Contrôle précis de la luminance LED à l'aide d'un CNA à sortie en courant et d'un amplificateur d'adaptation d'impédance

La diode électroluminescente (LED) est populaire en raison de sa robustesse physique, de sa longue durée de vie, de son rendement, de sa capacité de commutation rapide et de sa taille compacte. Les LED émettent plus de lumens par watt que les ampoules à incandescence et leur rendement n'est pas affecté par leur taille ni leur forme. Pourtant, malgré leur utilisation répandue et leur prise en charge en termes de technologie, le contrôle précis de la luminance d'une LED constitue toujours un défi.

Les raisons sont nombreuses et sont liées à la physique de longueur d'onde de chaque LED, mais il est encore possible d'obtenir un contrôle précis de la luminance en utilisant les bons composants et l'approche de conception adéquate.

Cet article traite brièvement des problèmes associés à l'obtention d'une luminance LED cohérente. Il montre ensuite dans quelle mesure il est possible d'utiliser ensemble un convertisseur numérique-analogique (CNA) à sortie en courant 14 bits programmable, un amplificateur opérationnel et un microcontrôleur analogique de précision pour contrôler avec précision la luminance LED. Les composants d'Analog Devices sont utilisés à titre d'exemple.

Applications/matrices de LED

Un semi-conducteur LED est une source de lumière qui émet de la lumière avec le flux de courant de son anode à la cathode. Les électrons du semi-conducteur se recombinent avec des électrons-trous et libèrent de l'énergie sous forme de photons. L'énergie requise pour que les électrons traversent la bande interdite du semi-conducteur détermine la couleur d'éclairage LED.

Le comportement électrique de la LED fonctionne de manière similaire à une diode standard. Comme avec une diode standard, il est important de ne pas surcharger le dispositif dans son mode de polarisation directe. Une diode surchargée surchauffe et dans le pire des cas, devient un circuit ouvert. Lorsque la LED est polarisée en sens direct, un courant traverse le dispositif, créant de la lumière et une chute de tension de l'anode à la cathode (Figure 1).

Figure 1 : En utilisant un courant direct de 20 mA, les différentes couleurs des LED ont des tensions directes différentes. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la Figure 1, la tension directe d'une LED varie avec la couleur (R = rouge ; O = orange ; G = vert ; Y = jaune ; B = bleu ; W = blanc). En règle générale, la LED est excitée avec une source de 20 mA pour mesurer et spécifier sa valeur de tension directe. Il est tentant de commander des LED avec une source de tension, mais il est difficile de contrôler une source de tension avec précision, ce qui peut entraîner le risque de surcharger le dispositif, provoquant une surchauffe et une panne prématurée.

Configurations de LED en parallèle ou en série

Les trois configurations de LED les plus populaires sont en parallèle, en série ou une combinaison de chacune, mais dans la plupart des cas, il est recommandé que les LED soient commandées avec une source de tension et une résistance pour contrôler l'amplitude du courant (Figure 2).

Figure 2 : Les trois configurations de commande de LED sont en parallèle (A), en série (B) et une combinaison des deux (C). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les chaînes de LED en parallèle (A) doivent toutes avoir les mêmes spécifications de tension directe et donc la même couleur de LED (voir à nouveau la Figure 1). Même dans cette configuration, les LED ne partagent pas le courant uniformément en raison de la tolérance de fabrication dans leur tension directe. Pour cette configuration en parallèle, une ou plusieurs des LED entraînent probablement un effet de dérobage de courant. La luminosité des LED diffère en raison d'un courant direct/d'une intensité de luminance différents, un facteur qui peut rendre les affichages LED incohérents.

Dans la configuration en parallèle (A), la valeur R_LED dépend d'une tension d'alimentation prédéterminée (V_LED), de la tension directe nominale des LED et du nombre de LED en parallèle, chacune consommant environ 20 mA. Par exemple, la valeur R_LED est égale à 10 W, avec dix LED blanches en parallèle (tension directe ~3,0 V à 20 mA) et V_LED de 5 V. La valeur de 10 W de R_LED est calculée à l'aide de l'équation 1 :

Équation 1

Où V_LED = tension d'alimentation, selon la Figure 2

N = nombre de LED = 10

I₁ = 20 mA (Remarque : I_LED = I₁*N)

R_LED = résistance de polarisation LED

V_X = chute de tension LED nominale de 20 mA

Dans la configuration en série (B), chaque LED reçoit la même quantité de courant avec des tensions directes différentes. Il est possible d'avoir plusieurs LED de couleur dans cette configuration en série. Dans cette formation, la tension d'alimentation est égale à la somme de chaque tension LED nominale, plus la chute de tension à travers la résistance, R_LED. Par exemple, s'il y a dix LED rouges (tension directe ~1,9 V) dans cette série avec 20 mA à travers une résistance de 330 Ω, l'alimentation en tension du système (V_LED) est de ~25,6 V. Dans cette configuration, une LED défectueuse ou ouverte provoque la défaillance de la chaîne entière.

La combinaison de LED en parallèle et en série (C) offre le meilleur des deux mondes. Dans cette configuration, il y a moins de LED dans la chaîne en série. Cela réduit la valeur V_LED. Il y a également moins de LED en parallèle, ce qui réduit la probabilité d'effet de dérobage de courant. Comme avantage supplémentaire, cette configuration signifie qu'il est possible d'utiliser un CNA à sortie en courant programmable comme source d'excitation économique, au lieu de la source de tension statique traditionnelle.

Options de contrôle de LED programmable

Dans la Figure 2, le mécanisme de commande des LED pour les configurations en parallèle (A), en série (B) et la combinaison en série/parallèle (C) présente une résistance série, R_LED, et une source de tension, V_LED. Dans ces trois configurations, l'abaissement du courant direct, c'est-à-dire une réduction de V_LED ou une augmentation de R_LED, baisse les LED. Un CNA à sortie en tension peut fournir les tensions programmables pour V_LED ; cependant, les courants élevés requis peuvent poser problème. Un CNA à sortie en tension n'est souvent pas en mesure de fournir le courant élevé requis pour les LED, et un amplificateur de puissance (amplificateur opérationnel) est donc souvent nécessaire.

Un potentiomètre manuel, ou mieux encore, un potentiomètre numérique, peut remplacer la valeur R_LED par certaines contraintes de dissipation de puissance, telles que la façon de gérer le courant élevé lorsque le potentiomètre approche de zéro ohm.

Pour éviter les problèmes et la complexité associés aux potentiomètres et aux CNA à sortie en tension, l'approche de conception la plus élégante consiste à utiliser à la place un CNA à sortie en courant.

Un CNA à sortie en courant offre un courant programmable à la LED. Les spécifications critiques de ce CNA sont la capacité de fournir 20 mA par LED et un haut degré de résolution de ce courant. La programmabilité du courant peut être utilisée pour régler la luminance souhaitée à l'aide d'un amplificateur d'adaptation d'impédance (Figure 3).

Figure 3 : Un CNA à sortie en courant programmable rend direct le contrôle du courant LED direct et un amplificateur d'adaptation d'impédance fournit le contrôle du niveau de luminance. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la Figure 3, les deux LED recherchent leur niveau de tension directe avec leur courant d'excitation de 20 mA. Pour terminer le système LED de la Figure 3, une photodiode (PD) à l'avant d'un amplificateur d'adaptation d'impédance détecte la luminance LED. Pour ce système, les exigences de l'amplificateur sont de faibles courants de polarisation d'entrée pour éviter la concurrence avec le courant de photodiode (I_PD) et une faible tension de décalage d'entrée pour maintenir la chute à travers la photodiode au minimum.

Implémentation d'un contrôleur de luminance LED programmable

L'implémentation d'un système de contrôleur de luminance LED programmable nécessite un microcontrôleur analogique de précision, par exemple l'ADuCM320BBCZ d'Analog Devices, ainsi qu'un CNA à sortie en courant AD5770RBCBZ-RL7 et un amplificateur opérationnel ADA4625-1ARDZ-R7, également d'Analog Devices.

Le microcontrôleur :

• Commande les valeurs de courant de sortie du CNA 14 bits
• Reçoit la tension de sortie de l'amplificateur d'adaptation d'impédance dans un convertisseur analogique-numérique (CAN) 14 bits intégré
• Effectue les calculs nécessaires pour contrôler la luminance

Le CNA programmable fournit des courants de sortie précis pour les LED, tandis que l'amplificateur opérationnel, configuré comme amplificateur d'adaptation d'impédance, reçoit l'amplitude de luminance analogique des LED via la photodiode. L'amplificateur d'adaptation d'impédance envoie alors une tension de sortie (V_OUT) à l'entrée CAN du microcontrôleur (Figure 4).

Figure 4 : Ce système de précision fournit des courants programmables aux LED pour contrôler la luminance. (Source de l'image : DigiKey Electronics, générée à l'aide du logiciel en ligne Photodiode Circuit Design Wizard d'Analog Devices)

L'amplitude du courant est sous le contrôle du système avec un amplificateur d'adaptation d'impédance dans la boucle de rétroaction. L'amplificateur opérationnel ADA4625-1 a un courant de polarisation d'entrée de 15 pA (conformément à la fiche technique) et une tension de décalage de 15 mV, offrant un amplificateur d'adaptation d'impédance à plage dynamique étendue. Cette plage dynamique offre un degré élevé de flexibilité de luminance pour faire passer la LED d'une intensité maximale à un état complètement sombre.

Le concepteur du système détermine la variation et la plage de luminance de la LED. Par exemple, un CNA 14 bits fournit 2¹⁴ ou 16 384 divisions. Pour ce CNA avec une sortie pleine échelle de 100 mA, la taille du bit le moins significatif (LSB) est de 6,1 mA, selon l'équation :

Où :

IDACx_LSB = taille actuelle du bit le moins significatif du canal x

IDAC_MAX = courant de canal maximum nominal

N = nombre de bits du CNA

Avec une tension d'alimentation de 5,0 V, l'AD5770R à six canaux commande les deux LED en série avec un courant nominal de 20 mA. Dans ce circuit, les tensions des LED recherchent leur propre niveau de tension directe.

Dans le circuit illustré à la Figure 4, le courant de sortie maximal de chaque port de sortie (IDAC0-IDAC5) peut être ajusté à 50 % de la valeur nominale. Cette flexibilité permet au concepteur de mieux adapter les courants d'excitation des LED. Cette action diminue également l'amplitude du courant du LSB.

Dans la Figure 4, le courant IDAC2 maximum est de 55 mA et le courant IDAC5 maximum est de 45 mA (conformément à la fiche technique). Si les LED de la chaîne IDAC2 sont des LED rouges, la tension nominale à la broche IDAC2 est de 1,9 V x 2, ou 3,8 V, et la taille de LSB du CNA est de 3,4 mA.

Pour améliorer encore la précision du système, le concepteur peut remplacer le générateur de référence sur puce du CNA par une référence externe ou une résistance de précision supplémentaire.

Enfin, l'AD5770R offre une fonction de diagnostic multiplexée sur puce qui permet au concepteur de surveiller les tensions de conformité de sortie, les courants de sortie et la température interne de la puce, et ce avec un CAN externe.

Le CNA à sortie en courant AD5770R commande les chaînes de deux LED avec une source de courant programmable contrôlée à faible bruit avec une densité spectrale de bruit de sortie IDAC2 et IDAC5 de 19 nA/√Hz et 6 nA/√Hz, respectivement.

Conclusion

Grâce à leur robustesse physique, leur longue durée de vie, leur faible consommation énergétique, leur commutation rapide et leur taille compacte, les LED présentent de nombreux avantages par rapport aux autres technologies d'éclairage. Cependant, malgré l'utilisation intensive des LED, il est toujours difficile de contrôler précisément et efficacement leur luminance de sortie.

Comme illustré, le contrôle précis de la luminance LED peut être obtenu à l'aide d'un microcontrôleur de précision ADuCM320BBCZ, d'un CNA à sortie en courant 14 bits programmable et haute précision AD5770, et d'un amplificateur opérationnel JFET ADA4625-1 dans une configuration d'amplificateur d'adaptation d'impédance. Cette combinaison peut aider les concepteurs à répondre aux exigences de luminance LED de précision avec une capacité de diagnostic complet pour surveiller tous les courants des circuits d'attaque LED et fournir un contrôle de gradation.