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Aug 11, 2023

Controla tu LED

En un artículo anterior, hablé de los LED en general y sus propiedades. En esto

En un artículo anterior, hablé de los LED en general y sus propiedades. En este artículo, quiero dar algunos ejemplos de conducción de LED y comparar algunos de los métodos más utilizados. No hay "talla única", pero intentaré generalizar tanto como sea posible. La idea es poder controlar efectivamente el brillo de los LED y prolongar su vida mientras lo hace. Un conductor eficiente puede marcar la diferencia si planea implementarlos a largo plazo. Echemos un vistazo al problema y luego discutamos las soluciones.

La mayoría de los novatos estarán interesados ​​en hacer que un LED brille sin explotarlo. Un poco más adelante en la línea, todo se reduce al control de brillo y luego a la mezcla de colores para producir cualquier tono del selector de color. En cualquier caso, es esencial tener una comprensión clara de la aplicación final. Una aplicación de iluminación, como la luz de un banco de trabajo, rara vez requerirá un control de luz ambiental romántico. Por el contrario, una luz de discoteca requerirá intensidades fluctuantes de LED de varios colores.

Entonces, ¿cómo se percibe el brillo? Lógicamente hablando, cuando tienes dos lámparas LEDs de 100 lúmenes cada una, el resultado debería ser el doble de brillo. En realidad, los ojos humanos son logarítmicamente sensibles al cambio de intensidad, lo que significa que duplicar la intensidad se percibirá como un pequeño cambio.

La percepción de la intensidad de la luz sigue la ley de potencia de Stevens con un exponente que depende de la cantidad de su campo de visión ocupado por la luz. Para un punto de 5 grados, el exponente es de aproximadamente 0,33, pero para una fuente puntual, es de aproximadamente 0,5. Esto significa que para un punto de 5 grados, la fuente debe aumentar en un factor de 8 para parecer el doble de brillante y una fuente puntual debe aumentar en un factor de 4 para parecer el doble de brillante.

Comencemos con un simple LED SMD de 1 W como el disponible en Adafruit. Este tiene una potencia nominal de 90 lúmenes y viene con una PCB de aluminio como disipador de calor. Aquí hay un vistazo rápido a algunos de los parámetros del LED.

La hoja de datos tiene información bastante importante que comienza con la corriente directa (continua) y la corriente directa máxima. Los valores son 350 mA y 500 mA respectivamente y no deben excederse.

Se utilizan dos piezas de información más importantes que se representan como gráficos. El primero es el gráfico de tensión y corriente directa que muestra que una tensión de alrededor de 1,8 V es suficiente para polarizar el LED. La corriente aumenta óhmicamente después de eso y alrededor de 3 V, se informa que consume alrededor de 200 mA. La segunda curva es el LI relativo frente a la corriente directa que muestra que la corriente controla la cantidad de salida de luz (la línea recta que se extiende hasta la marca "4").

Dado que el LED sigue la Ley de Ohm, la corriente debe ser directamente proporcional al voltaje y, por lo tanto, podemos variar el voltaje para controlar el brillo. Bueno, solo hay un pequeño problema: la curva de la corriente directa es tan pronunciada que un pequeño incremento en el voltaje tendrá un cambio mayor en la corriente. El brillo será diferente si conecta una pila de moneda en lugar de dos pilas alcalinas. Ambos tienen una diferencia de potencial de 3 V, pero la cantidad de corriente suministrada por cualquiera es diferente y, en consecuencia, el brillo es diferente. En lugar de controlar el voltaje, es mejor controlar directamente la corriente que pasa a través del LED.

Lo más fácil es agregar un potenciómetro en serie con el LED. ¡Simple! Esencialmente, cuando varías la resistencia, ¡la Ley de Ohm se activa y listo! Resistencia variable es igual a corriente variable es igual a brillo variable.

Aquí hay una simulación de un LED con una resistencia variable que varía de 100 ohmios a 1 kilohm. El único problema es que si la resistencia del LED cambia o el voltaje fluctúa, el resultado puede ser devastador. Este es esencialmente un control de bucle abierto y no hay retroalimentación del circuito al usuario, aparte de la variación del brillo.

Por supuesto, también está la cuestión de la eficiencia, ya que el potenciómetro también disipará potencia.

Lo siguiente más fácil es crear un circuito de corriente constante. Hay varias formas de crear una fuente de corriente constante simple y recomiendo leer el libro "El arte de la electrónica" para obtener una explicación detallada de la misma. Como era de esperar, también hay un artículo de Wikipedia sobre el tema.

Podría usar un regulador de voltaje variable LM317 clásico para proporcionar una pequeña corriente constante. No es muy eficiente ya que hay mucho calor disipado en la resistencia de ajuste a corrientes más altas.

El mejor método es usar un circuito de circuito cerrado que proporcione retroalimentación analógica para inhibir las corrientes excesivas y compensar las variaciones en la carga. El circuito que se muestra es un limitador de corriente simple y se recomienda ya que ofrece una mayor eficiencia que otros circuitos de transistores.

Funciona para limitar la corriente a través de R_sense de modo que la caída no supere los 0,6 V. Si eso sucede, Q2 se enciende y Q1 se apaga, lo que limita la corriente a través de R_load, que en nuestro caso será un LED. Ajustando R_sense usando la Ley de Ohm podemos ajustar la corriente máxima a través de nuestro LED.

Personalmente, prefiero el circuito anterior con Q1 reemplazado por un MOSFET; sin embargo, en los casos en los que queremos controlar el brillo digitalmente, el siguiente método encajaría mucho mejor.

El siguiente circuito implica el uso de un conjunto de pulsos para encender y apagar la corriente a través del LED. Es como accionar el interruptor de encendido lo suficientemente rápido como para parecer que la luz se atenúa. Comúnmente conocido como PWM o modulación de ancho de pulso, se puede emplear una serie de pulsos con ciclos de trabajo variables o tiempos de encendido y apagado para la tarea.

Bajo este tema, hay dos partes a discutir. La primera es la fuente de conmutación que puede ser un simple oscilador o un microcontrolador. El segundo es el propio interruptor, que será la etapa impulsora de este diseño. Echemos un vistazo a ambos en breve.

Para generar los pulsos, el humilde 555 es una buena opción. El circuito muestra un circuito PWM simple con T1 como elemento de conmutación.

Para generar los pulsos, el humilde 555 es una buena opción. El siguiente circuito muestra un circuito PWM simple con T1 como elemento de conmutación.

En este punto, tenemos una serie de opciones y preguntas que responder.

1. ¿Cuál es la frecuencia correcta para el PWM?

2. ¿Cómo sé la cantidad de corriente que se suministra y

3. ¿Cómo afecta todo esto al brillo?

La frecuencia del PWM afecta al parpadeo percibido. Un ejemplo simple es cuando graba video digital si usa NTSC en un entorno de iluminación de 60 Hz, su cámara captará mucho parpadeo y cambiar a PAL será de gran ayuda. Para PAL es de 50 Hz, así que pruébelo ahora mismo con su cámara web y vea el efecto.

La idea es que las frecuencias de conmutación más altas son mejores, pero no puede ir arbitrariamente alto. Recuerde, todos los LED tienen un tiempo de encendido que se requiere para que se encienda y comience a brillar. Si cambia demasiado rápido, el LED simplemente no se encenderá. Otra consecuencia es que la frecuencia tiene un efecto sobre la eficiencia del elemento de conmutación y lo abordaremos en un momento. En este momento necesitamos averiguar la mejor frecuencia para nuestro LED. Desplácese hacia atrás y consulte la última entrada en el fragmento de la hoja de datos.

Dice 1 KHz que es lo que recomienda el fabricante y en la mayoría de los casos esta información se facilitará en la propia ficha técnica. Si no, entonces cualquier cosa por encima de 500 Hz debería ser utilizable. Consulte este enlace para ver una aplicación sobre atenuación de LED.

Dado que esta técnica permite un control digital sobre la corriente, es decir, el brillo, el siguiente paso sería encontrar una forma de controlar el brillo. Recuerde, el LI es directamente proporcional a la corriente, pero el brillo percibido es logarítmico. Necesitamos traducir la entrada de paso lineal en una variación de corriente logarítmica.

Cuando se usan microcontroladores o incluso FPGA, la respuesta es muy simple: ¡tablas de búsqueda! Tenga una lista de ciclos de trabajo de PWM que correspondan a una secuencia de valores de brillo percibidos. Un gran ejemplo que debo mencionar es aquí, donde el diseñador usa un FPGA para crear un LUT de registro para generar un PLI lineal a partir de las entradas del usuario. La misma tabla de búsqueda se puede usar con un Arduino y le recomiendo que lo intente.

Nota personal: cuando aparecieron inicialmente los LED, uno de los problemas que enfrentamos fue que los controladores de LED que venían con las lámparas fallaban. Inicialmente diseñé un pequeño circuito para limitar la corriente junto con un termistor para apagar el LED si el elemento de conmutación se sobrecalentaba. Eventualmente, comenzaron a surgir soluciones dedicadas que veremos en las secciones siguientes.

El segundo elemento del menú es el elemento de conmutación real. Puede usar un BJT o un FET o un MOSFET dependiendo de su presupuesto y estado de ánimo. Los BJT son criaturas más simples y requieren muy pocos componentes adicionales. Un 2N2222 puede manejar con seguridad 800 mA de corriente, lo cual es bueno para muchas aplicaciones.

Los MOSFET, por otro lado, son más exigentes en términos de componentes y requieren un poco de cuidado para implementarse. A cambio, ofrecen una resistencia ON mucho menor del orden de miliohmios y una mayor eficiencia. Echemos un vistazo a ambos.

Aquí está el circuito de controlador de LED BJT más simple. Consiste en un transistor conectado en configuración de emisor común. El transistor se enciende cuando el interruptor de entrada está cerrado, lo que permite que la corriente fluya desde el LED hasta el terminal de tierra. La resistencia se calcula como

r0 = (Va+Vce) / Ic donde Va es la tensión inicial.

Esto no es constante y varía con el punto de operación del transistor y en condiciones de saturación es del orden de unos pocos ohmios. La disipación de energía es insignificante para unos pocos miliamperios, pero rápidamente se convierte en un problema para consumos de corriente más grandes.

Los remito a una publicación de video de [Dave Jones] del EEVBlog donde usa un BD136 y un 555 para variar el brillo de los LED en un equipo. Esto funciona para cargas con vatajes más bajos, sin embargo, si está buscando manejar LED más grandes, espere agregar algunos disipadores de calor bastante fuertes.

Un MOSFET tiene una resistencia de encendido muy baja del orden de unos pocos miliohmios, lo que significa que en tal estado disipará cantidades muy pequeñas de calor según P = I2R.

Dado que estos son dispositivos impulsados ​​por voltaje y tienen impedancias de entrada muy altas, podemos conectar en paralelo varios de ellos de manera segura. Desafortunadamente, estos también son susceptibles a eventos de encendido falso, por lo tanto, para aplicaciones de conmutación, los circuitos deben diseñarse cuidadosamente. Una explicación más detallada está disponible aquí para los interesados, sin embargo, para este escrito, continuaremos con un caso general.

Recientemente compré dos paneles LED sin marca en una ferretería local. El vendedor me dijo que debo conectarlos a una fuente de 12 V y funcionarán. Cuando los encadené y los conecté a una fuente de alimentación de banco, descubrí que a 12 voltios, ¡pueden consumir hasta 2,7 amperios! El brillo es aterrador a corta distancia y necesito controlar su brillo.

El siguiente paso es descubrir el MOSFET que mejor se adapte. Teniendo en cuenta los sobreimpulsos durante la conmutación, me gustaría optar por un dispositivo de voltaje de fuente de drenaje de 20 V o incluso de 30 V para estar seguro. En cuanto a la corriente, si tengo la intención de pasar alrededor de 5 amperios de corrientes máximas, ¡una Res (ENCENDIDA) de 0,1 ohmios significaría 2,5 vatios! En tal caso, el costo de mi disipador de calor afectaría en gran medida mi producto final. En su lugar, me gustaría algo con una fracción de la resistencia de encendido, como 0,01 ohmios o menos, especialmente para dispositivos SMD.

A continuación, tengo la intención de cambiar el MOSFET con un 555 o un Arduino. Esto se traduce en 5 V Vgs, por lo que se prefieren los MOSFET de nivel lógico; aunque conduciré los LED con un suministro de 12 voltios, por lo tanto, podría usar un transistor o un controlador MOSFET dedicado. Sin él, la resistencia efectiva sería mayor, pero vale la pena intentarlo.

También tengo la tentación de mirar el PH2520U y el ahora obsoleto MTP3055VL, que es un MOSFET de nivel lógico. El MTP3055VL tiene una resistencia de encendido relativamente alta y se puede encender con 5,0 voltios a expensas de 0,18 ohmios y mucha potencia disipada.

El IRF530, IRF540, IRFZ44N y AO3400A son buenas opciones ya que tengo un par de ellos en stock. Usando un IRFZ44N, hice un controlador LED simple y usé un Arduino Uno directamente. Recuerde que los pines de Arduino suben a 5V y usé el ejemplo de desvanecimiento que genera PWM de forma inmediata. La frecuencia de la señal PWM es de 490 Hz, que es bastante decente.

El resultado es una atenuación efectiva del panel. Sin embargo, al observar más de cerca la forma de onda, vemos que la salida tiene un tiempo de subida significativo con un solo panel LED.

Esto se debe a los parásitos capacitivos, así como a una unidad de corriente débil, y se puede remediar agregando una etapa de controlador de transistor. Este informe de aplicación de TI (PDF) documenta bastante bien los circuitos del controlador de puerta con referencia a un controlador de tótem bipolar no inversor que ha sido estudiado en detalle por [Joost Yervante Damad]. Dado que nuestra frecuencia de conmutación está en el rango inferior, estas pérdidas de conmutación son insignificantes. Si tuviéramos que cambiar en el rango de kHz o MHz, estos parásitos serían rápidamente la muerte de nuestro prototipo.

En mi caso, procedí sin etapa de conducción, pero luego modifiqué el código para un ciclo de trabajo del 75 % y medí el consumo de corriente con un valor variable de PWM. Resulta que absorbe un poco menos de 1 A de corriente máxima. El MOSFET no se calentó en la medida en que requeriría un disipador de calor, por lo que el circuito también se puede usar tal cual para este panel LED. Puedo proceder a hacer un PCB para mi pequeña lámpara, sin embargo, hay una opción más que me gustaría ver.

Los chips de controlador de LED dedicados le permiten controlar los LED de manera efectiva sin tener que pensar en todos los parámetros. Un buen ejemplo es el TPS92512 que permite el control de LED de alto brillo mediante PWM que se controla internamente. El control de corriente se implementa internamente y las señales externas que incluyen PWM, así como las señales analógicas, se pueden usar para controlar el brillo de forma lineal. No hay necesidad de tablas de búsqueda.

Conecté una placa de prueba con el mismo panel LED de modo que el brillo se controle con el pin IADJ. Se usó un preajuste simple para variar el voltaje entre 0,8 y 1,8 voltios en el pin deseado. La salida es un voltaje variable limpio y eficiente que se filtra mediante una tapa de etapa de salida.

La frecuencia PWM es de alrededor de 580 kHz cuando se prueba entre el inductor. Sin embargo, no pude ver ninguna oscilación en los pines LED de salida, lo que significa que la etapa del filtro hace el trabajo de manera efectiva. Creé una versión DIY de la PCB en Autodesk Eagle (GitHub) que puedes descargar para hacer la tuya.

Hay un poco de OSHPark púrpura allí y espero poder soldarlo yo mismo. Mirando el tamaño de los pines, debería ser un ejercicio divertido. Avísame si haces uno tú mismo.

Entonces, ¿cómo se conduce un LED? La respuesta está en su área de aplicación. Para pequeños consumos de corriente de LED, los BJT son más simples y menos costosos. Para consumos de corriente media, los MOSFET se adaptan mejor y si desea soluciones que ofrezcan excelentes experiencias listas para usar, los chips de controladores dedicados son el camino a seguir. En cuanto a mí, tengo una lámpara por terminar que usará el camino del medio ya que funcionó en mis pruebas. Si alguna vez llego al punto en que veo parpadeo en mis videos, entonces la solución TPS92512 será muy útil. Estoy seguro de que tiene una solución propia y la mejor manera de compartirla sería un proyecto en Hackaday.io. Anímate, haz una pequeña lámpara con una luz tan blanca como la nieve y comparte con nosotros tu historia.