Präzise Steuerung der Leuchtdichte von LEDs mit einem DAC mit Stromausgang und einem TIA

LEDs (light emitting diode, Leuchtdiode) sind beliebt wegen ihrer physischen Robustheit, ihrer langen Lebensdauer, ihres Wirkungsgrads, ihrer schnellen Schaltfähigkeit und ihrer geringen Abmessungen. LEDs geben mehr Lumen pro Watt als Glühlampen ab und ihr Wirkungsgrad ist von Größe und Form unabhängig. Trotz ihrer großen Verbreitung und der technologischen Unterstützung ist die präzise Steuerung der Leuchtdichte von LEDs immer noch eine Herausforderung.

Dafür gibt es viele Gründe, die mit der Physik der Wellenlängen der jeweiligen LED zusammenhängen, jedoch ist eine präzise Steuerung mithilfe geeigneter Komponenten und der richtigen Herangehensweise möglich.

In diesem Artikel werden kurz die mit dem Erreichen einer gleichmäßigen Leuchtdichte von LEDs zusammenhängenden Probleme behandelt. Dann wird gezeigt, wie ein 14-Bit-Digital/Analog-Wandler (DAC) mit Stromausgang, ein Operationsverstärker und ein analoger Präzisions-Mikrocontroller zusammen für die präzise Steuerung der Leuchtdichte von LEDs eingesetzt werden können. Als Beispiel werden Komponenten von Analog Devices verwendet.

LED-Arrays/Anwendungen

Ein LED-Halbleiter ist eine Lichtquelle, die Licht durch einen Stromfluss von der Anode zur Kathode emittiert. Die Elektronen im Halbleiter werden mit Defektelektronen und freigesetzter Energie in Form von Photonen rekombiniert. Die von den Elektronen benötigte Energie zur Überschreitung der Bandlücke des Halbleiters bestimmt die Farbe des LED-Lichts.

Das elektrische Verhalten einer LED entspricht dem einer Standard-Diode. Wie bei einer Standard-Diode ist es wichtig, die Komponenten im Vorwärtsmodus nicht zu übersteuern. Eine übersteuerte Diode überhitzt sich und führt im schlimmsten Fall zu einer Unterbrechung des Stromkreises. Wenn die LED in Durchlassrichtung vorgespannt ist, fließt ein Strom durch das Gerät und erzeugt Licht und einen Spannungsabfall von der Anode zur Kathode (Abbildung 1). 

Abbildung 1: Bei einem Durchlassstrom von 20 Milliampere (mA) haben die verschiedenen Farben der LEDs hier verschiedene Durchlassspannungen. (Bildquelle: DigiKey)

In Abbildung 1 ändert sich die Durchlassspannung der LED mit der Farbe (R = rot; O = orange; G = grün; Y = Gelb; B = blau; W = weiß). Die LED wird zur Messung und Bestimmung ihrer Durchlassspannung typischerweise mit einer 20mA-Stromquelle erregt. Es ist naheliegend, LEDs mit einer Spannungsquelle anzusteuern, aber eine exakte Regelung einer Spannungsquelle ist schwierig, sodass das Risiko besteht, die Komponenten zu übersteuern, was zu Überhitzung und Ausfall führen kann.

Parallel- oder Reihenschaltung von LEDs

Die drei beliebtesten LED-Konfigurationen sind Parallel- oder Reihenschaltung oder eine Kombination von beiden, aber in den meisten Fällen ist es empfehlenswert, LEDs über eine Spannungsquelle und einen Widerstand anzusteuern, um die Stromstärke steuern zu können (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die drei Konfigurationen für die Ansteuerung von LEDs sind parallel (A), Reihe (B) und eine Kombination von beiden (C). (Bildquelle: DigiKey)

Für parallele LED-Ketten (A) muss dieselbe Durchlassspannung und damit dieselbe Farbe der LED spezifiziert sein (siehe wieder Abbildung 1). Selbst in dieser Konfiguration ist die Stromstärke aufgrund der Herstellungstoleranz bezüglich der Durchlassspannung nicht gleichmäßig verteilt. In einer derartigen parallelen Anordnung werden wahrscheinlich eine oder mehrere LEDs Strom „fressen“. Die Helligkeit der LEDs ist aufgrund der unterschiedlichen Durchlassstromstärke bzw. Leuchtdichte unterschiedlich – ein Umstand, der zu ungleichmäßiger Ausleuchtung von LED-Displays führen kann.

In der parallelen Anordnung (A) hängt der Wert von R_LED von der vorbestimmten Durchlassspannung (V_LED), der nominellen Vorwärtsspannung der LEDs und der Anzahl von parallel geschalteten LEDs ab, von denen jede ca. 20 mA verbraucht. R_LED beträgt z. B. 10 Ω bei zehn parallel geschalteten weißen LEDs (Durchlassspannung ca. 3,0 V bei 20 mA) mit V_LED = 5 V. Der Wert von 10 Ω für R_LED wird mithilfe von Gleichung 1 berechnet:

 Gleichung 1

Dabei gilt V_LED = Versorgungsspannung, siehe Abbildung 2

N = Anzahl der LEDs = 10

I₁ = 20 mA (Hinweis: I_LED = I₁*N)

R_LED = Vorwiderstand der LED

V_X = nomineller Spannungsabfall der LED bei 20 mA

In der Reihenschaltung (B) erhält jede LED dieselbe Stromstärke bei unterschiedlichen Durchlassspannungen. In einer derartigen Reihenschaltung können sich mehrere verschiedenfarbige LEDs befinden. Bei dieser Anordnung ist die Versorgungsspannung gleich der Summe der jeweiligen nominellen LED-Spannungen zuzüglich Spannungsabfall am Widerstand R_LED. Bei 10 LEDs (Durchlassspannung ca. 1,9 V) in dieser Reihenschaltung mit 20 mA durch einen 330Ω-Widerstand beträgt die Versorgungsspannung des Systems (V_LED) beispielsweise ca. 25,6 V. In dieser Anordnung führt eine fehlerhafte oder offene LED zu einem Ausfall der gesamten Kette.

Die Kombination von parallel und in Reihe geschalteten LEDs (C) verbindet die Vorteile beider Anordnungen. In dieser Konfiguration befinden sich weniger LEDs in der in Reihe geschalteten Kette. Dadurch sinkt der Wert von V_LED. Auch sind weniger LEDs parallel geschaltet, was die Wahrscheinlichkeit von Stromfressern reduziert. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass anstelle einer statischen Spannungsquelle ein programmierbarer DAC mit Stromausgang als sparsame Erregungsquelle verwendet werden kann.

Programmierbare LED-Steuerungsoptionen

In Abbildung 2 besteht der Ansteuerungsmechanismus der Parallelschaltung (A), der Reihenschaltung (B) und der Kombination aus Parallel- und Reihenschaltung (C) aus einem in Reihe geschalteten Widerstand R_LED und einer Spannungsquelle V_LED. In diesen Konfigurationen führt das Absenken des Durchlassstroms – d.h. das Verringern von V_LED oder Vergrößern von R_LED – dazu, dass die LEDs gedimmt werden. Ein DAC mit Spannungsausgang kann programmierbare Spannungen für V_LED liefern, aber die erforderlichen hohen Stromstärken können ein Problem darstellen. Häufig ist ein DAC mit Spannungsausgang nicht in der Lage, die für LEDs erforderlichen hohen Stromstärken zu liefern. Daher wird oft ein Leistungsverstärker (Operationsverstärker) benötigt.

R_LED kann durch ein manuell regelbares Potentiometer oder noch besser durch ein digitales Potentiometer ersetzt werden. Dabei sind bestimmte Einschränkungen wegen der Wärmeableitung und der hohen Stromstärke bei der Annäherung des Potentiometers an 0 Ohm zu beachten.

Um die Probleme und die Komplexität in Zusammenhang mit DACs mit Spannungsausgang und Potentiometern zu vermeiden, empfiehlt sich als elegantester Konstruktionsansatz die Verwendung eines DACs mit Stromausgang.

Ein DAC mit Stromausgang liefert programmierbare Stromstärken für die LED. Die kritischen Spezifikationen dieses DACs betreffen die Fähigkeit, 20 mA pro LED zu liefern, und die hohe Auflösung dieser Stromstärke. Die Programmierbarkeit der Stromstärke kann unter Zuhilfenahme eines Transimpedanzverstärkers (TIA) zur Einstellung der gewünschten Leuchtdichte verwendet werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein programmierbarer DAC mit Stromausgang liefert einen direkten Durchlassstrom zur Steuerung der LED, und ein TIA steuert die Leuchtdichte. (Bildquelle: DigiKey)

In Abbildung 3 erhalten die beiden LEDs ihre Durchlassspannung über die Erregungsstromstärke von 20 mA. Das LED-System in Abbildung 3 wird durch eine Photodiode (PD) zur Messung der Leuchtdichte der LED an der Vorderseite des TIA komplettiert. In diesem System erfordert der Verstärker einen niedrigen Eingangsruhestrom, um eine Konkurrenz mit dem Strom für die Photodiode (I_PD) zu vermeiden, sowie eine niedrige Offsetspannung, um den Spannungsabfall an der Photodiode möglichst gering zu halten.

Implementierung eines programmierbaren LED-Leuchtdichte-Controllers

Für die Implementierung eines programmierbaren LED-Leuchtdichte-Controllers ist ein analoger Präzisions-Mikrocontroller erforderlich, z. B. der ADuCM320BBCZ von Analog Devices sowie ein DAC mit Stromausgang AD5770RBCBZ-RL7 und ein Operationsverstärker ADA4625-1ARDZ-R7, beide ebenfalls von Analog Devices.

Der Mikrocontroller:

• steuert die Ausgangsstromstärke am 14-Bit-DAC
• überführt die Ausgangsspannung des TIA in einen 14-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC)
• führt die für die Steuerung der Leuchtdichte erforderlichen Berechnungen durch

Der programmierbare DAC liefert exakte Ausgangsstromstärken für die LEDs, während der als TIA konfigurierte Operationsverstärker die analogen Werte für die Leuchtdichte der LED über die Photodiode erhält. Der TIA sendet eine Ausgangsspannung (V_OUT) an den ADC-Eingang des Mikrocontrollers (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dieses Präzisionssystem liefert programmierbare Stromstärken für die LEDs zur Steuerung der Leuchtdichte (Bildquelle: DigiKey, generiert mithilfe der Online-Software Photodiode Circuit Design Wizard von Analog Devices)

Die Höhe der Stromstärke wird vom System mithilfe eines TIA in der Feedbackschleife gesteuert. Der Operationsverstärker ADA4625-1 hat eine Vorstromstärke von 15 Picoampere (pA) (lt. Datenblatt) und eine Offset-Spannung von 15 Mikrovolt (µV), was einen breiten Dynamikbereich des TIA erlaubt. Dieser Dynamikbereich bietet eine hohe Flexibilität der Leuchtdichte, sodass der Zustand der LED zwischen maximaler Helligkeit bis zu vollständiger Dunkelheit geregelt werden kann.

Der Entwickler der Systems bestimmt die Änderung und den Bereich der Leuchtdichte der LED. Ein 14-Bit-DAC bietet 2¹⁴, d.h. 16.384 Unterteilungen. Nach der folgenden Gleichung entspricht das niedrigste Bit (LSB) dieses DACs mit Ausgang von bis zu 100 mA einer Stromstärke von 6,1 Mikroampere (µA):

Dabei gilt:

IDACx_LSB = die dem LSB entsprechende Stromstärke von Kanal x

IDAC_MAX = der maximale Nennstrom des Kanals

N = Anzahl der Bits des DACs

Bei einer Versorgungsspannung von 5,0 V steuert dieser 6-Kanal-AD5770R die beiden in Reihe geschalteten LEDs mit einer Nennstromstärke von 20 mA an. In dieser Schaltung suchen die LEDs die Höhe ihrer jeweiligen Durchlassspannung selbst.

In der in Abbildung 4 gezeigten Schaltung kann die Ausgangsstromstärke jedes Ausgangsports (DAC0-IDAC5) auf 50 % des Nennwerts heruntergeregelt werden. Diese Flexibilität erlaubt den Konstrukteuren eine genauere Anpassung an die Erregungsstromstärke. Bei diesem Vorgang verringert sich auch die zum LSB äquivalente Stromstärke.

Lt. Abbildung 4 beträgt die maximale IDAC2-Stromstärke 55 mA und die maximale IDAC5-Stromstärke 45 mA (lt. Datenblatt). Wenn es sich in der Kette IDAC2 um rote LEDs handelt, beträgt die Nennspannung am IDAC2-Pin 2 x 1,9 V bzw. 3,8 V, und das LSB-Äquivalent des DACs beträgt 3,4 mA.

Die Genauigkeit des Systems kann weiter gesteigert werden, indem der On-Chip-Referenzgenerator des DACs durch eine externe Referenz oder einen weiteren Präzisionswiderstand ersetzt wird.

Und letztlich verfügt der AD5770R über eine gemultiplexte On-Chip-Diagnosefunktion, mit deren Hilfe die Konformität der Ausgangsspannungen, die Ausgangsstromstärken und die interne Chip-Temperatur überwacht werden können – alles mit einem externen ADC. 

Der DAC AD5770R mit Stromausgang steuert Ketten mit je zwei LEDs mithilfe einer rauscharmen geregelten, programmierbaren Stromquelle mit einer Spektraldichte des Ausgangsrauschens von 19 nA/√Hz bzw. 6 nA/√Hz an IDAC2 und IDAC5 an.

Fazit

Wegen ihrer physischen Robustheit, ihrer langen Lebensdauer, ihres niedrigen Energieverbrauchs, ihrer schnellen Schaltfähigkeit und ihrer geringen Abmessungen haben LEDs viele Vorzüge gegenüber anderen Beleuchtungstechnologien. Aber trotz der starken Verbreitung von LEDs ist eine genaue und effektive Steuerung ihrer Leuchtdichte immer noch eine Herausforderung.

Wie oben gezeigt, kann mit einem Präzisions-Mikrocontroller ADuCM320BBCZ, einem programmierbaren 14-Bit-DAC AD5770 mit hochpräzisem Stromausgang und einem JFET-Operationsverstärker ADA4625-1 in TIA-Konfiguration eine präzise Steuerung der Leuchtdichte von LEDs erreicht werden. Diese Kombination unterstützt die Konstrukteure bei der Erfüllung der Genauigkeitsanforderungen für die Leuchtdichte von LEDs durch umfassende diagnostische Fähigkeiten bei der Überwachung der Stromstärken zur Ansteuerung der LEDs und erlaubt auch das Dimmen.