Los microcontroladores XMC basados en SMC de Infineon le permiten crear iluminación LED de alta calidad que puede atenuarse hasta el 0,1 % y que ofrece atenuación exponencial y una mezcla de colores fluida sin parpadeo perceptible.
Hola, soy Mike Copeland, gerente de aplicaciones industriales para microcontroladores de Infineon Technologies. Hablemos sobre la iluminación LED de alta calidad y sobre cómo generarla con los microcontroladores basados en XMC de Infineon.
Cuando hablamos de iluminación de alta calidad, en realidad nos referimos a una iluminación que pueda atenuarse hasta el 0,1 % de su brillo máximo. Dicha iluminación debe incluir atenuación exponencial y mezcla de colores fluidas. Y mientras hace todo esto, no debe haber parpadeo perceptible. El parpadeo no debe ser perceptible a la vista, el cerebro o una cámara.
En primer lugar, debemos controlar la corriente a través del LED, y existe una serie de formas para hacer eso mediante la utilización de controladores de corriente LED externos. Hay controladores lineales, como nuestros modelos BCR320U y BCR403. Estos se parecen mucho a los reguladores de tensión lineales y, para controlar la cantidad de corriente que pasa a través de los LED, solo tiene que cambiar el valor de estos puntos de ajuste o bien, el valor de los resistores de detección de corriente configurados. También existen los controladores de corriente LED con modo de conmutación, como nuestro ILD6150. Con este modelo, el principio es un poco más diferente. Es muy similar a un regulador de tensión con modo de conmutación. La corriente —controlada mediante un inductor externo— genera ondas senoidales, y es posible controlar el punto de ajuste a través de una entrada analógica o un resistor de detección.
Los pequeños círculos que muestran una especie de nube en la sinusoide significan que este esquema puede simularse en nuestro sitio web. Por lo tanto, puede ir a Infineon.com, buscar el esquema y ver una simulación analógica completa del circuito. Ahora bien, también es posible realizar un control de corriente con modo de conmutación utilizando el microcontrolador XMC.
A continuación, se muestra un ejemplo del XMC 1302, en el que se utilizan los temporizadores y comparadores analógicos internos. Estos temporizadores y comparadores funcionan juntos para controlar la corriente pico con tiempos fijos de apagado. Es posible ajustar ese tiempo de apagado para que coincida con las características del circuito, la tensión de entrada, el tamaño del inductor y las caídas de tensión directa de los LED. A continuación, mostramos algunos detalles sobre cómo funcionará esto.
Puede ver que, a medida que la corriente en el LED alcanza su valor máximo, se activa el comparador, se reinicia el temporizador y se apaga el MOSFET durante una cantidad de tiempo fija. Una vez transcurrido ese tiempo, el MOSFET vuelve a encenderse y se repite el proceso. De hecho, la frecuencia se controla de forma analógica. Es algo muy fluido y fácil de hacer, y no requiere carga de CPU en absoluto.
Ahora bien, para atenuar un LED, podríamos hacer una atenuación analógica o una atenuación mediante modulación. La atenuación analógica significa controlar únicamente el punto de ajuste de nuestros controles de corriente. Por lo tanto, modificamos el punto de ajuste a través de una entrada analógica en el IC del controlador. Por ejemplo, lo moveremos hacia arriba o hacia abajo para que cambie el brillo del LED. O bien, podríamos emplear la atenuación mediante modulación. La atenuación mediante modulación significa que encendemos y apagamos el LED muy rápidamente. Entonces, la cantidad de luz que percibimos es equivalente al promedio de tiempo de las corrientes que pasan a través del LED.
En resumen, ¿qué alternativa es mejor —atenuación analógica o atenuación mediante modulación— si vamos a trabajar con iluminación de alta calidad?
En la atenuación analógica, existen algunos problemas al tratar de disminuir hasta 0,1 %. Estos problemas se deben a las tolerancias en los componentes analógicos y, en el caso de los insumos con modo de conmutación, a menudo la ondulación también puede convertirse en un problema. No obstante, con la atenuación mediante modulación, podemos elegir un valor de 0,1 % sin problemas, siempre y cuando estos bordes en los círculos azules sean lo suficientemente pronunciados como para que podamos tener un control de encendido y apagado bien definido en el LED.
La otra ventaja de la atenuación mediante modulación es que el color del LED no cambia porque, cuando ese LED está encendido, siempre funciona con una corriente fija. Mientras que en el caso de la atenuación analógica, a medida que se atenúa, se reduce la corriente y el color del LED puede cambiar un poco.
Existen dos tipos de atenuación mediante modulación: modulación por ancho de pulsos y modulación por densidad de pulsos. La modulación por ancho de pulsos está compuesta por una frecuencia fija con un ciclo de trabajo variable para controlar el MLD de corriente. La modulación por densidad de pulsos es un poco más diferente. Existe un temporizador de encendido fijo basado en bits para el LED y, por ejemplo, es posible variar la cantidad de esos bits en un marco determinado.
Por lo tanto, ¿cuál es mejor para controlar la corriente y los LED de alta calidad?
La modulación por pulsos —como funciona a una frecuencia fija— podría tener problemas con el efecto estroboscópico y el aliasing. No obstante, en el caso de la modulación por densidad de pulsos, como la frecuencia siempre está cambiando, las condiciones son mucho mejores para generar luz LED de muy alta calidad y llevar a cabo una atenuación que sea apta para cámaras. Ahora bien, la atenuación implica mucho más que tan solo prender y apagar el LED. Cuando atenuamos un LED durante una determinada cantidad de tiempo, tenemos que atenuarlo a lo largo de una curva exponencial porque así es cómo nuestra vista percibe el brillo de un LED.
La atenuación exponencial es algo que resulta un poco complicado cuando se debe descender hacia el área de color azul de esta curva. En este punto, los pequeños cambios en la intensidad del LED son muy perceptibles para el ojo humano. Por lo tanto, debemos hacer cambios ínfimos e incluso, es mejor si podemos oscilar. De ese modo, estaríamos atenuando a lo largo de esta curva. Podemos ir y venir con mucha rapidez de un brillo a otro para que esa transición resulte más fluida y la vista no la detecte.
Además de la atenuación para iluminación de alta calidad, tenemos que poder combinar colores. Si puede controlar la corriente y atenuar un LED, puede combinar colores tan solo con agregar más LED de diferentes colores y luego, controlar su brillo de manera individual para generar el color deseado que desea ver. Sin embargo, es un poco más complicado que eso. Necesitamos incorporar algunas características adicionales. Una característica que necesitamos implementar para la iluminación de alta calidad es el cambio de color de manera fluida. Esto se conoce como desplazamiento lineal, ya que podemos cambiar de un brillo en un grupo de LED a otro brillo y, en este ejemplo en la parte inferior, puede ver el gráfico en el que el LED verde quizás tenga que cambiar un poco. El LED rojo tiene que cambiar considerablemente en cuanto a su brillo, mientras que el LED azul quizás se encuentre en un nivel intermedio. Sin embargo, queremos que todos cambien a diferentes velocidades para que todos puedan terminar con el color deseado en el mismo instante. Este es un cambio de color fluido que resulta muy agradable para la vista. Al hacer esto, se consume mucha carga de CPU porque todos los diferentes cambios se tienen que calcular en tiempo real en el microcontrolador. Sería agradable poder hacer eso en el hardware.
Lo otro que debemos hacer en la iluminación de alta calidad es poder atenuar sin cambiar el color. En muchas ocasiones, eligió un color particular de nuestros LED porque le agrada y desea poder atenuarlo, pero sin cambiar ese color. Eso significa que tiene que cambiar todos los canales que están generando ese color; es decir, todos los colores. Por ejemplo, aquí tenemos rojo, azul, verde y amarillo. Queremos atenuar los cuatro colores a lo largo de la misma curva exponencial, pero todos tienen diferentes brillos o intensidades. Por lo tanto, tenemos que atenuarlos a todos juntos y, para ello, generamos lo que se conoce como un nivel de brillo, que es el producto del nivel de atenuación que surge a partir de esta curva de atenuación, y las intensidades y el grupo de intensidades es lo que en verdad define el color. Si hacemos esta multiplicación de los tiempos de atenuado y la intensidad, obtenemos el brillo y podemos cambiarlo a lo largo de esta curva exponencial sin cambiar el color.
La familia de microcontroladores XMC 1000 de Infineon se basa en el procesador ARM Cortex M0 y está diseñada para tres tipos de aplicaciones. Control de motor para iluminación LED y suministro de energía de modo conmutado. Esta versátil familia de productos se basa en nuestro núcleo estándar de la industria, al cual le agregamos algunas características muy especiales para que pueda realizar todo esto que ya describí a fin de generar iluminación de alta calidad. Como ya vimos, el XMC 1000 puede controlar la corriente pico de los LED mediante los temporizadores y comparadores analógicos integrados en el chip.
La otra función que posee —que es realmente única en el mercado— es la unidad de control de color y brillo, que se encarga de todas las demás características que hemos estado analizando. Esta unidad de control de color y brillo se encarga de la modulación por densidad de pulsos, el desplazamiento lineal, la atenuación exponencial y la oscilación a lo largo de la atenuación exponencial en hasta nueve canales de LED. Este es un ejemplo de luces LED rojas, azules y verdes controladas mediante la BCCU, las unidades de temporizador y los comparadores analógicos. Puede ver que los módulos están hechos para funcionar juntos y llevar a cabo todas las características que hemos estado analizando.
¿Qué le queda por hacer a la CPU? La BCCU, junto con los comparadores analógicos y los temporizadores, se encargan de todas las funciones del LED sin generar cargas para la CPU. También podemos hacer otras cosas en el sistema. Podemos trabajar con comunicación. Por ejemplo, DALI y DMX son populares en iluminación. Podemos realizar otras tareas específicas de la aplicación. Tal vez, su producto tiene alguna característica única que desea ejecutar y que nadie más puede llevar a cabo. Ahora, dispone de abundante potencia de CPU para implementar sus ideas específicas de la aplicación. También es posible cambiar los componentes de CA a CC o bien, de CC a CC en su sistema de iluminación.
Existe una completa sección aparte sobre iluminación o suministros de energía para iluminación sobre la cual aún no hemos hablado, y el microcontrolador incluye muchas otras características para encargarse de ello. Además de implementar las características de iluminación y control de corriente que ya analizamos, los microcontroladores XMC pueden encargarse de la avanzada topología de conversión de energía de CA a CC o CC a CC; por ejemplo, corrección del factor de potencia (PFC) con el modo de conducción crítica o convertidores flyback cuasi resonantes. Los microcontroladores XMC incluyen un excelente conjunto de herramientas de desarrollo que le permite comenzar muy fácilmente con su diseño de iluminación. Tenemos nuestro sistema DAVE. Puede consultar XMC Lib o nuestra biblioteca para obtener información sobre los controladores de bajo nivel para todos nuestros periféricos. Puede utilizar el SDK para crear sus propias aplicaciones de DAVE.
En el sitio web, también tenemos muchos ejemplos para iluminación y otras aplicaciones. Lo positivo de tener a ARM como proveedor de la CPU dentro del microcontrolador es que disponemos de innumerables herramientas de soporte de terceros. Dado que ARM es un estándar de la industria, existen muchos recursos de terceros para compiladores, depuradores y sistemas operativos, entre otros.
También tenemos kits para mostrar las características de XMC con respecto a la iluminación de alta calidad. En nuestro sitio web, encontrará un escudo para control de la corriente pico de tres canales para Arduino que ejecuta muchas de las características que hemos analizado. También encontrará un kit de aplicación de iluminación LED que usa nuestros controladores lineales. Y dentro de algunas semanas, presentaremos un nuevo kit. Se trata del explorador de control de corriente pico XMC, que genera luz de muy alta calidad. Incluso, puedo mostrarle cómo funciona.
Aquí tenemos una demostración con dos de nuestros kits exploradores de control de corriente LED XMC. Este producto genera un nivel muy bajo de luz mediante una luz LED empotrable estándar. A simple vista, parece muy fluido y no detecto parpadeos. No obstante, cuando acerco mi cámara y observo detenidamente, se puede ver un parpadeo de líneas horizontales. Ahora, voy a conectar un segundo kit, que ha sido adaptado para generar una muy alta frecuencia para el control de corrientes intercaladas —algo que solo es posible con nuestros rápidos temporizadores y comparadores analógicos. Y como puede ver, la imagen es mucho mejor. No hay ningún parpadeo. Si desea obtener más información sobre las soluciones de iluminación LED de Infineon, visite nuestra página web Infineon.com.
Muchas gracias.
