El papel fundamental de los controladores LED en aplicaciones de iluminación

Las bombillas incandescentes y otras bombillas más antiguas utilizan electricidad para calentar un filamento o gas, que luego se ilumina para emitir luz. Por otro lado, un diodo emisor de luz (LED) está fabricado con un material semiconductor especial que convierte directamente la electricidad que lo atraviesa en luz, un fenómeno conocido como electroluminiscencia.

Cada material LED emite luz en un rango de frecuencia estrecho cuando se le suministra un voltaje y una corriente específicos. Las desviaciones de estos valores pueden provocar que el LED deje de producir luz o cambie la intensidad de su color.

Los diseñadores suelen recurrir a la reducción constante de corriente (CCR) o a la modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar la intensidad de los LED. Ambos tienen como objetivo ajustar la salida de luz, pero funcionan de manera fundamentalmente diferente, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes de diseño:

• El CCR, a menudo denominado atenuación analógica, funciona reduciendo la corriente que fluye hacia el LED. Es un enfoque sencillo y silencioso que no produce parpadeos, lo que lo hace adecuado para aplicaciones básicas. Sin embargo, reducir la corriente puede cambiar ligeramente el color de un LED y limitar el rango de atenuación, especialmente a niveles de luz muy bajos.
• El PWM atenúa los LED encendiéndolos y apagándolos rápidamente mientras mantiene una corriente constante durante cada pulso. Esta técnica conserva la consistencia del color y permite un rango de atenuación mucho más amplio, a menudo inferior a 1%. Esto lo hace ideal para iluminación regulable o pantallas. La desventaja es que el PWM puede introducir interferencias electromagnéticas (EMI) y un parpadeo visible si la frecuencia de conmutación no es lo suficientemente alta. Los diseñadores deben equilibrar cuidadosamente estos factores.

El PWM puede requerir controladores más complejos y prestar más atención al filtrado EMI, mientras que el CCR puede quedarse corto en aplicaciones que exigen precisión en el color o una atenuación ultrabaja. En algunos casos, un enfoque híbrido que combina CCR y PWM ofrece lo mejor de ambos mundos.

Consideraciones sobre el diseño

Los diseñadores pueden superar las limitaciones de la atenuación CCR o PWM mediante opciones de diseño inteligentes. Para el CCR, los diseñadores pueden seleccionar LED con un rendimiento cromático estable en un amplio rango de corrientes y aplicar correcciones gamma o curvas de atenuación logarítmicas para ajustar la respuesta de atenuación y adaptarla a la forma en que los seres humanos perciben los cambios de luminosidad. Esto da como resultado transiciones más suaves y naturales. Una selección cuidadosa de los controladores y una buena gestión térmica también pueden ayudar a mantener la estabilidad del color y prolongar el rendimiento de la atenuación sin necesidad de circuitos adicionales.

En el caso de la regulación PWM, los principales desafíos son el parpadeo, las interferencias electromagnéticas y la complejidad del diseño. Estos problemas pueden solucionarse utilizando frecuencias PWM altas, normalmente por encima de 20 kHz a 25 kHz, para evitar el parpadeo visible y minimizar las interferencias con los sistemas de audio o las cámaras. Las interferencias electromagnéticas (EMI) pueden controlarse eficazmente mediante un diseño cuidadoso de la placa de circuito, el uso de filtros y la selección de controladores LED que ofrezcan características como velocidades de señal ajustables. Los controladores que incorporan capacidades PWM integradas simplifican el proceso al generar señales internamente, lo que elimina la necesidad de una gestión precisa de la sincronización fuera del controlador.

El CCR puede ser preferible para aplicaciones que exigen un mínimo de EMI, como entornos sanitarios, laboratorios o entornos con equipos electrónicos sensibles. Esta opción proporciona una atenuación suave y sin parpadeos en un rango limitado, y su relativa simplicidad también la hace ideal para la iluminación general en hogares, restaurantes y grandes recintos, especialmente cuando la simplicidad y el coste son prioridades fundamentales.

El PWM suele preferirse por su alta consistencia cromática y su amplio rango de atenuación, como en la iluminación de escenarios o en entornos que requieren un control muy sutil de la iluminación. Los controladores PWM con fuentes de señal integradas simplifican aún más el proceso de diseño al gestionar la sincronización internamente, lo que reduce la complejidad del diseño.

Al elegir la ruta PWM

Las aplicaciones que requieren control multicanal, consistencia del color y fiabilidad automotriz se benefician del enfoque PWM.

Un buen ejemplo es el controlador LED avanzado de 36 canales para automoción AL5887Q de Diodes Inc., que ofrece capacidades de modo dual. Se atenúa con PWM profundo modulando el ciclo de trabajo de la corriente constante de 100% a 3%. Sin embargo, por debajo de 3%, pasa a un modo de atenuación analógica que produce la misma funcionalidad que el CCR a través de controles digitales programables en lugar de un circuito analógico clásico solo para CCR.

Con un oscilador integrado de 16 MHz, el AL5887Q elimina la necesidad de un reloj externo, lo que permite simplificar el diseño y la disposición de la placa, reducir el espacio ocupado por la placa de circuito impreso y disminuir el costo de los materiales (BOM). Utiliza un registro direccionable PWM de 12 bits y un generador PWM interno de 30 kHz para mejorar la mezcla de colores y reducir el ruido.

Los diseñadores pueden utilizar esto dirigido a:

• Iluminación interior y exterior para automóviles
• Pantallas de infoentretenimiento
• Indicadores luminosos de estado
• Paneles táctiles y retroiluminación de pantallas LCD

Estas aplicaciones requieren controlar el color y la intensidad de los LED, que son las funciones clave que facilita el controlador AL5887Q (Figura 1).

Figura 1: El controlador LED AL5887Q de Diodes Inc. simplifica las aplicaciones de iluminación y visualización en automoción. (Fuente de la imagen: Diodes Inc.)

Control del color de un LED RGB

El control del color de un LED RGB implica ajustar el flujo de corriente a cada uno de los tres chips de colores diferentes contenidos en el paquete del LED (Figura 2). En términos sencillos, para producir un color amarillo brillante, los diodos rojo y verde se activan al máximo y el LED azul se atenúa o se apaga. Del mismo modo, se puede producir una amplia gama de colores controlando la intensidad de cada uno de los LED.

Figura 2: Para controlar el color de un LED RGB, la aplicación debe ajustar el flujo de corriente a cada uno de los tres chips de colores diferentes dentro del paquete LED. (Fuente de la imagen: Broadcom)

La arquitectura de una aplicación de iluminación típica

Una aplicación de iluminación puede estar compuesta por cientos de LED y otros componentes, todos ellos controlados por un programa que se ejecuta en una única computadora pequeña o microcontrolador.

La disposición de los pines del AL5887Q se muestra en la Figura 3. Una aplicación puede contener varios controladores, cada uno de los cuales puede conectarse a un máximo de 12 LED RGB o hasta 36 LED individuales, con pines dedicados OUT0 a OUT35.

Figura 3: La disposición de los pines del AL5887Q. Se puede conectar a un máximo de 12 LED RGB o hasta 36 LED individuales, con pines dedicados OUT0 a OUT35 (Fuente de la imagen: Diodes Inc.).

Por qué el AL5887Q es un buen controlador LED para aplicaciones de iluminación

El AL5887Q puede mezclar y combinar canales, utilizando algunos para la mezcla de colores y otros para indicadores de estado o aplicaciones LED monocromáticas similares. Cada canal funciona como una fuente de corriente constante programable para proporcionar un brillo y un color uniformes, lo cual es importante en la iluminación comercial, automotriz o arquitectónica, donde las inconsistencias se notan fácilmente.

Detección de errores

Además de mezclar y atenuar las luces LED, el AL5887Q detecta diversas condiciones de error, como cortocircuitos, que registra en un registro interno de "indicadores". El AL5887Q avisa al microcontrolador de los problemas mediante su pin FAULT. El mecanismo de detección de errores del controlador LED permite que la aplicación que se ejecuta en el microcontrolador reaccione y proporcione diagnósticos para las reparaciones.

Simplificaciones para desarrolladores de aplicaciones

El AL5887Q elimina parte de la sobrecarga del microcontrolador que lo controla, como la asignación de colores de intensidad, lo que simplifica el trabajo del desarrollador de aplicaciones. Simplifica el programa que se ejecuta en el microcontrolador, reduce el tiempo de desarrollo y hace que el sistema sea más robusto al eliminar posibles fuentes de errores.

Banca

Algunos efectos de animación LED, como el parpadeo y la "respiración" (que es como un pulso lento), implican acciones simultáneas en muchos LED. En lugar de que el programa del microcontrolador identifique cada LED por separado para enviar los mismos comandos una y otra vez, el AL5887Q se puede configurar para agrupar los LED en "bancos". Todo el grupo puede entonces seguir una sola orden.

Compatibilidad con I²C y SPI

Una aplicación LED de alto nivel con muchos periféricos y configuraciones requiere una lógica flexible que detecte y modifique el comportamiento en consecuencia. Podría elegir I²C, que utiliza dos cables para detectar y comunicarse con docenas de periféricos.

Por otro lado, una aplicación de bajo nivel con una configuración fija y una lógica sencilla puede simplificarse utilizando SPI, que utiliza más cables pero se comunica directamente con periféricos conocidos.

El AL5887Q se adapta a ambos tipos de arquitecturas de aplicación. Puede admitir el método de comunicación I²C o SPI. Un pin de "selección de interfaz" (INT_SEL) permite a la aplicación del microcontrolador ordenar al circuito controlador que utilice uno u otro método de comunicación durante el arranque.

Modo de ahorro de energía

Cuando los LED están apagados, el AL5887Q entra automáticamente en modo de ahorro de energía, en el que consume solo 25 microamperios. Si el microcontrolador le envía cualquier comando, vuelve al modo normal. Esta función se puede desactivar con un comando de configuración.

Conclusión

El atributo de control PWM de 12 bits del AL5887Q combina precisión y flexibilidad, lo que lo convierte en una opción versátil y fiable para aplicaciones avanzadas de iluminación LED. Su reducido tamaño y sus funciones integradas reducen la necesidad de componentes adicionales, lo que disminuye el costo total y agiliza el desarrollo.