Ingenieros y diseñadores de iluminación vienen comprobando desde hace algún tiempo que la adopción de los LED como fuente de iluminación principal para aplicaciones de iluminación en general está a la vuelta de la esquina. Los consumidores también empiezan a ser conscientes de esta transición tras la disponibilidad comercial de las primeras lámparas LED para uso doméstico.

Las expectativas son elevadas; una vez persuadidos, y posteriormente obligados por la legislación, a abandonar las lámparas incandescentes a favor de productos de mayor eficiencia, la experiencia de los usuarios con las lámparas fluorescentes compactas ha sido en muchas ocasiones poco satisfactoria. Ahora, el mensaje para esos consumidores es que los LED proporcionarán una vida operativa más prolongada, durabilidad y eficiencia, junto con unas agradables prestaciones espectrales.

La iluminación de tipo general – el suministro de iluminación ambiental para hogares, oficinas y espacios públicos – está, de hecho, algo retrasada respecto al ritmo de adopción de los LED en un amplio abanico de aplicaciones. Algunos ejemplos son la iluminación en los automóviles para luces de freno, luces de posición y, a punto de aparecer ya, faros delanteros; iluminación en color para arquitectura; iluminación industrial, para el exterior y para calles; señales de tráfico y ferroviarias; y retroiluminación para pantallas LCD en televisores y monitores. En algunas de estas aplicaciones, la eficiencia es fundamental, de lejos la razón de más peso para adoptar la tecnología LED. En otras aplicaciones, la principal razón para su adopción reside en la flexibilidad que ofrece a los diseñadores para ajustar la iluminación cuando no han de proporcionar un acceso para la sustitución de lámparas con una vida limitada. En otros casos puede ser el grado de control sobre la luz, en cuanto al tono y a la intensidad, lo que atrae a los ingenieros de iluminación.

Del mismo modo que la CCFL cambió la noción de fuente de luz, pasando de un dispositivo que sencillamente se conectaba a una fuente de alimentación a uno que necesitaba su propia electrónica de control, la llegada de los LED implica la incorporación de un controlador y, en muchos casos, una circuitería de control. Los LED requieren un control de corriente constante. Si bien un regulador de tensión lineal configurado como fuente de corriente constante puede ser aceptable para aplicaciones de baja intensidad, todo diseño que necesite generar una potente luz y una elevada eficiencia requiere una fuente de alimentación conmutada. Existe toda una variedad de topologías de fuentes de alimentación de uso común y que resultan útiles para controlar LED, como reductora (buck), elevadora (boost), bomba de carga, SEPIC, reductora-elevadora (buck-boost) y de retroceso (flyback), cada una de ellas con sus propias ventajas en diferentes configuraciones de circuitos. Muchos suministradores, como Microchip Technology, ofrecen CI controladores dedicados: un microcontrolador puede añadir inteligencia a una aplicación cuando se combina con un CI controlador, o bien el microcontrolador puede integrar la función de controlador del LED, generando la temporización y las formas de onda de control.

En una aplicación como la iluminación para arquitectura, resulta evidente la aportación del microcontrolador para un ajuste preciso de niveles para el control de los LED de diferentes colores. Quizás menos obvio sea el problema que conlleva gestionar la generación de luz blanca, donde un microcontrolador no sólo añade inteligencia, sino que es fundamental.
Los LED blancos de fuente única son, de hecho, emisores de luz azul en los que alguno de los emisores azules se utiliza para alimentar una mezcla de fósforos que emite luz en una escala de colores entre rojo y verde para lograr una luz blanca. Algunos LED blancos no pueden lograr un elevado Índice de Reproducción del Color (CRI, Colour Rendering Index), que mide la capacidad de la fuente de luz para reproducir fielmente todos los colores. Los sistemas con una mejor calidad de luz blanca se pueden obtener al mezclar la luz de de dos o más LED de colores. La luz generada por cada fuente de color sufre una deriva con el envejecimiento y la temperatura. Esto puede corregirse en la luz total generada – un color específico o la Temperatura de Color Correlacionada, CCT - Correlated Colour Temperature – que se mantiene constante mediante un lazo de realimentación mediante un sensor de luz y un pequeño microcontrolador.

El mercado dispone de diversos sensores de luz pequeños y económicos. Esta oferta incluye generalmente filtros de color seleccionables – rojo, verde, azul o ninguno (blanco) – y un sensor del nivel de luz. El sensor de luz puede suministrar datos sobre el nivel de intensidad al microcontrolador de varias formas. Sensores de luz a tensión envían los niveles de tensión a un convertidor A/D. Los sensores de luz a frecuencia suministran una salida de frecuencia variable, donde la frecuencia es proporcional a la cantidad de luz. La salida de pulso procedente de estos sensores puede acumularse en el temporizador de un microcontrolador para determinar el nivel de luz. Los sensores de luz a digital suelen incorporar un interface digital serie, como I2C™. Cada tipo de interface de sensor presenta ventajas exclusivas y necesita recursos diferentes del microcontrolador (Figura 1).
En un sistema completo de control del color con lazo cerrado, el microcontrolador debe leer los componentes del color procedentes del sensor de luz, calibrar la salida del sensor de luz y ajustar la salida de los controladores de LED individuales para lograr el color deseado. La elección de la técnica de controlador dependerá de factores tales como los requisitos de eficiencia, el rango de la tensión de entrada y el número de LED utilizados.

Pueden emplearse diferentes métodos para controlar la salida del controlador. El microcontrolador puede generar una tensión de referencia analógica utilizando un convertidor D/A o un potenciómetro digital y esa tensión fijará directamente la corriente del controlador de LED. O bien, en una cadena de control totalmente digital, el microcontrolador puede proporcionar señales con modulación de anchura de pulso (PWM) que se utilizan para modular la salida del controlador. La señal PWM puede utilizarse para activar/desactivar el propio controlador o bien para controlar un interruptor que desconecta los LED desde la salida del controlador. Si se utiliza un control PWM, se escoge una frecuencia de PWM lo suficientemente alta como para que el ojo humano no pueda detectar fluctuación alguna. Esta técnica puede ser práctica si la aplicación exige una máxima eficiencia, muchos LED suministran su eficiencia máxima (luz generada para una corriente determinada) en su valor máximo o cerca de éste. El suministro de niveles de luz reducidos mediante un control pulsado en el nivel de corriente de pico será más eficiente que con una corriente constante reducida.

El diseñador debe decidir el nivel de resolución de control que se necesita en un sistema de control del color con el fin de seleccionar un microcontrolador con los periféricos adecuados. Para un sensor de Luz a Tensión, la resolución de la medida del convertidor A/D integrado será importante. Un sensor de Luz a Frecuencia requiere una base de tiempos del microcontrolador que pueda incrementarse utilizando un reloj externo. Los sensores Luz a Digital necesitarán el adecuado periférico de interface de comunicaciones serie.
Un microcontrolador con múltiples periféricos PWM resulta útil para el control de los controladores LED individuales. En los sistemas de control de color de alta resolución se prefiere un periférico PWM con 16 bit de resolución de color o superior. Los periféricos de comunicación serie, como UART, SPI, I2C™, LIN y USB, permiten el control de entrada/salida y la funcionalidad del visualizador.

El diseñador también habrá de determinar la velocidad de muestreo a la que trabaja el lazo de control y elegir un microcontrolador con los recursos de cálculo apropiados. Si el sistema se dedica principalmente a mantener una salida blanca constante a medida que envejece el LED, entonces se requiere una velocidad de muestreo relativamente poco frecuente. Los LED de colores diferentes seguirán generalmente unas curvas de salida de luz distintas con el envejecimiento, pero también lo harán en respuesta a diferentes niveles de control. En aplicaciones de brillo variable, o con atenuación, debe actualizarse el lazo de control de color para sincronizarse con la velocidad a la que varía el brillo. Una de las aplicaciones más exigentes de este tipo es la atenuación selectiva de la retroalimentación en LCD. Para mejorar el contraste en las áreas oscuras de una imagen de televisión se atenúa la retroiluminación en dichas áreas, pero se debe mantener un blanco puro para que la pantalla LCD pueda continuar mostrando el tono de imagen correcto. En este caso, se requiere una actualización apropiada del lazo de control para la velocidad de trama de TV.

Un dispositivo como el PIC24FJ16GA002, Figura 2, es un buen candidato a microcontrolador en un sistema de control de color. El dispositivo PIC24 se encuentra disponible en un pequeño encapsulado de 28 patillas y con una memoria de programa de 16 a 64KB, y proporciona interfaces de comunicación serie, convertidor A/D de 10 bit y 5 canales PWM, todo ello en un dispositivo. El núcleo del microcontrolador de 16 bit gestiona de manera sencilla las matemáticas asociadas a la calibración del sensor y al control de color.

La salida de datos del sensor de luz debe calibrarse respecto a una referencia para proporcionar unos resultados fiables. El proceso de calibración utiliza un Medidor de Cromaticidad para correlacionar matemáticamente la salida de los LED de colores diferentes y la respuesta espectral y sensibilidad del sensor de luz según un sistema coordinado de color estándar, establecido en 1931 por la CIE (Comisión Internacional sobre Ilumi-nación): el espacio de color XYZ de la CIE. El proceso de calibración genera una matriz de coeficientes que deben almacenarse en una memoria no volátil con el sistema de luminaria y será utilizado para determinar la diferencia entre la salida correlacionada y deseada en cada paso a través del sistema de control.

Una vez calibrado, el microcontrolador compara los datos del sensor frente a las coordenadas deseadas de la gráfica de cromaticidad de CIE y ajusta los valores de control en cada canal de salida hasta que se logra el CCT correcto. Dado que el lazo de control trabaja en un entorno dinámico, resulta apropiado utilizar técnicas tipo servo; cada canal tiene un algoritmo PID (proporcional-integral-derivativo) que ajusta los datos del sensor con los valores de calibración, evalúa la diferencia para establecer un punto de configuración y ajusta los canales de salida en función de ello. Como con cualquier otra arquitectura PID de lazo cerrado, el algoritmo funciona continuamente para reducir el error hasta que el CCT de salida alcanza el CCT establecido. Los coeficientes PID se pueden ajustar para maximizar la respuesta del sistema, pero el factor de convergencia al punto de configuración depende de la eficiencia del microcontrolador en el proceso matemático. Como se ha señalado antes, algunos sistemas de control del color necesitarán un procesado y unos tiempos de respuesta más rápidos que otros.

Los sistemas que necesiten una fuente de luz ajustable o una con un CRI elevado (capacidad para reproducir colores fielmente para el ojo humano) pueden presentar una larga lista de requisitos para el control de usuario. Un dispositivo médico con un visualizador gráfico LCD debe tener una retroiluminación LED ajustable que requiere un microcontrolador para que el micro se comunique con el LCD mediante SPI, así como un interface de pantalla táctil para ajustar el CCT y el brillo. La iluminación general para el escaparate de una tienda puede necesitar un control desde un panel central u ordenador para ajustar automáticamente el brillo, CCT y la conexión/desconexión en función de la hora del día. Las comunicaciones entre estos dispositivos se pueden realizar con protocolos de bus serie cableados que son comunes en el ámbito de la iluminación, como DALI (Digital Addressable Lighting Interface, IEC 929) o DMX512 (un estándar habitual en la iluminación de escenarios y los sistemas de iluminación espectacular). Otros podrían recurrir a un interface a medida sobre USB o Ethernet. Cuando se modernizan los sistemas de iluminación en edificios existentes, los diseñadores de iluminación cambian las infraestructuras de interconexión cableadas por comunicaciones inalámbricas y adoptan protocolos como ZigBee® para realizar el control. Un microcontrolador con periféricos flexibles es el dispositivo ideal para realizar las comunicaciones y los interfaces de usuario en este tipo de aplicaciones de iluminación.
Los LED como fuentes de iluminación general se están preparando para tener un fuerte impacto en nuestras vidas, proporcionando eficiencia energética, tamaño compacto, portabilidad, resistencia y larga duración. Los LED de colores múltiples bajo el control de un pequeño microcontrolador ajustará la luz generada, suministrando de este modo una luz muy agradable que se adapte al espacio a iluminar. El microcontrolador gobierna de manera inteligente el circuito controlador maximizando la eficacia, monitoriza el estado y maximiza la eficiencia energética, así como la vida operativa.

Referencias
-    Nota de Aplicación de Microchip AN1257, “Closed Loop Chromaticity Control: Interfacing a Digital RGB Color Sensor to a PIC24 MCU”. La propia nota de aplicación, así como mayor información sobre Periféricos de Microcontrolador para Sistemas de Control del Color con LED (“MCU Peripherals useful for LED Colour-Control Systems”) se pueden encontrar bajo el título “Colour Control Solutions” en el Centro de Diseño de Iluminación Inteligente en línea de Microchip, http://www.microchip.com/lighting.

Autor:

Microchip Technology

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