modo più veloce di eseguire la modulazione on / off di un LED?


23

Ho bisogno di modulare un LED rapidamente (gamma multi-megahertz) on / off. È un LED ad alta potenza. Ho avuto qualche problema a localizzare metodi noti per farlo. Basta cambiare la tensione con un FET per accendere rapidamente il LED, ma i tempi di caduta ne risentiranno e, per risolverlo, immagino che ci siano alcune soluzioni diverse, per esempio magari commutare in una polarizzazione inversa per un breve periodo? Qualche idea?

Penso che il problema di fondo con lo spegnimento sia che i portatori di carica fanno in modo che la giunzione pn si comporti un po 'come un induttore in quanto la corrente continuerà per un po' dopo aver spento il gradiente di tensione, ma non ho trovato alcun riferimento su questo.

So che un diodo laser può essere modulato molto più velocemente.

EDIT: poiché questa domanda ha molte visualizzazioni, vorrei aggiungere un po 'di contesto: l'applicazione per questo era una fotocamera 3D che utilizzava un sensore CMOS time-of-flight. In sostanza, si emette luce, rimbalza sulla scena da riprendere e il sensore di immagine può distinguere la differenza di fase tra la luce inviata e la luce ricevuta. Modulazione più rapida e più profonda significa migliore risoluzione e meno rumore nell'immagine 3D. In questa particolare applicazione, 20 MHz era il tasso di modulazione target.


i laser non sono affatto paragonabili ai LED (tranne che entrambi emettono luce). Il laser più veloce è ancora più di volte più veloce di un LED. 109
Stevenvh,

4
@stevenvh: sì, si qualifica come "molto più veloce" giusto? ;)
Bjorn Wesen il

4
Perché i diodi laser possono essere modulati più velocemente dei normali diodi emettitori di luce?
endolith

Risposte:


11

Se si sta tentando di inviare dati in questo modo, non tentare di modulare 0% -100%. Vai dal 10% al 90%, questo sarà molto più veloce.

Per spegnerlo rapidamente, sono necessari 2 transistor in configurazione push-pull, PNP + NPN o N-MOSFET + P-MOSFET, in modo che il LED nello stato "off" venga messo in corto circuito a terra. Raggiungere l'alta velocità con BJT sarebbe più facile.

Se è necessario superare 1-5Mhz, è necessario aggiungere diodi Schottky anti-saturazione.

Un'altra cosa da provare è il circuito a ponte su 4 BJT: eliminerà la carica residua nel LED ancora più velocemente (poiché il LED sarà polarizzato al contrario in stato spento), ma non l'ho provato. Alcuni LED potrebbero morire se la polarizzazione inversa è eccessiva.


grazie per la tua risposta, era qualcosa di simile con cui stavo sperimentando! domanda aggiuntiva: cosa intendi con 0-100 che è più lento del 10-90%? ovviamente il tempo totale di salita / discesa sarà più lento, ma se la velocità del bordo di salita / discesa è la stessa, l'area dell'occhio aumenta in totale e aiuta la mia modulazione. perché una configurazione BJT è più veloce tra l'altro? la mancanza di modulazione della carica del gate FET?
Bjorn Wesen,

2
Sì, guidare MOSFET ad alta velocità è difficile. Circa la cosa 10-90 - l'aumento dallo spegnimento è più lento rispetto al 10% di luminosità. Quindi, a causa di ciò nelle unità DVD-RW, ad esempio, viene utilizzato questo approccio: il laser non viene mai spento, ma nello stato "off" la sua potenza è significativamente inferiore.
Bars Mons.

2
Inoltre, sembra che mi sia sbagliato circa il 90%, trascurandolo, 2 casi sono 0-100% e 10-100%, non 0-100 e 10-90.
Bars Mons.

@BarsMonster Dovresti modificare il tuo commento originale con una correzione per la cosa del 10-100%
Shadetheartist

6

I LED stessi impiegano un po 'di tempo per spegnersi, ma penso che alcuni MHz siano ancora possibili.

Sembra che il tuo problema sia il tempo di spegnimento del transistor utilizzato per commutare il LED. Prova a guidare il LED dall'emettitore anziché dal collettore. L'uscita logica guida direttamente la base di NPN, il collettore è collegato all'alimentazione, l'emettitore al resistore, quindi al LED, quindi alla terra. Poiché il transistor non si satura mai, dovrebbe spegnersi rapidamente. La base viene attivamente forzata a una bassa tensione, che dovrebbe anche aiutare a spegnerla rapidamente.


sì, almeno proverò con un FET con un tempo di inattività specificato più veloce, anche se il semplice spostamento del gate-charge è un fattore di delimitazione, quindi sono necessari buffer. pensi che un BJT funzionerebbe davvero meglio in questo caso? Sto tirando 2A ...
Bjorn Wesen il

Δt=(Slewrun'te)*ΔV

<strike> uno di quei transistor bipolari a commutazione di emettitore che abbiamo visto l'altro giorno potrebbe aiutare i pericoli? Ricordo che sembravano avere tempi di commutazione più veloci rispetto ai normali bjts NPN </strike> Non importa che immagino fossero per applicazioni ad alta tensione
NickHalden,

@JGord: non stavo davvero parlando di dV / dt. In questo caso stiamo commutando corrente, non tensione. Un BJT saturo impiega un po 'di tempo a spegnersi perché ci sono molti vettori di minoranza extra nella base. Si bloccano dopo che la corrente di base viene interrotta, causando la conduzione fino a quando non si esauriscono. Un BJT non si satura mai nella modalità follower dell'emettitore, quindi può spegnersi rapidamente. No, un emettitore commutato bipolare non sarebbe appropriato qui.
Olin Lathrop,


3

Per aggiungere le informazioni pertinenti dal link pubblicato da Brian O'Regan come risposta completa:

Il documento fa riferimento a tre circuiti comuni / popolari per le unità LED digitali:

  1. Serie drive
  2. derivazione
  3. Shunt con over e under-drive

1. Serie

schematico

simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab

  • Q1 commuta direttamente il LED

Pro: Corrente di alimentazione media bassa
Con: Bassa velocità (<30-50 Mb / s)

2. Shunt

schematico

simula questo circuito

  • Q1 devia il LED, quindi una scarica rapida == tempo di spegnimento rapido

Pro: maggiore velocità (diverse volte più veloce di 1)
Con: maggiore dissipazione di potenza (il circuito assorbe più corrente quando il LED rispetto a quando il LED è acceso!)

3. Shunt con Over & Under Drive

schematico

simula questo circuito

si estende 2.

  • C1 riduce i tempi di commutazione di Q1
  • R3, R4 e C2 forniscono over-drive all'accensione e under-drive allo spegnimento
  • tipica costante di tempo RC per R3 + C2 == tempo di salita / discesa del LED

Pro: velocità risultante superiore a 2.
Contro: valori scelti con cura necessari - altrimenti distruttivi

sommario:

  • Per i LED ad alte prestazioni e il design del driver, i tempi di salita ottici possono essere inferiori a 1,5 ns.
  • La maggior parte dei LED ha tempi di spegnimento più lenti.
  • Qui con un design accurato è possibile raggiungere un tempo di spegnimento ottico di 2,5 ns.
  • È spesso una buona idea avere una piccola corrente di pre-polarizzazione (pochi percento della corrente di picco) per migliorare la risposta dinamica e quindi il LED non viene mai polarizzato al contrario.

Con tutti questi concetti, è possibile raggiungere velocità operative fino a circa 270 Mb / s per configurazioni pronte per la produzione.


Tutte queste informazioni provengono solo dal documento collegato. Non è stata fatta alcuna auto-sperimentazione.


Ho sentito che questa era una modifica troppo grande della risposta originale; se è sbagliato, sono felice di spostare le informazioni in una modifica.


1

Hai mai pensato di utilizzare un "driver a transistor" per pilotare il tuo LED? (O forse hai pensato di usare un "driver a transistor" nel modo in cui doveva essere usato, per guidare un transistor - che quindi guida il tuo LED?)

Sto parlando di dispositivi come il Microchip MCP14628, il Texas Instruments TPS28226, ecc., Disponibili sui miei siti Web di elettronica di consumo preferiti , tutti i quali le affermazioni del foglio dati possono commutare un carico altamente capacitivo in 10 ns. (Speriamo che il tuo LED sia molto meno capacitivo e quindi quei chip possano cambiarlo più velocemente).

ps: la scheda tecnica per ciascun driver a transistor fornisce un numero elevato per "picco di potenza". Quel numero è valido solo per impulsi molto brevi. I LED hanno spesso un livello di "potenza di picco" simile a circa 4 volte il valore di potenza continua. Ho sentito che la maggior parte dei sistemi di comunicazione ottica sono progettati con cura in modo tale che il sistema accenda il LED o il laser al massimo una o due volte prima di spegnerlo e lasciarlo raffreddare, come ad esempio una codifica una o due alias il codice di Manchester , e codifica una su quattro, nota anche come PPM .

Ho sentito voci secondo cui alcuni dispositivi IrDA possono comunicare a 16 Mbit / s, 96 Mbit / s o 1 Gbit / s. È abbastanza vicino a quello che vuoi fare da poter comprare qualcosa dallo scaffale? O forse comprare qualcosa dallo scaffale, aprirlo e apportare modifiche relativamente minori?


1

Ho realizzato un circuito a transistor a valanga con Zetex FMMT 413, 415 o 417 TA. Invece di un condensatore, ho usato un cavo coassiale da 50 Ohm come in un circuito di Blumlein. Con questo ho guidato un piccolo LED verde SMT e ho ottenuto un tempo di salita di ~ 7 ns e una larghezza di impulso di ~ 10 ns (determinata dalla lunghezza del cavo coassiale per il circuito di Blumlein). È necessario un alimentatore ad alta tensione per il transistor a valanga.


3
Uno schema potrebbe aiutare a rendere la tua risposta più utile. Fino a quando non hai un rappresentante un po 'più, puoi caricarlo su un sito di hosting di immagini gratuito e includere un link nella tua risposta. Qualcuno modificherà quindi la tua risposta per mettere l'immagine in linea.
The Photon,

1
Inoltre, saluti e saluti non vengono utilizzati qui. Un'icona con il tuo nome utente viene automaticamente aggiunta a tutti i tuoi post. Se vuoi condividere le tue informazioni di contatto, puoi metterle sulla tua pagina utente.
The Photon,

1

Volevo aggiungere questo circuito che ho visto in un documento. Ha sia over drive che under drive ma non so come si paragoni a 3. Shunt con Over & Under Drive nella risposta di Stefan Kruger. Sembra che dovrebbe essere di potenza inferiore ... almeno quando spento. Ancora una volta, i valori devono essere attentamente in modo che la corrente positiva che raggiunga il picco sulla carica e la corrente negativa che raggiunga il picco sulla scarica (e il loro picco di tensione associato applicato al diodo) non friggano, anche se potresti essere in grado di posizionare un TVS in parallelo per proteggere il LED e rendere critica la selezione dei componenti senza sacrificare la velocità.

Devo ancora usare questo circuito ma potresti essere in grado di migliorare la velocità di accensione con un grande resistore di polarizzazione in parallelo con il MOSFET in modo che il LED sia distorto quando spento. Tuttavia, la corrente di dispersione del MOSFET potrebbe essere sufficiente per questo o potrebbe non essere necessario con il picco attuale. Suppongo che potresti anche cambiarlo in un emettitore o follower della sorgente per prevenire la saturazione se la velocità del transistor finisce in qualche modo per essere il fattore limitante.

schematico

simula questo circuito - Schema creato usandoCircuitLab


0

Non so quale sia la tua applicazione, ma questa gamma di driver LED ad alta luminosità potrebbe essere di interesse / utilizzo?

http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/5274

Ce ne sono anche altri simili.


2
grazie, ma le alimentazioni in modalità switch sono troppo lente per controllare un LED modulato a meno che non sia fatto come un controllo medio puro - ad esempio, se si modula on / off con un ciclo 50/50, è possibile utilizzare il driver corrente per fornire il corrente media. ma per la mia applicazione non ho davvero bisogno di una corrente super-stabile, è l'effettiva accensione / spegnimento che è la cosa importante e questo deve essere aggiunto comunque al chip menzionato esternamente. il problema qui è principalmente quello della fisica LED e FET / BJT, non il controllo della corrente (farebbe un resistore in serie).
Bjorn Wesen,

0

In precedenza ho esaminato gli impulsi rapidi e alla fine abbiamo implementato qualcosa come il circuito in questo documento (dati di migliore qualità in un relativo powerpoint ). Questo è effettivamente un circuito che modella la corrente e ne troverai di più se cerchi "LED pulsati a nanosecondi"

Utilizzando il nostro sito, riconosci di aver letto e compreso le nostre Informativa sui cookie e Informativa sulla privacy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.