Controle con precisión la luminancia del led con un DAC de salida de corriente y un TIA

El diodo emisor de luz (LED) es conocido por su robustez física, larga vida útil, eficiencia, capacidad de conmutación rápida y tamaño pequeño. Los ledes emiten más lúmenes por vatio que las bombillas incandescentes; además, la forma y el tamaño no afectan su eficiencia. Sin embargo, a pesar de su uso generalizado y el apoyo de la tecnología, controlar con precisión la luminancia de un led todavía es un desafío.

Las razones son muchas y están relacionadas con la física de cada longitud de onda del led; no obstante, aún es posible lograr un control preciso de la luminancia usando componentes y un enfoque de diseño correctos.

Este artículo analiza brevemente los problemas que presenta conseguir una luminancia constante de un led. Luego, muestra la forma de usar juntos un convertidor de digital a analógico (DAC) de salida de corriente de 14 bits programable, un amplificador operacional y un microcontrolador analógico de precisión para controlar precisamente la luminancia de un led. Se utilizarán componentes de Analog Devices a modo de ejemplo.

Matrices/aplicaciones led

Un semiconductor led es una fuente de iluminación que emite luz con un flujo de corriente que va desde el ánodo hasta el cátodo. Los electrones semiconductores se vuelven a combinar con los huecos de electrones y liberan energía en forma de fotones. La energía que se necesita para que los electrones crucen la banda prohibida del semiconductor determina el color de la luz led.

El comportamiento eléctrico del led es similar al de un diodo estándar. Como sucede con los diodos estándar, es fundamental no sobrecargar el dispositivo cuando está en el modo de polarización directa. Un diodo sobrecargado se recalienta y, en el peor de los casos, se convierte en un circuito abierto. Cuando el led tiene polarización directa, una corriente circula por el dispositivo, lo que genera luz, y un voltaje cae del ánodo al cátodo (Figura 1).

Figura 1: Mediante una corriente directa de 20 miliamperios (mA), se demuestra que los diversos colores de ledes tienen distintos voltajes directos. (Fuente de la imagen: DigiKey)

En la Figura 1, un voltaje directo de un led varía en color (R = rojo; O = naranja; G = verde; Y = amarillo; B = azul; W = blanco). Normalmente, el led se excita con una fuente de 20 mA para medir y determinar el valor del voltaje directo. Si bien controlar los ledes con una fuente de voltaje es tentador, es difícil controlar la fuente de manera precisa, lo que puede correr el riesgo de sobrecargar el dispositivo y, en consecuencia, recalentarlo y causarle fallas prematuras.

Configuraciones de ledes en paralelo y en serie

Aunque las tres configuraciones de ledes más conocidas son en paralelo, en serie o una combinación de ambas, en la mayoría de los casos, se recomienda que los ledes se controlen con una fuente de voltaje y una resistencia para controlar la magnitud de corriente (Figura 2).

Figura 2: Las tres configuraciones de control de los ledes son en paralelo (A), en serie (B) y una combinación de la configuración en paralelo y en serie (C). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Todas las cadenas de ledes en paralelo (A) deben tener las mismas especificaciones de voltaje directo y, por lo tanto, el mismo color de led (vea nuevamente la Figura 1). Incluso con esta configuración, los ledes no compartirán corriente de forma uniforme debido a la tolerancia de fabricación de su voltaje directo. En esta configuración en paralelo, un led o más probablemente se convierta en algo que consume mucha corriente. El brillo de los ledes se distingue por la distinta intensidad de luminancia o corriente directa, un factor que puede hacer que las pantallas led sean incompatibles.

En la configuración en paralelo (A), el valor de R_LED depende de un voltaje de alimentación predeterminado (V_LED), del voltaje directo nominal de los ledes y de la cantidad de ledes en paralelo, que consumen aproximadamente 20 mA cada uno. Por ejemplo, R_LED equivale a 10 W, con diez ledes blancos en paralelo (voltaje directo ~3.0 voltios a 20 mA) y un V_LED de 5 voltios. El valor de 10 W para R_LED se calcula mediante la Ecuación 1:

 Ecuación 1

Dónde V_LED = voltaje de alimentación, según la Figura 2

N = núm. de ledes = 10

I₁ = 20 mA (Nota: I_LED = I₁*N)

R_LED = resistencia de polarización del led

V_X = caída nominal de voltaje de 20 mA del led

En la configuración en serie (B), cada led recibe la misma cantidad de corriente con distintos voltajes directos. Es posible tener varios ledes de colores en esta configuración en serie. En esta constitución, el voltaje de alimentación equivale a la suma de cada voltaje nominal del led más la caída de voltaje en la resistencia, R_LED. Por ejemplo, si en esta serie hay diez ledes rojos (voltaje directo de ~1.9 voltios) con 20 mA a través de una resistencia de 330 Ω, el suministro de voltaje del sistema (V_LED) es de ~25.6 voltios. En esta configuración, un led defectuoso o abierto hace que falle toda la cadena.

La combinación de ledes en paralelo y en serie (C) reúne las ventajas de cada uno. En esta configuración, hay menos ledes en la cadena en serie. Esto disminuye el valor de V_LED. También hay menos ledes en paralelo, lo que reduce la probabilidad de que haya un gran consumo de corriente. Otra ventaja es que esta configuración permite el uso de un DAC de salida de corriente programable como una fuente de excitación económica, en lugar de una fuente de voltaje estático tradicional.

Opciones de control de ledes programables

En la Figura 2, el mecanismo que controla el led para las configuraciones en paralelo (A), en serie (B) y la combinación en serie/en paralelo (C) tiene una resistencia en serie, R_LED, y una fuente de voltaje, V_LED. En estas tres configuraciones, la disminución de la corriente directa, lo que significa una reducción de V_LED o un aumento de R_LED, atenuará los ledes. Un DAC de salida de voltaje puede ofrecer los voltajes programables para V_LED; sin embargo, las altas corrientes requeridas pueden presentar un problema. Un DAC de salida de voltaje muchas veces no puede suministrar la alta corriente que necesitan los ledes, por lo que a menudo se requiere un amplificador de potencia (amplificador operacional).

Un potenciómetro manual o, mejor todavía, uno digital pueden reemplazar R_LED con algunas limitaciones de disipación de potencia, como la forma de manejar la alta corriente cuando el potenciómetro se acerca a cero ohmios.

Para evitar la complejidad y los problemas relacionados con los DAC de salida de voltaje y los potenciómetros, el enfoque de diseño más elegante es usar un DAC de salida de corriente en su lugar.

Un DAC de salida de corriente proporciona corriente programable al led. Las especificaciones fundamentales para este tipo de DAC son la capacidad de brindar 20 mA por led y un alto grado de resolución de dicha corriente. La programabilidad actual se puede usar para configurar la luminancia deseada con la ayuda de un amplificador de transimpedancia (TIA) (Figura 3).

Figura 3: Un DAC con corriente de salida programable brinda un control inmediato de la corriente directa del led y un TIA ofrece el control del nivel de luminancia. (Fuente de la imagen: DigiKey)

En la Figura 3, los dos ledes buscan el nivel de voltaje directo con la corriente de excitación de 20 mA. Para completar el sistema led de la Figura 3, un fotodiodo (PD) en la parte frontal de un TIA detecta la luminancia del led. Para este sistema, los requisitos del amplificador son bajas corrientes de polarización de entrada para evitar la competencia con la corriente de fotodiodo (I_PD) y bajo voltaje de desviación de entrada para mantener la caída a través del PD en un nivel mínimo.

Implementación de un controlador programable de la luminancia del led

La implementación de un sistema de control programable de la luminancia del led requiere un microcontrolador analógico de precisión, como el ADuCM320BBCZ de Analog Devices, así como un DAC de salida de corriente AD5770RBCBZ-RL7 y un amplificador operacional ADA4625-1ARDZ-R7, los dos también de Analog Devices.

El microcontrolador:

• Controla los valores de corriente de salida del DAC de 14 bits.
• Recibe el voltaje de salida del TIA en un convertidor de analógico a digital (ADC) integrado de 14 bits.
• Realiza los cálculos necesarios para controlar la luminancia.

El DAC programable proporciona corrientes de salida exactas para los ledes, mientras que el amplificador operacional, configurado como un TIA, recibe la magnitud analógica de luminancia del led a través del fotodiodo. Luego, el TIA envía un voltaje de salida (V_OUT) a la entrada de ADC del microcontrolador (Figura 4).

Figura 4: Este sistema de precisión brinda corrientes programables a los ledes para controlar la luminancia. (Fuente de la imagen: DigiKey, se generó mediante el software en línea Photodiode Circuit Design Wizard de Analog Devices)

La magnitud de corriente está controlada por el sistema con un TIA en el bucle de retroalimentación. El amplificador operacional ADA4625-1 tiene una corriente de polarización de entrada de 15 picoamperios (pA) (según la hoja de datos) y un voltaje de desviación de 15 microvoltios (mV), lo que proporciona un amplio rango dinámico del TIA. Este rango dinámico ofrece un alto grado de flexibilidad de luminancia para que el led baje de una intensidad máxima a un estado de total oscuridad.

El diseñador del sistema determina la variación y el rango de luminancia del led. Por ejemplo, un DAC de 14 bits produce 2¹⁴ o 16,384 divisiones. Para este DAC con una salida a escala completa de 100 mA, el tamaño del bit menos significativo (LSB) es de 6.1 microamperios (mA), según la siguiente ecuación:

Donde:

IDACx_LSB = el tamaño del LSB de la corriente del canal x

IDAC_MAX = la corriente nominal máxima del canal

N = número de bits del DAC

Con un voltaje de alimentación de 5.0 voltios, el AD5770R de seis canales controla los dos ledes en serie con una corriente nominal de 20 mA. En este circuito, los voltajes del led buscan su propio nivel de voltaje directo.

En el circuito que se muestra en la Figura 4, la corriente de salida máxima de cada puerto de salida (IDAC0-IDAC5) se puede ajustar bajando hasta un 50 % del valor nominal. Esta flexibilidad le permite al diseñador combinar mejor las corrientes de excitación del led. A su vez, esta operación disminuye la magnitud de corriente del LSB.

Nuevamente en la Figura 4, la corriente máxima del IDAC2 es de 55 mA y la del IDAC5 es de 45 mA (según la hoja de datos). Si los ledes de la cadena del IDAC2 son rojos, el voltaje nominal en el pin del IDAC2 es de 1.9 voltios x 2, o 3.8 voltios, y el tamaño del LSB del DAC es de 3.4 mA.

Para mejorar aún más la exactitud del sistema, el diseñador puede reemplazar el generador de referencia en el chip del DAC por una referencia externa o una resistencia de precisión añadida.

Por último, el AD5770R tiene una función diagnóstica en el chip multiplexada que le permite al diseñador monitorear los voltajes de cumplimiento de salida, las corrientes de salida y la temperatura interna del molde, todo con un ADC externo.

El DAC de salida de corriente AD5770R controla las cadenas de dos ledes con una fuente de corriente programable y controlada de bajo ruido, con una densidad espectral de ruido de salida del IDAC2 y del IDAC5 equivalente a 19 nA/√Hz y a 6 nA/√Hz, respectivamente.

Conclusión

Por su robustez física, larga vida útil, bajo consumo de energía, conmutación rápida y tamaño pequeño, los ledes tienen muchas ventajas respecto de otras tecnologías de iluminación. Sin embargo, a pesar del gran uso de los ledes, controlar su luminancia de salida con precisión y eficacia todavía es un desafío.

Como se ve, se puede conseguir un control preciso de la luminancia de un led mediante un microcontrolador de precisión ADuCM320BBCZ, un DAC de salida de corriente de alta precisión de 14 bits programable AD5770 y un amplificador operacional JFET (efecto de campo de unión) ADA4625-1 configurado como TIA. Esta combinación puede ayudar a los diseñadores a cumplir los requisitos de precisión de luminancia del led con una capacidad de diagnóstico total para monitorear todas las corrientes del controlador de ledes, así como controlar la atenuación.