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LEDS FLASH

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La implementación de flash LED en teléfonos con cámara. Según Yeo Boon Keng, Ko Choon Guan y Shereen Lim de Agilent Technologies, se deben considerar varios criterios térmicos, ópticos, mecánicos y eléctricos al diseñar un flash LED para un teléfono con cámara.

Publicado en: 7 de abril de 2005 Por Yeoh Boon Keng, Ko Choon Guan y Shereen Lim

Leds flash y sus inicios

El primer teléfono con cámara se introdujo en Japón en noviembre de 2000. En el primer semestre de 2003, se enviaron 25 millones de teléfonos con cámara a todo el mundo, por primera vez superando el número (20 millones)  de cámaras digitales convencionales, según American Technology Research.

La firma predice que los teléfonos con cámara continuarán vendiendo más que las cámaras digitales a partir de ahora. Módulo Flash AgilentLos teléfonos con cámara “estándar” de hoy ofrecen una resolución de 640 x 480 píxeles, para un tamaño de imagen de 0,3 megapíxeles.

A principios de 2004, los teléfonos con cámara de última generación presentaban una imagen de 1600 x 1200 píxeles (aproximadamente un tamaño de imagen de 2 megapíxeles) junto con la capacidad de tomar videoclips cortos y el uso de tarjetas de memoria extraíbles.

Algunos teléfonos de 2 megapíxeles también incluyen características como el enfoque automático. Un fabricante ha anunciado que presentará un teléfono con cámara de 7 megapíxeles a mediados de 2005. Como los teléfonos con cámara ahora se utilizan como cámaras digitales “serias” los usuarios esperan poder tomar fotografías de calidad en condiciones de poca luz.

Aquí es donde se agrega una pequeña fuente de iluminación que no agotará rápidamente la batería del teléfono celular.

¿Por qué elegir flash LED para teléfonos con cámara?

Hoy en día, hay dos opciones disponibles para los flashes de foto de cámara digital: el tubo de flash de xenón (ampliamente utilizado en todas las formas de fotografía) y los LED blancos.

Cada uno ofrece características y beneficios únicos, y posee ventajas en diferentes segmentos del mercado de cámaras digitales. El flash de xenón se utiliza prácticamente de manera universal tanto para cámaras de película como para cámaras fotográficas digitales autónomas (DSC) debido a su alto brillo.

La iluminación LED blanca es la opción para la mayoría de los teléfonos con cámara.Agilent HSMW-C860.

Básicamente, un flash de xenón es un sobre de vidrio cilíndrico lleno de gas xenón. Se necesitan multi-kilovoltios para alcanzar el potencial de descomposición del gas, antes de generar una alta oleada de corriente a través del gas xenón, produciendo luz intensa.

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Por otro lado, los LED son dispositivos de corriente en los que la salida de luz depende directamente de la corriente directa que pasa a través de ellos. Los LED se pueden iluminar más rápido que cualquier otra fuente de luz, incluido el xenón, y tienen tiempos de subida muy cortos, en el rango de 10 a 100 ns.

La luz blanca es producida por la combinación de los fotones azules emitidos por un chip InGaN hacia adelante y Luz amarilla, resultado de la excitación de fósforo por fotones azules. La calidad de iluminación resultante es comparable a la de las lámparas fluorescentes blancas frías, con un índice de reproducción de color cercano a 85.

La salida de luz máxima de un LED está limitada en la mayoría de los casos por la corriente directa promedio máxima que puede manejar, que está determinada principalmente por la combinación de la capacidad de disipación de energía de la combinación de chip/paquete de LED y el rendimiento de cualquier disipador de calor al cual está adjunto.

En aplicaciones de flash, el LED puede operarse desde una corriente pulsada con un ciclo de trabajo muy corto. Esto permite que la corriente y, por lo tanto, la salida de luz aumente significativamente durante los pulsos reales, mientras se mantiene el nivel de corriente promedio del LED y la disipación de energía dentro de sus clasificaciones de seguridad.

En las cámaras fotográficas digitales, se necesita un flash de alto brillo, y el tamaño y el consumo de energía son menos significativos porque una cámara fotográfica digital puede proporcionar más espacio para el circuito de accionamiento requerido y su capacidad de la batería se dedica exclusivamente al funcionamiento de la cámara y el flash.

Sin lugar a dudas, un flash de xenón es la mejor opción para una cámara fotográfica digital. Por otro lado, un flash LED ofrece un menor consumo de energía con los circuitos de accionamiento que ocupa muy poco espacio. Además, no hay una interferencia electromagnética significativa (EMI) generada por la conducción de un flash LED.

LEDS FLASH
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Estas ventajas ayudan a impulsar el uso de un flash LED en teléfonos con cámara. Y, por supuesto, el mismo flash LED también puede operarse como una fuente de luz continua, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de video y como una linterna gratuita incorporada en el teléfono. La Figura 1 resume las diferencias entre un xenón y un flash LED.

Selección de LEDs para aplicaciones de flash de teléfono con cámaraHay una serie de ensamblajes de LED diferentes que los fabricantes especifican para el funcionamiento del flash de la cámara y no existen estándares eléctricos o de empaque en el mercado de los flash LED.

Los diseñadores que no están familiarizados con el diseño de flash LED pueden tener dificultades para seleccionar un conjunto de LED apropiado y pueden descubrir problemas posteriores si diseñan un conjunto inadecuado.

Hay una serie de criterios que deben considerarse al diseñar un flash LED en un teléfono con cámara.

  • Características ópticas
  • Diseño eléctrico, simplicidad y flexibilidad.
  • Capacidad de pulsación
  • Posibilidad de conectar en cascada los módulos para una mayor salida de luz
  • Consideraciones térmicas
  • Consideraciones de fabricación y montaje: particularmente la compatibilidad de un módulo LED con los procesos de fabricación.

Características ópticas

La mayoría de los módulos de cámaras digitales que se utilizan actualmente en teléfonos con cámara tienen un campo de visión de 50 a 60 grados y necesitan un mínimo de 3 a 5 lux para capturar una buena imagen. Por lo tanto, un flash de cámara con un ángulo de iluminación de 50 a 80 grados es óptimo.

Un ángulo de iluminación superior a 80 grados hará que una parte de la luz caiga fuera de la cobertura de la cámara, y se utilice la luz de forma insuficiente desde el LED. A la inversa, un flash con un ángulo de iluminación más pequeño puede causar áreas oscuras en las esquinas de la imagen capturada.

La mayoría de los montajes de LED destinados a aplicaciones de flash de cámara en el mercado ahora tienen ángulos de iluminación amplios. Existen técnicas para ajustar el ángulo de iluminación mediante el uso de ópticas secundarias, sin embargo, existen dos inconvenientes principales en la adición de ópticas para este propósito.

Primero, la óptica secundaria causará una pérdida de aproximadamente el 12 por ciento de la luz debido a la eficiencia de conversión. En segundo lugar, el uso de la óptica secundaria aumenta el costo de la cámara, ocupa espacio adicional y complica el proceso de fabricación y diseño.

Agilent ha desarrollado fuentes de luz LED blancas de alto brillo, los módulos de flash HSMW C830 / C850 Agilent, que están diseñados específicamente para satisfacer los requisitos reales de los módulos de cámara de teléfono con cámara.

Su exclusivo diseño de cúpula concentra la salida de luz del LED para formar un patrón de radiación Lambertiano de 60 grados, maximizando la salida de luz que cae dentro del campo de visión típico de una cámara. No se necesitan ópticas secundarias para redireccionar la salida de luz. Tanto el eje mayor como el menor producen patrones de radiación similares.

La mayoría de los flashes LED de hoy tienen más de una matriz LED en un solo paquete. Es común que los dados se degraden con el tiempo, y los dados individuales se degraden a diferentes velocidades. Este fenómeno puede alterar el patrón de radiación del flash.

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El módulo flash de Agilent tiene esta característica incorporada en su diseño óptico. El diseño del domo garantiza que el patrón de radiación del paquete general se mantenga constante, independientemente de cualquier cambio en el brillo relativo de cualquiera de las cúpulas individuales.

El módulo tiene solo dos terminales, ánodo y cátodo. Cada módulo incorpora tres matrices LED InGaN; los dados están conectados en paralelo (HSMW-C830) o en serie (HSMW-C850) dentro del módulo. La figura 2 muestra cómo se puede integrar un flash LED en un teléfono con cámara.

Diseño eléctrico de un flash LED

La batería de iones de litio en los teléfonos móviles es una fuente de voltaje con una salida de voltaje que varía según la cantidad de energía que contiene (generalmente entre 2.8 V y 4.2 V). Dado que el LED es un dispositivo de corriente, se recomienda encarecidamente que se maneje con una fuente de corriente constante para obtener una salida de luz constante.

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La integración de un convertidor de CC a CC entre la batería y el flash LED es una buena solución para esto. El convertidor de la bomba de carga (Figura 3) y el convertidor de aumento de voltaje son dos posibles topologías de convertidor CC-CC adecuadas para impulsar un flash LED.

Capacidades pulsantes

La duración necesaria de la iluminación del flash varía según los requisitos particulares de los módulos de cámara específicos. Mientras la iluminación no sea inferior al período de encuadre de la imagen del módulo, no se degradará la calidad de la imagen.

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Típicamente, 200 a 300 m de iluminación es suficiente.Un módulo de flash Agilent puede manejarse hasta 180 mA para un ancho de pulso de menos de 200 ms, lo que proporciona un brillo de 10 lux. En funcionamiento continuo, la corriente máxima permitida es de 80 mA, lo que produce un brillo de alrededor de 6 lux. La Imagen muestra la relación entre la corriente pico máxima y el ancho de pulso.

Instalación en cascada

Agilent ha diseñado el HSMW-C850 para que pueda conectarse en cascada tanto mecánica como eléctricamente. El paquete está diseñado deliberadamente para ser delgado, de modo que si el diseñador quisiera conectar dos módulos en cascada para duplicar la salida de luz disponible, la combinación ocupará un mínimo de espacio.

Si los módulos se colocan en cascada verticalmente, la combinación es de solo 7.0 mm x 4.4 mm. Algunos módulos de flash LED en el mercado tienen dimensiones de 5.0 mm x 5.0 mm, de modo que dos en cascada ocuparán aproximadamente 10.0 mm x 5.0 mm.

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La mayoría de los módulos de flash LED tienen los LED conectados en una configuración de ánodo común. La conexión en cascada en serie requerirá que el conductor maneje tanto corriente alta como alta tensión, mientras que la conexión en cascada en paralelo causará problemas potenciales con las variaciones en su salida de luz debido a la división de corriente desigual entre los dos módulos.

El HSMW-C850 tiene los tres chips conectados en serie. Si se está conectando en cascada, solo es necesario ajustar el voltaje sin cambiar la corriente del variador y no hay duda de que dos módulos no reciben la misma corriente.

Además, los convertidores elevadores disponibles en el mercado favorecen la unidad de baja corriente con alto voltaje de cumplimiento en lugar de la unidad de alta corriente con bajo voltaje de cumplimiento, debido al ahorro en la potencia general.

Consideraciones térmicas

Los módulos flash pueden generar una cantidad considerable de calor durante la operación, por lo que el manejo térmico debe considerarse durante el proceso de diseño. La mayoría de los diseñadores de dispositivos prefieren utilizar un circuito impreso flexible (que no es un buen disipador de calor) en lugar de material de PCB FR4 debido a la restricción de espacio.

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El módulo de flash de Agilent tiene una baja resistencia térmica del paquete que puede disipar eficazmente el calor generado por los LED. El módulo puede iluminarse durante hasta 5 segundos seguidos a 80 mA a una temperatura ambiente de +55 ° C.

La última consideración para elegir un flash LED es asegurarse de que sea compatible con el proceso de reflujo de soldadura IR. Un dispositivo que no puede soldarse por reflujo requiere soldadura manual, lo que aumenta el costo y el tiempo de fabricación. La imagen muestra el perfil de reflujo recomendado para los módulos flash de Agilent.