EIT week40-1 Electroluminescent Display Control Circuit and Pulse Width Modulation (PWM)

Electroluminescent Display Control Circuit and Pulse Width Modulation (PWM)

Overview

• Course: Engineering Interaction Technologies
• Professor: Michael Wessely, Interactive Matter Lab

EL Display Control Circuit

• Basic Components:
  • Microcontroller: Typically provides a low DC voltage (e.g., 3.3V).
  • Inverter: Converts low DC voltage (3.3V DC) to the high AC voltage required by EL displays (around 50V AC).
  • EL Display: Requires AC current to function, glowing when excited by an electric field.

Challenges in EL Display Control

• Direct Control Issue: Microcontrollers provide DC, whereas EL displays need AC. An inverter is used to address this.
• Switching Problem: Inverters cannot be switched on and off quickly, which complicates direct control using PWM for dimming purposes.

Solution Strategies

• AC Switching:
  • Triac: Used as an AC switch to control the EL display through the microcontroller. However, it risks AC current leakage that could damage the microcontroller.
  • Optocoupler: Provides isolation between AC and DC circuits, using light to trigger a triac and hence safely switch the AC current.

More Details(in Chinese)

电路主要部分

ESP32 (3.3V DC)ESP32 （3.3V 直流）

只输出一个低压直流的 GPIO 信号 (High/Low)，用以控制光耦合器输入端 (内部是一颗 LED 或发光二极管)。

光耦合器 (Optocoupler)

内部包含一颗 LED (输入端) 和与之对应的光敏器件 (输出端)。 当输入端 LED 被点亮时，输出端就会导通或触发（具体元件类型可为光敏三极管或光敏可控硅等），从而实现电气隔离：微控制器与高压交流之间没有直接的电气连接，能起到保护作用。

Triac (三端双向可控硅)

在这里相当于“AC 开关”，串联在高压交流(由逆变器输出) 与 EL 面板之间。 Gate(栅极) 触发后，Triac 可以让正、负半周期电流均通过 EL 面板，从而点亮 EL 显示。

逆变器 (Inverter)

将 3.3V 或 5V 等低压直流，转换到驱动 EL 面板所需的较高交流电压 (常见为 40-120V AC 区间)。 这里示例为大约 50V AC 输出。

EL 面板 (EL Display)EL 面板 （EL Display）

典型工作电压几十伏至上百伏的交流，通电后即发光。

工作原理概述

• ESP32 GPIO 输出信号 → 光耦合器输入端
• 当 ESP32 GPIO 输出高电平时，流过光耦合器输入端(LED) 的电流将其点亮。
• 光耦合器输出端(光敏可控硅或光敏三极管) 就会导通或触发，从而提供一个触发电路给 Triac 的 Gate。
• Triac Gate 触发 → 让高压 AC 通过
• Triac 的 Gate 获得足够的触发电流后，Triac 导通。
• 一旦 Triac 导通，高压 AC 回路被接通，电流经过 EL 面板，面板发光。

“小电流” 与 “大电流” 的分配

• EL 面板工作时会消耗更大的交流电流(由逆变器输出)。
• 用于触发 Triac Gate 的电流很小(通过光耦合器、限流电阻等)，只要达到触发阈值即可。
• 正因为 Triac 被触发后呈低阻状态，主要电流“倾向”于通过 EL 面板，而光耦部分只需提供微小触发电流即可维持导通。

交流过零关断

• Triac 的特性是：只要电流大于维持电流，Triac 会一直保持导通。
• 当交流电压每个半周期过零时，如果此刻没有再提供 Gate 触发脉冲，Triac 将在过零点自动关断，切断 EL 面板电源。
• 若 GPIO 一直处于“触发”状态，则每个半周期都会重新触发 Gate，Triac 就一直导通；若 GPIO 撤销触发信号，过零后 Triac 将不再导通，EL 面板熄灭。

关键点

• 光耦合器的作用：
  • 让微控制器与高压交流部分实现电气隔离，保障安全。
  • 通过光的耦合方式，把“低压直流控制信号”变为“能触发 Triac Gate 的小交流电流”。
• Triac 的作用：
  • 充当高压 AC 的主开关，被触发后让电流流向 EL 面板。
• 为什么“大电流”给 EL，小电流走光耦：
  • 电路设计时，EL 显示与光耦合器/门极回路有不同的阻抗和限流电阻。
  • EL 面板正常工作时需要较大的交流电流；光耦在高压侧只需微小电流激活内部光敏器件，即可触发 Triac Gate。
  • 因此，一旦 Triac 导通，AC 电流主要“偏向”阻抗更低的 EL 面板端，而非光耦端。

总体总结

这个电路的工作原理与前一个类似，都是“用低压直流控制高压交流”给 EL 面板供电。区别在于：

• 这里加入了光耦合器来实现电气隔离和触发，小电流即能触发 Triac Gate。
• Triac 则是实现交流开关的核心器件。
• 逆变器则为 EL 面板提供高电压交流。

简言之： ESP32 GPIO 拉高 → 点亮光耦 LED → 光耦输出端导通 → Triac Gate 获得触发电流 → Triac 导通 → AC 流过 EL 面板 → 发光； GPIO 拉低则使光耦失效，Triac 在交流过零点后关断，EL 面板熄灭。

PWM for Brightness Control

• Functionality: Adjusts the brightness of an EL display by varying the duty cycle and frequency of the PWM signal.
• Duty Cycle: Determines the percentage of time the display is on within a cycle. A longer “off” time results in a dimmer display.
• Frequency: Needs to be high enough so that the flickering is imperceptible to the human eye. However, it is constrained by the inverter’s frequency and the need for synchrony with AC signal zero crossings.

Technical Considerations

• Zero Crossing: The optocoupler used in the circuit switches only at the AC signal’s zero crossings, influenced by the PWM signal from the ESP microcontroller.
• Optimal PWM Frequency: Typically set around 100Hz to balance visibility and efficient switching.

Practical Applications and Implications

• Interactive Display Control: Allows for the dynamic control of EL display brightness in applications ranging from signage to interactive art.
• Circuit Design: Emphasizes the importance of component selection and circuit design in creating effective and safe electronic controls for displays.

Question:

Higher frequency is better because less visible to humans. So why not choose the highest frequency possible

• EL 面板中的磷光体在频繁的激励下，会逐渐退化（发光效率和亮度随时间下降）。
• 过高的驱动频率往往带来更快的材料老化速度，缩短面板寿命。
• 另外，过高频率下，面板内电介质层（dielectric）也要承受更高的介质损耗，可能引发过热或局部击穿。

Details(In Chinese)

“PWM” 指的是 Pulse Width Modulation（脉宽调制） 信号，通常由 微控制器（这里是 ESP32） 的某个 GPIO 引脚以软件或硬件定时的方式产生。简单来说：

谁发出 PWM？

通常是 ESP32 内部的定时器/外设，向某个 GPIO 引脚输出方波。可以在程序里设定输出的频率和占空比（duty cycle）。 比如：你可以让 ESP32 的某个引脚以 100 Hz 的频率不断在“高电平”和“低电平”之间切换，并且高电平持续时间占整个周期的比例就是“占空比”。

这些图在说什么？

图中有两种不同的信号：

• 逆变器输出的 AC 信号（约 800 Hz 的交流）：给 EL 面板提供高压交流。
• ESP32 输出的 PWM 信号（可以自己设置，例：100 Hz）：用来控制光耦合器或光耦合 Triac 的触发时机，从而决定 EL 面板在交流周期里“导通”多少时间。

但是这里采用的是 “零交越（zero crossing）” 型光耦合器（通常是内部集成了侦测 AC 过零的电路，如 MOC3063 之类）。这类器件会 等到 AC 波形过零时 才真正触发 Triac。也就是说，哪怕你的 PWM 此刻是“高电平”，但如果 AC 波形还没过零，这个光耦合器也不会让 Triac 导通。只有 “PWM 高电平”+“AC 过零” 两个条件都满足时，Triac 才会打开。

因此如果你的 PWM 频率远高于 AC 频率，就会出现一种情况：

• PWM 快速地“开”“关”，但 AC 过零的时刻相对于 PWM 的“开关”来说很少；
• 结果就是你可能发了很多次开关指令，但只有在 AC 波形过零的那一小瞬间才能真正触发 Triac，导致触发“不准确”或“无效果”。

相反，如果 PWM 频率比 AC 波形更低，那么在每次 AC 波形过零时，恰好 PWM 还是“高电平”，就能够顺利触发。这样才能比较稳定地控制每若干个 AC 周期导通/关断一次，从而实现对 EL 面板“亮”“暗”或“闪烁频率”的调节。

为什么不把 PWM 频率提到无限高？

• 零交越光耦合器的触发机理决定了你必须“等到 AC 信号过零”才能导通。
• 如果 PWM 频率太高，实际上的触发动作仍然受 AC 过零的限制，很多次“高电平”根本对触发无效。
• 而且频率过高也会给微控制器带来多余的计算或中断负担，意义不大。

因此通常将 PWM 频率选在一个相对于 AC 驱动频率合适的范围。例如：

• AC: ~800 Hz交流电：~800 Hz
• PWM: ~100 HzPWM：~100 赫兹

这样在一段时间内（比如 1/100 秒），AC 已经过零好几次，足够给出多次触发时机，达到可控的调光或闪烁效果。

图里的结论：

• 左图（高 PWM 频率）示意：PWM 在一个 AC 周期内快速开关好多次，但大部分都踩不到 AC 过零点，所以无法真实触发 Triac。
• 右图（低 PWM 频率）示意：在一个 AC 周期里，PWM 只切换一两次，但每次都能碰到 AC 波形的零交越点，于是就能稳定地触发或关断 Triac，从而有效地控制 EL 面板的通电时间，最终达到期望的亮度或闪烁频率。

总结

• PWM 信号是由 ESP32 的 GPIO 发出的方波，频率和占空比都可由程序设置。
• 逆变器输出 AC（~800 Hz）给 EL 面板提供高压交流。
• 零交越光耦合器和 Triac 共同实现对高压 AC 的“开关”，但 只有当 PWM 为高且AC 波形过零时才会实际导通。

这就是为什么要在这几张图里强调 PWM 频率不能过高，并演示高频 PWM 跟 AC 过零错开的场景，以及低频 PWM 能“对齐”多次 AC 过零以实现有效控制的原理。

Summary

The control circuit and PWM techniques for EL displays involve complex interactions between various electronic components to achieve desired visual effects safely and efficiently. Understanding these interactions is crucial for the effective design and implementation of advanced display technologies in various applications.