microcontroller.it - PIC - Low square generator

Dovendo pilotare più LED con le tensioni tipiche di alimentazione dei microcontroller ci si trova con il solito problema delle tensioni di conduzione e delle correnti massime trattabili dai pin del micro.

Tipicamente un LED bianco ad alta luminosità necessita di una corrente tra 20 e 30mA e una tensione di conduzione attorno ai 3.2V-3.5V.

20mA sono trattabili direttamente da un pin del microcontroller ed è possibile collegare un LED con la sua resistenza in serie se la Vdd di alimentazione è 5V. Però, se i LED necessari sono più di uno occorrono più pin e ci si ritrova con una corrente complessivamente pari a quella del singolo LED per il numero dei LED. Ad esempio, con cinque LED da 20mA avremmo ben 100mA solo per questa sezione del circuito.

Peraltro, non è possibile collegarli in serie, dato che non c'è tensione sufficiente. La stessa cosa capita se la Vdd è 3 o 3.3V: in questo caso non si riesce ad accendere anche un solo LED.

La soluzione più pratica è data dalla disponibilità sul mercato di circuiti integrati specializzati proprio nella gestione di LED.

In particolare vediamo qui un interessante componente che permette di accendere più LED con le basse Vdd dei microcontroller e senza consumi eccessivi.

Abbiamo provato ZSXC310 di Diodes (ex Zetex) è un controller PFM che ha un circuito applicativo molto semplice:

Pochi componenti esterni si associano ad una serie di caratteristiche interessanti:

La struttura interna comprende un comparatore con un generatore di tensione di riferimento:

Il comparatore comanda il circuito driver e se la tensione sul pin I_SENSE supera i 19mV. Questa tensione è prelevata ai capi di una resistenza collegata in serie con l' emettitore del transistor di commutazione ed è, quindi, proporzionale alla corrente.
Ad ogni impulso il transistor di commutazione rimane acceso
fino a che la tensione su I_SENSE supera la soglia: l' impulso on, e quindi la frequenza di commutazione, è determinato dalla corrente di picco programmata.

Un monostabile all'uscita del comparatore forza il tempo di spegnimento dello stadio d' uscita a circa 1,7us, il che garantisce un tempo sufficiente per scaricare l'energia immagazzinata nell' induttore prima del periodo successivo.

Il pin STDN, se a livello alto, consente il funzionamento del circuito; portato a livello basso, lo blocca in una condizione di shutdown a basso consumo.
Questo pin può servire utilmente come interruttore on/off; se installiamo l'interruttore in modo classico, in serie al circuito, azzeriamo completamente la corrente della batteria a circuito spento, ma ci troviamo con la corrente assorbita dal circuito quando lo commutiamo on. Agendo invece sul STDN, si riduce il consumo di corrente a dispositivo spento a circa 5uA, valore del tutto irrilevante, ma l'accensione avviene su un segnale logico, quindi con una corrente trascurabile sui contatti e che può essere azionato dall'uscita digitale di un pin del microcontroller.

Un aspetto che possiamo definire sia positivo che negativo sono le dimensioni dell'integrato: si tratta di un componente nel package SOT23-5, il che non rende felici molti hobbisti, ma consente di realizzare circuiti di dimensioni estremamente ridotte e quindi collocabili con facilità nelle più diverse situazioni.

Però, trattare i SOT23 al di fuori di una produzione automatizzata è meno problematico di quanto si possa pensare, anche se richiede un circuito stampato preciso, un saldatore di bassa potenza con punta fine e una mano ferma.

L'applicazione che era in studio riguardava proprio il controllo di più LED con micro alimentati a 3.3V, ma il circuito è stato provato anche con alimentazione a 5V.

Osserviamo la necessità di ottimizzare la corrente nel transistor in funzione del carico applicato.Il foglio dati riporta le formule necessarie.

Alcuni dati rilevati dai prototipi:

Si nota che la resistenza R1 ha effettivamente un effetto sensibile sul circuito, secondo quanto elencato nella tabella fornita dal costruttore. La scelta di 150mohm è ottimale per una corrente di 20mA su 4 LED ed in effetti è la condizione in cui si ha la corrente voluta e contemporaneamente la migliore efficienza (rendimento superiore al 90%).
In effetti, la corrente attraverso i LED non è stabilizzata, ma è un "riflesso" di quella controllata attraverso il transistor di commutazione. Ne risulta che, al variare della tensione di alimentazione e del carico, occorre adeguare la R1.

	Con soli due LED collegati, l'impulso di corrente diventa elevato e la forma d'onda si danneggia. Il rendimento viene molto ridotto.
	Con 4 LED come carico, la commutazione è molto pulita. La frequenza di commutazione si aggira attorno a 200kHz.
	In uscita è presente un ripple di 0.1V circa che potrebbe essere ridotto aumentando il valore di C1, anche se, data l'applicazione, non c'è nessuna necessità di ottenere valori migliori.

Nonostante questo, variando il numero dei LED da 3 a 6, il circuito li mantiene ad ottima luminosità, anche se, per il migliore rendimento, si richiederebbe una variazione di R1.
Il circuito ha comunque una buona tolleranza e fornisce una risposta positiva anche per Vin=3V.

Altrettanto validi sono i dati per la Vin=5V, dove è stata usata una R1=250mohm.

AVVERTENZA.

Come in tutti i circuiti di step up, la tensione di uscita, in mancanza del carico, può assumere valori abbastanza elevati da danneggiare i componenti che, solitamente, sono a tensione di lavoro molto basse (20-40V) con lo scopo di mantenere minime le tensioni di conduzione.
Quindi:

prima collegare i LED, poi dare tensione al circuito

Evitate di avere contatti insicuri sul carico per non avere componenti danneggiati dalle sovra tensioni.

Lo schema utilizzato vede aggiunta una resistenza di pull-up sul pin STDN (10-100k) e un condensatore in parallelo all'alimentazione (C 2=1-4.7uF-16Vl).

Il tutto è stato montato su un circuito stampato mono rame da 28x20mm.
Date le minime dimensioni dei componenti, il circuito può ridursi a circa la metà, ma qui si trattava di avere lo spazio di manovra per sostituire R1 e L1 per le varie prove senza troppa difficoltà e non si è badato troppo alla compattezza.

L'induttore in foto è un Coilcraft D03316P-683, che più che abbondante per l'applicazione. Altri modelli, con corrente di saturazione minore e dimensioni non superiori alla metà di questa si sono dimostrate più adeguate.
Tra l'altro, permette di utilizzare resistenze in parallelo come R1 per provare vari valori, oltre a poter ospitare transistor sia in SOT23 che in SOT223. Così pure si posso usare diodi schottky in contenitore DO214 o SOT23 e diversi tipi di induttanze.

La resistenza 0ohm in serie ai LED è inserita in quanto il suo posto esiste come controllo della corrente in altre applicazioni, come ZXSC400, in SOT23-6, che è possibile installare.

Le estremità del circuito sono raggiungibili con pin che permettono un rapido collegamento con LED e alimentazione. Un pin è presente anche su STDN per verificare il comando esterno da microcontroller.

Per facilitare le saldature ed evitare l'ossidazione, lo stampato è stato stagnato a freddo (CIF AR-17).

Per quanto riguarda i LED, è stato realizzato un piccolo circuito stampato che permette di eseguire prove con un numero variabile di elementi senza provocare interruzioni del carico e che può essere usato in altre occasioni simili.

Più LED a bassa tensione.