Как компьютеры питают столько лампочек на клавиатуре?

Если компоненты клавиатуры не рассчитаны на прохождение через них светодиодов, не покупайте их . Скорее всего, они непрозрачны, а это значит, что вы можете поместить туда прожектор и не получить никакого света. В любом случае вы не сможете отключить его от USB, и для этого вам потребуется менее 2,5 Вт, и, если возможно, вы захотите получить менее 500 мВт.

Как определить размер

Возьмем этот светодиод Cree C512A-WNS/WNN . Он рассчитан на ток до 25 мА, но в спецификациях предполагается испытательный ток 20 мА. Прямое напряжение составляет 3,2-4,0, в зависимости от того, насколько сильно вы хотите его перегрузить.

После первоначальных спецификаций следующее, что вы видите в таблице данных, касается биннинга. Когда они производят их, они получают отклонения. Они сортируют их по «ячейкам» по силе света при токе, рабочем напряжении, цветовой температуре (это диаграмма цветности CIE) и т. д. Вы выбираете код ячейки, который хотите для своих ламп, а цена определяется спросом/предложением, например, насколько хорошо эта корзина произведена по сравнению с продажей.

Затем вы попадаете в графики производительности. Теперь, если бы это были светодиоды подсветки , Cree создала бы полностраничные диаграммы с большей детализацией. Но это продается как светодиодный индикатор, поэтому они как бы суетятся по этим точкам.

Ток против напряжения

Обратите внимание, что эта кривая на самом деле намного круче, чем кажется. Шкала тока начинается с 0, а шкала напряжения начинается с 2,8. Это затрудняет управление им в режиме постоянного напряжения , например, вам нужно довольно точно набрать 3,0 В, если вы хотите 15 мА.

Кроме того, эта диаграмма зависит от температуры, которая не показана. Когда светодиод нагревается, ток увеличивается для определенного напряжения, и он увеличивается быстро, потому что это очень крутая кривая. Если бы вы управляли им с 3,00 В, он потреблял бы 15 мА, пока не нагреется, затем 20 мА, что ускорит нагрев, 25 мА, нагрев еще быстрее, 35 мА, 50 мА, 100 мА, хлоп .

Это называется термическим разгоном.

Предпочтительным способом управления светодиодами является режим постоянного тока . Тогда поведение будет достаточно последовательным. Напряжение возбуждения немного упадет , потому что теперь вы смотрите на кривую сбоку: кривая с этой точки зрения довольно плоская.

Напряжение при токе также дает вам мощность (ватты).

Сила света при токе

Нижняя шкала – миллиампер тока. Боковая шкала — это сила света, выраженная в виде коэффициента спецификации (см. стр. 2-3). 1.0 - это точная спецификация. 2.0 в два раза лучше.

Обратите внимание, что 100% спецификации происходит при 20,0 мА, а 200% спецификации происходит при 53 мА - это не очень эффективно при более высокой мощности, не так ли? Это еще хуже.

• 100% спецификации 20,0 мА происходит (согласно другой диаграмме) при 3,2 вольта (что дает 64 милливатт), но
• 200% спецификации (53 мА) происходит при 3,75 В (что дает 198 мВт) - другими словами, удвоенный свет потребляет в 3 раза больше энергии. КПД действительно падает при большей мощности, а?

Ослеплен светом!

Тем не менее, 198 мВт x 77 клавиш означают 15,3 Вт обжигающего светодиодного света. Если предположить, что типичные плохие 85 лм / Вт от светодиода Cree сильно перегружены, это 1300 люмен - яркость люминесцентной лампы. Это на несколько порядков больше, чем вы хотите от клавиатуры.

Даже более послушная 100%-я мощность, 64 мВт x 77 клавиш, составляет 4,9 Вт, что слишком много для USB, а при обычно хорошей эффективности светодиодов Cree в спецификации 120 лм/Вт это 600 люмен света. Лампа накаливания чуть больше 40Вт. Не то, на что вы хотели бы смотреть .

Если мы уменьшим это примерно до 1/10 от этого, 0,49 Вт (что помещает нас в допустимый предел для маломощных USB-портов)... это 6,4 мВт на светодиод, что происходит при 2,0 мА на светодиод (10% спец.).

Кривая эффективности продолжает искривляться, поэтому при 10% мощности я ожидаю ~15% света. Это 90 люмен света. Даже в этом случае вам понадобится опция «затемнение».

Лучший способ уменьшить яркость светодиодов — уменьшить их ток в драйвере. Второй лучший способ - ШИМ.

Серия против параллельной

Вы предлагаете все-последовательно (колоссальное напряжение) или все-параллельно (большой ток, плохая регулировка между светодиодами).

Вы бы хотели управлять этим активным «постоянным током» (хотя вы можете изменять ток для выбора яркости, дело в том, что драйвер будет стремиться к целевому току , а не к целевому напряжению .

Серия — это самое простое, но зато у вас есть клавиатура, которая может вас убить. (6,4 мА определенно привлекут ваше внимание; опасно ли это — вопрос здоровья и безопасности, но устройства защиты GFCI в американском стиле срабатывают при 5 мА, поэтому я бы сказал, что это вызывает беспокойство .)

Так что рекомендую что-то среднее. Имейте несколько последовательных строк, соединенных параллельно. Поскольку ваше число 77 является множителем двух простых чисел, 7 и 11, сделайте их либо строками из 7 (при 22,4 В), либо строками из 11 (при 35,2 В). Светодиоды будут несколько различаться, поэтому, чтобы выровнять их, я бы добавил по одному гасящему резистору на каждую цепочку. Линейный резистор плюс очень нелинейные светодиоды сгладят эти различия.

Управляйте этим с помощью повышающего источника постоянного тока с 7-кратным или 11-кратным целевым током (с поправкой на яркость, если вы это сделаете).

Светодиоды имеют максимальный номинальный ток, но это не означает, что они должны постоянно работать на полной мощности. Для этого приложения можно использовать как минимум две вещи. Купите лучшие, более эффективные светодиоды, чтобы они светились достаточно ярко при более низком токе, скажем, 1 мА или меньше. Вы также можете разделить светодиоды на несколько групп и объединить их так, чтобы только одна группа была включена в определенный момент времени, а другие группы были выключены. Последовательное включение одной группы за раз с достаточно высокой скоростью сканирования создает иллюзию горения всех светодиодов.

Я рассматриваю возможность использования белых 3-мм светодиодов с максимальным током 20 мА и прямым напряжением 3-3,4 В.

Не запускайте их на максимальном токе. В любом случае это не хорошо для надежности.

Запустите их при минимальном токе, необходимом для видимости, в условиях, в которых вы хотите, чтобы они были видны.

Для многих современных светодиодов это может быть где-то в диапазоне 1-5 мА.

77 светодиодов при 3 мА — это очень разумные 240 мА или около того.

Обычно это не делается обычным последовательным или параллельным методом, который используется в простых проектах. Когда вам нужно большое количество светодиодов и небольшая мощность, вы используете один из двух (или оба) метода.

Первый — это мультиплексирование/чарлиплексирование/сканирование. Это также используется для адресуемых светодиодов или дисплеев для отображения изображения/видео/отдельного пикселя, а не только подсветки, но преимущество такое же. Матричная конфигурация позволяет меньшему количеству контактов управлять большим количеством светодиодов и потреблять меньше энергии, поскольку одновременно включается только секция/сегмент. Он использует человеческое зрение, т.е. постоянство зрения.

Второй — драйверы светодиодов, которые повышают напряжение или ток по мере необходимости. Существуют специальные микросхемы, предназначенные для питания и управления светодиодными цепочками, что делает их более эффективными, чем типичные варианты прямого питания. См. https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/nov/trends-in-led-backlighting-and-drivers-for-mobile-devices-and-tvs для обсуждения различных вариантов.