Consideraciones de diseño para la atenuación PWM de la tira de LED

Una nota sobre mi experiencia: soy programador en una empresa de diseño electrónico y empiezo con proyectos de hobby.

Estoy planeando diseñar un atenuador de tira de LED PWM y un controlador de color para una tira de LED RGB/RGBW (sí, este es un proyecto de pasatiempo). Antes de comenzar a elegir partes y dibujar los esquemas, quiero preguntar si no me estoy perdiendo nada .

Resumen del sistema

Tira llevada

Una configuración de ánodo común. La tira de LED tendrá una longitud de hasta 5 m, con 14,4 W/m para RGB o 18 W/m para RGBW, es decir, hasta 90 W o 7,5 A extraídos de una fuente de alimentación de 12 V. Con algo de sobrecarga se obtiene un buen 3A por canal.

PWM y MCU

La frecuencia de conmutación de PWM será de alrededor de 6 kHz, todo estará controlado por una MCU (familia STM32F0).

Que se ha tenido en cuenta

Fuente de alimentación

  1. Uno de 12 V con suficiente potencia, probablemente una fuente de alimentación ATX modificada o una LED dedicada
  2. Para asegurarse de que la fuente de alimentación maneje bien la carga conmutada grande, habrá algunos condensadores electrolíticos grandes, muy probablemente del orden de unos pocos milifaradios, clasificados para al menos 25 V con baja ESR
  3. Protección de corriente de irrupción: un NTC
  4. La MCU se alimentará con un LDO, tiene protección contra bajo voltaje, por lo que no se iniciará hasta que el suministro lógico esté en su rango operativo.
  5. El riel de 12 V será monitoreado por la MCU y solo encenderá los LED si el voltaje de suministro está bien
  6. De acuerdo con una calculadora en línea que usa cobre de 35 um, haré las trazas de al menos 12,5 mm de ancho para energía común (ánodo y retorno de corriente) y 1,5 mm de ancho entre cátodos y drenajes.

Conducir los LED

  1. Lado bajo conmutado con un solo NMOS por canal, Rdson por debajo de 20 mOhm
  2. Para mantener Rdson dentro de las especificaciones, los MOSFET se controlarán mediante un controlador dedicado, como el MCP14A0153 , suministrado por 12V
  3. Con una potencia de 200 mW disipada en transistores con un paquete más grande (DPAK o LFPAK56 de Nexperia ), no debería ser una preocupación.

PWM

  1. Según un artículo sobre Digikey , planeo tener una frecuencia de aproximadamente 6 kHz
  2. La MCU funcionará con un reloj de 48 MHz que está disponible para el periférico PWM, lo que brinda 13 bits de resolución, probablemente más que suficiente.

Lo que no estoy seguro e investigaré

  1. Protección: sobretensión y sobrecorriente, ¿la necesito y cómo implementarla?
  2. Protección ESD en los terminales
  3. Cualquier efecto (mágico para mí) como parásitos, inductancia, timbre y lo que no
  4. La relación entre la luz emitida y el ciclo de trabajo de PWM es casi lineal. ¿Cuál es la relación entre la luz emitida y el brillo percibido?

lo que estoy preguntando

Además de los puntos que mencioné, ¿hay algo más que deba considerar? También agradeceré cualquier comentario con respecto a los puntos anteriores.

Actualizar

He notado por los comentarios y la respuesta de @Tony que debo subrayar que la tira está lista para usar; no tengo el control de su esquema. Es uno de serie con LED de resistencia limitada en paralelo hecho para usar con una fuente de 12 V, como este , esquema de Adafruit a continuación. Por lo que entiendo, no puede usar atenuadores de corriente constante con tal configuración.esquema LED

@TonyStewart.EEsince'75 todos esos descansos dedicados a leer este Stackechange no se fueron por el desagüe :) al ver todas esas preguntas básicas y de baja calidad, he estado entreteniendo la idea de una pregunta wiki de la comunidad sobre la conducción de LED y otros conceptos básicos: es un tema bastante recurrente, especialmente con la tendencia de la electrónica de aficionados recientemente.
Tengo décadas de experiencia en este tema, pero trataré de ser breve para usted.
@TonyStewart.EEsince'75 Sé que es algo profundo. Puedo ver cuánto tardan mis colegas en hacer los esquemas. Probablemente debería mencionar en la pregunta que EMI está un poco fuera de tema por ahora, ya que no planeo venderlo. Y gracias de antemano.
En mi opinión, es mejor evitar el uso de atenuación PWM. A la frecuencia que está utilizando, debería estar libre de parpadeos, pero no sería mucho más difícil hacer que la CC actual.
Estoy de acuerdo en que el diseño CC SMPS es más eficiente y los mejores diseños libres de ruido. La energía se almacena en los elementos LC y PWM se usa con la adición de componentes LC para hacer que la fuente o sumidero de corriente CC se aplique a los LED con solo un pequeño % perdido en el regulador de serie de aumento de voltaje más alto en lugar de > 10 % con PWM pasivo interruptor y mucho ruido de LdI/dt.
Por lo que entendí, no puede usar la atenuación CC con tiras de LED tontas listas para usar: las resistencias están integradas en la tira y hay problemas para variar la longitud de la tira. Si tuviera control sobre el esquema de la tira de LED, CC es el camino a seguir.
Hay tiras CC listas para usar. No estoy seguro si la variedad es tan grande, pero los he visto. De lo contrario, puede atenuar una tira ya preparada variando el voltaje de CC desde debajo del nominal hasta el nominal.
¿Tuviste éxito con tu proyecto? Estoy en una posición muy similar y también quiero construir un atenuador de tira de LED para mi hogar. El software es fácil, es la electrónica con la que lucho. Usando LTspice, descubrí que un controlador MOSFET simple de un transistor npn y pnp ayuda mucho, incluso a 3.3 V. Sujeto a prueba. No me importaría mucho la fuente de alimentación, debería protegerse bastante bien. Tengo más curiosidad por los efectos de inductancia de cables más largos y tiras de LED. Mi simulación LTspice se vuelve loca cuando agrego esto.

Respuestas (2)

Opciones de diseño que deben incluirse en sus especificaciones de diseño;

  1. Opciones de suministro

    • corriente, caída de voltaje, costo
    • Los suministros de controladores LED personalizados cuestan aproximadamente lo mismo por unidad de vatio, por lo que un voltaje más alto como 24 V para reducir el costo del cobre en el circuito flexible en pérdidas de conducción en cada ruta y retorno común o incluso más alto si hay más de 1 amperio por puerto usando 12 V. En Japón, es común ver suministros de alrededor de 100 V CC para controlar LED COB con controladores de lado bajo de bajo voltaje con corriente regulada y PWM con un filtro LC.
    • Los suministros ATX son baratos con $0.15/W con la parte de 12 V de la fuente de alimentación, esto es menos que el costo de los LED por vatio, pero una parte significativa. No comprometa la confiabilidad aquí.
    • Los suministros limitados de CC para cada puerto son los mejores para que la corriente esté regulada mientras que la variación de Vf puede ser del 10% con la misma corriente. Esto se puede hacer con la retroalimentación del sentido actual.
    • interfaz de control de dimmer Se pueden elegir muchas opciones por diseño, incluyendo I2S, uC PWM, control digital RS-485 a DAC o interfaz de control de 0 a 10 V para control analógico. Esto depende de los requisitos de la interfaz de usuario para el control remoto.
  2. Protección del medio ambiente: IPxy x de objetos, y para agua

    • IP20 (protección básica del tamaño del dedo)
    • IP54 (protección limitada al polvo y salpicaduras de agua)
    • IP65 (protección total contra el polvo y agua a baja presión)
    • IP68 (protección total contra el polvo e inmersión en agua 1m+)
  3. Protección EOS
    • rayos dispersos inducidos para uso en exteriores
    • protección contra descargas electrostáticas durante el montaje
    • esto es más necesario cuando los LED están APAGADOS cuando hay alta impedancia y son susceptibles a campos negativos inducidos o descargas en cables o contactos largos. Solo es más sensible a voltajes negativos por debajo de -5V para dañar o -15V si es una cadena de 3 LED.
    • la mejor manera de proteger los LED es un diodo con polarización inversa entre el controlador y el riel conmutado. El riesgo depende de la exposición y la frecuencia de los rayos por año. esto también previene el potencial
  4. Tenga cuidado con la intensidad luminosa y la calidad de las especificaciones del proveedor.
    • Los vatios no siempre se traducen en colores precisos, ya que puede haber una diferencia de orden de magnitud en el LED de potencia rojo y azul que tiende a ser más costoso y de menor eficacia en los LED combinados y también más costoso combinar 3 productos químicos diferentes en un chip epitaxial. Elija hojas de datos acreditadas de fuentes de marca como Cree o las de Japón, TW o Corea y compare.
    • para una buena herramienta, compre un medidor de intensidad luminosa con corrección CIE > $ 50 o por $ 5 compre un sensor fotográfico de 5 mm con corrección CIE de Panasonic y opere usando 5 V de una batería de 9 V con un LDO en una resistencia de carga de ganancia en un DMM barato con una difusión > 1 cm área para capturar la luz LED para la prueba.
    • también tenga en cuenta que la temperatura del color cambiará con el envejecimiento, ya que cada LED puede degradarse a diferentes velocidades según la temperatura de funcionamiento y la duración utilizada. LM70 es el estándar utilizado para los LED blancos, pero los LED RGB tienen el mismo problema. A menudo, el fósforo envejece un poco más en los LED blancos, por lo que llamamos a esto un pequeño aumento en CCT o cambio al azul.

En cuanto a la percepción del brillo, nuestros ojos tienen un rango dinámico muy amplio, pero las imágenes de TV están limitadas a unas 2 décadas de rango. Sería muy difícil reconocer una pérdida del 30% en la potencia visual de vez en cuando, ya que nuestros ojos se ajustan continuamente y necesita una referencia para comparar. Sin embargo, los pequeños cambios en los LED junto con variaciones de diferentes longitudes de onda o intensidades se ven fácilmente en las vallas publicitarias LED de pantalla grande debido a la proximidad. En resumen, reconocer las diferencias es mucho más fácil que los valores absolutos. Esto a menudo se debe a las especificaciones de costo versus tamaño de contenedor de las opciones del proveedor. un rango de 3:1 de intensidades de LED puede existir fácilmente en la producción abierta, pero existe una calidad de contenedor único del 10 % con un valor superior, por lo que la selección y las especificaciones del proveedor dependen en gran medida de la aplicación y la capacidad para reconocer las diferencias. Si conducía en un túnel de LED con una cadena de LED a lo largo de la carretera y pagó mucho por la instalación, es posible que critique al proveedor si alguno parece descolorido o de intensidad insuficiente. (Tuve un cliente como este y muy pocas quejas en un millón de LED durante 10 años, la mayoría de ellas en el rango de 1 Cd/mA a 20 ~ 30 grados).

Como es un proyecto de pasatiempo, es para la automatización del hogar: el atenuador tendrá un panel táctil construido alrededor de la misma MCU (MCU separadas debido a consideraciones de diseño), pero ese es un tema aparte. También para el control remoto, planeo usar los módulos Bluetooth de Microchip y una aplicación de Android. Sé que el puerto serie Bluetooth no funcionará con iOS, pero eso no es un problema.
Un amigo mío de EE a principios de los 70 inventó un gran atenuador. Un movimiento de la mano dentro de unas pocas pulgadas podría controlar la intensidad de la lámpara hacia arriba y hacia abajo muy rápido o lentamente o encender y apagar por completo con un gesto de movimiento de la mano. Detectó e-Field de 60 Hz como un método de detección sin contacto cerca del panel de pared mediante acoplamiento de capacitancia con contadores ascendentes/descendentes y control de fase Triac. Luego, más tarde, para mi tesis, inventé un controlador activado por sonido de 2 secuencias para tetrapléjicos que podían silbar o bloquear en un tubo para seleccionar un LED de escaneo lento en una pantalla de matriz para marcar un teléfono o encender una luz.
¿Algo parecido a como se controla un Theremin?
Más como un teclado de piano electrónico sensible a la velocidad. Theremin era un oscilador de relajación con FM modulada pF. Esto utilizó una amplitud de campo E de 60 Hz para AM.

Algunos puntos. La mayoría de los proyectos, incluso los productos comerciales, no se molestarían en monitorear el suministro de 12V con el microcontrolador. Omita el controlador mosfet y encuentre algunos mosfet que funcionen para 3 amperios a voltajes de puerta de nivel lógico. Esto reduce la complejidad y el número de piezas. La protección contra sobrevoltaje no es necesaria si no es descuidado con el diseño y no espera que alguien conecte el suministro incorrecto. Sobrecorriente, podría arrojar un fusible reiniciable PTC para un fusible fundido estándar si está realmente preocupado. La protección ESD es un poco exagerada para un proyecto de tira de LED.

El controlador de tira de led típico solo necesita 4 o 5 partes. Fuente de voltaje, regulador para el microcontrolador, microcontrolador, n-fets y tira de led. Más que eso y lo estás sobredimensionando.

La mayoría de los mosfets de nivel lógico, incluso aquellos con un voltaje de umbral de alrededor de 1.5V, tienen una fuerte disminución de Rdson hasta 4-5V, esa es la razón por la que estoy pensando en usar el controlador. Como alternativa, tendría que sobrecargar severamente los mosfets. Además, esto pretende ser una experiencia de aprendizaje, actualmente estoy en la etapa de complicar las cosas en "de la simplicidad a la complejidad a la simplicidad" si conoce el concepto.
Mire la Figura 12. en mouser.com/ds/2/302/PSMN011-30YLC-102461.pdf , y hasta donde yo sé, es bastante decente para un mosfet de nivel lógico. En cuanto a la irrupción, ¿se supone que debo depender de que el suministro se proteja a sí mismo?