El avance de las soluciones de iluminación ambiental con LED nace de la búsqueda, por parte de los diseñadores de interiores de los fabricantes en el sector de automoción, de añadir valor y hacer que sus vehículos sean más atractivos para los sentidos del conductor, creando al mismo tiempo una experiencia de conducción verdaderamente positiva e incrementar la conciencia de marca. La electrónica continúa siendo el segmento de más rápido crecimiento en el contenido del automóvil, por encima de la mecánica, la neumática y la hidráulica. Con el mayor número de aplicaciones de LED para iluminación ambiental – desde la retroiluminación agrupada para luces de portavasos y luces de cortesía hasta la iluminación ambiental en los espacios para los pies, las molduras de las puertas y las luces del techo – las soluciones de LED para iluminación ambiental, tanto blancos como RGB, son factores diferenciadores que utilizan los suministradores OEM de automoción. De hecho, los análisis indican que la iluminación puede mejorar los sentidos visuales del conductor.
Sigue siendo un factor crítico seleccionar la solución embebida adecuada para cumplir los requisitos de aplicación y realizar diseños económicos en un plazo de comercialización más corto.
Este artículo revisará con detalle:
(a) Las consideraciones acerca de las soluciones LED para iluminación ambiental
(b) El uso de algoritmos de control para la combinación, atenuación y compensación de la temperatura en el color del LED
(c) La creación de escenarios de iluminación apreciados por el conductor mediante la variación del color y el brillo de las matrices de LED
Ante la creciente necesidad de módulos de iluminación interconectados, la implementación de las mejores prácticas para comunicaciones LIN en soluciones de iluminación ambiental con LED puede ayudar a reducir los costes de desarrollo y los tiempos de ciclo. Dado que los LED consumen menos energía y ocupan menos espacio, la eficiencia energética se ve mejorada y las ventajas que aporta el encapsulado permiten que los estilistas potencien su creatividad al utilizar la iluminación para mejorar el habitáculo. En general, las soluciones de iluminación ambiental con LED proporcionan a los fabricantes OEM una oportunidad de innovar una atmósfera confortable para el conductor y el pasajero.
La iluminación ambiental con LED es algo más que un mero ardid. Las investigaciones sobre el impacto de la iluminación interior se han visto ignoradas durante los últimos años, mientras que la atención se ha centrado en el I+D aplicado a la iluminación exterior. Esto está cambiando. Con el rápido avance de la tecnología LED de los últimos años, los OEM están en condiciones de ofrecer no solo una iluminación interior más colorida, sino también ajustable por el usuario. Los conductores están, por tanto, en condiciones de ajustar la iluminación según sea su estado de ánimo o su gusto. Además, la iluminación interior tiene un potencial mucho mayor.
En los modelos de coches del futuro, la iluminación interior está llamada a formar parte del sistema avanzado de información de conducción. La idea revolucionaria es adaptar la iluminación interior dependiendo de la situación de conducción.
El color de la iluminación interior podría ser diferente para la ciudad, carreteras rurales y autopistas, por ejemplo. La iluminación interior roja puede aumentar el estado de alerta del conductor en la ciudad, mientras que la iluminación interior amarilla puede ayudar al conductor a relajarse cuando viaja por una autopista.
La iluminación interior podría incluso avisar al conductor sobre un accidente inminente.
En muchos casos, una iluminación interior sin parpadeos se asocia a una propuesta de alto valor para que los fabricantes de coches diferencien su producto en un entorno cada vez más competitivo.
Control de los LED
Los LED deben controlarse con una fuente de corriente constante. Los LED presentan en su mayoría un nivel de corriente específico que permitirá alcanzar el máximo brillo para dicho LED sin fallos prematuros. La intensidad luminosa del LED es proporcional a la corriente que lo atraviesa. Hay dos técnicas para controlar el brillo del LED en el circuito. Una consiste en variar la corriente de control del LED. La corriente de control del LED se puede cambiar con una resistencia variable o mediante una fuente de alimentación de tensión variable. La otra técnica es aplicar una modulación de anchura de impulso (PWM, Pulse Width Modulation) o aplicando PWM de frecuencia variable y ciclo de trabajo fijo a la corriente de control del LED. El primer método presenta dos inconvenientes principales: como la corriente se ve reducida, la eficiencia del LED también se puede reducir. Y, en los LED blancos de alta potencia, puede haber un cambio de color al reducir el nivel de corriente. La técnica de atenuación PWM siempre controla el LED a máxima corriente. Por tanto, se suprimen problemas como la menor eficiencia y las variaciones de color. Para crear diferentes combinaciones de colores, los ciclos de trabajo de las salidas PWM habrán de cambiar a lo largo del tiempo.
Métodos de control del color
La tecnología de microcontrolador embebido permite detectar y controlar activamente los componentes de color de una fuente de luz. El control activo del color se puede aplicar para crear un color determinado de la luz o para crear una combinación de colores. Por ejemplo, los colores formados por múltiples componentes se pueden mezclar para crear una luz blanca de determinada calidad. Con tres valores de color individual para rojo (R), verde (G) y azul (B), además de un valor adicional para el brillo, se puede generar el valor deseado tanto con tres canales PWM o, de forma más sencilla y eficaz, con tres canales PWM, uno para cada color, y un cuarto PWM por separado para el brillo. Esta última opción se ha introducido en los últimos modelos de Ford que ofrecen iluminación ambiental. La técnica que utiliza tres canales para color integrado y control de brillo necesita habitualmente una resolución de 14 a 16 bit y un microcontrolador bastante potente. Se puede lograr la misma calidad con cuatro canales de 10 bit de resolución cada uno, que suele aportar un microcontrolador de 8 bit y bajo coste. Con estos cuatro canales, el producto color x brillo se realiza en un circuito de hardware externo. La gradación logarítmica que suele exigir el control de brillo también puede realizarse de manera suficientemente precisa en un microcontrolador de 8 bit y bajo coste, con una aproximación mediante una función de alimentación (ver Figura 1).
La temperatura del LED es uno de los principales factores que afectan al color del LED; por tanto, se ha de compensar la temperatura. Un método sencillo, eficiente y económico para compensar la temperatura consiste en utilizar el comparador integrado de un microcontrolador y un termistor NTC (Negative Temperature Coefficient, coeficiente de temperatura negativo) de bajo coste colocado cerca de los LED. Otra forma de controlar la temperatura del LED es medir su caída de tensión directa. La resolución de un convertidor A/D de 10 bit integrado en el microcontrolador basta para ello. La medida de la caída de tensión directa tiene sus ventajas ya que elimina la necesidad de añadir componentes externos.
Redes de iluminación
Corrección de color, compensación de temperatura, cambio de color, mezcla de colores, control de brillo y el deseo de los fabricantes de coches de obtener diferentes ambientes de iluminación hacen que resulte inevitable el uso de un microcontrolador como el PIC® con memoria no volátil. Además, la necesidad de conectar en red los nodos de iluminación RGB en el vehículo, junto con el deseo de realizar el diagnóstico, exige un protocolo de comunicaciones adecuado de bajo coste. Si bien las primeras generaciones de iluminación interior estaban conectadas de forma individual, las últimas generaciones y los recientes desarrollos de los fabricantes OEM recurren al conocido y económico bus de comunicaciones LIN / J2602. La velocidad de comunicación de LIN de 19,2 kbaudios basta para la variación del color y la iluminación ambiental sin que afecte de manera apreciable al conductor o a los pasajeros.
En tiempos recientes algunos fabricantes de coches han sopesado la comunicación LIN junto con la funcionalidad de autodireccionamiento para este tipo de aplicación. Existen varios métodos de autodireccionamiento conocidos, cada uno de ellos con sus pros y contras (ver Figura 2). Todos ellos añaden costes al silicio cuando se comparan con una comunicación LIN estándar. Sin embargo, estos costes añadidos permiten reducir los costes logísticos para los fabricantes OEM y en nivel 1.
Cómo afrontar las limitaciones de espacio
Las aplicaciones de iluminación interior se suelen caracterizar por importantes limitaciones de espacio. Los nodos de iluminación se introducen en interruptores, posavasos, manijas de puertas, salpicaderos, asientos, luces de lectura, espacios para los pies y consolas en el techo. El espacio disponible para la electrónica se ve reducida muchas veces a una superficie de 10 x 20 mm o menos, lo cual exige recurrir a encapsulados pequeños como SSOP, QFN y DFN.
La temperatura ambiente y el autocalentamiento en un entorno como éste exige una cuidada gestión de la temperatura, dispositivos semiconductores con una baja disipación de potencia y unos amplios rangos de temperatura entre -40°C y 125°C. Generalmente los nodos están conectados al terminal 30 y por tanto requieren una corriente muy baja en reposo, muy por debajo de 100 µA. El diseño de referencia Automotive Ambient Interior Lighting Module Reference Design de Microchip demuestra el control basado en microcontrolador de dispositivos LED RGB (ver nota de aplicación AN1074 en www.microchip.com).
Este módulo se puede controlar remotamente con un controlador maestro mediante el bus LIN. Estos módulos se suministran en un formato muy compacto de 10×20 mm y están formados por una solución PIC16F1829LIN que incluye un transceptor LIN, regulador de tensión, microcontrolador PIC de 8 bit y LED RGB. El módulo interpreta las instrucciones LIN para controlar la mezcla de colores (16.383 colores) y la intensidad (1.023 niveles).
El kit se suministra con cuatro módulos para asignar zonas de iluminación en una red LIN o J2602. Estos módulos también pueden utilizarse con el analizador serie LIN de Microchip (referencia APGDT001) para crear de forma rápida una red RGB LIN funcional.
Una solución basada en microcontrolador proporciona la flexibilidad y la integración que exigen las futuras aplicaciones de iluminación interior basadas en RGB LIN.
Los diseños de arquitectura de sistema analizados minuciosamente permiten el uso de microcontroladores de 8 bit de bajo coste sin comprometer las prestaciones. Esto permite que los fabricantes OEM puedan ofrecer iluminación interior en color en vehículos fabricados de forma masiva, con lo que se aumenta su propuesta de valor y se mejora la comodidad de conducción y la seguridad. Características como la detección de aproximación y los interruptores de sensado capacitivo son funciones añadidas que se pueden realizar fácilmente prácticamente sin coste adicional mediante microcontroladores PIC, con lo que se ve mejorado aún más el valor del sistema.
