Styrer LED-luminans med en DAC-strømutgang og TIA på en presis måte

Lysdioden (LED) er populær på grunn av den fysiske robustheten, lange levetiden, effektiviteten, raske omkoblingen og nette størrelsen. LED-er avgir flere lumen per watt enn glødepærer, og effektiviteten deres påvirkes ikke av størrelsen og formen. Til tross for den utstrakte bruks- og teknologistøtten, er det fortsatt vanskelig å styre LED-luminansen på en presis måte.

Det er flere årsaker til dette, og det har med fysikken til hver LED-bølgelengde å gjøre. Men du kan fortsatt oppnå den presise luminansstyringen ved hjelp av riktige komponenter og designtilnærming.

Denne artikkelen drøfter kort problemene som er forbundet med å oppnå konsekvent LED-luminans. Den viser deretter hvordan en programmerbar, 14-bits digital-til-analog-omformer for strømutgang (DAC), en operasjonsforsterker (op-amp) og en analog presisjonsmikrostyring kan brukes sammen for presis LED-luminansstyring. Komponenter fra Analog Devices brukes som eksempel.

LED-matriser/-programmer

En LED-halvleder er en lyskilde som avgir lys med strømflyt fra anoden til katoden. Halvlederelektronene kan kombineres med elektronhull og frigi energi som fotoner. Energien som er nødvendig for at elektroner skal krysse bandgapet til halvlederen, bestemmer fargen på LED-lyset.

Den elektriske oppførselen til LED-en fungerer på samme måte som en standard diode. Det er viktig å ikke overstyre enheten i dens lederetningsmodus, i likhet med en standard diode. En overstyrt diode overopphetes og kan i verste fall bli en åpen krets. Når LED-en er drevet i lederetning, flyter strømmen gjennom enheten og lager lys og et spenningsfall fra anoden til katoden (figur 1). 

Figur 1: Når du bruker ledestrøm på 20 milliampere (mA), vises de ulike LED-fargene med ulike ledespenninger. (Bildekilde: DigiKey)

I figur 1 har ledespenningen på LED-en ulike farger (R = rød, O = oransje, Gr = grønn, Gu = gul, B = blå, H = hvit). LED-en er vanligvis spent med en 20 mA-kilde for å måle og spesifisere ledespenningsverdien. Det er fristende å drive LED-er med en spenningskilde, men det er vanskelig å styre en spenningskilde nøyaktig, noe som kan føre til overkjøring av enheten samt overoppheting og tidlig svikt.

Parallelle kontra seriekoblede LED-konfigurasjoner

De tre mest populære LED-konfigurasjonene er parallell, serie eller en kombinasjon av disse, men i de fleste tilfeller anbefaler vi at LED-ene drives med en spenningskilde og motstand for å styre strømomfanget (figur 2).

Figur 2: De tre LED-driftede konfigurasjonene er parallell (A), serie (B) og en kombinasjon av parallell og serie (C). (Bildekilde: DigiKey)

Parallelle strenger med LED-er (A) må ha de samme spesifikasjonene for ledespenning og derfor samme LED-farge (se figur 1 igjen). Selv i denne konfigurasjonen deler ikke LED-ene strømmen jevnt, på grunn av produksjonstoleransen i ledespenningen. Én eller flere av LED-ene blir sannsynligvis en strømtrekker for denne parallellkonfigurasjonen. Lysstyrken på LED-ene er ulike på grunn av ulik intensitet på ledestrøm/luminans – en faktor som kan gi inkonsekvente LED-lys.

I parallellkonfigurasjonen (A) er R_LED-verdien avhengig av en forhåndsdefinert forsyningsspenning (V_LED), den nominelle ledespenningen til LED-ene og antall parallelle LED-er, som hver bruker ca. 20 mA. For eksempel så er R_LED lik 10 Ω, med ti parallelle hvite LED-er (ledespenning – 3,0 volt på 20 mA) og V_LED på 5 volt. Verdien av 10 Ω for R_LED beregnes ved hjelp av ligning 1:

 Ligning 1

Der V_LED = forsyningsspenning, som vist i figur 2

N = antall LED-er = 10

I₁ = 20 mA (Merk: I_LED = I₁*N)

R_LED = LED-sperremotstand

V_X = nominell LED med spenningsfall på 20 mA

I seriekonfigurasjonen (B) mottar hver LED samme strømmengde med ulike ledespenninger. Du kan ha flerfargede LED-er i denne seriekonfigurasjonen. I denne formasjonen er forsyningsspenningen lik summen av hver nominelle LED-spenning, pluss spenningsfallet på tvers av motstanden, R_LED. Hvis det for eksempel er ti røde LED-er (ledespenning – 1,9 volt) i denne serien med 20 mA gjennom en 330 Ω-motstand, er spenningsforsyningen for systemet (V_LED) – 25,6 volt. I denne konfigurasjonen kan en defekt eller åpen LED forårsake at hele strengen svikter.

LED-kombinasjonen av parallell- og seriekoblinger (C) gir det beste resultatet. Det er færre LED-er i seriestrengen i denne konfigurasjonen. Dette reduserer verdien av V_LED. Det er også færre LED-er i parallellkoblinger, noe som reduserer sannsynligheten for strømtrekkere. I tillegg til dette kan vi med denne konfigurasjonen bruke den programmerbare DAC-strømutgangen som en rimelig induksjonskilde, i stedet for den tradisjonelle statiske spenningskilden.

Programmerbare LED-styringsalternativer

I figur 2 har LED-drivmekanismen for parallelle (A), serielle (B) og en kombinasjon av serielle/parallelle (C) konfigurasjoner en seriemotstand, R_LED, og en spenningskilde, V_LED. I disse tre konfigurasjonene kommer senkingen av den ledestrømmen – det vil si en reduksjon i V_LED eller en økning i R_LED – til å dempe LED-ene. En DAC-spenningsutgang kan gi programmerbare spenninger for V_LED, men de nødvendige høye strømmene kan imidlertid være et problem. En DAC-spenningsutgang er ofte ikke i stand til å levere den strømmen som er nødvendig for LED-er, så du trenger ofte en effektforsterker (operasjonsforsterker (op-amp)).

Med et manuelt potensiometer, eller enda bedre, et digitalt potensiometer, kan du erstatte R_LED med begrensninger for effekttap, som for eksempel hvordan de håndterer den høye strømmen som oppstår når potensiometeret nærmer seg null ohm.

Den beste designtilnærmingen for å unngå problemene og kompleksiteten som er forbundet med DAC-spenningsutganger og -potensiometre, er å bruke en DAC-strømutgang.

Med en DAC-strømutgang får du programmerbar strøm til LED-en. De kritiske spesifikasjonene for denne DAC-en er at de kan gi 20 mA per LED, samt høy oppløsning for den strømmen. Strømprogrammerbarheten kan brukes til å stille inn ønsket luminans ved hjelp av en transimpedansforsterker (TIA) (figur 3).

Figur 3: Med programmerbar DAC-utgangsstrøm får du direkte styring av ledestrøm for LED-er, og med TIA får du styring for luminansnivået. (Bildekilde: DigiKey)

I figur 3 søker de to LED-ene mot ledespenningsnivået med induksjonsstrøm på 20 mA. En fotodiode (PD) foran på en TIA oppdager LED-luminansen for å fullføre LED-systemet i figur 3. Forsterkerkravene for dette systemet er lave forspenningsstrømmer på inngangen (low input bias currents), slik at man kan unngå konkurranse med fotodiodestrøm (I_PD) og lav inngangsforskyvningsspenning for å minske reduksjonen i fotodioden.

Implementering av programmerbar LED-styring for luminans

Implementeringen av et programmerbart LED-styringssystem for luminans krever presis analog mikrostyring, for eksempel ADuCM320BBCZ fra Analog Devices, samt en AD5770RBCBZ-RL7 DAC-strømutgang og en ADA4625-1ARDZ-R7-operasjonsforsterker (op-amp) som også leveres av Analog Devices.

Mikrostyringen:

• Driver utgangsstrømverdier for 14-bits DAC
• Mottar TIA-utgangsspenningen i en innebygd 14-bits analog-til-digital (ADC)-omformer
• Utfører de nødvendige beregningene for å styre luminansen

Med den programmerbare DAC-en får du presis utgangsstrøm for LED-ene, mens operasjonsforsterkeren (op-amp), konfigurert som en TIA, mottar det analoge LED-luminansomfanget via fotodioden. TIA sender deretter en utgangsspenning (V_UT) til ADC-inngangen på mikrostyringen (figur 4).

Figur 4: Med dette presisjonssystemet får du programmerbare strømmer til LED-ene, slik at du kan styre luminansen. (Bildekilde: DigiKey, generert med Analog Devices' nettbaserte programvare Photodiode Circuit Design Wizard)

Strømstyrken er under styring av systemet med en TIA i tilbakeføringssløyfen. ADA4625-1-operasjonsforsterkeren (op-amp-en) har forspenningsstrøm på inngangen på 15 picoampere (pA) (som vist i databladet) og en forskyvningsspenning på 15 mikrovolt (μV). Dette gir en bred dynamisk rekkevidde for TIA. Med denne dynamiske rekkevidden får du høy luminansfleksibilitet, slik at du kan endre LED-en fra maksimal intensitet ned til en helt mørk tilstand.

Systemdesigneren bestemmer variasjonen og rekkevidden til LED-luminansen. En 14-bits DAC gir for eksempel 2¹⁴ eller 16 384 divisjoner. Den minst betydelige bitstørrelsen (LSB) for DAC med en fullskalautgang på 100 mA er 6,1 mikroampere (µA), som vist i ligningen:

Der:

IDACx_LSB = den gjeldende LSB-størrelsen på x-kanalen

IDAC_MAX = den klassifiserte maksimale kanalstrømmen

N = antall DAC-bits

Sekskanals AD5770R har en forsyningsspenning på 5,0 volt, og driver de to LED-seriene med en merkestrøm på 20 mA. I denne kretsen søker LED-spenningene sine egne ledespenningsnivåer.

I kretsen som vises i figur 4, kan den maksimale utgangsstrømmen for hver utgangsport (IDAC0-IDAC5) justeres ned til 50 % av den nominelle verdien. Med denne fleksibiliteten kan konstruktøren samsvare LED-eksitasjonsstrømmene på en bedre måte. Denne handlingen minsker også strømstørrelsens minste betydelige bitstørrelse (LSB).

I figur 4 er den maksimale IDAC2-strømmen 55 mA, og den maksimale IDAC5-strømmen er 45 mA (som vist i databladet). Hvis LED-ene i IDAC2-strengen er røde, er den nominelle spenningen på IDAC2-pinnen 1,9 volt x 2, eller 3,8 volt, og LSB-størrelsen på DAC-en er 3,4 mA.

Hvis de vil forbedre systemnøyaktigheten ytterligere, kan designerne bytte ut DAC-referansegeneratoren med en ekstern referanse eller en ekstra presisjonsmotstander.

AD5770R har en multiplekset diagnostikkfunksjon som gjør at designeren kan overvåke samsvarende utgangsspenninger, utgangsstrøm og den interne temperaturen med en ekstern ADC. 

DAC-strømutgangen for AD5770R driver strengene til to LED-er med en lavstøystyrt, programmerbar strømkilde med IDAC2- og IDAC5-utgangsstøy for spektraltetthet, på henholdsvis 19 nA/√ Hz og 6 nA/√ Hz.

Konklusjon

LED-er har flere fordeler sammenlignet med andre lysteknologier, som fysisk robusthet, lang levetid, lavt strømforbruk, rask omkobling og nett størrelse. Men til tross for utstrakt bruk av LED, er det fortsatt vanskelig å styre utgangsluminansen for LED på en effektiv og presis måte.

Du kan oppnå presis LED-luminansstyring ved hjelp av ADuCM320BBCZ-presisjonsmikrostyring, en AD5770 14-bits programmerbar DAC-strømutgang med høy nøyaktighet og en ADA4625-1 JFET-operasjonsforsterker (op-amp) i en TIA-konfigurasjon. Denne kombinasjonen kan hjelpe designerne med å oppfylle presisjonskravene for LED-luminans med full diagnostikkevne til å overvåke strøm for alle LED-drivere samt å gi dimmestyring.