Iluminar uniformemente una matriz de LED: ¿cómo obtener la salida más homogénea?

Hay dos cosas a considerar al tratar de igualar la salida de luz de varios LED

1. Controlando la corriente a través de cada LED.

2. Compensación de las variaciones de salida de luz entre los LED, incluso cuando funcionan con la misma corriente.

El primero no es tan difícil de garantizar eléctricamente. La forma de fuerza bruta para garantizar la misma corriente a través de todos los LED es ponerlos en serie. Eso requerirá el voltaje de accionamiento más alto, pero las corrientes serán iguales.

No está claro si también le importan las variaciones en la intensidad de la luz entre los LED que funcionan con la misma corriente. Si es así, se vuelve más complicado porque estas variaciones, por su propia naturaleza, son dispositivo por dispositivo y no pueden conocerse más que mediante pruebas explícitas.

La respuesta de primer orden es simplemente conectar los LED en serie con una resistencia, usando una fuente de voltaje lo suficientemente alta.

La respuesta de segundo orden es hacer lo mismo pero comprar específicamente LED que coincidan, o comprar una gran cantidad y encontrar los que coincidan usted mismo. Los fabricantes de LED miden de forma rutinaria la salida de luz de los LED individuales y los "agrupan" según el brillo. Comprar un conjunto de LED agrupados con el mismo brillo es más complicado y puede requerir trabajar con su distribuidor o directamente con el fabricante de LED si los volúmenes son lo suficientemente altos.

La respuesta de tercer orden es recortar la salida de luz de cada LED por separado. Para hacer esto, necesitará algún medio para medir la luz de los LED individuales y para ajustar la corriente a través de los LED individuales. Este es obviamente el enfoque más complicado y requiere la mayoría de las partes, pero produce la mejor combinación.

Hay varias formas de recortar la salida de luz de cada LED. Cuál es el apropiado depende mucho de los parámetros que no nos ha proporcionado, como la cantidad de LED y qué tan cerca está el "cierre". Además, ¿qué tan automatizado debe ser el proceso de recorte? ¿Es esto algo que un técnico puede hacer laboriosamente una vez, o debe ser fácil de hacer por personas no calificadas en momentos imprevistos?

Agregado:

Finalmente tenemos una especificación que dice que la salida de luz de cada LED puede variar hasta un 5% del valor nominal. Eso es bastante apretado. Un ser humano no sería capaz de ver una diferencia del 5% en la intensidad incluso cuando los dos LED se ven uno al lado del otro. Por lo tanto, esto es más estricto de lo que creo que puede obtener comprando LED agrupados. Puede que me equivoque, así que consulte con algunos distribuidores o fabricantes. Sin embargo, continuaré aquí asumiendo que no puede comprar LED tan cerca entre sí en brillo y, por lo tanto, se requiere un recorte individual.

No dijo qué tipo de LED usará ni un enlace a una hoja de datos, así que haré este ejemplo para los LED verdes ordinarios con una corriente sostenida máxima de 20 mA y una caída directa de 2,1 V. La misma topología funcionará para otras corrientes y caídas directas, pero por supuesto requerirá diferentes valores en el circuito.

Aquí hay un circuito por LED que debería permitirle obtener lo que desea:

El suministro de "3,3 V" está diseñado para estar bien regulado y se usa como referencia de voltaje. El suministro de 5V no necesita ser muy preciso, e incluso se puede tolerar una ondulación significativa. La manera fácil de obtener ambos es salir y comprar un suministro de 5 V, luego usar un regulador lineal para obtener los 3,3 V.

Este circuito funciona utilizando el transistor bipolar como sumidero de corriente. Está explotando el hecho de que la corriente del colector varía poco en función del voltaje del colector siempre que el voltaje del colector esté por encima de un mínimo, como 1 voltio más o menos. El voltaje base se ajusta mediante la cadena divisora ​​R4-R3-R2 para mantener alrededor de 1 voltio en R1, lo que mantiene la corriente del LED cerca de 20 mA.

Con 1 V en R1, el colector debe tener al menos 2 V para mantener el transistor regulando bien la corriente. En este ejemplo, el LED cae 2,1 V, por lo que el suministro mínimo de "5 V" puede ser de 4,1 V. Los voltajes más altos también funcionarán, pero provocarán una mayor disipación. Cualquier suministro de 5 V regulado listo para usar debería funcionar bien aquí. Dado que desea admitir hasta 22 LED y cada uno consumirá 20 mA, el suministro debe poder generar 440 mA solo para los LED. Dejando espacio para otros 2 mA por LED para el circuito de control, el requisito de corriente es cercano a 1/2 A. Por lo tanto, un suministro de 5 V 1 A puede hacer esto fácilmente. Afortunadamente esos son baratos y disponibles.

Para recortar esto, baje todos los potenciómetros R3 al mínimo (el limpiaparabrisas está efectivamente entre R3 y R2), luego encienda. Use un voltímetro para ajustar cada R3 de modo que el R1 correspondiente tenga 940 mV a través de él. Este paso garantiza que ninguno de los LED esté sobrecargado, pero todos estén cerca de su límite superior. Ahora da la vuelta y mide la salida de luz de cada LED para encontrar el más tenue. Luego ajuste R3 de todos los LED restantes para que coincida con esa salida de luz.

Una forma de medir la salida de luz relativa sería con un fotorresistor CdS en un puente de Wheatstone accionando un voltímetro. Si coloca un potenciómetro pequeño en el puente, puede recortarlo para obtener una salida nula del LED más tenue y luego ajustar los demás para obtener esa salida nula. En cualquier caso, hay varias formas de medir la luz, por lo que profundizar en eso es un tema secundario de esta pregunta.

Un par de comentarios sobre la parte óptica de su proyecto:

Tanto la parte eléctrica como la óptica del proyecto son importantes, pero no podrá lograr una salida óptica homogeneizada incluso con una electrónica de transmisión perfecta a menos que se preocupe por la parte óptica del diseño que, a su vez, puede limitar la forma en que planea construir/ conducir el dispositivo.

Cada LED emitirá un patrón de intensidad feo del que será difícil crear un haz homogeneizado. La forma de corregir esto es con un homogeneizador. Hay muchos tipos diferentes de homogeneizadores disponibles, pero su utilidad depende de sus requisitos y la aplicación.

Cinta mágica barata. Funciona muy bien para muchas aplicaciones, incluidos los LED. En serio, esto funciona muy bien.

Difusor de vidrio esmerilado también barato. Altamente Transmisivo. Dará una forma de salida más gaussiana que lambertiana.

Esfera integradora: Caro. Ideal para crear fuentes lambertianas y para detección. Múltiples reflejos dentro de una esfera recubierta con una capa blanca altamente reflectante generan un haz muy homogeneizado.

Difusores holográficos Similares a los difusores de vidrio pero con formas de salida personalizadas y mayor transmitancia. Más caro que el vidrio más barato que una esfera integradora.

¿Cuál es la mejor manera de tener el mismo brillo de todos los LED?

Hay tres opciones: -

1. Acepte las diferencias de fabricación en la intensidad de la luz entre los LED en un lote que compre
2. Use un medidor de luz y calibre/pruebe cada uno en una fuente de corriente de precisión y prepárese para desechar el 50 % que no sea "suficientemente bueno".
3. Coloque resistencias variables en serie con cada una y cablee en paralelo. Ajuste la resistencia para que coincida con la salida de luz con el resto.

Final de.

¿Cuál es la mejor manera de tener el mismo brillo de todos los LED sin usar un voltaje peligroso?

Lo mejor depende de qué tan complejo te vuelvas y qué tan combinado necesites. Un método simple para un proyecto único es tomar un montón de LED, digamos 4 cadenas paralelas de 4 en serie con una resistencia adecuada en cada una. Enciéndelos, luego muévelos con la mano para que coincidan con cada hilo. Una vez que haya hecho lo mejor, comience a ajustar las resistencias hasta que las 4 cuerdas coincidan. Un pequeño trimpot sería útil. Es posible que necesite más de 16 LED, si algunos son completamente inigualables.

He hecho esto con 7 leds individuales para un escáner larson. Algunos de mis ledes rojos simplemente no tienen el mismo tono de color.

Y solo por curiosidad, ¿cuál es la mejor manera, sin importar el voltaje o el consumo de energía?

De nuevo, depende de tus necesidades. Puede usar un IC de control de LED digital que tenga coincidencia de corriente, así como corrección de punto de canal individual.

Debería preocuparse más por la parte óptica de su dispositivo de fuente de luz.

Su circuito será bastante homogéneo.

Puede usar resistencias con una tolerancia del 1% si desea más precisión

o

compre más resistencias del 5 %, mídalas todas y solo elija las resistencias más cercanas a 100 ohmios.

Suponiendo que sus resistencias sean similares y que sus LED coincidan bien, el circuito que ha mostrado dará el mismo brillo.

Sin embargo, debido a que existen diferencias de fabricación entre los LED y las resistencias, no será exactamente igual. Podrías hacer un poco de coincidencia de voltaje entre los LED para que sean iguales. Básicamente, coloque una resistencia adecuada en línea con el LED y mida la caída de voltaje real. Coloque los LED en serie para que la caída de voltaje total entre cada conjunto de LED sea lo más cercana posible.

Sin embargo, es bastante simple manejarlo con voltaje de línea. Si usó 40 LED, caerían 108 voltios, y para bajar los 12 voltios restantes se necesitaría una sola resistencia de 120 ohmios. Eso disiparía 1,2 vatios. Sugeriría usar tres resistencias de 39 ohmios y 1/2 vatios en serie.

Esto le da 100 mA a través de cada LED.

También recomendaría un rectificador de onda completa, para reducir el parpadeo.

Puede ser posible usar un controlador multicanal con corrección de puntos como el TLC5940 y ajustar la corrección de puntos de cada canal individualmente hasta que cada LED tenga el mismo aspecto. El '5940 puede absorber hasta 17 V y 120 mA cuando V _CC está por encima de 3,6 V.

Primero, puede pedirle al fabricante de LED que le proporcione el mismo contenedor.

No sé acerca de su LED en particular, pero a menudo, cuando el modelo de LED está destinado a la iluminación, el fabricante puede proporcionar LED que tengan los mismos parámetros eléctricos y ópticos. Para ser simple: el fabricante clasifica el LED. Puede solicitar tener todos sus LED del mismo "contenedor". Tendrán unas diferencias muy reducidas entre ellos. Luego, usando una resistencia de precisión en serie con ellos, puede lograr un brillo muy similar. Si, y solo si, están acoplados térmicamente. Tienen que estar todos a la misma temperatura. Y estoy seguro de que su configuración no está optimizada para garantizar que la disipación térmica sea idéntica para todos los LED.

La segunda solución sería agregar una resistencia recortada con láser en serie, luego pedirle al fabricante de su módulo que la recorte hasta que el LED haya alcanzado un brillo determinado. Pero esto no es suficiente para garantizar la misma iluminación entre los dos LED que se encuentran en la misma rama. Solo clasificándolos y asegurando un acoplamiento térmico se puede lograr. Al menos si se requiere quedarse con su topología propuesta...

Ninguna de las soluciones abordó la variación de la intensidad luminosa de cada LED de 20 grados de ancho de haz. Dado que el conjunto de LED es cuadrado o hexagonal, no importa qué tan bien coincidan sus LED cuando varían un 50 % a +/-10 grados. Imagine el patrón de hoyuelos con superposición. Estás tratando de poner un cono redondo de luz en un patrón cuadrado. No funcionará.

Su única solución es usar un solo LED de matriz lambertiana de 10 W y agregar un gran difusor / lente de enfoque de Edmund Scientific para brindar un gran haz de luz recto a través de su objetivo y recortar el área exterior debajo de la cual está fuera de tolerancia. (brillo insuficiente)

Alternativamente, use una gran variedad de luz adicional para tener en cuenta las pérdidas de transmisión y una película difusora para hacer una onda plana de luz, como el techo de los tubos FL. Eso funciona pero con mucha pérdida.

Todos los elementos del circuito que están en paralelo experimentarán la misma diferencia de potencial entre ellos. Ahora comience con los LED, los LED que estoy usando actualmente (en un proyecto personal) http://uk.rs-online.com/web/p/visible-leds/7134888/tienen un "voltaje directo" de alrededor de 4V y una corriente máxima absoluta de 80mA por LED. He agregado resistencias para que al usar el canal RG o B, o alguna combinación de ellos, la resistencia a lo largo de cada ruta a tierra (cada rama paralela) sea igual. Debe considerar que cuando tiene múltiples elementos en paralelo (o múltiples caminos paralelos a tierra) la corriente tomará el camino de menor resistencia. Si actualiza su pregunta con la hoja de datos del LED que desea usar y dice cuántos de ellos necesita, entonces puedo sugerir un diseño. Como dice Eric Gunnerson, algún tipo de rectificador/suavizado es una buena idea.

Ciertamente no soy un experto, pero creo que esta otra respuesta sobre la eficiencia con el uso de circuitos lineales y de modo conmutado está estrechamente relacionada con lo que está buscando.

¿Cómo puedo conducir eficientemente un LED?

Entiendo que en su pregunta no le importa explícitamente la eficiencia per se. Pero el circuito de modo conmutado brinda una salida constante independientemente de las variaciones en la entrada.