Ohjaa LEDien luminanssia tarkasti käyttämällä transimpedanssivahvistinta ja DACia virtalähdöllä

Valodiodeja (LED) suositaan niiden fyysisen kestävyyden, pitkän kestoiän, hyötysuhteen, nopean kytkentäkyvyn ja pienen koon vuoksi. LEDit tuottavat enemmän valotehoa wattia kohti kuin hehkulamput, eikä niiden koko tai muoto vaikuta hyötysuhteeseen. Mutta vaikka LEDit ovat laajasti käytössä ja niitä tukevaa teknologiaa on paljon, niiden luminanssin ohjaus on edelleen haasteellista.

Syyt tähän ovat moninaisia ja liittyvät LEDin eri aallonpituuksien fysiikkaan. Tarkka luminanssin ohjaus on kuitenkin mahdollista, kun käytetään oikeita komponentteja ja sopivaa lähestymistapaa suunnitteluun.

Tässä artikkelissa kerrotaan lyhyesti ongelmista, joita liittyy tasaisen LED-luminanssin saavuttamiseen. Sen jälkeen esitetään, miten 14-bittisen virtalähtöä käyttävän digitaali-analogimuuntimen (DAC), operaatiovahvistimen ja tarkan analogisen mikrokontrollerin yhdistelmällä voidaan saavuttaa tarkka LEDin luminanssin ohjaus. Esimerkkinä käytetään Analog Devicesin komponentteja.

LED-ryhmät ja -sovellukset

LED-puolijohde on valonlähde, joka säteilee valoa sähkön virratessa anodista katodiin. Puolijohteen elektronit rekombinoituvat elektroniaukkoihin ja vapauttavat energiaa fotonimuodossa. LED-valon värin määrittää se, paljonko energiaa elektroneilta vaaditaan, jotta ne voivat ylittää puolijohteen energiaraon.

LED toimii sähköisesti perinteisen diodin tapaan. Kuten normaalinkin diodin kanssa, on tärkeää, ettei myötäsuuntainen virta kasva liian suureksi. Virran kasvaessa diodi kuumenee ja voi pahimmassa tapauksessa katkaista virtapiiriin. Kun LED on myötäsuunnassa, virta kulkee laitteen läpi synnyttäen valoa sekä jännitehäviön anodista katodiin (kuva 1). 

Kuva 1: Käytettäessä 20 milliampeerin (mA) myötävirtaa nähdään, että erivärisillä LEDeillä on erilaiset päästöjännitteet. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kuvassa 1 LEDin myötäjännite vaihtelee värin mukaan (R = punainen, O = oranssi, G = vihreä, Y = keltainen, B = sininen, W = valkoinen). Tyypillisesti LEDiä syötetään virralla 20 mA, jotta sen myötäjännitteen arvo voidaan mitata ja määrittää. Olisi houkuttelevaa ohjata LEDiä jännitelähteellä, mutta sen ohjaaminen tarkasti on vaikeaa, ja tällöin seurauksena voi olla virran kasvaminen liian suureksi, mistä seuraa ylikuumeneminen ja ennenaikainen vikaantuminen.

LED-kokoonpanot: rinnakkain vs. sarjassa

Kolme suosituinta LED-konfiguraatiota ovat kytkentä rinnakkain, sarjaan sekä niiden yhdistelmä, mutta useimmissa tapauksissa suositellaan, että LEDiä ohjataan jännitelähteellä sekä vastuksella, joka voi säätää virran suuruutta (kuva 2).

Kuva 2: LEDin kolme ohjauskonfiguraatiota ovat kytkentä rinnakkain (A), sarjaan (B) sekä rinnakkain ja sarjaan kytkennän yhdistelmä (C). (Kuvan lähde: DigiKey)

Rinnakkain kytkettyjen LEDien (A) myötäjännitearvojen tulee olla samat, ja näin ollen myös LEDien värin tulee olla sama (katso kuvaa 1 uudelleen). Tässäkään konfiguraatiossa virta ei jakaudu LEDien kesken tasaisesti, koska niiden myötäjännite vaihtelee valmistustoleranssien vuoksi. Rinnakkaisessa konfiguraatiossa yksi tai useampi LED todennäköisesti vie enemmän virtaa kuin muut. LEDien kirkkaus vaihtelee, koska myötävirta ja sitä kautta luminanssi vaihtelevat – mikä voi tehdä LED-näytöistä epätasaisia.

Rinnakkaisessa konfiguraatiossa (A) arvo R_LED riippuu ennalta määritetystä syöttöjännitteestä (V_LED), LEDien myötäjännitteen nimellisarvosta sekä rinnakkain asetettujen LEDien määrästä. Jokainen niistä kuluttaa noin 20 mA. R_LED on 10 Ω, kun käytössä on kymmenen rinnakkaista valkoista LED-valoa (myötäjännite n. 3,0 volttia, 20 mA) ja V_LED on 5 volttia. Arvo R_LED 10 Ω lasketaan yhtälöllä 1:

 Yhtälö 1

Missä V_LED = syöttöjännite kuvan 2 mukaisesti

N = LEDien määrä = 10

I₁ = 20 mA (Huomaa: I_LED = I₁*N)

R_LED = LEDin biasvastus

V_X = LEDin nimellinen jännitehäviö virralla 20 mA

Sarjakonfiguraatiossa (B) jokainen LED saa saman virtamäärän, mutta myötäjännite vaihtelee. Tällaisessa sarjakokoonpanossa on mahdollista käyttää monia erivärisiä LEDejä. Tässä järjestelyssä syöttöjännite on kunkin LEDin nimellisjännite sekä R_LED-vastuksen aiheuttama jännitehäviö. Jos sarjassa on esimerkiksi kymmenen punaista LEDiä (myötäjännite n. 1,9 V) ja sähkövirta 20 mA kulkee 330 Ω vastuksen läpi, järjestelmän syöttöjännite (V_LED) on noin 25,6 volttia. Tässä kokoonpanossa viallinen tai avoin LED aiheuttaa koko ketjun vikaantumisen.

Rinnakkain ja sarjaan kytkettyjen LEDien yhdistelmä (C) tarjoaa parhaat puolet molemmista. Tässä konfiguraatiossa sarjaan kytketyissä ketjuissa on vähemmän LEDejä. Näin V_LED on alempi. Rinnakkain on myös vähemmän LEDejä, jolloin on vähemmän todennäköistä, että jokin niistä kuluttaa muita paljon enemmän virtaa. Lisäetuna tämä konfiguraatio tarkoittaa, että perinteisen staattisen jännitelähdön sijaan herätteenä voidaan käyttää edullista ohjelmoitavaa DACia virtalähdöllä.

Ohjelmoitavan LEDin ohjausvaihtoehdot

Kuvassa 2 rinnakkain (A), sarjaan (B) ja yhdistelmänä (C) kytketyissä konfiguraatioissa käytetään sarjaan kytkettyä vastusta R_LED ja jännitelähdettä V_LED. Näissä kolmessa konfiguraatiossa myötävirran laskeminen – jolloin V_LED alenee tai R_LED kasvaa – himmentää LEDit. Jännitelähtöä käyttävä DAC voi syöttää ohjelmoitavat jännitteet V_LED, mutta tarvittavat korkeat virtamäärät voivat muodostua ongelmaksi. Jännitelähtöä käyttävä DAC ei useinkaan pysty syöttämään LEDien vaatimaa korkeaa virtamäärää, jolloin tarvitaan tehovahvistin (operaatiovahvistin).

R_LED voidaan korvata manuaalisella tai mieluiten digitaalisella potentiometrilla, mutta tähän liittyy rajoitteita tehohäviön suhteen, kuten silloin kun virta kasvaa suureksi potentiometrin arvon lähestyessä nollaa.

Jotta vältetään jännitelähtöä käyttävien DACien ja potentiometrien ongelmat ja niistä johtuva monimutkaisuus, paras vaihtoehto on käyttää niiden sijaan DACia virtalähdöllä.

Virtalähtöä käyttävä DAC syöttää LEDille ohjelmoitavan jännitteen. Tämän sovelluksen kannalta DACin tärkeimmät ominaisuudet ovat vähintään 20 mA:n virta LEDiä kohden sekä erittäin tarkka sähkövirta. Virran ohjelmoitavuutta voidaan käyttää säätämään haluttu luminanssi käyttäen apuna transimpedanssivahvistinta (TIA) (kuva 3).

Kuva 3: Ohjelmoitava DAC virtalähdöllä tarjoaa suoran LEDien myötävirran ohjauksen ja TIA tarjoaa luminanssin tasosäädön. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kuvassa 3 kaksi LEDiä etsii myötäjännitetasonsa herätysvirralla 20 mA. Kuvan 3 LED-järjestelmän viimeistelee TIA:n etuasteessa oleva valodiodi (PD), joka mittaa LEDien luminanssin. Tässä järjestelmässä vahvistimelta vaaditaan matala tulon biasvirta, jotta se ei kilpaile valodiodin virran (I_PD) kanssa, ja matala tulon erojännite, jotta häviö PD:n yli jää mahdollisimman pieneksi.

Ohjelmoitavan LEDien luminanssiohjaimen toteutus

Ohjelmoitavan LEDien luminanssiohjaimen toteutukseen vaaditaan tarkka analoginen mikrokontrolleri, kuten Analog Devices ADuCM320BBCZ, sekä virtaa tuottava DAC AD5770RBCBZ-RL7 ja operaatiovahvistin ADA4625-1ARDZ-R7, jotka ovat myös Analog Devicesin tuotteita.

Mikrokontrolleri

• ohjaa 14-bittisen DACin lähtövirtaa
• vastaanottaa TIA:n lähtöjännitteen sisäiseen 14-bittiseen analogi-digitaalimuuntimeen (ADC)
• suorittaa luminanssin ohjaamiseen vaadittavat laskutoimitukset.

Ohjelmoitava DAC syöttää LEDeille tarkat lähtövirrat, kun taas TIA:ksi määritetty operaatiovahvistin vastaanottaa analogisen LEDien luminanssiarvon valodiodin kautta. TIA lähettää sitten lähtöjännitteen (V_OUT) mikrokontrollerin ADC-tuloon (kuva 4).

Kuva 4: Tämä tarkkuusjärjestelmä syöttää LEDeille halutun virran, jolla luminanssia voidaan säätää. (Kuvan lähde: DigiKey, luotu käyttäen Analog Devicesin verkossa toimivaa Photodiode Circuit Design Wizard -ohjelmistoa)

Virran suuruutta voidaan ohjata järjestelmällä, kun takaisinsyöttösilmukkaan kuuluu TIA. ADA4625-1-operaatiovahvistimessa on 15 picoampeerin (pA) tulon biasvirta (tietosivun mukaan) ja 15 mikrovoltin (µV) siirtojännite, mikä antaa TIA:lle laajan dynamiikka-alueen. Tämä dynamiikka-alue antaa paljon joustavuutta luminanssin säätöön, sillä LED voidaan säätää enimmäisintensiteetistään aina täysin pimeäksi asti.

Järjestelmän suunnittelija määrittää LEDin luminanssin vaihtelun ja alueen. Esimerkiksi 14-bittinen DAC tuottaa 2¹⁴ eli 16 384 eri arvoa. Tämän DACin täysi lähtövirta on 100 mA, joten vähiten merkitsevän bitin (LSB) koko on 6,1 mikroampeeria (µA) seuraavan yhtälön mukaisesti:

Missä

IDACx_LSB = kanavan x nykyinen LSB:n koko

IDAC_MAX = kanavan nimellinen enimmäisvirta

N = DACin bittien määrä

Kun syöttöjännite on 5,0 volttia, kuusikanavainen AD5770R ohjaa kahta sarjassa olevaa LEDiä nimellisvirralla 20 mA. Tässä virtapiirissä LEDit etsivät oman myötäjännitetasonsa.

Kuvan 4 mukaisessa virtapiirissä kunkin lähdön (IDAC0-IDAC5) suurinta lähtövirtaa voidaan säätää alaspäin 50 prosenttiin nimellisarvosta. Tämän joustavuuden ansiosta suunnittelija voi sovittaa LEDin herätevirrat paremmin. Tämä toimenpide vähentää myös LSB-virran suuruutta.

Edelleen kuvassa 4 IDAC2:n virran enimmäisarvo on 55 mA ja IDAC5:n enimmäisvirta on 45 mA (tietosivun mukaan). Jos IDAC2-ketjussa on punaisia LEDejä, IDAC2-nastan nimellisjännite on 1,9 V × 2, eli 3,8 V, ja DACin LSB:n koko on 3,4 mA.

Parantaakseen järjestelmän tarkkuutta suunnittelija voi korvata DACin sisäisen referenssigeneraattorin ulkoisella referenssillä tai tarkkuusvastuksella.

AD5770R:ssä on myös multipleksattu piirin sisäinen diagnostiikkatoiminto, jolla suunnittelija voi ulkoisen DACin avulla tarkkailla lähdön jännitettä, lähtövirtoja ja piirin sisäistä lämpötilaa. 

DAC AD5770R virtalähdöllä ohjaa kahden LEDin ketjuja alhaisen kohinan ohjelmoitavalla jännitelähteellä, jossa lähdön kohinan spektritiheys on IDAC2:ssa 19 nA/√Hz ja IDAC5:ssä 6 nA/√Hz.

Yhteenveto

Fyysisesti kestävät, käyttöiältään pitkät, vähän energiaa kuluttavat, nopeasti kytkeytyvät ja pienikokoiset LEDit tarjoavat monia etuja muihin valaistusteknologioihin nähden. Vaikka LEDit ovat laajasti käytössä, niiden tuottaman luminanssin tarkka ja tehokas ohjaus on edelleen haastavaa.

Kuten artikkelissa osoitetaan, LEDien luminanssia voidaan ohjata yhdistämällä tarkka ADuCM320BBCZ-mikrokontrolleri, ohjelmoitava tarkkuudeltaan korkea 14-bittinen virtalähtöä käyttävä AD5770-DAC sekä ADA4625-1 JFET-operaatiovahvistin, jota käytetään TIA-konfiguraatiossa. Tämän yhdistelmän avulla suunnittelijat voivat saavuttaa tarkat LEDien luminanssivaatimukset ja saada käyttöönsä diagnostiikkaominaisuudet, joilla LEDien ohjausvirtoja voidaan tarkkailla. Myös himmentäminen on mahdollista.