Светодиодные индикаторы уровня сигнала на микросхеме: особенности и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работают светодиодные индикаторы уровня сигнала на микросхемах семейства LM391x. Какие существуют варианты схем индикаторов. Где применяются такие устройства. Как правильно выбрать и настроить светодиодный индикатор уровня.

Содержание

Принцип работы светодиодных индикаторов уровня сигнала

Светодиодные индикаторы уровня сигнала на специализированных микросхемах позволяют наглядно отображать уровень входного аналогового сигнала с помощью линейки светодиодов. Рассмотрим основные принципы работы таких устройств:

В основе лежит микросхема с набором компараторов, сравнивающих входной сигнал с фиксированными пороговыми уровнями
При превышении порога соответствующий компаратор включает свой светодиод
Количество светящихся светодиодов пропорционально уровню входного сигнала
Наиболее популярны микросхемы семейства LM391x: LM3914, LM3915, LM3916

Такой принцип позволяет создавать простые и надежные индикаторы для различных применений в аудиотехнике, измерительных приборах и других устройствах.

Варианты схем индикаторов уровня

Рассмотрим несколько типовых схем светодиодных индикаторов уровня сигнала на микросхемах семейства LM391x:

Простой индикатор уровня напряжения

Базовая схема для индикации уровня постоянного напряжения, например, заряда аккумулятора:

Входной сигнал подается напрямую на вывод 5 микросхемы
Опорное напряжение задается делителем на R1-R2
Светодиоды подключаются к выходам микросхемы через токоограничивающие резисторы

Индикатор уровня аудиосигнала

Более сложная схема для индикации уровня переменного аудиосигнала:

На входе устанавливается выпрямитель на операционном усилителе
Выпрямленный сигнал сглаживается RC-цепочкой
Используется LM3915 или LM3916 для логарифмической шкалы

Стереофонический индикатор

Для стереосистем применяется сдвоенная схема:

Используются две идентичные микросхемы — для левого и правого каналов
Входные цепи и светодиоды для каналов дублируются
Питание и опорное напряжение — общие для обеих микросхем

Выбор конкретной схемы зависит от типа входного сигнала и требований к функциональности индикатора.

Области применения светодиодных индикаторов уровня

Светодиодные индикаторы уровня сигнала на микросхемах находят широкое применение в различных областях:

Аудиотехника

Индикация уровня сигнала на микшерных пультах
Измерители выходной мощности усилителей
Индикаторы уровня записи в магнитофонах и диктофонах

Измерительная техника

Индикация уровня напряжения в мультиметрах
Измерители мощности радиосигнала
Индикаторы уровня в анализаторах спектра

Бытовая электроника

Индикаторы уровня заряда аккумуляторов
Измерители уровня топлива в автомобилях
Индикаторы мощности в СВЧ-печах

Простота реализации и наглядность делают такие индикаторы популярными во многих сферах, где требуется визуальное отображение уровня какого-либо сигнала или величины.

Как выбрать подходящий индикатор уровня

При выборе светодиодного индикатора уровня сигнала следует учитывать несколько ключевых параметров:

Тип входного сигнала

Для постоянного напряжения подойдет LM3914 с линейной шкалой. Для аудиосигналов лучше использовать LM3915 или LM3916 с логарифмической шкалой.

Диапазон входных напряжений

Необходимо выбрать микросхему с подходящим диапазоном входных напряжений и правильно рассчитать входной делитель.

Количество уровней индикации

Стандартные микросхемы имеют 10 уровней. Для более точной индикации можно каскадировать несколько микросхем.

Режим работы

Возможны режимы «столбик» (светятся все светодиоды до текущего уровня) и «точка» (светится только один светодиод). Выбор зависит от предпочтений пользователя.

Цвет и яркость светодиодов

Следует подобрать светодиоды подходящего цвета и яркости. Часто используют разные цвета для разных диапазонов.

Правильный выбор компонентов и параметров схемы позволит создать индикатор, оптимально подходящий для конкретной задачи.

Настройка светодиодного индикатора уровня

После сборки индикатора уровня сигнала на микросхеме LM391x необходимо провести его настройку для корректной работы. Основные этапы настройки:

Установка опорного напряжения. Регулируется делителем на входе REF OUT микросхемы.
Настройка нижнего порога срабатывания. Осуществляется подстроечным резистором на входе SIG IN.
Регулировка яркости свечения светодиодов. Выполняется изменением сопротивления в цепи вывода V+ микросхемы.
Выбор режима работы «столбик»/»точка». Осуществляется подключением вывода MODE.

Точная настройка позволяет добиться корректного отображения уровня во всем требуемом диапазоне входных сигналов.

Светодиодные индикаторы уровня сигнала на микросхеме

Думаю многие согласятся, что стрелочные индикаторы в УМЗЧ смотрятся красиво и стильно, вот только где их найти… Выход есть — сделаем такой измеритель, в котором роль стрелки будут выполнять светоизлучающие диоды управляемые микросхемой. LM — это специальная микросхема для LED индикаторов уровня. Предлагаемая схема имитирует движение стрелки в аналоговой головке. И для начала изучите datasheet на LM Светодиоды подключены через разъёмы J3 — J12 показан на схеме только один ряд светодиодов. Схема индикатора потребует двухполярный источник питания для правильной работы.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Светодиодный индикатор уровня сигнала

Схема светодиодного индикатора уровня звукового сигнала на LM3915

Очередная схема светодиодного индикатора уровня сигнала для стерео усилителя. Микросхемы LM, LM и LM производства компании National Semiconductors позволяют конструировать светодиодные индикаторы с различными характеристиками. Это могут быть индикаторы с линейной, растянутой линейной, логарифмической и специальной шкалой для контроля аудио сигнала. Микросхема LM предназначена для конструирования индикаторов с линейной светодиодной шкалой, так как все резисторы ее делителя имеют одинаковое сопротивление.

У микросхемы же LM делитель рассчитан так, что включение каждого последующего светодиода происходит при увеличении напряжения входного сигнала на 3 дБ, что очень удобно для контроля мощности усилителя мощности звука. А вот микросхема LM специально предназначена для контроля уровня аудио сигнала. Шаг индикации у нее составляет 1 дБ в верхней части шкалы и увеличивается до 3 и 10 дБ в нижней части.

При этом цоколевка всех микросхем абсолютно одинаковая, что очень удобно. Для получения большей точности в широком диапазоне входных напряжений применён несложный, но эффективный однополупериодный активный выпрямитель с использованием операционных усилителей. Какая шкала нужна именно вам, такую микросхему и можно поставить, выбор за вами, печатную плату можно сделать одну, а уже потом решить какой индикатор собирать.

Сдвоенный операционный усилитель U3 самый распространенный типа LM При правильной сборке индикатор начинает работать сразу, налаживать ничего не понадобится. При подключении уже готового индикатора лишь понадобится входными подстроечными резисторами установить одинаковый уровень свечения светодиодов при одинаковом уровне входного сигнала.

Светодиодный двухканальный индикатор уровня сигнала

Основа конструкции две микросборки типа AN KA это уже готовый светодиодный индикатор уровня сигнала используемый для индикации различных значений переменного сигнала, к которым остается подключить немного компонентов обвязки и сами светодиоды. Схема такого устройства, как раз, и показана на рисунке ниже. Фотографи собранной и распаенной печатной платы вы можете посмотреть на рисунке ниже, а ее чертеж выполненный в программе Sprint Layout можете взять по зеленной ссылке выше. Основа конструкции операционные усилители — LM Эта схема использует два квадрафонических операционных усилителя, для формирования восьми ведомых аудио частотных каналов.

Интегральная микросхема LM специально разработана для построения светодиодного индикатора уровня и позволяет визуально.

Please turn JavaScript on and reload the page.

Микросхемы имеют одинаковое схемы подключения и цоколевки. Содержат пяти пороговые компараторы-усилители с выходами на светодиоды. Шкала логарифмическая. Корпус DIP, микросхема содержит и пороговый усилитель-компаратор с лог. Ток покоя 12мА. Выходной ток 7мА. Входное сопротивление кОм. Предназначена микросхема для индикации пикового-моментального значения сигнала.

Индикатор уровня звука

Ее основу составляют 10 компараторов, на инверсные входы которых через буферный ОУ подается входной сигнал, а прямые входы подключены к отводам резистивного делителя напряжения. Выходы компараторов являются генераторами втекающего тока, что позволяет подключать светодиоды без ограничительных резисторов. Входной сигнал Uвх подают на вывод 5, а напряжения, определяющие диапазон индицируемых уровней, — на выводы 4 нижний уровень Uн и 6 верхний уровень Uв. На платах не применен входной усилитель сигнала, но чувствительность его такова, что нижний предел первый сегмент можно зажечь меньше чем 20 mv переменного сигнала.

Не секрет, что звучание системы во многом зависит от уровня сигнала на ее участках.

Светодиодный индикатор уровня сигнала на KA2284 (AN6884)

Я пробовал на такой «михе» цифровой осциллограф сделать. В принципе неплохо получалось. Особых навыков в настройке не нужно. Напряжение питания такой схемы Максимальное напряжение входного сигнала Допустимое напряжение на выводах 3, 16, 17 не более 6,2 В.

Светодиодные индикаторы уровня на микросхемах семейства LM3914, LM3915 и LM3916

Какими светодиодами вы чаще всего пользуетесь? Микросхемы индикаторов уровня аналоговых сигналов. Все обсуждения. Добавить в избранное. Sprint Layout 5. Выберите категорию:.

Принципиальная схема двухканального светодиодного индикатора уровней сигналов 34, собранного на микросхемах KIAS.

Светодиодный индикатор уровня

Микросхемы LM, LM и LM фирмы National Semiconductors позволяют строить светодиодные индикаторы с различными характеристиками — линейной, растянутой линейной, логарифмической, специальной для контроля аудиосигнала. Структура базовой микросхемы LM семейства представлена на рис. Ее основу составляют десять компараторов, на инверсные входы которых через буферный ОУ подается входной сигнал, а прямые входы подключены к отводам резистивного делителя напряжения. Выходы компараторов являются генераторами втекающего тока, что позволяет подключать светодиоды без ограничительных резисторов.

Универсальный светодиодный индикатор уровня сигнала

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Светодиодный индикатор уровня сигнала на LM39xx МД-380

Рис 1. Принципиальная схема Рис 2. Печатная плата и схема расположения элементов на плате. R6 — регулировка яркости свечения светоиодов. R8 — регулировка зажигания первого светодода. R10 — регулировка зажигания последнего светодиода.

Удачная конструкция микросхемы LM обеспечила ее достойное место в схемах индикаторов на светодиодах.

Архив за Февраль 2014

Нужны еще сервисы? Архив Каталог тем Добавить статью. Как покупать? Микросхемы LM, LM и LM фирмы National Semiconductors позволяют строить светодиодные индикаторы с различными характеристиками — линейной, растянутой линейной, логарифмической, специальной для контроля аудиосигнала. Структура базовой микросхемы LM семейства представлена на рис.

Индикаторы уровня

Читать полностью…. Когда-то из каких-то хороших, но разрушенных компьютерных колонок ко мне попала микросхема TDAQ. Скажу сразу — получилось.

Схема светодиодного индикатора уровня сигнала » Вот схема!

Принципиальная схема показана на рисунке. Входной сигнал поступают на усилительный каскад — на транзисторе VT1. Рабочую точку этого каскада, а именно напряжение на его коллекторе можно установить подстройкой R2. С коллектора VT1 сигнал поступает на входы R четырёх триггеров микросхемы D1. Резисторы R4, R5 и R6 служат для регулировки порогов срабатывания триггеров и, следовательно, порогов зажигания светодиодов VD1-VD4.

На транзисторе VT2 и микросхеме D2 собран, генератор коротких отрицательных импульсов, форма которых показана на схеме.

Эти импульсы поступают на соединенные вместе входы S микросхемы D1. Таким образом, через каждые 20 микросекунд все триггеры устанавливаются в единичное состояние, при котором светодиоды не горят.

В результате инерционности зрения такое мерцание светодиодов воспринимается человеком как постоянное свечение, практически мы видим бегущую линейку из светодиодов, а длина линейки (число светящихся светодиодов) пропорциональна уровню входного сигнала. Конденсатор, показанный на рисунке пунктиром может быть установлен в том случае если требуется введение некоторой инерционности работы индикатора.

Количество триггеров, а следовательно и светодиодов, можно увеличить, например до 8-и, для этого достаточно подключить еще одну микросхему К555ТР2. При этом существенно увеличится точность определения уровня входного сигнала.

Настройка.

Настройка заключается в установке начального уровня, минимального, при котором зажигается один светодиод — подстройкой R2, и далее требуется установка уровней зажигания других светодиодов, подстройкой резисторов R4-R6. Построение схемы на RS-триггерах позволило исключить мерцание светодиодов, по сравнению со схемами, построенными на обычных логических элементах (например на К155ЛА3), хотя это и привело к усложнению конструкции.

При отсутствии микросхемы К555ТР2 её можно заменить двумя микросхемами К155/1 A3, из элементов которых собрать четыре RS-триггера. При этом необходимо сохранить приоритет по входу S, это значит, что светодиоды нужно подключать к выходу того элемента, один из входов которого используется как вход S триггера.

Транзисторы КТ315 можно заменить на КТ3102, КТ316, КТ312 и другие аналогичные.

РАДИО для ВСЕХ — VU-metr на LM39xx

Светодиодный индикатор уровня VU-metr на специализированных микросхемах семейства LM3914, LM3915 и LM3916

Светодиодный индикатор уровня сигнала на микросхемах семейства LM3914, LM3915 и LM3916 для стереофонического усилителя. Микросхемы LM3914, LM3915 и LM3916 фирмы National Semiconductors позволяют строить светодиодные индикаторы с различными характеристиками — линейной, растянутой линейной, логарифмической и специальной для контроля аудиосигнала.

Номер светодиода	Пороговое напряжение для микросхемы
	LM3914	LM3915		LM3916
	В	В	дБ	В	дБ	дБ
1	1	0,447	-27	0,708	-23	-20
2	2	0,631	-24	2,239	-13	-10
3	3	0,891	-21	3,162	-10	-7
4	4	1,259	-18	3,981	-8	-5
5	5	1,778	-15	5,012	-6	-3
6	6	2,512	-12	6,310	-4	-1
7	7	3,548	-9	7,079	-3	0
8	8	5,012	-6	7,943	-2	+1
9	9	7,079	-3	8,913	-1	+2
10	10	10	0	10	0	+3

Микросхема LM3914 предназначена для построения индикаторов с линейной шкалой, и все резисторы ее делителя имеют одинаковое сопротивление. У микросхемы LM3915 делитель рассчитан так, что включение каждого последующего светодиода происходит при увеличении напряжения входного сигнала в√2 раз (на 3 дБ), что удобно для контроля мощности УМЗЧ. Микросхема LM3916 специально предназначена для контроля уровня аудиосигнала. Шаг индикации у нее составляет 1 дБ в верхней части шкалы и увеличивается до 3 и 10 дБ в нижней части. В табл. 1 приведены уровни входного сигнала, включающего соответствующий светодиод, при нормировании на максимальное напряжение 10 В. При этом цоколевка всех микросхем абсолютно одинаковая, что очень удобно. Для получения большей точности в широком диапазоне входных напряжений применён несложный, но эффективный однополупериодный активный выпрямитель с использованием операционных усилителей. Схема устройства приведена ниже:

Для подключения внешних проводов на плате установлены винтовые клеммники. Операционный усилитель U3 самый распространенный типа LM358. Печатная плата имеет размеры 110х40 мм. В базовой комплектации применяются микросхемы LM3915, но вместо них Вы можете заказать установку любых из перечисленных выше. На плате установлены транзитные клеммники для подключения к темброблоку и оконечному УНЧ. Чертёж с указанием размеров между светодиодами с привязками к контурам печатной платы приведены на рисунке:

Фотографии набора и печатной платы приведен ниже:

Стоимость чистой печатной платы с маской и маркировкой: 50 грн.

Стоимость набора для сборки индикатора уровня VU-metr: 165 грн.

Стоимость собранной и проверенной платы VU-metr: 190 грн.
Краткое описание и инструкция по сборке находится здесь >>> Для оформления заказа лучше пишите сюда или звоните сюда 😉

Всем удачи, мира, добра! 73!

Примеры применения микросхем LM3914…LM3916

Схемы: индикатора уровня заряда аккумулятора или батареи питания, индикатора
уровня аудиосигнала, универсального светодиодного индикатора для широкого
спектра задач.

Продолжаем тему применения микросхем LM3914, LM3915 и LM3916 производства компании National Semiconductors, начатую на предыдущей странице (ссылка на страницу), где мы довольно подробно рассмотрели структурную схему ИМС, назначение выводов, а также привели калькулятор для расчёта внешних элементов.
На очереди – примеры и схемы конкретных устройств, использующих данные микросхемы для индикации каких либо физических величин.

А начнём мы с простой схемы светодиодного индикатора уровня заряда (разряда) чего-либо, будь то: аккумулятор, батарея питания, либо какой иной источник постоянного напряжения.

Рис.1 Схема светодиодного индикатора уровня заряда (разряда) элемента питания

Здесь ничего мудрить не надо! LM3914 включена в полном соответствии с типовой схемой включения. В качестве источника питания Еп используется исследуемый аккумулятор, а на 5-вывод микросхемы (вывод для входного сигнала) подаётся уровень напряжения, сформированный делителем Rд1 – Rд2 и равный 1/2 от Еп.
Если подать на 6 вывод микросхемы стабилизированное напряжение равное половине Еп (выбором R1 и R2), то при полностью заряженной батарее индикатор будет индицировать нам: либо свечением всех светодиодов в режиме «столбик», либо свечением верхнего светодиода в режиме «точка». Отсутствие свечения светодиодов будет свидетельствовать о напряжении источника питания близком к нулю.

Понятно, что отслеживая уровень заряда/разряда батарейки или аккумулятора, нет необходимости индикации уровней напряжения ниже определённого порога, после которого аккумулятор может выйти из строя, либо запитываемое устройство теряет работоспособность. По этой причине на 4 вывод LM3914 следует также подать напряжение, соответствующее нижнему порогу индикации уровня разряда, делённому пополам. Сделать это можно выбором номинала резистора R3.
Учитывая специфику, встроенного в микросхему стабилизатора и максимально допустимое значение напряжения питания микросхемы – приведённый индикатор сохраняет корректную работоспособность для источников с номинальными напряжениями полного заряда 6…20В.

Перенесём сюда подкорректированный калькулятор с предыдущей страницы.

РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ИНДИКАТОРА ЗАРЯДА/РАЗРЯДА АККУМУЛЯТОРА НА ИМС LM3914

Светодиодные индикаторы уровня или мощности аудио сигнала обычно строятся на ИМС LM3915 и LM3916, которые имеют аналогичную LM3914 цоколёвку, схему включения и отличаются лишь номиналами резисторов внутреннего делителя.
LM3915 обеспечивает логарифмическую шкалу индикации, что позволяет её использовать в индикаторах мощности, подаваемой на акустическую систему (подключается к выходу УМЗЧ).
LM3916 имеет характеристику, оптимизированную для контроля уровня аудиосигнала, и подключается к выходу предварительного усилителя, т. е. ко входу УМЗЧ.

Типовая схема включения LM3914…3916 для использования в составе светодиодных индикаторов уровня и мощности аудиосигнала приведена на Рис.2 слева, а возможные варианты пиковых детекторов, осуществляющих выпрямление переменного входного напряжения, перекочевали из datasheet-ов на микросхемы (Рис.2 справа).

Рис.2 Схема светодиодного индикатора уровня сигнала и пиковых детекторов из datasheet

Схема однополупериодного выпрямителя с использованием ОУ (Рис.2 справа) обеспечивает большую точность детектирования в широком диапазоне входных напряжений. Однако и простого пикового детектора на транзисторе вполне достаточно, чтобы обеспечить удовлетворительную линейность в диапазоне входных напряжений до 30 дБ. При отсутствии входного сигнала транзисторный детектор имеет на выходе напряжение близкое к нулю, так как зону нечувствительности диода компенсирует напряжение Uбэ транзистора VT1.
Дополнительным преимуществом транзисторной схемы является однополярный источник питания, а также возможность работы не только с переменными входными напряжениями, но и с постоянными.

Все эти преимущества транзисторного детектора дают возможность построить на LM3914…3916 универсальный индикатор, пригодный для индикации любых напряжений (как переменного, так и постоянного тока) и работающий от однополярного источника питания, к примеру – от батарейки «Крона» (Рис.3).

Рис.3 Схема универсального индикатора уровня сигналов постоянного и переменного токов

Подобный индикатор может найти применение не только в аудио приложениях, но и любых других, где требуется зафиксировать изменение уровня напряжения или тока и где использование стрелочных приборов по какой-либо причине – нежелательно.

Конденсатор фильтра С2 заряжается через резистор R5 и разряжается через R6. Коэффициент передачи детектора близок к 1.
Поскольку компараторы, входящие в состав LM3914…3916, обладают не самыми выдающимися характеристиками по крутизне преобразования, то для повышения резкости переключения светодиодов из одного состояния в другое имеет смысл обеспечить максимально возможный размах напряжения на входе данных ИМС – в идеале : Еп-3 (В).

Давайте сдобрим калькулятором и индикаторы уровня, приведённые на Рис.2 и Рис.3. Выбираем значение Uмакс – не менее 1,25В.

РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ СВЕТОДИОДНЫХ ИНДИКАТОРОВ УРОВНЯ НА ИМС LM3914…3916

Если индикатор призван работать только с сигналами переменного тока, то на входе детектора имеет смысл поставить разделительный конденсатор ёмкостью 1 МкФ.

Индикаторы уровня сигнала: схема светодиодной шкалы

Как сделать простые стерео индикаторы уровня сигнала на микросхеме AN6884

Индикаторы уровня сигнала, которые представлены в этой статье, собраны в виде модуля на четырех 5-канальных светодиодных драйверах AN6884. Индикатор уровня сигнала выполнен с двумя линейками LED-элементов, в которых установлены по десять светодиодов, обеспечивающие визуальное наблюдение за мощностью выходного сигнала усилителя.

Конечно можно собрать блок управления индикацией с использованием микроконтроллеров либо на двухканальной интегральной микросхеме LM3915, имеющей больший функционал по отображению звукового сигнала. Но у меня была цель изготовить такой модуль из самых доступных и дешевых компонентов, и вместе с этим расширить функциональные возможности этой нехитрой микросхемы AN6884.

Как было сказано выше, схема выполнена на 4 пяти-канальных интегральных микросхемах AN6884. Принцип их работы такой: звуковой сигнал подается в левый канал через цепочку включающую в себя электролитический конденсатор C1 и подстроечник R1 на левой паре микросхем. После этого сигнал идет на вход №1 первой AN6884, а подстроечным резистором устанавливается уровень напряжения, при котором начинает открываться первый из пяти в линейке светодиодов, относящихся к левому каналу усилителя.

Одновременно звуковой сигнал через подстроечный резистор R1 10kОм подается на R3 10kОм, который подключен к выводу №8 второй микросхемы левого канала. Этот переменный резистор, также устанавливает граничное напряжение, при котором открывается следующая пятерка светодиодов. Как правило, это LED-элементы уже другого цвета свечения — желтые и красные, сообщающие о пиковом значении выходного сигнала. Принцип работы правого канала абсолютно идентичен левому каналу.

Номинальные значения постоянных резисторов R5-R6 и R11-R12, определяются исходя из рабочего питающего напряжения схемы.

НАПРЯЖЕНИЕ	СОПРОТИВЛЕНИЕ R5, R6, R11, R12
8-12 В	47Ом
8-14 В	68Ом
12-16 В	91Ом

Данные постоянные сопротивления должны быть рассчитаны на мощность рассеивания не менее 0,5 ватта, так как они выполняют роль гасящих излишнее напряжение резисторов, и тепло на них выделяется довольно приличное.

Модули индикаторов уровня сигнала для стерео усилителя выполнены на 2-х стеклотекстолитовых печатных платах. Для удобства монтажа, светодиодная линейка была собрана на отдельной плате, так как в таком варианте ее легче было крепить на передней панели корпуса. Соединяется она с модулем шлейфом проводов.

Процесс настройки светодиодного индикатора сводится к следующему. На оба канала подается сигнал низкой частоты 1000 Гц, используя при этом генератор, либо другой доступный источник, например компьютер или айфон. Далее нужно выставить самый низкий размах амплитуды, где то в пределах от 80 до 140 мВ, если нет осциллографа, тогда придется выставлять по слуху.

Теперь подстроечными резисторами R1 и R7 установить значение, при котором первые светодиоды левого и правого каналов начнут
слегка светится. Далее, нужно потихоньку поднимать размах синусоидального сигнала по входу, используя при этом генератор НЧ либо айфон, до тех пор, пока не начнут подсвечивать 5 и 15 светодиоды. На этом шаге продолжаем поднимать амплитуду еще немного, и теперь переменными резисторами R3 и R9 устанавливаем значение, при котором начнут подсвечивать 6 и 16 светодиоды. Вот и вся настройка.

Здесь можно скачать: Печатная плата на индикатор AN6884

Светодиодный индикатор уровня звука на микросхеме LM3915N из Китая: grodenski — LiveJournal

Наконец-то принесли последнюю в этом году посылку. В ней — комплект для сборки индикатора уровня звука на микросхеме LM3915N.

набор для сборки плата со стороны шелкографии плата со стороны дорожек

LM3915 состоит из десяти однотипных операционных усилителей, работающих по принципу компаратора. Прямые их входы подключены через цепочку из резистивных делителей с различными номиналами сопротивлений. Благодаря чему светодиоды в нагрузке зажигаются по логарифмической зависимости. На инверсные входы приходит входной сигнал, который обрабатывается буферным ОУ (вывод 5). Внутри микросхема так же содержит маломощный интегральный стабилизатор, подключенный к выводам 3, 7, 8 и устройство для задания режима свечения (вывод 9). Диапазон напряжений питания от 3 до 25В. Величину опорного напряжения задают в пределах от 1,2 до 12В при помощи внешних резисторов. Выходной ток на светодиоды выставляется от 1 до 30 мА. Но больше 20 мА подавать нежелательно во избежании перегрева микросхемы и выхода ее из строя.

блок схема

Прибор рассчитан на питание от 12В, которое подается на третий вывод LM3915. Оно же, через токоограничивающий резистор R2 и два фильтрующих конденсатора С1 и С2, идёт на светодиоды. Резисторы R1 и R8 служат для снижения яркости последних двух красных светодиодов. Также питание идет на перемычку, которая управляет режимом работы микросхемы через вывод 9. В разомкнутом состоянии схема работает в режиме «точка» — происходит свечение одного светодиода, соответствующего входному сигналу. Замыкание перемычки переводит схему в режим «столбик», когда уровень входного сигнала пропорционален высоте светящегося столбца. Резистивный делитель, собранный на R3, R4 и R7 ограничивает уровень входного сигнала. Более точная настройка осуществляется многооборотным подстроечным резистором R4. Резистор R9 задает смещение для верхнего уровня (вывод 6), точное значение которого определяется сопротивлением R6. Нижний уровень (вывод 4) присоединяется к общему проводу. Резистор R5 (вывод 7,8) увеличивает величину опорного напряжения и влияет на яркость светодиодов. Именно R5 задаёт ток через светодиоды и рассчитывается по формуле: R5=12,5/ILED, где ILED – ток одного светодиода.

схема индикатора

Принцип работы индикатора: LM3915 реагирует на изменение входного сигнала и выдает ток на один или сразу несколько своих выходов. В момент, когда входной сигнал преодолеет порог нижнего уровня плюс сопротивление на прямом входе первого компаратора, засветится первый светодиод (вывод 1). Дальнейшее нарастание звукового сигнала приведёт к поочерёдному срабатыванию компараторов, о чём даст знать соответствующий светодиод.

собранное устройство в работе

Спасибо за внимание!

Светодиодный индикатор уровня

Вот таких хороших микросхем как К1003ПП1, UAA180, A277D сейчас очень много выпустили.
Я пробовал на такой «михе» цифровой осциллограф сделать.
В принципе неплохо получалось. Особых навыков в настройке не нужно.
А стоят они порядка 2$.

На следующем рисунке представлена типовая схема включения микросхем UAA180, A277D, К1003ПП1 в качестве столбикового индикатора уровня аудиосигнала. Напряжение питания такой схемы 10…18 В. Максимальное напряжение входного сигнала 50…500 мВ. Допустимое напряжение на выводах 3, 16, 17 не более 6,2 В.

R1 10…30k;	C1,C2 0,22;
R2 220k;	C3 0,1;
R3 2,4k;	VD1, VD2 КД522;
R4, R5 1,5MOm;	VD3-VD14 АЛ307 и др.;
R7, R9 100…200k;	VT1 КТ315;
R6, R8, R10 100k;	DA1 A277D, UAA180, К1003ПП1.
R6 — регулировка яркости свечения светодиодов
R8 — регулировка порога зажигания первого светодиода
R10 — регулировка порога зажигания последнего светодиода

Цепь R4, C3 задает время задержки выключения светодиодов (инерционность индикатора). Если нужен индикатор зажигающий только один светодиод (в виде бегущего огня) следует использовать следующую схему включения.

Если вы собираетесь подключать такой индикатор уровня прямо к выходу усилителя мощности, можно выбросить транзистор из схемы используя следующую схему подключения входного сигнала. Резистивный делитель здесь определяет максимальный уровень сигнала на входе микросхемы.

Так же микросхемы типа UAA180, A277D, К1003ПП1 находят применение и в дугих областях измерений. Например, ниже приведена схема электронного светодиодного столбикового термометра. Датчиком здесь выступает терморезистор 10к.

Переменным резистором RV1 настраивается верхняя граница шкалы термометра, а резистором RV2 нижняя граница.

Так же разработаны схемы с операционными усилителями в виде предусилителей и схемы удлинняющие количество подключенных светодиодов в линейке за счет использования нескольких таких микросхем типа A277D, UAA180, К1003ПП1, но все это легко найти в интернете

Светодиод, который можно интегрировать непосредственно в компьютерные чипы | Новости Массачусетского технологического института

Светодиоды — светодиоды — могут сделать гораздо больше, чем просто осветить вашу гостиную. Эти источники света также полезны для микроэлектроники.

Смартфоны

, например, могут использовать светодиодный датчик приближения, чтобы определить, держите ли вы телефон рядом с лицом (в этом случае экран выключается). Светодиод посылает импульс света к вашему лицу, а таймер в телефоне измеряет, сколько времени требуется этому свету, чтобы отразиться обратно на телефон, показывая, насколько близко телефон находится к вашему лицу.Светодиоды также удобны для измерения расстояния в камерах с автофокусом и распознавания жестов.

Одна проблема со светодиодами: их сложно сделать из кремния. Это означает, что светодиодные датчики должны изготавливаться отдельно от кремниевой микросхемы обработки их устройства, часто по высокой цене. Но однажды это может измениться благодаря новому исследованию Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (RLE).

Исследователи изготовили кремниевый чип с полностью интегрированными светодиодами, достаточно яркими, чтобы обеспечить работу современных сенсорных и коммуникационных технологий.Прогресс может привести не только к рационализации производства, но и к повышению производительности наноразмерной электроники.

Джин Сюэ, аспирант RLE, руководил исследованием, которое будет представлено на конференции IEDM на этой неделе. Среди соавторов Массачусетского технологического института были профессор Раджив Рам, который возглавляет группу физической оптики и электроники в RLE, а также Джехван Ким, Александра Местре, Додд Грей, Даниелиус Крамник и Амир Атабаки. Среди других соавторов были Киан Минг Тан, Даниэль Чонг, Сандипта Рой, Х.Нонг, Хи Йонг Лим и Элгин Квек из компании GLOBALFOUNDRIES.

Кремний

широко используется в компьютерных чипах, потому что он широко распространен, дешев и является полупроводником, то есть может попеременно блокировать и пропускать поток электронов. Эта способность переключаться между «выключено» и «включено» лежит в основе способности компьютера выполнять вычисления. Но, несмотря на превосходные электронные свойства кремния, он не совсем хорош, когда дело доходит до оптических свойств — кремний является плохим источником света.Поэтому инженеры-электрики часто отказываются от материала, когда им нужно подключить светодиодные технологии к компьютерному чипу устройства.

Светодиод в датчике приближения вашего смартфона, например, сделан из полупроводников III-V, названных так потому, что они содержат элементы из третьего и пятого столбцов таблицы Менделеева. (Кремний находится в четвертом столбце.) Эти полупроводники оптически более эффективны, чем кремний, — они производят больше света при заданном количестве энергии. (Вы не видите свет, излучаемый датчиком приближения, потому что он инфракрасный, а не видимый.)

И хотя датчик приближения занимает небольшую часть размера кремниевого процессора телефона, он значительно увеличивает общую стоимость телефона. «Необходим совершенно другой производственный процесс, и это отдельная фабрика, которая производит эту деталь», — говорит Рэм. «Итак, цель будет заключаться в следующем: сможете ли вы объединить все это в одну систему?» Команда Рама так и сделала.

Сюэ разработал светодиод на основе кремния со специально спроектированными переходами — контактами между различными зонами диода — для повышения яркости.Это повысило эффективность: светодиод работает при низком напряжении, но при этом производит достаточно света для передачи сигнала по 5-метровому оптоволоконному кабелю. Кроме того, компания GLOBALFOUNDRIES производила светодиоды наряду с другими кремниевыми микроэлектронными компонентами, включая транзисторы и детекторы фотонов. Хотя светодиод Сюэ не совсем затмил традиционный полупроводниковый светодиод III-V, он легко превзошел предыдущие попытки светодиодов на основе кремния.

«Наш процесс оптимизации изготовления кремниевых светодиодов значительно улучшился по сравнению с предыдущими отчетами, — говорит Сюэ.Он добавляет, что кремниевый светодиод также может включаться и выключаться быстрее, чем ожидалось. Команда использовала светодиод для отправки сигналов на частотах до 250 мегагерц, что указывает на то, что технология потенциально может использоваться не только для сенсорных приложений, но и для эффективной передачи данных. Команда Сюэ планирует продолжить разработку технологии. Но, по его словам, «это уже большой прогресс».

Ram предвидит день, когда светодиодную технологию можно будет встроить прямо в кремниевый процессор устройства — отдельный завод не потребуется.«Это разработано в стандартном процессе микроэлектроники», — говорит он. «Это действительно комплексное решение».

В дополнение к более дешевому производству, прогресс может также улучшить производительность и эффективность светодиодов, поскольку электроника сокращается до все более мелких масштабов. Это потому, что в микроскопическом масштабе полупроводники III-V имеют неидеальные поверхности, пронизанные «оборванными связями», которые, по словам Рама, позволяют энергии теряться в виде тепла, а не света. Напротив, кремний образует более чистую поверхность кристалла.«Мы можем воспользоваться этими очень чистыми поверхностями», — говорит Рам. «Это достаточно полезно, чтобы быть конкурентоспособным для этих микромасштабных приложений».

«Это важное событие», — говорит Мин Ву, инженер-электрик из Калифорнийского университета в Беркли, который не участвовал в исследовании. «Это позволяет кремниевым интегральным схемам связываться друг с другом напрямую с помощью света, а не по электрическим проводам. Это несколько удивительно, поскольку кремний имеет непрямую запрещенную зону и обычно не излучает свет.

Кремний «занимает корону в электронных устройствах» продолжит свое господство «без сомнения», говорит Чанг-Вон Ли, исследователь прикладной оптики из Национального университета Ханбат, который также не участвовал в работе. Однако он согласен с Ву в том, что это продвижение представляет собой шаг к компьютерам на основе кремния, которые в меньшей степени зависят от электронной связи. «Например, существует оптическая архитектура ЦП, о которой мечтала полупроводниковая промышленность. Отчет о микросветодиодах на основе кремния показывает значительный прогресс в этих попытках.

Рам уверен, что его команда сможет продолжить доработку технологии, так что однажды светодиоды будут дешево и эффективно интегрироваться в кремниевые чипы в качестве отраслевого стандарта. «Мы не думаем, что здесь мы близки к концу очереди», — говорит Рэм. «У нас есть идеи и результаты, указывающие на значительные улучшения».

Это исследование было поддержано Сингапурским агентством по науке, технологиям и исследованиям и Образовательным фондом Кванчжон.

Онлайн-кампус микроскопии ZEISS | Светодиоды

Введение

Среди наиболее многообещающих новых технологий освещения в оптической микроскопии — светоизлучающий диод ( LED ).Эти универсальные полупроводниковые устройства обладают всеми желательными характеристиками, которых лишены лампы накаливания (галогенные вольфрамовые) и дуговые лампы, и теперь они достаточно эффективны, чтобы питаться от низковольтных батарей или относительно недорогих переключаемых источников питания. Разнообразный спектральный выход, обеспечиваемый светодиодами, позволяет выбрать индивидуальный диодный источник света для обеспечения оптимальной полосы длин волн возбуждения для флуорофоров, охватывающих ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области. Кроме того, новые мощные светодиоды генерируют достаточную интенсивность, чтобы обеспечить полезный источник освещения для широкого спектра приложений флуоресцентной микроскопии (см. Таблицу 1), включая исследование фиксированных клеток и тканей, а также визуализацию живых клеток в сочетании с Frster. методы резонансной передачи энергии ( FRET ) и измерения срока службы ( FLIM ).Полная ширина на полувысоте ( FWHM ; полоса пропускания) типичного квазимонохроматического светодиода варьируется от 20 до 70 нанометров (см. рис. 1), что аналогично по размеру ширине полосы возбуждения многих синтетических флуорофоров и флуоресцентных белков. Как показано в Таблице 1, светодиоды с выходной длиной волны в диапазоне 400–465 нанометров демонстрируют уровни мощности, превышающие 20 мВт/см ² , в то время как большинство светодиодов с большей длиной волны (от зеленого до красного) имеют выходную мощность менее 10 мВт/см. милливатт/см ² .Широкий спектральный профиль некоторых светодиодов в диапазоне от 535 до 585 нанометров обусловлен тем, что эти диоды содержат вторичный люминофор, который возбуждается первичным светодиодом фиолетового или ультрафиолетового излучения, что снижает выходную мощность и расширяет спектральный профиль. Таким образом, область возбуждения от зеленого до желто-оранжевого цвета, одна из наиболее полезных для обычных флуорофоров, таких как TRITC, MitoTrackers и оранжевых или красных флуоресцентных белков, остается недостатком для тех приложений (таких как FRAP и фотоактивация), которые требуют высоких уровней освещенности. .

По сравнению с лазерным светом, более широкая полоса пропускания светодиодов более полезна для возбуждения различных флуоресцентных зондов, а по сравнению с чрезмерным теплом и непрерывным спектром, излучаемым дуговыми лампами, светодиоды холоднее, меньше и обеспечивают гораздо более удобный механизм. для циклического включения и выключения источника, а также для быстрого выбора определенных длин волн. Коммерческие светодиодные осветители, предназначенные для флуоресцентной микроскопии, были представлены несколькими производителями, и, несмотря на их более слабую интенсивность излучения по сравнению с яркими спектральными линиями ртутных и металлогалогенных дуговых ламп, современные тенденции в развитии светодиодов указывают на ожидание значительного увеличения яркости. во всех диапазонах длин волн в ближайшие несколько лет.Кроме того, недавние достижения в светодиодной технологии, направленные на производство кристаллов кристаллов, геометрия которых снижает потери света из-за внутреннего отражения, должны помочь в создании устройств, которые можно использовать практически во всех приложениях флуоресцентной микроскопии. На рисунке 1 показаны спектральные профили излучения светодиодов для нескольких коммерчески доступных диодов. Спектры регистрировались в фокальной плоскости объектива микроскопа с помощью широкополосного зеркала, расположенного во флуоресцентном оптическом блоке.Уровни мощности для этих светодиодов перечислены в таблице 1 с использованием как зеркала, так и обычных наборов флуоресцентных фильтров.

В отличие от дуговых ламп, которые демонстрируют высокую степень собственного излучения или яркости, светодиодная технология медленно эволюционировала от рудиментарных устройств, которые в конце 1960-х годов были способны обеспечить только тысячную долю люмена красного света. Однако за последние четыре десятилетия светодиоды развивались такими темпами, что могут соперничать с микропроцессорами. Подобно предсказанию Гордона Э.Мура, что количество транзисторов на компьютерном чипе будет удваиваться каждые два года, ученый из Agilent Technologies Роланд Хейтц предсказал, что яркость светодиодов будет увеличиваться в 20 раз каждые 10 лет. На самом деле, то, что сейчас называют законом Хайца , доказало свою надежность, поскольку яркость светодиодов исторически удваивалась каждые два года, и ожидается, что этот резкий рост производительности продолжится. Поскольку их яркость и диапазон доступных цветов увеличились, светодиоды стали использоваться во множестве новых приложений, включая роль энергоэффективной и надежной замены ламп накаливания для домашнего и промышленного освещения.Кроме того, высокопроизводительные светодиоды в настоящее время используются в ряде других промышленных, медицинских и военных приложений. Среди множества примеров — навигация, робототехника, машинное зрение, эндоскопия и диагностическое оборудование. В будущем должен возникнуть растущий спрос на источники света высокой яркости на основе светодиодных устройств в тех областях экономики, которые имеют существенно большую рыночную власть, чем оптическая микроскопия. Этот спрос, несомненно, послужит движущей силой для разработки мощных светодиодов, излучающих во всех спектральных областях, что принесет пользу всем модальностям освещения в оптической микроскопии.

Многие из первоначальных попыток использовать светодиоды в качестве источников света для микроскопии потерпели неудачу отчасти из-за низкой мощности излучения ранних устройств. Как правило, ранее запатентованные конструкции освещения микроскопов основывались на большом количестве светодиодов, сгруппированных для создания однородной картины освещения. Этот подход обеспечил относительно высокий уровень лучистого потока, но не смог решить проблему низкого излучения, возникающего из-за такого большого распределенного источника света (в отличие от характеристик точечного источника дуговой лампы).Имеющиеся в настоящее время высокопроизводительные светодиоды обладают достаточной яркостью, чтобы работать по отдельности в качестве высокоэффективного источника монохроматического света с низкой пространственной когерентностью для наблюдений при флуоресцентном эпи-освещении или с полихроматическим светом в проходящей микроскопии. Хотя их усредненная спектральная освещенность все еще ниже, чем у спектральных пиков мощной 100-ваттной дуговой лампы HBO (ртутная), она приближается к континууму 75-ваттной дуговой лампы XBO (ксенон) во многих видимых областях. части спектра.

Светодиоды
значительно более эффективны, чем дуговые лампы, при преобразовании электричества в видимый свет, часто достигая выходной мощности до 100 люменов на ватт по сравнению с 22 люменами на ватт для 100-ваттного источника HBO. Эти полупроводниковые устройства прочны и компактны и часто могут работать в течение 100 000 часов при использовании, что примерно в 500 раз дольше, чем у ртутной лампы HBO. Некоторые из зеленых светодиодов имеют эффективность преобразования до 75 процентов, хотя устройства в этом диапазоне длин волн по-прежнему страдают от снижения выходной мощности.Напротив, фиолетовые и синие светодиоды, имеющие светоотдачу 250 и 150 мВт соответственно, в настоящее время коммерчески доступны, и в ближайшем будущем должна появиться аналогичная мощность на других длинах волн. Выход светодиодов можно модулировать на высоких частотах (до 5 кГц), а их выходную яркость можно регулировать, контролируя доступный ток. Эти преимущества устраняют необходимость в механических заслонках, а также в фильтрах нейтральной плотности для управления освещением образца в микроскопии.Хотя светодиоды имеют относительно узкие спектральные профили излучения, в большинстве случаев они должны использоваться с интерференционными тонкопленочными фильтрами возбуждения для удаления остаточных длин волн на крайних значениях (на хвостах спектра).
Оптическая мощность светодиодов

Флуорофор
Возбуждение
Категория Светодиод
Обозначение Светодиод на полувысоте
Полоса пропускания
(нм) Мощность
мВт/см ²
(LLG) ^a Мощность
мВт/см ²
(Зеркало) ^б Флуоресцентный
Набор фильтров Возбуждение
Ширина полосы
(нм) Мощность
мВт/см ²
(комплект фильтров) ^b
Ультрафиолет (DAPI, BFP) 400 393-408 748 23.3 ДАПИ ^с 365/10 0,09
Голубой (ECFP) 445 433-453 819 24,2 ECFP 114 ^д 440/20 9,0
Синий (EGFP, Cy2, AF488) 465 449-473 777 21.8 ET-GFP ^c 470/40 17,5
Сине-зеленый (EYFP) 505 491-520 308 6,4 ET-YFP ^с 500/20 2,8
Зеленый (AF532) 525 503-539 273 6.6 Штаб-квартира TRITC ^c 545/30 1,5
Зеленый (TRITC, Cy3, AF546) 535 503-573 383 9,5 Штаб-квартира TRITC ^c 545/30 2,6
Зелено-желтый (TRITC, Cy3) 565 515-594 333 7.3 Штаб-квартира TRITC ^c 545/30 1,9
Зелено-желтый (TRITC, Cy3) 565 515-594 333 7,3 Штаб-квартира TR ^c 560/55 3,2
Желтый (TR, MitoTracker) 585 547-613 348 5.9 Штаб-квартира TR ^c 560/55 2,8
Апельсин (TR, mCherry) 595 587-604 112 2,7 Штаб-квартира TR ^c 560/55 0,51
Красный (Cy5, AF635) 635 620-637 370 4.6 Cy5 XF110 ^д 630/50 3,5

Таблица 1
В таблице 1 представлены значения оптической выходной мощности и спектральные полосы FWHM для нескольких светодиодов ближнего ультрафиолетового и видимого диапазона, которые в настоящее время используются во флуоресцентной микроскопии.Мощность каждого светодиода указана в милливаттах/см ² и была измерена на выходе жидкостного световода (столбец LLG в таблице 1), а также в фокальной плоскости объектива микроскопа (40-кратное увеличение сухого флюорита, численное апертура = 0,85) с помощью радиометра на основе фотодиодов. Для проецирования света через объектив и в датчик радиометра использовалось либо зеркало с коэффициентом отражения более 95% от 350 до 800 нанометров, либо стандартный набор флуоресцентных фильтров (значения указаны в столбцах, обозначенных Зеркало и Набор фильтров , соответственно, в таблице 1).Потери светопропускной способности в системе освещения микроскопа могут варьироваться от 95 до 99 процентов входной мощности в зависимости от количества фильтров, зеркал, призм и линз в оптической цепи. Для типичного инвертированного микроскопа исследовательского класса, подключенного к внешнему светодиодному источнику освещения, менее 3 процентов света, выходящего из жидкостного световода, доступно для возбуждения флуорофоров, расположенных в фокальной плоскости объектива. Аналогичная степень потери света происходит с внешними металлогалогенными источниками света, подключенными к микроскопу через жидкостный световод, а также с традиционными ксеноновыми и ртутными дуговыми лампами, прикрепленными непосредственно к осветителю через ламповый корпус.
В коммерческих светодиодных лампах отдельные диодные модули могут быть легко заменены, чтобы получить ширину полосы возбуждения, подходящую для различных флуорофоров, используемых в каждом эксперименте. Интенсивность каждого светодиодного модуля также можно независимо отрегулировать с точными электрическими шагами (в процентах от максимальной мощности), чтобы периоды возбуждения освещения можно было сбалансировать с чувствительностью детектора, чтобы избежать фототоксичности образца. Еще одним преимуществом светодиодов является их способность мгновенно загораться с полной интенсивностью при подаче электрического тока.В отличие от ламп дугового разряда и ламп накаливания, светодиоды можно многократно модулировать, включать и выключать без вредного воздействия на их срок службы. Кроме того, полностью электронная система освещения на диодах лишена механических частей и не вызывает проблемных вибраций, создаваемых движением затвора и фильтра нейтральной плотности.
Уникальным аспектом светодиодного освещения является выдающаяся пространственная и временная стабильность (по сравнению с традиционными источниками освещения), которая позволяет использовать высокоточные методы количественного анализа в течение продолжительных периодов времени.Светодиоды управляются полностью обратимым фотоэлектрическим эффектом во время работы. В результате светодиоды имеют самые низкие рабочие температуры среди всех источников света в оптической микроскопии и являются одними из самых стабильных во временном и пространственном отношении, а также в распределении длин волн. Кроме того, при условии, что светодиоды работают при правильном напряжении и токе, они имеют значительно более длительный срок службы, чем любой из других доступных в настоящее время источников света (см. рис. 2). Ртутные и ксеноновые дуговые лампы имеют срок службы от 200 до 400 часов (соответственно), тогда как металлогалогенные источники работают 2000 часов и более.Вольфрамово-галогенные лампы накаливания имеют срок службы от 500 до 2000 часов в зависимости от рабочего напряжения. Напротив, многие светодиодные источники демонстрируют срок службы более 10 000 часов без существенной потери интенсивности, а некоторые производители гарантируют срок службы 100 000 часов до того, как интенсивность источника упадет до 70 процентов от первоначального значения.
Все лампы, выделяющие значительное количество тепла, включая светодиоды, также демонстрируют зависимость мощности излучения от температуры источника.Для ламп накаливания и дуговых ламп требуется период времени до одного часа, пока источник освещения не станет достаточно стабильным, чтобы можно было производить воспроизводимые измерения или собирать цейтраферные видеопоследовательности без существенных изменений интенсивности во времени. Этот длительный период ожидания не требуется для светодиодов, которые способны реагировать очень быстро (в течение нескольких микросекунд). Однако версии с самой высокой мощностью также могут генерировать значительное количество тепла (приблизительно от 60 до 70 процентов своей мощности) во время прогрева и из-за их высокой скорости подвержены влиянию высокочастотной нестабильности в источнике питания.При работе светодиодов изменение тока может привести к смещению пика излучения, аналогичному по величине наблюдаемому в линиях дуговых ламп. Этот эффект часто возникает, если кристалл светодиода не является идеально однородным, а величина сдвига часто зависит от типа и качества полупроводникового кристалла, используемого при изготовлении устройства. Стабильность длины волны может быть обеспечена при использовании светодиодов путем калибровки спектрального выхода с рабочим током перед началом экспериментов.
Кремниевые диоды излучают свет в ближней инфракрасной ( IR ) области, но диоды, изготовленные из других полупроводников, могут излучать в видимой и ближней ультрафиолетовой ( UV ) длинах волн.Типичный светодиодный источник состоит из полупроводникового кристалла размером примерно от 0,3 x 0,3 миллиметра до 1 или 2 квадратных миллиметров. Наиболее распространенные кристаллы, используемые в производстве светодиодов, основаны на смесях элементов периодической таблицы группы III и группы V , таких как GaN (нитрид галлия), SiC (карбид кремния), ZnSe ( селенид цинка) и GaAlAsP (смесь галлия, алюминия, мышьяка и фосфора).Каждый из этих кристаллов излучает в разных диапазонах волн (см. рис. 1 и табл. 2). Тщательный контроль относительных пропорций полупроводников, а также добавление примесей для изменения электронных свойств кристаллической решетки позволяет производителям и исследователям производить диоды, излучающие красный, оранжевый, желтый или зеленый свет. Спектральная полоса этих излучений обычно находится в диапазоне от 12 до 40 нанометров без значительных внеполосных компонентов в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне (спектральные области, вредные для визуализации живых клеток).Применение карбида кремния и нитрида галлия в светодиодах привело к созданию устройств, которые излучают в синей области (полезно для возбуждения вариантов голубого, зеленого и желтого флуоресцентных белков), а сочетание нескольких цветов в разных пропорциях может генерировать различные цветовые температуры белого. света для применения в проходящей микроскопии.
В типичной конфигурации для освещения оптической микроскопии один или несколько кристаллов встроены в более крупную светодиодную структуру для защиты и более эффективного сбора света, а также для простоты электрического подключения и термообработки.Одним из основных преимуществ светодиодной технологии является то, что небольшие отдельные блоки могут быть объединены для создания источника света, имеющего форму, наиболее подходящую для конкретного применения. Возможные геометрии источника ограничены только рассеиванием тепла и допустимой плотностью корпуса технологии устройства поверхностного монтажа ( SMD ), используемой для интеграции нескольких кристаллов на печатной плате. Таким образом, можно изготовить очень плотные, яркие, специально разработанные источники света, чтобы они соответствовали параметрам сбора входных данных целевой оптической системы.Основные свойства светодиодов
Основные характеристики светодиодов отличаются от характеристик других источников освещения, обычно используемых в оптической микроскопии. Таким образом, светодиоды представляют собой уникальную категорию некогерентных источников света, которые способны обеспечивать непрерывное и эффективное освещение от простого двухэлементного полупроводникового диода (называемого чипом или кристаллом ), заключенным в прозрачный корпус из эпоксидной смолы, который, во многих случаях также выполняет двойную функцию проекционного объектива.Общая концепция работы светодиодов чрезвычайно проста. В одной из двух полупроводниковых областей чипа преобладают отрицательные заряды (область n ), а в другой преобладают положительные заряды (область p ). Когда к электрическим выводам приложено достаточное напряжение, создается ток, поскольку электроны переходят через соединение между двумя полупроводниками из области n в область p , где отрицательно заряженные электроны объединяются с положительными зарядами.Промежуточная область или соединение между двумя полупроводниками известна как область обеднения (см. рис. 3). Каждая рекомбинация зарядов, происходящая в обедненной области, связана с уменьшением уровня энергии (равного заряду, умноженному на ширину запрещенной зоны, В(г) , полупроводника), что может привести к высвобождению кванта электромагнитного излучения в форма фотона, имеющего энергию (и длину волны), равную энергии запрещенной зоны. Полоса пропускания длин волн излучаемых фотонов является характеристикой полупроводникового материала (см. Таблицу 2), поэтому различные цвета могут быть легко получены путем внесения изменений в полупроводниковый состав чипа.
Варианты цветов светоизлучающих диодов

Название цвета Длина волны
(нанометры) Полупроводник
Состав
Ультрафиолет 395 InGaN/SiC
Сине-фиолетовый 430 GaN/SiC
Супер синий 470 GaN/SiC
Зеленый 520 InGaN/сапфир
Чисто-зеленый 555 GaP/GaP
Зелено-желтый 567 GaP/GaP
Желтый 585 GaAsP/GaP
Оранжевый 605 GaAsP/GaP
Супер оранжевый 612 АлГаИнП
Супер красный 633 АлГаИнП
Ультракрасный 660 GaAlAs/GaAs
Ближний инфракрасный 700 GaP/GaP
Инфракрасный 880 GaAlAs/GaAs
Бледно-белый 6500К InGaN/SiC
Таблица 2

В качестве полупроводниковых материалов светодиоды обладают свойствами, общими для элементов из категории кремния периодической таблицы, и демонстрируют переменные характеристики электропроводности.Типичные полупроводники имеют значения электрического сопротивления, промежуточные между значениями проводников и изоляторов, и их поведение моделируется в терминах электронной зонной теории для твердых тел. В кристаллическом твердом теле электроны занимают большое количество энергетических уровней, которые сгруппированы в почти непрерывные энергетические зоны, ширина и расстояние между которыми значительно различаются в зависимости от конкретных свойств материала. На более высоких энергетических уровнях две отдельные полосы, называемые валентной и проводимостью , используются для определения ширины запрещенной зоны для конкретного материала.Электроны валентной зоны, которые образуют фиксированные локализованные связи между атомами в твердом теле, имеют меньшую энергию, чем высокоподвижные электроны зоны проводимости. Проводники имеют перекрывающиеся валентную зону и зону проводимости, что позволяет валентным электронам переходить в зону проводимости с образованием дырок (вакансий с суммарным положительным зарядом) в валентной зоне. Электроны от соседних атомов могут легко мигрировать через решетку в дырки, создавая тем самым движение вакансий в обратном направлении.Напротив, изоляторы имеют полностью занятые валентные зоны и гораздо большую ширину запрещенной зоны, что требует значительных затрат энергии для вытеснения валентных электронов в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны в полупроводниках мала, но конечна, и при комнатной температуре простого теплового возбуждения достаточно, чтобы переместить часть электронов в зону проводимости. Большинство электронных устройств, включающих полупроводники (такие как диоды и транзисторы), сконструированы таким образом, что требуется приложение напряжения, чтобы вызвать изменения в распределении электронов между валентной зоной и зоной проводимости, необходимые для обеспечения протекания тока.Существуют большие различия в потенциале запрещенной зоны между различными полупроводниками, хотя расположение зон во всех этих материалах одинаково. Кремний, который является простейшим собственным полупроводником, не имеет подходящей структуры запрещенной зоны, чтобы его можно было использовать в конструкции светодиодов (но кремний по-прежнему используется во многих других устройствах, включая интегральные схемы). Тем не менее, характеристики проводимости кремния могут быть улучшены путем легирования (рис. 3), что вводит незначительные количества примесей для создания дополнительных электронов или вакансий (дырок) в природной кристаллической структуре.

Процесс легирования лучше всего описывается с помощью элемента кремния, члена группы IV периодической таблицы. Кремний имеет четыре валентных электрона, которые участвуют в связывании с соседними атомами в чистом кристалле, не оставляя дефицита или избытка. Если небольшое количество элемента группы III (имеющего три валентных электрона) смешать с твердым кремнием, то теперь будет доступно недостаточное количество электронов для удовлетворения всех требований к связыванию, что приведет к образованию отверстий в кристалле и созданию общего положительного заряда для классификации. легированный кремний как полупроводник типа p .Бор является одним из элементов, который обычно используется для легирования чистого кремния для достижения характеристик типа p . Напротив, добавление элемента группы V , такого как фосфор (имеющий пять валентных электронов), к чистому кремнию создает полупроводник типа n , который имеет общий отрицательный заряд из-за дополнительных валентных электронов. Два наиболее распространенных полупроводниковых элемента, кремний и германий, как правило, непригодны для изготовления светодиодов из-за значительного количества тепла, выделяемого в местах соединения, а также из-за низкого уровня излучения видимого и инфракрасного света.

Фотонно-излучающий диод p-n переходы обычно основаны на смеси элементов группы III и группы V , таких как галлий, мышьяк, фосфор, индий и алюминий. Относительно недавнее добавление карбида кремния и нитрида галлия к этой полупроводниковой палитре привело к появлению синих диодов, которые можно комбинировать с другими цветами или вторичными люминофорами для получения светодиодов, излучающих белый свет. Фундаментальным ключом к управлению свойствами светодиодов является электронная природа перехода p-n между двумя различными полупроводниковыми материалами.Когда сплавляются разнородные легированные полупроводники, протекание тока в переходе и характеристики длины волны излучаемого света определяются электронным характером каждого материала. Как правило, ток легко течет в одном направлении через переход, но не в другом, что составляет базовую конфигурацию диода. Этот тип поведения лучше всего понять с точки зрения перехода электронов и дырок в двух материалах и через соединение. Электроны из полупроводника типа n переходят в положительно легированный полупроводник (типа p ), который имеет вакантные дырки, позволяя электронам «прыгать» из дырки в дырку.Результатом этой миграции является то, что дырки кажутся движущимися в противоположном направлении или от положительно заряженного полупроводника к отрицательно заряженному полупроводнику. Электроны из области типа n и дырки из области p рекомбинируют вблизи перехода, образуя обедненную область (рис. 3), в которой не остается носителей заряда. Таким образом, в области истощения устанавливается статический заряд, который препятствует протеканию тока, если не приложено внешнее напряжение.

Для настройки диода электроды размещаются на противоположных концах полупроводникового устройства p-n для подачи напряжения, способного преодолеть эффекты обедненной области. Как правило, область типа n подключается к отрицательной клемме, а область типа p подключается к положительной клемме (известной как прямое смещение перехода), так что электроны будут течь от n — наберите материал в направлении p , и отверстия будут двигаться в противоположном направлении.Чистый эффект заключается в том, что зона истощения исчезает, и электрический заряд перемещается по диоду, при этом электроны направляются к переходу из материала типа n , тогда как дырки направляются к переходу из материала типа p . Комбинация дырок и электронов, втекающих в переход, позволяет поддерживать непрерывный ток через диод. Хотя управление взаимодействием между электронами и дырками в p-n -переходе является фундаментальным элементом конструкции всех полупроводниковых диодов, основной целью светодиодов является эффективное генерирование света.Генерация видимого света за счет инжекции носителей заряда через переход pn имеет место только в полупроводниковых диодах с определенным составом материалов, что привело к поиску новых комбинаций, обладающих необходимой шириной запрещенной зоны между зоной проводимости и орбиталями валентная полоса. Кроме того, продолжаются исследования по разработке архитектуры светодиодов, которые минимизируют поглощение света диодными материалами и более устойчивы при концентрации излучения света в определенном направлении.Светодиодная конструкция

К числу критических аспектов производства светодиодов относятся характер элементов, используемых в полупроводниках типа n и p , а также их физическая геометрия, конструкция корпуса устройства и конфигурация пути выхода света. . Базовая структура типичного светодиода состоит из полупроводникового материала (кристалла или микросхемы), каркаса, на котором установлен кристалл, и герметизирующего материала, окружающего сборку (см. рис. 4). В большинстве случаев светодиодный полупроводник поддерживается в чашке отражателя, которая прикреплена к электроду (катоду), а верхняя поверхность чипа соединена золотым проводом со вторым электродом (анодом).Некоторые из более сложных конструкций соединительной структуры требуют двух соединительных проводов, по одному на каждый электрод. В дополнение к очевидным различиям в длине волны излучения различных светодиодов существуют также различия в форме, размере и диаграмме направленности. Полупроводниковые светодиодные чипы имеют размер до нескольких квадратных миллиметров, а диаметр системы корпус/линза варьируется от 2 до 10 миллиметров. Чаще всего КОРПУС светодиода имеет полусферическую геометрию, но они также могут быть прямоугольными, квадратными, треугольными или многоугольными.

На рис. 4 представлены архитектурные детали двух популярных конструкций светодиодных корпусов. Обычный полусферический 5-миллиметровый светодиод с выводной рамкой, показанный на рисунке 4 (а), обычно используется в качестве индикаторной лампы для электронных приборов. Эпоксидные смолы используются для заливки герметизирующей системы в этих светодиодах, которые также имеют цилиндрическую и прямоугольную геометрию линз. Кристалл закреплен в конической чашке отражателя, которая припаяна к выводу катода, а анод соединен с кристаллом соединительной проволокой.Свет, исходящий от боковых сторон светодиода, отражается чашкой в эпоксидный КОРПУС. Плоский отлив в основании купола из эпоксидной смолы служит индикатором полярности свинца. Как правило, эти индикаторные светодиоды содержат кристалл размером от 0,25 до 0,3 миллиметра сбоку, а диаметр линзы составляет от 2 до 10 миллиметров. Мощный GaInN флип-чип диод в поперечном сечении, показанный на рис. 4(b), построен на алюминиевом или медном стержне радиатора, который можно припаять к печатной плате для более эффективного отвода тепла.Инкапсуляция кристалла представляет собой защитный силиконовый слой, предназначенный для преодоления полного внутреннего отражения излучаемых волновых фронтов и направления их через большую пластиковую линзу. Золотая проволока служит для соединения большого катодного вывода с матрицей, которая закреплена на кремниевой микросхеме для защиты от электростатического разряда. Анод (не показан) аналогичен по конфигурации катоду, но выступает от корпуса в противоположном направлении. Светодиоды этой конструкции в настоящее время являются предпочтительным выбором для освещения в флуоресцентной микроскопии.

Цвет излучения светодиода определяется комбинацией полупроводников, используемых в процессе изготовления, тогда как оптические характеристики обычно контролируются переменными в упаковке. Угол луча может варьироваться от узкого до широкого (см. рис. 5) и определяется формой чашки отражателя, размером и конструктивными критериями полупроводника, расстоянием от поверхности чипа до верхней части корпуса или системы линз. и геометрия объектива. Профили излучения светодиодов в целом можно разделить на два класса: краевых излучателей (рис. 4(a)) и поверхностных излучателей (рис. 4(b)).Большинство поверхностных излучателей имеют диаграмму излучения Lambertian (см. рис. 5(d)), где профиль интенсивности пропорционален косинусу угла излучения, который отсчитывается от оси, перпендикулярной поверхности кристалла. Напротив, краевые излучатели обычно излучают свет из небольшой области (размером примерно 50 микрометров) по бокам кристалла в виде сложной схемы, зависящей от оси. Свет, выходящий из краевого излучателя, несимметричен, с быстрой осью , перпендикулярной поперечному размеру края, и медленной осью , параллельной кристаллу.Чтобы сфокусировать и коллимировать свет со всех четырех сторон светодиода с торцевым излучателем, кристалл обычно размещают внутри отражающего колпачка (рис. 4(а)) за счет увеличения размера источника.

На Рисунке 5(d) показаны диаграммы направленности излучения в дальней зоне для светодиодов с плоскими (Рисунок 5(a)), полусферическими (Рисунок 5(b)) и параболическими (Рисунок 5(c)) линзами. Три модели выбросов на рисунке 5(d) нормализованы и наложены друг на друга для целей сравнения. Обратите внимание, что при F=60 диаграмма излучения планарного ламбертовского диода снижается до 50 процентов от максимального значения, тогда как полусферический светодиод имеет более симметричное распределение.Тонирование, применяемое к некоторым эпоксидным линзам, не определяет цвет излучения светодиода, а скорее используется в качестве удобного индикатора цвета лампы, когда она неактивна. Конструкции светодиодов, предназначенные для приложений, требующих высокой интенсивности (таких как флуоресцентная микроскопия), обычно имеют прозрачные линзы без оттеночных или диффузионных добавок. Эта конфигурация обеспечивает максимальный уровень светоотдачи и обычно предназначена для использования луча нестандартной формы для наиболее эффективной передачи света в систему собирающих или проекционных линз.В качестве альтернативы светодиодные линзы диффузионного типа содержат встроенные частицы стекла, которые расширяют излучаемый световой конус под большим углом. Этот тип линз обычно используется в приложениях, в которых светодиод просматривается напрямую, например, для индикаторных ламп на панелях оборудования.

Выбор материалов и технологий изготовления светодиодов определяется двумя основными целями: максимизация генерации света в гибридных полупроводниковых материалах и эффективное извлечение света, создаваемого устройством.В типичных переходах pn электроны и дырки из материалов типа n и p (основные носители ) инжектируются через переход, чтобы установить протекание тока и произвести свет ( излучательная рекомбинация ) в определенном диапазоне длин волн. Этому процессу часто препятствует безызлучательная рекомбинация неосновных носителей (электронов в материалах типа p и дырок в материалах типа n ) с основными носителями.Кроме того, наличие примесей, структурных дислокаций и других кристаллических дефектов в полупроводниковых материалах может привести к безызлучательной рекомбинации, не приводящей к испусканию фотона. Таким образом, одной из основных целей при разработке светодиодов является максимизация излучательной рекомбинации носителей заряда за счет тщательного выбора подходящих полупроводниковых материалов для обеспечения соответствующей зонной структуры для получения благоприятных значений квантовой эффективности. Другая важная цель, как более подробно обсуждается ниже, состоит в том, чтобы гарантировать, что максимально возможное количество света, генерируемого светодиодом, может выйти из устройства и использоваться для освещения.

Длина волны (и цвет) света, излучаемого полупроводниковым диодом, определяется разницей в энергии между рекомбинирующими электронно-дырочными парами валентной зоны и зоны проводимости, как описано ранее. Приблизительные энергии носителей соответствуют верхнему уровню энергии валентной зоны и самой низкой энергии зоны проводимости. В результате длина волны ( l ) излучаемого фотона аппроксимируется следующим выражением:

л =
ч с/Е _бг
, где h — постоянная Планка, c — скорость света, а E _bg — ширина запрещенной зоны.Чтобы модулировать длину волны испускаемого излучения, необходимо тщательно выбирать полосу пропускания полупроводникового материала, используемого для изготовления диода. Арсенид галлия является популярным диодным материалом и служит прекрасным примером того, как можно изменить зонную структуру полупроводника, чтобы изменить длину волны излучения светодиода. Ширина запрещенной зоны арсенида галлия составляет примерно 1,4 электрон-вольта, что приводит к излучению примерно на 900 нанометрах в ближней инфракрасной области. Чтобы увеличить частоту излучения для достижения длин волн в видимой красной области (650 нанометров), ширина запрещенной зоны должна быть увеличена примерно до 1.9 вольт. Этого можно добиться путем смешивания арсенида галлия с совместимым материалом, имеющим большую ширину запрещенной зоны (например, фосфид галлия; ширина запрещенной зоны 2,3 электрон-вольта). Таким образом, светодиоды, изготовленные с соединением GaAsP (фосфид арсенида галлия), могут быть адаптированы для получения ширины запрещенной зоны с любым значением от 1,4 до 2,3 электрон-вольт путем регулировки соотношения содержания мышьяка и фосфора. Другие комбинации полупроводников могут аналогичным образом применяться для генерации длин волн излучения, охватывающих ближний ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра.
Эффективное извлечение света, генерируемого светодиодом, является еще одной важной проблемой при производстве этих полупроводниковых устройств. Поскольку объемная обедненная область внутри светодиодного кристалла представляет собой изотропный (ламбертовский) излучатель, обычно предполагается, что свет, покидающий переднюю поверхность кристалла, также будет изотропным во всех направлениях. Однако из-за явления полного внутреннего отражения только часть света, изотропно генерируемого в полном объеме полупроводникового чипа, действительно может выйти во внешнюю среду.В большинстве случаев примерно 50 процентов света, генерируемого внутри, теряется из-за отражений и других явлений, и еще меньше света излучается под большими углами.
Согласно закону Снеллиуса, свет может переходить из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления (фактически из полупроводника в окружающую атмосферу) только в том случае, если выходящие волновые фронты пересекают границу раздела двух сред под углом меньше чем критический угол для двух сред.В типичном светодиоде кубической геометрии только около 2 процентов генерируемого света может выйти через верхнюю поверхность (фактическое значение зависит от конкретных полупроводниковых материалов и характеристик перехода). Остаток поглощается внутри полупроводника, как описано выше. В качестве примера на рис. 6 показано прохождение света из слоистого полупроводника с показателем преломления n _s в эпоксидную линзу с меньшим показателем преломления ( n _e ).Угол, образуемый выходным конусом, определяется критическим углом q _c для двух материалов. Световые волны, выходящие из светодиода под углами менее q _c , уходят в эпоксидную смолу с минимальными потерями на отражение, в то время как волны, распространяющиеся под углами больше q _c , испытывают полное внутреннее отражение на границе и не выходят наружу. Устройство. Однако из-за кривизны купола из эпоксидной смолы в примере на рис. 6 большинство световых волн, выходящих из полупроводникового материала, сталкиваются с поверхностью раздела эпоксидная смола/воздух почти под прямым углом и выходят из корпуса с небольшими потерями на отражение.
Количество света, излучаемого светодиодом, зависит от количества поверхностей, через которые свет может выходить, и от того, насколько эффективно это может происходить на каждой поверхности. Почти все светодиодные структуры состоят из многослойной конфигурации, в которой процессы эпитаксиального роста кристаллов используются для последовательного осаждения ряда материалов с согласованной решеткой друг на друга для настройки свойств чипа. Можно использовать широкий спектр структурных комбинаций, при этом каждая система имеет различную многоуровневую архитектуру для оптимизации характеристик производительности.В большинстве случаев требуется вторичный этап роста для нанесения монокристаллического слоя на поверхность материала подложки, выращенного в объеме. К числу соображений, необходимых для обеспечения высокого уровня производительности, относятся физические свойства полупроводниковых материалов, расположение перехода p — n (где происходит излучение света) и строгий контроль кристаллических дефектов, все из которых могут повысить или понизить эффективность генерации света.
Эпитаксиальный рост кристаллов включает жидкостное или химическое осаждение из паровой фазы одного материала на другой при попытке уменьшить количество дефектов в слоистой структуре за счет сохранения точного соответствия постоянных атомной решетки и коэффициента теплового расширения.Для создания эпитаксиальных слоев используется ряд методов, в том числе жидкофазная эпитаксия ( LPE ), парофазная эпитаксия ( VPE ), металлоорганическое эпитаксиальное химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ) и молекулярно-лучевая эпитаксия ( MBE). ). Каждая методология имеет определенные преимущества в отношении оптимальных полупроводниковых материалов и условий производства. Среди множества стратегий, лежащих в основе применения различных многослойных полупроводниковых конфигураций, можно назвать микроструктурирование областей p и n , параметры перехода, требования к отражающему слою для повышения внутренней квантовой эффективности, добавление буферных слоев с градиентным составом (предназначенных для преодоления несоответствия решеток). между слоями) и цели ширины запрещенной зоны для управления профилем излучения.
Источники освещения на основе светодиодов
, предназначенные для микроскопии, используют три разных принципа для отражения и сбора света, генерируемого внутри полупроводникового кристалла. В первом и наиболее распространенном подходе используется прозрачный формованный пластик (полимер) для сбора и фокусировки излучаемого света. Хотя этот метод подходит для приложений с низким уровнем светлого поля, он не особенно полезен в общей микроскопии из-за ограниченной оптической мощности, доступной от одного диода. Второй подход предполагает организацию небольшого массива светодиодных кристаллов непосредственно на печатной плате и использование специализированной оптической системы коллектора.Плотность упаковки светодиодов ограничена только необходимостью соединять каждый кристалл отдельными соединительными проводами и включать механизм рассеивания тепла. Основным недостатком вложенных печатных светодиодов является потеря света, происходящая с краев устройств. Третий метод заключается в размещении кристалла светодиода в зеркальном углублении, которое служит отражателем, а затем в размещении этих блоков на печатной плате. Однако, поскольку отражатели больше, чем отдельные кристаллы, этот метод приводит к меньшей плотности упаковки.
Поскольку каждый кристалл светодиода представляет собой отдельный источник света, при построении большой диодной матрицы с использованием нескольких устройств сбор излучаемого света требует стратегии, отличной от той, которая используется с обычными лампами. Наиболее эффективный механизм сбора света от вложенных друг в друга светодиодов включает в себя применение матрицы микролинз, расположенной на надлежащем расстоянии от печатной платы диодов. Подходящая матрица линз может быть изготовлена из формованного пластика или стекла и должна быть сконструирована таким образом, чтобы каждый светодиод имел отдельную собирающую линзу.Затем массив микролинз проецирует свет от отдельных источников на макроскопическую собирающую линзу оптической системы микроскопа с меньшей числовой апертурой и большим фокусным расстоянием, чем это требуется для традиционной лампы. Дополнительным преимуществом этого типа оптической системы является более низкая степень хроматической и сферической аберраций. Основная цель проектирования конфигурации микролинза-светодиод (как и любого другого источника освещения) состоит в том, чтобы захватить как можно больше света и эффективно доставить его в угол приема оптической системы освещения микроскопа, чтобы полностью и однородно заполнить Конденсорная (или объективная) апертурная диафрагма с аксиальным, параллельным светом.Светодиоды белого света
Наиболее широко используемые светодиоды текущего поколения в основном представляют собой монохроматические излучатели высокой яркости, но все большее число приложений (например, микроскопия в проходящем свете) требуют широкого спектра или белого света. Существует два основных подхода к получению белого света от устройств, которые в основном являются монохроматическими. Один метод основан на объединении диодов трех разных цветов в одной оболочке или различных полупроводниковых материалах в общем кристалле (в такой пропорции, что выходной сигнал кажется белым).В другом методе используется фиолетовый или ультрафиолетовый светодиод для получения энергии, возбуждающей вторичный люминофор, который затем излучает белый свет (см. рис. 7 (а)). Светодиоды белого света потенциально очень энергоэффективны по сравнению с лампами накаливания. Например, в то время как обычные источники света имеют среднюю мощность от 15 до 100 люмен на ватт, эффективность белых светодиодов, по прогнозам, достигнет более 300 люмен на ватт в результате постоянного развития. Возможно, наиболее важным критерием выбора светодиодов белого света является средняя цветовая температура профиля излучения, которая колеблется примерно от 4500 К до 8000 К, в зависимости от свойств устройства.Выбор наилучшего совпадения цветов для оптической микроскопии должен основываться на характеристиках детектора и возможностях программного обеспечения, но оптимальными должны быть значения, близкие к 5500 К.
Комбинация красных, зеленых и синих диодов в одном корпусе или в ламповом узле, содержащем группу диодов, позволяет генерировать белый свет или любой из 256 цветов за счет использования схемы, которая управляет тремя диодами независимо ( Рисунок 7(б)). В приложениях, требующих полного спектра цветов от одного точечного источника, этот тип диодного формата RGB является предпочтительным методом.Однако большинство диодов белого света изготавливаются с использованием светодиода, излучающего на короткой длине волны (от 365 до 450 нанометров; ультрафиолет в синий цвет), и преобразователя длины волны , который поглощает свет от диода и подвергается вторичному излучению на большей длине волны. Такие светодиоды излучают свет с двумя или более длинами волн, которые при объединении выглядят как белые. Качество и спектральные характеристики комбинированного излучения зависят от материалов, из которых изготовлено устройство. Наиболее распространенные материалы преобразователя длины волны называются люминофорами, которые представляют собой материалы, которые проявляют люминесценцию, когда они поглощают энергию от другого источника излучения.Светодиодные лампы
Одним из преимуществ использования светодиодов для освещения в флуоресцентной микроскопии является то, что каждый вариант этих полупроводниковых устройств имеет одинаковую эффективность преобразования энергии с ограничением излучения в узком диапазоне длин волн, а светодиоды работают при гораздо более низкой температуре, чем дуговые лампы или лампы накаливания. . В результате для достижения того же оптического выхода, что и у традиционного источника света, требуется гораздо меньше электроэнергии. Кроме того, светодиоды значительно более компактны, чем дуговые лампы, и их можно подключать непосредственно к радиатору, который легко охлаждается с помощью небольшого вентилятора с компьютерным управлением.Такая технология позволяет устанавливать светодиодные источники непосредственно внутри системы микроскопа, ближе к образцу, чтобы потенциально избежать значительной потери интенсивности света (часто превышающей 95 процентов), которая происходит со всеми источниками света, когда они проецируются через оптическую систему. Несмотря на такой высокий уровень гибкости, следует отметить, что источникам на основе светодиодов абсолютно необходим эффективный теплоотвод, поскольку работа при температуре выше комнатной сокращает их ожидаемый срок службы и приводит к потере эффективности оптического выхода.
Оптический выход типичного светодиода (измеряемый как общий поток излучения) приблизительно пропорционален уровню тока, подаваемого на питание устройства. Конструкции источников питания светодиодов должны учитывать время отклика (порядка микросекунд), нелинейность зависимости напряжения от эмиссии и максимальный рекомендованный управляющий ток. Еще одна первоочередная проблема связана с внутренним уровнем шума светодиодов, хотя эти устройства гораздо более стабильны (по крайней мере, на порядок), чем вольфрамовые галогенные или дуговые лампы.Дальнейшие соображения должны включать возможность быстрого переключения или модуляции светодиодов для приложений в микроскопии. Несмотря на то, что соотношение между входным током и светоотдачей может быть нелинейным, его можно точно измерить и соответствующим образом откалибровать источник питания. В качестве альтернативы, линейное управление может быть достигнуто с помощью широтно-импульсной модуляции, которая регулирует интенсивность светодиода, изменяя количество времени, которое диод проводит во включенном состоянии по сравнению с выключенным состоянием. Такая конструкция позволяет модулировать интенсивность света относительно воспроизводимым образом, изменяя управляющий ток, что устраняет необходимость в шторках или фильтрах нейтральной плотности.
На рис. 8(а) представлена типичная электронная схема, предназначенная для управления одним синим светодиодом поверхностного излучения, который можно использовать для флуоресцентного освещения. Интенсивность выхода светодиода регулируется с помощью потенциометра, а излучение можно включать и выключать с помощью сигнала переключения, полученного от слаботочного 5-вольтового TTL-входа (предпочтительно исходящего от главного компьютера). При настройке фонаря для нескольких светодиодов необходимо учитывать безопасный максимальный ток возбуждения для каждого диода.Светодиоды из одной и той же партии (и дистрибьютора) могут значительно различаться (до вольта) по прямому падению напряжения, а также другим электрическим свойствам из-за присущих им производственных различий, возникающих из различных источников, включая неоднородность исходных материалов. Таким образом, чтобы поддерживать постоянную производительность между диодными блоками, необходимо заранее определить соотношение между удерживающим напряжением и током для каждого светодиода, который будет использоваться в индивидуальном фонаре. В качестве примера производительности светодиода взаимосвязь между временем отклика светодиода на вход прямоугольной формы показана на рисунке 8(b).Обратите внимание, как точно интенсивность выходного сигнала светодиода соответствует шагу напряжения.
В ситуациях, когда для широкополосного освещения требуются светодиоды белого света, можно использовать одноканальный источник тока, интенсивность и переключение которого регулируются путем изменения тока, протекающего через один или несколько светодиодов, согласованных по рабочим характеристикам. В более сложных сценариях используются сложные конфигурации светодиодов (сочетающие несколько кристаллов с разными профилями излучения) для получения либо узкополосного излучения для флуоресценции, либо белого света для яркого освещения.Этими более сложными конструкциями можно управлять с помощью многоканального источника тока, способного изменять интенсивность или длину волны излучения в микросекундном (или даже наносекундном) временном масштабе. Этот тип источника питания, называемый импульсным режимом с переключением , полезен в технологиях, требующих чрезвычайно коротких световых вспышек, таких как визуализация в течение всего срока службы. Схема импульсного режима полезна для преодоления сдвигов пиковой длины волны излучения из-за неоднородности светодиодов путем предварительной настройки каждого диодного блока на пиковый ток, необходимый для получения желаемой выходной длины волны.Таким образом, среднюю яркость источника можно регулировать, изменяя ширину импульса при фиксированном пиковом токе, что обеспечивает управляемый спектральный выход. Как показано на рис. 8(b), оптический выход следует за текущим импульсом без значительной задержки, а частоты импульсной модуляции возможны в диапазоне мегагерц.
За последние несколько лет было представлено несколько коммерческих светодиодных ламп для флуоресцентной и широкопольной микроскопии в проходящем свете (белый свет), пример которых показан на рисунке 9.Блок лампы на рис. 9 предназначен для непосредственного соединения с входным портом осветителя микроскопа и содержит до четырех модульных светодиодов с независимым управлением для последовательного или одновременного возбуждения нескольких флуорофоров. Отдельные светодиодные модули можно легко заменить, чтобы обеспечить возбуждение флуоресценции во всем видимом и ультрафиолетовом спектре. Модульная конструкция предназначена для того, чтобы будущие светодиоды, независимо от их конфигурации, можно было сделать совместимыми для использования в фонаре.Многоцветные флуоресцентные изображения, полученные с помощью этого лампового блока (называемого Colibri и производимого ZEISS), отличаются очень высокой контрастностью и широким динамическим диапазоном.
Одним из преимуществ встроенного светодиодного фонаря является возможность установки интенсивности освещения для каждого диода в соответствии с требуемым временем интеграции камеры вместо использования нескольких настроек камеры. Кроме того, управление яркостью и переключение светодиодов полностью электронное, что исключает необходимость в механических заслонках и колесах фильтров для большей скорости и виброустойчивости.Низкая выходная мощность светодиодов, которые преобразуют электричество в свет с высокой эффективностью, как обсуждалось выше, устраняет необходимость в вентиляторах или вспомогательных охлаждающих устройствах. Кроме того, поскольку светодиоды не находятся под высоким давлением, их режим отказа безвреден (без взрывов) по сравнению с дуговыми лампами.
Компания
— Новости — Светодиодный контроллер Marvell 88EM8187 обеспечивает непревзойденную эффективность глубокого затемнения и самый высокий в отрасли уровень интеграции
Инновационная цифровая архитектура, протестированная на совместимость с диммерами с помощью лидера в области управления освещением Lutron, обеспечивает сверхглубокое диммирование без мерцания и мерцания и длительный срок службы лампы при меньшем количестве компонентов
Санта-Клара, Калифорния (24 февраля 2014 г.) – Компания Marvell (Nasdaq: MRVL) сегодня объявила о выпуске серии интегральных схем (ИС) контроллеров светодиодов Marvell® 88EM8187, одноступенчатых одноступенчатых контроллеров переменного/постоянного тока переменного/постоянного тока с фазовой отсечкой и глубоким затемнением для светодиодных ламп и светильников с регулируемой яркостью.Эта микросхема драйвера светодиодов второго поколения построена на основе ведущей в отрасли микросхемы 88EM8183 с использованием уникальной архитектуры смешанных сигналов и встроенных передовых цифровых алгоритмов. Линия продуктов 88EM8187 обеспечивает непревзойденную производительность с полной совместимостью с более чем 250 диммерами по всему миру, диммирование без мерцания и мерцания всего на 1 процент, более длительный срок службы лампы благодаря превосходному управлению тепловым режимом и энергоэффективности на 90 процентов, при этом значительно снижается электроника. количество компонентов и общая стоимость решения.Ключевым компонентом проверки этой непревзойденной эффективности диммирования было совместное тестирование предварительных версий IC с лидером в области управления освещением Lutron Electronics Co., Inc. предлагая комплексное решение для подключенных интеллектуальных приложений освещения. В настоящее время Marvell поставляет образцы 88EM8187 крупным OEM-производителям и ODM-производителям светодиодного освещения по всему миру. Ожидается, что в этом году клиенты начнут поставки продуктов на базе 88EM8187.
«88EM8187 поднимает планку производительности для всей отрасли, поскольку теперь потребители могут получить настоящую лампу накаливания, которая включает в себя отличные характеристики диммирования наряду с энергосбережением, обеспечиваемым светодиодами», — сказал Филип Пулидис, вице-президент и генеральный директор Интернета вещей. Бизнес-единица. «Даже лучшие из доступных конкурирующих ИС-решений требуют от производителей ламп идти на несколько компромиссов при разработке продукта. Например, производителям может потребоваться ограничить количество настенных диммеров, с которыми совместимы их светодиодные лампы, чтобы пожертвовать уровнем затемнения и избежать мерцания или мерцания, а также выбрать более высокую надежность или эффективность за счет более высокой стоимость компонента.Тем не менее, 88EM8187 и его уникальная цифровая архитектура обеспечивают наилучшую производительность в отрасли при самой низкой стоимости системы за счет превосходной совместимости, надежности, эффективности, уровня глубокого затемнения и малого количества компонентов, не вынуждая OEM-производителей идти на компромисс со своим аппаратным обеспечением».
«Работа с Marvell над созданием высокопроизводительных, экономичных и диммируемых решений для драйверов светодиодов поможет решить текущую проблему совместимости между светодиодами и диммерами и обеспечит превосходное качество обслуживания клиентов», — сказал Марк Дженнер, директор Lutron по новым бизнес-альянсам.«Например, сочетание новой конструкции Marvell 88EM8187 с любым из наших диммеров C•L обеспечивает превосходное диммирование от одной лампы до полной номинальной нагрузки диммера без мерцания, мерцания или взаимодействия с другими диммерами. Эти типы надежных решений дают потребителям уверенность в том, что они могут использовать более энергоэффективные светодиодные лампы в своих домах».
Marvell и Lutron Electronics
Marvell подтвердила совместимость диммирования с Lutron Electronics между предварительной версией эталонного проекта 88EM8187 и различными элементами управления Lutron, рассчитанными на светодиодные нагрузки.В качестве услуги для светотехнической промышленности Центр передового опыта Lutron LED постоянно тестирует светодиодные лампы на совместимость с коллекцией диммеров Lutron C•L. Благодаря ведущей в отрасли технологии C•L эта коллекция диммеров была разработана специально для светодиодных ламп, но также внесена в список UL для ламп накаливания, галогенных ламп и компактных люминесцентных ламп.
Ключевые преимущества линейки драйверов Marvell 88EM8187 IC: -менее глубокого затемнения всего на 1 процент
Снижение стоимости спецификации системы за счет меньшего количества и меньших компонентов в цепи управления электромагнитными помехами/демпфированием/диммером
Экономия затрат до 25 % по сравнению с конкурирующими решениями с однокаскадными драйверами
Встроенная функция обратного отвода тепла и оптимизированная фиксация диммера и управление удерживающим током
Отвод тепла от силовых компонентов или «горячих точек», что значительно повышает надежность
Устраняет необходимость в герметизации для дальнейшего снижения затрат
Высочайшие электрические характеристики драйвера
Эффективность привода до 90 %
Лучшее в отрасли регулирование сети в широком диапазоне переменного напряжения (< 2 процентов)
> 0.95 Коэффициент мощности
Два варианта упаковки:
SOIC-8: только с отсечкой фазы, по выводам совместим с микросхемой 88EM8183 первого поколения
SOIC-14: только с отсечкой по фазе, позволяет использовать однослойную печатную плату
О компании Marvell
Компания Marvell (NASDAQ: MRVL) является мировым лидером в области предоставления комплексных решений на основе кремния и программного обеспечения Kinoma, обеспечивающих «умную жизнь и разумный образ жизни». От мобильной связи до хранения, облачной инфраструктуры, цифровых развлечений и доставки контента на дом — разнообразный портфель продуктов Marvell сочетает в себе комплексные платформы с лучшими в отрасли показателями производительности, безопасности, надежности и эффективности.Будучи ядром самых мощных в мире потребительских, сетевых и корпоративных систем, Marvell дает партнерам и их клиентам возможность всегда оставаться в авангарде инноваций, производительности и массовой привлекательности. Предоставляя людям во всем мире мобильность и легкий доступ к услугам, повышающим ценность их социальной, личной и рабочей жизни, Marvell стремится улучшить человеческий опыт.
Для получения дополнительной информации посетите www.Marvell.com .
О компании Lutron Electronics
Компания Lutron Electronics со штаб-квартирой в Куперсбурге, штат Пенсильвания, занимается разработкой и производством энергосберегающих средств управления освещением, автоматических окон и датчиков для жилых и коммерческих помещений.Его инновационные, интуитивно понятные продукты могут использоваться для управления всем, от одного источника света до каждого источника света, шторы и даже мощности в режиме ожидания в доме или коммерческом здании. Продукция Lutron делает любое пространство более универсальным, улучшая атмосферу, комфорт и производительность. Они также экономят энергию и продлевают срок службы лампочек, что делает их экологически чистым дополнением дома и на рабочем месте. Компания Lutron, основанная в 1961 году, оценивает, что установленная база ее продуктов экономит стране почти 10 миллиардов кВтч электроэнергии, или примерно 1 миллиард долларов на коммунальных услугах в год.Lutron производит более 16 000 энергосберегающих продуктов, которые продаются более чем в 100 странах мира.
Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт www.lutron.com. Другие имена и торговые марки могут быть заявлены как собственность других лиц.
%PDF-1.5 % 3801 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 3801 97 0000000016 00000 н 0000003502 00000 н 0000003803 00000 н 0000002285 00000 н 0000003848 00000 н 0000004252 00000 н 0000004842 00000 н 0000010683 00000 н 0000011097 00000 н 0000011519 00000 н 0000011906 00000 н 0000014635 00000 н 0000015037 00000 н 0000015246 00000 н 0000015586 00000 н 0000015954 00000 н 0000021703 00000 н 0000022230 00000 н 0000022308 00000 н 0000023065 00000 н 0000023606 00000 н 0000024640 00000 н 0000027050 00000 н 0000027088 00000 н 0000029582 00000 н 0000030192 00000 н 0000038386 00000 н 0000038806 00000 н 0000039237 00000 н 0000040271 00000 н 0000042700 00000 н 0000044685 00000 н 0000046675 00000 н 0000047347 00000 н 0000047576 00000 н 0000049871 00000 н 0000050272 00000 н 0000050763 00000 н 0000055842 00000 н 0000056228 00000 н 0000056535 00000 н 0000056758 00000 н 0000056894 00000 н 0000057090 00000 н 0000057747 00000 н 0000059903 00000 н 0000062243 00000 н 0000073111 00000 н 0000073344 00000 н 0000073663 00000 н 0000076334 00000 н 0000076394 00000 н 0000076473 00000 н 0000076637 00000 н 0000076742 00000 н 0000076908 00000 н 0000077109 00000 н 0000077252 00000 н 0000077412 00000 н 0000077542 00000 н 0000077700 00000 н 0000077874 00000 н 0000078064 00000 н 0000078190 00000 н 0000078379 00000 н 0000078477 00000 н 0000078625 00000 н 0000078757 00000 н 0000078866 00000 н 0000078970 00000 н 0000079020 00000 н 0000079070 00000 н 0000079263 00000 н 0000079394 00000 н 0000079570 00000 н 0000079715 00000 н 0000079820 00000 н 0000079987 00000 н 0000080159 00000 н 0000080304 00000 н 0000080439 00000 н 0000080637 00000 н 0000080686 00000 н 0000080795 00000 н 0000080938 00000 н 0000081105 00000 н 0000081253 00000 н 0000081397 00000 н 0000081542 00000 н 0000081590 00000 н 0000081761 00000 н 0000081904 00000 н 0000082111 00000 н 0000082359 00000 н 0000082484 00000 н 0000082609 00000 н 0000003262 00000 н трейлер ]>> startxref 0 %%EOF 3804 0 объект>поток xb«`b`6g`212 PcӣF#lL`8ѫ% eb6Ba΢ z#89f
Произошла ошибка при настройке файла cookie пользователя
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка браузера на прием файлов cookie
Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:
В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.
Переставляемый и заменяемый оптический модуль с системой на кристалле для переносной функциональной системы спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне
1.
Введение
Функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области (fNIRS) измеряет изменения церебральной гемодинамики и оксигенации путем облучения головы (скальпа) слабым видимым или ближним инфракрасным светом и обнаружения отраженного (рассеянного) света из другого положения. ¹ ^– ⁵ Техника fNIRS применялась для неинвазивного получения двухмерных топографических или трехмерных томографических изображений (или диффузных оптических томографических изображений) изменений гемодинамики и оксигенации головного мозга в ответ на различные когнитивные задачи или в состоянии покоя состояние.⁶ ^, ⁷ Системы FNIRS используются все более широко в мире, ⁸, такие как для исследования нейромизации, ⁹ ^, ¹⁰ медицинских целей, ¹¹ ^— ¹⁴ и особенно для измерения мозговой активности младенцев и детей, ¹⁵ ^– ²¹, поскольку они имеют высокий уровень безопасности ²² ^, ²³ и требуют небольшого количества ограничений.
Носимые (или портативные беспроводные) системы fNIRS ²⁴ ^– ³³ становятся все более и более важными, особенно для социальных нейробиологических исследований для изучения взаимодействия учителя и ученика, ³⁴ ^, 35 35 -лицевое общение и реальные познавательные задачи. ³⁶ Они также применяются в оксиметрах, ³⁷ исследованиях детского мозга, ³⁸ и в клинических целях, таких как психиатрическая помощь.³⁹ ^– ⁴¹ Такие носимые небольшие системы используются в конфигурации гиперсканирования, ²⁵ ^, ³⁵, где два или более мозга одновременно измеряются и комбинируются с другими методами, такими как электроэнцефалограмма. ⁴² Было продемонстрировано, что состояния настроения могут быть объективно ⁴³ измерены, особенно в программах возвращения к работе ³⁹ ^, ⁴¹ и при личном общении.⁴⁰ Поскольку эти измерения предполагается проводить дома или в офисе, необходимо небольшое и недорогое оборудование, такое как носимая система fNIRS.
Некоторые ограничения большинства систем fNIRS заключаются в том, что оптические датчики (или оптоды) трудно заменить, а их конфигурации и параметры настройки негибки. Неисправность только в одном датчике делает систему неполной, и пользователям трудно заменить датчик. Новая концепция, показанная в этой статье, устраняет эти ограничения.Концепция состоит из модулей зондов со сменными оптодами [светоизлучающий диод/лавинный фотодиод (LED/APD)], которые имеют систему на кристалле (SoC) со встроенным микропроцессорным блоком (MPU) и гибкими настройками для ряда временных делений. и частоты, которые оптимизируют отношение сигнал/шум для конкретной конфигурации датчика. Количество периферийных цепей было уменьшено за счет использования SoC, который может динамически и программно конфигурировать как аналоговые, так и цифровые компоненты, что может снизить стоимость компонентов и уменьшить размер модулей.Модульная система может сэкономить на обслуживании и ремонте, поскольку модули можно легко заменить, когда один из них выйдет из строя.
2.
Концепция системы
В предлагаемой системе fNIRS каждое периферийное устройство (светодиод или модуль APD) имеет свой контроллер (MPU), тогда как в традиционной системе fNIRS все источники и детекторы управляются центральным контроллером . На рисунке 1 показано концептуальное сравнение между предлагаемой и обычной системами fNIRS.
Рис.1
Концептуальное сравнение предлагаемой и традиционной систем fNIRS.
В традиционной системе все периферийные устройства управляются центральным контроллером. Аналоговые сигналы передаются по кабелям. Устройство системы (частота модуляции, время излучения света, комбинация источников и детекторов) фиксировано, поэтому для новых систем необходимы новые конструкции и новые разработки. С другой стороны, в предлагаемой системе каждое периферийное устройство имеет ИС SoC (PSoC® 5LP, Cypress Semiconductor Corporation, США) с каждым MPU, который автономно работает под управлением блока управления.Все сигналы, передаваемые по кабелям, являются цифровыми. Таким образом, система имеет лучшие шумовые характеристики. Количество модулей, расположение модулей, частоты модуляции при обнаружении блокировки и количество временных интервалов могут быть адаптивно и гибко изменены с помощью команд от блока управления. Таким образом, новые системные механизмы требуют незначительных модификаций или вообще не требуют их. Эта модульная система подходит для носимой и бесволоконной системы fNIRS.
В таблице 1 приведены сводные характеристики модуля.Для практического оснащения и низкого энергопотребления напряжение питания составляет +3,3 В.Диаметр световода составляет ϕ3 мм для приближающейся кожи головы как для светодиодных модулей, так и для ЛФД. Для светодиодного модуля длины волн источников света составляют 730 и 855 нм, а выходная оптическая мощность составляет макс. 60 мВт/пик. Он имеет функцию автоматического контроля мощности (APC). Модуляция оптического сигнала представляет собой прямоугольную волну с коэффициентом заполнения 50% и с разделением времени от одного до четырех модулей. Что касается модуля APD, детектор представляет собой Si-APD (диаметр датчика: 1.0 мм), а для декодирования сигнала используется синхронизация с временным разделением. Включены трансимпедансный усилитель (TIA) и автоматическая регулировка усиления (AGC) с использованием усилителя с программируемым усилением (PGA). Частота дискретизации составляет 10 С/с. Каждый модуль встраивается в систему, подключаясь к небольшому разъему для совместного использования ограниченного количества контактов, таких как источники питания, линия связи (интегральная схема: I2C) и часы.
Таблица 1
Технические характеристики модуля.
1
1
1
1
1
Блок питания +3.3 v
Light Guide Φ3 для приближения к SCALP
Размер Ширина 22 мм, Глубина: 25 мм, высота: 42 мм
Светодиодный модуль
источники света 730 и 855 NM LEDS
Optical Power Power 60 MWPP Max, автоматическая мощность / Текущий контроль
Модуляция Duty 50%, раздел Time: 1-4
Потребляемая мощность 0.32 Вт (типичный)
вес 12,5 г

SI-APD
1
Decoding разделить замок
Усилитель Transimpedance AMP, AGC Использование программируемого усиления AMP
PGA Диапазон (т. Е. Динамический диапазон) 1-2450
Скорость выборки 10 S / S
Потребляемая мощность 0.48 Вт (типичный)
NEP (система) 2.7 PW (730 нм), 4.9 pw (855 нм)
вес 9,7 г
Фотографии электронной платы APD модуль и корпус модулей LED/APD показаны на рис. 2. Размер схемы определяется требованием к расположению зонда: расстояние источник–детектор (ИД) около 30 мм.
Рис. 2
Фотографии (а) электронной платы модуля ЛФД и (б) корпуса модуля СИД/ЛФД.
Фотография носимой системы fNIRS с использованием светодиодных модулей и модулей APD показана на рис. 3. Эта система имеет 12 светодиодных и 23 модуля APD, а общий вес модулей и пластикового держателя модуля (гарнитуры) составляет около 497 г. Гибкая печатная плата (с небольшими разъемами) электрически соединяет модули. Все модули и гибкая печатная плата поддерживаются держателем с резиновыми деталями. Блок управления находится внутри переносной коробки.
Рис. 3
Фотография носимой системы fNIRS с использованием модулей LED и APD.
Спектры выходных сигналов светодиодов и линейность между входной мощностью модуля ЛФД и средним выходным сигналом ЛФД после обнаружения аналоговой синхронизации показаны на рис. 4. Типичные пиковые длины волн для светодиодов составляют 730 и 855 нм. Типичные значения полной ширины при полумаксимальных значениях выходного спектра составляют 20 и 30 нм для светодиодов с длиной волны 730 и 855 нм соответственно.
Рис. 4
(a) Спектры светодиодных выходов. (b) Линейность между входной мощностью модуля APD и средним выходным сигналом APD после обнаружения аналоговой синхронизации.
3.
Технология реализации концепции
3.1.
Электрические соединения между модулями
MPU и программируемые аналоговые/цифровые схемы могут реконструировать функцию системы. Реализовано командное управление каждым модулем. Схема оптических модулей представлена на рис. 5. Все аналоговые схемы встроенные. HV представляют поставщика высокого напряжения. Эти оптические модули подключаются через шину I2C, протокол последовательной связи. Поскольку базовые часы и часы данных являются общими, время оптического излучения и обнаружения синхронизировано.Источник питания для светодиодных источников света, источник питания для электронных схем, заземление, часы данных, базовые часы (BC) и шина I2C (последовательная линия синхронизации и последовательная линия данных) являются общими для всех модулей.
Рис. 5
Схема оптических модулей. Все аналоговые схемы встроены. MPU и HV представляют собой микропроцессор и источник высокого напряжения соответственно.
3.2.
Базовая структура модуля LED/APD и блока управления
Модули LED/APD и блока управления соединены друг с другом в конфигурации гирляндной цепи с использованием шины I2C.В нашей системе может быть назначено до 128 подчиненных адресов (т. е. модулей). Эти модули могут быть адекватно применены ко многим видам измерений от одноканального до многоканального мониторинга мозговой активности. Они обмениваются информацией, используя буфер памяти в каждом модуле LED/APD, который считывается или записывается блоком управления. Буфер памяти включает в себя параметры настройки и данные измерений, которые считываются и записываются микропроцессором. Блок управления отправляет данные на персональный компьютер (ПК) через проводную/беспроводную локальную сеть, а расчет гемоглобина (Hb) выполняется программным обеспечением на ПК.Молярные коэффициенты ослабления (в зависимости от длины волны) могут быть установлены для спектроскопического анализа (т. е. модифицированный закон Бера-Ламберта ⁴⁴), а аналого-цифровой (A/D) преобразованный сигнал оптической интенсивности в каждом источнике света может также сохранить в текстовом файле. На рис. 6 схематически показаны соединения сети связи между модулями LED/APD и блоком управления.
Рис. 6
Схема соединений сети связи между модулями LED/APD и блоком управления.Блок управления играет роль ведущего, а SoC — роли ведомых в шине I2C.
3.3.
Генерация частоты
Модули светодиодов и APD генерируют частоты для модуляции/обнаружения оптических сигналов путем деления частоты BC, 163 840 Гц, от блока управления. Количество делений может быть установлено в любое целочисленное значение. Используя компоненты программируемого делителя частоты и триггерные схемы, можно сгенерировать более шести частот общего делителя. Фазы частоты легко синхронизировать, потому что частоты имеют один и тот же BC.
Схема генерации тактовых импульсов на модулях LED/APD для аналого-цифрового (АЦП) преобразования (АЦП), частотной модуляции и выборки данных показана на рис. 7.
Рис. 7
Генерация часов в модулях LED/APD для аналого-цифрового преобразования, частотной модуляции и выборки данных.
3.4.
Обнаружение синхронизации с разделением по времени и частоте
До четырех положений источников света различаются по времени оптических сигналов, а две длины волны различаются по двум частотам модуляции.Частоты первого и второго ближайших источников, излучаемых одновременно, устанавливаются по-разному, чтобы избежать перекрестных помех. Поскольку каждый модуль APD может обнаруживать два сигнала (т. е. длины волны) одновременно, более двух сигналов следует обнаруживать отдельно с временным разделением (подробности указаны в разделе 3.7). В таблице 2 показана взаимосвязь между расположением зонда и условиями для обнаружения синхронизации с временным разделением [минимальное количество временных делений (T) и количество частотных делений (F)]. Расположение зондов предполагается в виде 30-мм решетчатых устройств с источником света в верхнем левом положении.Во всех конфигурациях пробников минимальное количество частотных делений (F) равно двум, в соответствии с практическими критериями, упомянутыми в разд. 3.5, но их можно установить более двух с таким же или лучшим качеством сигнала.
Таблица 2
Взаимосвязь между расположением датчика и условиями для обнаружения синхронизации с временным разделением.
8 1
1
Расположение зонда (решетка 30 мм с источником света вверху слева) Минимальное количество делений по времени (T) Минимальное количество делений по частоте (F)
1×2 2

1 × n (n ≧ 3) 2 2
2 × 2 2 × 2 2 2
2 × n (n ≧ 3) 3 2
3 × 3 3 2 2
m × n (m ≧ 3, n ≧ 4) 4 2
Atsumori et al.²⁴ сообщил о разделенном по времени цифровом обнаружении блокировки, которое позволяет выполнять измерения без перекрестных помех, поскольку одновременно не излучаются несколько источников света. В этой технологии несколько источников света, модулированных на разных частотах, одновременно облучаются на кожу головы для обнаружения и разделения нескольких источников света, излучаемых разными источниками света (метод обнаружения с синхронизацией по частоте). Цифровое синхронное обнаружение с временным разделением полезно для биологических оптических измерений, таких как одновременные измерения в нескольких точках, но эти частоты должны быть установлены достаточно далеко друг от друга или источники света должны быть размещены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить интерференцию между источниками света.
3.5.
Возможные варианты расположения датчиков
Пример расположения датчиков 5×5 с использованием четырех временных интервалов и шести частот показан на рис. 8. В идеале должно быть столько частот, сколько источников света используется одновременно, но одни и те же частоты могут использоваться одновременно на удаленных друг от друга позициях. В случае рис. 8 детектор № 1 (D1) обнаруживает сигналы частот 3 и 4 (f3 и f4) на делении 3 (номер в круге источника света) от обоих источников №1 (S1) и № 13 (S13). Однако расстояния S-D для комбинаций S1-D1 и S13-D1 составляют 30 и 150 мм соответственно, и последний сигнал намного слабее первого (который можно считать равным нулю).
Рис. 8
Пример расположения датчика 5×5 с использованием 4 временных интервалов и 6 частот. Белые и черные кружки обозначают расположение источников света (светодиоды, S1–13) и детекторов (APD, D1–12). Цифры в белом круге обозначают время свечения. Цифры с буквой «f» над источниками света — это индексы частоты.
Когда частоты и временные характеристики можно изменять по отдельности, можно настроить схему датчика 2×12, используя, например, только три временных интервала и четыре частоты, как показано на рис. 9.
рис. 9
Пример 2× Расположение 12 датчиков с использованием 3 временных интервалов и 4 частот. Белые и черные кружки обозначают расположение источников света (светодиодов) и детекторов (APD) соответственно.
Концепция перегруппировки полезна для оптимальных измерений в зависимости от цели (отношение сигнал/шум, количество позиций измерения и т. д.).). Расстояние между модулями LED и APD предпочтительно установлено равным 30 мм, поскольку сообщается, что церебральный сигнал может быть обнаружен на коже головы человека с источниками и детекторами, расположенными на расстоянии 30 мм друг от друга. ⁴⁵
Когда расстояние между модулями LED и APD на коже головы человека увеличивается с 30 до 50 мм, обнаруженная оптическая интенсивность экспоненциально уменьшается до одной сотой (1%). ⁴⁶ Другими словами, интенсивность уменьшается до одной десятой на каждые 10 мм. Для одного модуля ЛФД интенсивность сигнала от светодиодного модуля на расстоянии 65 мм составляет менее одной тысячной от интенсивности сигнала от светодиодного модуля на расстоянии 30 мм, что можно практически не учитывать.Таким образом, для одного ЛФД должно быть не более одного светодиодного модуля, модулированного с одной и той же частотой, излучающего одновременно на расстоянии 65 мм. Следовательно, любая 30-мм решетка может быть сконфигурирована с использованием только четырех временных интервалов и двух частот (таблица 2).
Модули APD могут быть добавлены для регистрации сигналов на коротких расстояниях. Модули APD не влияют на другие каналы, поскольку они не излучают свет, поэтому добавление модулей APD может быть выполнено только путем установки их частот и временных характеристик в соответствии со световыми сигналами, которые они должны обнаруживать.Таким образом, многодистанционное измерение с помощью датчика с высокой плотностью размещения можно выполнить, просто добавив и настроив модули APD.
3.6.
Светодиодный модуль
Блок-схема светодиодного модуля показана на рис. 10. Частота для амплитудной модуляции генерируется путем деления ВС. Оптический выход управляется цифро-аналоговыми преобразователями для управления уровнем мощности и транзисторами (ТРА) для переключения. Выходной уровень, синхронизирующий сигнал и выбор частоты контролируются параметрами, хранящимися в буфере I2C в статической оперативной памяти SoC (SRAM).Частота выбирается цифровыми мультиплексорами (MUX). Выходной сигнал фотодиода монитора (mPD) усиливается на TIA и PGA, коэффициент усиления которых можно установить с помощью MPU. Обнаруженные сигналы преобразуются из аналога в цифру для каждой длины волны λ и автоматически сохраняются со скоростью BC в каждом поле памяти с помощью процесса MPU. Данные усредняются среди определенных чисел и сохраняются как данные о выходной мощности, которые можно использовать для APC.
Рис. 10
Блок-схема светодиодного модуля.
3.7.
Модуль лавинных фотодиодов
Блок-схема модуля ЛФД показана на рис.11. Четырехканальные данные одновременно получаются чаще всего при разделении времени обнаружения (1–4). В качестве детектора используется APD, а сигнал фототока усиливается в TIA, одном фиксированном усилителе и двух PGA. Шесть или более частот генерируются путем деления ВС, и любая частота может быть технически установлена для каждого временного деления на каждой длине волны λ (f1−f8). Частота выбирается в каждый момент обнаружения цифровым мультиплексором. Опорный сигнал частот модуляции и оптический сигнал, усиленный PGA, умножается в аналоговом микшере в процессе аппаратной синхронизации.Обработанные сигналы подвергаются аналого-цифровому преобразованию в BC, а все оцифрованные данные сохраняются в SRAM посредством доступа к динамической памяти в SoC. MPU обрабатывает данные, усредняя их, и фиксирующий сигнал получается в каждый момент времени и на каждой длине волны λ. Усредненные данные записываются в буфер I2C и доступны (получаются) блоком управления по шине I2C. В модуле также реализован источник высокого напряжения (HV) для APD. Для управления высоким напряжением подаваемое напряжение 3,3 В повышается с 80 до 90 В обратного напряжения с помощью преобразователя постоянного тока в постоянный.
Рис. 11
Блок-схема модуля APD.
3.8.
Автоматическая регулировка мощности и усиления
Светодиодный модуль имеет функцию APC. Это обрабатываемая микропроцессором функция контроля мощности светодиода и поддержания ее на постоянном уровне путем управления током возбуждения светодиода. Сигналы двух длин волн обнаруживаются отдельно при обнаружении с аналоговой синхронизацией, поскольку две длины волны света одновременно обнаруживаются одним mPD. Управляющие токи для двух длин волн можно контролировать независимо.В обработке микропроцессора реализован пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, параметры которого хранятся во внутренней памяти. Выходная оптическая мощность может быть изменена на ПК через блок управления.
Для демонстрации производительности APC был проведен тест. Температура светодиодного модуля изменялась контроллером Пельтье, а выходная мощность mPD контролировалась. На рис.12. Изменение выходной мощности светодиода контролировалось в пределах 0,1% (стандартное отклонение: 0,05%).
Рис. 12
Изменение выходной мощности светодиода в зависимости от температуры при использовании АПК с ПИД или без.
Модули APD также выполняют АРУ оптического обнаружения. Каждый модуль APD устанавливает каждое усиление PGA для получения подходящей амплитуды сигнала. Такая автономная АРУ может выполняться одновременно на всех каналах, поскольку каждый модуль имеет MPU в SoC.
3.9.
Индикатор установки гарнитуры
Поскольку каждый модуль LED/APD имеет MPU в SoC, который автономно управляет оптической мощностью и усилением детектора, каждый модуль имеет информацию о состоянии установки гарнитуры (держатель модулей, размещенный на голове).Используя это преимущество, модуль имеет цветной светодиодный индикатор на корпусе модуля, так что цвет светодиодного индикатора сообщает пользователям о состоянии установки гарнитуры, что способствует сокращению времени подготовки к измерению. Нет необходимости в дополнительном электрическом проводе между каждым модулем и блоком управления.
4.
Измерение человеческого мозга
Для оценки разработанной системы была измерена активность человеческого мозга в левой префронтальной области взрослого мужчины-участника во время задания на беглость речи ¹¹.Цель этого измерения состоит не в том, чтобы узнать активность человеческого мозга в ответ на конкретную задачу, а в том, чтобы проверить сигналы Hb, полученные системой.
Задание на беглость речи состоит из 60-секундного периода выполнения задания и контрольных периодов до и после задания (от 20 до 30 секунд для каждого). Во время выполнения задания участника просили произнести как можно больше слов, начиная с определенного японского иероглифа (выбранного случайным образом). В контрольном периоде участника просили несколько раз произнести пять японских гласных.
Сигналы Hb были получены в соответствии со стандартами внутреннего наблюдательного совета группы исследований и разработок, Hitachi, Ltd. Измеренные сигналы оксигенированного и дезоксигенированного Hb (O2Hb и HHb) после применения фильтра верхних частот 0,008 Гц (HPF) и плотность спектра мощности во время однократного задания на беглость речи для O2Hb показаны на рис. 13. Увеличение сигналов O2Hb примерно на 0,1 мМ·мм в течение периода задания было получено без усреднения. Частота сердечных сокращений около 1 Гц была четко видна в плотности спектра мощности.
Рис. 13
Наблюдаемые сигналы изменения Hb у человека. ( а ) изменения Hb во время задания на беглость речи для одиночного испытания с HPF (0,008 Гц). (b) Плотность спектра мощности сигнала O2Hb.
5.
Заключение
Мы разработали свободно переставляемый и заменяемый оптический модуль с SoC для носимой системы fNIRS. За счет уменьшения аналоговых схем с использованием SoC были разработаны недорогие и небольшие модули светодиодов и APD, которые можно использовать для обычных и высокоплотных схем.Новая концепция модульного устройства fNIRS обеспечивает гибкость в расположении датчиков и настройках комбинации источника и детектора и даже позволяет легко заменять и добавлять модули. Эти модули можно использовать для измерений от одноканального до многоканального мониторинга активности мозга, расширяя область применения носимой системы fNIRS.
Раскрытие информации
Эта работа была поддержана Hitachi, Ltd. и Hitachi High-Technologies Corporation.
Благодарности
Авторы благодарят Юсуке Миёси за поддержку разработки программного обеспечения и тестирования устройств; Atsushi Maki, Takusige Katura, Shinji Yoshida, Ryo Yamashina и Mina Yoshimura за обсуждение спецификаций и приложений; Кей Като, Кацухиса Окуваки, Осаму Кимура и Тосихидэ Окада за технические обсуждения дизайна; Hirokazu Atsumori и Izumi Fukasaku за технические консультации; и Сизу Такэда, Синдзи Ямада и Хидэаки Коидзуми за общую поддержку.
Ссылки
19.
Г. Тага и др., «Спонтанная осцилляция изменений окси- и дезоксигемоглобина с разностью фаз по всей затылочной коре новорожденных, наблюдаемая с помощью неинвазивной оптической топографии». Неврологи. Лет., 282 (1–2), 101 –104 (2000). http://dx.doi.org/10.1016/S0304-3940(00)00874-0 Академия Google
25.
Т. Фунан и др., «Синхронная активность префронтальной коры двух людей во время совместной задачи, измеренная с помощью одновременной спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне». Дж.Биомед. Опт., 16 (7), 077011 (2011). http://dx.doi.org/10.1117/1.3602853 JBOPFO 1083-3668 Google Scholar
32.
А. фон Люманн и др., «M3BA: мобильная, модульная, мультимодальная архитектура сбора биосигналов для миниатюрного гибридного BCI и мониторинга на основе ЭЭГ-NIRS», IEEE транс. Биомед. англ., 64 (6), 1199 –1210 (2017). http://dx.doi.org/10.1109/TBME.2016.2594127 IEBEAX 0018-9294 Google Scholar
39.
Н.Ацумори и др., «Взаимосвязь состояний настроения с активацией префронтальной коры во время задач рабочей памяти, выполняемых участниками программы возвращения к работе». в Междунар. конф. по базовой и клинической мультимодальной визуализации (BaCI), (2013). Google ученый
42.
E. Ларо и др., «Многоканальная носимая система, предназначенная для одновременного сбора данных электроэнцефалографии/ближней инфракрасной спектроскопии в режиме реального времени», Дж. Биомед. Опт., 16 (9), 096014 (2011).http://dx.doi.org/10.1117/1.3625575 JBOPFO 1083-3668 Google Scholar
Биография
Цукаса Фунанэ — старший научный сотрудник исследовательской группы Hitachi, Ltd., Япония. С 2006 года он является членом исследовательской группы, занимающейся оптической топографией, технологией оптического мониторинга функций мозга на основе спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIRS). В его основные обязанности входят фундаментальные исследования новых методов биомедицинских измерений, а также разработки аппаратного обеспечения и их применение в исследованиях человеческого мозга, таких как психические состояния и социальное познание.Он является членом SPIE.
Такаши Нумата — научный сотрудник исследовательской группы Hitachi, Ltd., Япония. Занимался исследованием и разработкой оптической топографии, технологии оптического мониторинга функций мозга на основе спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIRS). В настоящее время он занимается оценкой психического состояния с мультимодальным измерением и анализом сигналов мозга, включая сигналы NIRS.
Хироки Сато — старший научный сотрудник исследовательской группы Hitachi, Ltd., Япония. Он продвигал фундаментальные исследования для разработки новых приложений спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIRS) в самых разных областях. Он является членом Общества неврологии и Японского общества неврологии.
Шинсуке Хираидзуми — инженер по оборудованию в Image & Information Design Group, отдел проектирования оборудования, отдел разработки и проектирования Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc. NIRS) для исследований с 2006 года.В настоящее время занимается разработкой носимого оптического топографического оборудования следующего поколения.
Юичи Хасэгава — инженер-программист отдела проектирования программного обеспечения отдела разработки и проектирования Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc. С 2015 года он отвечает за разработку носимого оптического топографического оборудования с использованием спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIRS) для исследований. В настоящее время он занимается разработкой и коммерциализацией следующего поколения носимого оптического топографического оборудования.
Хиденобу Кувабара (Hidenobu Kuwabara ) — инженер-программист отдела проектирования программного обеспечения отдела разработки и проектирования Hitachi Kokusai Yagi Solutions Inc. С 2016 года он отвечает за разработку носимого оптического топографического оборудования с использованием спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIRS) для исследований. В настоящее время он занимается разработкой и коммерциализацией следующего поколения носимого оптического топографического оборудования.
Киёси Хасэгава с 2014 года является генеральным директором бизнес-подразделения Brain Science в Hitachi High-Technologies Corporation.
Масаши Кигути изучал различные оптические измерения: нелинейную спектроскопию, спектроскопию с временным разрешением, спектроскопию ближнего поля и спектроскопию ближнего инфракрасного диапазона (NIRS). Его образование — физика и лазерная спектроскопия. Он изучал проблемы, связанные с принципом измерения БИКС, и руководил разработкой новых методов наблюдения за активностью мозга для открытия новых областей исследований и фундаментальных исследований для их практического использования.
Светодиоды, работающие от сети переменного тока
Светодиоды обычно считаются устройствами постоянного тока, работающими от нескольких вольт постоянного тока. В маломощных приложениях с небольшим количеством светодиодов это вполне приемлемый подход, например, в мобильных телефонах, где питание подается от батареи постоянного тока. Но другие приложения, например, линейная система ленточной подсветки, протянувшаяся на 100 м по внешней стороне здания, требуют других соображений.Привод постоянного тока страдает от потерь на расстоянии, что требует использования более высокого напряжения привода в начале, а также дополнительных регуляторов, которые тратят энергию впустую.
Напротив, переменный ток лучше работает на расстоянии, поэтому этот метод используется для подачи электроэнергии в дома и на предприятия по всему миру. Переменный ток позволяет очень просто использовать трансформаторы для понижения напряжения до 240 В или 120 В переменного тока с киловольт, используемых в линиях электропередач, но это гораздо более проблематично с постоянным током.
Для питания светильника на основе светодиодов от сети (например,грамм. 120 В переменного тока) требует, чтобы электроника между источником питания и самими устройствами обеспечивала постоянное напряжение (например, 12 В постоянного тока), способное управлять несколькими светодиодами.
Новый подход заключается в разработке светодиодов переменного тока, которые могут работать непосредственно от источника переменного тока. Это дает несколько преимуществ, как объясняет Боб Коттриш из Lynk Labs, одной из компаний, занимающих передовые позиции в этом подходе: «С переменным током мощность передается и используется намного эффективнее», — говорит он. «Если вы можете разместить светодиоды прямо на конце, не используя сложную электронику для преобразования переменного тока обратно в постоянный, то вы получите двойное преимущество: вы эффективно справитесь с питанием в среде распределения и доставите это более эффективно без вмешательства электроники.»
Конечно, если вы также можете получить больше света при меньшем энергопотреблении, как утверждает Lynk Labs с их подходом к использованию светодиодов переменного тока, то у вас будет еще больше положительной позиции.
Работающие светодиоды от сети переменного тока
Существует несколько вариантов работы светодиодов от сети переменного тока. Многие автономные светодиодные светильники просто имеют трансформатор между настенной розеткой и светильником для обеспечения необходимого постоянного напряжения. Ряд компаний разработали светодиодные лампочки, которые ввинчиваются напрямую в стандартные розетки, но они неизменно также содержат миниатюрную схему, которая преобразует переменный ток в постоянный перед подачей его на светодиоды.
Другой подход состоит в том, чтобы сконфигурировать светодиоды или включить их в мостовую схему постоянного тока. Хотя переменный ток подается на вход этой конфигурации мостовой схемы светодиодов, светодиоды по-прежнему питаются постоянным током, и этот подход требует большей мощности привода, чем «настоящая» конструкция AC-LED.
Одной из ранних форм «настоящей» системы AC-LED, в которой устройства работают при прямом подключении к источнику переменного тока, является подход «огонь на рождественской елке». Здесь несколько светодиодов соединены последовательно, так что падение напряжения на всей цепочке равно напряжению питания.
Однако были предприняты попытки разработать «настоящие» AC-LED на уровне сборки или упакованного устройства. В авангарде этих разработок находятся Lynk Labs, Seoul Semiconductor и III-N Technology.
Технология, разработанная Seoul Semiconductor и отдельно компанией III-N Technology, использует подход «рождественской елки» на уровне кристалла. Светодиодное устройство переменного тока фактически состоит из двух цепочек последовательно соединенных кристаллов, соединенных в разных направлениях; одна струна горит в течение положительной половины цикла переменного тока, другая — во время отрицательной половины.Струны попеременно запитываются и обесточиваются на частоте 50/60 Гц источника питания переменного тока, поэтому светодиод всегда находится под напряжением. Технология, разработанная Seoul и III-N, специально относится к светодиодным устройствам, предназначенным для высоковольтной сети переменного тока с частотой 50/60 Гц.
Технология Lynk Labs
Lynk Labs, однако, разработала и запатентовала альтернативную технологию AC-LED как для высоковольтного, так и для низковольтного переменного тока. Lynk использует существующие светодиоды или кристаллы с различными запатентованными конструкциями драйверов, основанными на продукте AC-LED.Компания утверждает, что владеет самым широким портфелем патентов, касающихся устройств, сборок, драйверов и систем AC-LED. Кроме того, Lynk и Philips по отдельности владеют фундаментальной интеллектуальной собственностью при управлении светодиодами с помощью высокочастотных драйверов инверторного типа.
В отличие от Seoul или III-N, подход Lynk Labs заключался в разработке технологии AC-LED, которая сочетает всего 2 кристалла или светодиода в одной сборке или корпусе, а также соответствующую технологию драйвера для конкретного AC-LED.
«Производители осветительных приборов заинтересованы в том, чтобы предлагать продукты светодиодного освещения, а не в том, чтобы стать экспертами в области электроники или полупроводников», — говорит Майк Мискин, генеральный директор Lynk Labs.«Подход, который выбрал Lynk, заключается в предоставлении комплексных решений plug-and-play для наших клиентов».
Технология AC-LED компании Lynk Labs используется на обоих концах системы. Драйверы компании предназначены для подачи на AC-LED либо (а) постоянного напряжения, либо (б) постоянного напряжения и постоянной частоты. Устройство или сборка AC-LED предназначены для подключения к драйверу без необходимости каких-либо дополнительных инженерных работ, за исключением приспособления, предоставленного производителем светильника или конечным пользователем.
Доступны различные конструкции устройства или сборки AC-LED, однако все они основаны на использовании драйверов AC-LED, обеспечивающих либо постоянное напряжение, либо постоянное напряжение и постоянную частоту.
Драйверы переменного тока постоянного напряжения от Lynk Labs позволяют управлять светодиодами по встречно-параллельной схеме на различных частотах в зависимости от приложения. Здесь высокочастотный / низковольтный драйвер используется для управления устройством или сборкой AC-LED, которые соответствуют драйверу постоянного напряжения.В качестве альтернативы другие устройства и узлы предназначены для прямого подключения к сети или низковольтным трансформаторам, например, используемым в ландшафтном освещении.
Светодиоды управления емкостным током
При использовании драйверов постоянного напряжения/частоты светодиод C ³ (светодиод управления емкостным током) емкостно связан с драйвером и управляется им. Конденсатор заменяет любые резистивные компоненты в системе, тем самым снижая тепловыделение и повышая эффективность.
Светодиодное устройство или сборка C ³ включает перевернутый противоположный кристалл или светодиоды со встроенным или на плате согласующим конденсатором.
По сравнению с использованием того же кристалла в схеме на основе резистора, управляемого постоянным током, светодиодный подход C ³ может обеспечить более высокую яркость при той же мощности (или, альтернативно, использует более низкую мощность при той же яркости), в зависимости от устройства или системы. дизайн.
Стандартное светодиодное устройство обычно питается от источника постоянного тока, и в его простейшей форме схема драйвера включает резистор для обеспечения правильного падения напряжения на эмиттере ( рис. 1a ).Напротив, подход Lynk Lab C ³ со светодиодами использует четное количество светодиодов или кристаллов в цепи, которая также содержит конденсатор и подключена к источнику переменного тока (, рис. 1b, ). Система разработана таким образом, что оба полупериода волны переменного тока используются эффективно.
Типичное светодиодное устройство C ³ объединяет 2 или более светодиодов на кристалл (кратно 2 или более, чтобы эффективно использовать обе половины цикла переменного тока) с конденсатором.
Майк Мискин объясняет роль конденсатора в цепи.«Подобно резистору в цепи постоянного тока, конденсатор снижает напряжение и подает необходимый ток на светодиоды в зависимости от напряжения и частоты, поступающих на конденсатор от источника переменного тока. Когда источник переменного тока, такой как сеть переменного тока или наш запатентованный Драйверы высокочастотных инверторов (технология BriteDriver от Lynk Labs) обеспечивают постоянное напряжение и постоянную частоту, конденсатор подает на светодиоды постоянный ток, а также изолирует светодиоды от других светодиодов в системе и от драйвера в случае отказа. происходить.»
Хотя для обоих вышеперечисленных устройств требуются разные напряжения и токи, они оба могут быть подключены к одному и тому же драйверу AC-LED или источнику питания без необходимости в дополнительной электронике или компонентах.
Надежность системы
Существует также проблема дополнительной надежности
В цепи постоянного тока, показанной на рис. текущий драйвер отправляет 1.4 А на 4 параллельных ряда светодиодов, по 350 мА на ряд. Если одна цепочка выходит из строя ( рис. 2b ), драйвер по-прежнему выдает 1,4 А, что теперь означает 467 мА на каждой из оставшихся 3 цепочек. Этой явно нежелательной ситуации перегрузки по току можно избежать с помощью технологии Lynk Labs AC-LED. В Рисунок 3a источник питания 12 В переменного тока обеспечивает 350 мА для каждой из четырех цепочек светодиодов C ³, каждая из которых содержит 6 излучателей. Если одна цепочка выходит из строя ( рис. 3b ), одинаковый ток 350 мА продолжает поступать на каждую цепочку светодиодов C ³, поскольку драйвер обеспечивает постоянное напряжение и частоту, а ток контролируется конденсатором в каждой цепочке. .
Световой поток
Предварительные результаты показывают, что светодиодный подход C ³ может обеспечить более высокую яркость при той же мощности или, альтернативно, может потреблять меньше энергии для достижения того же уровня яркости.

Принцип работы светодиодных индикаторов уровня сигнала

Популярные микросхемы для светодиодных индикаторов

LM3914

LM3915

LM3916

Варианты схем индикаторов уровня

Простой индикатор уровня напряжения

Индикатор уровня аудиосигнала

Стереофонический индикатор

Области применения светодиодных индикаторов уровня

Аудиотехника

Измерительная техника

Бытовая электроника

Как выбрать подходящий индикатор уровня

Тип входного сигнала

Диапазон входных напряжений

Количество уровней индикации

Режим работы

Цвет и яркость светодиодов

Настройка светодиодного индикатора уровня

Светодиодные индикаторы уровня сигнала на микросхеме

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

Схема светодиодного индикатора уровня звукового сигнала на LM3915

Светодиодный двухканальный индикатор уровня сигнала

Please turn JavaScript on and reload the page.

Индикатор уровня звука

Светодиодный индикатор уровня сигнала на KA2284 (AN6884)

Светодиодные индикаторы уровня на микросхемах семейства LM3914, LM3915 и LM3916

Светодиодный индикатор уровня

Универсальный светодиодный индикатор уровня сигнала

Архив за Февраль 2014

Индикаторы уровня

Схема светодиодного индикатора уровня сигнала » Вот схема!

РАДИО для ВСЕХ — VU-metr на LM39xx

Примеры применения микросхем LM3914…LM3916

Индикаторы уровня сигнала: схема светодиодной шкалы

Как сделать простые стерео индикаторы уровня сигнала на микросхеме AN6884

Светодиодный индикатор уровня звука на микросхеме LM3915N из Китая: grodenski — LiveJournal

Светодиодный индикатор уровня

Светодиод, который можно интегрировать непосредственно в компьютерные чипы | Новости Массачусетского технологического института

Онлайн-кампус микроскопии ZEISS | Светодиоды

Введение

Оптическая мощность светодиодов

Таблица 1

Варианты цветов светоизлучающих диодов

Таблица 2

л =

— Новости — Светодиодный контроллер Marvell 88EM8187 обеспечивает непревзойденную эффективность глубокого затемнения и самый высокий в отрасли уровень интеграции

Произошла ошибка при настройке файла cookie пользователя

Настройка браузера на прием файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Переставляемый и заменяемый оптический модуль с системой на кристалле для переносной функциональной системы спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне

1.

Введение

2.

Концепция системы

Рис.1

Таблица 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

3.

Технология реализации концепции

3.1.

Электрические соединения между модулями

Рис. 5

3.2.

Базовая структура модуля LED/APD и блока управления

Рис. 6

3.3.

Генерация частоты

Рис. 7

3.4.

Обнаружение синхронизации с разделением по времени и частоте

Таблица 2

3.5.

Возможные варианты расположения датчиков

Рис. 8

рис. 9