Что такое управляющий ток светодиода

Обзор схем включения и управления современными светодиодами

На первом месте стоит, конечно, использование светодиодов в схемах задней подсветки активных TFT-матриц LCD-дисплеев, широко применяемых сегодня в большинстве портативных приборов. Так как все они питаются обычно от одного-единственного литиевоионного аккумулятора, общее потребление прибора зависит от числа используемых светодиодов, способов их включения (последовательное или параллельное), тока через каждый светодиод и, конечно же, от КПД устройства. На рис. 1 показано три различных способа управления большим количеством светодиодов с помощью микросхем фирмы Texas Instruments. При последовательном соединении через все светодиоды цепи протекает равный ток, что обеспечивает одинаковую яркость их свечения. Выходное напряжение повышающего преобразователя (рис. 1а) хорошо приспособлено к последовательному включению светодиодов — КПД такой схемы достигает 85% и более. Малое количество соединений между источником энергии (в данном случае микросхемой TPS6106Х) и светодиодами дает еще одно преимущество, особенно ценное в мобильных телефонах-«раскладушках».

Напротив, достоинством параллельного соединения является то, что при выходе из строя одного светодиода не отключается вся подсветка, как это обязательно происходит при последовательном соединении. Существует два возможных вида питания цепей параллельного соединения светодиодов: линейный стабилизатор нагрузочного тока (рис. 1б) и так называемая подкачка заряда (рис. 1в). Чтобы найти оптимальную схему управления, необходимо более детально рассмотреть условия работы. Типовое прямое напряжение (падение напряжения при номинальном прямом токе) одного белого светодиода в зависимости от величины тока составляет 2,5–5 В. Линейный стабилизатор тока является наиболее оптимальным по стоимости и самым эффективным видом управления только в тех случаях, когда используются подходящие светодиоды с наименьшим прямым напряжением, способные работать при разряженном до напряжения 3 В аккумуляторе. Параллельное соединение используется преимущественно в подсветке с задней стороны клавиатур приборов — в случае, когда светодиоды потребляют ток менее 10 мА.

Рис. 1. Способы управления светодиодами, работающими в схемах задней подсветки ЖК-дисплеев, питающихся от аккумуляторов: а) повышающий преобразователь напряжения с катушкой индуктивности; б) линейный стабилизатор нагрузочного тока; в) генератор подкачки заряда

Если прямое напряжение светодиода выше минимального рабочего напряжения аккумулятора (за вычетом необходимого падения напряжения во внутренних цепях), то в этом случае необходимо повышать напряжение с помощью генератора подкачки заряда (рис. 1в). В этом примере используется микросхема TPS60250, которая оптимизирует КПД посредством динамического переключения усиления напряжения в полтора раза. Во всех схемах параллельного подключения светодиодов необходимо точное внутреннее выравнивание их токов с целью достижения одинаковой степени освещенности и постоянства цветового спектра дисплея. Как линейный источник постоянного тока на микросхеме TPS75105, так и генератор подкачки заряда на микросхеме TPS60250 обеспечивают 2%-ную точность выравнивания токов даже при очень малых их значениях.

Дисплеи на органических светодиодах (OLED — Organic LED) отличаются в значительной степени и принципиально от TFT LCD-дисплеев, поскольку они не требуют задней подсветки, а состоят из самосветящихся пикселов. К настоящему времени применение этой многообещающей технологии распространено только на маленькие экраны с небольшой продолжительностью включения, чтобы обойти пока еще существующую проблему малого срока службы OLED при высокой плотности светового потока. Типичным примером применения OLED является второй (внешний) дисплей раскладного мобильного телефона. Изображенная на рис. 2 схема на микрочипе TPS61140/1 дает возможность одновременного подключения светодиодов задней подсветки обычного первого TFT LCD-дисплея и второго OLED-дисплея, управляемого напряжением посредством повышающего преобразователя с одной катушкой индуктивности.

Рис. 2. Способ одновременного управления одной схемой обычными светодиодами задней подсветки первого дисплея и второго OLED-дисплея мобильного телефона

Дальнейшие, более сложные требования к освещению привели к тому, что производители полупроводников обратили внимание на мобильные приборы с цифровым интерфейсом и программируемым процессорным управлением. Одним из примеров могут быть управляемые разноцветные мигающие огни, которые используют так называемые многокристальные RGB-светодиоды, состоящие обычно из трех кристаллов, светящихся красным, зеленым и синим цветами и расположенных на одной подложке. Микросхема ТСА6507 (рис. 3) дает возможность управлять такими светодиодами. Она программируется посредством цифровой шины I2С и управляет светодиодами автономно, без участия процессора.

Рис. 3. Структурная схема микросхемы ТСА6507

Пока еще низкая светочувствительность распространенных сейчас цифровых фотокамер в составе мобильных телефонов образовала еще одну нишу для разработки микросхем управления светодиодами. Имеется в виду возможность создания в цифровых камерах дополнительной подсветки объекта белыми светодиодами (так называемая вспышка). Для получения приемлемого изображения необходимо достичь освещенности вспышки 100 лк на расстоянии 1 м, поэтому ток светодиода зачастую может достигать значения 1,2 А. По этой причине здесь используется преобразователь напряжения с катушкой индуктивности (рис. 4), что позволило получить высокий КПД. Световой поток и длительность вспышки устанавливаются по цифровой шине I2C. Важно иметь в виду, что возникает проблема потребления большого тока от аккумулятора при одновременном действии вспышки и высокочастотного вызывного сигнала усилителя мобильного телефона. Это может вызвать потребление до 3,5 А, что приведет к быстрому истощению аккумулятора и более раннему отключению телефона. Поэтому все современные схемы управления светодиодными вспышками обязательно имеют защиту от включения во время посылок импульсов GSM.

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения вспышки цифровой камеры на микросхеме TPS61050

Малые габариты корпусов современных микросхем, высокие частоты переключения, использование оптимизированных малогабаритных катушек индуктивности, более высокий КПД делают возможным создание более плоских, портативных приборов, в которых могут использоваться помимо прочего различные световые и цветомузыкальные эффекты, бегущие огни, светящиеся корпуса — фантазии производителей нет предела.

Принцип действия светодиодных ламп

В работе светодиодных ламп используются физические процессы, которые значительно сложнее тех, что применяются в обычных лампах накаливания с металлической нитью. Суть явления заключается в появлении светового потока в точке соприкосновения двух веществ из разнородных материалов, после того как через них пропущен электрический ток.

Основной парадокс заключается в том, что каждый из используемых материалов, не является проводником электрического тока. Они относятся к категории полупроводников и способны пропускать ток лишь в одну сторону при условии их соединения между собой. В одном из них должны обязательно преобладать отрицательные заряды – электроны, а в другом – ионы с положительным зарядом.

Кроме движения электрического тока, в полупроводниках происходят и другие процессы. При переходе из одного состояния в другое происходит выделение тепловой энергии. Путем экспериментов удалось найти такие сочетания веществ, у которых наряду с выделением энергии появлялось световое излучение. В электронике все устройства, пропускающие ток лишь в одном направлении стали называться диодами, а те из них, которые обладают способностью испускать свет, стали называться светодиодами.

В самом начале испускание фотонов полупроводниковыми соединениями охватывало только узкую часть спектра. Они могли испускать только красный, желтый или зеленый свет, с очень низкой силой свечения. Поэтому в течение длительного времени светодиоды использовались только в качестве индикаторных ламп. К настоящему времени были получены такие материалы, соединения которых позволили значительно расширить диапазон светового излучения и охватить практически весь спектр. Тем не менее, длина каких-то волн всегда преобладает в свечении. Поэтому светодиодные лампы разделяются на источники холодного света – синего и теплого свечения – преимущественно красного или желтого.

Особенности разных видов светодиодов

Используемые сегодня светодиоды имеют ряд отличительных характеристик, поэтому их можно классифицировать сразу по нескольким признакам.

Одним из первых светодиодов стал стандарт DIP, расшифровывающийся, как Direct In-Line Package, который был создан и получил свое широкое применение еще в XX веке. Конструкция этого элемента представляет собой миниатюрную стеклянную или пластиковую беспигментную колбу, выполняющую функцию своеобразной линзы, способной фокусировать и направлять свет в конкретном направлении.

В этом случае кристалл размещается непосредственно на катоде, тогда как с анодом его соединяет соответствующий провод. И катод, и анод выпирают из-под колбы, в результате чего образуется некое подобие ножек, которые припаиваются к ленте, после чего все свободное пространство изолируется от внешней среды с помощью специального герметика. За частоту и интенсивность мерцания, уровень яркости и порядок/силу подачи тока на проводящий кристалл отвечает микрочип, которым в некоторых конструкциях можно управлять.

К неоспоримым плюсам DIP-стандарта можно отнести высокую яркость, долговечность работы даже при эксплуатации в условиях внешней среды, а также небольшое энергопотребление.

Главным конкурентом для DIP является стандарт SMD, который получил ряд существенных отличий. Среди них – особенности крепления кристалла, который в случае с SMD размещается на теплоотводящей подложке с вмонтированными в нее же контактами. Соединение с анодом выполняется анодным проводом, как и у DIP. То же самое можно сказать и об управляющем микрочипе, который здесь также имеется.

А вот линза получила овальную форму, хотя сегодня довольно широко применяется другая технология, которая вообще не предполагает использования защитных корпусов. То есть герметический состав для обеспечения изоляции наносится прямо поверх кристаллов, что чревато определенными ограничениями по уровню яркости. Так, обозначенный показатель редко когда превышает 8 тысяч кандел на квадратный метр. Однако миниатюрный размер LED-элементов позволяет использовать их для оснащения как домашних, так и уличных интерьерных экранов и панелей.

Этот стандарт, расшифровывающийся, как Chip-On-Board, появился относительно недавно, но уже успел занять лидирующие позиции на рынке благодаря особенностям своей конструкции и направленности света. Главная отличительная характеристика таких LED заключается в том, что к подложке крепится большое количество кристаллов, надежная фиксация которых обеспечивается за счет специального диэлектрического состава.

Такой подход позволяет создавать равномерный источник света без теневых помех, которые наблюдаются в других конструкциях. В качестве наглядного примера можно привести такую популярную продукцию, как филаментные лампочки, рассчитанные на 220 вольт, в основе которых лежит стержень из стекла, полностью покрытый светодиодами и защитным люминофором.

Проводя сравнительную характеристику среди всех перечисленных стандартов, стоит отметить, что все они имеют приблизительно одинаковый срок службы, рассчитанный в своем максимуме на 150 тысяч часов. Однако при сопоставлении SMD и DIP становится очевидно, что первый явно проигрывает последнему по уровню яркости. В то же время оба они уступают COB, давая рассеивающий свет, тогда как этот стандарт по праву считается лучшим решением в коммерческом сегменте осветительных приборов направленного типа.

Технические характеристики и их зависимость друг от друга

Основными функциональными и эксплуатационными параметрами светодиодных светильников являются:

• интенсивность светового потока (яркость);
• рабочее напряжение;
• сила тока;
• цветовая характеристика;
• длина волны.

Светодиодное напряжение и яркость выступают прямо пропорциональными величинами – чем выше одна, тем выше другая. Но это не напряжение питающего тока, а величина падения напряжения на приборе. Кроме того, от напряжения зависит и цвет светодиода. Таким образом, между собой связаны яркость, длина волны, напряжение и цвет светодиода, а их соотношение представлено в следующей таблице.

Цвет

Длина волны

Напряжение

Принцип действия микроэлемента так устроен, что для стабильной работы в соответствии с номинальными характеристиками необходимо отслеживать не напряжение питания, а силу тока. Светодиоды работают от пульсирующего или постоянного тока, регулируя интенсивность которого можно изменять яркость излучения. Индикаторные светодиоды работают при токе в пределах 10-20 мА, а осветительные – от 20 мА и выше. Так, к примеру, элементы типа COB с четырьмя чипами требуют 80 мА.

Цветовая характеристика

Цвет свечения светодиодного элемента зависит от длины волны, которая измеряется в нанометрах. Для изменения цвета свечения в материал полупроводника на этапе производства добавляются активные вещества:

• полупроводники обрабатываются аллюминий-индий-галлием (AlInGaP) для получения красного цвета;
• оттенки зелёного и сине-голубого спектра получаются с использованием индий-нитрида галлия (InGaN);
• для получения белого свечения на базе синего светодиода его кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий спектр в красный и жёлтый свет;
• для фиолетового свечения применяется индий-галлия нитрид;
• для оранжевого – галлия фосфид-арсенид;
• для синего – селенид цинка, карбид кремния или индий-галлия нитрид.

Аналогично методу получения белого свечения можно использовать люминофоры разных цветов для получения дополнительных оттенков. Так, красный люминофор позволяет выпускать розовые и пурпурные светодиоды, а зелёный – салатных оттенков. В обоих случаях люминофор наносит на основу в виде синего светодиода.