Præcis kontrol af LED-luminans ved hjælp af en DAC med strømoutput og TIA

LED'en (lysemitterende diode) er populær på grund af dens fysiske robusthed, lange levetid, effektivitet, hurtige koblingsevne og lille størrelse. LED'er udsender flere lumen pr. watt end glødepærer, og deres effektivitet påvirkes ikke af deres størrelse og form. Men på trods af deres udbredte anvendelse og teknologiske understøttelse er det stadig en udfordring at styre en LED's luminans præcist.

Det er der mange årsager til, og det har at gøre med fysikken for hver LED-bølgelængde, men præcis luminanskontrol kan stadig opnås ved hjælp af de rigtige komponenter og designmetoder.

Denne artikel beskriver kort de problemer, der er forbundet med at opnå jævn LED-luminans. Den viser derefter, hvordan en programmerbar, 14-bit digital-til-analog-konverter (DAC) med strømoutput, en effektforstærker og en præcis analog mikrocontroller kan bruges sammen til præcis LED-luminanskontrol. Komponenter fra Analog Devices vil blive brugt som eksempel.

LED-arrays/-anvendelser

En LED-halvleder er en lyskilde, der udsender lys med strøm fra anoden til katoden. Halvlederelektronerne rekombineres med elektronhuller og frigiver energi i form af fotoner. Farven på LED-lyset afgøres af, hvor meget energi det kræver, for at elektronerne kan krydse halvlederens båndgab.

LED'ens elektriske funktionsmåde er som en almindelig diode. Som med en almindelig diode er det vigtigt, at du ikke overstyrer enheden, når den er indsat i lederetning. En overstyret diode overophedes og bliver i værste fald et åbent kredsløb. Når LED'en er i lederetningen, løber strøm gennem enheden, hvilket danner lys og et spændingsfald fra anoden til katoden (figur 1). 

Figur 1: Med en ledestrømstyrke på 20 milliampere (mA) har de forskelligt farvede LED'er forskellige ledespændinger. (Billedkilde: DigiKey)

I figur 1 varierer en LED's ledespænding med farven (R = rød; O = orange; G = grøn; Y = gul; B = blå; W = hvid). Typisk tilsluttes LED'en en 20 mA-kilde for at måle og angive dens ledespændingsværdi. Det er fristende at drive LED'er med en spændingskilde, men det er svært at styre en spændingskilde præcist, så man risikerer at overstyre enheden, hvilket medfører overophedning og for tidligt funktionssvigt.

Parallelle versus serielle LED-konfigurationer

De tre mest populære LED-konfigurationer er parallelle, serielle og en kombination af de to, men i de fleste tilfælde anbefales det, at LED'er drives med en spændingskilde og en modstand for at regulere strømstyrken (figur 2).

Figur 2: De tre LED-konfigurationer er parallel (A), serie (B) og en kombination af parallel og serie (C). (Billedkilde: DigiKey)

Parallelle strenge af LED'er (A) skal alle have samme specifikationer for ledespænding, og derfor den samme LED-farve (se figur 1 igen). Selv i denne konfiguration vil LED'erne ikke dele strømstyrken jævnt på grund af produktionstolerancen i deres ledespænding. I denne parallelle konfiguration vil en eller flere af LED'erne sandsynligvis lægge beslag på det meste af strømstyrken. Lysstyrken på LED'er er forskellig på grund af forskellene i ledestrøm/luminansintensitet – en faktor, der kan manifestere sig som ujævn LED-skærmbelysning.

I den parallelle konfiguration (A) afhænger R_LED-værdien af en forudbestemt forsyningsspænding (V_LED), LED'ernes nominelle ledespænding og antallet af parallelle LED'er, der hver især bruger ca. 20 mA. F.eks. er R_LED lig med 10 Ω, med ti parallelle hvide LED'er (ledespænding ~ 3,0 volt ved 20 mA) og V_LED på 5 volt. Værdien på 10 Ω for R_LED beregnes ved hjælp af ligning 1:

 Ligning 1

Hvor V_LED = forsyningsspænding, iht. figur 2

N = antal LED'er = 10

I₁ = 20 mA (bemærk: I_LED = I₁*N)

R_LED = LED-biasmodstand

V_X = nominelt LED-spændingsfald ved 20 mA

I seriekonfiguration (B) modtager hver LED den samme mængde strøm med forskellige ledespændinger. Det er muligt at have flere forskelligt farvede LED'er i denne seriekonfiguration. I denne formation er forsyningsspændingen lig med summen af hver nominel LED-spænding plus spændingsfaldet over modstanden, R_LED. Hvis der f.eks. er ti røde LED'er (ledespænding ~ 1,9 volt) i denne serie med 20 mA gennem en 330-Ω-modstand, er systemspændingsforsyningen (V_LED) ~ 25,6 volt. I denne konfiguration vil en fejlbehæftet eller åben LED få hele strengen til at svigte.

LED-kombinationen af parallel og serie (C) kombinerer det bedste fra begge verdener. I denne konfiguration er der færre LED'er i seriestrengen. Dette reducerer værdien af V_LED. Der er også færre LED'er parallelt, hvilket reducerer sandsynligheden for enheder, der lægger beslag på strømstyrken. Som en ekstra fordel betyder denne konfiguration, at en DAC med programmerbart strømoutput kan bruges som en prisbillig energikilde, i stedet for den traditionelle statiske spændingskilde.

Programmerbare LED-styringsmuligheder

I figur 2 er LED-styremekanismen for parallel- (A), serie- (B) og kombinerede serie/parallel- (C) konfigurationer udstyret med en seriemodstand, R_LED, og en spændingskilde, V_LED. I disse tre konfigurationer vil sænkningen af ledestrømstyrken – hvilket betyder en reduktion i V_LED eller en stigning i R_LED – dæmpe LED'erne. En DAC med spændingsoutput kan levere de programmerbare spændinger for V_LED, men kravene til høje strømstyrker kan dog udgøre et problem. En DAC med spændingsoutput er ofte ikke i stand til at levere den høje strømstyrke, der kræves til LED'er, så der kræves ofte en effektforstærker (op amp).

Et manuelt potentiometer, eller endnu bedre, et digitalt potentiometer, kan erstatte R_LED med visse begrænsninger for effektafledning, som f.eks. håndtering af den høje strømstyrke, når potentiometeret nærmer sig nul ohm.

For at undgå problemerne og kompleksiteten, der er forbundet med DAC'er med spændingsoutput og potentiometre, er den mest elegante designfremgangsmåde i stedet at bruge en DAC med strømoutput.

En DAC med strømoutput leverer programmerbar strømstyrke til LED'en. De kritiske specifikationer for denne DAC er evnen til at levere 20 mA pr. LED og en høj grad af opløsning af denne strømstyrke. Muligheden for programmering af strømstyrke kan bruges til at indstille den ønskede luminans med hjælp fra en overføringsimpedansforstærker (TIA) (figur 3).

Figur 3: En DAC med programmerbar outputstrømstyrke leverer direkte styring af LED i ledestrømretning, og en TIA leverer luminansniveaukontrol. (Billedkilde: DigiKey)

I figur 3 søger de to LED'er deres ledespændingsniveau med deres 20 mA aktiveringsstrømstyrke. Som afslutning på LED-systemet i figur 3 registrerer en fotodiode (PD) foran en TIA LED-luminansen. For dette system er kravene til forstærkeren lav inputledestrømstyrke for at undgå konkurrence med fotodiodens strømstyrke (I_PD) og lav input-offsetspænding for at minimere tabet på tværs af PD'en.

Implementering af en programmerbar luminans-LED-controller

Implementeringen af et LED-kontrolsystem med programmerbar luminans kræver en præcis analog mikrocontroller, som f.eks. ADuCM320BBCZ fra Analog Devices, samt en AD5770RBCBZ-RL7 strømoutput-DAC og en ADA4625-1ARDZ-R7 effektforstærker, begge fra Analog Devices.

Mikrocontrolleren:

• Styrer 14-bit DAC-outputstrømstyrkeværdierne
• Modtager udgangsspændingen fra TIA'en i en indbygget 14-bit analog-til-digital-konverter (ADC)
• Udfører de nødvendige beregninger for at styre luminansen

Den programmerbare DAC leverer nøjagtig udgangsstrømstyrke til LED'erne, mens effektforstærkeren, konfigureret som en TIA, modtager den analoge LED-luminansstyrke via fotodioden. TIA'en sender derefter en udgangsspænding (V_OUT) til mikrocontrollerens ADC-indgang (figur 4).

Figur 4: Dette præcisionssystem leverer programmerbare strømstyrker til LED'erne for at styre luminansen. (Billedkilde: DigiKey, genereret ved hjælp af Analog Devices' onlinesoftware Photodiode Circuit Design Wizard)

Strømstyrken er under systemets kontrol med en TIA i feedbacksløjfen. ADA4625-1-effektforstærkeren har en 15 pA (picoampere) inputledestrøm (iht. dataarket) og en offsetspænding på 15 μV (mikrovolt), der giver et stort dynamisk område for TIA'en. Dette dynamiske område giver en høj grad af luminansfleksibilitet til at justere LED'en fra en maksimal lysstyrke ned til en helt mørk tilstand.

Systemdesigneren bestemmer variationen og justeringsområdet for LED'ens luminans. F.eks. har en 14-bit DAC 2¹⁴ eller 16.384 inddelinger. For denne DAC med et maksimalt output på 100 mA er den laveste væsentlige bitstørrelse (LSB) 6,1 mikroampere (μA), iht. ligningen:

Hvor:

IDACx_LSB = den aktuelle LSB-størrelse på x-kanalen

IDAC_MAX = den normerede maksimale kanalstrømstyrke

N = antal bit i DAC'en

Med en forsyningsspænding på 5,0 volt, driver AD5770R med seks kanaler de to serieforbundne LED'er med en nominel strømstyrke på 20 mA. I dette kredsløb søger LED-spændingerne deres eget ledespændingsniveau.

I kredsløbet vist i figur 4 kan den maksimale udgangsstrømstyrke for hver udgangsport (IDAC0-IDAC5) justeres ned til 50 % af den nominelle værdi. Denne fleksibilitet gør det lettere for designeren at matche LED-aktiveringsstrømstyrkerne. Denne handling reducerer også LSB-strømstyrken.

I figur 4 er den maksimale IDAC2-strømstyrke 55 mA, og den maksimale IDAC5-strømstyrke er 45 mA (iht. databladet). Hvis LED'erne i IDAC2-strengen er røde LED'er, er den nominelle spænding ved IDAC2-benet 1,9 volt x 2 eller 3,8 volt, og DAC'ens LSB-størrelse er 3,4 mA.

For yderligere at forbedre systemets nøjagtighed kan designeren erstatte DAC'ens indbyggede referencegenerator med en ekstern reference eller en ekstra præcisionsmodstand.

Endelig har AD5770R en indbygget multiplekset diagnosticeringsfunktion, der gør det muligt for designeren at overvåge output-grænsespændingerne, udgangsstrømstyrker og den indvendige kernetemperatur, alt sammen med en ekstern ADC. 

AD5770R DAC'en med strømoutput driver strengene med to LED'er med en støjsvag kontrolleret kilde med programmerbar strømstyrke med en spektral densitet for IDAC2- og IDAC5-outputstøj på henholdsvis 19 nA/√Hz og 6 nA/√Hz.

Konklusion

Med deres fysiske robusthed, lange levetid, lave energiforbrug, mulighed for hurtig udskiftning og lille størrelse har LED'er mange fordele frem for andre belysningsteknologier. På trods af den omfattende brug af LED'er er det dog stadig en udfordring at styre deres output-luminans præcist og effektivt.

Som vist kan præcis LED-luminanskontrol opnås ved hjælp af en ADuCM320BBCZ-præcisionsmikrocontroller, en AD5770 14-bit, programmerbar DAC med høj nøjagtighed og strømoutput og en ADA4625-1 JFET-effektforstærker i en TIA-konfiguration. Denne kombination kan hjælpe designere med at overholde krav om præcis LED-luminans med fuld diagnosticeringsfunktionalitet til at overvåge alle LED-styrestrømstyrker samt give dæmpningsstyring.