La necesidad de la corriente constante en el conducción LED

La velocidad de salida de la luz es un dispositivo controlado por la corriente. Su brillo depende directamente de la corriente de salida, no del voltaje de suministro. Mientras que cada LED tiene una tensión de avance característica (VF), este parámetro cambia con la temperatura (aproximadamente −2 mV/°C), tolerancias de fabricación y envejecimiento.

Operación fundamental de un convertidor de tensión a nivel

Un convertidor voltaje a corriente, a menudo llamado amplificador de transconductancia, produce una corriente de salida que es directamente proporcional a una tensión de entrada e independiente de la impedancia de carga. Cuando un op‐amp se configura con retroalimentación negativa, obliga a los voltajes en su invertido y no-invertir entradas a ser igual. Al insertar una salida de sensor actual en la trayectoria de retroalimentación, el ajuste predecible

Topología de un solo proveedor con transistor de pase

El circuito más simple utiliza una unidad de carga, una resistencia al sentido y una unidad NPN [LT] en la línea de alimentación [FLT] [FLT]

Esta configuración mantiene la resistencia sensorial referencia a tierra, que simplifica la operación de un solo soporte. El transistor pasa las corrientes que exceden la capacidad de salida del dispositivo. La caída de tensión de base del transistor o de código de entrada se compensa automáticamente por el bucle de retroalimentación del op‐amp, preservando la precisión. Para las corrientes muy bajas (bajo 20 mA), una salida transelimentada

Seleccionar el amplificador operativo adecuado

Elegir el op‐amp es crítico para lograr el rendimiento deseado.

  • ]Profundidad de tensión de entrada común: Debe cubrir el rango de tensión de control, a menudo hacia tierra para diseños de solas. Los op-amps de entrada de ferrocarril a carril son necesarios cuando Vin puede ser tan bajo como 0 V.
  • Corriente de oscilación y de conducción de salida: Sin transistor de pase, el op-amp debe suministrar la corriente LED completa.Esto limita el uso a LEDs de baja corriente.
  • ]El circuito de velocidad y ancho de banda es muy importante para el atenuación de PWM; el circuito debe responder rápidamente a las transiciones de tensión sin demoras o distorsión excesivas. Una tasa de arrastre de unos pocos V/μs y un producto de ancho de ganancia de 1–10 MHz son típicos.
  • ] Tensión de corriente y deriva: El offset bajo minimiza el error de corriente estática, y la baja deriva mantiene la precisión sobre la temperatura. Para una precisión del 1% a 350 mA, es deseable un desplazamiento inferior a ±2 mV.
  • Tensión de volumen y corriente quiescente:] Crítica en diseños a batería. Elige una op-amp con corriente quiescente baja y una gama de suministro que aloja el voltaje de cadena LED más el auricular.

Ejemplos de op‐amps de precisión adecuadas incluyen los Instrumentos de Texas OPA2348] y los Dispositivos de Analógico ADA4051-1], ambos tipos de cero-robo que se destacan en los diseños de fuentes actuales.

Topologías avanzadas para aplicaciones de demanda

El circuito básico funciona bien para muchas tareas, pero las aplicaciones más difíciles se benefician de configuraciones que soportan cargas flotantes, corrientes bipolares o una mayor estabilidad.

La bomba actual de Howland mejorada

La bomba de corriente HowLTland es un circuito clásico de la fuente de la corriente que ofrece una corriente constante a una carga terrestre utilizando suministros individuales o duales. Emplea una red de cuatro resistores alrededor del op-amp para crear una fuente actual con la corriente de salida Iload] = Vin

Conducir LEDs de alta potencia con transistores externos

Los LEDs que requieren cientos de milliamps o varios amplificadores necesitan un MOSFET o BJT de potencia emparejado con el op‐amp. Un arreglo típico coloca un MOSFET N-canal en el bucle de retroalimentación: la fuente se conecta al resistor sensor de sentido, el drenaje a la caucho LED, y el LED se une al carril de suministro.

Cuando se utiliza un BJT, se requiere una resistencia de base, y la corriente base introduce un pequeño error porque el resistor de sentido lleva tanto el LED y las corrientes de base. Para los transistores de alta ganancia (β √Ī 200), el error es insignificante, pero para el trabajo de precisión un par Darlington o un MOSFET es mejor. Para las corrientes muy altas, seleccione un MOSFET de potencia con un bajo umbral de puerta tensión (tipo de calor adecuado).

Calculación de valor de componentes y un ejemplo de diseño práctico

Diseñar un práctico controlador LED de voltaje a corriente comienza con especificaciones claras. Considere la posibilidad de conducir un LED de alta tensión a 350 mA de un suministro de 12 V, controlado por un voltaje analógico de 0.1 V a 1.0 V (representando 0 % a 100 % de corriente). Utilizaremos una topología de resistencia sensorial referencia terrestre con un MOSFET N-channel.

Paso 1: Elija el Resistor del Sentido

A la entrada a gran escala Vin,max = 1.0 V y corriente deseada 350 mA, R]sense = 1.0 V / 0.35 A = 2.857 Ω. Un valor estándar 1 % de 2.87 Ω es adecuado. La disipación de potencia es I2R = (0.35 WR)2 × 2.87

Paso 2: Seleccione el MOSFET

La salida de la corriente de drenaje debe exceder los 350 mA, y el voltaje de la fuente debe manejar el suministro más los transitorios (como por ejemplo 12 V). Un modulo N-canal de nivel lógico como el ⁇ a href="https://www.vishay.com/docs/63201/si2302.pdf" target=" blank" noreferrer de salida noopener"

Paso 3: Elija el Op‐Amp

El op‐amp debe operar desde un solo 12 V de raíl, aceptar voltajes de entrada tan bajos como 0.1 V, y tener una salida que puede subir varios voltios sobre el suelo para encender el MOSFET. Entrada de ferrocarril a la entrada / salida (RRIO) op-amps como el OPA191 o TLV2371 funcionan bien. Para PWM de regulación hasta 1 kHz, una unidad de banda de 1-gain.

Paso 4: Verificar el equipo de control y el presupuesto térmico

El calor de la caja fuerte del LED a 350 mA es de aproximadamente 3.2 V, el voltaje de la fuente de drenaje MOSFET es VDS = 12 V – 3.2 V – 1.0 V (en R]] Sentido) = 7.8 V. La potencia desechada en el MOSFET es de 0.35 A × 7.8 V

Asegurar la estabilidad: compensación y rechazo de ruido

Los circuitos de óptica que conducen cargas capacitivas, como la capacitancia de la puerta MOSFET y la capacitancia parasitaria del LED, son propensos a la oscilación. Varias técnicas aseguran un funcionamiento estable:

  • Resistente de la sal (R]g):] Un pequeño resistor (10 Ω a 220 Ω) en serie con la puerta MOSFET aisla el op-amp de la capacitancia de la puerta.
  • Condenador de alimentación (C]f):] Un pequeño condensador (unos pocos pF a 100 pF) en paralelo con el camino de retroalimentación desde el resistor sensor hasta el inversor crea un polo que mejora el margen de fase (reducción de cuentas).
  • Minimizar la inductancia de trazas: Mantenga la resistencia sensorial cerca de las entradas de op-amp, utilice caminos cortos de alta corriente y emplee un plano sólido de tierra.
  • Descoupling: Colocar un condensador de cerámica de 0.1 μF directamente a través de los pines de potencia de op-amp, más un electrolítico de 10–47 μF más grande cerca.

Para un tratamiento integral de la estabilidad, vea la nota de aplicación de Analog Devices Fuentes actuales estables de DC, que analiza la compensación por las cargas inductivas y capacitivas.

Gestión térmica en la práctica

El calor generado por los componentes del LED y del conductor debe ser manejado para mantener la regulación actual y extender la vida útil. El coeficiente de temperatura del resistor del sentido puede introducir la deriva si el autocalentado cambia su resistencia. Resistencias de película de metal o precisión delgadas con bajo TCR (por ejemplo, ±50 ppm/°C) se recomiendan.

El op‐amp disipa poca potencia, pero el transistor pasa maneja la mayor parte de la carga térmica. Siempre comprueba las máximas calificaciones de potencia y proporciona suficiente área de cobre PCB para la propagación del calor. Para los arrays de alta potencia, un ventilador o un distinto sintonizador de calor conectado al sustrato LED puede ser necesario. Posicionar el resistor de sentido lejos de los componentes calientes por lo que su temperatura no se des deriva significativamente.

Métodos de regulación: analógico y PWM

El brillo LED puede controlarse por variar la corriente de la unidad (disminución del analógico) o pulsando la corriente a un nivel fijo alto mientras se ajusta el ciclo de servicio (dimming de PWM). El convertidor de tensión a corriente se sobresale en regulación analógica porque la corriente de salida rastrea linealmente el voltaje de entrada. Sin embargo, a las corrientes muy bajas (bajo 10 % de la escala completa), la cromatidad del LED puede cambiar y degradar.

El regulación PWM mantiene una temperatura uniforme de color manteniendo la constante de corriente máxima. Implementar PWM con este circuito requiere un cambio rápido. Si el op‐amp no puede responder rápidamente, utilice un interruptor analógico para modular el camino LED mientras mantiene la fuente actual activa, o conducir la puerta MOSFET con un comparador de alta velocidad. Para frecuencias moderadas (bajo unos pocos kHz), un control de flujo de salida de nivel de la velocidad y un control de regulación de Vμ

Directrices de diseño PCB para una operación fiable

El diseño de PCB cuidadoso es esencial para el control de corriente LED estable y preciso:

  • Coloque los componentes de resistencia y retroalimentación de sentido lo más cerca posible a los pines de entrada de op-amp para minimizar la resistencia y la inductancia parasitarias.
  • Usa una conexión de cuatro hilos para el resistor sensorial: ejecuta trazas de sentido separadas directamente desde las almohadillas de resistencia a las entradas de op-amp, eliminando errores de resistencia al cobre.
  • Mantenga caminos de alta corriente (LED, MOSFET, resistor de sentido) anchos y cortos para reducir las gotas de tensión y los picos inductivos.
  • Potencia separada y terrenos analógicos con un punto de tierra estrella para evitar que el ruido digital se acopla al bucle de retroalimentación.
  • Agregue un diodo de protección inversa a través del LED si es posible reversal de polaridad, y considere un diodo Zener para fijar la entrada op-amp durante la desconexión de carga.
  • Proporcionar condensadores de bypass de cerámica 100 NF en cada pin de suministro de op‐amp, más un electrolítico de 10 μF cerca.

Comparando Discreta los controladores Op‐Amp a los CIs de conductores LED integrados

Los IC de controlador LED integrado combinan la regulación actual, regulación de regulación, protección de fallas y a menudo conversión DC-DC en un solo paquete. A pesar de su comodidad, un convertidor de tensión de op-amp discreto a corriente sigue siendo atractivo en varias situaciones:

  • Funciones de transferencia de átomos: Cuando la relación entre el voltaje de control y la corriente LED debe ser ajustada, por ejemplo, una curva logarítmica, un circuito op-amp puede adaptarse fácilmente.
  • ] ruido ultra-bajo o alta precisión: Los diseños basados en op-amp pueden lograr una estabilidad más baja y más duradera que muchos controladores integrados de bajo coste.
  • Valor educativo y flexibilidad prototipadora: Construir el circuito de partes genéricas permite una rápida iteración y una comprensión más profunda del bucle de retroalimentación.
  • ] Disponibilidad y costo: En sistemas de alta fiabilidad o legado, la contratación de un op-amp estándar y unos pocos pasivos puede ser más fácil que encontrar un CI de conductor específico, posiblemente obsoleto.

Para una comparación más amplia de los métodos de conducción LED, el artículo de la revista de LEDs sobre los controladores LED ofrece una visión general de los enfoques lineales, de conmutación e híbridos.

Características de protección y mejora de la robustness

Los circuitos del mundo real deben sobrevivir la desconexión de carga, la sobrevoltaje de entrada y la polaridad inversa. Cuando se elimina la carga LED, la fuente actual puede intentar mantener la corriente conduciendo el MOSFET completamente, potencialmente dañando al transistor. Un diodo Zener (por ejemplo, 12 V) de la salida op-amp a las abrazaderas de tierra el voltaje de la puerta.

La protección de la sobrevoltaje de entrada se puede implementar con un resistor de serie y diodos Schotky que sujetan el voltaje de control a los carriles de suministro. Para la protección de la batería inversa, utilice un circuito de diodo ideal basado en MOSFET o un diodo de serie (a costa de una pequeña caída de tensión).

Multi canales LED conductores para el compartimiento de corriente uniforme

Al paralelo múltiples cadenas LED de una sola fuente actual, pequeñas variaciones en el voltaje de avance causan una distribución de corriente desigual y posible fuga térmica. En lugar, cada cadena debe tener su propio fregadero de corriente de op-amp, todos referenciados a la misma tensión de control. Esta arquitectura es común en aplicaciones de retroiluminación y visualización. Payut analog op.

Pruebas y validación del conductor

Antes de la implementación, verifique la precisión de regulación actual en todo el rango de tensión de control. Use un resistor de precisión (por ejemplo, 2,87 Ω, 0,1%) como resistor de sentido y mida el voltaje a través de él con un multimetro calibrado. Compare la corriente medida al esperado I = Vin]/R[FET overt]

Conclusión

Un convertidor de tensión a corriente construido alrededor de un amplificador operativo ofrece un método versátil, preciso y confiable para conducir LEDs con una corriente constante. Desde el circuito de resistencia sensor de sentido más simple referencia a tierra hasta las bombas de corriente de Howland, el bucle de retroalimentación de op‐amp compensa las variaciones de carga, efectos de temperatura y tolerancias de componentes, asegurando una salida óptica estable.