Multiplexación de matriz LED: corriente de hundimiento/fuente + brillo LED

Respuesta corta primero

La respuesta breve a su pregunta general es que proporciona interruptores activos en el lado del ánodo con disipadores de espejo de corriente activos en el lado del cátodo para limitar la corriente; o bien, proporciona interruptores activos en el lado del cátodo con fuentes de espejo de corriente activa en el lado del ánodo para limitar la corriente. Si todo eso tiene mucho sentido para ti, entonces no hace falta decir nada más.

Respuesta un poco más larga

Hay mucha información disponible para convertir un MOSFET o un BJT en un interruptor activo. Puedes usar cualquiera para el propósito. Por lo general, la elección está determinada por una serie de factores que incluyen las corrientes máximas involucradas, la disponibilidad de piezas, las características, el soporte del fabricante, las variaciones de piezas que deben administrarse, el costo y más.

También hay mucha información disponible sobre los espejos actuales. Y esto es lo que se usa dentro de los sofisticados circuitos integrados que se utilizan para controlar algunas pantallas LED. Nuevamente, un espejo actual puede estar compuesto por MOSFET o BJT. Y de nuevo, lo que elijas usar dependerá. Pero dado que existen circuitos integrados, debería investigar el tema. Si estuviera haciendo este tipo de proyecto, probablemente evitaría "volverme discreto" (a menos que quisiera probar algo) porque un espejo actual hecho en un IC es mucho mejor que uno hecho con partes discretas. Dicho esto, hay circunstancias en las que no tiene más remedio que usar partes discretas. Entonces, como todo, no hay líneas brillantes.

Definitivamente debería mirar a través de todas las ofertas de IC para conducir LED. ¡No se limite a los registros de desplazamiento de serie a paralelo! Hay circuitos integrados realmente buenos disponibles para proporcionar límites de corriente configurables para sus necesidades de conducción de LED y que funcionan muy bien para aplicaciones como la suya. Si aún no lo ha hecho, eche un vistazo y aprenda sobre los diversos circuitos integrados que están disponibles para ayudar. A menudo incluyen el registro de desplazamiento, así como muchas otras características útiles.

El video TLV431 que mencionaste funciona para un LED. (Sin embargo, también puede usar ese enfoque con BJT o MOSFET discretos para una mayor cantidad de ellos, si sabe cómo reflejar las corrientes con partes discretas). Pero probablemente no sea una solución tan buena como usar IC (siempre que los circuitos integrados admiten el rango actual que necesita, por supuesto). E incluso para el enfoque de un LED, creo que el TLV431 es excesivo. (Tengo miles de variedades diferentes del TLV431, más de las que probablemente usaré en lo que me queda de vida. Me encantan los dispositivos y los uso. Pero no de esta manera).

Tu LED

No hay muchos datos en esa hoja de datos que proporcionó. Todo lo que dice es que si hay una corriente directa de$20\:\text{mA}$entonces el voltaje a través del LED puede ser tanto como aproximadamente$2.5\:\text{V}$con un valor más típico de$2.0\:\text{V}$. (No hay nada en el límite inferior, pero dudo que pueda ser mucho más bajo que$1.8\:\text{V}$.) Así que esa es probablemente mi suposición acerca de este LED en funcionamiento continuo. Y este amplio rango de voltaje significa que las piezas son prácticamente cualquier cosa que sale de la FAB y cumple con algunas especificaciones muy básicas que se venden sin ningún tipo de agrupamiento adicional.

También puede ser interesante leer lo que escribí aquí sobre la regulación de corriente LED usando una resistencia. Dadas las posibles variaciones porcentuales de voltaje entre los LED, su deseo de sobrecargarlos seriamente y el hecho de que sus opciones de IC sugieren una$5\:\text{V}$voltaje del riel de alimentación, no creo que deba confiar en una resistencia para el propósito de limitar la corriente.

Enfoque general

En general, el enfoque de multiplexación se ve así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

(El esquema anterior muestra interruptores de lado alto con sumideros de corriente de lado bajo. También podrían haber sido interruptores de lado bajo con fuentes de corriente de lado alto).

El$X_i$Las líneas son líneas de habilitación de interruptores. No más de uno de estos debe estar habilitado a la vez. Estos interruptores deben poder transportar la suma total de las corrientes de LED sobrecargadas y multiplexadas en su grupo, ya que puede habilitar cero, uno o todos los$Y_j$líneas de sumidero de corriente cuando un$X$-el interruptor está encendido.

Estos$X$-los interruptores tienen que soportar esa suma de corriente máxima y hacerlo sin caer mucho voltaje. Hay dos razones principales para esto.

1. Mantener la caída de voltaje del interruptor lo más pequeña posible le permite usar una magnitud de riel de voltaje más baja. Esto significa una potencia más baja admitida para la fuente de alimentación. Lo que significa más barato, más fácil, mejor, etc.
2. Mantener la caída de voltaje del interruptor lo más pequeña posible significa menos disipación desperdiciada en los interruptores (lo que significa disipadores de calor más pequeños, menos flujo de aire requerido, piezas más baratas, etc.) y en las secciones del disipador actual (lo que nuevamente significa más barato, más fácil, mejor).

(El$Y_i$son líneas de habilitación de sumidero de corriente, por supuesto).

Lo primero que debe decidir es la cantidad de sobremarcha actual que puede tolerar en los LED. Por lo general, si un LED está destinado a la multiplexación (o, al menos, el fabricante quiere ampliar su mercado para ellos), la hoja de datos incluirá al menos alguna información con un caso de ejemplo con corrientes más altas que recomiendan considerar.

Tu LED, revisado

En su caja de LED, el fabricante dice "APTO PARA INDICADOR DE NIVEL" y dice en "CLASIFICACIONES MÁXIMAS ABSOLUTAS" (en$25^\circ\,\text{C}$) eso$I_\text{F}\le 30\:\text{mA}$. (Eso es continuo.)

Agregan, en las "CALIFICACIONES MÁXIMAS ABSOLUTAS", que$I_\text{F}\le 160\:\text{mA}$. Y sí, tienen una nota al pie sobre cómo lograron esa especificación máxima absoluta. Pero no interpreto que eso signifique que en realidad deba operar el dispositivo en cualquier lugar cerca de esa especificación máxima absoluta. Después de todo, figura en la sección de calificaciones máximas absolutas. ¿Quizás la mitad de eso? Pero supongo. Si desea averiguarlo, debe comunicarse con el fabricante (directamente o a través de un representante) y obtener una respuesta. También debe preguntarles si tienen información detallada sobre el rango de voltaje de los LED cuando funcionan con corrientes de pulso superiores a las continuas.

Incluso con una respuesta del fabricante, debe "confiar, pero verificar". Esto significa comprar algunos y sentarse en un banco para realizar pruebas. Si todo lo que tiene es un voltímetro/amperímetro, puede hacer todas las pruebas requeridas. En ese caso, realice pruebas breves para no poner el LED en temperaturas de funcionamiento inseguras. Por lo tanto, solo mantenga el LED activo el tiempo suficiente para "obtener una lectura" y luego apáguelo inmediatamente y deje que se enfríe antes de intentar otra prueba.

Necesitas información. Y la hoja de datos realmente no lo proporciona para su uso.

Pero no diseñe para la "calificación máxima absoluta" de un dispositivo. Esa no es una buena práctica.

En este punto, tengo que detener cualquier pensamiento adicional. No puedo recomendar un enfoque aquí ya que no tengo números con los que trabajar.

Nota:

Usted mencionó 16 LEDrings / 16 Encoders Control Surface PCB como un proyecto similar al suyo. Creo que esto es maravilloso. Es muy atractivo pero también útil y está diseñado teniendo en cuenta los factores humanos. Me gusta eso. Pero también notaste en esa página un comentario:

"Dado que Tk descubrió un problema de brillo con algunos LED rectangulares de 5x2x7 mm, nos pareció útil crear una lista de LED que se probaron con éxito o sin éxito".

La percepción del brillo es otro tema complejo. Mi experiencia es que diferentes LED, incluso del mismo lote, pueden tener percepciones de brillo lo suficientemente diferentes en un entorno oscuro (o también iluminado) que no pueden funcionar correctamente con exactamente la misma corriente cuando se usan en una sola pantalla. Los fabricantes de LED que crean pantallas de 7 segmentos u otros dispositivos similares harán todo lo posible para colocar previamente sus LED en contenedores antes de ensamblar una sola pantalla. Y cuando estas pantallas se puedan usar en combinación, agruparán todos los sistemas de pantalla para que sus clientes puedan estar seguros de que cuando coloquen la pantalla 1 junto a la pantalla 2 en, por ejemplo, un panel de instrumentos de un avión, todos los LED "se verán el mismo brillo" cuando está en funcionamiento. Resulta (o al menos durante esos años en los que estuve involucrado hace una década) que los FAB simplemente no son lo suficientemente buenos para producir LED idénticos incluso en la misma oblea. La percepción humana es muy, muy buena y puede detectar diferencias sutiles.

Si realmente quería producir hermosos sistemas de pantallas LED como este, tiene algunas opciones.

Puede comprar dispositivos LED preestablecidos (existen) donde el fabricante ha hecho todo el trabajo por usted y todo lo que necesita hacer es suministrar las mismas corrientes de pulso en su sistema multiplexado y todos los LED se verán muy iguales y muy profesional. Esto está bien si solo construye un sistema de visualización. Pero suponga que tiene que construir otro dentro de un año. ¿Podrá el fabricante darle exactamente el mismo LED agrupado la próxima vez que haga un pedido? Tal vez. Tal vez no. Algunos fabricantes tendrán mucho cuidado con la agrupación y proporcionarán valores codificados, lo que significa que realmente puede volver a pedir dispositivos similares. Pero no todos hacen eso por ti. Sólo otra cosa a considerar.

También puede simplemente comprar LED de bolsa de sorpresas (sin agrupamiento previo) y, en su lugar, planear escribir un software que tenga un valor de "calibración" que sea único para cada LED que multiplexará. Todavía usa exactamente las mismas corrientes en todos los LED (usando circuitos integrados que hacen esto fácilmente por usted), pero ahora "ajusta" el ancho de pulso de manera diferente para cada LED.

En este último caso, supongamos que tiene un sistema de multiplexación con esos interruptores y sumideros de corriente que mencioné en el enfoque general anterior. Los sumideros actuales están listos para, digamos,$80\:\text{mA}$(y sus interruptores pueden manejar su carga máxima muy bien) porque usará un$\times 4$enfoque de multiplexación (25% para cada intervalo de tiempo). Supongamos que está utilizando un$1\:\text{kHz}$tasa, de modo que cada segmento de tiempo es$250\:\mu\text{s}$. Esto significa que, sin calibración involucrada, operaría un LED (si está encendido ) en$80\:\text{mA}$para$250\:\mu\text{s}$, con un tiempo muerto de$750\:\mu\text{s}$antes de volver a ese LED en el proceso de multiplexación.

Si ahora agrega una función de calibración de LED a esto, una forma podría ser construir todo el sistema con LED aleatorios y luego identificar cuál de ellos era el menos brillante . Que uno obtiene el tiempo completo de$250\:\mu\text{s}$. Ahora revisaría todos los LED cercanos y ajustaría su tiempo hacia abajo desde allí hasta que aparecieran con el mismo brillo. De esta manera, con períodos de tiempo únicos por LED, podrá hacer que todos tengan el mismo aspecto.

Si necesita hacer que diferentes paneles ajustados de manera similar se vean todos iguales, entonces establecería el límite actual establecido (que sugerí que podría ser$80\:\text{mA}$anterior) a un valor diferente. Al proporcionar la capacidad de ajuste de "establecer corriente", se permite una manera de hacer que todas las pantallas se vean iguales si se colocan en el mismo sistema más grande.

Como puede ver, nada de lo anterior se puede hacer razonablemente "con resistencias".

COMPRAR ESTE LIBRO

Si bien hay muchos libros sobre este tema, hay uno y solo un libro de texto público fundamental sobre el tema:

    Optoelectronics/
    Fiber-Optics Applications
    Manual    Second Edition
    
    Prepared by The Applications Engineering Staff of the
    HEWLETT-PACKARD OPTOELECTRONICS DIVISION

    Stan Gage, Applications Engineering Manager       Hans Sorensen, Applications Engineer
    Dave Evans, Applications Engineer                 Dick Jamison, Applications Engineer
    Mark Hodapp, Applications Engineer                Bob Krause, Applications Engineer

    McGraw-Hill Book Company
    1981 (and 1977 for the first edition)

Su pregunta me sugiere que se está embarcando en un viaje del cual, tal vez por consideración a nuestro tiempo, no está compartiendo todos los detalles aquí. Dado eso, necesita recursos adicionales que lo ayudarán a navegar sobre la marcha. Y no puedo pensar en un mejor libro para tener a mano. Es el único en la industria.

Este libro tiene un alcance completo y también se detalla hasta el último detalle. Si tiene alguna pregunta sobre los LED, cualquier pregunta, entonces las probabilidades son muy altas de que habrá una sección sobre el tema dentro de este único libro de texto.

(Tengo cinco copias restantes del libro, aquí en casa, aunque originalmente compré cerca de 20 de ellas hace unos 20 años. La razón es que pude comprarlas a bajo precio y quería asegurarme de que mis clientes obtuvieran una copia , si aún no tenían uno. Parte del servicio que ofrecí, por así decirlo).

Este libro también es de la vieja escuela , que es de donde viene tu pregunta. Los sistemas modernos de pantallas LED utilizan circuitos integrados especializados para ese propósito, y me refiero a circuitos integrados personalizados que no están disponibles en el mercado abierto y están diseñados para un propósito muy específico. Trabajé en estos módulos de pantalla LED RGB traseros (alrededor de 2002, para Siemens-OSRAM):

Esa es mi firma (jk) en la parte de atrás, ahí. Dentro de cada módulo hay (6) circuitos integrados personalizados que son simplemente inobtainium para el mundo exterior: diseñados a medida para este producto. Estos se colocaron en paneles en las pantallas LED activas exteriores que puede ver junto a una autopista, desviando su atención de su conducción, por ejemplo. Cada módulo fue calificado por aproximadamente$80-100\:\text{W}$de disipación y usaron tres rieles de voltaje separados, uno para cada color, para ayudar a minimizar la disipación del módulo bajo operación normal.

Estos dispositivos usan interruptores y sumideros de corriente, similares a los que mencioné anteriormente. Los sumideros de corriente se podían configurar "por color" y esto se trataba como una corriente "100%" para los LED. (El rojo tendría un valor, el verde otro y el azul otro). Dentro de esa configuración, se utilizó PWM para atenuar dentro del intervalo de tiempo multiplexado. Entonces, si el período de la franja horaria completa fue$100\:\mu\text{s}$para el sumidero de corriente de un LED en particular, por ejemplo, entonces el valor PWM también para ese LED se usaría para cambiar el período durante el cual ese sumidero de corriente estuvo habilitado. Un valor PWM del 25 % para el LED significaría que el sumidero de corriente se habilitó solo durante$25\:\mu\text{s}$. Sin embargo, esto no afecta el tiempo de cambio . Eso todavía estaría habilitado para la totalidad$100\:\mu\text{s}$, porque también se están cambiando otros LED; cada uno de los cuales puede tener diferentes valores de PWM. Entonces el interruptor permanecería habilitado por un tiempo fijo. Pero los sumideros actuales estarían habilitados para diferentes momentos, pero donde un valor de PWM del 100% significaba que estaban habilitados para todo el intervalo de tiempo.

En las unidades anteriores, incluso incluimos funciones como un "escalonamiento de columna" que se podía configurar desde$0\:\text{ns}$a$15\:\text{ns}$. Esto retrasó el encendido de las fuentes de corriente de la columna y ayudó a reducir la EMI generada.

El punto que estoy tratando de hacer aquí es que los LED no son fáciles de manejar. Parecen muy fáciles cuando es solo uno; o simplemente unas pocas luces parpadeantes. ¿Pero en el momento en que comienzas a hablar de un gran número de ellos? ¿Y niveles graves de multiplexación? Aquí es cuando ocurre el momento de pensar seriamente mientras equilibras varios enfoques hacia tu objetivo y elaboras un plan de ataque muy detallado y exacto.