I microcontroller XMC basati su SMC di Infineon consentono di creare un'illuminazione LED di alta qualità attenuabile fino allo 0,1% e forniscono un'attenuazione esponenziale, una miscelazione omogena di colori e nessuno sfarfallio percepibile.
Salve, sono Mike Copeland, un responsabile delle applicazioni di microcontroller industriali di Infineon Technologies. Parliamo ora di illuminazione LED di alta qualità e di come produrla con i microcontrollori basati su XMC di Infineon.
Quando si parla di illuminazione di alta qualità, intendiamo che la luce deve essere ridotta fino allo 0,1% della sua massima luminosità. Deve avere un'attenuazione esponenziale e una miscelazione di colori omogenee. Allo stesso tempo, non si deve percepire alcuno sfarfallio. Lo sfarfallio non deve essere percepibile ai vostri occhi, né al cervello né a una fotocamera.
Innanzitutto, dobbiamo controllare la corrente che passa attraverso il LED e ci sono numerosi modi per farlo utilizzando i controller di corrente LED esterni. Esistono dei controller lineari come i nostri BCR320U e BCR403. Questi agiscono in modo molto simile ai regolatori di tensione lineari ed è possibile controllare la quantità di corrente che passa attraverso i LED variando il valore di questi resistori di rilevamento della corrente fissi o dei set point. Sono disponibili anche dei controller di corrente LED a modalità di commutazione, come il nostro ILD6150, e con questi il principio è leggermente differente. Assomigliano molto ai regolatori di tensione a modalità di commutazione. La corrente ondeggia verso l'alto e verso il basso ed è controllata da un induttore esterno; è possibile controllare il set point tramite un ingresso analogico o un resistore di rilevamento.
I piccoli cerchi con una nuvola nel sinusoide indicano che questo schema è simulabile sul nostro sito Web, quindi potete accedere a Infineon.com, trovare lo schema e vedere una simulazione analogica completa del circuito. Ora possiamo anche effettuare un controllo della corrente a modalità di commutazione con il microcontroller XMC.
Ecco un esempio con il XMC 1302 dove sono utilizzati il comparatore analogico e i timer interni. I timer e i comparatori lavorano insieme per effettuare un controllo della corrente di picco con un tempo di spegnimento fisso. Possiamo regolare il tempo di spegnimento in base alle caratteristiche del circuito, alla tensione in entrata, alla dimensione dell'induttore e alle cadute di tensione diretta del LED. Ecco alcuni dettagli su come funzionerà.
Quando la corrente nel LED raggiunge il suo picco, potrete vedere le corse compiute dal comparatore, i reset del timer e il MOSFET che viene spento per un periodo di tempo stabilito. Trascorso questo periodo di tempo, si riaccende e il processo si ripete. La frequenza è in realtà controllata in modo analogico e questa operazione è facile da eseguire e non richiede alcun carico della CPU.
Ora, per attenuare un LED, possiamo eseguire un'attenuazione analogica o a modulazione. L'attenuazione analogica significa semplicemente controllare il set point dei nostri controlli di corrente, in modo che il set point possa essere regolato tramite un ingresso analogico sull'IC del driver, ad esempio, e lo spostiamo verso l'alto e verso il basso con la conseguenza variazione della luminosità del LED. In alternativa possiamo eseguire un'attenuazione di modulazione, ovvero accendiamo e spegniamo il LED velocemente. La quantità di luce che percepiamo è equivalente alla media temporale delle correnti che passano attraverso il LED.
Dunque la soluzione migliore è l'attenuazione analogica o quella a modulazione per un'illuminazione di alta qualità?
L'attenuazione analogica presenta alcuni problemi quando si tenta di ridurla fino allo 0,1%. Questi problemi sono dovuti alle tolleranze nei componenti analogici e con gli alimentatori a modalità di commutazione spesso anche l'ondulazione può diventare un problema. Con l'attenuazione a modulazione, invece, possiamo facilmente scegliere lo 0,1%, dal momento che questi bordi nei cerchi blu sono abbastanza ripidi da poter avere un controllo netto sull'accensione e lo spegnimento del LED.
L'altro vantaggio dell'attenuazione a modulazione è che il colore del LED non cambia perché quando è acceso si trova sempre su una corrente fissa. Invece con l'attenuazione analogica, mentre si varia la luminosità, la corrente viene ridotta e il colore del LED cambia leggermente.
Esistono due tipi di attenuazione a modulazione: la modulazione ad ampiezza di impulso e la modulazione a densità di impulso. La modulazione ad ampiezza di impulso è una frequenza fissa con un ciclo di servizio variabile per controllare il MLD della corrente. La modulazione a densità di impulso è leggermente differente. Esiste un timer fisso su un bit per il LED e tale valore può essere modificato, ad esempio, entro un determinato intervallo.
Dunque qual è la soluzione migliore per controllare la corrente e i LED di elevata qualità?
L'impulso a modulazione, poiché funziona a una frequenza fissa, potrebbe avere dei problemi con lo stroboscopio e l'aliasing. La modulazione a densità di impulso, poiché la frequenza varia di continuo, è migliore per produrre una luce LED di qualità molto elevata e per creare l'attenuazione adatta alla fotocamera. Ma l'attenuazione va ben oltre il semplice accendere e spegnere il LED. Quando attenuiamo un LED per un determinato periodo di tempo, dobbiamo farlo seguendo una curva esponenziale poiché questo è il modo in cui i nostri occhi percepiscono la luminosità di un LED.
L'attenuazione esponenziale è abbastanza complicata quando si scende nell'area blu di questa curva. In questa posizione, le piccole variazioni nell'intensità del LED sono molto percepibili all'occhio umano. Dobbiamo pertanto apportare tali variazioni in modo molto delicato ed è ancora meglio se possiamo applicare il dithering. Ecco perché stiamo variando l'intensità verso il basso lungo questa curva. Possiamo tornare indietro e andare avanti molto rapidamente da una luminosità a un'altra per rendere tale transizione omogena in modo che non sia rilevata.
Oltre all'attenuazione per un'illuminazione di alta qualità, dobbiamo poter creare una miscelazione di colori. Se è possibile controllare la corrente e attenuare un LED, è anche possibile creare una miscelazione di colori aggiungendo altri LED di colori diversi e controllandone la luminosità singolarmente per produrre il colore desiderato. Ciò è un po' più complicato però. Dobbiamo aggiungere qualche altra funzionalità. Una funzionalità necessaria per ottenere un'illuminazione di alta qualità è quella di avere una variazione di colore uniforme, denominata "percorso lineare", dove possiamo cambiare la luminosità di un gruppo di LED in un'altra luminosità. In questo esempio in basso potete vedere un grafico in cui il LED verde potrebbe richiedere una piccola variazione. Il LED rosso deve cambiare molto in termini di luminosità e quello blu si trova probabilmente nel mezzo; noi vogliamo che tutti i LED cambino a velocità diverse in modo da arrivare tutti al colore desiderato nello stesso momento. Questa variazione di colore uniforme è molto piacevole da vedere. Ma può richiedere un enorme carico della CPU perché dobbiamo calcolare le diverse variazioni in tutti gli elementi in tempo reale nel microcontroller. Sarebbe bello se si potesse fare direttamente nell'hardware.
L'altra cosa che dobbiamo fare per ottenere un'illuminazione di alta qualità consiste nell'eseguire l'attenuazione senza cambiare il colore. Molte volte può accadere che ci sia un determinato colore su un nostro LED che vi piace e che desiderate attenuarlo senza cambiarlo. Ciò significa che dovete cambiare tutti i canali che producono quel colore, tutti i colori. Ad esempio, questo è il rosso, il blu, il verde e l'ambra. Noi vogliamo attenuare tutti e quattro questi colori lunga la stessa curva esponenziale ma essi hanno tutti una luminosità o un'intensità differente pertanto dobbiamo attenuarli tutti insieme. E per farlo produciamo ciò che chiamiamo un livello di luminosità che è il prodotto del livello di attenuazione proveniente da questa curva di attenuazione e le intensità e il gruppo delle intensità è ciò che definisce realmente il colore. Se moltiplichiamo i tempi di attenuazione e l'intensità, otteniamo la luminosità che possiamo cambiare lungo questa curva esponenziale senza cambiare il colore.
La famiglia di microcontrollori XMC 1000 di Infineon è basata su ARM Cortex M0 ed è specificatamente progettata per tre tipi di applicazioni. Controllo del motore dell'illuminazione LED e alimentazione a modalità di commutazione. Questa famiglia di prodotti è basata sul nostro standard di settore a cui aggiungiamo alcune funzionalità molto speciali per fare tutto ciò di cui abbiamo già parlato per produrre un'illuminazione di alta qualità. Il XMC 1000 può effettuare un controllo della corrente di picco dei LED, come abbiamo già visto, utilizzando comparatori analogici e timer su chip.
Un altro vantaggio è che unico sul mercato ed è l'unità di controllo di luminosità e colore che gestisce tutte le altre funzionalità di cui stiamo parlando. L'unità di controllo di luminosità e colore esegue la modulazione a densità di impulso, un percorso lineare e un'attenuazione esponenziale, esegue il dithering insieme all'attenuazione esponenziale e tutto questo per i nove canali dei LED. Ecco un esempio di spia LED rossa, blu e verde controllata con il BCCU, le unità del timer e i comparatori analogici. Potete vedere i moduli, tutti creati per lavorare insieme e consentire tutte le funzionalità di cui abbiamo parlato.
Cosa resta da fare quindi alla CPU? Il BCCU, i comparatori analogici e i timer si occupano di tutte le funzioni del LED, senza alcun carico della CPU. Possiamo quindi svolgere altre operazioni nel sistema. Possiamo fare comunicazione, ad esempio, DALI e DMX sono noti nel settore dell'illuminazione. Possiamo svolgere altri compiti specifici. Il vostro prodotto ha probabilmente qualcosa di unico che voi desiderate fare e che nessun altro può fare e ora avete tantissima potenza della CPU per implementare le vostre idee specifiche per le applicazioni. Possiamo anche realizzare componenti da CA a CC e/o da CC a CC per il vostro sistema di illuminazione.
C'è anche un'altra intera sezione relativa all'illuminazione o all'alimentazione dell'illuminazione di cui non abbiamo ancora parlato e il microcontroller dispone di numerose altre caratteristiche a tal fine. Oltre al controllo della corrente e alle funzionalità di illuminazione, di cui abbiamo parlato, i microcontroller XMC possono creare una topologia di conversione di alimentazione avanzata da CA a CC e da CC a CC, come il "Flyback QR" e la modalità di conduzione critica PFC. I microcontroller XMC dispongono di un'ampia suite di strumenti di sviluppo che rendono più facile l'avvio di un progetto di illuminazione. Noi abbiamo il nostro sistema Dave. Abbiamo anche XMC Lib o la nostra libreria, con driver a basso livello per tutte le nostre periferiche. Potete sviluppare le vostre app Dave utilizzando l'SDK.
Abbiamo anche numerosi esempi sul Web per l'Illuminazione e per altre applicazioni. Il vantaggio di avere ARM come fornitore della CPU all'interno del microcontroller è che abbiamo un'enorme quantità di strumenti di supporto di terze parti. Con ARM come standard di settore, ci sono tantissimi fornitori di terze parti disponibili per compilatori, debugger e sistemi operativi. Basta scegliere.
Inoltre, abbiamo dei kit per mostrare le funzionalità XMC per ottenere un'illuminazione di alta qualità. Nel nostro sito Web vedrete uno schermo di controllo della corrente di picco a tre canali per Arduino che presenta molte delle funzionalità di cui abbiamo parlato. È disponibile anche un kit di applicazione per illuminazione LED che utilizza i nostri driver lineari. E in poche settimane sarà disponibile anche un nuovo kit. Questo explorer per il controllo della corrente di picco XMC produce luce di qualità molto elevata. Posso anche darvi una dimostrazione di come funziona.
Ecco una demo in cui si utilizzano due dei nostri... kit di explorer XMC per il controllo della corrente LED. Questo produce un'intensità luminosa molto bassa tramite una luce LED standard di tipo pallet. Ai miei occhi sembra uniforme e non rilevo alcuno sfarfallio. Tuttavia, se guardo attraverso una fotocamera, si possono vedere le linee orizzontali dello sfarfallio. Ora utilizzerò un secondo kit che è stato regolato per produrre una frequenza molto elevata di controllo della corrente emessa. Ciò è possibile solo grazie ai nostri comparatori analogici e timer veloci. Potrete vedere un'immagine di gran lunga migliore. Senza alcun sfarfallio. Per ulteriori informazioni sulle soluzioni d'illuminazione LED di Infineon, visitate la nostra pagina Web Infineon.com.
Grazie mille.
