светодиодная схема

Электрическая схема, используемая для питания светодиода

Простая схема светодиода (светоизлучающего диода)

В электронике светодиодная схема или светодиодный драйвер — это электрическая схема , используемая для питания светодиода (LED). Схема должна обеспечивать достаточный ток для свечения светодиода с требуемой яркостью, но должна ограничивать ток, чтобы не повредить светодиод. Падение напряжения на включенном светодиоде приблизительно постоянно в широком диапазоне рабочего тока; поэтому небольшое увеличение приложенного напряжения значительно увеличивает ток. В технических описаниях это падение может быть указано как «прямое напряжение» ( ) при определенном рабочем токе. Для маломощных индикаторных светодиодов используются очень простые схемы. Более сложные схемы источников тока требуются при управлении мощными светодиодами для освещения, чтобы добиться правильной регулировки тока. ${\displaystyle V_{f}}$

Основная схема

Самая простая схема для управления светодиодом — через последовательный резистор. Обычно она используется для индикаторов и цифровых дисплеев во многих бытовых приборах. Однако эта схема не является энергоэффективной, поскольку энергия рассеивается в резисторе в виде тепла.

Светодиод зависит от его материала . Закон Ома и законы цепи Кирхгофа используются для расчета соответствующего значения резистора путем вычитания светодиодов из напряжения питания и деления на желаемый рабочий ток. При достаточно высоком напряжении питания несколько светодиодов, соединенных последовательно, могут питаться от одного резистора. ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Если напряжение питания близко или равно напряжению светодиода , то рассчитать разумное значение резистора невозможно, поэтому используется какой-либо другой метод ограничения тока. ${\displaystyle V_{f}}$

Соображения относительно источника питания

Характеристики напряжения и тока светодиода аналогичны характеристикам любого диода . Ток приблизительно является экспоненциальной функцией напряжения согласно уравнению диода Шокли , и небольшое изменение напряжения может привести к большому изменению тока. Если напряжение ниже или равно пороговому значению, ток не течет, и светодиод не горит. Если напряжение слишком высокое, ток превысит максимально допустимое значение, что приведет к перегреву и потенциальному разрушению светодиода.

Драйверы светодиодов предназначены для работы с флуктуационной нагрузкой, обеспечивая достаточный ток для достижения требуемой яркости, не допуская при этом протекания разрушительных уровней тока. Драйверы могут быть постоянного тока (CC) или постоянного напряжения (CV). В драйверах CC напряжение изменяется, а ток остается прежним. Драйверы CC используются, когда электрическая нагрузка цепи светодиодов либо неизвестна, либо колеблется, например, в цепи освещения, где может быть установлено переменное количество светодиодных ламп.

По мере нагрева светодиода падение напряжения на нем уменьшается (уменьшение ширины запрещенной зоны ^[1] ). Это может способствовать увеличению тока.

Драйверы MOSFET

Бытовая светодиодная лампочка с открытыми внутренними светодиодными элементами и схемой драйвера.

Активный источник постоянного тока обычно используется для светодиодов высокой мощности, стабилизируя световой поток в широком диапазоне входных напряжений, что может увеличить срок службы батарей. Активный постоянный ток обычно регулируется с помощью MOSFET-транзистора (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в режиме истощения , который является простейшим ограничителем тока. ^{[2] Стабилизаторы постоянного тока} с малым падением напряжения (LDO) также позволяют общему напряжению светодиода составлять более высокую долю напряжения источника питания.

Импульсные источники питания (например , понижающие , повышающие и понижающе-повышающие преобразователи) используются в светодиодных фонариках и бытовых светодиодных лампах . Мощные МОП-транзисторы обычно используются для переключения светодиодных драйверов, что является эффективным решением для управления светодиодами высокой яркости. Микросхемы интегральных схем (ИС) питания широко используются для управления МОП-транзисторами напрямую, без необходимости использования дополнительных схем. ^[2]

Последовательный резистор

Последовательные резисторы — простой способ стабилизировать ток светодиода, но при этом на резисторе теряется энергия.

Миниатюрные светодиодные индикаторы обычно работают от постоянного тока низкого напряжения через токоограничивающий резистор. Обычны токи 2 мА, 10 мА и 20 мА. СубмА-индикаторы могут быть сделаны путем питания сверхъярких светодиодов очень низким током. Эффективность имеет тенденцию к снижению при низких токах, ^[3] но индикаторы, работающие на 100 мкА, все еще практичны.

В светодиодных фонарях-брелках, работающих от батареек-таблеток , сопротивление самой батарейки обычно является единственным устройством, ограничивающим ток.

Доступны светодиоды со встроенными последовательными резисторами. Они могут сэкономить место на печатной плате и особенно полезны при создании прототипов или заполнении печатной платы способом, отличным от задуманного конструкторами. Однако значение резистора устанавливается во время производства, что исключает один из ключевых методов настройки интенсивности светодиода.

Значение последовательного сопротивления можно получить из закона Ома , учитывая, что напряжение питания компенсируется сопротивлением диода , которое мало меняется в диапазоне полезных токов: ${\displaystyle V_{f}}$

${\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over I_{led}}}$   или   ${\displaystyle I_{led}}={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over R}$

где:

${\displaystyle R}$сопротивление в омах , обычно округленное до ближайшего большего значения резистора .

${\displaystyle V_{power}}$напряжение источника питания в вольтах , например, 9-вольтовая батарея.

${\displaystyle V_{f}}$это падение прямого напряжения светодиода в вольтах при включении. и частота света светодиода (которую мы воспринимаем как цвет ) увеличиваются с шириной запрещенной зоны материалов светодиода . Следовательно, диапазон составляет от около 1,7 до 2,0 вольт для красных светодиодов и до около 2,8 до 4,0 вольт для фиолетовых светодиодов. ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

${\displaystyle V_{switch}}$— падение напряжения на переключателе в вольтах: (A) при отсутствии переключателя используйте 0 вольт, (B) для механического переключателя используйте 0 вольт, (C) для биполярного транзистора используйте напряжение насыщения коллектор-эмиттер из технического описания транзистора. ${\displaystyle V_{CE(sat)}}$

${\displaystyle I_{led}}$— желаемый ток светодиода в амперах . Максимальный непрерывный ток включенного состояния указан в технических характеристиках светодиодов, например, 20 мА (0,020 А) является обычным для большинства небольших светодиодов. Многие схемы работают со светодиодами при токе, меньшем, чем указанный максимальный ток, для экономии энергии, или для уменьшения яркости, или для использования общего значения резистора . Для использования внутри помещений крошечные высокоэффективные светодиоды поверхностного монтажа могут легко загораться при токе 1 мА (0,001 А) или более, который большинство цифровых логических выходов могут легко подавать или потреблять.

Используя алгебраическую формулу (выше) и предположив, что равно 0 (для упрощения примеров), сопротивление рассчитывается следующим образом: ${\displaystyle V_{switch}}$

Пример 1 с 9 В, = 1,8 В, = 5 мА: ${\displaystyle V_{power}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle I_{led}}$

${\displaystyle R}$= (9 В - 1,8 В) / 5 мА = (9 - 1,8) / 0,005 = 1440 Ом, затем округлите до резистора сопротивлением 1,5 кОм (в соответствии с общепринятыми значениями резисторов ).

Пример 2 с 5 В, = 1,8 В, = 1 кОм: ${\displaystyle V_{power}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle R}$

${\displaystyle I_{led}}$= (5 В - 1,8 В) / 1 кОм = (5 - 1,8) / 1000 = 0,0032, что составляет 3,2 мА

Светодиодные матрицы

Схема последовательного соединения светодиодов

Схема параллельного соединения светодиодов

Цепочки из нескольких светодиодов обычно соединяются последовательно . В одной конфигурации напряжение источника должно быть больше или равно сумме напряжений отдельных светодиодов; обычно напряжения светодиодов составляют около двух третей напряжения питания. Для каждой цепочки может использоваться один токоограничивающий резистор.

Параллельная работа также возможна, но может быть более проблематичной. Параллельные светодиоды должны быть близко подобраны , чтобы иметь схожие токи ветвей и, следовательно, схожую светоотдачу. Изменения в производственном процессе могут затруднить получение удовлетворительной работы при параллельном подключении некоторых типов светодиодов. ^[4] ${\displaystyle V_{f}}$

Светодиодный дисплей

Светодиоды часто располагаются таким образом, что каждый светодиод (или каждую цепочку светодиодов) можно включать и выключать по отдельности.

Прямой привод — самый простой для понимания подход, он использует множество независимых схем с одним светодиодом (или одной строкой). Например, можно разработать цифровые часы так, что когда часы показывают «12:34» на семисегментном дисплее , часы будут включать соответствующие сегменты напрямую и оставлять их включенными до тех пор, пока не потребуется что-то еще.

Однако мультиплексные методы отображения используются чаще, чем прямой привод, потому что они имеют более низкие чистые затраты на оборудование. Например, большинство людей, которые проектируют цифровые часы, проектируют их так, что когда часы показывают "12:34" на семисегментном дисплее , в любой момент часы включают соответствующие сегменты одной из цифр — все остальные цифры темные. Часы сканируют цифры достаточно быстро, чтобы создать иллюзию, что они "постоянно" отображают "12:34" в течение целой минуты. Однако каждый "включенный" сегмент на самом деле быстро включается и выключается много раз в секунду.

Расширением этой техники является Charlieplexing , где способность некоторых микроконтроллеров иметь три состояния выходных контактов означает, что можно управлять большим количеством светодиодов без использования защелок. Для N контактов можно управлять n ² -n светодиодами.

Использование технологии интегральных схем для управления светодиодами восходит к концу 1960-х годов. В 1969 году компания Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP Model 5082-7000, ранний светодиодный дисплей и первое светодиодное устройство, использующее технологию интегральных схем. Его разработкой руководили Говард К. Борден и Джеральд П. Пигини из HP Associates и HP Labs , которые занимались исследованиями и разработками (НИОКР) практических светодиодов между 1962 и 1968 годами. ^[5] Это был первый интеллектуальный светодиодный дисплей, что сделало его революцией в технологии цифровых дисплеев , заменив Nixie-трубку и став основой для более поздних светодиодных дисплеев. ^[6]

Полярность

В отличие от ламп накаливания , которые светятся независимо от электрической полярности , светодиоды будут светиться только при правильной электрической полярности. Когда напряжение на pn-переходе имеет правильное направление, протекает значительный ток, и говорят, что устройство смещено в прямом направлении . Если напряжение имеет неправильную полярность, говорят, что устройство смещено в обратном направлении , протекает очень малый ток, и свет не излучается. Светодиоды могут работать от переменного тока , но они будут светиться только в половине цикла переменного тока, когда светодиод смещен в прямом направлении. Это заставляет светодиод включаться и выключаться с частотой источника переменного тока.

Большинство светодиодов имеют относительно низкие значения обратного пробивного напряжения по сравнению со стандартными диодами, поэтому может быть проще, чем ожидалось, войти в этот режим и повредить светодиод из-за перегрузки по току. Однако напряжение включения всегда меньше напряжения пробоя, поэтому не требуется никакой специальной обратной защиты при питании светодиода напрямую от источника переменного тока при правильном ограничении тока для работы с прямым смещением.

Производитель обычно советует, как определить полярность светодиода в техническом описании продукта. Однако стандартизация маркировки полярности для поверхностно-монтируемых устройств отсутствует . ^{[7] [8]}

Импульсный режим работы

Многие системы включают и выключают светодиоды, периодически или прерывисто подавая питание. Пока частота мерцания превышает порог слияния мерцаний человека , а светодиод неподвижен относительно глаза, светодиод будет казаться постоянно горящим. Изменение соотношения включения/выключения импульсов известно как широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В некоторых случаях драйверы на основе ШИМ более эффективны, чем драйверы постоянного тока или постоянного напряжения. ^{[3] [9]}

Большинство спецификаций светодиодов указывают максимальный постоянный ток, который безопасен для непрерывной работы. Часто они указывают более высокий максимальный импульсный ток, который безопасен для коротких импульсов, пока контроллер светодиода поддерживает импульс достаточно коротким, а затем отключает питание светодиода на достаточно долгое время, чтобы светодиод остыл.

Светодиод как датчик освещенности

Мобильный телефон IrDA

В дополнение к излучению, светодиод может использоваться как фотодиод для обнаружения света . Эта возможность может использоваться в различных приложениях, включая обнаружение окружающего света и двунаправленную связь. ^{[10] [11] [12]}

Как фотодиод, светодиод чувствителен к длинам волн, равным или короче преобладающей длины волны, которую он излучает. Например, зеленый светодиод чувствителен к синему свету и некоторому зеленому свету, но не к желтому или красному свету.

Такая реализация светодиодов может быть добавлена ​​в конструкции с небольшими изменениями в схеме. ^[10] Светодиод может быть мультиплексирован в такой схеме, так что его можно использовать как для излучения света, так и для считывания в разное время. ^{[10] [12]}

Смотрите также

• Портал электроники

• Похититель джоулей — питание светодиода с помощью батареи 1,5 В и схемы повышения напряжения
• Соотношение Планка–Эйнштейна — соотношение между шириной запрещенной зоны и частотой фотона
• Уравнение диода Шокли — соотношение между прямым напряжением и током

Ссылки

1. Van Zeghbroeck, Bart J. (1997). "2.2.5". 2.2.5 Температурная зависимость энергетической запрещенной зоны . Ece-www.colorado.edu. Архивировано из оригинала 2009-02-01 . Получено 2009-02-15 .
2. Winder, Steve (2011). Источники питания для светодиодного вождения. Newnes . стр. 20–22, 39–41. ISBN 9780080558578.
3. Примечание по применению AND8067/D: «Двухзатворный инверторный генератор NL27WZ04 увеличивает яркость светодиодов, одновременно снижая энергопотребление»
4. "Электрические свойства светодиодов GaN и параллельные соединения" (PDF) . Примечание по применению . Nichia. Архивировано из оригинала (PDF) 2007-08-09 . Получено 2007-08-13 .
5. Борден, Ховард К.; Пигини, Джеральд П. (февраль 1969 г.). «Твердотельные дисплеи» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard : 2–12.
6. "Hewlett-Packard 5082-7000". The Vintage Technology Association . Архивировано из оригинала 17 ноября 2014 года . Получено 15 августа 2019 года .
7. «Существуют ли стандарты, регулирующие маркировку полярности?». www.circuitinsight.com . Получено 19 апреля 2019 г.
8. «Как построить печатную плату: полярность диода (нет,...» Сообщество EEWeb . Получено 19 апреля 2019 г.
9. Тахан, Мохаммад (зима 2017 г.). «Многорядный светодиодный драйвер с гибким и высокопроизводительным ШИМ-управлением яркостью». Труды IEEE по силовой электронике . 32 (12): 9293–9306. arXiv : 2002.00029 . Bibcode : 2017ITPE...32.9293T. doi : 10.1109/TPEL.2017.2655884. S2CID  43054007.
10. Dietz, Paul, William Yerazunis, Darren Leigh (2003). "Очень недорогие датчики и связь с использованием двунаправленных светодиодов" (PDF) . Mitsubishi Electric Research Laboratories . Архивировано из оригинала (PDF) 2009-02-05 . Получено 2009-09-07 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
11. Бент, Сара, Аойфе Молони и Джеральд Фаррелл (2006). «Светодиоды как оптические источники и детекторы в двунаправленных пластиковых оптоволоконных линиях связи». Ирландская конференция по сигналам и системам, 2006. IET : 345–349.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
12. Stepniak, G.; Kowalczyk, M.; Maksymiuk, L.; Siuzdak, J. (2015-10-01). «Передача со скоростью свыше 100 Мбит/с с использованием светодиода как передатчика, так и приемника». IEEE Photonics Technology Letters . 27 (19): 2067–2070. Bibcode : 2015IPTL...27.2067S. doi : 10.1109/LPT.2015.2451006. ISSN  1041-1135. S2CID  23986334.

Внешние ссылки

• Калькулятор светодиодного резистора