I LED di ieri
Nell’ambito delle tecnologie, non solo elettroniche, accade sempre che l’evoluzione di un settore richiami con immediatezza l’evoluzione di altri settori strettamente connessi. Così, nell’ambito dell’elettronica, la realizzazione di diodi elettroluminescenti, i Led, di caratteristiche ben diverse da quelle dei primi esemplari, ha necessariamente suggerito la necessità di stadi regolatori in grado di consentirne un ottimale funzionamento. Ma qual è la differenza fra ieri e oggi?

I Led tradizionali potevano essere pilotati con alimentazioni di qualsiasi valore, ma a condizione di determinare, tramite una resistenza, una caduta di tensione diretta anodo-catodo Vf compresa fra 1,5 V e 3 V e di consentire che fluisse una corrente If compresa fra 5 mA e 20 mA. Per esempio – figura 1 – volendo ai capi del Led una caduta di tensione Vf = Vo = 1,7 V e una corrente If di 20 mA, si calcolerà facilmente il valore da attribuire alla resistenza R con l’espressione:

Essendo Vi = 10 V, Vf = 1,7 V e If = 20 mA, per R si ricava:

... e di oggi
I Led, come del resto tutta la componentistica, hanno avuto nel tempo una notevole evoluzione. Si sono realizzati Led in grado di fornire luce di diversi colori e anche di notevole intensità. In quest’ambito sono già disponibili Led che sia in singola soluzione sia ponendo in serie e/o parallelo più esemplari, possono sostituire le lampade ad incandescenza.

Allo studio – pur essendoci già negli Stati Uniti alcune applicazioni sperimentali – la possibilità di estenderne l’uso all’illuminazione stradale. I bassi consumi e la notevole longevità (dopo 50000 ore di funzionamento la luminosità decresce solo di un 20%), suggeriscono di estendere la sperimentazione in questa direzione e anche in altre direzioni non meno interessanti. Ovviamente, modificando le caratteristiche elettriche per le diverse destinazioni d’uso, era necessario realizzare regolatori in grado di fornire una corrente costante al (o ai) Led e nel contempo di assorbire una minima corrente dalla sorgente primaria di alimentazione.

Un circuito adatto allo scopo – ma ne entrano nel mercato quotidianamente con varie tipologie – è riportato nella figura 2. Il circuito integrato è il MIC2229 della Micrel le cui applicazioni si estendono dai telefoni cellulari alle foto e telecamere digitali, alla semplice illuminazione ambientale con Led a luce bianca. In buona sostanza il MIC2229 è un regolatore switching integrato di tipo boost ossia in grado di fornire in uscita una tensione continua anche più elevata della tensione continua applicata in ingresso. In questo caso la tensione fornita dalla batteria VB che può essere costituita, per esempio, da 3 o 4 celle al NiCd o al NiMH, o da 1 o 2 celle Li-Ion, sarà compresa fra 2,5 V e 10 V consentendo di disporre in uscita, in questo esemplare, circa 30V. La corrente di shutdown è esigua non andando oltre 1 μA, mentre la corrente di lavoro deve essere particolarmente costante e a ciò provvedono alcune soluzioni circuitali interne all’integrato.

Il circuito
Conviene analizzare, con riferimento alla figura 2 – la funzione esplicata da ciascun pin. Al pin 10 (Vin) viene applicata la tensione di alimentazione. Il pin 11 (En = enable) permette il controllo di abilitazione del regolatore tramite segnale logico. Il livello logico alto abilita il regolatore, mentre il livello basso determina la condizione di riposo portando il dispositivo in shutdown. I pin 1(Brt) e 2 (SS/dim) a seconda del loro collegamento determinano la luminosità dei Led e la possibilità del dimming control. Per esempio, lasciando aperto (non connesso) il pin 1 la tensione di feedback VFB è di 200 mV e questo valore dà la minima dissipazione di potenza estendendo quindi la vita media delle batterie di alimentazione. Connettendolo a massa la stessa tensione scende a 40 mV. Un’ulteriore soluzione si ha inserendo fra il pin e massa una resistenza RBRT di valore compreso fra 20 kΩ e 100kΩ. Così procedendo si ricava la tensione di reazione VFB con l’espressione:

Lasciando aperto il pin SS/dim, la cui utilizzazione è opportuna solo quando si desidera passare alla massima luminosità del Led non repentinamente, ma mediante un transitorio, la tensione VFB è di 200 mV. Il valore della tensione di feedback VFB è fondamentale al fine di determinare la corrente che fluisce nei Led. Si ha infatti:

dove Rs è la resistenza inserita fra il pin 3 e massa. Ponendo Rs = 0,2 Ω e lasciando sconnessi i pin 1 e 2 si ha quindi nei Led una corrente:

I pin 4 e 5 vanno connessi a massa, mentre il pin 12 (Comp) è di compensazione al fine di stabilizzare la frequenza alla quale lavora il converter. Fra questo e massa si pone la serie R-C di cui alla figura 2 (R = 620 Ω, C = 33nF). Il pin 3 (FB = Feedback) va connesso al catodo del Led. Il pin 9 (OVP = Over Voltage Protection) va connesso all’uscita, ossia all’anodo del Led bloccando eventuali escursioni della tensione in output. Il pin 8 (SW) infine è corrispondente al collettore di un BJT interno di tipo NPN e va quindi a valle dell’induttanza. Opportuno che si noti il basso valore di quest’ultima (2,2 μH), basso valore strettamente connesso alla frequenza a cui lavora il PWM interno al regolatore che è di 2 MHz. Questa frequenza evita che si possano creare interferenze nella banda AM.
La funzione boost di cui si è detto e che consente di avere una tensione di uscita più elevata (step-up) della tensione fornita dalla batteria VB, si ottiene dal funzionamento in commutazione dello stesso integrato che, per l’appunto, secondo la caratteristica tipica dei regolatori switching, commuta dallo stato on che consente alla corrente di attraversare l’induttanza e di farla pervenire ai Led, allo stato off nel quale si azzera il campo magnetico nell’induttore. La commutazione da on in off causa, tramite il diodo Schottky D, un repentino passaggio di corrente al condensatore da 4,7 μF posto in uscita. Il ricorso al diodo Schottky è necessario avendo, questo diodo, un più basso valore della tensione di soglia alla conduzione e tempi di commutazione notevolmente più brevi dei diodi convenzionali. La scelta di questo diodo non è critica. È sufficiente che tolleri la corrente di picco dell’induttore e che abbia una tensione inversa maggiore della tensione di uscita del regolatore.
Il soft start
Il soft start che, come si è detto, consente di pervenire alla massima luminosità del Led secondo un transitorio e non istantaneamente all’inserzione dell’alimentazione, dipende sia dal valore attribuito alla capacità da connettersi fra il pin SS/dim e massa, sia dal valore attribuito alla capacità posta in serie alla resistenza da 620Ω connessa al pin Comp (pin 12). Indicando con CSS la capacità eventualmente inserita fra il pin 2 e massa, l’intervallo di tempo T entro il quale il Led si porta alla massima luminosità si calcolerà con l’espressione:

Ponendo quindi, per esempio, CSS = 100 nF, si ha un soft start:

In assenza della capacità CSS, ma in presenza della capacità CCOMP posta in serie alla resistenza da 620Ω si ha un intervallo di soft start fornito dall’espressione:

Pertanto per CCOMP = 33 nF si ha un soft start pari a:

La compensazione
La compensazione in frequenza si ha tramite la serie del condensatore e della resistenza connessa al pin Comp. Per la maggior parte delle applicazioni vanno bene i valori riportati nella figura 2 (33 nF e 620Ω). Ma si tenga presente che il range della resistenza può andare da 10kΩ a 590 kΩ, mentre per la capacità, che è bene sia un condensatore ceramico, il range si estende da 33 nF a 100 nF.

I componenti passivi
L’induttore: la scelta dell’induttore è un compromesso fra efficienza, stabilità di funzionamento, costo, dimensioni e intensità di corrente. Il valore di 2,2 μH costituisce il miglior compromesso per la maggior parte delle applicazioni. Un valore più elevato, a causa del maggior numero di spire, inserisce una resistenza più alta che va a detrimento dell’efficienza. Il condensatore in ingresso: è - bene sia ceramico e cablato vicino per quanto è possibile all’integrato e all’induttore.

Il condensatore in uscita: è di tipo ceramico. Il valore suggerito è di 4,7 μF. Un valore più elevato porta ad un miglioramento nella risposta ai transitori, ma aumenta il costo dell’intero dispositivo. Anche qui è quindi da informarsi allo stesso criterio di scelta dell’induttore.

In conclusione
I diodi ad alta luminosità hanno dunque caratteristiche ben diverse dai normali diodi. La tensione anodo-catodo è più elevata (ma rimane sempre dell’ordine di alcuni volt) e la corrente è in genere dell’ordine di centinaia di milliampere. A quest’ultimo proposito si osservi il digramma di cui alla figura 3. Per una tensione di alimentazione VB = VIN = 3,6 V, e una tensione di uscita (Output Voltage) di 7 V, nel Led circola una corrente di oltre 950mA.