Styr LED-intensiteten exakt, med en transimpedansförstärkare och en DA-omvandlare med strömutgång

Robusthet, lång livslängd, hög verkningsgrad, snabb switchning och liten storlek har gjort LED:arna populära. LED-lampor avger fler lumen per watt än konventionella glödlampor, och LED-lampans verkningsgrad beror inte på lampans storlek eller form. Men trots att de är så vanliga och har tekniskt stöd, är det fortfarande en utmaning att styra LED-lampans ljusintensitet exakt.

Det finns många orsaker till det, och de har främst att göra med LED-ljusets våglängd. Men det går att uppnå exakt styrning av ljusstyrkan, om man använder rätt komponenter och systemdesign.

Den här artikeln handlar om svårigheterna med att uppnå konsekvent ljusintensitet för LED:ar. Vi visar hur en programmerbar 14-bitars strömutmatande digital-till-analogomvandlare (hädanefter ”DA-omvandlare”), en operationsförstärkare och en analog microcontroller med hög precision kan användas för att uppnå exakt styrning av LED-intensiteten. I exemplen används komponenter från Analog Devices.

LED-system/-tillämpningar

En LED-halvledare är en ljuskälla som avger ljus med ett strömflöde från anoden till katoden. När halvledarelektronerna placerar sig i sina ”elektronhål” avger de energi i form av fotoner. Den energi som måste tillföras för att elektronerna ska ”vandra över” halvledarens bandgap, avgör vilken färg LED-ljuset har.

LED-diodens elektriska beteende har stora likheter med en vanlig diods. Som med en vanlig diod är det viktigt att inte överbelasta enheten när den är förspänd i framriktningen. En överbelastad diod överhettas och kan i värsta fall bli en öppen krets. När LED-dioden är förspänd i framriktningen flödar en ström genom enheten, så att det skapas ljus och ett spänningsfall mellan anoden och katoden (figur 1).

Figur 1: Med en framåtström på 20 mA har LED:ens färger olika spänningar. (Bildkälla: DigiKey)

I figur 1 varierar LED:ens framåtspänning beroende på färg (R = rött; O = orange; G = grönt; Y = gult; B = blått; W = vitt). LED:en exciteras vanligen från en 20 mA strömkälla, för att mäta och specificera framåtspänningens värde. Det är frestande att driva LED:ar med en spänningskälla, men det kan vara svårt att kontrollera spänningskällor exakt, vilket kan leda till risk för överhettning och diodskador.

Konfigurationer med parallellkopplade och seriekopplade LED:ar

De tre vanligaste LED-konfigurationerna är parallellkopplade system, seriekopplade system eller en kombination av dessa. I de flesta fall rekommenderas dock att LED:arna drivs med en spänningskälla och ett motstånd, för att styra strömmens storlek (figur 2).

Figur 2: De tre konfigurationerna för LED-drivning är parallellt (A), seriellt (B) samt en kombination av parallellt och seriellt (C). (Bildkälla: DigiKey)

Alla LED:ar i parallella system (A) måste ha samma specifikationer för framåtspänning och därmed samma färg (se figur 1 igen). Inte heller i den här konfigurationen blir strömmen genom LED:arna konsekvent, på grund av tillverkningstoleransen för framåtspänningen. I den parallella konfigurationen blir förmodligen någon av LED:arna en ”strömtjuv”. LED:arna har olika intensitet beroende på olika framåtström/luminansintensitet – en faktor som kan orsaka ojämnt belysta LED-displayer.

I den parallella konfigurationen (A) beror värdet R_LED på en förbestämd matningsspänning (V_LED), LED:arnas nominella framåtspänning och antalet parallellt inkopplade LED:ar, som var och en förbrukar ca 20 mA. Till exempel är R_LED lika med 10 W med tio parallellkopplade vita LED:ar (framåtspänning ca 3,0 V vid 20 mA) och 5 V för V_LED. Värdet 10 W för R_LED erhålls i beräkning 1:

Beräkning 1

Där V_LED = matningsspänning, enligt figur 2

N = antal LED:ar = 10

I₁ = 20 mA (obs: I_LED = I₁*N)

R_LED = LED-biasmotstånd

V_X = nominellt spänningsfall, LED 20 mA

I den seriekopplade konfigurationen (B) får varje LED samma strömmängd med olika framåtspänningar. I den seriella konfiguration kan flera färgade LED:ar användas. I ett sådant system är matningsspänningen lika med summan av varje nominell LED-spänning, plus spänningsfallet över motståndet, R_LED. Om t.ex. tio röda LED:ar (framåtspänning ca 1,9 V) är seriekopplade, med 20 mA genom ett motstånd på 330 Ω, blir systemets spänningsmatning (V_LED) ca 25,6 V. En trasig eller öppen LED i den här konfigurationen, får hela slingan att slockna.

En kombination av seriekopplade och parallellkopplade LED:ar (C) ger det bästa av båda världar. I en sådan konfiguration innehåller serieslingan färre LED:ar. Därmed minskar värdet för V_LED. Även parallellslingan innehåller färre LED:ar, vilket minskar risken för strömtjuvar. Ytterligare en fördel med den här konfigurationen är möjligheten att använda en DA-omvandlare med programmerbar utström, vilket ger en ekonomisk exciteringskälla jämfört med en konventionell statisk spänningskälla.

Programmerbara alternativ för LED-styrning

För den parallella (A), seriella (B) och kombinerade (C) konfigurationen i figur 2, innehåller LED-drivmekanismen ett seriellt motstånd, R_LED, och en spänningskälla, V_LED. Om framåtströmmen minskas i de tre olika konfigurationerna, dimras LED:arna, eftersom minskad framåtström innebär lägre V_LED eller högre R_LED. En spänningsutmatande DA-omvandlare kan leverera programmerbara spänningar för V_LED, men de höga strömvärden som krävs kan innebära problem. Spänningsutmatande DA-omvandlare brukar inte klara att leverera de höga strömvärden som krävs för LED:ar, vilket innebär att man ofta tillsätter en operationsförstärkare.

En manuell potentiometer eller, ännu hellre, en digital potentiometer, kan ersätta R_LED, dock med vissa begränsningar, t.ex. avseende hur man ska hantera den höga ström som uppstår när potentiometern närmar sig 0 ohm.

För att undvika de problem och avancerade konfigurationer som kan bli resultatet av att använda potentiometrar och spänningsutmatande DA-omvandlare, kan man använda en strömutmatande DA-omvandlare i stället, vilket ger en elegant lösning.

En strömutmatande DA-omvandlare levererar programmerbar ström till LED:arna. Kritiska specifikationer för en sådan DA-omvandlare är förmåga att leverera 20 mA per LED och hög upplösning för denna ström. Möjligheten att programmera strömmen kan användas för att justera ljusintensiteten med hjälp av en transimpedansförstärkare (TIA) (figur 3).

Figur 3: En DA-omvandlare med programmerbar utström ger direkt kontroll över framåtströmmen till LED:arna, och en transimpedansförstärkare (TIA) ger kontroll över ljusstyrkan. (Bildkälla: DigiKey)

De två LED:arna i figur 3 får sin framåtspänning från exciteringsströmmen på 20 mA. En fotodiod (PD) vid frontänden på en transimpedansförstärkare (TIA) känner av LED-intensiteten. Låga ingångsbiasströmmar för förstärkaren är ett krav i det här systemet, för att undvika ”konkurrens” med fotodiodströmmen (I_PD). Ett annat viktigt krav är låg ingående offsetspänning, för att minimera spänningsfallet över fotodioden PD.

Implementera en programmerbar LED-styrenhet

För att skapa ett programmerbart system för styrning av LED-intensiteten behöver vi en analog microcontroller med hög precision, exempelvis ADuCM320BBCZ från Analog Devices. Vidare behöver vi den strömutmatande DA-omvandlaren AD5770RBCBZ-RL7 och operationsförstärkaren ADA4625-1ARDZ-R7, även dessa från Analog Devices.

Microcontrollern:

• Driver utströmvärdena från 14-bitars DA-omvandlaren
• Tar emot transimpedansförstärkarens utspänning och levererar den till en inbyggd 14-bitars AD-omvandlare (analog-till-digital-omvandlare)
• Utför beräkningar för styrning av ljusintensiteten

Den programmerbara DA-omvandlaren ger korrekt utström för LED:arna. Operationsförstärkaren, konfigurerad som en transimpedansförstärkare, tar emot det analoga LED-intensitetsvärdet via fotodioden. Transimpedansförstärkaren skickar sedan en utspänning (V_OUT) till microcontrollerns AD-omvandlaringång (figur 4).

Figur 4: Det här precisionssystemet ger programmerbar ström till LED:arna, för styrning av ljusintensiteten. (Bildkälla: DigiKey, genererad i online-programvaran Photodiode Circuit Design Wizard från Analog Devices)

Strömmens storlek styrs i systemet, med en transimpedansförstärkare i återkopplingskretsen. Operationsförstärkaren ADA4625-1 har en 15 pA ingångsbiasström (i enlighet med databladet) och en 15 mV offset-spänning, vilket ger ett brett dynamiskt omfång. Det ger en hög luminansflexibilitet, så att det går att ändra LED:en från maximal intensitet till ett helt mörkt tillstånd.

Systemkonstruktören bestämmer variationen och intervallet för LED-intensiteten. Till exempel ger en 14-bitars DA-omvandlare 2¹⁴ eller 16 384 delningar. För denna DA-omvandlare med en fullskalig utmatning på 100 mA, är den minsta signifikanta siffran (LSB) 6,1 mA, i enlighet med följande beräkning:

Där:

IDACx_LSB = strömmens minsta signifikanta siffra för kanal x

IDAC_MAX = nominell, maximal kanalström

N = antal bitar för DA-omvandlare

Den sexkanaliga AD5770R-enheten driver, med en matningsspänning på 5,0 V, två seriellt kopplade LED:ar med en nominell ström på 20 mA. LED-spänningarna i kretsen hittar sin egen framåtspänning.

I kretsen i figur 4 kan den maximala utströmmen på varje utgång (IDAC0-IDAC5) justeras ned till 50 % av det nominella värdet. Sådan flexibilitet ger konstruktören möjlighet att anpassa LED-exciteringsströmmarna. Det minskar också strömstorlekens minsta signifikanta siffra (LSB).

Maximal IDAC2-ström i figur 4 är 55 mA och maximal IDAC5-ström är 45 mA (i enlighet med databladet). Om de röda LED:arna används i IDAC2-slingan är den nominella spänningen vid IDAC2-stiftet 1,9 V x 2, dvs. 3,8 V, och DA-omvandlarens minsta signifikanta siffra är 3,4 mA.

För att förbättra noggrannheten ytterligare kan man ersätta DA-omvandlarens inbyggda referensgenerator med en extern referens eller ett extra precisionsmotstånd.

AD5770R har en multiplexerad diagnostikfunktion som gör det möjligt att övervaka utmatade spänningar, strömmar och den interna kretstemperaturen, allt med en extern AD-omvandlare.

Den strömutmatande DA-omvandlaren AD5770R driver strängarna med två LED:ar och använder en brusreducerad, styrd och programmerbar strömkälla med en brusspektraltäthet på 19 nA/√Hz och 6 nA/√Hz för IDAC2- respektive IDAC5-utmatningarna.

Slutsats

Robusthet, lång livslängd, låg energiförbrukning, snabb switchning och liten storlek är några av fördelarna med LED-lampor, jämfört med konventionell belysningsteknik. Men trots att LED:ar är så vanliga är det fortfarande svårt att styra deras ljusintensitet på ett exakt och effektivt sätt.

I artikeln har vi beskrivit hur LED-intensiteten kan precisionsstyras med hjälp av microcontrollern ADuCM320BBCZ, en 14-bitars programmerbar strömmatande DA-omvandlare (AD5770) med hög precision samt en JFET-operationsförstärkare (ADA4625-1) i en transimpedanskonfiguration. Denna kombination hjälper konstruktörerna att uppfylla kraven för precisionsstyrning av LED-intensiteten och ha full kapacitet för att övervaka alla LED-drivströmmar, samt möjliggör även dimmerfunktionalitet.