LED-Schaltung - LED circuit

Einfaches LED-Schaltbild (Light Emitting Diode)

In der Elektronik ist eine LED-Schaltung oder ein LED-Treiber eine elektrische Schaltung, die zum Betreiben einer Leuchtdiode (LED) verwendet wird. Die Schaltung muss ausreichend Strom liefern, um die LED mit der erforderlichen Helligkeit zu leuchten, muss jedoch den Strom begrenzen, um eine Beschädigung der LED zu verhindern. Der Spannungsabfall an einer LED ist über einen weiten Betriebsstrombereich annähernd konstant; daher erhöht ein kleiner Anstieg der angelegten Spannung den Strom stark. Für LED-Anzeigen mit geringer Leistung werden sehr einfache Schaltungen verwendet. Komplexere Stromquellenschaltungen sind erforderlich, wenn Hochleistungs-LEDs für die Beleuchtung betrieben werden, um eine korrekte Stromregelung zu erreichen.

Grundschaltung

Die einfachste Schaltung zum Ansteuern einer LED ist ein Vorwiderstand. Es wird häufig für Anzeigen und digitale Anzeigen in vielen Verbrauchergeräten verwendet. Diese Schaltung ist jedoch nicht energieeffizient, da Energie im Widerstand als Wärme abgeführt wird.

Eine LED hat einen beim vorgesehenen Betriebsstrom angegebenen Spannungsabfall. Das Ohmsche Gesetz und das Kirchhoffsche Schaltungsgesetz werden verwendet, um den geeigneten Widerstandswert zu berechnen, indem der LED-Spannungsabfall von der Versorgungsspannung abgezogen und durch den gewünschten Betriebsstrom geteilt wird. Bei ausreichend hoher Versorgungsspannung können mehrere LEDs in Reihe mit einem Widerstand versorgt werden.

Wenn die Versorgungsspannung nahe oder gleich der LED-Durchlassspannung ist, kann kein vernünftiger Wert für den Widerstand berechnet werden, daher wird eine andere Methode zur Strombegrenzung verwendet.

Überlegungen zur Stromquelle

Die Spannungs-Strom-Kennlinie einer LED ist ähnlich wie bei jeder Diode . Der Strom ist gemäß der Shockley-Diodengleichung ungefähr eine exponentielle Funktion der Spannung , und eine kleine Spannungsänderung kann zu einer großen Stromänderung führen. Wenn die Spannung unter oder gleich der Schwelle ist, fließt kein Strom und das Ergebnis ist eine nicht leuchtende LED. Wenn die Spannung zu hoch ist, überschreitet der Strom die maximale Nennleistung, überhitzt und zerstört möglicherweise die LED.

Wenn sich eine LED aufheizt, nimmt ihr Spannungsabfall ab (Bandlückenverringerung). Dies kann den Strom erhöhen.

MOSFET-Treiber

Haushalts- LED-Glühbirne mit ihren internen LED-Elementen und freiliegenden Treiberschaltungen.

Ein aktiver Konstantstromregler wird häufig für Hochleistungs-LEDs verwendet, der die Lichtleistung über einen weiten Eingangsspannungsbereich stabilisiert, was die Lebensdauer von Batterien erhöhen kann. Der aktive Konstantstrom wird typischerweise unter Verwendung eines Verarmungs- MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) geregelt , der der einfachste Strombegrenzer ist. Konstantstromregler mit niedrigem Drop-out (LDO) ermöglichen auch, dass die LED-Gesamtspannung einen höheren Anteil der Versorgungsspannung ausmacht.

Schaltnetzteile werden in LED-Taschenlampen und LED- Haushaltslampen verwendet . Leistungs-MOSFETs werden typischerweise zum Schalten von LED-Treibern verwendet, was eine effiziente Lösung zum Ansteuern von LEDs mit hoher Helligkeit darstellt. IC-Chips ( Power Integrated Circuit ) wie der Supertex HV9910B werden häufig verwendet, um die MOSFETs direkt anzusteuern, ohne dass zusätzliche Schaltungen erforderlich sind. Diese MOSFET-basierten Supertex-IC-Chips sind die gängigsten LED-Treiber für Festkörperbeleuchtung mit LED-Lampen. Im Jahr 2008 wurden sie während der Olympischen Sommerspiele 2008 zur Steuerung der Festkörperbeleuchtung im Beijing National Aquatics Center eingesetzt .

Vorwiderstand

Serie Widerstände sind eine einfache Möglichkeit , den LED - Strom zu stabilisieren, sondern Energie wird in dem Widerstand verschwendet.

Miniaturanzeige-LEDs werden normalerweise über einen strombegrenzenden Widerstand von Niederspannungs-Gleichstrom betrieben. Üblich sind Ströme von 2 mA, 10 mA und 20 mA. Sub-mA-Anzeigen können hergestellt werden, indem ultrahelle LEDs mit sehr geringem Strom betrieben werden. Der Wirkungsgrad nimmt bei niedrigen Strömen tendenziell ab, aber Indikatoren mit 100 μA sind immer noch praktikabel.

In Knopfzelle angetriebenen keyring-Typ LED - Leuchten, der Widerstand der Zelle selbst ist in der Regel die einzige Strombegrenzungsvorrichtung.

Es stehen LEDs mit eingebauten Vorwiderständen zur Verfügung. Diese können Platz auf der Leiterplatte sparen und sind besonders nützlich, wenn Sie Prototypen bauen oder eine Leiterplatte anders als von den Designern vorgesehen bestücken . Der Widerstandswert wird jedoch zum Zeitpunkt der Herstellung eingestellt, wodurch eine der wichtigsten Methoden zum Einstellen der LED-Intensität entfällt.

Der Wert für den Serienwiderstand kann dem Ohmschen Gesetz entnommen werden , wenn man bedenkt, dass die Versorgungsspannung durch den Spannungsabfall an der Diode ausgeglichen wird, der über den Bereich der Nutzströme nur wenig variiert:

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

wo:

${\displaystyle R}$ist der Widerstand in Ohm , typischerweise auf den nächsthöheren Widerstandswert aufgerundet .

${\displaystyle V_{power}}$ist die Versorgungsspannung in Volt , zB 9-Volt-Batterie.

${\displaystyle V_{led}}$ist der LED-Durchlassspannungsabfall über der LED in Volt, wie auf den LED-Datenblättern gezeigt. Typischerweise liegt die Durchlassspannung einer LED zwischen 1,8 und 3,3 Volt. Sie variiert je nach Farbe der LED. Eine rote LED fällt typischerweise um 1,7 bis 2,0 Volt ab, aber da sowohl der Spannungsabfall als auch die Lichtfrequenz mit der Bandlücke zunehmen , kann eine blaue LED um etwa 3 bis 3,3 Volt abfallen.${\displaystyle V_{f}}$

${\displaystyle V_{switch}}$ist der Spannungsabfall am Schalter in Volt: (A) für keinen Schalter 0 Volt verwenden, (B) für mechanischen Schalter 0 Volt verwenden, (C) für BJT-Transistor , Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung aus dem Transistordatenblatt verwenden.${\displaystyle V_{CE(sat)}}$

${\displaystyle I_{led}}$ist der gewünschte Strom der LED in Ampere . Der maximale Strom ist auf den LED-Datenblättern angegeben, zum Beispiel sind 20 mA (0,020 A) für viele kleine LEDs üblich. Viele Schaltungen betreiben LEDs mit weniger als dem empfohlenen Maximalstrom, um Strom zu sparen, die Verwendung eines Standardwiderstandswerts zu ermöglichen oder die Helligkeit zu reduzieren.

LED-Arrays

Schema der LEDs in Reihe

Schema der LEDs parallel

Stränge von mehreren LEDs werden normalerweise in Reihe geschaltet . In einer Konfiguration muss die Quellenspannung größer oder gleich der Summe der einzelnen LED-Spannungen sein; typischerweise summieren sich die LED-Spannungen auf etwa zwei Drittel der Versorgungsspannung. Für jeden String kann ein einzelner Strombegrenzungswiderstand verwendet werden.

Parallelbetrieb ist ebenfalls möglich, kann aber problematischer sein. Parallel LEDs haben muß eng angepasst Durchlaßspannungen ( V _f ) , um Ähnliche Zweigströme zu haben und daher ähnliche Lichtleistung. Abweichungen im Herstellungsprozess können es schwierig machen, einen zufriedenstellenden Betrieb zu erzielen, wenn einige Arten von LEDs parallel geschaltet werden.

LED-Anzeige

LEDs sind oft so angeordnet, dass jede LED (oder jede LED-Reihe) einzeln ein- und ausgeschaltet werden kann.

Direktantrieb ist der am einfachsten zu verstehende Ansatz – er verwendet viele unabhängige Einzel-LED- (oder Einzel-String)-Schaltungen. Zum Beispiel könnte eine Person eine Digitaluhr so entwerfen, dass, wenn die Uhr "12:34" auf einer Sieben-Segment-Anzeige anzeigt , die Uhr die entsprechenden Segmente direkt einschaltet und sie eingeschaltet lässt, bis etwas anderes angezeigt werden muss.

Jedoch Multiplex - Anzeige werden mehrere Techniken häufig als Direktantrieb verwendet, da sie Netto-Hardwarekosten haben senken. Die meisten Leute, die Digitaluhren entwerfen, entwerfen sie beispielsweise so, dass, wenn die Uhr auf einer Sieben-Segment-Anzeige "12:34" anzeigt , die Uhr zu jedem Zeitpunkt die entsprechenden Segmente einer der Ziffern einschaltet – alle anderen Ziffern sind dunkel. Die Uhr scannt die Ziffern schnell genug, um den Eindruck zu erwecken, dass sie eine ganze Minute lang "ständig" "12:34" anzeigt. Jedoch wird jedes "Ein"-Segment tatsächlich viele Male pro Sekunde schnell ein- und ausgeschaltet.

Eine Erweiterung dieser Technik ist Charlieplexing, bei dem die Fähigkeit einiger Mikrocontroller , ihre Ausgangspins in Tri-State zu schalten, bedeutet, dass eine größere Anzahl von LEDs angesteuert werden kann, ohne Latches zu verwenden. Bei N Pins ist es möglich, n ² -n LEDs anzusteuern.

Die Verwendung von integrierter Schaltungstechnologie zur Ansteuerung von LEDs geht bis in die späten 1960er Jahre zurück. 1969 stellte Hewlett-Packard den HP Modell 5082-7000 Numeric Indicator vor, ein frühes LED-Display und das erste LED-Gerät mit integrierter Schaltungstechnologie. Seine Entwicklung wurde von Howard C. Borden und Gerald P. Pighini von HP Associates und HP Labs geleitet , die sich zwischen 1962 und 1968 mit Forschung und Entwicklung (F&E) an praktischen LEDs beschäftigt hatten. Es war das erste intelligente LED-Display, das es zu einem a Revolution in der digitalen Display- Technologie, ersetzt die Nixie-Röhre und wird zur Grundlage für spätere LED-Displays.

Polarität

Im Gegensatz zu Glühlampen , die unabhängig von der elektrischen beleuchten Polarität , LEDs wird nur Licht mit dem richtigen elektrischer Polarität. Wenn die Spannung am pn-Übergang in die richtige Richtung weist, fließt ein erheblicher Strom und das Gerät wird in Durchlassrichtung vorgespannt . Wenn die Spannung die falsche Polarität hat, wird das Gerät in Sperrrichtung vorgespannt , es fließt nur sehr wenig Strom und es wird kein Licht emittiert. LEDs können mit Wechselspannung betrieben werden, sie leuchten jedoch nur mit positiver Spannung, wodurch die LED mit der Frequenz der Wechselstromversorgung ein- und ausgeschaltet wird.

Die meisten LEDs haben eine geringe Rückwärtsdurchbruchspannung Ratings, so dass sie auch durch eine angelegte Sperrspannung oberhalb dieser Schwelle beschädigt wird. Schadensursache ist Überstrom durch den Diodendurchbruch, nicht die Spannung selbst. LEDs, die direkt von einer Wechselstromversorgung mit mehr als der Rückwärtsdurchbruchspannung betrieben werden, können geschützt werden, indem eine Diode (oder eine andere LED) invers parallel geschaltet wird .

Der Hersteller gibt normalerweise im Produktdatenblatt Hinweise zur Bestimmung der Polarität der LED. Es gibt jedoch keine Standardisierung der Polaritätsmarkierungen für oberflächenmontierte Geräte.

Pulsbetrieb

Viele Systeme pulsieren LEDs ein und aus, indem sie periodisch oder intermittierend Strom anlegen. Solange die Flimmerrate größer als die menschliche Flimmerfusionsschwelle ist und die LED relativ zum Auge stationär ist, scheint die LED kontinuierlich zu leuchten. Das Variieren des Ein/Aus-Verhältnisses der Pulse wird als Pulsweitenmodulation bezeichnet . In einigen Fällen sind PWM-basierte Treiber effizienter als Konstantstrom- oder Konstantspannungstreiber.

Die meisten LED-Datenblätter geben einen maximalen Gleichstrom an, der für den Dauerbetrieb sicher ist. Oft geben sie einen höheren maximalen Pulsstrom an, der für kurze Pulse sicher ist, solange der LED-Controller den Puls kurz genug hält und dann die Stromversorgung der LED lange genug abschaltet, damit die LED abkühlen kann.

LED als Lichtsensor

Handy IrDA

Neben der Emission kann eine LED als Photodiode bei der Lichtdetektion verwendet werden. Diese Fähigkeit kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich Umgebungslichterkennung und bidirektionaler Kommunikation.

Als Photodiode ist eine LED für Wellenlängen empfindlich, die gleich oder kürzer als die von ihr emittierte vorherrschende Wellenlänge sind. Beispielsweise ist eine grüne LED für blaues Licht und etwas grünes Licht empfindlich, aber nicht für gelbes oder rotes Licht.

Diese Implementierung von LEDs kann zu Designs mit nur geringfügigen Modifikationen in der Schaltung hinzugefügt werden. Eine LED kann in einer solchen Schaltung gemultiplext werden, so dass sie zu unterschiedlichen Zeiten sowohl für die Lichtemission als auch für die Erfassung verwendet werden kann.

Siehe auch

• Joule-Dieb - Stromversorgung einer LED mit 1,5-V-Batterie und Spannungserhöhungsschaltung
• Planck-Einstein-Beziehung - Beziehung zwischen Bandlücke und Photonenfrequenz
• Shockley-Diodengleichung - Beziehung zwischen Durchlassspannung und -strom

Verweise