Led-luminantie nauwkeurig regelen met een DAC met stroomuitgang en een TIA

De licht-emitterende diode (led) is populair omdat hij fysiek tegen een stootje kan, een lange levensduur heeft, efficiënt is, snel kan schakelen en klein is. Leds stralen meer lumen per watt uit dan gloeilampen en de efficiëntie ervan wordt niet beïnvloed door de grootte of de vorm ervan. Maar hoewel ze erg veel worden gebruikt en ze goed worden ondersteund, is het nauwkeurig regelen van de luminantie ervan nog steeds een uitdaging.

Daar zijn veel redenen voor, waarvan er veel afkomstig zijn van de fysieke eigenschappen van de golflengte van elke led, maar met de juiste onderdelen en de juiste aanpak kan de luminantie nog altijd goed worden geregeld.

In dit artikel wordt kort beschreven wat erbij komt kijken om een consistente led-luminantie te krijgen. Vervolgens laten we zien hoe een programmeerbare 14-bits digitaal-analoog converter (DAC) met stroomuitgang, een opamp en een nauwkeurige analoge microcontroller kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige luminantieregeling van leds. Als voorbeeld worden onderdelen van Analog Devices gebruikt.

Led-strips/toepassingen

Een led-halfgeleider is een lichtbron die licht uitstraalt als er een stroom van de anode naar de kathode stroomt. De elektronen in de halfgeleider worden met gaten gerecombineerd en geven energie in de vorm van fotonen af. De energie die nodig is om elektronen op een ander energieniveau in de halfgeleider te brengen, bepaalt de kleur van het door de led uitgestraalde licht.

Het elektrische gedrag van een led is gelijk aan dat van een normale diode. Net zoals bij een normale diode is het belangrijk het apparaat in de geleidingsmodus niet te zwaar te belasten. Een overbelaste diode wordt te heet en kan in extreme gevallen een geleider worden. Als de led in geleidingsmodus is, dan vloeit er een stroom door, waardoor licht wordt gegenereerd en er een spanningsval van anode naar kathode ontstaat (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Bij een stroom van 20 milliampère (mA) blijken verschillende doorlaatspanningen verschillende kleuren te veroorzaken. (Afbeelding: DigiKey)

In Afbeelding 1 is te zien dat de doorlaatspanning over de led de kleur bepaalt (R = rood, O = oranje, G = groen, Y = geel, B = blauw, W = wit). De led wordt meestal met een stroom van 20 mA aangestuurd om de doorlaatspanning te meten en te specificeren. Het is verleidelijk de led met een spanningsbron aan te sturen, maar een spanningsbron is moeilijk nauwkeurig te regelen, met de kans op overbelasting van de led en oververhitting en voortijdig defect raken als gevolg.

Leds parallelle en in serie schakelen

De drie populairste led-configuraties zijn parallel, serie of een combinatie hiervan. In de meeste gevallen wordt echter aangeraden de leds met een spanningsbron en weerstand aan te sturen om de stroomsterkte te regelen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De drie led-configuraties: parallel (A), serie (B) en een combinatie van parallel en serie (C). (Afbeelding: DigiKey)

Parallel geschakelde leds (A) moeten allemaal dezelfde specificatie voor doorlaatspanning hebben en dus dezelfde kleur uitstralen (zie Afbeelding 1). Zelfs in deze configuratie vloeit er, vanwege fabricagetoleranties in de doorlaatspanning, geen identieke stroom door alle leds. In deze parallelschakeling is het waarschijnlijk dat een of meerdere leds stroom vreten. De helderheid van de leds verschilt vanwege de intensiteit van de stroom/luminantie, een factor waardoor led-displays ongelijk kunnen oplichten.

In de parallelle configuratie (A), hangt de waarde van R_LED af van een vooraf bepaalde voedingsspanning (V_LED), de nominale doorlaatspanning van de leds en het aantal parallelle leds, die elk ca. 20 mA opnemen. R_LED is bijvoorbeeld 10 Ω, bij tien parallelle witte leds (doorlaatspanning ca. 3,0 volt bij 20 mA) en bij V_LED gelijk aan 5 volt. De waarde van 10 Ω voor R_LED wordt berekend volgens Vergelijking 1:

 Vergelijking 1

met V_LED = voedingsspanning volgens Afbeelding 2

N = aantal leds = 10

I₁ = 20 mA (opmerking: I_LED = I₁*N)

R_LED = led-voorschakelweerstand

V_X = nominale spanningsval bij 20 mA

In de serieschakeling (B) vloeit door elke led dezelfde stroom bij verschillende doorlaatspanningen. In deze serieschakeling kunnen leds van verschillende kleur voorkomen. In deze schakeling is de voedingspanning gelijk aan de som van de nominale doorlaatspanningen per led plus de spanningsval over de weerstand R_LED. Als er bijvoorbeeld tien rode leds (doorlaatspanning ca. 1,9 volt) in deze serie met 20 mA via een weerstand van 330 Ω zijn geschakeld, dan is de voedingsspanning (V_LED) ca. 25,6 volt. Als er in deze configuratie één led defect raakt of geen verbinding maakt, dan valt de hele serie uit.

De combinatie van parallel en in serie geschakelde leds (C) biedt het beste van beide werelden. In deze configuratie zijn er minder leds in serie geschakeld. Hierdoor verkleint de waarde van V_LED. Er zijn ook minder leds parallel geschakeld, waardoor er minder kans is op stroomvreters. Deze configuratie heeft als extra voordeel, dat er een programmeerbare DAC met stroomuitvoer kan worden gebruikt als een economische manier van aansturen, in plaats van de traditionele spanningbron.

Opties voor programmeerbare led-regeling

In Afbeelding 2 bestaat het voedingsmechanisme voor de leds in een parallelle (A), seriële (B) of gecombineerde seriële/parallelle (C) schakeling uit een serieweerstand R_LED en een spanningsbron V_LED. In deze drie configuraties betekent het verlagen van de doorlaatstroom, d.w.z. een verlaging van V_LED of een verhoging van R_LED, dat de leds worden gedimd. Een DAC met spanningsuitgang kan de programmeerbare spanningen voor V_LED leveren, maar de benodigde hoge stroomsterktes kunnen een probleem vormen. Een DAC met spanningsuitgang kan vaak niet de voor de leds benodigde hoge stroomsterktes leveren, en dan moet vaak een vermogensversterker (opamp) worden gebruikt.

Een met de hand bediende potentiometer, of liever een digitale potentiometer, kan R_LED vervangen, binnen bepaalde beperkingen voor vermogensopname, zoals hoe om te gaan met de hoge stroomsterkte als de potentiometer in de buurt van nul ohm komt.

De meest elegante aanpak is een DAC met stroomuitgang te gebruiken en zo de problemen en complexiteit van een DAC met spanningsuitgang en potentiometer te voorkomen.

Een DAC met stroomuitgang levert een programmeerbare stroomsterkte naar de led. De kritieke specificatie voor zo'n DAC is de mogelijkheid om per led een uitgangsstroom van 20 mA te leveren met een hoge resolutie. Het programmeren van de stroomsterkte kan worden gebruikt om de gewenste luminantie in te stellen met behulp van een transimpedantieversterker (TIA) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een programmeerbare DAC met stroomuitgang regelt rechtstreeks de led-doorlaatstroom, terwijl een TIA het luminantieniveau regelt. (Afbeelding: DigiKey)

In Afbeelding 3 krijgen de twee leds hun doorlaatspanning uit de aanstuurstroom van 20 mA. Een fotodiode aan de ingang van een TIA meet de luminantie van de led en completeert zo het led-systeem (Afbeelding 3). De eisen, die voor dit systeem aan de versterker worden gesteld, zijn lage instelstromen aan de ingang om competitie met de stroom uit de fotodiode (I_PD) te voorkomen en een lage offset-spanning om de spanningsval over de fotodiode zo klein mogelijk te houden.

Implementatie van een programmeerbare led-luminantieregelaar

Voor de implementatie van een programmeerbare led-luminantieregeling is een nauwkeurige analoge microcontroller nodig, zoals de ADuCM320BBCZ van Analog Devices, plus een AD5770RBCBZ-RL7 DAC met stroomuitgang en een ADA4625-1ARDZ-R7 opamp, beide eveneens van Analog Devices.

De microcontroller:

• Stuurt de uitgangsstroom van de 14-bits DAC aan
• Ontvangt de uitgangsspanning van de TIA in een 14-bits analoog-digitaal converter (ADC) op hetzelfde board
• Voert de benodigde berekeningen uit om de luminantie te regelen

De programmeerbare DAC levert stroom van nauwkeurig bepaalde sterkte aan de leds, terwijl de als een TIA geconfigureerde opamp via de fotodiode de led-luminantiewaarde ontvangt. De TIA stuurt vervolgens een uitgangsspanning (V_OUT) naar de ADC-ingang van de microcontroller (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Dit nauwkeurige systeem stuurt programmeerbare stromen naar de leds om de luminantie te regelen. (Afbeelding: DigiKey, gegenereerd met behulp van de online software Photodiode Circuit Design Wizard van Analog Devices)

De stroomsterkte wordt door het systeem geregeld met een TIA in de terugkoppelingslus. De ADA4625-1 opamp heeft (volgens het gegevensblad) een instelstroom aan de ingang van 15 picoampère (pA) en een offset-spanning van 15 microvolt (μV), voor een groot dynamisch bereik van de TIA. Dit dynamische bereik biedt een bijzonder hoge flexibiliteit in het aanpassen van de luminantie van de leds, vanaf de maximale intensiteit tot volledig donker.

De systeemontwerper bepaalt de variatie en het bereik van de luminantie van de led. Een 14-bits DAC levert bijvoorbeeld 2¹⁴ oftewel 16.384 luminantieniveaus. Deze DAC heeft een maximale uitgangsstroom van 100 mA, waarbij de uitgangsstroom voor het minst significante bit (LSB) 6,1 microampère (μA) bedraagt.

met:

IDACx_LSB = de huidige LSB-stroomsterkte voor kanaal x

IDAC_MAX = de nominale maximale stroomsterkte per kanaal

N = aantal DAC-bits

De zeskanaals AD5770R stuurt bij een voedingsspanning van 5,0 volt de twee serieel geschakelde leds aan met een nominale stroom van 20 mA. In deze schakeling bepalen de leds hun eigen doorlaatspanning.

In de schakeling volgens Afbeelding 4 kan de maximale uitgangsstroom voor elke uitgangspoort (IDAC0-IDAC5) verlaagd worden tot 50% van de nominale stroomsterkte. Door deze flexibiliteit kan de ontwerper de aanstuurstromen van de leds beter afstemmen. Hierdoor wordt ook de stroomsterkte voor het LSB verlaagd.

De maximale IDAC2-stroom in Afbeelding 4 is 55 mA en de maximale IDAC5-stroom is 45 mA. Als de leds in de IDAC2-string rood zijn, dan is de nominale spanning op de IDAC2-pin 1,9 volt x 2, oftewel 3,8 volt, en is de stroomsterkte voor het LSB van de DAC 3,4 μA.

De ontwerper kan de in de DAC ingebouwde referentiegenerator door een externe referentie of een extra nauwkeurige weerstand vervangen om het systeem nog nauwkeuriger te maken.

De AD5770R heeft tenslotte een ingebouwde diagnosefunctie waarmee de ontwerper de uitgangsspanningen, uitgangsstromen en de chiptemperatuur kan bewaken, allemaal met een externe ADC. 

De DAC met stroomuitgang van de AD5770R stuurt de string van twee leds aan met een geregelde, programmeerbare stroombron met laag ruisniveau. De spectrale dichtheid van het ruissignaal van de IDAC2- en IDAC5-uitgangen bedraagt respectievelijk 19 nA/√Hz en 6 nA/√Hz

Conclusie

Leds hebben vanwege hun fysieke sterkte, lange levensduur, laag energieverbruik, korte schakeltijden en kleine afmetingen veel voordelen ten opzichte van andere lichttechnologieën. Hoewel leds op grote schaal worden gebruikt, is het nog steeds een uitdaging om de luminantie ervan nauwkeurig en effectief te regelen.

We hebben laten zien dat een nauwkeurige regeling van de luminantie van leds kan worden verkregen door het gebruik van een ADuCM320BBCZ precisie-microcontroller, een AD5770 14-bits programmeerbare DAC met uiterst nauwkeurige uitgangsstroom en een ADA4625-1 JFET opamp als TIA. Ontwerpers kunnen met deze combinatie aan eisen voor een nauwkeurige led-luminantie voldoen met de mogelijkheid alle led-stuurstromen te bewaken en bovendien de leds te kunnen dimmen.