Рідкокристалічні (LCD) індикатори і дисплеї на основі світловипромінювальних діодів (LED) можуть працювати від звичайних джерел живлення. Однак це не є кращим способом подачі живлення. Нижче будуть показані варіанти включення з використанням спеціалізованих мікросхем - регуляторів напруги, що випускається фірмою MAXIM.
Використання цифрового потенціометра для регулювання світлодіодного підсвічування
Випускається 5-ти розрядний програмований потенціометр DS 1050 використовується в якості основного елемента широтно-імпульсного модулятора (ШІМ). Зміна ширини імпульсу від 0 до 100% з кроком 3, 125%. Управління здійснюється потенціометром по двопровідному послідовного інтерфейсу, сумісного з I2C, з адресацією до восьми DS 1050 на двопровідної шині. Схемне рішення управління яскравістю світлодіодним підсвічуванням рідкокристалічного індикатора представлено на рис. 1.
Рис. 1.
Ця схема призначена для керування напругою контрасту рідкокристалічного індикатора. Використовується в цьому прикладі символьний дисплей 20х4 типу DMC 20481фирмы Optrex має жовто - зелену світлодіодне підсвічування. Пряме падіння напруги на світлодіодах становить 4,1 Вольта, а максимальний прямий струм - 260 мА.
Змінюючи шпаруватість широтно - імпульсного модулятора, тим самим змінюється подводимая потужність до світлодіодів. Коли імпульс становить 100% часу циклу режиму - маємо максимальну подачу потужності живлення і, відповідно, максимальну яскравість світіння. І, навпаки, коли імпульс циклу становить 0%, яскравість світіння також нульова.
Управління ШІМ - модулятором досить просте. Єдина вимога, щоб світлодіоди не блимали. Наші очі не можуть бачити миготіння при частоті 30 Гц і вище. Найбільш "повільний" DS1050 працює на частоті 1 кГц. Цього цілком достатньо і для візуального спостереження і мінімізації електромагнітного випромінювання. Необхідно вибрати МОП - транзистор Q1 так, щоб він міг безпосередньо управлятися від 5-ти вольтового широтно-імпульсного модулятора, напруга якого змінюється від "землі" до Vcc. За замовчуванням при включенні живлення шпаруватість ШІМ дорівнює 2. Транзистор Q1, керований ШИ-сигналом, може комутувати струм величиною 260 мА, який необхідний для світлодіодного підсвічування. Напруга порога затвора транзистора Q1 становить 2-4 Вольта. Діод D1 типу 1N4001 використовується для зниження Vcc до 4,3 вольт, що менше максимального прямого падіння напруги на світлодіодах. Резистор замість зазначеного діода не використовується з-за великої потужності розсіювання. Для надійного закриття МДН-транзистора ставлять резистор R3, що виключає "плаваючий" режим затвора Q1.
Конденсатор С1 використовується в якості фільтра харчування, повинен добре працювати на високій частоті і встановлюється максимально близько до висновків U1, при мінімальній відстані до джерела живлення.
Цифровий потенціометр DS 1050 - 001 встановлюється апаратно з адресою А=000. Програму для мікроконтролера типу 8051 можна взяти в додатку до "App. note 163" на сайті фірми MAXIM.
Для управління контрастом рідкокристалічних індикаторів (РКІ) замість традиційних механічних потенціометрів пропонується використовувати цифровий потенціометр типу DS1668/1669 Dallastats або DS 1803. Прилади DS1668/1669 були обрані, тому що вони забезпечують як кнопкове, так і мікроконтроллерной управління токос'емноє контакту. Важливо також, що ці прилади мають внутрішню енергонезалежну пам'ять, яка дозволяє зберігати положення струмознімачів без подачі електроживлення. На рис. 2. представлена схема для управління контрастом для РКІ з використанням цифрового потенціометра DS 1669.
Рис. 2. .
Звичайно, тут може бути застосований і двійний цифровий потенціометр типу DS 1803.
Рідкокристалічний модуль (LCM) живиться від 5 Вольт. Це ж напруга надходить на DS 1669, опір якого 10 кОм. Термінал струмознімачів з'єднується безпосередньо з введенням харчування Vo драйвера LCM.
Застосування цифрового потенціометра дозволяє зменшити розміри пристрою, істотно збільшити довговічність і перевести управління на системний мікроконтролер.
Ну, а тепер знову повернемося до управління світлодіодами. Зі збільшенням популярності кольорових рідкокристалічних дисплеїв в мобільних телефонах, кишенькових комп'ютерах, цифрових камерах та ін. стають популярними джерелами освітлення білі світлодіоди.
Білий світ можуть забезпечити або флуоресцентні лампи з холодним катодом (CCFLS), або білі світлодіоди. З-за розміру, складності, високої вартості CCFLS, довгий час був єдиним джерелом білого кольору. Але тепер вони здають свої позиції білих світлодіодів. Їм не потрібна висока напруга (200 - 500 В змінного струму) та великий трансформатор для отримання такої напруги. І хоча пряме падіння напруги на білому світлодіоді (від 3 до 4В) вище, ніж на червоному (1,8) або зеленому (2,2 - 2,4 В), все одно для них потрібні досить прості джерела живлення. Яскравість білого світлодіода управляється зміною проходить через нього струму. Повна яскравість відбувається при струмі 20 ма. З зменшенням проходить через світлодіод струму яскравість зменшується. Для цифрових камер і мобільних телефонів зазвичай вимагаються від 2 до 3 світлодіодів. Може бути 2 групового способу включення світлодіодів: паралельний і послідовний.
При послідовному включенні світлодіодів величина струму через кожен буде гарантовано однакова. Але таке включення вимагає більш високої напруги, ніж при паралельному включенні. При паралельному включенні напруга приблизно дорівнює прямого падіння напруги на одному світлодіоді замість падіння напруги на всьому ряді світлодіодів. Однак яскравість діодів може бути різної з-за розкиду прямого падіння напруги на світлодіодах, отже, різних струмів, якщо вони не регулюються. Напруги батареї в більшості випадків недостатньо для світіння білого світлодіода, тому необхідно застосовувати перетворювач DC/DC. При цьому бажано паралельне включення світлодіодів, т. к. перетворювачі DC/DC найбільш ефективні при малому відношенні підвищеного вихідної напруги до вхідної.
Паралельне включення світлодіодів
Є три основних способи паралельного підключення світлодіодів, як показано на рис. 3.
Рис. 3.
Розглянемо детальніше ці варіанти включення.
Простий спосіб керування струмом, що протікає через світлодіоди, полягає у використанні мікросхеми, спеціально розробленої для цих цілей. Схема включення представлена на рис. 4. Тут показана дешева мікросхема MAX1916, яка дозволяє регулювати струм через 3 білих світлодіода. Абсолютна точність струму становить 10%, а струм, що протікає через світлодіоди, відрізняються не більше 0,3%. Це найбільш важлива характеристика, оскільки світлові потоки від кожного світлодіода повинні бути однаковими. При повній яскравості світіння струм через світлодіод дорівнює 20 ма. В цьому випадку достатньо 225 мВ, що перевищують падіння напруги на світлодіодах, щоб мікросхема підтримувала встановлене значення струму. Установка струму через світлодіоди проводиться за допомогою резистора Rset. Рівняння для розрахунку струму має наступний вигляд.
де:
Iled - струм, протекаемый через світлодіод [mA]
230 - коефіцієнт перетворення мікросхеми
Uout - вихідна напруга регулятора
Uset = 1, 215 В
Rset -резистор, що встановлюється між виходом регулятора і входом SET MAX1916 (кОм).
Рис. 4.
Абсолютний струм теж повинен управлятися, але яскравість буде змінюватися в цілому для всього пристрою (наприклад, дисплей телефону). Зміна яскравості можна отримати подачею на вхід дозволу (EN) мікросхеми сигналу з широтно-імпульсною модуляцією. Максимальна яскравість буде при 100% ширині імпульсу, а при 0% - світлодіод не світить.
Використання джерела живлення з регульованим вихідним напругою.
Цей спосіб включення менш точним, так як не регулюються індивідуальні струми через кожен світлодіод. Як можна збільшити абсолютну точність циклічних струмів і відповідності їх через кожен діод?
Струм через світлодіод розраховується за формулою:
Iled = (Vout - Vd)/R
Через виробничих розкидів навіть при однакових струмах пряме падіння напруги на світлодіоді (Vd) може бути різним. Можна записати відношення двох струмів через 2 діоди
I1/I2 = R2/R1 [(Vout - Vd1)/(Vout - Vd2)]
Беручи до уваги, що резистори мають високу точність (це допустимо), маємо:
I1/I2 = (Vout - Vd1)/(Vout - Vd2)
Звідси випливає, що відношення (різниця) струмів через діоди тим менше, чим вище вихідну напругу джерела живлення. Потрібно мати на увазі, що зближення значень струмів через світлодіоди оплачується більш високої споживаної потужністю. Тому можна рекомендувати напруга на виході регулятора рівне 5 Вольт.
Для отримання такої напруги можна використовувати прості перетворювачі типу MAX 1595 (Uвих = 5В, Івих = 125 мА), або використовувати перетворювачі MAX1759 з регульованим виходом. Таким чином, змінюючи вихідну напругу регулятора можна коригувати струми в світлодіодах до потрібного рівня (наприклад, 20 мА). Якщо немає можливості коригувати струм регульованим на виході джерела живлення напруги, то паралельно баластними резисторам R1a:R3a ставлять резистори та МДН - транзистори, як показано на рис. 5. Включаючи і вимикаючи логічним рівнем МДН - транзистори, можна підключати або відключати додаткові резистори R1в:.R3в, ефективно змінюючи значення баластного резистора.
Рис. 5.
Використання перетворювача з регульованим вихідним струмом. На рис. 3с показаний принцип використання перетворювача з регульованим вихідним струмом. У цьому випадку струм через один з діодів (рис. 3с - D1) перетворений в падіння напруги на резисторі R1 і саме це напруга підтримується перетворювачем. Перетворювач може бути ключового типу, на перемикаються конденсаторах або лінійним регулятором.
Рівняння для струму через світлодіод таке ж, що наведено вище.
Ix = (Vout - Vdx)/Rx (1)
Але в цьому випадку Vout не регулюється, а I1 регулюється і його значення становить
I1 = Vo.c / R1 (2)
де: Vo.c - напруга зворотного зв'язку знімається з резистора R1.
Оскільки регулюється струм тільки одного діода, різне пряме падіння напруги на світлодіодах може викликати розходження циклічних через них струмів. В цьому випадку можна використовувати наступне. Розділимо резистор на 2 частини: R1 = R1A + R1B і підставимо в рівняння (1), а значення R1 в рівнянні (2) замінимо на R1В. Для R2 і R3 не потрібно розбиття резисторів. Їх значення повинні бути рівні R1A + R1B. Тепер на виході регулятора буде підтримуватися напруга, обумовлене падінням напруги на резисторі R1B, як показано на рис. 6. Якщо уставка від R1B дорівнює напрузі R1, підсилювач неузгодженості залишиться в колишньому стані, вихідна напруга регулятора підвищиться, що забезпечить узгодження струмів через кожен світлодіод.
Рис. 6.
Послідовне включення світлодіодів
Головна перевага при включенні світлодіодів в послідовну ланцюжок полягає в тому, що через всі діоди протікає однаковий струм і яскравість свічення виходить однаковою. Недолік при такому включенні: потрібно більш висока напруга, так як падіння напруги на кожному світлодіоді підсумовується. Навіть 3 білих світлодіода вимагають напруга 9 - 12 вольт. Зазвичай для такого включення використовуються ключові регулятори, як найбільш ефективні перетворювачі для цих цілей. На малюнку 7 представлена схема включення ключового регулятора MAX 1848, призначеного для управління трьома білими світлодіодами, включеними послідовно. Прилад може живитися від 2,6 до 5,5 вольт при вихідному напрузі до 13 вольт. Вхідний діапазон розрахований на одну Li-іонну батарею або 3 NiCD/NiMH батареї. Робоча частота регулятора - 1,2 мГц, що дозволяє використовувати зовнішні компоненти з мінімальними габаритами. На виході ШІМ сигнал. Надмірне напруга випрямляється і подається на світлодіоди. Струм через світлодіоди і, таким чином, яскравість може бути відрегульована за допомогою напруги, що знімається з ЦАП або відфільтрованого ШІМ сигналу, що подається на вхід CTRL мікросхеми MAX 1848. Ефективність MAX 1848 при роботі зі світлодіодами досягає 87%.
Рис. 7. .
Для великих дисплеїв, де потрібно багато світлодіодів, можна використовувати ключовий регулятор MAX 1698 (див. рис. 8). Мікросхема може працювати від вхідної напруги всього 0,8 Вольта, а вихідна напруга обмежена робочим напругою зовнішнього n - канального МОП-транзистора. Низьке, до 300 mB напруга зворотного зв'язку (висновок FB) сприяє максимальній ефективності схеми, яка сягає 90%. Яскравість світлодіода регулюється за допомогою потенціометра, у якого щітка з'єднується з виводом ADJ мікросхеми. Потенціометр може бути використаний як аналоговий, так і цифровий.
Рис. 8.
Звичайно, число мікросхем, які використовуються для харчування і підсвічування в рідкокристалічних та світлодіодних дисплеїв, не обмежена представленими у статті найменуваннями. Якщо читач захоче підібрати необхідні для його конкретного випадку мікросхеми, то немає нічого простіше, як увійти на сайт http://www.maxim-ic.com і там ознайомитися з характеристиками продукції.
Використані інформаційні матеріали фірми MAXIM.
Автор: А. Шитиков; Публікація: www.radioradar.net