STEP
UP.
Nell'alimentare
un LED abbiamo due elementi da considerare: la tensione di alimentazione e la
corrente assorbita.
Dovendo
partire da una tensione di batteria insufficiente per la Vf degli elementi da
accendere, come nel caso di una o due celle alcaline o una LiIon, è evidente che ci
occorre un convertitore DC/DC del tipo boost (step-up),
ovvero un elevatore di tensione.
Si tratta di un circuito che si può realizzare con un solo transistor, ma,
volendo ottenere risultati migliori e definiti, il
mercato offre una notevole quantità di circuiti integrati che possono
effettuare questa funzione. In genere si richiedono una minima quantità di componenti esterni.
Tipicamente l'hardware sarà simile a questo:
Il
sistema di controllo dello step up è concentrato in un unico componente IC1 a cui
vanno aggiunti la bobina L1 e il diodo D1. Per chiarezza,
possiamo dire che alcuni circuiti hanno il diodo D1 integrato, altri possono
richiedere un MOSFET interruttore esterno. Nello schema abbiamo un tipo che
integra il MOSFET, ma non il diodo, che è una soluzione abbastanza comune per
piccole potenze.
Sono necessari anche, al minimo, due condensatori a basso ESR, C1 e C2, rispettivamente
all'ingresso e alla uscita del convertitore.
Un circuito del genere ha la funzione specifica di mantenere costante una
tensione ai capi di C2, tensione maggiore di quella di alimentazione presente ai capi di
C1. La tensione in uscita è determinata o da elementi interni (boost a
tensione di uscita fissa) o da un partitore esterno, come nello schema, costituito da R1 e R2.
La tensione al centro del partitore viene confrontata con un riferimento di
precisione integrato, in genere dell' ordine del volt; se le due tensioni si
discostano, il circuito varia il comando del transistor interruttore per
ripristinare l'uguaglianza.
Variando le due resistenze possiamo ottenere una certa gamma di tensioni in
uscita, anche piuttosto ampia, rispetto ad una tensione in ingresso
minore.
Se
vogliamo accendere alcuni LED bianchi con Vf=3.4V avendo disponibile una
alimentazione ottenuta da due batterie da 1.5V, si calcolerà il partitore per
avere in uscita ad esempio 5V. I LED si collegheranno all'uscita con le relative resistenze
di limitazione, calcolate con la solita formula.
Abbiamo,
quindi, un alimentatore a tensione costante e la corrente nei LED è limitata
dalla rispettive resistenze in serie.
Possiamo
notare che IC1 dovrà essere in grado di erogare una corrente pari alla somma
delle correnti nei LED: se, ad esempio, abbiamo 8 LED da 20mA ciascuno
occorrerà in uscita una corrente di 160mA. Questo richiede un integrato in
grado di erogarla. Non che la cosa sia difficile: esistono componenti che possono
trattare vari ampere; ci si trova però con la necessità di avere un componente
"più grande" del necessario.
Infatti,
se pensiamo che il LED va considerato come funzionante in
corrente costante, piuttosto che a tensione costante, troviamo che l'accensione
di più elementi è meglio gestita se questi sono collegati in serie. La corrente
sarà uguale per tutti; per contro, si richiederà una tensione di
alimentazione superiore alla somma delle tensioni di conduzione dei singoli LED.
Anche
qui non ci sono particolari problemi, in quanto gran parte dei boost è
in grado di gestire in uscita tensioni abbastanza elevate, arrivando anche a
diverse decine di volt. Questo ci permette, ad esempio, di collegare in serie 8 LED con una Vf singola di 3.4V.
Nel collegamento serie, a priori, dovrò sapere la tensione di conduzione dei LED per impostare il
partitore in modo tale da ottenere una tensione adeguata; questo può essere
scomodo se ci troviamo ad utilizzare LED con un ampio margine di oscillazione della
Vf rispetto al valore nominale tipico.
Da
tensione costante a corrente costante.
Possiamo,
allora, fare una ulteriore considerazione; abbiamo detto che il pin FB (feedback) richiede una
tensione di ingresso da comparare con un riferimento interno: quando le due
tensioni sono uguali, l'uscita è stabile al valore impostato; altrimenti il
ciclo di commutazione interno sarà variato fino ad ottenere il valore voluto.
Ora, ai capi della resistenza in serie ai LED si forma una cdt pari al valore
della resistenza per la corrente che la attraversa: perchè non usare questa cdt
come tensione al pin FB?
Supponiamo
che il riferimento interno sia 1.23V. Una corrente di 15mA in una R6
da 82ohm produrrà proprio una cdt di 1.23V. Il convertitore agirà in modo da
mantenete costante la tensione ai capi di R6: abbiamo trasformato il
funzionamento da tensione costante a corrente costante.
In una configurazione del genere sarà possibile aggiungere LED fino alla massima
tensione erogabile dal convertitore, che manterrà comunque costante la cdt su
R6, ovvero la corrente, adeguando la tensione di uscita in modo automatico.
Questo
principio lo possiamo applicare senza problemi anche allo schema con i LED in
parallelo: basterà monitorare la corrente in un solo LED, essendo gli altri
uguali. La tensione di uscita sarà mantenuta costante per avere la corrente
costante richiesta nel LED1; questo si otterrà con una determinata Vout.
Essendo i LED e le resistenze serie uguali, questo farà circolare la stessa corrente in tutti
gli altri LED.
Disponendo
di un convertitore in grado di elevare la tensione ad un valore sufficiente, la
scelta del collegamento, a meno di altre problematiche, ci si indirizzerà sul collegamento serie, che
impiega un numero minore di componenti.
Questo
passaggio da tensione costante a corrente costante lo possiamo implementare con
moltissimi integrati step up.
Per mettere in pratica questi principi in un circuito
reale, utilizziamo
un boost LT1615 di Linear Technology. Si tratta di un componente per SMD in
package SOT23-5,
capace di funzionare con tensioni di ingresso da 1 e 15V ed ottenere in uscita in uscita fino a
36V, il che permette di accendere almeno 8 LED da 3.6V (o più LED a tensione
minore).
Lo
schema interno permette di afferrare meglio la struttura dell' integrato.
Notiamo che è disponibile anche un pin di
shutdown, che ci potrà essere utile come vedremo più avanti.
LT1615 usa un controllo off-time
costante . Riferendosi allo schema, Q1 e Q2 con R3 e R4 formano
il riferimento del bandgap usato per regolare la
tensione di uscita. Quando la tensione al pin di FB è maggiore di 1.23V, il
compratore A1 disattiva i circuiti interni. La corrente d'uscita è fornita dal
condensatore C2. Quando la tensione su FB è scesa, A1 accende lo switch Q3 e
la corrente in L1 comincia a salire. Una volta raggiunti i 350mA,
controllati da A2, Q3 si spegne 400ns, mentre L1 rilascia la corrente all'uscita attraverso il diodo D1.
Questa azione di commutazione continua finché la tensione in uscita non sia
stabilizzata, ovvero il pin FB non raggiunga 1.23V); inoltre, il chip contiene i circuiti supplementari per
assicurare un soft start e la protezione in caso di cortocircuito. Esiste anche in una versione LT1615-1 che limita la corrente del
commutatore a 100mA.
Date le elevate frequenze di commutazione, l'induttanza assume valori
piuttosto bassi (4.7-22uH), che, assieme alla limitata corrente gestibile dalla
switch integrato fa si che l'induttore fisico assuma dimensioni molto contenute
e tutto il circuito può essere compresso in meno di due centimetri quadrati.
Il foglio dati fornisce la formula per il calcolo del valore dell' induttanza
in funzione della differenza tra la tensione di uscita e quella di ingresso.
Se scegliamo la soluzione con i LED in serie, che saranno
attraversati dalla stessa corrente senza riguardo per le possibili tolleranze
delle Vf singole; la tensione di uscita sarà piuttosto alta, a seconda della quantità
di LED collegati. Questo è facilmente possibile dato che LT1615 può arrivare
fino a 36V in uscita. Per contro, la corrente erogata sarà proporzionalmente limitata.
In ogni caso sarà funzione della tensione di ingresso. Il foglio dati
fornisce alcuni diagrammi di riferimento; in generale, minore è la tensione in
ingresso, minori saranno le prestazioni ottenibili: LT1615 può avviarsi anche
con tensioni di 1.2V, ma per questa applicazione il funzionamento ottimale si ha
con tensioni da 2.5 a 4.7V.
Il
diodo serie sarà uno schottky, che deve avere una tensione di lavoro non
inferiore a 40V con una corrente di almeno 500mA. Nel prototipo sono stati
provati dei comuni SS14/SR14, facilmente recuperabili da schede di alimentatori.
In mancanza, si può usare anche un diodo al silicio, ma la sua caduta di
tensione in conduzione sarà maggiore, sottraendosi alla tensione di uscita.
Per
quanto riguarda i condensatori, come per tutte le applicazioni switch mode, assume particolare importanza il loro valore di
ESR; il foglio dati consiglia elementi ceramici non polarizzati che garantiscono
ESR molto basse. Dato che non abbiamo necessità di ottenere un ripple
bassissimo, possiamo limitare il valore di C2 a 1uF-50V e quello di C1 a 4.7u;
riguardo a quest'ultimo, se il circuito sarà alimentato da 2 o 3 batterie a
stilo o un cella LiIon (2.4-4.7V), la sua tensione di lavoro sarà 6.3V,
rendendo possibile elementi molto piccoli.
Per
il prototipo abbiamo usato 8 LED bianchi da 3.1V ciascuno con una corrente di 15mA. R6 diventa da
80 ohm circa (Vref interna = 1.23V).
Un
condensatore ceramico da 1nF in parallelo a questa resistenza serve per la
stabilità.
L'induttanza
non è critica; il suo valore può oscillare tra 4.7 e 22uH. Il foglio dati
suggerisce una formula per il calcolo. Si è scelto di provare alcuni valori
disponibili, con risultati abbastanza analoghi. Un maggiore valore
dell'induttanza consente di avere una maggiore corrente in uscita.
E'
possibile che sia richiesta la possibilità di variare la luminosità dei LED,
ad esempio se usati per una retro illuminazione. Questo si ottiene agendo
sull' ingresso di shutdown (SHDN). Il foglio dati indica che applicando una
tensione maggiore di 0.9V a questo pin il convertitore sarà abilitato; invece,
applicando una tensione minore di 0,25V il convertitore sarà spento.
Se agiamo con un comando PWM su questo ingresso, possiamo, accendendo e
spegnendo il convertitore, variare la luminosità dei LED.
Va considerato che il convertitore dispone internamente di un sistema di soft
start; questo non rende immediatamente disponibile la tensione in uscita al
rilascio dello shutdown, ma richiede un minimo tempo e ne risulta che la
frequenza ideale del PWM sia attorno ai 200Hz. Con valori maggiori la variazione
della luminosità non sarà lineare e con valori minori si potrà avere un
effetto di baluginio fastidioso.
Il
pin di shutdown viene mantenuto alto con un pull-up e può essere collegato al
GND comandando un piccolo MOSFET, genere 2N7002, con un segnale esterno
proveniente dal micro che controlla il sistema.
Per ottenere un rapido azzeramento del condensatore di uscita può essere utile
aggiungere una resistenza R2 in parallelo, tale da assorbire circa 1mA.
I componenti usati nel prototipo:
R1 100k
R2 30k1
R3 10k
R6 80.2ohm
Q1 2N7002
D1 SR14, SS14 o simile
C1 4.7uF-6.3V cer
C2 1uF-50V cer.
C3 1nF-50V cer
L1 18uH Coiltronics
Il
circuito stampato non è certo complesso, ma richiede una minima precisione
nelle piste date
le dimensioni ridotte dell' integrato.
E, in effetti, il package SOT23 è meno problematico da saldare di quanto si
possa pensare.
Il
montaggio richiede un saldatore adeguato.
Ecco
i LED accesi con un elemento LiIon
Il
ripple in uscita è trascurabile per questa applicazione (circa 45mV), anche se
in assoluto raggiunge un valore sensibile nel caso di altre applicazioni, in cui
sarà necessario un aumento del valore di C2.
In
relazione all'induttanza, ecco le correnti nel commutatore per un l valore di
4.7uH e 18uH
Le
tracce sono ottenute con una sonda di corrente e sono significative solo
qualitativamente. Si nota comunque che l'overshoot di corrente è maggiore per
il valore minore dell'induttanza. Il valore maggiore consente di avere una
maggiore corrente in uscita con una minore corrente commutata. La frequenza di
commutazione è suppergiù analoga (periodo 2uS circa). Impiegando una
induttanza tra 10 e 22uH i risultati sono analoghi.
NOTE.
-
Come
in tutti gli step up dove la tensione di uscita è maggiore di quella di
ingresso, è vivamente consigliato di non alimentare il circuito senza
carico, perchè potrebbero determinarsi valori di tensione elevati e danni
all'integrato. Quindi, prima assicurarsi che i LED siano collegati, poi
dare tensione al circuito.
-
La
minima tensione di alimentazione per LT1615 è 1.2V, quindi il circuito
lavora correttamente con due elementi ricaricabili o meno (alcaline, NiMh,
NiCd, carbone, ecc. 2.4-3V) o con una cella LiIon (3.4-4.3).
Altre
informazioni.
|
