Drivers para LEDs (I)

La entrada de hoy viene motivada por forolinternas, que un usuario quería alimentar un foco de 4 LEDs en serie con 12V y por lo visto frió el driver original.
En principio, por lo que he entendido se trata de un sistema alimentado con batería de plomo, como un coche, por lo que la tensión irá entre 12.5-14.4V.
A lo largo de la entrada utilizaré driver en vez de regulador dado que no me refiero a los reguladores en general sino a los específicos para LEDs en linternas y dispositivos "pequeños".

LED y driver de linterna. Imagen de una web de compraventa

¿Driver lineal o conmutado?

Cuando la tensión de los LEDs es mucho menor que la de la batería, es necesario utilizar un driver conmutado, para minimizar las pérdidas. En caso de que la tensión de los LEDs sea mayor que la de batería, es necesario que el driver sea un elevador. Un caso típico es el "joule thief" o cualquier circuito que permita alimentar leds con una simple AA.
La eficiencia de un regulador conmutado (para lintena) suele estar sobre el 85%, aunque se puede llegar a más del 90% utilizando chips específicos, aunque no suele ser el caso habitual debido al mayor coste de los mismos. Los reguladores lineales básicamente disipan toda la tensión "en exceso", por lo que la eficiencia dependerá de la configuración exacta.
Es por ello que podremos utilizar esa relación de 0.85 para decidir entre un driver lineal o conmutado: si la tensión del LED entre la de la batería es menor a 0.85 usaremos un driver conmutado.

Ejemplo A: linterna con 3 LEDs CREE XM-L en paralelo a ~1A de corriente cada uno, alimentada por 2x18650 en serie. Con una tensión en el led de 3V y una tensión en las baterías de 2x3.8V tendríamos 3V/7.6V=39%. Esa sería la eficiencia de un regulador lineal, por lo que esta claro que es mucho mejor utilizar un regulador conmutado.

Ejemplo B: linterna con 1 LED CREE XM-L a 3000mA de corriente, alimentada con 1x18650 de litio. En este caso la tensión del led es de 3.35V, y con 3A cabe esperar que la tensión en la batería caiga sobre 0.2V, por lo que en este caso, con unas baterías a 4V tendríamos: 3.35V/3.8V=88%. Cuanto más descargada o vieja la batería, mayor caída de tensión, por lo que finalmente sería mejor usar un regulador lineal.

Ejemplo C: La misma linterna del caso anterior, con el LED alimentado A 2W (700mA). En este caso la tensión del led es de 2.85V, y las baterías no sufrirán tanta caída de tensión, por lo que tendríamos: 2.85V/4V=71%, por lo que en este caso nos beneficiaríamos de utilizar un regulador conmutado.

Algunos drivers típicos:

Driver típico para MR16, basado en MC34063.

El MC34063 es un chip más que antiguo, y muy utilizado en drivers para bombillas de 3x1W a 12V, que se encarga de convertir los 12V alternos de entrada a una salida de corriente constante de 300mA aproximadamente.
Aquí esta el datasheet, y aquí hay una nota de aplicación.
Se puede conseguir relativamente barato en tiendas de electrónica, aunque a veces sale más a cuenta comprar un driver para MR16 por menos de 1€ ya que probablemente traiga uno.
Remarcar un par de detalles: la corriente de pico del integrado original es de 1.5A, puede ser que el que venga en las placas sea una imitación. La corriente de pico viene determinada por el esquema utilizado relación de conversión entrada/salida, la bobina... pero NUNCA corresponde a la de salida, en este sentido es completamente diferente de los lineales.

Driver típico MR16. Se ven los 4 diodos de rectificación y el chip

Driver típico MR16. Se ve el diodo de 'freewheeling', bobina y condensador

Si quisiéramos mejorar la eficiencia para alimentarlo con tensión continua (por ejemplo, con baterías de plomo, o en un coche), quitaríamos los 4 diodos y cambiaríamos la bobina por una algo más vitaminada. (A ver si hago una comparativa con vídeo un día)

Driver lineal integrado típico, el AMC7135.

El AMC7135 es un driver bastante típico configurado como "consumidor de corriente" (En la sección "Circuito consumidor de corriente" de esta entrada se puede ver cómo funciona internamente un circuito similar).
El datasheet esta disponible aquí.

AMC7135, conexionado y pines

Como es lineal, el AMC7135 disipará los 350mA multiplicado por la tension que el LED no necesite. Por ejemplo, con un LED de 3V y alimentándolo a 6V, estaría disipando (6-3)*350 =1W, es decir, tendríamos una eficiencia del 50%: gastaríamos el doble de energía que la necesaria para el LED.

Estructura interna del AMC7135

La estructura interna es similar a la que se utilizaba en esta entrada, pero la tensión mínima entre OUT y GND es de 0.15V aproximadamente (mucho mejor que la presentada en la entrada comentada).
Algunos puntos importantes son:

• El nodo de Vdd alimenta el circuito de control, pero no tiene por qué estar conectado a OUT
• El consumo en Vdd es muy bajo (<1mA) por lo que se puede utilizar para controlar el encendido (como hacen muchos drivers para linternas) aplicando una señal PWM al pin de Vdd.
• La tensión del dispositivo está limitada a 2.7-6V

El dispositivo es muy interesante, no obstante, como no soporta más de 6V, no se puede utilizar directamente en aplicaciones a 12V

Utilizando un AMC7135 a 20V: añadiendo protección:
La solución más simple basada en AMC7135 es simplemente bajar la tensión de alimentación y proteger la salida para evitar tensiones elevadas. Bajar la tensión de alimentación es tan fácil como utilizar un led blanco o azul (3-3.6V), dos leds rojos en serie (2x1.8V) o un zener (montados con la polaridad invertida respecto al led). La ventaja del zener es que ya que compramos para la salida, podemos comprar otro para la entrada.
El esquema sería el de la siguiente figura:

Protegiendo un AMC7135 para funcionar a 20V

La resistencia se tendrá que calcular para unos 5-10mA [con (Vin-Vdd)/7mA], por lo que para 20V de entrada, si usamos un led azul, pondríamos 3.3k, o 2.2k para un zener de 4V7

El problema principal de esta solución es que la disipación en el AMC puede llegar a 1.6W, y si la tensión de entrada superara en 4.7V la de la cadena de leds se podrían destruir. Además, no tienen porqué llegar a apagarse si la corriente de fugas en el zener es lo suficientemente alta para la tensión de entrada. La ventaja, es que puede funcionar con una tensión de alimentación sólo 0.15V por encima de la de la cadena de leds, por lo que siempre se pueden añadir LEDs para mantener la tensión en el nodo de salida del AMC lo más bajo posible y aumentar la eficiencia.


Utilizando un AMC7135 a 24V: esquema cascodo (desaconsejado):
Una solución típica en electrónica con dispositivos sensibles es el modo cascodo, en el que se pone encima del dispositivo sensible uno que hace de buffer haciendo trabajar al primero en una zona "adecuada".
En este caso se usa un transistor NPN para hacer de buffer del AMC, manteniendo la tensión de salida a 0.6V y propagando los 350mA regulados por el AMC.
Idealmente, ese esquema podría funcionar para cualquier tensión, pero el transistor NPN deberá disipar el exceso de potencia. El circuito se ha diseñado para que el AMC7135 disipe sobre 1/4W.

Añadiendo un Cascodo al AMC7135

El valor de los componentes no es crítico: la resistencia Rlim deberá tener el valor adecuado para dar unos 12mA, o sea unos 1.8k en este caso (Rlim=(24V-3V)/12mA), y el transistor ha de tener una beta mayor a 50 a 350mA, y ha de ser capaz de disipar la potencia 350mA * (24V - Vleds-0.6V).
En este caso concreto, con leds de 3.3V@350mA:  Vleds = 19.8V, el transistor disipará (24-20.4)*0.35 = 1.3W. Para esa potencia, podemos utilizar un BD135 con un pequeño disipador (puede ser un trozo de chapa) o un TIP31C.

Problemas de esta solución: es compleja, requiere múltiples componentes extra y no ofrece ninguna ventaja respecto al esquema de consumidor de corriente típico ya enlazado antes.

Haciendo dimming del AMC7135.

La ventaja de todo lo relacionado con los LEDs es que el ojo humano en teoría no es capaz de detectar cambios que sucedan más rápido que 25Hz, por eso las TV funcionaban en modo entrelazado a 50Hz, ofreciendo los 25fps habituales (60Hz/30fps en otros paises).
No obstante, sí que es verdad que se puede llegar a percibir una cierta molestia cuando las oscilaciones son a baja frecuencia, por lo que es mejor subir las oscilaciones por encima de 100Hz.
¿A qué viene todo esto? Pues a que se puede implementar un mecanismo de control de intensidad de luz utilizando el pin de PWM de un microcontrolador para encender y apagar un AMC7135. Esto es práctica habitual de drivers de linternas  (como el Nangj105), que en lugar de implementar un convertidor conmutado utilizan uno o varios AMC7135 en paralelo controlados con un microcontrolador. En algunos casos incluso prescinden del AMC7135 y utilizan un mosfet con resistencias para limitar la corriente maxima.

Nangj101, basado en microcontrolador Atmel y AMC7135

Si recordamos la entrada de Arduino y PWM en el ATmega328, la frecuencia máxima del PWM en los timer0 y 2 es de 62.5kHz, y con ellos obtenemos 255 niveles de intensidad. Si utilizáramos un driver basado en 8x AMC7135 en paralelo, la corriente máxima sería de 2.8A, y podríamos regularlo en saltos de aproximadamente 11mA, precisión más que suficiente. La frecuencia máxima no dependerá del PWM sino de cómo de rápido el AMC7135 se deje controlar, utilizar frecuencias muy elevadas puede provocar que el AMC no llegue a activarse en los puntos de corrientes más bajas, o no se desactive cuando debería.
Cuando pueda haré una captura con el osciloscopio del 7135 controlado por un ATmega328, para ver hasta qué frecuencia funciona de forma correcta.