Драйвер светодиода с функцией контроля неисправностей

Светодиоды находят широкое применение в качестве индикаторов и излучателей света в таких устройствах, как оптроны. В некоторых приложениях светодиод или излучатель могут располагаться удаленно на некотором расстоянии от основного блока. Типичными примерами могут служить индикаторы на приборном щитке автомобиля и промышленные оптические датчики. В критических приложениях могут потребоваться средства контроля целостности светодиода. Эта схема, в которой используются всего четыре транзистора и шесть резисторов, обеспечивает питание светодиода отключаемым постоянным током и способна индицировать как обрыв, так и короткое замыкание светодиода (Рисунок 1). И еще есть бонус.

Рисунок 1.	Этот драйвер светодиода дополнительно выполняет функции контроля неисправностей и ограничения тока короткого замыкания.

Управляющий сигнал V_CONT включает и выключает светодиод. Когда уровень сигнала V_CONT высокий, транзистор Q₁ и светодиод выключены. При уровне сигнала V_CONT, близком к 0 В, Q₁ включается и начинать питать светодиод постоянным током. Поскольку прямое падение напряжения на большинстве светодиодов составляет, по крайней мере, 1.2 В, напряжения смещения базы Q₃ достаточно для включения транзистора, что обеспечивает путь для протекания тока Q₂. Этот ток, в свою очередь, обеспечивает смещение базы транзистора Q₄, который открывается, сообщая высоким уровнем на выходе об исправности светодиода.

Поскольку оба транзистора Q₂ и Q₄ сейчас включены, база Q₁ находится под потенциалом, величина которого на два напряжения база-эмиттер (V_BE) ниже напряжения положительной шины питания V_S. Таким образом, падение на R₁ равно одному напряжению V_BE. Соответственно, при R₁ = 68 Ом транзистор Q₁ отдает в светодиод постоянный ток порядка 10 мА. Если сопротивление R₂ достаточно велико, небольшая часть тока светодиода ответвляется в базу транзистора Q₃. До тех пор, пока светодиод исправен, уровень сигнала на выходе /FAULT остается высоким, сигнализируя о нормальной работе драйвера. Если светодиод оборвется, нагрузкой коллектора Q₁ станут только резистор R₂ и переход база-эмиттер транзистора Q₃. Так как сопротивление R₂ намного больше, чем R₁, Q₁ перейдет в режим насыщения, падение напряжения на R₁ снизится примерно до 20 мВ или около того, и потенциалы эмиттеров Q₁ и Q₂ приблизятся к V_S. Теперь, не имея достаточного тока базы, Q₄ выключается, и выходное напряжение падает до нуля, сообщая о неисправности светодиода.

Если же неисправность заключается в коротком замыкании светодиода, Q₃ немедленно выключается и лишает Q₂ пути для тока коллектора. Теперь переход база-эмиттер транзистора Q₂ ведет себя как диод, ограничивая потенциал базы Q₁ значением, определяемым в основном напряжением V_BE транзистора Q₂ и соотношением сопротивлений R₃ и R₄. Поскольку сопротивление R₄ меньше, чем R₃, потенциал эмиттера Q₂ теперь поднимается до V_S. И снова Q₄ выключается, и на выходе устанавливается низкий уровень, указывая на состояние неисправности. При сопротивлениях резисторов, показанных на Рисунке 1, потенциал базы Q₁ теперь находится на уровне примерно 4 В, оставляя на R₁ только 200 - 300 мВ. Таким образом, ток короткого замыкания эффективно «подавляется» до уровня менее трети от нормального значения, тем самым, экономя энергию. В этом и заключается бонус. В нормальных условиях при включенном светодиоде Q₁ проводит больший ток, чем Q₂, вследствие чего его напряжение V_BE слегка превышает напряжение V_BE транзистора Q₂. Следовательно, падение напряжения на R₁ немного меньше, чем падение на диоде, и для установки желаемого тока светодиода, возможно, потребуется немного поэкспериментировать с сопротивлением R₁.

Сопротивление R₃ следует выбрать, исходя из базовых токов, требуемых для Q₁ и Q₂ при низком уровне сигнала V_CONT. Тестирование прототипа схемы показало хорошие результаты при R₃ = 39 кОм, хотя, в зависимости от тока светодиода и коэффициентов передачи тока транзисторов Q₁ и Q₂, может потребоваться более низкое значение. При включенном светодиоде оба транзистора Q₂ и Q₃ полностью открыты, поэтому для того, чтобы ограничить до приемлемого уровня их общий коллекторный ток, требуется достаточно большое сопротивление R₅. Однако сопротивление R₅ не должно быть слишком большим, иначе Q₂ не сможет обеспечить ток, необходимый для R₄ и базы Q₄. Хорошей отправной точкой будет выбор сопротивления R₅ примерно в четыре или пять раз большего, чем R₄.

Хотя схема на Рисунке 1 питается от 5 В, при соответствующем масштабировании сопротивлений резисторов можно использовать другие напряжения. Работа при более низких напряжениях возможна до тех пор, пока транзистор Q₁ имеет достаточный «запас», позволяющий ему избежать насыщения. При этом, используя синий или белый светодиод, можно столкнуться с проблемой, если забыть, что эти устройства, как правило, имеют относительно высокие прямые напряжения. Типы транзисторов не критичны; подойдет большинство малосигнальных устройств с высоким коэффициентом передачи тока, хотя, возможно, в качестве Q₁ придется выбрать мощный прибор, если для конструкции требуется большой ток светодиода, высокое напряжение питания или и то, и другое.