Le aspettative sono elevate; una volta convinti, e successivamente obbligati per legge, ad abbandonare le lampade a incandescenza a favore di prodotti più efficienti, gli utenti hanno spesso avuto esperienze insoddisfacenti con le lampade fluorescenti compatte. Ora, il messaggio per questi consumatori è che i LED offriranno una maggiore durata, robustezza ed efficienza, oltre a caratteristiche spettrali gradevoli.
L'illuminazione generale – ovvero la fornitura di luce ambientale per case, uffici e spazi pubblici – è in realtà un po' in ritardo rispetto al ritmo di adozione dei LED in una vasta gamma di applicazioni. Tra gli esempi si annoverano l'illuminazione automobilistica per luci dei freni, luci di posizione e, prossimamente, fari; l'illuminazione a colori per l'architettura; l'illuminazione industriale, esterna e stradale; la segnaletica stradale e ferroviaria; e la retroilluminazione per gli schermi LCD di televisori e monitor. In alcune di queste applicazioni, l'efficienza è fondamentale, di gran lunga la ragione più convincente per l'adozione della tecnologia LED. In altre applicazioni, la motivazione principale risiede nella flessibilità che offre ai progettisti di regolare l'illuminazione quando non è necessario prevedere l'accesso per la sostituzione di lampade con una durata limitata. In altri casi ancora, può essere il grado di controllo sulla luce, sia in termini di tonalità che di intensità, ad attrarre gli ingegneri dell'illuminazione.
Così come le lampade CCFL hanno cambiato il concetto di sorgente luminosa, evolvendosi da un dispositivo semplicemente collegato a un alimentatore a uno che richiede una propria elettronica di controllo, l'avvento dei LED ha reso necessaria l'aggiunta di un driver e, in molti casi, di circuiti di controllo. I LED richiedono un controllo a corrente costante. Mentre un regolatore di tensione lineare configurato come sorgente di corrente costante può essere accettabile per applicazioni a bassa corrente, qualsiasi progetto che richieda un'elevata emissione luminosa ed efficienza richiede un alimentatore switching. Diverse topologie di alimentatori comunemente utilizzate sono utili per il controllo dei LED, tra cui buck, boost, pompa di carica, SEPIC, buck-boost e flyback, ognuna delle quali offre i propri vantaggi in diverse configurazioni di circuito. Molti fornitori, come Microchip Technology, offrono circuiti integrati driver dedicati: un microcontrollore può aggiungere intelligenza a un'applicazione se combinato con un circuito integrato driver, oppure il microcontrollore può integrare la funzione di driver LED, generando le forme d'onda di temporizzazione e controllo.
In un'applicazione come l'illuminazione architettonica, il contributo di un microcontrollore per la regolazione precisa dei livelli di LED di diversi colori è evidente. Forse meno ovvia è la sfida di gestire la generazione di luce bianca, dove un microcontrollore non solo aggiunge intelligenza, ma è fondamentale.
I LED bianchi a sorgente singola sono, di fatto, emettitori di luce blu in cui una parte di questi emettitori blu viene utilizzata per alimentare una miscela di fosfori che emettono luce in una gamma di colori tra il rosso e il verde per ottenere la luce bianca. Alcuni LED bianchi non riescono a raggiungere un elevato indice di resa cromatica (CRI), che misura la capacità della sorgente luminosa di riprodurre accuratamente tutti i colori. Sistemi con una migliore qualità della luce bianca possono essere ottenuti miscelando la luce di due o più LED colorati. La luce generata da ciascuna sorgente di colore subisce una deriva con l'invecchiamento e la temperatura. Questa deriva può essere corretta nella luce totale generata – un colore specifico o la temperatura di colore correlata, CCT – che viene mantenuta costante da un circuito di retroazione che utilizza un sensore di luce e un piccolo microcontrollore.
Il mercato offre una varietà di sensori di luce piccoli ed economici. Questi in genere includono filtri colore selezionabili (rosso, verde, blu o bianco) e un sensore di livello di luce. Il sensore di luce può fornire dati sul livello di intensità al microcontrollore in diversi modi. I sensori di luce voltaggio-tensione inviano i livelli di tensione a un convertitore analogico-digitale (ADC). I sensori di luce frequenza-frequenza forniscono un'uscita a frequenza variabile, dove la frequenza è proporzionale alla quantità di luce. L'impulso in uscita da questi sensori può essere accumulato nel timer di un microcontrollore per determinare il livello di luce. I sensori di luce digitale-digitale solitamente incorporano un'interfaccia digitale seriale, come I2C™. Ogni tipo di interfaccia del sensore offre vantaggi specifici e richiede diverse risorse del microcontrollore (Figura 1).
In un sistema completo di controllo del colore a circuito chiuso, il microcontrollore deve leggere le componenti del colore dal sensore di luce, calibrare l'uscita del sensore e regolare l'uscita dei singoli driver LED per ottenere il colore desiderato. La scelta della tecnica di pilotaggio dipenderà da fattori quali i requisiti di efficienza, l'intervallo di tensione di ingresso e il numero di LED utilizzati.
Esistono diversi metodi per controllare l'uscita del driver. Il microcontrollore può generare una tensione di riferimento analogica utilizzando un convertitore digitale-analogico (DAC) o un potenziometro digitale, e questa tensione imposterà direttamente la corrente del driver LED. In alternativa, in una catena di controllo completamente digitale, il microcontrollore può fornire segnali di modulazione di larghezza di impulso (PWM) utilizzati per modulare l'uscita del driver. Il segnale PWM può essere utilizzato per accendere o spegnere il driver, oppure per controllare un interruttore che disconnette i LED dall'uscita del driver. Se si utilizza il controllo PWM, si sceglie una frequenza PWM sufficientemente elevata da non essere percepibile dall'occhio umano. Questa tecnica può essere pratica se l'applicazione richiede la massima efficienza, poiché molti LED raggiungono la loro massima efficienza (emissione luminosa per una data corrente) in corrispondenza o in prossimità del loro valore di picco. Fornire livelli di luce ridotti tramite un controllo a impulsi al livello di corrente di picco sarà più efficiente rispetto all'utilizzo di una corrente costante e ridotta.
Il progettista deve decidere il livello di risoluzione di controllo necessario in un sistema di controllo del colore per poter selezionare un microcontrollore con le periferiche appropriate. Per un sensore luce-tensione, la risoluzione di misura del convertitore A/D integrato sarà importante. Un sensore luce-frequenza richiede una base dei tempi del microcontrollore che possa essere incrementata tramite un clock esterno. I sensori luce-digitale richiederanno la periferica di interfaccia di comunicazione seriale appropriata.
Un microcontrollore con più periferiche PWM è utile per controllare i singoli driver LED. Nei sistemi di controllo del colore ad alta risoluzione, è preferibile una periferica PWM con risoluzione del colore a 16 bit o superiore. Le periferiche di comunicazione seriale, come UART, SPI, I2C™, LIN e USB, consentono il controllo degli ingressi/uscite e le funzionalità di visualizzazione.
Il progettista deve inoltre determinare la frequenza di campionamento con cui opera il circuito di controllo e scegliere un microcontrollore con le risorse di calcolo appropriate. Se il sistema è principalmente dedicato a mantenere un'emissione luminosa bianca costante con l'invecchiamento del LED, è necessaria una frequenza di campionamento relativamente bassa. I LED di diversi colori generalmente seguono curve di emissione luminosa diverse con l'invecchiamento, ma rispondono anche in modo diverso a livelli di controllo variabili. Nelle applicazioni con luminosità variabile o attenuazione, il circuito di controllo del colore deve essere aggiornato per sincronizzarsi con la velocità di variazione della luminosità. Una delle applicazioni più impegnative di questo tipo è l'attenuazione selettiva della retroilluminazione nei display LCD. Per migliorare il contrasto nelle aree scure di un'immagine televisiva, la retroilluminazione viene attenuata in tali aree, ma è necessario mantenere un bianco puro in modo che lo schermo LCD possa continuare a visualizzare la tonalità corretta dell'immagine. In questo caso, è necessario un aggiornamento appropriato del circuito di controllo per la frequenza dei fotogrammi del televisore.
Un dispositivo come il PIC24FJ16GA002, Figura 2, è un ottimo candidato come microcontrollore in un sistema di controllo del colore. Il PIC24 è disponibile in un piccolo package a 28 pin con 16-64 KB di memoria di programma e offre interfacce di comunicazione seriale, un convertitore A/D a 10 bit e 5 canali PWM, il tutto in un unico dispositivo. Il core del microcontrollore a 16 bit gestisce facilmente i calcoli matematici associati alla calibrazione del sensore e al controllo del colore.
Per ottenere risultati affidabili, i dati in uscita dal sensore di luce devono essere calibrati rispetto a un riferimento. Il processo di calibrazione utilizza un colorimetro per correlare matematicamente l'emissione luminosa di LED di diverso colore con la risposta spettrale e la sensibilità del sensore di luce, secondo un sistema di coordinate cromatiche standard stabilito nel 1931 dalla CIE (Commissione Internazionale per l'Illuminazione): lo spazio colore CIE XYZ. Il processo di calibrazione genera una matrice di coefficienti che deve essere memorizzata nella memoria non volatile del sistema di illuminazione e verrà utilizzata per determinare la differenza tra l'emissione correlata e quella desiderata in ogni fase del sistema di controllo.
Una volta calibrato, il microcontrollore confronta i dati del sensore con le coordinate desiderate sul grafico di cromaticità CIE e regola i valori di controllo su ciascun canale di uscita fino al raggiungimento della corretta temperatura di colore correlata (CCT). Poiché il circuito di controllo opera in un ambiente dinamico, sono appropriate tecniche di tipo servoassistito; ogni canale dispone di un algoritmo PID (proporzionale-integrale-derivativo) che confronta i dati del sensore con i valori di calibrazione, valuta la differenza per stabilire un setpoint e regola di conseguenza i canali di uscita. Come in qualsiasi architettura PID a circuito chiuso, l'algoritmo lavora continuamente per ridurre l'errore fino a quando la CCT di uscita non raggiunge il setpoint. I coefficienti PID possono essere regolati per massimizzare la risposta del sistema, ma il fattore di convergenza al setpoint dipende dall'efficienza del microcontrollore nel processo matematico. Come accennato in precedenza, alcuni sistemi di controllo del colore richiederanno tempi di elaborazione e di risposta più rapidi rispetto ad altri.
I sistemi che richiedono una sorgente luminosa regolabile o con un elevato CRI (indice di resa cromatica, o accuratezza del colore) possono presentare una lunga lista di requisiti di controllo da parte dell'utente. Un dispositivo medicale con display LCD grafico necessita di una retroilluminazione a LED regolabile, che richiede un microcontrollore per comunicare con l'LCD tramite SPI, nonché un'interfaccia touchscreen per regolare la temperatura di colore correlata (CCT) e la luminosità. L'illuminazione generale di una vetrina potrebbe richiedere il controllo da un pannello centrale o da un computer per regolare automaticamente luminosità, CCT e stato di accensione/spegnimento in base all'ora del giorno. La comunicazione tra questi dispositivi può essere realizzata utilizzando protocolli bus seriali cablati comuni nel settore dell'illuminazione, come DALI (Digital Addressable Lighting Interface, IEC 929) o DMX512 (uno standard comune nei sistemi di illuminazione per palcoscenico e teatro). Altri potrebbero utilizzare un'interfaccia personalizzata tramite USB o Ethernet. Quando si modernizzano i sistemi di illuminazione negli edifici esistenti, i progettisti illuminotecnici stanno sostituendo le infrastrutture di interconnessione cablate con comunicazioni wireless e adottando protocolli come ZigBee® per il controllo. Un microcontrollore con periferiche flessibili è il dispositivo ideale per la comunicazione e le interfacce utente in questo tipo di applicazioni di illuminazione.
I LED, come sorgenti luminose generali, sono destinati ad avere un impatto significativo sulle nostre vite, offrendo efficienza energetica, dimensioni compatte, portabilità, durata e lunga vita utile. I LED multicolore, controllati da un piccolo microcontrollore, regolano la luce emessa, fornendo così un'illuminazione piacevole e adatta allo spazio da illuminare. Il microcontrollore gestisce in modo intelligente il circuito di pilotaggio, massimizzando l'efficacia, monitorando lo stato e ottimizzando l'efficienza energetica e la durata operativa.
Riferimenti
- Nota applicativa Microchip AN1257, "Controllo della cromaticità a circuito chiuso: interfaccia di un sensore di colore RGB digitale a un microcontrollore PIC24". La nota applicativa stessa, così come ulteriori informazioni sulle periferiche per microcontrollori per sistemi di controllo del colore a LED ("Periferiche MCU utili per sistemi di controllo del colore a LED"), sono disponibili alla voce "Soluzioni per il controllo del colore" nel Centro di progettazione per l'illuminazione intelligente online di Microchip, http://www.microchip.com/lighting.
Autore:
Tecnologia dei microchip
