martes , diciembre 18 2018
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Control inteligente de iluminación LED

Los controladores de señal digital añaden control inteligente y comunicación a la iluminación LED, como explica Charlie Ice de Microchip Technology Inc.

 

La iluminación LED está transformando la forma de utilizar la iluminación y abre nuevas oportunidades a los diseñadores para añadir control inteligente y mezclas de colores a los elementos de iluminación. 

Los controladores de señal digital (digital signal controllers, DSC) pueden impulsar la innovación en aplicaciones que van desde los faros delanteros y traseros del automóvil a los espectáculos más modernos con una iluminación que pueden transformar un edificio público en una obra de arte.

La combinación única de eficiencia, capacidad de atenuación y larga vida operativa permite que los LED consigan elementos de iluminación que cambien de color, más eficientes, económicos y accesibles. La incorporación de un DSC permite un control eficiente de los LED y un control preciso del color, así como la comunicación con el mundo exterior. 

Todas estas características dan al diseñador la libertad para desarrollar elementos de iluminación LED muy diferenciados de próxima generación.

 

Mayor brillo y mayor complejidad

 

Los LED indicadores de bajo consumo forman parte de numerosos productos y muchos ingenieros conocen bien su sencillo diseño. Todo lo que necesitan es una fuente de tensión y una resistencia en serie del valor adecuado para mantener la corriente del LED por debajo de un nivel que suele ser de menos de 5 mA.  La conexión a la patilla GPIO en un microcontrolador proporciona al diseñador la capacidad de conseguir que el LED parpadee. No obstante, la sencillez del diseño con LED se hace bastante más compleja cuando se conectan en cadena LED de alto brillo y alta corriente con una corriente directa superior a 350 mA.  En este caso el diseñador se enfrenta al reto de controlar la corriente pese a los cambios de temperatura y al extremo calor generado por los propios LED.

 

Control de corriente inteligente

 

Los LED de alto brillo necesitan mantener una corriente constante relativamente elevada para mantener el brillo y el color. La Figura 1 demuestra cómo el flujo luminoso del LED es proporcional a la corriente directa (IF) que atraviesa el LED. Por tanto, una corriente directa constante es fundamental para lograr la consistencia del color y la luz generada. 

Si se emplea una simple resistencia en serie con el LED, la corriente directa viene determinada por la siguiente ecuación:

 

 (IF = (VSource-VF)/R)

 

A medida que varía la tensión de la fuente (VSource) cambia la corriente directa, lo cual produce variaciones en la cantidad de luz que emite el LED. Por tanto, el LED debe estar conectado a una fuente de alimentación que regule activamente la corriente directa.

Control de temperatura

 

Por regla general, la tensión directa (VF) del LED aumentará cuando aumente la temperatura, incluso si la corriente directa es constante y está regulada. La Figura 2 muestra la variación de una corriente directa regulada de forma incorrecta en función de la tensión directa del LED, y demuestra por qué es más importante controlar la corriente directa que atraviesa el LED que el control de la tensión directa. Los LED de alta potencia generan mucho calor, lo cual puede disminuir notablemente su vida operativa y puede provocar fallos prematuros. El control activo de la corriente directa del LED permite determinar que el nivel de disipación de calor para cada diseño, en función de la corriente directa deseada y de la tensión directa estimada. El uso de sensores de temperatura también proporciona la opción de monitorizar posibles situaciones de sobretemperatura.

 

Control preciso del color

 

El hecho de que los LED puedan cambiar la luz que generan de forma casi instantánea hace que resulten ideales para elementos de iluminación que necesiten cambiar rápidamente de color. Se puede colocar una cadena de LED rojos, verdes y azules para crear cualquier color, simplemente ajustando el brillo de cada LED. Un método consiste, simplemente, en aumentar o reducir la corriente directa de cada LED. El problema en este caso es que al cambiar la tensión directa no solo cambia el brillo sino que también cambia ligeramente el color del LED, lo cual supone un problema en aplicaciones que exijan un color preciso. Una alternativa consiste en utilizar una corriente pulsada que proporciona el mismo efecto de atenuación sin que se perciba el cambio de color. La Figura 3 muestra una línea roja de puntos que representa la corriente pulsada media que crea el cambio de brillo, mientras se mantiene una corriente constante a través del LED para que el color percibido no varíe.

Control digital de atenuación

 

El uso de un DSC simplifica enormemente la atenuación mediante la técnica de corriente pulsada. Los módulos PWM avanzados que incorporan muchos DSC se pueden utilizar para generar señales PWM que pueden utilizarse para controlar la etapa de potencia del LED. Estos módulos PWM ofrecen entradas de control que pueden desconectar de forma rápida y precisa las salidas PWM, lo cual permite controlar la corriente en el LED para atenuarlo. El nivel de atenuación se determina mediante un número entre cero y un valor que representa el máximo brillo. Para ajustar el LED a un 50% de su brillo, un contador contaría de cero a 255 y el dispararía el módulo PWM cuando llegara a 128. Entonces se desconecta la salida PWM para eliminar la corriente del LED. Cuando el contador alcanza su máximo valor de 255, se pone a nuevo a 0 y se vuelve a activar el PWM. El proceso se repite para crear la corriente pulsada que se necesita para atenuar el LED, como muestra la Figura 4. Generalmente se utiliza una frecuencia superior a 400 Hz para asegurar que la frecuencia de atenuación sea lo suficientemente rápida como para evitar que el ojo humano pueda distinguir el parpadeo del LED.

 

Control digital de LED

 

Además del control de atenuación, un DSC puede proporcionar una fuente de alimentación activa para controlar la corriente directa que alimenta un LED de alto brillo. Se pueden utilizar topologías de fuentes de alimentación conmutadas de tipo reductor o elevador para alimentar los LED y ambos pueden aprovechar la inteligencia del DSC.

Se utiliza una topología reductora cuando la tensión directa del LED o cadena de LED es inferior a la tensión de la fuente. En esta topología, mostrada en la Figura 5, el PWM controla el interruptor (Q) y la tensión en la resistencia de sensado (Rsns) corresponde a la corriente directa del LED cuando se cierra el interruptor (Q). El comparador del DSC se emplea para comparar la tensión en la resistencia (Rsns) respecto a una referencia interna configurable que es proporcional a la corriente directa del LED. Si la tensión detectada es superior a la referencia interna, el comparador analógico deshabilita el interruptor que abre el PWM (Q), lo cual hace que el inductor (L) descargue su corriente almacenada a través del diodo (D) y el LED. Al iniciarse el siguiente período de PWM, se cierra el interruptor (Q) y el proceso comienza de nuevo. 

Las funciones avanzadas del DSC permiten que este método regule activamente la corriente directa que atraviesa el LED sin recurrir a la CPU.

Se utiliza una topología elevadora cuando la tensión directa del LED o cadena de LED es superior a la tensión de la fuente, como muestra la Figura 6. Al igual que en la topología reductora, el PWM controla el interruptor (Q) y la corriente directa se monitoriza mediante una resistencia de sensado (Rsns). El módulo convertidor A/D del DSC muestrea la tensión en la resistencia de sensado, que corresponde a la corriente directa del LED. A continuación un bucle de control PI (Proporcional Integral) utiliza este valor, ejecutado por software en el DSC, para ajustar el ciclo de trabajo del interruptor (Q) dependiendo de la lectura del convertidor A/D y de un valor de referencia de software correspondiente a la corriente requerida. Al implementar el bucle de control PI mediante software el DSC proporciona la flexibilidad necesaria para una amplia variedad de métodos del bucle de control. Al minimizar el uso de la CPU para el bucle de control PI el DSC puede controlar múltiples cadenas de LED y aún queda margen para otras funciones adicionales.

 

Comunicación digital

 

Un DSC tiene la suficiente capacidad de proceso para controlar de forma inteligente el elemento de iluminación LED y también permite implementar un protocolo de comunicaciones sin necesidad de un dispositivo de comunicación y control por separado. 

Por ejemplo, el protocolo de control de iluminación DMX512 emplea un estándar de comunicación unidireccional, a través de un maestro y múltiples esclavos, para enviar instrucciones a elementos de iluminación individuales a una velocidad de 512 bytes de datos por paquete y con direccionamiento individual a cada dispositivo o nodo. El proceso de alta velocidad permite a un DSP ejecutar el bucle de control rápido, como el controlador PI para el convertidor elevador, como prioridad principal, mientras ejecuta el protocolo de comunicación, como el DMX512, en segundo plano. 

Dado que la comunicación se implementa mediante software, no se limita a un solo protocolo sino que permite controlar el elemento de iluminación con cualquier técnica de comunicación.

 

Acortamiento de la curva de aprendizaje

 

Al igual que cualquier nueva tecnología, el control digital de LED presenta a los diseñadores una acentuada curva de aprendizaje que se puede agilizar mediante kits de iluminación LED con control digital, diseños de referencia y notas de aplicación. 

Entre éstos se encuentran habitualmente los códigos gratuitos y la documentación de hardware y, también pueden ofrecer etapas de alimentación intercambiables para las diferentes topologías. Por ejemplo, el DM330014 LED Lighting Development Kit (Kit de Desarrollo de Iluminación LED) de Microchip ofrece tarjetas hija para control de LED que permiten a los diseñadores implementar múltiples etapas de control en la misma placa.

La elevada eficiencia y la capacidad de atenuación instantánea de los LED harán que esta tecnología continúe impulsando la innovación en la mezcla de colores y otras aplicaciones de iluminación.  

Al añadir el control inteligente y la comunicación que aporta un DSC, los diseñadores pueden incorporar a los elementos de iluminación LED unas características avanzadas y una funcionalidad que pueden aportar elevados niveles de diferenciación y un considerable factor de éxito en aplicaciones de iluminación.

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