Precyzyjne sterowanie luminancją diody LED przy użyciu przetwornika cyfrowo-analogowego z wyjściem prądowym oraz wzmacniacza transimpedancyjnego

Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest popularnym rozwiązaniem ze względu na wytrzymałość mechaniczną, długi okres użytkowania, sprawność, możliwość szybkiego przełączania i niewielkie rozmiary. Diody LED emitują więcej lumenów na wat niż żarówki żarowe, a ich rozmiar i kształt nie ma wpływu na sprawność. Jednak pomimo szerokiego zastosowania i wsparcia technologicznego, precyzyjne sterowanie luminancją diod LED nadal stanowi wyzwanie.

Powody są liczne i mają związek z właściwościami fizycznymi każdej długości fali LED, ale precyzyjna kontrola luminancji nadal jest możliwa przy użyciu odpowiednich komponentów i podejścia projektowego.

W niniejszym artykule pokrótce opisano, jak można osiągnąć stałą luminancję diod LED. Pokazano również jak wykorzystać wyjście prądowe programowalnego, 14-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC), wzmacniacz operacyjny i precyzyjny mikrokontroler analogowy, by dokładnie kontrolować luminancję diod LED. Jako przykłady posłużą elementy oferowane przez firmę Analog Devices.

Zastosowania/macierze LED

Półprzewodnik LED jest źródłem emitującym światło dzięki prądowi płynącemu od anody do katody. Elektrony półprzewodnika rekombinują z dziurami elektronowymi i uwalniają energię w postaci fotonów. Energia, której potrzebują elektrony, by przekroczyć przerwę energetyczną półprzewodnika, określa kolor światła LED.

Dioda LED zachowuje się podobnie do standardowej diody. Tak, jak w przypadku standardowej diody, ważne jest, by nie przesterować urządzenia w trybie przewodzenia. Przesterowana dioda przegrzewa się i w najgorszym wypadku dochodzi do przerwania obwodu. Gdy dioda LED znajduje się w polaryzacji przewodzenia, prąd płynie przez urządzenie, wytwarzając światło i spadek napięcia od anody do katody (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przy prądzie w kierunku przewodzenia wynoszącym 20 miliamperów (mA), różne kolory diod LED odpowiadają różnym napięciom przewodzenia. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Na ilustracji 1 napięcie przewodzenia diod LED odpowiada kolorom (R = czerwony, O = pomarańczowy, G = zielony, Y = żółty, B = niebieski, W = biały). Aby zmierzyć i określić wartość napięcia dodatniego diody LED, zazwyczaj wzbudza się ją przez źródło o natężeniu 20mA. Bardzo kuszące jest sterowanie diodą LED za pomocą źródła napięciowego, ale kontrola nad źródłem napięciowym jest trudna, co może spowodować ryzyko przesterowania urządzenia, doprowadzając do przegrzania i przedwczesnej awarii.

Diody LED połączone równolegle i szeregowo

Trzy najpopularniejsze metody połączenia diod LED to połączenie równoległe, szeregowe lub ich kombinacja, ale w większości przypadków zaleca się, aby diody LED były zasilane ze źródła napięciowego i by podłączyć rezystor sterujący wartością prądu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: trzy rodzaje połączeń diod LED to połączenie równoległe (A), szeregowe (B) i kombinacja połączenia równoległego i szeregowego (C). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Diody połączone równolegle (A) muszą cechować się takim samym napięciem przewodzenia, czyli tym samym kolorem (patrz ilustracja 1). Nawet w takim połączeniu prąd diod LED nie rozłoży się równomiernie ze względu na tolerancję produkcyjną napięcia przewodzenia. W połączeniu równoległym przynajmniej jedna dioda LED stanie się „pożeraczem” prądu. Jasność diod LED jest różna z uwagi na różne natężenie prądu w kierunku przewodzenia / intensywność luminancji - jest to czynnik, który może doprowadzić do niespójności w wyświetlaczach LED.

W połączeniu równoległym (A), wartość R_LED zależy od ustalonego wcześniej napięcia zasilania (V_LED), nominalnego napięcia przewodzenia diod LED oraz liczby diod LED połączonych równolegle, z których każda pobiera około 20mA. Na przykład, przy dziesięciu białych diodach LED połączonych równolegle (napięcie przewodzenia ~3,0V przy 20mA) i V_LED wynoszącemu 5V, R_LED równa się 10Ω. Wartość R_LED równa 10Ω jest wyliczana za pomocą równania 1:

 Równanie 1

Gdzie V_LED = napięcie zasilania, wg ilustracji 2

N = liczba diod = 10

I₁ = 20mA (Uwaga: I_LED = I₁*N)

R_LED = rezystor napięcia polaryzacji LED

V_X = spadek napięcia przy nominalnym prądzie diody LED 20mA

W połączeniu szeregowym (B) każda dioda LED otrzymuje taką samą ilość prądu przy różnych napięciach przewodzenia. W układzie szeregowym diody LED mogą mieć różne kolory. W tym układzie napięcie zasilające jest równe sumie poszczególnych nominalnych napięć LED plus spadek napięcia na rezystorze - R_LED. Na przykład, jeśli w połączeniu szeregowym znajduje się dziesięć czerwonych diod LED (napięcie zasilania ~1,9V) o natężeniu 20mA przepływającym przez rezystor 330Ω, napięcie zasilania systemu (V_LED) wynosi ~25,6V. W tej konfiguracji wadliwa lub przepalona dioda LED powoduje awarię całego ciągu.

Kombinacja połączenia szeregowego i równoległego (C) wykorzystuje zalety obydwu układów. W takiej konfiguracji diod LED w połączeniu szeregowym jest mniej. To obniża wartość V_LED. Jednocześnie w układzie występuje mniej diod LED w układzie równoległym, co zmniejsza prawdopodobieństwo, że diody będą „pożerać” prąd. Dodatkową zaletą tej konfiguracji jest to, że jako tanie źródło wzbudzenia można stosować programowany przetwornik cyfrowo-analogowy z wyjściem prądowym w miejsce tradycyjnego, statycznego źródła napięciowego.

Programowalne opcje sterowania diodami LED

Na ilustracji 2 mechanizm sterujący diodami LED w połączeniu równoległym (A), szeregowym (B) oraz kombinacji tych połączeń (C) posiada rezystor podłączony szeregowo (R_LED) oraz źródło napięciowe V_LED W tych trzech konfiguracjach połączeń obniżenie prądu w kierunku przewodzenia - czyli obniżenie V_LED lub podwyższenie R_LED - spowoduje przygaśnięcie diod LED. Przetwornik cyfrowo-analogowy z wyjściem napięciowym może dostarczyć programowalne napięcia dla V_LED, ale potrzeba wysokich wartości prądu może stanowić problem. Przetwornik cyfrowo-analogowy z wyjściem napięciowym często nie jest w stanie dostarczyć do diod LED odpowiedniej wartości prądu. W takich sytuacjach potrzebny będzie wzmacniacz mocy lub wzmacniacz operacyjny.

Potencjometr ręczny, lub jeszcze lepiej, potencjometr cyfrowy, może zastąpić R_LED z pewnymi ograniczeniami rozpraszania mocy, takimi jak sposób postępowania z prądem o wysokim natężeniu, gdy potencjometr zbliża się do wartości równej zero Ohmów.

W celu uniknięcia problemów i złożoności związanych z przetwornikami cyfrowo-analogowymi z wyjściem napięciowym i potencjometrami, najbardziej eleganckim podejściem projektowym jest zastosowanie przetwornika cyfrowo-analogowego z wyjściem prądowym.

Przetwornik cyfrowo-analogowy z wyjściem prądowym dostarcza diodzie LED programowalną wartość prądu. Kluczowymi parametrami takiego przetwornika cyfrowo analogowego jest możliwość dostarczenia 20mA na diodę oraz wysoki poziom rozdzielczości prądu. Możliwość programowania wartości prądu można wykorzystać do dostrojenia pożądanej luminancji przy pomocy wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: programowany przetwornik cyfrowo-analogowy z wyjściem prądowym umożliwia bezpośrednie sterowanie prądem LED w kierunku przewodzenia a wzmacniacz TIA gwarantuje kontrolę nad poziomem luminancji. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Na ilustracji 3 dwie diody LED uzyskują swoje poziomy napięcia przewodzenia dzięki prądowi wzbudzenia 20mA. Aby dokończyć układ LED, na ilustracji 3 fotodioda przed wzmacniaczem TIA wykrywa luminancję LED. Wymagania wzmacniacza w tym systemie obejmują niski prąd bias na wejściu, aby uniknąć konkurencji z prądem fotodiody (I_PD) oraz niskie napięcie offsetu na wejściu, aby ograniczyć do minimum spadek w całej fotodiodzie.

Zastosowanie programowalnego sterownika luminancji LED

Wdrożenie systemu programowalnego sterownika luminancji LED wymaga zastosowania precyzyjnego mikrokontrolera analogowego, takiego jak ADuCM320BBCZ firmy Analog Devices, a także przetwornika AD5770RBCBZ-RL7 z wyjściem prądowym oraz wzmacniacza operacyjnego ADA4625-1ARDZ-R7 - oba również firmy Analog Devices.

Mikrokontroler:

• Steruje 14-bitowymi wartościami prądu na wyjściu przetwornika cyfrowo-analogowego
• Dostarcza napięcie wyjściowe wzmacniacza TIA do wbudowanego 14-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).
• Przeprowadza niezbędne obliczenia w celu sterowania luminancją

Programowany przetwornik cyfrowo-analogowy dostarcza dokładne prądy na wyjściu dla diod LED, podczas gdy wzmacniacz operacyjny, skonfigurowany jako wzmacniacz TIA, odbiera analogową wielkość luminancji LED poprzez fotodiodę. Następnie wzmacniacz TIA wysyła napięcie na wyjściu (V_OUT) na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego mikrokontrolera (ilustracja 4).

Ilustracja 4: ten precyzyjny system dostarcza programowalne wartości prądu do diod LED i umożliwia sterowanie luminancją. (Źródło ilustracji: DigiKey, wygenerowano przy użyciu oprogramowania online Photodiode Circuit Design Wizard firmy Analog Devices)

Wartość prądu jest kontrolowana przez system ze wzmacniaczem TIA ze sprzężeniem zwrotnym. Wzmacniacz operacyjny ADA4625-1 cechuje się biasem na wejściu o wartości 15 pikoamperów (pA) (według karty charakterystyki) i napięciem offsetu na poziomie 15 mikrowoltów (µV), zapewniając szeroki zakres dynamiki wzmacniacza TIA. Ten zakres dynamiki zapewnia dużą elastyczność w zakresie luminancji, dzięki czemu można zmienić intensywność diody LED z maksymalnej na minimalną i tym samym zgasić ją całkowicie.

Projektant systemu określa zmienność i zakres luminancji LED. Na przykład, 14-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy zapewnia 2¹⁴ lub 16384 podziałów. Dla takiego przetwornika z pełnym zakresem pomiarowym na wyjściu 100mA, zgodnie z poniższym równaniem, rozmiar najmniej znaczącego bitu (LSB) wynosi 6,1 mikroamperów (µA).

Gdzie:

IDACx_LSB = aktualny rozmiar LSB kanału x

IDAC_MAX = znamionowy maksymalny prąd kanału

N = liczba bitów przetwornika cyfrowo-analogowego

Przy napięciu zasilania 5,0V sześciokanałowy model AD5770R steruje dwoma szeregami diod LED o prądzie znamionowym 20mA. W tym obwodzie napięcia diod LED przybierają własne poziomy napięcia przewodzenia.

W obwodzie widocznym na ilustracji 4, maksymalny prąd na wyjściu każdego portu wyjściowego (IDAC0-IDAC5) można zmniejszyć aż do 50% wartości nominalnej. Ta elastyczność pozwala projektantowi lepiej dopasować prądy wzbudzenia diod LED. Działanie to zmniejsza również rząd wielkości prądu LSB.

Spójrzmy ponownie na ilustrację 4: maksymalny prąd IDAC2 wynosi 55mA, a maksymalny prąd IDAC5 wynosi 45mA (według karty charakterystyki). Jeżeli diody LED w ciągu IDAC2 są czerwone, napięcie znamionowe na wtyku IDAC2 wynosi 1,9V x 2 czyli 3,8V, a rozmiar LSB przetwornika wynosi 3,4mA.

W celu dalszej poprawy dokładności układu, projektant może zastąpić generator wbudowany w układ przetwornika cyfrowo-analogowego zewnętrznym układem odniesienia lub dodatkowym, precyzyjnym rezystorem.

Układ AD5770R posiada również wbudowaną multipleksowaną funkcję diagnostyczną, która pozwala projektantowi na monitorowanie zgodności napięcia na wyjściu, prądów na wyjściu i temperatury matrycy wewnętrznej, a wszystko to przy użyciu zewnętrznego przetwornika ADC.

Przetwornik cyfrowo-analogowy AD5770R z wyjściem prądowym steruje ciągami dwóch diod LED dzięki programowalnemu źródłu prądowemu o niskich szumach elektrycznych o widmowych gęstościach szumu na wyjściach IDAC2 i IDAC5 wynoszących odpowiednio 19nA/√Hz oraz 6nA/√Hz.

Podsumowanie

Dzięki wytrzymałości mechanicznej, długiej żywotności, niskiemu zużyciu energii, szybkiemu przełączaniu i niewielkim rozmiarom, diody LED mają wiele zalet w porównaniu z innymi technologiami oświetleniowymi. Jednakże, pomimo szerokiego zastosowania diod LED, precyzyjne i skuteczne sterowanie ich luminancją wyjściową nadal stanowi wyzwanie.

Jak pokazano powyżej, precyzyjne sterowanie luminancją diod LED można osiągnąć za pomocą precyzyjnego mikrokontrolera ADuCM320BBCZ, 14-bitowego, programowalnego, niezwykle precyzyjnego przetwornika cyfrowo-analogowego AD5770 z wyjściem prądowym oraz wzmacniacza operacyjnego ADA4625-1 JFET w układzie wzmacniacza TIA. Taki układ może pomóc projektantom spełnić wymagania dotyczące precyzji luminancji diod LED z zachowaniem pełnej zdolności diagnostycznej do monitorowania wszystkich prądów sterowników LED, a także zapewnić sterowanie ściemnianiem diod.