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Un integrato dedicato all'alimentazione di LED a grande luminosità

Un integrato dedicato all'alimentazione di LED a grande luminosità

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:

regolatore-boost-switching-formula1

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

regolatore-boost-switching-formula2

... 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.

La resistenza R ha solo la funzione di determinare la corretta corrente nel Led.

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.

Schema del regolatore a corrente costante per l’alimentazione di due Led bianchi ad elevata luminosità.

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:

regolatore-boost-switching-formula3

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:

regolatore-boost-switching-formula4

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:

regolatore-boost-switching-formula5

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:

regolatore-boost-switching-formula6

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

regolatore-boost-switching-formula7

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:

regolatore-boost-switching-formula8

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

regolatore-boost-switching-formula9

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.

Andamento_della_corrente_nel_Led

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.

radiokit elettronica

 

 

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ritratto di Anonimo

madonna mia, se non sei un

madonna mia, se non sei un ingegnere, statti lontano dai led

ritratto di Anonimo

per tutti quelli che

per tutti quelli che credevano che per accendere un led bastasse una resistenza... :)

ritratto di Anonimo

Nuovo tipo di condensatore ceramico....

...Vorrei sapere dove si compra un condensatore ceramico da 4.7 μF polarizzato....

ritratto di Emanuele

Confermo che il condensatore

Confermo che il condensatore di uscita è ceramico da 4.7uF. Il datasheet del MIC2299 indica appunto che un ceramico X7R è sufficiente. Penso quindi che il + indicato nello schema (sempre da Micrel) sia solo una svista.

ritratto di Anonimo

tantalio?

possono andare bene dei condensatori al tantalio? si in ingresso che al uscita? anche per che esistono ceramici polarizzati?

ritratto di Anonimo

Ceramici polarizzati non

Ceramici polarizzati non esistono, non ha senso proprio la polarizzazione nel processo di costruzione dei condensatori ceramici. Per il tantalio ok, può andar bene, ma per la miseria, esistono i ceramici NORMALI, che si trovano anche al negozietto di elettronica sotto casa, perche complicarci la vita.
La vita del progettista è già complicata... per un condensatore?!

ritratto di oklahoma

Led di potenza

Lavorare con i Led e un poco come aver da fare con le (famose) scatole cinesi.
Con una differenza .
Quando si apre una scatola cinese, dentro se nè trova una più piccole .
Con i Led, invece, risolto un problema, ne sorge subito uno più grande .
Non da punto di vista elettronico, ma meccanico, ottico e di dissipazione .
Sono comunque argomenti moderni e di grandi soddisfazione .
Sono un pò come i computer, ogni anno raddoppia la potenza !

ritratto di sharm

Ciao e complimenti per la

Ciao e complimenti per la realizzazione, è quello che stavo cercando per alimentare un led da 10W P7
Purtroppo la realizzazione dello stampato non è semplice cosi come non lo è saldare componebti smd.
Ho cercato in rete un circuito simile ma senza esito, sai dirmi dove lo potrei acquistare? Sempre che sia in vendita.
sharm

ritratto di Zio Biccio

Complimenti!!!

Ciao e complimenti per il circuito... ma vorrei porre una domanda: vorrei installare su una torcia un led da 10W P7... questo circuito mi aumenta la durata della batteria 4,8 V 3,2 A/h? di quanto? Il led a piena potenza ha un assorbimento di 2.8A... che valori devo applicare ai componenti? Un grosso grazie.
Saluti.
Fabrizio

ritratto di rikis

domanda

ciao sono nuovo del campo!!
volevo sapere visto che mi pare di non averlo letto, il circuito di sopra è indicato anche per un led p7 ad alta efficienza?
e se si, tutti i vari componenti dove li trovo?
vorrei farmi una piccola torcia per la bicicletta..
grazie in anticipo.

 

 

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