LED obvod - LED circuit

V elektronice , An LED okruh nebo budič LED je elektrický obvod použitý pro napájení světlo emitující diody (LED). Obvod musí poskytovat dostatečný proud k osvětlení LED při požadovaném jasu, ale musí proud omezit, aby nedošlo k poškození LED. Úbytek napětí přes LED je přibližně konstantní v širokém rozsahu provozních proudu; proto malé zvýšení aplikovaného napětí výrazně zvyšuje proud. U LED indikátorů nízkého výkonu se používají velmi jednoduché obvody. Pro dosažení správné regulace proudu jsou při řízení vysoce výkonných LED pro osvětlení vyžadovány složitější obvody zdroje proudu.

Základní obvod

Nejjednodušší obvod pro řízení LED je přes sériový rezistor. Běžně se používá pro indikátory a digitální displeje v mnoha spotřebních zařízeních. Tento obvod však není energeticky účinný, protože energie se v rezistoru rozptýlí jako teplo.

LED má pokles napětí specifikovaný při předpokládaném provozním proudu. Pro výpočet příslušné hodnoty odporu se používají Ohmův zákon a Kirchhoffovy zákony obvodu , odečtením poklesu napětí LED od napájecího napětí a dělením požadovaným provozním proudem. Při dostatečně vysokém napájecím napětí lze napájet více LED v sérii jedním odporem.

Pokud je napájecí napětí blízké nebo rovné dopřednému napětí LED, nelze vypočítat žádnou rozumnou hodnotu pro rezistor, takže se používá nějaká jiná metoda omezení proudu.

Úvahy o zdroji energie

Napěťové versus proudové charakteristiky LED jsou podobné jakékoli diodě . Proud je přibližně exponenciální funkcí napětí podle Shockleyovy diodové rovnice a malá změna napětí může mít za následek velkou změnu proudu. Pokud je napětí pod nebo rovné prahové hodnotě, neprotéká žádný proud a výsledkem je nesvítí LED. Pokud je napětí příliš vysoké, proud překročí maximální hodnotu, přehřívá se a potenciálně zničí LED.

Jak se LED zahřívá, klesá její pokles napětí (zmenšuje se pásmová mezera). To může povzbudit proud ke zvýšení.

Ovladače MOSFET

U vysoce výkonných LED se běžně používá aktivní regulátor konstantního proudu , který stabilizuje světelný výstup v širokém rozsahu vstupních napětí, což může prodloužit životnost baterií. Aktivní konstantní proud je typicky regulován pomocí MOSFET v režimu vyčerpání (tranzistor s efektem pole oxidu kovu a polovodiče), což je nejjednodušší omezovač proudu. Regulátory konstantního proudu s nízkým výpadkem (LDO) také umožňují, aby celkové napětí LED bylo větší částí napájecího napětí.

Spínané napájecí zdroje se používají v LED svítilnách a domácích LED žárovkách . Výkonové MOSFETy se obvykle používají k přepínání ovladačů LED, což je efektivní řešení pro řízení LED s vysokým jasem. Čipy výkonových integrovaných obvodů (IC), jako je Supertex HV9910B, jsou široce používány k přímému pohonu MOSFETů bez nutnosti dalších obvodů. Tyto čipy Supertex IC založené na MOSFET jsou nejběžnějšími ovladači LED pro polovodičové osvětlení s LED žárovkami. V roce 2008 byly použity pro ovládání polovodičového osvětlení v pekingském Národním vodním středisku během letních olympijských her v roce 2008 .

Sériový rezistor

Sériové rezistory představují jednoduchý způsob stabilizace proudu LED, ale v rezistoru se ztrácí energie.

Miniaturní indikační diody LED jsou normálně napájeny z nízkonapěťového stejnosměrného proudu přes odpor omezující proud. Proudy 2 mA, 10 mA a 20 mA jsou běžné. Indikátory sub-mA mohou být vyrobeny napájením ultrabright LED diod na velmi nízký proud. Účinnost má tendenci klesat při nízkých proudech, ale ukazatele běžící na 100 μA jsou stále praktické.

V knoflíkové napájený přívěsek typu LED diod, odpor buňky samotné je obvykle pouze zařízení pro omezování proudu.

K dispozici jsou LED diody s vestavěnými rezistory. Ty mohou ušetřit místo na desce s plošnými spoji a jsou užitečné zejména při stavbě prototypů nebo osazování PCB jiným způsobem, než zamýšleli jeho návrháři. Hodnota odporu je však nastavena v době výroby, čímž se odstraní jedna z klíčových metod nastavení intenzity LED.

Hodnotu sériového odporu lze získat z Ohmova zákona , vzhledem k tomu, že napájecí napětí je kompenzováno poklesem napětí na diodě, který se v rozsahu užitečných proudů mění jen nepatrně:

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

kde:

${\ displaystyle R}$je odpor v ohmech , obvykle zaokrouhlený nahoru na další vyšší hodnotu rezistoru .

${\ displaystyle V_ {síla}}$je napájecí napětí ve voltech , např. 9voltová baterie.

${\ displaystyle V_ {led}}$je dopředný pokles napětí LED na LED ve voltech, zobrazený jako v datových listech LED. Dopředné napětí LED je obvykle mezi 1,8 a 3,3 volty. Liší se podle barvy LED. Červená LED obvykle poklesne kolem 1,7 až 2,0 voltu, ale protože pokles napětí i frekvence světla se zvyšuje s odstupem pásma , modrá LED může klesnout kolem 3 až 3,3 voltu.${\ displaystyle V_ {f}}$

${\ displaystyle V_ {switch}}$je pokles napětí na přepínači ve voltech: (A) pro žádný spínač, použijte 0 voltů, (B) pro mechanický spínač, použijte 0 voltů, (C) pro tranzistor BJT , použijte saturační napětí kolektor-emitor z datového listu tranzistoru.${\ displaystyle V_ {CE (sat)}}$

${\ displaystyle I_ {led}}$je požadovaný proud LED v zesilovačích . Maximální proud je uveden na datových listech LED, například 20 mA (0,020 A) je společné pro mnoho malých LED. Mnoho obvodů pracuje s LED diodami na méně než doporučeném maximálním proudu, aby šetřily energii, povolily použití standardní hodnoty odporu nebo snížily jas.

LED pole

Řetězce více LED jsou obvykle zapojeny do série . V jedné konfiguraci musí být zdrojové napětí větší nebo rovné součtu jednotlivých napětí LED; typicky napětí LED přidává až přibližně dvě třetiny napájecího napětí. Pro každý řetězec lze použít jeden odpor omezující proud.

Paralelní provoz je také možný, ale může být problematičtější. Paralelní LED musí mít úzce spárovaná dopředná napětí ( V _f ), aby měla podobné odbočkové proudy, a tedy podobný světelný výkon. Rozdíly ve výrobním procesu mohou ztěžovat dosažení uspokojivého provozu při paralelním připojení některých typů LED.

LED displej

LED diody jsou často uspořádány takovým způsobem, že každou LED (nebo každý řetězec LED) lze jednotlivě zapnout a vypnout.

Přímý pohon je nejjednodušší srozumitelný přístup - používá mnoho nezávislých obvodů s jednou LED (nebo jedním řetězcem). Osoba by například mohla navrhnout digitální hodiny tak, že když hodiny na sedmisegmentovém displeji zobrazí „12:34“ , hodiny přímo zapnou příslušné segmenty a ponechají je zapnuté, dokud není třeba zobrazit něco jiného.

Nicméně, multiplexní zobrazovací techniky jsou stále častěji používány, než přímým pohonem, protože mají nižší čisté náklady na hardware. Například většina lidí, kteří navrhují digitální hodiny, je navrhují tak, že když hodiny na sedmisegmentovém displeji zobrazí „12:34“ , v kterémkoli okamžiku hodiny zapnou příslušné segmenty jedné z číslic - všech ostatních číslic jsou tmavé. Hodiny procházejí číslicemi dostatečně rychle, aby vytvářely iluzi, že po celou minutu „neustále“ zobrazují „12:34“. Každý segment „zapnuto“ je však ve skutečnosti rychle pulzován mnohokrát za sekundu.

Rozšíření této techniky je Charlieplexing kde je schopnost některých mikrokontrolérů na tri-state může být jejich výstupní kolíky prostředky větším počtem LED diod řízený, bez použití západky. U N pinů je možné řídit n ² -n LED.

Použití technologie integrovaných obvodů k pohonu LED se datuje koncem šedesátých let. V roce 1969 společnost Hewlett-Packard představila číselný indikátor HP Model 5082-7000, časný LED displej a první LED zařízení využívající technologii integrovaných obvodů. Jeho vývoj vedli Howard C. Borden a Gerald P. Pighini ze společností HP Associates a HP Labs , kteří se v letech 1962 až 1968 zabývali výzkumem a vývojem (R&D) praktických LED diod. Byl to první inteligentní LED displej, díky čemuž revoluce v technologii digitálních displejů , která nahradila trubici Nixie a stala se základem pro pozdější LED displeje.

Polarita

Na rozdíl od klasických žárovek , které svítí bez ohledu na elektrickou polaritu , budou LED diody svítit pouze se správnou elektrickou polaritou. Když je napětí na pn křižovatce ve správném směru, protéká značný proud a zařízení je označeno jako předpjaté . Pokud má napětí nesprávnou polaritu, říká se, že zařízení má reverzní předpětí , protéká velmi málo proudu a nevydává žádné světlo. LED diody lze provozovat na střídavé napětí, ale budou svítit pouze kladným napětím, což způsobí rozsvícení a zhasnutí LED při frekvenci střídavého napájení.

Většina LED má nízké hodnoty zpětného průrazného napětí , takže budou také poškozeny aplikovaným zpětným napětím nad touto prahovou hodnotou. Příčinou poškození je nadproud způsobený poruchou diody, nikoli samotné napětí. LED diody napájené přímo ze zdroje střídavého proudu s vyšším než reverzním průrazným napětím mohou být chráněny umístěním diody (nebo jiné LED diody) v obráceném paralelním zapojení .

Výrobce obvykle poradí, jak určit polaritu LED v datovém listu produktu. U zařízení pro povrchovou montáž však neexistuje standardizace označení polarity .

Pulzní provoz

Mnoho systémů pulzuje LED diody zapínáním a vypínáním periodickým nebo přerušovaným napájením. Pokud je rychlost blikání větší než prahová hodnota fúze lidského blikání a LED dioda je ve vztahu k oku stacionární, bude LED vypadat nepřetržitě. Měnící se poměr zapnutí / vypnutí pulzů je známý jako modulace šířky pulzu . V některých případech jsou ovladače založené na PWM efektivnější než ovladače konstantního proudu nebo konstantního napětí.

Většina datových listů LED uvádí maximální stejnosměrný proud, který je bezpečný pro nepřetržitý provoz. Často specifikují nějaký vyšší maximální pulzní proud, který je bezpečný pro krátké pulsy, pokud kontroler LED udržuje dostatečně krátký pulz a poté vypne napájení LED dostatečně dlouho, aby LED vychladla.

LED jako světelný senzor

Kromě vyzařování lze LED použít jako fotodiodu při detekci světla . Tuto schopnost lze použít v různých aplikacích, včetně detekce okolního světla a obousměrné komunikace.

Jako fotodioda je LED citlivá na vlnové délky stejné nebo kratší než převládající vlnová délka, kterou vyzařuje. Například zelená LED je citlivá na modré světlo a na určité zelené světlo, ale ne na žluté nebo červené světlo.

Tato implementace LED může být přidána k návrhům pouze s malými úpravami v obvodech. LED může být multiplexována v takovém obvodu, že ji lze použít jak pro vyzařování světla, tak pro snímání v různých časech.

Viz také

• Joule thief - napájení LED pomocí 1,5V baterie a obvodu zesilovače napětí
• Planck – Einsteinův vztah - vztah mezi pásmovou mezerou a frekvencí fotonu
• Rovnice Shockleyovy diody - vztah mezi dopředným napětím a proudem

Reference