El uso de LED como elemento de iluminación. Circuitos de aprovechamiento

Transcripción

1 Clasificación de los circuitos según la potencia en juego: Para usar un LED éste debe ser alimentado con una corriente, que causa en él una consecuente disipación de potencia, y por ello una elevación de temperatura. Según la magnitud de este valor pueden emplearse desde circuitos simples (cuando la potencia disipada es reducida) hasta complejas fuentes de alimentación cuando la potencia o el voltaje es importante. Por ello esta nota describe ambos problemas en forma separada Displays de LED múltiples de intensidad media y baja: El circuito básico de alimentación de un LED se compone de una fuente de alimentación, una resistencia limitadora de corriente, y el LED. Analizado el circuito de la Figura 1: V BAT = V LED + I LED.R Donde V LED = F(I LED ) es la curva de transferencia del LED. Un modelo más cercano a la realidad de la curva exponencial de respuesta de un LED puede lograrse (Fig.2) con un diodo ideal (con caída en directa nula), una resistencia interna RLED, y un voltaje umbral V TH (que depende del color del LED). Por ejemplo, en un diodo infrarrojo V TH puede ser algo más de un voltio, y en uno azul cerca de cuatro voltios; en cuanto a RLED, un valor típico en diodos de baja potencia, es de cerca de 10 ohms. Cuando se desea excitar más de un LED, la solución obvia es replicar el circuito previo tantas veces como LED haya que excitar. En la figura 3, si la salida A va a un voltaje positivo mayor a V TH el diodo D1 se enciende, si el voltaje es menor a V TH no circula corriente y el LED D1 no emite luz. Figura 1 Figura 2 Figura 3 Un caso típico de LED múltiple es el de un display numérico de 7 segmentos + punto, donde 8 LED son montados en un único encapsulado, de modo de representar los números 0 a 9, el punto decimal, y otras combinaciones especiales. Los displays de 7 segmentos se caracterizan por unir todos los cátodos (como en la figura, donde se dice que es un display de cátodo común), o todos los ánodos (ánodo común), por el color de los LED empleados, y por el tamaño del componentes. Para representar números y letras también pueden encontrarse displays de 14 segmentos o matrices (el caso más común es el de matrices de 35 LED organizados como 7 filas de 5 LED). Figura 4 ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 1 de 8

2 El uso de una línea de control y una resistencia por cada LED lleva a circuitos innecesariamente complejos, por lo que es usual emplear técnicas más elaboradas pero que producen soluciones más económicas. Por ejemplo, si en el caso previo del circuito con dos LED se sabe que sólo uno va a estar encendido por Figura 5 vez, puede emplearse el circuito de la figura 5. En este caso, si la salida A está a V BAT y la salida B a GND, sólo se encenderá el LED D1. En este caso, aparece una consideración importante en relación al LED D2. Como el ánodo de D1 está al voltaje V BAT, su cátodo estará al voltaje V BAT -V TH, al igual que el cátodo de D2. Pero como el ánodo de D2 está a GND, resulta que D2 queda polarizado en inversa. Es importante tener cuidado en que el voltaje ( V BAT -V TH ) no supere el voltaje de ruptura en inversa del LED, debido a que casi todos los LED suelen tener un voltaje de ruptura inversa reducido (nótese que si la salida B es dejada abierta -en alta impedancia- este problema desaparece). Multiplexado de LEDs: Cuando se desea excitar muchos LED de baja potencia lo usual es el empleo de circuitos de multiplexado. En este caso cada LED es encendido (o no) en forma pulsada, con una dada frecuencia de repetición y una relación de trabajo. La frecuencia de repetición aprovecha el efecto de persistencia de una imagen en la retina, que dice que por más que una imagen se muestre en forma pulsada, parece como permanente si la frecuencia de repetición es mayor a 30Hertz (junto a la capacidad de procesar imágenes del cerebro, este efecto produce la aparente sensación de movimiento del cine o la televisión). Cuál es la frecuencia de repetición más recomendable depende de la aplicación, si el display y el observador están quietos o se mueven, pero en general suele ser de 50Hz a unos pocos cientos de Hertz; en frecuencia mucho mayores la respuesta del ojo decae y las pérdidas eléctricas por conmutación del circuito de multiplexado aumentan. El período de repetición puede usarse para actuar sucesivamente sobre distintos LED, y en ese caso cada LED sólo dispone de una fracción del tiempo total. Esta relación de trabajo (tiempo disponible para prender o no el LED dentro del período de repetición) permite simplificar los circuitos pero a su vez plantea exigencias de sobre-excitación del LED en ese tiempo, de modo de mantener un brillo aparente adecuado. A su vez, el uso de sólo una fracción de la relación de trabajo máxima disponible, permite el control del brillo. Figura 6 El circuito de la figura 6, por ejemplo, permite controlar cuatro LED usando sólo dos resistencias y cuatro puertas de control. Si la salida A está a VBAT y la salida B GND, poniendo a GND las salidas C y D podrán encenderse D1 y D3. Si es la salida B la que está a VBAT, mediante las salidas C y D se controla a ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 2 de 8

3 los LED D2 y D4. En este caso, cada LED sólo dispone de un 50% del tiempo total para estar o no prendido, con lo que la intensidad media emitida es sólo la mitad, lo que debe ser compensado con mayor corriente de excitación. Un ejemplo habitual del uso de LED multiplexados es en los display numéricos. En el circuito de la figura 7, con ocho resistencias, tres líneas de selección de dígito y ocho líneas de selección de segmentos y punto decimal, es posible representar un número de tres cifras (21 LED) empleando sólo once líneas de control. El circuito es más simple en cuanto al uso de componentes, pero implica la necesidad de mayor corriente de excitación de los LED (cuya relación de trabajo máxima pasa a ser de 33%) y a una lógica que realice la tarea de multiplexado (ya sea una circuito dedicado o una rutina de software de un microcontrolador). Otra posible forma de multiplexado es usando diodos en oposición. Este tipo de configuración es típico en LED bicolores y se muestra en la figura 8: si la salida A está a VBAT y la salida B a GND se prende el LED D2; si la salida A está a GND y la salida B a VBAT se prende el LED D1. Y si ambas salidas están a idéntico potencial (no importa cuál) no se enciende ningún LED. Figura 7 Figura 8 En este circuito, mientras un LED está encendido el otro está polarizado en inversa, lo cual no suele generar problema, por cuanto la caída de voltaje de un LED en directa suele ser inferior al voltaje de ruptura inversa del otro LED; este caso puede ser riesgoso si en vez de sólo un LED se conecta en cada rama varios LED en serie. Multiplexado usando las salidas en modo pushpull y en tri-state: En general, las puertas de entrada/salida de los microcontroladores pueden ser configuradas como salida (en 0 o en 1 ) o como entrada (caso en que presentan alta impedancia. HiZ), y esta propiedad puede ser usada para simplificar los circuitos. En la figura 9 se muestra cómo, con sólo tres resistencias y usando tres líneas de entrada/salida A, B y C, es posible multiplexar seis diodos LED (por lo tanto, con una relación de trabajo máxima de 1/6, es decir de cerca del 17%). Figura 9 Si, por ejemplo, la salida A está a VBAT, la salida B en alta impedancia y la salida C a GND, la corriente circula por R1, D5 y R3. ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 3 de 8

4 Por R2 no puede circular corriente porque la salida B está en alta impedancia, los diodos D3, D4 y D6 están polarizados en inversa, y si bien D1 y D2 están polarizados en directa, la suma de sus voltajes de umbral duplica la del diodo D5, por lo que no se encienden. Dados los posibles caminos y sentidos de las corrientes, las resistencias R1, R2 y R3 deben ser de igual valor y ser calculadas para que regulen la corriente que circula por los LED (es decir, en cada resistencia la caída de voltaje debe ser (I LED xr = V BAT -V LED )/2). La Tabla_1 muestra las distintas combinaciones de A, B y C y los LED que se encienden en cada caso. De las 27 combinaciones posibles (tres salidas con tres valores), hay sólo 6 de utilidad para excitar de a un LED por vez. Este tipo de multiplexado suele A B C D1 D2 D3 D4 D5 D6 VBAT GND Hi-Z SI NO NO NO NO NO Hi-Z VBAT GND NO SI NO NO NO NO GND VBAT Hi-Z NO NO SI NO NO NO Hi-Z GND VBAT NO NO NO SI NO NO VBAT Hi-Z GND NO NO NO NO SI NO GND Hi-Z VBAT NO NO NO NO NO SI Tabla 1 denominarse charlieplexing, haciendo referencia a Charlie Allen, un ingeniero que propuso su uso como técnica de multiplexado. Más allá de los problemas de corriente pulsante que aparecen cuando la relación de trabajo máxima disminuye, lo valioso de este método es el uso limitado de líneas de control. Como fórmula útil, con N líneas de control y usando N resistencias, esta técnica de multiplexado permite controlar N.(N-1) diodos LED. Por ejemplo, la figura 10 muestra cómo es posible manejar hasta 12 LED usando sólo 4 líneas de control (12 = 4 x (4-1)). Si bien este circuito puede ser útil, su mayor limitación es que la relación de trabajo máxima de cada LED es de 1/12, es decir apenas un 8,3%. Manteniendo la eficiencia de uso de líneas de control, el problema de la disminución de la relación de trabajo del charlieplexing puede reducirse con el agregado de N transistores (PNP en este caso). La figura 11 muestra como es posible controlar 6 LED pudiendo prender de hasta dos por vez (con lo que la relación de trabajo máxima se duplica, de 1/6 a 1/3). Para entender la operación del circuito, tómese por ejemplo R1 y Q1: Si la salida A está a V BAT y por ello entregando corriente, la caída de voltaje en R1 polariza al transistor Q1 en inversa, con lo que permanece cortado, sin influir en el circuito. Si, en cambio, A está a Figura 10 Figura 11 ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 4 de 8

5 GND (absorbiendo corriente), al circular corriente por R1 la juntura base-emisor de Q1 queda en directa, y una vez que la caída de voltaje en R1 llega a cerca de 0,7V el transistor pasa a conducir, derivando la corriente a GND a través de su colector; por esta razón, el emisor de Q1 queda enclavado a 0,7V independientemente de la corriente que circule. Si se desean prender dos LED a la vez (por ejemplo D1 y D4) las salidas A y C se ponen a V BAT y la salida B a GND. Con ello el emisor de Q2 queda en 0,7V, y las resistencias R1 y R3 definen la corriente que circula por D1 y D4, respectivamente. En este caso, para calcular el valor de R1, R2 o R3 se debe usar: V BAT = V LED + I LED.R + 0,7V La Tabla_2 muestra las combinaciones de A, B y C y los LED que se encienden. De los 27 casos posibles (tres salidas con tres valores), ahora hay 6 útiles para prender de a un LED y tres para prender de a dos LED por vez. Las ventajas de esta solución son mayores al aumentar la cantidad de LED: en forma general, usando N salidas de control la relación de trabajo máxima queda acotada a 1/N y pueden ser prendidos entre 1 y N-1 LED a la vez. En el ejemplo de la figura 10, con sólo agregar 4 transistores la relación de trabajo máxima crece de 8,3% a 25% disminuyendo en igual proporción las corrientes de pico por los LED y del circuito en general. Soluciones de hardware (drivers) A B C D1 D2 D3 D4 D5 D6 VBAT GND Hi-Z SI NO NO NO NO NO Hi-Z VBAT GND NO SI NO NO NO NO GND VBAT Hi-Z NO NO SI NO NO NO Hi-Z GND VBAT NO NO NO SI NO NO VBAT Hi-Z GND NO NO NO NO SI NO GND Hi-Z VBAT NO NO NO NO NO SI GND VBAT VBAT NO NO SI NO NO SI VBAT VBAT GND NO SI NO NO SI NO VBAT GND VBAT SI NO NO SI NO NO Tabla 2 Para excitar displays de pocos LED es posible usar las técnicas de multiplexado y las puertas de entrada/salida de los microcontroladores. Sin embargo, hay casos en que conviene el uso de circuitos especializados: Cuando crece la cantidad de LED: es el caso de un cartel alfanumérico de muchos caracteres, por ejemplo; en este caso es necesario usar circuitos auxiliares, y existen dispositivos especializados con muchas funciones auxiliares. Cuando la potencia aumenta: en display de alta potencia es importante el uso eficiente de energía, para simplificar los problemas de sobrecalentamiento y disipación de energía. Cuando se usan LED azules o blancos: por su elevada caída de voltaje en directa. TLC5916/5917: el TLC5916 de Texas Instruments proporciona una solución simple para la excitación de hasta 8 LED con corrientes reguladas, la posibilidad de detectar LED fallados (abiertos) y sobrecalentamiento. El TLC5916/TLC5917 contiene un registro de desplazamiento de 8 bits y memorias adicionales, mediante los cuales convierten datos ingresados en forma serie a paralelo. Los datos pueden ser ingresados en forma serial mediante las líneas SDI y CLK a una velocidad de hasta 30 Megabit por segundo, lo que es de importancia en display complejos, transferidos a la ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 5 de 8

6 memoria paralela mediante la línea LE. Una línea adicional (OE) permite habilitar o no a las fuentes de corriente. Estos valores lógicos controlan 8 fuentes de corriente regulada, para excitar los LED con gran uniformidad, sin necesidad de una resistencia en serie con cada LED, y sin que esa corriente dependa de V BAT (que puede valer hasta 17V). El valor de corriente es ajustado entre 5 ma y 120 ma con una resistencia de programación Rext. Además del modo de operación normal, el TLC5916 posee un modo especial de operación (al que se ingresa combinando las líneas LE, OE y CLK) en el cual es posible: Detectar si algún LED se encuentra abierto, y copiar al shift-register el estado de los LED Ajustar en forma digital la corriente programada con Rext en 256 pasos, de 1/12 a 127/128, para ajustar con precisión de hasta 1% la dispersión entre dispositivos en Figura 12 display de muchos LED TLC5920: En casos en que se desea excitar un display multiplexado, el TLC5920 proporciona 16 fuentes de corriente simultáneas de hasta 30mA y 8 manejadores del punto común, de hasta 480mA. Con un TLC5920 es posible controlar hasta 128 LED organizados como una matriz de 16 arreglos de 8 LED con cátodo común. El ingreso del estado SI/NO de cada fuente de corriente es realizado en forma serial, y Figura 13 luego los 16 bits pueden transferirse a la vez a otra etapa de registros. Es importante notar que este dispositivo NO posee memoria interna, sino que el control de multiplexado es realizado externamente. ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 6 de 8

7 TLC5940: El TLC5940 de Texas Instruments permite controlar 16 LED por dispositivo, con una gran gama de prestaciones programables de alta performance (la figura 14 muestra un ejemplo simple, donde dos TLC5940 son usados para controlar 32 LED). Figura 14 Sus características más destacables son: Tiene una EEPROM interna para almacenar 6 bits por cada LED, para compensar las diferentes respuestas de los LED ( dot-correction ) en 64 pasos. Puede controlar la relación de trabajo de cada LED desde un 100% hasta el 0% en 4096 pasos, de modo de poder generar gamas de brillo ( grayscaling ). Programables en forma serie sincrónica a una frecuencia de hasta desde 30MHz. La corriente máxima por LED es de 120mA, con voltaje de entrada de 3.0V a 5.5V. La repetibilidad de comportamiento es de un 2,7% (típico) entre dispositivos, y de 1% entre distintos canales del mismo dispositivo. TPS60230: ha sido diseñado para aplicaciones de backlight en display LCD color mediante LED blancos, donde es importante el uso eficiente de energía y la uniformidad de excitación de varios LED; por ejemplo, en teléfonos celulares, PDAs, cámaras fotográficas y otras aplicaciones portátiles. El TPS60230 (Figura 15) es un circuito de bombeo de carga Figura 15 (charge pump) que mediante dos capacitores de 0.47 µf toma energía de una fuente de 3,1V a 6,5V y la entrega por 5 salidas en forma de corriente regulada de hasta 25mA por salida (125mA total), a ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 7 de 8

8 mayor voltaje, donde la corriente a regular es definida por una resistencia externa. Este modo de operación es muy eficiente en el uso de energía, a la vez que genera bajo ripple de corriente de entrada y con ello baja emisión electromagnética (EMI). En encapsulados muy pequeños QFN de 3x3mm y 16-pin QFN, el TPS60230 cuenta con protección de sobrecorriente, sobre calentamiento, y bajo voltaje de entrada. TPS6102x: esta familia de dispositivos proporciona una solución para equipos alimentados con bajo voltaje (de 1 a 3 baterías alcalinas, NiCd o NiMH) que requieran alta corriente de salida. Para ello usa un circuito de conmutación inductivo (boost) que mediante PWM y a frecuencia fija puede entregar hasta 1.5A en su salida (Figura 16). Figura 16 Sus características más destacables son: Eficiencia de hasta 96%, y un modo de bajo con consumo menor a 25uA Voltaje de entrada, de 0.9V a 6.5V. Voltaje de salida fijo o ajustable, según el modelo, hasta 5.5 V Comparador para detección de batería baja Circuito anti-ringing para baja emisión EMI, y protección térmica Encapsulado QFN de 3 3 mm y 10 patas TPS61041: también orientado a generar voltajes elevados como los necesarios para LED blancos, (hasta 28V). Opera en modo boost a muy alta frecuencia (hasta 1MHz), con voltajes de entrada de 1.8V a 6V, por lo que necesita partes Figura 17 (capacitores e inductor) muy pequeños. Por esta causa y gracias a su encapsulado reducido (SOT23 de 5 patas y QFN de 2x2mm) permite el desarrollo de soluciones de reducidas dimensiones. La corriente máxima del TPS61040 está limitada a 400 ma, y la del TPS61041 a 250-mA. ELKO Componentes Electrónicos G. Jaquenod Página 8 de 8