LED-kredsløb - LED circuit

I elektronik er et LED-kredsløb eller en LED-driver et elektrisk kredsløb, der bruges til at drive en lysdiode (LED). Kredsløbet skal tilvejebringe tilstrækkelig strøm til at tænde LED'en med den krævede lysstyrke, men skal begrænse strømmen for at forhindre beskadigelse af LED'en. Den Spændingsfaldet over en LED er tilnærmelsesvis konstant over et bredt område af driftsstrøm; derfor øger en lille stigning i anvendt spænding strømmen. Meget enkle kredsløb bruges til indikator-LED'er med lav effekt. Mere komplekse strømkildekredsløb er påkrævet, når man kører højeffekts-LED'er til belysning for at opnå korrekt strømregulering.

Grundlæggende kredsløb

Det enkleste kredsløb til at drive en LED er gennem en seriemodstand. Det bruges ofte til indikatorer og digitale skærme i mange forbrugsapparater. Dette kredsløb er imidlertid ikke energieffektivt, fordi energi ledes i modstanden som varme.

En LED har et spændingsfald specificeret til den tilsigtede driftsstrøm. Ohms lov og Kirchhoffs kredsløbslove bruges til at beregne den passende modstandsværdi ved at trække LED-spændingsfaldet fra forsyningsspændingen og dividere med den ønskede driftsstrøm. Med en tilstrækkelig høj forsyningsspænding kan flere lysdioder i serie tændes med en modstand.

Hvis forsyningsspændingen er tæt på eller lig LED-spændingen, kan der ikke beregnes nogen rimelig værdi for modstanden, så der anvendes en anden metode til strømbegrænsning.

Strømkildeovervejelser

Spændingen versus strømkarakteristika for en LED svarer til enhver diode . Strøm er omtrent en eksponentiel funktion af spænding i henhold til Shockley-diode ligningen , og en lille spændingsændring kan resultere i en stor ændring i strøm. Hvis spændingen er under eller lig med tærsklen, strømmer der ikke strøm, og resultatet er en uoplyst LED. Hvis spændingen er for høj, vil strømmen overstige den maksimale værdi, overophedning og potentielt ødelægge LED.

Når en LED varmes op, falder dens spændingsfald (fald i båndgabet). Dette kan tilskynde strømmen til at stige.

MOSFET-drivere

En aktiv konstantstrømregulator anvendes almindeligvis til højeffekts-lysdioder, der stabiliserer lysudgangen over en bred vifte af indgangsspændinger, hvilket kan øge batteriets brugstid. Aktiv konstant strøm reguleres typisk ved hjælp af en udtømningstilstand MOSFET (metaloxid-halvleder felt-effekt transistor), som er den enkleste strømbegrænser. LDO-reguleringsregulatorer med lavt frafald (LDO) tillader også, at den samlede LED-spænding er en højere del af strømforsyningsspændingen.

Switched-mode strømforsyninger bruges i LED lommelygter og husholdnings LED lamper . Power MOSFET'er bruges typisk til at skifte LED-drivere, hvilket er en effektiv løsning til at drive LED'er med høj lysstyrke. Effektintegreret kredsløb (IC) chips såsom Supertex HV9910B bruges i vid udstrækning til at drive MOSFET'erne direkte uden behov for yderligere kredsløb. Disse MOSFET-baserede Supertex IC-chips er de mest almindelige LED-drivere til solid state-belysning med LED-lamper. I 2008 blev de brugt til at kontrollere solid-state belysning i Beijing National Aquatics Center under sommer-OL 2008 .

Seriemodstand

Serie modstande er en enkel måde at stabilisere LED strøm, men energi er spildt i modstanden.

Miniaturindikator-LED'er drives normalt fra lavspændings-DC via en strømbegrænsende modstand. Strømme på 2 mA, 10 mA og 20 mA er almindelige. Sub-mA-indikatorer kan laves ved at køre ultrabright LED'er med meget lav strøm. Effektivitet har en tendens til at reducere ved lave strømme, men indikatorer, der kører på 100 μA, er stadig praktiske.

I møntcelledrevne nøgleringstype-LED-lys er selve celleens modstand normalt den eneste strømbegrænsende enhed.

LED'er med indbyggede seriemodstande er tilgængelige. Disse kan spare plads på printkortet og er især nyttige, når man bygger prototyper eller udfylder et printkort på en anden måde end dets designere havde til hensigt. Modstandsværdien indstilles imidlertid på fremstillingstidspunktet, idet en af ​​de vigtigste metoder til indstilling af LED-intensiteten fjernes.

Værdien for seriemodstanden kan opnås fra Ohms lov , i betragtning af at forsyningsspændingen opvejes af spændingsfaldet over dioden, som varierer lidt over området for nyttige strømme:

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

hvor:

${\ displaystyle R}$er modstand i ohm , typisk afrundet til den næste højere modstandsværdi .

${\ displaystyle V_ {power}}$er strømforsyningsspændingen i volt , f.eks. 9 volt batteri.

${\ displaystyle V_ {led}}$er LED-fremadspændingsfaldet over LED'en i volt, vist som på LED-datablad. Typisk er fremadspændingen på en LED mellem 1,8 og 3,3 volt. Det varierer efter LED'ens farve. En rød LED falder typisk omkring 1,7 til 2,0 volt, men da både spændingsfald og lysfrekvens stiger med båndgab , kan en blå LED falde omkring 3 til 3,3 volt.${\ displaystyle V_ {f}}$

${\ displaystyle V_ {switch}}$er spændingsfaldet over kontakten i volt: (A) til ingen kontakt, brug 0 volt, (B) til mekanisk switch, brug 0 volt, (C) til BJT-transistor , brug kollektor-emittermætningsspænding fra transistorens datablad.${\ displaystyle V_ {CE (sat)}}$

${\ displaystyle I_ {led}}$er den ønskede strøm for LED'en i forstærkere . Den maksimale strøm vises på LED-datablad, for eksempel er 20 mA (0,020A) almindelig for mange små lysdioder. Mange kredsløb betjener lysdioder med mindre end den anbefalede maksimale strøm for at spare strøm, for at tillade brugen af ​​en standardmodstandsværdi eller for at reducere lysstyrken.

LED-arrays

Strenge af flere lysdioder er normalt forbundet i serie . I en konfiguration skal kildespændingen være større end eller lig med summen af ​​de individuelle LED-spændinger; typisk tilføjes LED-spændingerne op til omkring to tredjedele af forsyningsspændingen. En enkelt strømbegrænsende modstand kan bruges til hver streng.

Parallel betjening er også mulig, men kan være mere problematisk. Parallelle LED'er må have nøje til hinanden fremadspændinger ( V _f ) for at have lignende filial strømninger, og således på tilsvarende lysudbytte. Variationer i fremstillingsprocessen kan gøre det vanskeligt at opnå tilfredsstillende drift, når man tilslutter nogle typer LED'er parallelt.

LED display

LED'er er ofte arrangeret på en sådan måde, at hver LED (eller hver LED-streng) kan tændes og slukkes individuelt.

Direkte drev er den mest forståelige tilgang - den bruger mange uafhængige single-LED (eller single-string) kredsløb. For eksempel kunne en person designe et digitalt ur således, at når uret viser "12:34" på et syv-segment display , ville uret tænde de relevante segmenter direkte og lade dem være tændt, indtil noget andet skal vises.

Imidlertid anvendes multipleksede skærmteknikker oftere end direkte drev, fordi de har lavere nettoomkostninger til hardware. For eksempel designer de fleste mennesker, der designer digitale ure dem sådan, at når uret viser "12:34" på et syv-segment display , tænder uret på ethvert øjeblik de relevante segmenter af et af cifrene - alle de andre cifre er mørke. Uret scanner hurtigt gennem cifrene, så det giver illusionen om, at det "konstant" viser "12:34" i et helt minut. Imidlertid pulseres hvert "til" -segment faktisk hurtigt af og på mange gange i sekundet.

En udvidelse af denne teknik er Charlieplexing, hvor nogle mikrokontrollers evne til at tri-state deres outputstifter betyder, at større antal LED'er kan køres uden brug af låse. For N-ben er det muligt at køre n ² -n LED'er.

Anvendelsen af integreret kredsløbsteknologi til at drive LED'er dateres tilbage til slutningen af ​​1960'erne. I 1969 introducerede Hewlett-Packard den numeriske indikator HP Model 5082-7000, en tidlig LED-skærm og den første LED-enhed, der brugte integreret kredsløbsteknologi. Dens udvikling blev ledet af Howard C. Borden og Gerald P. Pighini hos HP Associates og HP Labs , der havde beskæftiget sig med forskning og udvikling (R&D) på praktiske LED'er mellem 1962 og 1968. Det var den første intelligente LED-skærm, hvilket gjorde den til en revolution inden for digital displayteknologi , udskiftning af Nixie-røret og grundlaget for senere LED-skærme.

Polaritet

I modsætning til glødepærer , der tændes uanset den elektriske polaritet , lyser lysdioder kun med korrekt elektrisk polaritet. Når spændingen over pn-krydset er i den rigtige retning, strømmer en betydelig strøm, og enheden siges at være forspændt . Hvis spændingen har forkert polaritet, siges enheden at være omvendt forspændt , meget lidt strøm strømmer, og der udsendes ikke noget lys. Lysdioder kan betjenes med en vekselstrømsspænding , men de lyser kun med positiv spænding, hvilket får lysdioden til at tænde og slukke ved vekselstrømsforsyningens frekvens.

De fleste lysdioder har lave omvendte spændingsværdier , så de vil også blive beskadiget af en anvendt omvendt spænding over denne tærskel. Årsagen til skaden er overstrøm som følge af diodens sammenbrud, ikke selve spændingen. Lysdioder, der drives direkte fra en vekselstrømsforsyning på mere end den omvendte nedbrydningsspænding, kan beskyttes ved at placere en diode (eller en anden lysdiode) i omvendt parallel .

Producenten vil normalt rådgive hvordan man bestemmer polariteten på LED'en i produktdatabladet. Der er dog ingen standardisering af polaritetsmarkeringer for overflademonterede enheder.

Pulserende drift

Mange systemer pulserer lysdioder til og fra ved at anvende strøm med jævne mellemrum. Så længe flimmerhastigheden er større end den menneskelige flimmerfusionstærskel , og LED'en er stationær i forhold til øjet, ser LED'en ud til at være konstant tændt. Varierende tænd / sluk-forhold for impulser er kendt som pulsbreddemodulation . I nogle tilfælde er PWM-baserede drivere mere effektive end drivere med konstant strøm eller konstant spænding.

De fleste LED-datablad specificerer en maksimal jævnstrøm, der er sikker til kontinuerlig drift. Ofte specificerer de noget højere maksimal pulsstrøm, der er sikkert for korte impulser, så længe LED-controlleren holder pulsen kort nok og derefter slukker for strømmen til LED'en længe nok til, at LED'en køler af.

LED som lyssensor

Ud over emission kan en LED bruges som fotodiode i lysdetektering . Denne kapacitet kan bruges i en række anvendelser, herunder detektion af omgivende lys og tovejskommunikation.

Som en fotodiode er en LED følsom over for bølgelængder lig med eller kortere end den dominerende bølgelængde, den udsender. For eksempel er en grøn LED følsom over for blåt lys og noget grønt lys, men ikke for gult eller rødt lys.

Denne implementering af lysdioder kan tilføjes til design med kun mindre ændringer i kredsløb. En LED kan multiplexes i et sådant kredsløb, således at den kan bruges til både lysemission og sensing på forskellige tidspunkter.

Se også

• Joule tyv - strømforsyning af en LED ved hjælp af 1,5V batteri og spændingsforstærkerkredsløb
• Planck-Einstein-relation - forhold mellem båndgab og fotonfrekvens
• Shockley diode ligning - forhold mellem fremadspænding og strøm

Referencer