Controlul precis al iluminării cu LED-uri utilizând un DAC cu ieșire în curent și un amplificator transimpedanță (TIA)

6 APRILIE 2020

Dioda emițătoare de lumină (LED) este populară datorită robusteții sale fizice, duratei îndelungate de viață, randamentului ridicat, capacității de comutare rapidă și a dimensiunilor mici. LED-urile emit mai mulți lumeni per watt decât becurile incandescente, iar randamentul lor nu este afectat de dimensiunea și forma lor. Cu toate acestea, în ciuda utilizării pe scară largă și a suportului tehnologic, este încă o provocare să controlăm cu exactitate luminozitatea unui LED.

Motivele sunt multe și au legătură cu lungimea de undă a fiecărui LED, dar un control precis al iluminării poate fi totuși realizat folosind componente potrivite și o abordare corectă a proiectului.

Acest articol discută pe scurt problemele asociate cu obținerea unei iluminări constante a LED-ului. Ulterior, se arată cum se pot utiliza împreună un convertor digital-analogic (DAC) cu ieșire în curent pe 14-biți, un amplificator operațional și un microcontroler analogic de precizie pentru controlul iluminării. Pentru aceste exemple vor fi utilizate componente de la Analog Devices.

Matrice de LED-uri / aplicații

Figura 1: Utilizând un curent de polarizare directă de 20 mA, sunt prezentate diferite culori ale LED-urilor la diferite tensiuni de polarizare directă. (Sursa imaginii: Digi-Key Electronics)

Un semiconductor LED reprezintă o sursă de lumină care apare datorită unui flux de curent ce parcurge drumul de la anod la catod. Electronii semiconductorului se recombină cu golurile și eliberează energie sub formă de fotoni. Energia necesară pentru ca electronii să traverseze zona de trecere a semiconductorului determină culoarea luminii LED.

Comportamentul electric al LED-ului este similar cu cel al unei diode standard. La fel ca în cazul diodei, este important să nu supraîncărcăm semiconductorul în regim de polarizare directă. O diodă supraîncărcată se supraîncălzește și, în cel mai rău caz, va deveni un circuit deschis. Când LED-ul este alimentat în regim de polarizare directă, un curent curge prin semiconductor, generând o lumină și o cădere de tensiune de la anod la catod (figura 1).

În figura 1, tensiunea de polarizare directă a unui LED variază în funcție de culoare (R = roșu; O = portocaliu; G = verde; Y = galben; B = albastru; W = alb). De obicei, LED-ul este alimentat la o sursă de curent de 20 mA pentru a măsura și specifica valoarea tensiunii directe. Este tentant să alimentați LED-urile de la o sursă de tensiune, dar este greu de controlat precis acest tip de sursă, ceea ce poate să însemne riscul unei supraalimentări a semiconductorului, provocând supraîncălzirea și defectarea prematură.

Configurații LED (Paralel versus Serie)

Figura 2: Cele trei configurații de amplasare a LED-urilor sunt paralel (A), serie (B) și o combinație între paralel și serie (C). (Sursa imaginii: Digi-Key Electronics)

Cele mai populare trei configurații LED sunt paralel, serie sau o combinație între cele două. În cele mai multe cazuri este recomandat ca LED-urile să fie alimentate de la o sursă de tensiune printr-un rezistor pentru a controla amplitudinea curentului (figura 2).

Ramurile electrice paralele ale LED-urilor (A) trebuie să aibă toate aceleași specificații ale tensiunii directe și, prin urmare, aceeași culoare LED (vedeți din nou figura 1). Chiar și în această configurație, LED-urile nu vor partaja curentul în mod uniform datorită toleranței lor de fabricație. În această configurație, e posibil ca unul sau mai multe LED-uri să consume mai mult curent. Strălucirea LED-urilor diferă din cauza valorilor diferite ale curentului direct; (intensitatea iluminării) – un factor ce poate determina iluminarea inconsecventă a LED-urilor.

În configurația paralelă (A), valoarea RLED depinde de o tensiune de alimentare predeterminată (VLED), de tensiunea nominală directă a LED-urilor și de numărul LED-urilor paralele, fiecare consumând aproximativ 20 mA. De exemplu, RLED este egal cu 10Ω, pentru zece LED-uri albe paralele (tensiune directă ~ 3.0 volți @ 20 mA) și VLED de 5 volți. Valoarea de 10 Ω pentru RLED este calculată folosind ecuația 1:

 

 

Unde VLED = tensiunea de alimentare, conform figurii 2. N = numărul de LED-uri = 10; I1 = 20 mA (Notă: ILED = I1*N),
RLED = Rezistorul de limitare a intensității curentului prin LED; VX = tensiunea directă pe LED la 20 mA

În configurația serie (B), fiecare LED primește aceeași cantitate de curent cu tensiuni directe diferite. Pe de altă parte, este posibil să apară aici unele LED-uri colorate diferit. În această formație, tensiunea de alimentare este egală cu suma tensiunilor nominale de pe fiecare LED, plus căderea de tensiune de pe rezistorul RLED. De exemplu, dacă există zece LED-uri roșii înseriate (tensiune directă ~ 1.9 volți) și o rezistență de 330 Ω prin care trece un curent de 20 mA, tensiunea de alimentare a sistemului (VLED) este de ~ 25.6 volți. În această configurație, un LED defect (sau deschis) produce întreruperea alimentării pe întreaga ramură electrică.

Combinația serie-paralel a LED-urilor (C) furnizează tot ce este mai bun din ambele topologii. În această configurație, există mai puține LED-uri înseriate. Acest lucru reduce valoarea VLED. De asemenea, există mai puține LED-uri în paralel astfel încât se diminuează riscul creșterii consumului de curent. Ca beneficiu suplimentar al acestei configurații, în locul sursei tradiționale statice de tensiune, ar putea fi folosită – ca o sursă de alimentare economică – o ieșire în curent programabilă de la un convertor digital/analog (DAC).

Opțiuni de programare pentru controlul unui LED

În figura 2, pentru configurațiile paralel (A), serie (B) și combinația serie-paralel (C), ‘mecanismul’ de comandă a LED-urilor are o rezistență înseriată, RLED și o sursă de tensiune, VLED. În aceste trei configurații, micșorarea curentului direct – prin reducerea tensiunii VLED sau creșterea rezistenței RLED – va reduce luminozitatea LED-urilor. O ieșire în tensiune a unui DAC poate asigura variația tensiunii VLED; dar cu toate acestea, valorile mari ale intensităților curenților pot prezenta o problemă. Un convertor DAC cu ieșire în tensiune nu este, de obicei, în măsură să livreze valoarea dorită a curentului pentru LED-uri, de aceea, este nevoie, de cele mai multe ori, să se utilizeze un amplificator de putere (amplificator operațional).

Un potențiometru manual, sau și mai bine, un potențiometru digital, pot înlocui rezistorul RLED, cu unele constrângeri legate de disiparea puterii, cum ar fi modul de a gestiona un curent mare care apare atunci când potențiometrul se apropie de valoarea de zero ohmi a rezistenței.

Pentru a evita complexitatea și problemele asociate cu DAC-urile de tensiune și cu potențiometrele, cea mai elegantă abordare de proiectare este utilizarea unui convertor DAC cu ieșire în curent.

Figura 3: Un DAC cu ieșire programabilă în curent realizează controlul curentului direct al LED-urilor, iar un TIA asigură controlul nivelului de iluminare. (Sursa imaginii: Digi-Key Electronics)

Un DAC cu ieșire în curent furnizează un curent programabil pentru LED. Specificațiile importante pentru acest DAC sunt capacitatea de a furniza 20 mA per LED și un grad ridicat al rezoluției curentului respectiv. Cu ajutorul unui amplificator transimpedanță (TIA) se poate realiza controlul în curent pentru a regla iluminarea dorită (figura 3).

În figura 3, cele două LED-uri urmăresc nivelul tensiunii lor directe conform curentului lor de excitație de 20 mA. Pentru a finaliza sistemul LED din figura 3, o fotodiodă (PD) amplasată la finalul unui amplificator TIA detectează iluminarea LED-ului. Pentru acest sistem, cerințele amplificatorului sunt curenți mici de polarizare, pentru a evita ‚competiția’ din partea curentului prin fotodiodă (IPD) și un decalaj (offset) redus al tensiunii de intrare pentru a menține o cădere de tensiune minimă pe fotodiodă (PD).

Implementarea unui controler programabil pentru controlul iluminării LED

Implementarea unui sistem programabil pentru controlul iluminării LED necesită un microcontroler analogic de precizie, cum ar fi ADuCM320BBCZ de la Analog Devices, un DAC cu ieșire în curent AD5770RBCBZ-RL7 și un amplificator operațional ADA4625-1ARDZ-R7, tot de la Analog Devices.

Microcontrolerul:

  • Reglează valoarea curentului de ieșire al convertorului DAC pe 14-biți
  • Citește tensiunea de ieșire din TIA cu ajutorul unui convertor analog-digital (ADC) pe 14-biți (integrat în microcontroler)
  • Efectuează calculele necesare pentru controlul iluminării

Figura 4: Acest sistem de precizie asigură curenți programabili prin LED-uri, pentru controlul iluminării. (Sursa imaginii: Digi-Key Electronics, realizată cu ajutorul software-ului online Photodiode Circuit Design Wizard de la Analog Devices)

Convertorul DAC programabil asigură valoarea exactă a curenților de ieșire pentru LED-uri, în timp ce amplificatorul operațional (configurat ca amplificator transimpedanță – TIA) măsoară intensitatea luminoasă a LED-urilor cu ajutorul fotodiodei. Ulterior, TIA trimite o tensiune de ieșire (VOUT) către intrarea ADC a microcontrolerului (figura 4).

Amplitudinea curentului se află sub controlul sistemului cu ajutorul reglajului TIA în bucla de reacție. Amplificatorul operațional ADA4625-1 are un curent de polarizare de intrare de 15 pA (conform fișei tehnice) și o tensiune de offset de 15 microvolți (µV), oferind o gamă dinamică TIA largă. Această gamă dinamică oferă un grad ridicat de flexibilitate a iluminării cu posibilitatea de a schimba intensitatea LED-ului de la o valoare maximă de iluminare până la o stare complet întunecată.

Proiectantul sistemului determină variația și domeniul de iluminare a LED-ului. De exemplu, un convertor DAC pe 14-biți furnizează 214 sau 16,384 de diviziuni. Pentru acest tip de convertor, cu un domeniu de reglaj a intensității curentului de la 0 la 100 mA, valoarea care corespunde celui mai puțin semnificativ bit (LSB) este de 6.1 microamperi (µA), dată de ecuația:

 

 

Unde:

IDACXLSB = valoarea intensității curentului care corespunde celui mai puțin semnificativ bit (LSB) pentru canalul x;
IDACMAX = curentul maxim per canal; N = numărul de biți ai convertorului DAC

Cu o tensiune de alimentare de 5 volți, circuitul cu șase canale AD5770R comandă cele două circuite, cu LED-uri înseriate, cu un curent nominal de 20 mA. În acest circuit, tensiunile LED-urilor urmăresc propriul lor nivel al tensiunii directe.

În circuitul prezentat în figura 4, curentul maxim pentru fiecare canal de ieșire (IDAC0-IDAC5) poate fi diminuat până la 50% din valoarea nominală. Această flexibilitate permite proiectantului să regleze mai bine curenții de excitație ai LED-urilor. Această acțiune reduce, de asemenea, amplitudinea curentului care corespunde lui LSB.

Tot în figura 4, pentru ieșirea IDAC2 curentul maxim este de 55 mA, iar pentru ieșirea IDAC5 curentul maxim este de 45 mA (din fișa tehnică). Dacă LED-urile înseriate de pe ieșirea IDAC2 sunt LED-uri roșii, tensiunea nominală la pinul IDAC2 este de 1.9 volți × 2 sau 3.8 volți, iar valoarea intensității curentului pentru cel mai puțin semnificativ bit al DAC-ului este de 3.4 mA.

Pentru a îmbunătăți și mai mult acuratețea sistemului, proiectantul poate înlocui generatorul de referință de pe cip al DAC-ului, cu o referință externă sau o rezistență suplimentară de precizie.

Totodată, convertorul AD5770R dispune de o funcție de diagnoză multiplexată pe cip, care permite proiectantului să monitorizeze conformitatea tensiunii de ieșire, curenții de ieșire și temperatura internă a capsulei, toate cu ajutorul unui convertor ADC extern.

Ieșirea în curent a convertorului analog/digital AD5770R comandă ramurile formate din câte două LED-uri cu ajutorul unei surse programabile de curent de zgomot redus, cu o densitate spectrală a ieșirilor IDAC2 și IDAC5 de 19 nA/√Hz și respectiv 6 nA/√Hz.

Concluzie

Datorită robusteții lor fizice, duratei îndelungate de viață, consumului redus de energie, comutării rapide și a gabaritului mic, LED-urile au multe avantaje față de alte tehnologii de iluminare. Cu toate acestea, în ciuda utilizării pe scară largă a LED-urilor, este încă dificil controlul precis și eficient a intensității luminoase.

După cum a fost prezentat, controlul precis al iluminării LED-urilor poate fi obținut utilizând un microcontroler ADUCM320BBCZ de precizie, un AD5770 pe 14-biți, programabil, care include un DAC cu ieșire în curent de înaltă precizie și un amplificator operațional ADA4625-1 JFET într-o configurație TIA. Această combinație poate ajuta proiectanții să îndeplinească cerințe de iluminare LED de precizie, cu capabilități de diagnosticare completă, pentru a monitoriza toți curenții de comandă prin LED-uri, precum și pentru a asigura un control al reglajului intensității.

Autor: Rich Miron – Inginer de aplicații

Rich Miron, Inginer de aplicații la Digi-Key Electronics, face parte din grupul de autori care crează articole tehnice (Technical Content Group) din 2007, având res­ponsabilitatea principală de a scrie și edita articole, bloguri și module de instruire pentru cunoașterea produselor.
Înainte de Digi-Key, el a testat și calificat sisteme de control și instrumentare pentru submarine nucleare. Rich deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Stat din North Dakota din Fargo, ND.

Digi-Key Electronics   |    https://www.digikey.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre