Precisione cromatica per sistemi Led

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I Led Rgb (red, green, blue) vengono impiegati in proiettori, display, impianti di illuminazione di edifici, autoveicoli e palcoscenici quando si richiede elevata luminosità ed efficienza. Per produrre colori prevedibili da un sistema di Led Rgb, ciascuno dei Led di cui esso consiste (rosso, verde e blu) richiede una dimmerazione individuale e precisa. Nei sistemi di fascia alta si può utilizzare un anello di retroazione ottica per consentire a un microcontroller di regolare la precisione cromatica dei Led. Aggiungendo un Led bianco a un sistema di Led Rgb per produrre un sistema Rgbw (red, green, blue, white) si estendono i valori di luminosità, tono e saturazione disponibili nel sistema cromatico. Ciascun sistema di Led Rgbw richiede una dimmerazione precisa dei quattro Led di cui consiste; due sistemi di Led Rgbw richiedono otto canali. Un modo per pilotare sistemi di Led Rgbw e regolarne la luminosità consiste nell’usare quattro Led separati, uno per ciascun colore (R, G, B e W). In un tale sistema, la corrente del Led, o la dimmerazione Pwm, di ciascun Led individuale o di ciascuna serie è pilotata da segnali di controllo e driver separati. Tuttavia, in questa soluzione il numero di driver aumenta rapidamente con il numero di sistemi di Led Rgbw. Qualsiasi impianto di illuminazione dotato di un numero notevole di tali sistemi richiede un gran numero di driver e la sincronizzazione dei segnali di controllo con questi driver. Un approccio molto più semplice (e più elegante) consiste nel pilotare tutti i Led con uno stesso driver/convertitore a una corrente costante, al tempo stesso utilizzando una matrice di Mosfet di potenza che vengono inseriti in parallelo per eseguire la dimmerazione Pwm dei Led individuali ai fini della regolazione della luminosità. Inoltre, l’uso di un singolo bus di comunicazione per il controllo dei Led della matrice di dimmerazione rende relativamente semplice la produzione di sistemi di Led per la mescolanza dei colori Rgbw. Il dimmer di Led a matrice LT3965 di Linear Technology rende possibile questa soluzione. Ciascun dimmer con matrice di 8 interruttori LT3965 può “associarsi” con esattamente due sistemi di Led Rgbw, consentendo la regolazione individuale della luminosità di ciascun Led (rosso, verde, blu e bianco) con incrementi Pwm di 1/256 tra zero e 100% di luminosità. Comandi seriali I2C bifilari assicurano la regolazione del colore e della luminosità. I dati seriali I2C inviati all’LT3965 determinano lo stato di luminosità di tutti e otto i Led e in caso di guasto possono controllare se vi sono Led aperti o in corto.


Miscelatore di colori Led a matrice con driver boost-buck
Il dimmer a matrice richiede un driver Led adatto per alimentare la serie di otto Led da un’ampia gamma di ingressi: 12V ±10% standard, 9V–16V (automatico) o 6V–8,4V (batteria agli ioni di litio). Una tale soluzione è rappresentata dal driver Led boost-buck LT39521, che aumenta o diminuisce la tensione d’ingresso applicata al Led mentre offre corrente di uscita e ingresso a basso ripple. Con capacità di uscita ridotta o nulla nella topologia a uscita flottante, può rispondere velocemente a variazioni della tensione del Led mentre i Led individuali vengono accesi e spenti tramite dimmerazione Pwm. Il driver Led boost-buck LT3952 si associa con il dimmer di Led a matrice di 8 interruttori LT3965 e due sistemi di Led da 500 mA Rgbw. Questa nuova topologia funziona senza problemi nell’intera gamma di Led da zero a otto in serie, con una tensione compresa fra 0 e 25 V. A un determinato istante la tensione istantanea del Led in serie varia secondo quali, e quanti, Led vengono inseriti dal dimmer a matrice. La tensione Out di 60 V di tale topologia/convertitore (somma di VIN e VLed) e il duty cycle del convertitore sono impiegabili in tutto l’intervallo di ingresso da 6 a 20 V e di uscita (tensione della serie di Led) da 0 a 25 V a 500 mA.
Questa topologia a uscita flottante boost-buck funziona bene con il dimmer a matrice LT3965, che regola la luminosità dei Led variandone la corrente tramite appositi Mosfet di potenza che vengono inseriti in parallelo. Non è necessario che i Led siano collegati a massa; fintantoché il pin VIN dell’LT3965 è collegato al terminale Skyhook, la cui tensione è almeno 7,1V oltre Led+, tutti i Mosfet di shunting funzionano correttamente. Il terminale Skyhook può essere creato con una pompa di carica a partire dal convertitore a commutazione oppure essere fornito mediante un generatore regolato. Il compattissimo convertitore boost LT8330, realizzato in un contenitore Dfn da 3 × 2 mm, è una buona scelta per generare il terminale Skyhook. Un clock esterno opzionale rende possibile la sincronizzazione del sistema a 350kHz - una frequenza adatta per ambienti di autoveicoli – è relativamente efficiente e consente l’uso di componenti compatti. Sebbene questo sistema potrebbe funzionare altrettanto bene a 2 MHz (oltre la banda Am), la frequenza di 350 kHz (sotto la banda Am) mette in grado questo convertitore boost-buck di eseguire la regolazione senza saltare impulsi quando tutti i Led sono messi in corto dal dimmer a matrice e la tensione della serie di Led scende a 330 mΩ x 500 mA x 8 = 1,3 V. Inoltre, questa frequenza consente elevati rapporti di dimmerazione senza sfarfallio visibile dei Led. Poiché ciascun sistema di Led Rgbw è progettato come singola sorgente, le luci rossa, verde, blu e bianca si combinano per produrre la gamma cromatica con regolazione della luminosità, del tono e della saturazione. Ciascun Led può essere regolato con incrementi di 1/256 tra zero (0/256) e 100% (256/256).

Regolazione precisa della luminosità e dei colori
I sistemi di Led Rgbw possono produrre luminosità e colori precisi tramite dimmerazione Pwm dei singoli Led componenti rosso, verde, blu e bianco, che consente rapporti di dimmerazione di 256:1 o maggiori. Un metodo alternativo alla dimmerazione Pwm consiste nella semplice riduzione della corrente di pilotaggio di ciascun Led, ma a scapito della precisione poiché sono possibili solo rapporti di dimmerazione di 10:1 e i Led stessi presentano derive cromatiche. Un approccio basato sulla dimmerazione Pwm a matrice assicura precisione della luminosità e dei colori di gran lunga superiore rispetto agli schemi basati sul pilotaggio della corrente. La larghezza di banda e la risposta al transitorio del driver Led influiscono sulla precisione cromatica. Con frequenza di crossover maggiore di 10kHz e capacità di uscita ridotta o nulla, il compatto convertitore boost-buck risponde velocemente a variazioni del numero di Led pilotati mentre il dimmer a matrice li accende e spegne. Per illustrare quanto ciò sia importante ai fini della precisione, i Led rosso, verde e blu vengono fatti funzionare separatamente a diversi duty cycle Pwm e se ne misura l’uscita ottica con un sensore Rgb. Naturalmente, i Led rosso, verde e blu non sono perfettamente monocromatici, per cui emettono una certa quantità di colore da altre bande anche quando se ne pilota solo uno; ma complessivamente, questo è un sistema molto preciso. La precisione può essere migliorata sino a 1/256 utilizzando una versione del driver Led LT3952 con convertitore buck che presenti larghezza di banda notevolissima (>40kHz), ma ciò comporta il costo risultante dall’aggiungere un altro convertitore in salita per creare una tensione di uscita regolata maggiore di 30V oppure la necessità di disporre all’ingresso di un generatore di tensione maggiore di 30V. A meno che non sia necessario un alto livello di precisione a bassa intensità luminosa, non c’è un motivo valido di rinunciare alla versatilità, semplicità e dimensioni ridotte aggiungendo un convertitore. Lo schema di dimmerazione a 256 livelli dell’LT3965 è impiegabile agevolmente in tipici programmi per pittura Rgb e in algoritmi frequenti di mescolanza dei colori. Per esempio, se si apre un normale programma per pittura da PC, si osserverà che i colori vengono mescolati mediante un sistema Rgb a 256 valori. Le forme d’onde della corrente dei Led producono luce viola a partire da un sistema di Led a matrice Rgbw controllato da un programma per pittura da Pc di base. Poiché il progetto descritto nel presente articolo offre regolazione Pwm e pilotaggio di corrente precisi, è possibile eseguire con precisione la taratura cromatica dei sistemi di Led Rgbw regolando i duty cycle dei Led componenti, tenendo facilmente conto delle variazioni intrinseche della loro luminosità.

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