrado todos. Eche un vistazo a la parte de Silicon Labs y, por lo general, las hojas de datos de NXP son buenas, tendré que volver a verificar un poco. Pero mis ejemplos muestran que los chips lógicos de hoy en día están equilibrados y solo desenterrando en profundidad encontrará un desequilibrio. Puede colgar claramente un LED en ambos sentidos de estas salidas y funcionarán bien. Las salidas no tienen que estar realmente equilibradas con precisión para ver que la lógica anterior se ha ido, como las salidas 74LS con sumidero de 1.6 mA y fuente de 0.4 mA, una relación de 4 a 1. Por lo tanto, no se puede decir que el punto permanezca, se trata principalmente de viejos hábitos que prevalecen. A menos que solo ames Microchip :-)
TonyM

@TonyM Mi punto es más sobre mirar hojas de datos y hacer las verificaciones de cordura asociadas, que sobre cualquier dispositivo. Además, sin embargo, no es irracional anticipar alguna diferencia. Y que si tiene una opción, puede encontrar que es un poco más seguro usando active-LOW, incluso hoy. ¡Pero siempre REVISE! Claramente, para algunas aplicaciones (LED por ejemplo) es mucho más probable hoy que hace 20 años. Pero el OP pregunta por "¿Por qué?" ellos encuentran lo que encuentran. Mi respuesta es una respuesta a esa pregunta. Todavía me gustaría ver algunas curvas (no filas de tabla) de algún dispositivo a 3V.
jonk

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Es bastante común (aunque no tan común como solía ser) que los pines de salida del microcontrolador puedan absorber más corriente en el estado bajo de lo que pueden generar en el estado alto. Como resultado, los diseñadores se acostumbraron a colocar LED o cualquier otra cosa que necesite una corriente alta (para un pin de microcontrolador) entre la alimentación y el pin en lugar de entre la tierra y el pin. Cuando el micro tiene capacidad simétrica de fuente / sumidero, esto no es necesario, pero tampoco hace daño.

Por ejemplo, aquí hay un fragmento de la hoja de datos PIC 16F1459 (una parte de producción razonablemente reciente y ciertamente dominante):

Observe cómo las corrientes para el caso de salida de bajo voltaje son más altas con el mismo voltaje de suministro que para el caso de salida de alto voltaje . Y, las corrientes de sumidero se especifican para un aumento de 600 mV, mientras que las corrientes de origen para una caída de 700 mV. En general, este micro tiene controladores de lado bajo sustancialmente más fuertes en sus pines de E / S regulares.

Muchos micros más nuevos son simétricos, aparentemente particularmente aquellos que no tienen mucha capacidad de fuente / sumidero en primer lugar.

Cuando el LED requiere más corriente de la que puede manejar una salida digital, o al menos más de lo que desea permitir que maneje, debe usar un transistor externo. Un interruptor lateral bajo es la opción natural y simple. El LED se conecta entre la alimentación y este transistor.


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Hola, una corrección para su respuesta: [ era bastante común que los pines de salida del microcontrolador pudieran hundir más corriente en el estado bajo de lo que pueden generar en el estado alto. Los microcontroladores de los últimos 10 años o más tienen salidas equilibradas que generan tanto como se hunden ] Estoy completamente de acuerdo en que fue el caso con 8048, 8051, 6811 y todos los viejos, pero no así con las cosas posteriores a 2005 o más o menos. como todos los BRAZOS. Gracias.
TonyM

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@ Tony: la fuente / sumidero asimétrico sigue siendo común, aunque menos de lo que solía ser. Acabo de comprobar una de las piezas PIC 16F1xxx (16F1359 específicamente), que son bastante nuevas. Con 5 V Vdd, una salida alta puede generar 3,5 mA con una caída de 700 mV. Una salida baja puede hundir 8 mA con una caída de 600 mV. Esto está lejos de desaparecer, incluso en micros modernos.
Olin Lathrop

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Los PIC16F1xxxx son una actualización de la antigua línea PIC16Fxxx pero aún tecnología antigua. Todos son simétricos ahora lo más cerca posible con amplias tolerancias 25% típ. y 1 / Vdd sensible.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Gracias por mirar, pero la parte de Microchip parece engañosa. Miré hacia arriba: NXP P89LPC933 (8051, 2004) con Iol = Ioh = 20 mA; NXP LPC1111 (ARM, 2010) con Iol = Ioh = 4 mA; TI OMAP5910 con Iol = Ioh = mismo (configurable) mA; TI TMS320C620 con Iol = Ioh = 8 mA; Silicon Labs EFM32GG380 (2014) con Iol = Ioh = mismo (configurable) mA. Ignora el '-' que falta en los sumideros. Podría haber continuado, solo 5 minutos rápidos en mi biblioteca de hojas de datos ... personalmente, no he visto uno desequilibrado en décadas. Por favor, ¿puede volver a editar su respuesta de manera similar a mi comentario anterior, bueno para dar una imagen completa e inofensivo para su respuesta?
TonyM

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@OlinLathrop "La serie 6F1xxx es una serie reciente de la antigua serie 16Fxxx". Sí, soy consciente de eso, pero decidieron no actualizar las especificaciones de RdsOn, por lo que Vol, Voh son idénticos para que Q no cambie en los diseños de placas heredadas, lo que afecta las características y el timbre de las líneas. Cambiar el controlador Z por la mitad en las pistas de impedancia no controladas (lectura inductiva) puede hacer que suenen bordes falsos), por lo tanto, las especificaciones del controlador eximidas para aquellos que operan a f.clk máximo. Q = 2pi * f * L (f) / ESR para la unidad fuente
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Al utilizar un diseño desplegable, es posible cambiar un dispositivo (por ejemplo, un LED) con un suministro de 5 V, utilizando un microcontrolador tolerante a 1,8 V pero 5 V sin ningún componente externo.

Cuando el pin (configuración de drenaje abierto) no se tira hacia abajo, está flotando, ya que no se consume corriente, el voltaje flotará hasta el voltaje de alimentación del led, por lo tanto, a 5V. Esto está bien para algunos pero no todos los micros de bajo voltaje.

De esta manera, puede ejecutar los leds directamente desde una línea de suministro y utilizar un convertidor de voltaje de corriente más bajo para el micro. Esta es la única forma de usar, por ejemplo. leds azules en un micro de 1.8v sin agregar más componentes.

Por ejemplo, los pines de la serie NXP LPC81xM son tolerantes a 5v cuando el micro está alimentado, incluso a 1.8v

Conjunto de datos de NXP LPC81xM

extracto de la hoja de datos


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Debido a que los mosfets de drenaje abierto generalmente hunden más corriente que el empuje y algunas veces incluso toleran un rango de voltaje más amplio. El uso de un LED con drenaje abierto solo funciona con una configuración baja activa. Sin embargo, depende del micro, algunos son solo push pull.

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