Controllo preciso della luminanza dei LED tramite un DAC con uscita di corrente e un TIA

La robustezza fisica, la lunga durata, l'efficienza, la capacità di commutazione rapida e le dimensioni ridotte sono all'origine della grande fortuna del diodo a emissione luminosa (LED). I LED emettono più lumen per watt rispetto alle lampadine a incandescenza e la loro efficienza non risente della loro dimensione o forma. Tuttavia, nonostante la loro diffusione e il supporto tecnologico, il controllo preciso della luminanza LED rappresenta tuttora una sfida.

Le ragioni di ciò sono molteplici e hanno a che fare con le caratteristiche fisiche della lunghezza d'onda di ciascun LED; è comunque possibile raggiungere un controllo preciso della luminanza scegliendo componenti e un approccio progettuale adeguati.

Questo articolo tratta brevemente dei problemi legati al raggiungimento di una luminanza omogenea dei LED per passare poi a mostrare come un convertitore digitale/analogico (DAC) a 14 bit con uscita di corrente programmabile, un amplificatore operazionale e un microcontroller analogico di precisione possano essere impiegati congiuntamente per il controllo preciso della luminanza dei LED. A titolo di esempio useremo componenti di Analog Devices.

Stringhe di LED e/o applicazioni a LED

Un semiconduttore LED è una sorgente luminosa che emette luce in presenza di un flusso di corrente dall'anodo al catodo. Gli elettroni del semiconduttore si ricombinano con le lacune degli elettroni e rilasciano energia sotto forma di fotoni. L'energia necessaria agli elettroni per attraversare la banda proibita del semiconduttore determina il colore della luce LED.

Il comportamento elettrico del LED è simile a quello di un diodo di serie. Proprio come per i diodi di serie, è importante non sovrapilotare il dispositivo nella sua modalità di polarizzazione diretta. Un diodo sovrapilotato si surriscalda e, nel peggiore dei casi, diventa un circuito aperto. Quando il LED ha una polarizzazione diretta, una corrente scorre attraverso il dispositivo, creando luce e una caduta di tensione dall'anodo al catodo (Figura 1).

Figura 1: Illustrazione delle diverse tensioni dirette per i vari colori dei LED a fronte dell'utilizzo di una corrente diretta di 20 mA. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Nella Figura 1, la tensione diretta di un LED varia in base al colore (R = rosso; O = arancione; G = verde; Y = giallo; B = blu; W = bianco). Normalmente, per la misurazione e la determinazione del valore di tensione diretta il LED viene eccitato con una sorgente di 20°mA. Il pilotaggio dei LED tramite una sorgente di tensione è allettante, ma è molto difficile controllare con precisione una sorgente di tensione e il possibile sovrapilotaggio del dispositivo può causare surriscaldamento e avaria prematura.

Configurazione dei LED in serie o in parallelo?

Le tre configurazioni più diffuse per i LED sono quella in parallelo, in serie o una combinazione delle due, ma in molti casi è consigliabile che i LED vengano pilotati con una sorgente di tensione e un resistore che controlli l'entità della corrente (Figura 2).

Figura 2: Le configurazioni di pilotaggio dei LED sono tre: in parallelo (A), in serie (B) e combinazione in parallelo / in serie (C). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le stringhe di LED (A) in parallelo devono avere tutte le stesse specifiche di tensione diretta, pertanto lo stesso colore di LED (si veda nuovamente la Figura 1). Persino in questa configurazione, i LED non condivideranno equamente la corrente a causa della tolleranza di produzione della loro tensione diretta. In questa configurazione in parallelo, si avrà un sovrassorbimento di corrente da parte di uno o più LED. La luminosità dei LED differisce a causa della diversa intensità della corrente diretta/della luminanza, un fattore che può determinare disomogeneità nei display a LED.

Nella configurazione in parallelo (A), il valore R_LED dipende da una tensione di alimentazione predefinita (V_LED), dalla tensione diretta nominale dei LED e dal numero di LED in parallelo, ciascuno dei quali consuma circa 20°mA. Ad esempio, R_LED corrisponde a 10°W con dieci LED bianchi in parallelo (tensione diretta ~3,0°V a 20°mA) e V_LED a 5°V. Il valore di 10°W per R_LED viene calcolato tramite l'equazione 1:

Equazione 1

dove V_LED = tensione di alimentazione come nella Figura 2

N = numero di LED = 10

I₁ = 20°mA (Nota: I_LED = I₁*N)

R_LED = resistore di polarizzazione del LED

V_X = caduta di tensione nominale del LED di 20°mA

Nella configurazione in serie (B), ogni LED riceve la stessa quantità di corrente con diverse tensioni dirette. In questa configurazione in serie è possibile avere diversi LED a colori. Qui, la tensione di alimentazione equivale alla somma di tutte le tensioni nominali dei LED, più la caduta di tensione attraverso il resistore, R_LED. Ad esempio, se in questa serie si hanno dieci LED rossi (tensione diretta ~1,9°V) alimentati con 20°mA attraverso un resistore da 330 Ω, la tensione di alimentazione del sistema (V_LED) è di ~25,6°V. In questa configurazione un LED aperto o difettoso determina il guasto dell'intera stringa.

La combinazione di LED in parallelo e in serie (C) offre il meglio dei due mondi. In questa configurazione, la stringa in serie contiene meno LED perciò si riduce il valore di V_LED. Ci sono anche meno LED nella stringa in parallelo, per cui si riduce la probabilità di sovrassorbimento di corrente. Un altro vantaggio è rappresentato dal fatto che questa configurazione consente l'utilizzo di un DAC con uscita di corrente programmabile come sorgente di eccitazione economica, al posto di un tradizionale generatore di tensione statico.

Opzioni di controllo programmabili dei LED

Nella Figura 2, il meccanismo di pilotaggio dei LED nelle configurazioni in parallelo (A), in serie (B) e combinata serie/parallelo (C) ha un resistore in serie, R_LED e una sorgente di tensione, V_LED. In queste tre configurazioni, l'abbassamento della corrente diretta, cioè la riduzione di V_LED o un aumento di R_LED, determinerà il dimmeraggio dei LED. Un DAC con uscita in tensione può fornire le tensioni programmabili per V_LED, ma la necessità di correnti elevate potrebbe rappresentare un problema. Un DAC con uscita in tensione spesso non è in grado di fornire la corrente elevata che occorre ai LED, perciò si ricorre frequentemente a un amplificatore di potenza (amplificatore operazionale).

Un potenziometro manuale, o meglio ancora un potenziometro digitale, possono sostituire R_LED con alcuni vincoli di dissipazione di potenza, ad esempio le modalità per gestire la corrente elevata quando il potenziometro si avvicina a zero ohm.

Per evitare i problemi e le complicazioni legati all'utilizzo di DAC con uscita in tensione e di potenziometri, l'approccio progettuale più elegante consiste nel ricorre a un DAC con uscita di corrente.

Con un DAC con uscita di corrente i LED possono disporre di una corrente programmabile. Le specifiche critiche per questo DAC consistono nella capacità di fornire 20°mA per LED e un grado elevato di risoluzione per quella corrente. La programmabilità della corrente può essere usata per regolare la luminanza desiderata con l'aiuto di un amplificatore in transimpedenza (TIA) (Figura 3).

Figura 3: Un DAC con corrente di uscita programmabile fornisce il controllo della corrente diretta dei LED e un TIA il controllo del livello di luminescenza. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Nella Figura 3, due LED cercano il loro livello di tensione diretta con la loro corrente di eccitazione di 20°mA. A completamento del sistema di LED della Figura 3, un fotodiodo (PD) sul front-end di un TIA rileva la luminanza LED. In questo sistema, i requisiti per l'amplificatore consistono in una bassa corrente di polarizzazione in ingresso per evitare la competizione con la corrente del fotodiodo (I_PD) e in una bassa tensione di offset ingresso per ridurre al minimo la caduta attraverso il fotodiodo.

Implementazione di un controller della luminanza dei LED programmabile

Per l'implementazione di un sistema programmabile di controllo della luminanza dei LED servono un microcontroller analogico di precisione come ADuCM320BBCZ di Analog Devices oltre al DAC con uscita di corrente AD5770RBCBZ-RL7 e all'amplificatore operazionale ADA4625-1ARDZ-R7, anch'essi di Analog Devices.

Il microcontroller:

• Pilota i valori della corrente di uscita del DAC a 14 bit
• Riceve la tensione di uscita del TIA in un convertitore analogico/digitale (ADC) su scheda a 14 bit.
• Esegue i calcoli necessari per controllare la luminanza

Il DAC programmabile fornisce correnti di uscita programmabili accurate per i LED, mentre l'amplificatore operazionale, configurato come un TIA, riceve il valore analogico di luminanza dei LED attraverso il fotodiodo. Quindi il TIA invia una tensione di uscita (V_OUT) all'ingresso dell'ADC del microcontrollore (Figura 4).

Figura 4: Questo sistema di precisione fornisce correnti programmabili ai LED per controllare la luminanza. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, generata con il software online Photodiode Circuit Design Wizard di Analog Devices)

L'entità della corrente viene controllata dal sistema con un TIA nell'anello di retroazione. L'amplificatore operazionale ADA4625-1 possiede una corrente di polarizzazione in ingresso di 15 pA (come da scheda tecnica) e una tensione di offset di 15 mV che forniscono un'ampia gamma dinamica al TIA. Questa gamma dinamica garantisce un alto livello di flessibilità della luminanza per portare i LED dalla massima intensità a uno stato di buio completo.

Il progettista del sistema stabilisce la variazione e la gamma della luminanza dei LED. Ad esempio, un DAC a 14 bit fornisce 2¹⁴ o 16.384 divisioni. Per questo DAC con un'uscita a fondo scala di 100°mA, la dimensione del bit meno significativo (LSB) è di 6,1 mA, secondo l'equazione:

Dove:

IDACx_LSB = la dimensione della corrente dell'LSB per il canale x

IDAC_MAX = la corrente nominale massima del canale

N = numero di bit del DAC

Con una tensione di alimentazione of 5,0°V, AD5770R a sei canali pilota i due LED in serie con una corrente nominale di 20°mA. In questo circuito, le tensioni dei LED cercano il proprio di livello di tensione diretta.

Nel circuito riprodotto nella Figura 4, la corrente di uscita massima di ciascuna uscita (IDAC0-IDAC5) può essere regolata fino al 50% del valore nominale. Questa flessibilità consente al progettista di abbinare meglio le correnti di eccitazione dei LED. È un'azione che diminuisce anche l'entità della corrente dell'LSB.

Consultando nuovamente la Figura 4 si vedrà che la corrente massima dell'IDAC2 è di 55°mA e la corrente massima dell'IDAC5 è di 45°mA (come da scheda tecnica). Se i LED nella stringa dell'IDAC2 sono rossi, la tensione nominale in corrispondenza del pin dell'IDAC2 è di 1,9°V per 2, ovvero 3,8°V e la dimensione dell'LSB del DAC è di 3,4°mA.

Per migliorare ulteriormente la precisione del sistema, il progettista può sostituire il generatore di riferimento su chip del DAC con un resistore di riferimento esterno o l'aggiunta di un resistore di precisione.

Infine, l'AD5770R possiede una funzione diagnostica multiplata su chip che consente al progettista di monitorare le tensioni di conformità in uscita, le correnti di uscita e la temperatura interna del die, tutto quanto con un ADC esterno.

Il DAC AD5770R con uscita di corrente pilota le stringhe di due LED con una sorgente di corrente programmabile, controllata e a basso rumore e con una densità spettrale del rumore di uscita dell'IDAC2 e IDAC5 rispettivamente di 19°nA/√Hz e 6°nA/√Hz.

Conclusione

La robustezza fisica, la lunga durata, il basso consumo energetico, la commutazione veloce e le dimensioni ridotte fanno preferire i LED ad altre tecnologie di illuminazione. Tuttavia, nonostante l'uso intensivo dei LED, il controllo preciso e efficace della loro luminanza di uscita rappresenta ancora una sfida.

Come vi abbiamo illustrato, il controllo di precisione della luminanza dei LED può essere ottenuto con un microcontroller di precisione ADuCM320BBCZ, un DAC AD5770 a 14 bit programmabile con uscita di corrente ad alta precisione e un amplificatore operazionale ADA4625-1 JFET configurato come TIA. Grazie a questo abbinamento, i progettisti potranno soddisfare i requisiti di precisione relativi alla luminanza dei LED con una completa capacità diagnostica per il monitoraggio di tutte le correnti dei driver LED, oltre a fornire il controllo del dimmeraggio.