background image

140                                                                               

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008 

Grażyna GILEWSKA, Marian GILEWSKI 

Bialystok Technical University 

 
 

Digital control methods of LED and LED lamps 

 
 

Abstract. This paper presents an overview of digital control methods of LEDs that are currently available. There are a few methods of control:  PWM 
method, pulse level correcting method and digital control of RGB LEDs. Circuit’s examples of supply LED of every method are presented. Optical 
frequency response of pulse driving LED is discussed. The questions of thermal and long time stabilization of LEDs power are described too. In the 
final part, measure problem of switched light source is presented.  
 

 

Streszczenie. W referacie opisan

o cyfrowe metody sterowania diod elektroluminescencyjnych i ich zespołów. W szczególności scharakteryzowano 

następujące metody: regulacji współczynnika wypełnienia impulsu, regulacji amplitudy impulsu oraz cyfrowego sterowania diod RGB. Przedstawiono 
wybra

ne układy pracy diod elektroluminescencyjnych. Omówiono również częstotliwościowe charakterystyki emisyjne diod, zagadnienie stabilizacji 

mocy emitowanej oraz techniczne problemy pomiaru parametrów świetlnych  źródeł sterowanych impulsowo. (Cyfrowe metody sterowania diod 
elektroluminescencyjnych i lamp LED). 

 
Keywords: LED driving techniques, variable current source, digital dimming of LED lamps. 
Słowa kluczowe: metody zasilania LED, regulowane źródło prądowe, cyfrowe przygaszanie lamp LED. 
 
 

Introduction 
 

Radiant  flux  of  LED  depends  on  supply  power.  LEDs 

and  LED  lamps  will  be  controlled  by  constant  value  of 
forward voltage or forward current. 
 

Value  of  forward  voltage  should  enable  to  overcome 

bandgap energy. Bandgap energy value depending on light 
colour determines the light colour of LED (figure 1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig.  1.  Typical  diode  forward  voltage  versus  bandgap  energy  for 
LEDs made from different materials [1]. 

 
 

In  practice,  rarely  (hardly  ever)  voltage  control  method 

of  LED  is  applied.  Current  control  permits  more  stable 
diode’s  work.  It  comes  from  a  gradient  of  current-voltage 
characteristic  of  p-n  junction.  Circuit  with  dropping  resistor 
is the most simple solution. Constant value of diode current 
is  extracted  by  dropping  resistance.  Such  solution  puts  big 
power supply losses. Besides, this solution can’t control of 
LED’s  or  LED  lamp’s  output  light.  Current  sources  are 
applied more often than not in current driven method. They 
extract  constant  value  of  diode  current  independently  of 
temperature  and  voltage  supply  changes.  Digital  methods 
of LEDs control are applied much often. A human eye can’t 
detect  the  high  frequency  ripple  light.  It  can’t  detect 
changes  smaller  than  20%  of  average  supply  current  too 
[2]. Hence in digital dimming of LED lamps is applied pulse 
width  modulation  (PWM)  of  supply  current.  When  we 
change  value  of  duty  cycle  we  have  got  a  visual  effect  of 
linear  regulation  of  output  power,  because  a  human  eye 
integrates  and  averages  pulsed  light  above  120  Hz  (figure 
2). 
 

PWM  dimming  drives  at  only  one  current  supply  level. 

Alternative  digital  driving  method  is  an  amplitude 
modulation current pulse of supply. Value of duty cycle (D) 
of current supply in this method is constant. It is about 10%. 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig.  2.  Convergent  visual  sensation  of  linear  current  and  digital 
control. 

 
(1)  

 

 

D = t

on

/T 

 
where:  
t

on

 

– turn on time, T – period of switching frequency f

 
 

Switching  frequency  f  is  usually  higher  than  10  kHz. 

Value  of  pick  forward  current  is  4  to  6  times  higher  than 
maximum DC forward current. Changes of pulse amplitude 
causes  similar  visual  effect  of  luminance  changing  like  in 
PWM  method.  Practical  applications  of  LEDs  drivers  are 
applied  either  first  or  second  method.  This  paper  presents 
an idea of driving circuit which joined both methods. 
 
An idea of alternative circuit driver 
 

Block  diagram  of  the  proposed  solution  is  presented  in 

figure  3.  It  includes:  pulse  generator,  inverter  and  variable 
current source. Pulse generator produces signal PWM with 
controlled frequency.  
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 3. Block diagram of the proposed driver. 

 

 

 

 

background image

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008                                                                               141 

 

General-purpose  generator  Sony  AFG320  was  used  to 

measurements.  Output  signal  of  generator  was  shaped  by 
inverter with Schmitt Trigger Input type 74AC14 [3]. Output 
current of inverter can drive small power LED. 
 

This  current  switches current source  which  is supplying 

LEDs. Source works as current diode and it can change an 
amplitude  of  supply  current  I

reg

.  It  is  made  of  SIPMOS 

transistor  type  BS107  [4]  and  variable  feedback  resistor. 
This  solution  allows  to  get  pulse  current  with  variable 
frequency,  duty  cycle  and  switched  value.  Practically  we 
can change external generator by control circuit (figure 4). 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 4. The modified driver circuit. 

 
 

The control circuit may be constructed in Programmable 

Logic Devices (PLD). PLD chip can create PWM frequency 
variable signal and control LED current I

reg

 . 

 
Measurement results 
 

Measuring  path  (figure  5)  included:  generator  AFG320, 

tested  circuit, examined  LED RGB  type  OSTA5131A-C [5], 
Si  photodiode  type  S1226-18BQ,  4  k

  load  resistor  and 

oscilloscope TDS714L. Photodiode S1226-18BQ measured 
output  light  of  LED.  Voltage  signal  across  photodiode  was 
registered by digital oscilloscope TDS714L. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 5. Structure of measuring path. 

 
 

Examples 

of 

measurement 

characteristics 

were 

presented  on  following  figures.  Figure  6  shows  timings 
green  LED  supplied  by  11  mA  current  source.  The  duty 
cycle of pulse current had 50%.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 6. Timing of green LED driven by 11 mA and 50% duty cycle 
current. 

 

 

Figure  7  shows  timings  the  same  LED  driven  by  5  mA 

current. We can see different voltage of photodiode (curves 
No 3).   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig.  7.  Timing  of  green  LED  driven  by  5  mA  and  50%  duty  cycle 
current. 

 
 

The  next  figure  shows  timings  of  blue  LED  which  was 

driven  by  11  mA  and  25%  duty  cycle  current.  This  diode 
has larger forward voltage than green LED (curve No 4). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig.  8.  Timing  of  blue  LED  driven  by  11  mA  and  25%  duty  cycle 
current. 

 
 

Driving signals of red photodiode are shown in figure 9. 

The  first  curve  represents  input  voltage  of  circuit  and  the 
fourth curve displays voltage across red LED. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig.  9.  Timing  of  red  LED  driven  by  8  mA  and  75%  duty  cycle 
current. 

 

 

 

 

 

 

background image

142                                                                               

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008 

Conclusions 
 

Presented  driver  circuit  is  very  si

mple.  It  isn’t 

commercial  solution.  When  we  use  RGB  LED  to  synthesis 
of  colour  light  we  must  control  work  of  monochromatic 
components  (red,  green  and  blue  LEDs).  It  is  difficult  in 
digital  driving  method.  Figure  10  shows  frequency  spectral 
distribution of  green LED light. The LED was driven by 100 
Hz  pulsed  current.  We  can  see  wide  frequency  spectral 
band.  We  should  have  large  frequency  band  apparatus  to 
measure and control this signals. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 10. Frequency spectral distribution of  green LED light. 

 
Figures  11  and  12  show  spectral  distributions  for  different 
duty cycles of  blue LED. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 11. Frequency spectral distribution of blue LED driven by 50% 
duty cycle current. 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 12. Frequency spectral distribution of blue LED driven by 75% 
duty cycle current. 

 
 

The PWM method is more spectral sensitive than pulse 

amplitude modulation method. 
 
 
This paper was prepared under S/WE/1/2006 grant. 
 
 

REFERENCES 

[1]  S c h u b e r t   E.F.,    Light  Emitting  Diodes  and  Solid-State 

Lighting,  Rensselaer  Polytechnic    Institute,  Troy,  NY  12180, 
(2008)

www.LightEmittingDiodes.org

 

[2]  R i c h a r d s o n   C h . , LED Applications and Driving Techniques, 

The Sight & Sound of Information, (2007), 

www.national.com

  

[3]   Fairchild Semiconductor Corporation: 

74AC14 • 74ACT14 Hex 

Inverter with Schmitt Trigger Input, DS009917, 

www.fairchildsemi.com

 

[4]   Semiconductor Group: BS107 SIPMOS 

® Small-Signal 

Transistor, Siemens Corporation

www.siemens.com

 

[5]   

OptoSupply: Superjasne diody pełnokolorowe OSTA5131A-C, 

www.tme.com.pl

 

[6]   Hamamatsu Photonics K.K.: Si pin photodiode S1226-18BQ, 

www.hamamatsu.com

 

 

 
 

Authors

: dr inż. Grażyna Gilewska, Bialystok Technical University, 

Faculty  of  Electrical  Engineering,  45D  Wiejska  Street,  15-351 
Bialystok,  Poland,  Phone:  +48  085  7469357,  Fax:  +48  085 
7469400, e-mail: 

gilg@pb.edu.pl

dr inż. Marian Gilewski, Bialystok 

Technical  University,  Faculty  of  Electrical  Engineering,  45D 
Wiejska  Street,  15-351  Bialystok,  Poland,  Phone:  +48  085 
7469352, Fax: +48 085 7469400, e-mail: 

pbwemagi@pb.edu.pl