Cómo atenuar un LED sin comprometer la calidad de luz

A medida que el cambio de la iluminación tradicional a los diodos emisores de luz (LED) se acelera y un rango más amplio de soluciones llega al mercado, los consumidores se han vuelto más selectivos sobre los productos que eligen. En particular, se considera a la atenuación lineal con una amplia relación de contraste y sin variación de cromaticidad o fluctuación perceptible como la característica de un producto de calidad.

La dificultad para el diseñador es que, a diferencia de la iluminación tradicional incandescente o fluorescente, atenuar LED y mantener la calidad de luz no es simple. La atenuación analógica es posible, pero puede resultar en un cambio notorio en la cromaticidad y "temperatura" de la luz emitida.

Una técnica establecida es atenuar el LED utilizando la modulación por ancho de pulso (PWM) de la corriente directa que alimenta el LED. La premisa básica es que durante el ciclo de encendido del tren de PWM, el LED opera bajo condiciones óptimas de corriente directa/voltaje directo. Como resultado, la calidad de luz es alta y el brillo percibido es linealmente proporcional al ciclo de trabajo del tren de PWM.

El desafío para el diseñador es diseñar un circuito PWM que funcione en armonía con los convertidores de voltaje de conmutación modulares que normalmente se utilizan como fuentes de alimentación o "conductores" de LED. Sin este enfoque complementario, es muy fácil introducir problemas como la interferencia electromagnética (EMI), la relación de contraste limitada (luminosidad máxima/luminosidad mínima) y la fluctuación perceptible (que está relacionada con efectos perjudiciales para la salud).

Este artículo considera el diseño de circuitos PWM de atenuación de LED basados en la selección de conductores de LED contemporáneos y resalta los pasos de diseño necesarios para llegar a una solución que no comprometa la calidad de luz.

Los inconvenientes de la atenuación analógica

Los LED requieren una fuente de alimentación de corriente constante/voltaje constante para mantener una operación eficiente con buena calidad de luz. (La calidad de luz se ha convertido en un diferenciador clave de producto que los principales proveedores se esfuerzan mucho en promover para sus productos de gama alta. Vea el artículo: "Manufacturers Shift Attention to Light Quality to Further LED Market Share Gains" [Productores prestan atención a la calidad de luz para aumentar ganancias de cuota de mercado LED]).

Existe cierta flexibilidad en la elección del punto de operación dependiendo de la especificación del producto final. Por ejemplo, el flujo luminoso del LED es proporcional a la corriente directa, así que el diseñador podría elegir alimentar el LED a una corriente directa más alta para aumentar la luminosidad y, de esta manera, reducir el número de LED requeridos para una especificación de diseño dada. (Vea el artículo: "Lighting Design for Optimum Luminosity" [Diseño de iluminación para luminosidad óptima]).

La Figura 1 muestra la corriente directa en comparación con la característica de luminosidad de un producto de OSRAM Opto Semiconductors, el LED blanco Duris S5E. El dispositivo OSRAM está basado en tecnología comprobada y es una elección popular para aplicaciones estándar de iluminación. El LED produce 118 lm a 6.35 V/150 mA y alega tener una eficiencia de 123 lm/W a ese punto de operación. Por ejemplo, reducir la corriente directa a 100 mA atenúa la luminosidad en 30 por ciento comparado con aquella generada a 150 mA.

Figura 1: El LED blanco Duris S5E de OSRAM demuestra una relación casi lineal entre la corriente directa y la luminosidad. (Fuente: OSRAM Opto Semiconductors)

Naturalmente, los consumidores familiarizados con la atenuación para iluminación incandescente exigen capacidades similares para reemplazos LED. La más importante de estas capacidades es la atenuación de alta resolución a través de un rango amplio de luminosidad. Una manera aparentemente simple de abordar esta exigencia sería diseñar un circuito de atenuación analógica que (a través de la fuente de alimentación o "conductor" del LED) reduzca la corriente directa o el voltaje directo que alimenta al LED.

Desafortunadamente, la atenuación analógica presenta algunos inconvenientes significativos. Los principales son el impacto sobre la eficacia (alimentación de salida [dada en lm]/alimentación de entrada [W]), una relación de contraste restringida debido a un umbral mínimo de corriente directa, la complejidad de diseño añadida para controlar con precisión la corriente de salida de un conductor de LED típico sobre un rango amplio y, más oportunamente, las variaciones en la temperatura de color correlacionada (CCT) como los cambios en el voltaje directo o la corriente directa.

La CCT determina la calidez aparente del LED y es una manera clave de medir la calidad de luz. Disminuir el voltaje directo o la corriente directa tiene un efecto sutil en la longitud de onda de la luz emitida por el LED azul al centro de la mayoría de productos LED 'blancos'. Los LED modernos de brillo alto para aplicaciones de iluminación combinan un LED azul real con un fósforo granate de itrio-aluminio (YAG). Algunos de los fotones azules de LED escapan directamente del dispositivo, mientras que la mayoría se combina con el fósforo dando como resultado (principalmente) emisiones amarillas. La combinación de luz azul y amarilla es una buena aproximación a la luz blanca.

A continuación, el fabricante de LED hace cambios sutiles en el fósforo para alterar la "temperatura" de la luz blanca de tonos fríos (azulados) a matices cálidos (amarillos), lo que permite que el fabricante ofrezca opciones de color que se adapten a los gustos particulares. La CCT define cuantitativamente la temperatura de la luz LED. (Vea el artículo: "Defining the Color Characteristics of White LEDs" [Definiendo las características de color de LED blancos]).

Los fabricantes especifican la CCT de un LED a un punto de operación específico de voltaje directo/corriente directa. Los diseñadores eligen un conjunto de LED de un "contenedor" de CCT específico con la certeza de que todos los productos seleccionados de ese contenedor emitirán una CCT virtualmente idéntica. Mientras que los mercados líderes normalmente incluyen información sobre cómo la CCT varía en comparación con el voltaje directo o la corriente directa, no garantizan el desempeño de un producto específico en puntos de operación que estén más allá de los parámetros recomendados. En particular, el fabricante de LED no ofrece garantías de que dispositivos del mismo contenedor produzcan la misma CCT en ningún otro punto que no sea el punto de operación recomendado. La Figura 2 ilustra cómo las coordenadas de cromaticidad de un LED OSRAM (lo cual determina su CCT) varían con la corriente directa.

Figura 2: La cromaticidad y la CCT de un LED cambian con el voltaje directo. Estos cambios pueden detectarse con la vista a lo largo de un rango amplio de corriente directa. (Fuente:  OSRAM)

Aún peor, a pesar de que el ojo no es muy bueno para detectar los cambios sutiles de color (por ejemplo, las diferencias en la longitud de onda de fotones emitidos por LED rojos, verdes o azules puros pueden cambiar notoriamente antes de que se noten), es muy sensible a los cambio de la CCT. Como resultado, es muy posible que un consumidor note que dos dispositivos alimentados por LED del mismo contenedor varían considerablemente en color bajo un grado idéntico de atenuación analógica. (Vea el artículo: "Digital Dimming Solves LED Color Dilemma" [La atenuación digital resuelve el dilema de color LED] para obtener una explicación técnica más detallada sobre este tema).

Abordar los desafíos de la CCT con atenuación PWM

En años recientes, se ha adoptado la PWM como la técnica de atenuación preferida para iluminación LED de alta calidad. Durante el ciclo de encendido del tren de PWM, el LED se alimenta en el punto de operación recomendado de voltaje directo/corriente directa, asegurando que la CCT esté dentro de los parámetros de la ficha técnica. A continuación, el ciclo de trabajo (proporción de la duración del pulso [t_P] y el período de señal [T]) del tren de PWM determina la corriente promedio y, por lo tanto, la luminosidad percibida.

La Figura 3 muestra tres trenes de pulso diferentes, todos operando a una corriente directa constante. El ejemplo de arriba muestra una iluminación de nivel medio, el ejemplo del centro está más atenuado y el de abajo es más brillante. La Figura 4 muestra la característica lineal entre el ciclo de trabajo y el voltaje directo.

Figura 3: Variar el ciclo de trabajo del tren de pulso PWM cambia la corriente directa promedio del LED y, por lo tanto, la luminosidad (desde la parte superior: brillo medio, bajo y alto) mientras mantiene la corriente de operación especificada durante la fase de encendido. (Fuente: OSRAM) 

Figura 4: El ciclo de trabajo está relacionado linealmente con la luminosidad del LED. (Fuente: OSRAM)

Los conductores modernos de LED de los proveedores principales han sido tradicionalmente diseñados considerando la atenuación PWM. Muchos chips incorporan un pin PWM o DIM, habilitando una entrada directa desde un generador PWM para determinar el ciclo de encendido y apagado del conductor. Sin embargo, sigue valiendo la pena considerar cuidadosamente la elección de conductor del LED debido a que existen algunos factores clave que diferencian un buen diseño de atenuación digital LED de uno malo.

Una consideración clave es la frecuencia del tren de PWM (o f_DIM). El valor mínimo de f_DIM se determina por la sensibilidad del ojo a la fluctuación. Los parámetros recientes de diseño de iluminación sugieren que f_DIM debe ser mayor de 80 a 100 Hz si se desea evitar efectos sobre la salud a largo plazo. (Vea el artículo "How New Flicker Recommendations Will Influence LED Lighting Design" [Cómo las nuevas recomendaciones de fluctuación afectarán el diseño de iluminación LED]).

Pero el diseñador se está enfrentando a una especie de compensación debido a que cuanto más alta sea la frecuencia, mayor será el impacto en la relación de contraste. Esto sucede debido a que incluso el mejor conductor de LED se toma un tiempo limitado para responder a una entrada de PWM. La Figura 5 ilustra dónde ocurren estos retrasos.

Figura 5: Un conductor de LED muestra retrasos en su respuesta a una señal de atenuación PWM. Estos retrasos determinan la relación de contraste máxima del sistema de atenuación. (Fuente: Texas Instruments)

En la Figura 5, t_D representa el retraso de propagación desde el momento en que la señal PWM (V_DIM) sube hasta el momento en que la corriente directa que impulsa el LED responde. (t_SU y t_SD son el tiempo de cambio máximo y el tiempo de cambio mínimo de la corriente directa, respectivamente). Esta velocidad de respuesta limita el ciclo de trabajo mínimo y máximo (D_MIN y D_MAX) y, a su vez, la relación de contraste.

Disminuir f_DIM normalmente facilita que haya una relación de contraste más alta debido a que un conductor de LED con una velocidad de respuesta fija tiene tiempo suficiente para alcanzar la corriente directa o el voltaje directo requeridos y volver a cero incluso para ciclos de trabajo bajos porque T es relativamente largo.

(Tome en cuenta que para cualquier elección de frecuencia de atenuación PWM, es una buena idea seleccionar un conductor de LED con velocidad de respuesta limitada debido a que el tiempo de encendido de un LED es tal que puede iluminar antes de tiempo el borde delantero de la señal PWM (y, por lo tanto, a un voltaje directo o corriente directa fuera de la especificación), exponiendo al consumidor a las mismas variaciones de la CCT que están muy presentes en la atenuación analógica).

La relación de contraste (CR) normalmente se expresa como lo inverso al tiempo de encendido mínimo:

Los reguladores de voltaje de conmutación estándar para uso general no están diseñados para encenderse y apagarse de manera constante, así que los fabricantes no prestan mucha atención a la velocidad de respuesta. En muchos casos, estos reguladores incluso tienen los llamados modos de arranque y de apagado suave (para evitar picos de voltaje), lo cual prolonga la velocidad de respuesta. En cambio, los conductores de LED para aplicaciones de atenuación están diseñados con velocidades de respuesta cortas.

Los conductores de LED basados en reguladores reductores de conmutación tienen los tiempos de respuesta más cortos por dos motivos marcados. Primero, el regulador reductor entrega potencia a la salida mientras el interruptor de control está encendido, haciendo que los bucles de control sean más rápidos que las topologías elevador o reductor-elevador. Segundo, el inductor del regulador reductor está conectado a la salida durante todo el ciclo de conmutación, asegurando una corriente de salida continua y permitiendo que se elimine un capacitor de salida. Eliminar el capacitor permite que el voltaje o la corriente de salida del conductor se cambie con mucha rapidez.^[1] Elegir cuidadosamente un regulador reductor puede permitir que haya frecuencias de atenuación PWM en el rango kHz; lo que, aunque tal vez no necesario para la iluminación estándar, puede ser útil para aplicaciones tales como iluminación intermitente de alta velocidad para tareas de reconocimiento de imagen industrial.

Diseñar fuentes de alimentación de LED para atenuación PWM

Existen tres enfoques para diseñar una fuente de alimentación LED con atenuación PWM: Desarrollar un circuito desde cero utilizando componentes discretos; emparejar un controlador reductor de LED con una entrada PWM a un sistema de circuitos PWM; o reemplazar el sistema de circuitos PWM con un generador PWM dedicado.

El primer enfoque no es para los de corazón débil; pero si el presupuesto y el espacio son lo más importante, podría ser el camino a seguir. Sin embargo, aquí veremos los otros dos enfoques basados en algunos de los muchos dispositivos de gestión de potencia modulares, comprobados e integrados de un rango amplio de proveedores importantes.

Una solución simple y relativamente cómoda de atenuación PWM que integra las funciones de control de un conductor de LED, pero que permite que el diseñador tenga flexibilidad para elegir el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) externo utilizado para impulsar el LED proviene de Texas Instruments(TI). El LM3421 es un controlador MOSFET de N canales de alto voltaje para alimentación de LED. El chip puede ser configurado en topologías reductor, elevador, reductor-elevador y de convertidor de inductor primario de terminación simple (SEPIC).

Algo muy importante en este contexto es que el LM3421 incorpora un pin nDIM, que puede utilizarse para la atenuación. TI sugiere dos enfoques para la atenuación; el primero utiliza un tren de pulso PWM invertido a través de un diodo Schottky (D_DIM), y el segundo utiliza una señal PWM estándar aplicada a través de un MOSFET de atenuación (Q_DIM). El segundo enfoque es útil si la aplicación exige una frecuencia PWM alta con buena relación de contraste debido a que acelera la velocidad de respuesta del controlador del conductor de LED. La Figura 6 muestra las opciones de atenuación PWM para el LM3421.

Figura 6: TI sugiere dos técnicas de atenuación PWM para uso con su controlador del conductor de LED LM3421: utilizar un diodo Schottky o un MOSFET para aplicaciones que requieran frecuencias PWM más altas. 

Por su parte, Maxim Integrated recientemente ha presentado un conductor de LED con capacidad de atenuación integrada que no requiere componentes externos, excepto por el generador de señal PWM. El MAX16819 es un conductor reductor de LED que opera desde un rango de entrada de 4.5 V a 28 V y tiene un regulador incorporado de 5 V/10 mA. Así como con el dispositivo de TI descrito arriba, la salida DVR del chip está diseñada para alimentar un MOSFET externo que esté conectado a los LED y ayude a reducir el tiempo de respuesta.

Una característica notable del chip es su algoritmo de control histerético que, según la empresa, asegura una respuesta rápida durante la operación de atenuación PWM y habilita una frecuencia PWM de hasta 20 kHz para aplicaciones que requieran tal tasa. Los dispositivos tienen una frecuencia de conmutación de hasta 2 MHz; por lo tanto, permiten que el diseñador seleccione componentes externos compactos. La Figura 7 muestra cuán rápido la corriente directa que impulsa al LED responde a los cambios de atenuación-voltaje.

Figura 7: El MAX16819 de Maxim Integrated emplea un algoritmo de control histerético que acelera la respuesta a entradas de atenuación PWM. La figura ilustra la respuesta del sistema a un ciclo de trabajo de 50 por ciento con una corriente LED de 400 mA.

Para una solución de gama alta (pero obviamente más costosa), Linear Technology ofrece el generador PWM LED de 48 canales LT8500 . El chip puede estar acompañado de tres de los conductores de LED modo reductor de 16 canales LT3595 de la empresa para obtener una solución de iluminación atenuable PWM que puede alimentar hasta 480 LED a corrientes de hasta 50 mA.

El LT35895A es un conductor reductor de LED diseñado para impulsar 16 canales independientes de hasta diez LED cada uno. El chip integra interruptores, diodos Schottky y componentes de compensación para reducir la huella de circuito y bajar el costo de los componentes. Va desde una entrada 4.5 V a 45 V y opera a una frecuencia de conmutación de 2 MHz (permitiendo el uso de inductores y capacitores).

La atenuación es controlada por cada canal al aplicar una entrada de PWM a los 16 pines PWM individuales. El dispositivo tiene una velocidad de respuesta máxima y mínima rápida para una relación de contraste máxima de 5000:1.

El generador PWM LED LT8500 opera desde una entrada de 3 V a 5.5 V y tiene 48 canales independientes, lo cual le permite que se utilice para controlar directamente tres de los conductores del LED. Cada canal tiene un registro PWM individualmente ajustable.

El LT8500 puede ajustar el brillo para cada canal de manera independiente. Los registros PWM de 12 bits, programables a través de una interfaz simple de datos en serie, permiten 4095 escalas de brillo distintas desde 0 a 99.98 por ciento de la salida de LED máxima. La Figura 8 muestra cómo el LT8500 puede configurarse para impulsar los tres conductores reductores de LED LT3595A. Tome en cuenta que la resistencia R_SET establece la corriente del LED para todos los 16 canales en el conductor de LED respectivo.

Figura 8: El LT8500 de Linear Technology puede brindar entrada de atenuación PWM para tres conductores reductores de LED LT3595. A su vez, cada conductor puede alimentar hasta 160 LED. (Diagrama diseñado utilizando Scheme-it, de DigiKey, basado en una imagen original cortesía de Linear Technology).