El principio de funcionamiento de la fuente de alimentación del controlador LED
La siguiente figura muestra la curva de relación entre la caída de tensión directa (VF) y la corriente directa (IF). Se puede ver en la curva que cuando el voltaje de CC excede un cierto umbral (aproximadamente 2 V), que es el llamado voltaje de encendido, IF es proporcional a VF. Las características eléctricas de los principales LED ultrabrillantes actuales se muestran en la tabla. Como se puede ver en la tabla, el IF máximo actual de los LED superbrillantes puede alcanzar 1A, mientras que el VF suele ser de 2 ~ 4V.
Debido a que las características de la luz de los LED generalmente se describen como una función de la corriente en lugar del voltaje, la relación entre el flujo luminoso (φV) y el IF se puede controlar mejor conduciéndolos con una fuente de corriente constante. Además, la caída de tensión directa del LED cambia mucho (hasta 1 V). Como se puede ver en la curva VF-IF de la figura anterior, pequeños cambios en VF provocarán grandes cambios en IF, lo que provocará grandes cambios en el brillo. Por lo tanto, el uso de una fuente de voltaje constante para conducir no puede garantizar la consistencia del brillo del LED, lo que afecta la confiabilidad, la vida útil y la atenuación de la luz del LED. Por lo tanto, los LED ultrabrillantes suelen funcionar con fuentes de corriente constante.
La siguiente figura es la relación entre la temperatura del LED y el flujo luminoso (φV). Como puede verse en la figura siguiente, el flujo luminoso es inversamente proporcional a la temperatura. El flujo luminoso a 85°C es la mitad que a 25°C, mientras que la salida de luz a 40°C es 1,8 veces mayor que a 25°C. Los cambios de temperatura también tienen un cierto impacto en la longitud de onda de los LED, por lo que una buena disipación de calor es la garantía para que los LED mantengan un brillo constante.
La siguiente figura muestra la relación entre la temperatura del LED y el flujo luminoso.
Introducción a los circuitos generales de control de LED
Debido a la limitación del nivel de potencia del LED, generalmente es necesario controlar varios LED al mismo tiempo para cumplir con los requisitos de brillo. Por lo tanto, se requiere un circuito de accionamiento especial para encender el LED. A continuación se ofrece una breve introducción al circuito controlador del concepto LED.
El circuito limitador de corriente de la resistencia se muestra en la siguiente figura. El circuito de accionamiento limitador de corriente con resistencia es el circuito de accionamiento más simple. La resistencia limitadora de corriente se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula.
Donde: Vin es el voltaje de entrada del circuito; VF es la corriente directa del IED; VF es la caída de voltaje del LED cuando la corriente directa es 0 IF; diodo antirreflectante (opcional); y es el número de LED en cada cadena; x es el número de cadenas de LED paralelas.
De la figura anterior, el modelo matemático linealizado de LED se puede obtener de la siguiente manera
Donde: Vo es la caída de voltaje de encendido de un solo LED Rs es el equivalente linealizado; Resistencia en serie de un solo LED. El cálculo de la resistencia limitadora de corriente de la fórmula anterior se puede escribir como
Al seleccionar una resistencia, la relación entre IF y VF del circuito limitador de corriente de la resistencia es la siguiente
Como se puede ver en la fórmula anterior, el circuito limitador de corriente de la resistencia es simple, pero cuando el voltaje de entrada fluctúa, la corriente que fluye a través del LED también cambiará en consecuencia, por lo que el rendimiento de la regulación es deficiente. Además, debido a que la potencia perdida por la conexión de la resistencia R es xRIF, la eficiencia es menor.
Introducción a los reguladores lineales
El núcleo de los reguladores lineales es utilizar transistores de potencia o MOSFFET que funcionan en la región lineal como resistencias dinámicamente ajustables para controlar la carga. Hay dos tipos de reguladores lineales: tipo paralelo y tipo serie.
La figura a continuación muestra un regulador lineal paralelo, también llamado regulador en derivación (en la figura solo se muestra un LED, pero de hecho la carga puede ser varios LED en serie, lo mismo a continuación), y LED en paralelo. Cuando el voltaje de entrada aumenta o el LED disminuye, la corriente a través del regulador de derivación aumentará, lo que aumentará la caída de voltaje a través de la resistencia limitadora de corriente para mantener constante la corriente a través del LED.
Dado que el regulador en derivación requiere una resistencia en serie, no es eficiente y es difícil lograr una regulación constante cuando el voltaje de entrada cambia mucho.
La figura B a continuación muestra un regulador en serie. A medida que aumenta el voltaje de entrada, la resistencia dinámica del regulador aumenta para mantener constante el voltaje (corriente) en el LED.
Debido a que el transistor de potencia o MOSFET tiene un voltaje de encendido de saturación, el voltaje mínimo de entrada debe ser mayor que la suma del voltaje de saturación y el voltaje de carga para que el circuito funcione correctamente.
Introducción a los reguladores de conmutación
La tecnología de accionamiento anterior no solo está limitada por el rango de voltaje de entrada, sino que también tiene una baja eficiencia. Cuando se utiliza para controlar LED normales de baja potencia, la corriente es de sólo unos pocos miliamperios y la pérdida no es obvia. Cuando se utiliza para controlar LED de alto brillo con corrientes de varios cientos de miliamperios o más, la pérdida del circuito de alimentación se convierte en un problema grave. La fuente de alimentación conmutada tiene la mayor eficiencia de conversión de energía en la actualidad, que puede alcanzar más del 90%.
Los convertidores de potencia Buek, Boost y Buck-Boost se pueden usar para controlar los LED, pero para satisfacer las necesidades de activación de los LED, se detecta la corriente de salida en lugar del voltaje de salida para el control de retroalimentación.
La figura (a) a continuación muestra un circuito de conducción de LED con un convertidor reductor. A diferencia del convertidor Buek tradicional, el tubo del interruptor S se mueve detrás del inductor L, de modo que la fuente de S está conectada a tierra, lo que facilita la activación de S. El LED se conecta en serie con L y el diodo de rueda libre D está conectado en antiparalelo con este circuito en serie. Este circuito de accionamiento no sólo es sencillo, sino que tampoco requiere condensadores de filtro de salida, lo que reduce los costes. Sin embargo, el convertidor reductor es un convertidor reductor y no es adecuado para situaciones en las que el voltaje de entrada es bajo o cuando se conectan varios LED en serie.
La figura anterior (b) muestra una fuente de alimentación de conducción LED con un convertidor elevador. El voltaje de salida se eleva a un valor deseado superior al voltaje de entrada mediante el almacenamiento de energía inductivo, y el LED funciona con un voltaje de entrada bajo. La ventaja es que la salida de este controlador IC se puede utilizar en paralelo, aumentando así efectivamente la potencia de un solo LED.
La figura anterior (c) muestra un circuito de activación de LED con un convertidor reductor-elevador. De manera similar al circuito Buek, la fuente del circuito S puede conectarse directamente a tierra, lo que facilita la conducción de S. Aunque los convertidores Boost y Buck-boost tienen un capacitor más que el convertidor Buck, pueden aumentar el valor absoluto de la salida. voltaje, por lo que en la entrada El voltaje es bajo y se usa ampliamente cuando es necesario controlar varios LED.
Introducción al conocimiento de la atenuación PWM
En la electrónica de consumo, como los teléfonos móviles, los LED blancos se utilizan cada vez más como retroiluminación de las pantallas. Recientemente, muchos diseñadores de productos esperan que el brillo de los LED blancos pueda cambiarse en consecuencia en diferentes aplicaciones. Esto significa que el controlador de LED blanco debería poder admitir la función de ajuste de brillo del LED. Actualmente existen tres tecnologías de atenuación principales: atenuación PWM, atenuación analógica y atenuación digital. Muchos controladores del mercado pueden admitir una o más tecnologías de atenuación. Este artículo presentará las características de estas tres tecnologías de atenuación y los diseñadores de productos pueden elegir la tecnología correspondiente según los requisitos específicos.
Modo de atenuación de atenuación PWM (modulación de ancho de pulso): se trata de una tecnología de atenuación que utiliza pulsos digitales simples para encender y apagar repetidamente un controlador LED blanco. El sistema del usuario puede ajustar el brillo de un LED blanco simplemente proporcionando pulsos digitales de diferente ancho y ancho para variar la corriente de salida. La ventaja de la atenuación PWM es que puede proporcionar luz blanca de alta calidad, es fácil de aplicar y tiene una alta eficiencia. Por ejemplo, en un sistema de telefonía móvil, una interfaz PWM dedicada puede simplemente generar una señal de pulso con cualquier ciclo de trabajo y conectarla a la interfaz EN del controlador a través de una resistencia. La mayoría de los fabricantes de controladores admiten la atenuación PWM.
Sin embargo, la atenuación PWM tiene sus desventajas. Reflejado principalmente en: La atenuación PWM puede causar fácilmente un ruido audible (o ruido microfónico) en el circuito de accionamiento del LED blanco. ¿Cómo se produce este ruido? Los controladores LED blancos generalmente pertenecen a dispositivos de fuente de alimentación conmutados (reductor, elevador, bomba de carga, etc.) y sus frecuencias de conmutación son de alrededor de 1 MHz, por lo que en aplicaciones típicas del controlador, no habrá ruido audible. Sin embargo, cuando el controlador realiza atenuación PWM, si la frecuencia de la señal PWM cae entre 200 Hz y 20 kHz, el inductor y la capacitancia de salida alrededor del controlador LED blanco producirán un ruido audible. Por lo tanto, se deben evitar en los diseños las bandas de baja frecuencia por debajo de 20 kHz.
Es bien sabido que cuando las señales de conmutación de baja frecuencia actúan sobre bobinas bobinadas ordinarias, las bobinas del inductor producirán vibraciones mecánicas entre sí. La frecuencia de la vibración mecánica cae a la frecuencia anterior y el oído humano puede escuchar el ruido emitido por el inductor. El inductor genera parte del ruido y la otra parte proviene del condensador de salida. Ahora, cada vez más diseñadores de teléfonos móviles utilizan condensadores cerámicos como condensador de salida del controlador. Los condensadores cerámicos tienen propiedades piezoeléctricas, lo que significa que cuando se aplica una señal de ondulación de voltaje de baja frecuencia al condensador de salida, el condensador emitirá un zumbido. Cuando la señal PWM es baja, el controlador del LED blanco deja de funcionar y el condensador de salida se descarga a través del LED blanco y la resistencia inferior. Por lo tanto, en la atenuación PWM, el condensador de salida inevitablemente producirá ondulaciones más grandes. En resumen, para evitar ruidos audibles durante la atenuación PWM, el controlador LED blanco debería poder proporcionar frecuencias de atenuación más allá del rango audible del oído humano.
En comparación con la atenuación PWM, si se puede cambiar la resistencia de RS, también se puede cambiar la corriente que fluye a través del LED blanco, cambiando así el brillo del LED.
A esta tecnología la llamamos atenuación analógica.
La mayor ventaja de la atenuación analógica es evitar el ruido provocado por la atenuación. Cuando se utiliza tecnología de atenuación analógica, la caída de voltaje directo del LED disminuirá a medida que disminuye la corriente del LED, lo que también reducirá el consumo de energía del LED blanco. Sin embargo, a diferencia de la tecnología de atenuación PWM, el controlador LED blanco siempre está en modo de funcionamiento durante la atenuación analógica. A medida que la corriente de salida disminuye, la eficiencia de conversión de energía del controlador disminuye rápidamente. Por lo tanto, el uso de tecnología de atenuación analógica a menudo aumenta el consumo de energía de todo el sistema. Otra desventaja de la tecnología de atenuación analógica es la calidad de la luz emitida. Debido a que cambia directamente la corriente del LED blanco, ¡la calidad de la luz blanca del LED blanco también cambia!
Además de la atenuación PWM y la atenuación analógica, algunos fabricantes actualmente admiten la atenuación digital. Los controladores LED blancos con tecnología de atenuación digital tendrán las interfaces digitales correspondientes. La interfaz digital puede ser SMB, I2C o una interfaz digital de un solo cable. Siempre que el diseñador del sistema proporcione al conductor una serie de señales digitales de acuerdo con un protocolo de comunicación específico, se puede cambiar el brillo del LED blanco.