El regulador matricial de LEDs permite un control preciso del color y el patrón en los LEDs RGBW

Los LEDs RGB se utilizan en sistemas de iluminación de proyectores, arquitectura, pantallas, escenarios y automóviles que requieren una salida eficiente y brillante. Para producir colores predecibles a partir de un LED RGB, cada uno de los LEDs que lo componen (rojo, verde y azul) requiere un control de regulación individual y preciso. Los sistemas de gama alta pueden utilizar un bucle de retroalimentación óptica para que un microcontrolador ajuste los LEDs para conseguir colores precisos. Añadir un LED blanco a un LED RGB para producir un LED RGBW amplía los valores de tono, saturación y brillo disponibles en el sistema de color. Cada LED RGBW requiere una atenuación precisa de cuatro componentes LED. Dos LEDs RGBW requieren ocho "canales"

Una forma de controlar y atenuar los LEDs RGBW es utilizar cuatro controladores de LEDs distintos, uno para cada color (R, G, B y W). En un sistema de este tipo, la corriente de los LEDs, o la regulación PWM, de cada LED o cadena individual es impulsada por controladores y señales de control independientes. En esta solución, sin embargo, el número de controladores LED aumenta rápidamente con el número de LEDs RGBW. Cualquier sistema de iluminación con un gran número de LEDs RGBW requiere un gran número de controladores y la sincronización de las señales de control con estos controladores.

Un enfoque mucho más sencillo (y más elegante) es accionar todos los LEDs con un conductor/convertidor único a una corriente fija, mientras se utiliza un conjunto de MOSFETs de potencia en derivación para controlar el brillo de cada LED mediante PWM. Es el equivalente analógico de los transistores en una pantalla LCD, donde se puede multiplicar el número de interruptores mientras se controla el número de controladores. Además, un único bus de comunicación para controlar la matriz de regulación de los LED hace que los sistemas LED de mezcla de colores RGBW sean relativamente fáciles de producir, al tiempo que ofrecen una amplia gama de colores.

El regulador matricial de LEDs LT3965 permite un diseño de este tipo, como se muestra en la Figura 1. Cada regulador matricial LT3965 de 8 interruptores puede asociarse exactamente a dos LEDs RGBW, lo que permite controlar el brillo individual de cada LED (rojo, verde, azul y blanco) en pasos PWM de 1/256 entre cero y 100% de brillo. El sistema de dos hilos I2Los controles de la serie C se utilizan para controlar el color y el brillo de los ocho canales. I2El código de la serie C del LT3965 determina el estado de luminosidad de los ocho LEDs y puede comprobar si los LEDs están abiertos o cortocircuitados en caso de fallo.

Figura 1. En combinación con el controlador de LED de tipo boost LT3952, el regulador de LED de matriz LT3965 controla los colores individuales de dos LED RGBW de 500 mA para obtener colores y patrones controlados en serie.

El regulador matricial requiere un controlador de LED adecuado para alimentar la cadena de ocho LEDs desde diferentes entradas: estándar de 12V ±10%, 9V-16V (auto) o 6V-8,4V (Li-ion). Una de estas soluciones es el empujador LT39521 Conductor de LED, que sube y baja la tensión de la entrada al LED, a la vez que proporciona una corriente de entrada y salida de bajo rizado. Con poco o ningún condensador de salida en su topología de salida flotante, puede responder rápidamente a los cambios en la tensión de los LED, ya que cada uno de ellos se enciende y apaga mediante PWM para controlar el color y el brillo (Figura 2).

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Figura 2. Las corrientes de los LEDs RGBW de 500 mA se regulan por PWM y se escalonan mediante el regulador matricial LT3965 para crear colores y patrones. El convertidor boost/conductor de LEDs LT3952 sigue fácilmente los rápidos cambios de tensión de los LEDs cuando se atenúan por PWM.

El convertidor boost-buck LT3952 de 500mA que se muestra en la Figura 1 se combina con el atenuador matricial de LEDs LT3965 de 8 interruptores y dos LEDs RGBW de 500mA. Esta nueva topología boost-buck funciona con elegancia en todo el rango de cero a ocho LEDs en serie, con un rango de tensión de 0V a 25V. La tensión instantánea de los LEDs en serie varía en función del número de LEDs que se encienden y apagan con el regulador matricial en cada momento. La tensión de salida de 60V de este convertidor/topología (una suma de VEN y VLED), y el ciclo de trabajo del convertidor, se evalúan para todo el rango de entrada de 6V a 20V y el rango de salida (tensión de la serie de LEDs) de 0V a 25V a 500mA.

Esta topología de voltaje de salida flotante funciona bien con el accionamiento de la matriz LT3965. El accionamiento de la matriz controla el brillo de los LEDs mediante la derivación de los LEDs con MOSFETs de potencia en paralelo.

Los LEDs no necesitan estar conectados a tierra. Mientras la tensión VEN del LT3965 se conecta a SKYHOOK, que está al menos 7,1V por encima del LED+todos los MOSFETs en derivación funcionan correctamente. El SKYHOOK puede crearse con una bomba de carga del convertidor de conmutación o ser alimentado por una fuente regulada que sea al menos 7,1V superior al LED más alto previsto+ tensión (en este caso 20V VEN máx. más 25V LED máx.). El diminuto convertidor elevador LT8330 en un DFN de 3 mm × 2 mm es una buena opción para generar el SKYHOOK.

Se utiliza un dispositivo de reloj externo opcional para sincronizar el sistema a 350 kHz, que es adecuado para entornos de automoción, es relativamente eficiente y permite el uso de componentes compactos. Aunque este sistema puede funcionar igual de bien a 2MHz (por encima de AM), 350kHz (por debajo de AM) permite que este convertidor boost-buck regule sin que se salten los pulsos cuando todos los LEDs están en cortocircuito por el dimmer de la matriz y la tensión de la cadena de LEDs cae a 330mΩ - 500mA - 8 = 1,3V. Esta frecuencia también admite altos ratios de atenuación sin parpadeo visible de los LEDs.

Como cada LED RGBW está diseñado como una única fuente puntual, la luz roja, verde, azul y blanca se combina para producir una variedad de colores, con control sobre la saturación, el tono y el brillo. Cada LED puede ajustarse en 1/256 pasos desde cero (0/256) hasta el 100% (256/256). El atenuador matricial puede cambiar los niveles de atenuación PWM con o sin función de desvanecimiento interno mediante un comando serie de un solo canal.

Los LEDs RGBW pueden producir un color y un brillo precisos mediante la regulación PWM de los LEDs rojos, verdes, azules y blancos de los componentes individuales. El control de brillo PWM individual puede admitir relaciones de atenuación de 256 a 1 o más. Una alternativa a la atenuación PWM es simplemente reducir la corriente de accionamiento de cada LED, pero esto reduce la precisión, permitiendo sólo relaciones de atenuación de 10:1 y provocando una deriva de color en los propios LED. Un enfoque de atenuación matricial que utiliza la atenuación PWM supera los esquemas de accionamiento actuales en términos de precisión de color y brillo.

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El ancho de banda y la respuesta transitoria del controlador del LED (la fuente de la corriente del LED de 500 mA) afectan a la precisión del color. Con una frecuencia de cruce de más de 10 kHz y un condensador de salida escaso o nulo, el compacto convertidor boost-buck responde rápidamente a los cambios en el número de LEDs accionados a medida que la matriz de regulación enciende y apaga sus interruptores.

Para ilustrar lo importante que es esto para la precisión, los LEDs rojo, verde y azul se encienden por separado con diferentes ciclos de trabajo PWM y se mide su brillo con un sensor óptico RGB. Los resultados de la Figura 3 muestran pendientes uniformes para cada color desde 4/256 hasta 256/256, con un ligero cambio de pendiente por debajo. Por supuesto, los LEDs rojo, verde y azul no son perfectos en su color, por lo que se cuela algo de color de las otras tiras incluso cuando sólo se acciona una. En general, es un sistema muy preciso.

Figura 3. Control del brillo rojo, verde, azul y blanco en función del ciclo de trabajo de atenuación PWM 0-256 (de 256) controlado por el atenuador de LEDs de matriz cuando se combina con el controlador de LEDs de tipo boost-buck LT3952 de la Figura 1.

La precisión puede mejorarse hasta 1/256 utilizando una versión de convertidor buck de gran ancho de banda (>40 kHz) del controlador LED LT3952, pero esto requiere añadir otro convertidor boost para crear una tensión de salida regulada superior a 30 V, o tener una fuente de tensión de entrada superior a 30 V. A menos que se requiera un alto nivel de precisión con poca luminosidad, no hay muchas razones para renunciar a la versatilidad, la sencillez y el tamaño compacto del convertidor boost añadiendo un convertidor adicional.

El sistema de mezcla de colores LED RGBW regulable en matriz que aquí se describe proporciona una amplia gama de colores, como se muestra en la figura 4. Añadir colores adicionales, como el ámbar, puede ampliar la gama. Los LEDs RGBWA con un componente ámbar pueden producir amarillos y naranjas profundos que los LEDs RGBW no pueden. Estos LEDs también se pueden accionar con el regulador matricial, pero los ocho canales del regulador matricial se corresponden bien con dos LEDs RGBW.

Figura 4. Los LEDs RGB ofrecen una amplia gama de colores. La adición de blanco es una forma de simplificar la mezcla algorítmica de colores específicos. En algunos esquemas de mezcla, el blanco se utiliza para modificar la saturación, mientras que el rojo, el verde y el azul definen el tono

El esquema de gradación de 256 niveles del LT3965 se traduce fácilmente en los típicos programas de pintura RGB y en los algoritmos habituales de mezcla de colores. Por ejemplo, si abres un programa estándar de pintura para PC, verás que los colores se mezclan utilizando un sistema RGB de 256 valores, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Los colores se pueden elegir con un selector de colores estándar de PC. Los valores 0-256 utilizados por la matriz de regulación pueden relacionarse con los valores 0-255 utilizados en los sistemas RGB típicos. Por ejemplo, RGB(128,10,128) produce un tono púrpura. Como se puede ver en la foto de abajo, el regulador matricial puede producir colores predecibles con un verdadero LED RGBW, simplificando el trabajo de un diseñador de iluminación

Por ejemplo, las formas de onda de la corriente de los LED de la Figura 2 producen luz púrpura a partir de un sistema de LED de matriz RGBW controlado por un programa básico de pintura para PC. Como el diseño descrito en este artículo produce un control preciso de la corriente y el PWM, los LEDs RGBW pueden calibrarse en color de forma predecible ajustando los ciclos de trabajo de los LEDs componentes, con lo que se acomodan fácilmente las variaciones inherentes al brillo de los LEDs.

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El sistema de regulación matricial LT3965 puede ajustarse para que comience con todos los LEDs encendidos o apagados. Empezar con todos los LEDs apagados permite que se enciendan suavemente o que empiecen con un color y un brillo programados, como el verde-azul al 10% de brillo. Si todos los LEDs empiezan con una corriente completa de 500mA antes de que las comunicaciones en serie empiecen a indicar al regulador lo que tiene que hacer, se puede ver una luz "blanca" muy brillante antes de que empiecen las comunicaciones en serie.

Con cualquiera de los dos métodos de puesta en marcha, el LT3965 debe ser alimentado antes de recibir I2C, o las comunicaciones iniciales pueden perderse al realizar un reinicio de encendido (POR). El POR se produce cuando el pin EN/UVLO supera el umbral de 1,2V. Como esta tensión se basa en que el SKYHOOK esté al menos 7,1V por encima del LED+esto puede ocurrir en cualquier momento después de que se aplique una tensión alta de SKYHOOK, como 55V de un pequeño regulador de refuerzo, o puede ocurrir después de que una tensión bombeada por la carga del nodo de conmutación del LT3952 sea lo suficientemente alta como para crear el SKYHOOK. En el caso de un SKYHOOK bombeado por la carga, la corriente del LED puede estar presente antes del SKYHOOK bombeado por la carga, de modo que los LED se enciendan antes de que los interruptores del LT3965 puedan apagar los LED. Esta es una solución sencilla para un diseñador que quiera que los LEDs se enciendan a pleno rendimiento inicialmente.

Para que los LEDs se apaguen, el SKYHOOK debe estar presente a una tensión alta antes de que se encienda el LT3952. Como se muestra en la Figura 6, si el pin PWM se mantiene bajo durante el arranque, el LT3952 no arrancará hasta que una fuente externa, como el microcontrolador maestro, se lo ordene. El microcontrolador puede enviar I2C al LT3965 una vez que el SKYHOOK está presente y configura sus interruptores en la posición OFF de los LEDs antes de que fluya la corriente hacia ellos. Entonces, tras la configuración, se puede afirmar el PWM del LT3952 y la corriente empieza a fluir hacia los interruptores en cortocircuito del LT3965, con los LEDs apagados. Después de esto, puede producirse un desvanecimiento, o el regulador de intensidad LT3965 puede cambiar a un color o brillo determinado.

Figura 6. Poner en marcha el mezclador de colores de la matriz de LEDs con todos los LEDs apagados utilizando esta secuencia.

Al reiniciar, hay que volver a tirar del PWM del LT3952 para que se apague y se reinicie en la posición de LED apagado. En el caso de la Figura 1, un simple amplificador de potencia como un LT8330 puede proporcionar 55V a partir de la entrada de 6V-20V. El microcontrolador recibe una señal que indica que el LT3965 está encendido y listo para recibir comunicaciones en serie, poniendo la bandera de ALERTA. Antes de que se produzca un cortocircuito en alguno de los interruptores, la corriente nula a través de los LEDs da lugar a una tensión nula en los interruptores, lo que se interpreta como un fallo de cortocircuito y se comunica como tal. Sólo después de que el LT3965 sea alimentado por el SKYHOOK se afirma la bandera.

El regulador matricial de LEDs LT3965 puede combinarse con el convertidor boost-buck LT3952 para formar un sistema de mezcla de colores de LEDs RGBW de gran precisión cromática. Puede utilizarse para accionar dos LEDs RGBW a 500mA con una frecuencia de conmutación de 350kHz desde una entrada de 6V a 20V. Este versátil sistema puede alimentarse con baterías de automóvil, alimentación de 12 V o baterías de iones de litio.

La alta precisión del color se debe a la rápida respuesta transitoria de la topología del controlador LED Boost-Buck, pendiente de patente, y al control predecible de la atenuación a través de la interfaz 256:1, I2Sistema matricial controlado por C. Puede configurarse para que empiece con todos los LEDs apagados y puede desvanecerse para empezar o cambiar a un color concreto. Aunque no es necesario, se puede añadir una retroalimentación óptica (a través del microcontrolador) para mejorar la precisión del color.

Notas

1 topología pendiente de patente

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