/ por Administrador CEI

Juan Rodríguez Méndez – Carlos González López – Manuel Arias Pérez de Azpeitia

Universidad de Oviedo, Grupo de Sistemas Electrónicos de Alimentación. Luminalia Ingeniería y Fabricación S. A.

1. Antecedentes y objeto de la ponencia

En la actualidad, el uso de sistemas de comunicación inalámbrica es esencial para la sociedad. Reflejo de ello es el hecho de que el tráfico de datos móviles haya crecido exponencialmente durante la última década debido al constante uso de estos sistemas de comunicación y a que la velocidad demandada por las aplicaciones más utilizadas (video bajo demanda, videollamadas, servicios basados en la nube, etc.) está creciendo muy rápidamente. Además, se espera que esta tendencia se mantenga o incluso aumente en los próximos años al ser empujada por temas emergentes, como internet de las cosas (Internet of Things, IoT) o smart cities, que se basan en interconectar de forma inalámbrica a las personas y distintos elementos colocados en su entorno (ropa, coches, iluminación, etc.). Como consecuencia, el espectro radioeléctrico (Radio Frequency, RF) está saturándose, lo que lleva a la necesidad de investigar nuevas tecnologías que posibiliten el tráfico de datos previsto para los próximos años.

La comunicación por luz visible (Visible Light Communication, VLC) es una de las opciones más prometedoras para reducir la saturación de espectro RF. Este sistema de comunicación inalámbrica utiliza el amplio y libre espectro de luz visible (430-750 THz) para transmitir la información. El punto fuerte de esta idea aparece cuando se combina la comunicación con la función de iluminación mediante los diodos emisores de luz de alto brillo (High-Brightness Light Emitting Diodes, HB-LEDs) empleados en oficinas y hogares. De esta manera, la infraestructura de iluminación existente se puede modificar parcialmente para incorporar la capacidad de comunicación.

La iluminación y comunicación se consigue haciendo circular una forma de onda de corriente a través de los HB-LEDs cuya componente DC determina el nivel de iluminación, mientras que las variaciones (es decir, la componente AC) representa la información a transmitir (ver Fig. 1). Esta forma de onda de corriente se traduce en una forma de onda de intensidad de luz proporcional, cuyas variaciones son imperceptibles por el ojo humano debido a la rapidez de los cambios. Posteriormente, un receptor basado en el uso de un fotodiodo transforma la intensidad de luz incidente en una tensión proporcional que es demodulada digitalmente.

El driver de HB-LEDs es una de las partes más importantes del transmisor VLC. Es responsable de dos tareas: controlar la polarización de los HB-LEDs para garantizar el nivel de iluminación deseado, y reproducir la señal de comunicación de forma precisa. Un punto clave que en general no se tiene en cuenta en la literatura de VLC es que el alto rendimiento energético de la iluminación HB-LED se debe tanto al alto rendimiento del HB-LED al convertir la potencia eléctrica en potencia óptica, como al alto rendimiento del driver que procesa la potencia eléctrica. Por tanto, el driver de HB-LEDs para VLC debe cumplir las dos tareas anteriormente mencionadas consiguiendo un alto rendimiento energético. Por lo general, los drivers que han sido propuestos hasta la fecha están formados por un convertidor de potencia conmutado de CC/CC (Switching-Mode Power Converter, SMPC) de respuesta lenta que polariza los HB-LEDs y un amplificador de potencia lineal (Linear Power Amplifier, LPA) que reproduce la señal de comunicación. El uso del LPA se debe a que proporciona una linealidad y un ancho de banda suficientemente altos como para reproducir fielmente la señal de comunicación. Sin embargo, el uso del LPA daña uno de los mayores beneficios de la iluminación HB-LED: el alto rendimiento energético. El problema es que un LPA Clase A o AB alcanza un rendimiento energético muy bajo (entre el 10% y el 40%). Además, el problema no es sólo la penalización del rendimiento, sino también la necesidad de implementar un sistema que refrigere el LPA.

El objetivo del trabajo es desarrollar soluciones que alcancen un alto rendimiento energético y, para ello, los drivers que se proponen estarán basados exclusivamente en el uso de SMPCs.

2. Desarrollo y contenido de la ponencia

Está previsto que la ponencia se dividida en 5 secciones. La primera de ellas es una introducción a VLC en la que se explican los puntos más importantes de esta tecnología. El capítulo incluye la descripción del principio de operación, los esquemas de modulación empleados y la caracterización de los HB-LEDs desde el punto de vista de la transmisión (ancho de banda, linealidad, etc.). Además, en esta sección se explica en detalle uno de los cuellos de botella que está ralentizando la implantación de VLC: el bajo rendimiento energético de los drivers de HB-LEDs que han sido propuestos hasta la fecha.

En la segunda sección se explora el uso de SMPCs como drivers de HB-LEDs para transmisores VLC con el objetivo de mejorar el rendimiento energético. Se estudia la relación entre la intensidad de luz, la corriente y la tensión de un HB-LED, y se detallan los requisitos para controlarlo. Después se estudia cómo incorporar el driver a la infraestructura de iluminación existente en hogares y oficinas. Por último se propone el uso de SMPCs modulados por ancho de pulso (PWM-SMPCs) para polarizar los HB-LEDs y amplificar la señal de comunicación.

Diseñar un PWM-SMPC capaz de cumplir los requisitos de un driver de HB-LEDs para VLC no es trivial. Aunque desde un punto de vista teórico se podría utilizar un convertidor reductor como driver, éste presenta varios problemas que dificultan su implementación práctica. Los dos mayores inconvenientes son la alta frecuencia de conmutación requerida para alcanzar el ancho de banda demandado, y la capacidad de realizar cambios muy pequeños de la tensión sobre los HB-LEDs para reproducir fielmente la señal de comunicación. Por ello, en la tercera sección se estudian tres topologías derivadas del convertidor reductor que son muy interesantes para VLC puesto que pueden aliviar los dos problemas comentados anteriormente. Después se presenta el diseño de un driver basado en esas tres topologías. En la parte experimental se describen varios prototipos implementados y las distintas pruebas llevadas a cabo. A modo de ejemplo, Fig. 3 muestra uno de los prototipos de PWM-SMPC desarrollados (frecuencia de conmutación de 10 MHz y rendimientos superiores al 90%) junto con las principales formas de onda experimentales.

Emplear un PWM-SMPC como driver es una opción interesante para evitar el uso de LPAs, los cuales causan un bajo rendimiento energético. Sin embargo, las topologías recomendadas para conseguir una frecuencia de conmutación no excesivamente elevada y para lograr la precisión exigida en la tensión de salida conllevan el empleo de diseños muy complejos. En la cuarta sección se presenta un método que ha sido especialmente concebido para su uso en VLC. Consiste en utilizar el rizado de la tensión de salida de un SMPC para reproducir la señal de comunicación. Esta estrategia permite reducir la frecuencia de conmutación y la complejidad de la etapa de potencia. A modo de ejemplo, Fig. 4 muestra uno de los prototipos de SMPC basado en la técnica de modulación del rizado junto con el rendimiento obtenido en función del nivel de polarización de los HB-LEDs.

Finalmente, en la quinta sección se extraen las principales conclusiones del trabajo, valorando y comparado las distintas opciones de driver que se han comentado en el mismo.

3. Conclusiones

La saturación de los sistemas de comunicación inalámbricos que se prevé para los próximos años ha aumentado el interés por VLC. Desafortunadamente, esta tecnología presenta varios puntos débiles que están ralentizando su implantación. Uno de los mayores cuellos de botella es el bajo rendimiento energético de los drivers de HB-LEDs que han sido propuestos para ofrecer altos valores de bit rate. Para posibilitar las enormes tasas de tráfico previstas para los próximos años es imprescindible reproducir esquemas de modulación avanzados. Este trabajo se ha centrado en desarrollar soluciones eficientes energéticamente que sean capaces de reproducir dichos esquemas de modulación. Para ello, se ha optado por el diseño de drivers de HB-LEDs para VLC basados exclusivamente en el uso de SMPCs. Sin embargo, este objetivo no es trivial puesto que gobernar los HB LEDs de un transmisor VLC implica cumplir una serie de requisitos muy exigentes. Los dos puntos críticos son la necesidad de proporcionar un ancho de banda de unidades o decenas de MHz y tener la capacidad de realizar cambios muy pequeños de la tensión sobre los HB-LEDs.

Desde un punto de vista teórico, se podría utilizar un convertidor reductor para gobernar los HB-LEDs del transmisor VLC. Sin embargo, esta opción presenta varios inconvenientes que limitan su uso. Uno de los mayores problemas es la elevada frecuencia de conmutación requerida para proporcionar un ancho de banda suficientemente grande como para reproducir las señales de comunicación, lo que dificulta enormemente la implementación debido a las altas pérdidas de conmutación, la dificultad para gobernar los MOSFETs, etc. Además, la capacidad de realizar cambios muy pequeños de la tensión de salida de un SMPC disminuye al aumentar la frecuencia de conmutación. Un método interesante para reducir la frecuencia de conmutación requerida es regular el valor medio de la corriente que circula por los HB-LEDs en lugar de toda la corriente de salida, y reproducir la señal de comunicación en lazo abierto. Sin embargo, la frecuencia de conmutación requerida sigue siendo demasiado elevada y, como consecuencia, se opta por explorar PWM-SMPCs más complejos. La estructura multi-fase, la estructura flotante y los filtros de alto orden son tres estrategias que ofrecen características muy interesantes para ser utilizados en drivers de HB-LEDS para VLC. Las tres opciones permiten reducir la frecuencia de conmutación con respecto a un convertidor reductor convencional, lo cual conlleva un aumento del rendimiento energético y facilita la implementación práctica. Además, la estructura flotante minimiza la potencia procesada a alta frecuencia, incrementando el rendimiento energético aún más. Por otro lado, esta estructura también facilita la reproducción de la señal de comunicación dado que incrementa el rango de operación del ciclo de trabajo con respecto a un convertidor reductor convencional.

Por tanto, el uso de PWM-SMPCs es una opción interesante para gobernar los HB-LEDs de un transmisor VLC evitando el uso de LPAs, los cuales ofrecen bajos rendimientos energéticos. Sin embargo, las topologías recomendadas para poder operar con una frecuencia de conmutación asumible (es decir, suficientemente baja) y tener la capacidad de hacer cambios en la tensión de salida suficientemente pequeños son muy complejas, lo que dificulta su implantación. La técnica de RM es un método especialmente concebido para VLC que reproduce la señal de comunicación a partir del rizado de la tensión de salida del SMPC. Esta técnica puede ser implementada por medio de un convertidor reductor de dos fases con un filtro de alto orden que permite el paso tanto de la componente continua como del primer armónico de conmutación de las tensiones en los nodos de conmutación. El SMPC logra controlar la amplitud y la fase del primer armónico de conmutación del rizado de la tensión de salida aplicando la técnica de modulación de posición y ancho de pulso en cada fase del convertidor reductor. La técnica RM ofrece dos grandes ventajas con respecto a la opción basada en el uso de PWM-SMPCs: la frecuencia de conmutación requerida es menor, lo que reduce el impacto de las pérdidas de conmutación y alivia los problemas derivados de operar con frecuencias de conmutación muy elevadas; y la etapa de potencia es bastante simple.

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