Wie können Computer so viele Lichter auf einer Tastatur mit Strom versorgen?

Wenn Tastaturkomponenten nicht für LED-Licht ausgelegt sind, kaufen Sie sie nicht . Sie sind wahrscheinlich undurchsichtig, was bedeutet, dass Sie dort einen Suchscheinwerfer aufstellen und kein Licht durchlassen könnten. Auf jeden Fall können Sie es nicht über USB ausschalten, und Sie müssen dafür unter 2,5 W kommen und sollten nach Möglichkeit unter 500 MW kommen.

Wie zu dimensionieren

Nehmen wir diese Cree C512A-WNS/WNN LED. Es ist für bis zu 25 mA ausgelegt, aber die Spezifikationen gehen von einem Prüfstrom von 20 mA aus. Die Vorwärtsspannung beträgt 3,2-4,0, je nachdem, wie stark Sie sie übersteuern möchten.

Nach den anfänglichen Spezifikationen ist das nächste, was Sie auf dem Datenblatt sehen, das Binning. Wenn sie diese herstellen, erhalten sie Abweichungen. Sie sortieren diese in "Bins" nach Lichtstärke bei Strom, Betriebsspannung, Farbtemperatur (das ist die CIE-Farbtafel) usw. Sie wählen den gewünschten Bin-Code für Ihre Leuchten aus, und der Preis wird von Angebot / Nachfrage bestimmt. zB wie gut dieser Behälter produziert wird im Vergleich zum Verkauf.

Dann kommt man in die Leistungscharts. Wenn dies nun Beleuchtungs-LEDs wären , würde Cree ganzseitige Diagramme mit mehr Details erstellen. Aber das wird als Anzeige-LED verkauft, also drängen sie sich an diesen Punkten vorbei.

Strom gegen Spannung

Beachten Sie, dass diese Kurve tatsächlich viel, viel steiler ist, als es scheint. Die Stromskala beginnt bei 0, aber die Spannungsskala beginnt bei 2,8. Dies macht es schwierig, ihn im Konstantspannungsmodus zu betreiben , zB müssen Sie 3,0 V ziemlich genau treffen, wenn Sie 15 mA wollen.

Ferner variiert dieses Diagramm je nach Temperatur, was nicht gezeigt ist. Wenn sich die LED erwärmt, steigt der Strom für eine bestimmte Spannung an, und zwar schnell, da dies eine sehr steile Kurve ist. Wenn Sie es mit 3,00 V betreiben, würde es 15 mA ziehen, bis es sich erwärmt, dann 20 mA, was die Erwärmung beschleunigen würde, 25 mA, die Erwärmung noch schneller, 35 mA, 50 mA, 100 mA, Pop .

Das nennt man thermisches Durchgehen.

Die bevorzugte Methode zur Ansteuerung von LEDs ist der Konstantstrommodus . Dann wird das Verhalten ziemlich konsistent sein. Die Ansteuerspannung fällt leicht ab , da Sie die Kurve jetzt seitwärts betrachten: Aus dieser Ansicht ist die Kurve ziemlich flach.

Spannung bei Strom gibt Ihnen auch Leistung (Watt).

Lichtstärke bei Strom

Die untere Skala ist der Strom in Milliampere. Die Seitenskala ist die Lichtstärke und wird als Faktor der Spezifikation ausgedrückt (zurück auf Seite 2-3). 1,0 ist exakte Spezifikation. 2.0 ist die doppelte Spezifikation.

Beachten Sie, dass 100 % der Spezifikation bei 20,0 mA und 200 % der Spezifikation bei 53 mA auftreten – das ist bei höherer Leistung nicht sehr effizient, oder? Es ist noch schlimmer.

• 100% der Spezifikation 20,0 mA treten (gemäß dem anderen Diagramm) bei 3,2 Volt auf (was 64 Milliwatt ergibt), aber
• 200 % der Spezifikation (53 mA) treten bei 3,75 V auf (was 198 mW ergibt) – mit anderen Worten, doppelt so viel Licht benötigt dreimal so viel Strom. Die Effizienz fällt bei höherer Leistung wirklich ab, oder?

Vom Licht geblendet!

198 MW x 77 Tasten bedeuten jedoch 15,3 Watt sengendes LED-Licht. Geht man von typisch dürftigen 85 lm/W einer derart stark übersteuerten Cree-LED aus, sind das 1300 Lumen – die Helligkeit einer Leuchtstoffröhre. Das sind Größenordnungen mehr, als Sie von einer Tastatur erwarten.

Selbst die gefügigere 100-prozentige Leistung, 64 MW x 77 Tasten, sind 4,9 Watt, zu viel für USB, und bei der typisch guten Effizienz von Cree-LEDs in der Spezifikation von 120 lm/W sind das 600 Lumen Licht. Etwas mehr als eine 40W Glühlampe. Nichts, was man sich ansehen möchte .

Wenn wir das auf ungefähr 1/10 davon beruhigen, 0,49 Watt (was uns innerhalb der zulässigen Grenze für USB-Anschlüsse mit geringem Stromverbrauch bringt) ... das sind 6,4 MW pro LED, das passiert bei 2,0 ma pro LED (10 % der Spezifikation).

Die Effizienzkurve ist weiterhin gekrümmt, und so würde ich bei 10 % Leistung etwa 15 % Licht erwarten. Das sind 90 Lumen Licht. Selbst das, Sie werden eine "dim"-Option wünschen.

Der beste Weg, LEDs zu dimmen, besteht darin, ihren Strom im Treiber zu reduzieren. Der zweitbeste Weg ist PWM.

Serie vs parallel

Sie schlagen All-Series (erstaunliche Spannung) oder All-Parallel (hoher Strom, schlechte Inter-LED-Regelung) vor.

Sie möchten diese aktiv "Konstantstrom" ansteuern (obwohl Sie den Strom möglicherweise variieren, um die Helligkeit auszuwählen, ist der Punkt, dass der Treiber einen Zielstrom und keine Zielspannung anstreben würde .

Serie ist am einfachsten, aber dann haben Sie eine Tastatur, die Sie töten kann. (6,4 mA würden definitiv Ihre Aufmerksamkeit erregen; ob dies gefährlich ist , ist eine Gesundheits- und Sicherheitsfrage, aber GFCI-Schutzgeräte im US-Stil lösen bei 5 mA aus, daher würde ich sagen, dass dies besorgniserregend ist .)

Also empfehle ich etwas in der Mitte. Lassen Sie mehrere Serienstrings parallel verdrahten. Da Ihre 77-Zahl der Faktor von zwei Primzahlen ist, 7 und 11, machen Sie sie entweder zu 7er-Strings (@22,4 V) oder zu 11er-Strings (bei 35,2 V). Die LEDs variieren etwas, um diese auszugleichen, würde ich an jeder Saite einen Vorwiderstand hinzufügen. Der lineare Widerstand plus die sehr nichtlinearen LEDs dämpfen diese Unterschiede.

Fahren Sie das mit einer verstärkenden Konstantstromversorgung mit 7-fachem oder 11-fachem Zielstrom (angepasst an die Helligkeit, wenn Sie dies tun).

LEDs haben zwar eine maximale Stromstärke, aber das bedeutet nicht, dass sie die ganze Zeit mit voller Leistung betrieben werden müssen. Für diese Anwendung können mindestens zwei Dinge verwendet werden. Kaufen Sie bessere, effizientere LEDs, damit sie bei niedrigerem Strom, sagen wir 1 mA oder weniger, hell genug leuchten. Sie können die LEDs auch in mehrere Gruppen aufteilen und sie so multiplexen, dass nur eine Gruppe zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet ist und andere Gruppen ausgeschaltet sind. Das sequentielle Einschalten einer Gruppe nach der anderen mit ausreichend hoher Abtastrate erzeugt die Illusion, dass alle LEDs leuchten.

Ich möchte weiße 3-mm-LEDs mit einem maximalen Strom von 20 mA und einer Durchlassspannung von 3-3,4 V verwenden.

Lassen Sie sie nicht mit ihrem maximalen Strom laufen. Das ist sowieso nicht gut für die Zuverlässigkeit.

Lassen Sie sie mit dem Mindeststrom laufen, der für die Sichtbarkeit unter den Bedingungen erforderlich ist, unter denen sie sichtbar sein sollen.

Für viele der heutigen LEDs könnte das irgendwo im Bereich von 1-5 mA liegen.

77 LEDs bei 3 mA sind sehr vernünftige 240 mA oder so.

Normalerweise werden diese nicht in der typischen seriellen oder parallelen Methode durchgeführt, die einfache Projekte verwenden. Wenn Sie eine große Anzahl von LEDs und wenig Strom benötigen, verwenden Sie eine von zwei (oder beiden) Methoden.

Das erste ist Multiplexing/Charlieplexing/Scannen. Dies wird auch für adressierbare LEDs oder Displays verwendet, um ein Bild/Video/ein einzelnes Pixel anzuzeigen, nicht nur Hintergrundbeleuchtung, aber der Vorteil ist derselbe. Ein Matrix-Setup ermöglicht weniger Pins zur Steuerung von mehr LEDs und weniger Strom, da jeweils nur ein Abschnitt / Segment eingeschaltet wird. Es nutzt das menschliche Sehvermögen aus, dh die Persistenz des Sehvermögens.

Der zweite sind LED-Treiber, die die Spannung oder den Strom nach Bedarf erhöhen. Es gibt dedizierte ICs, die LED-Strings mit Strom versorgen und ansteuern sollen, wodurch sie effizienter sind als die typischen direkten Stromversorgungsoptionen. Siehe https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/nov/trends-in-led-backlighting-and-drivers-for-mobile-devices-and-tvs für eine Diskussion der verschiedenen Optionen.