Per accendere LED che hanno tensione di conduzione da 1.8V in su con una
tensione di 1.5V, occorre un dc(/dc converter elevatore.
Esiste un numero consistente di circuiti proposti sul WEB, basati
solitamente su uno o due transistor.
Tutti questi, se sono di facile realizzazione con componenti comuni,
richiedono, per il genere a 1 transistor (il famigerato juole thief") un
doppio avvolgimento, mentre per tutti i risultati sono quanto mai variabili
come efficienza, che dipende dalle qualità dell'induttore e dei transistor
usati.
Esistono però soluzioni integrate in grado di effettuare lo steso
lavoro con caratteristiche molto migliori e con una elevata semplicità
circuitale.
Qui vediamo una, basata sull'integrato ZXSC380 di Diodes (ex Zetex).
Si tratta di un minuscolo componente in SOT23 che richiede solamente
l'aggiunta di una bobina standard di piccole dimensioni.
Le dimensioni sono quelle di un transistor smd, anche perchè è richiesto
un solo componente esterno:
Meno di così....
Il foglio dati riporta anche la struttura interna del circuito:
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Un comparatore comanda il monostabile che agisce sulla base del
transistor di potenza.
Una resistenza interna Rsense valuta la corrente di collettore e
blocca il comparatore se essa è superiore a 80mA; quindi, come nella
maggior parte di questi circuiti semplici, viene monitorata la
corrente commutata, della quale la corrente nel LED è una immagine.
Il monostabile che segue l' uscita del comparatore forza il tempo di spegnimento dello stadio finale
a circa 2.2us, il che garantisce che vi sia tempo sufficiente per lo
scaricarsi dell'energia immagazzinata nell'induttore prima del successivo periodo di accensione. |
Con ogni impulso on il transistor di commutazione viene mantenuto acceso fino a quando
la corrente supera la soglia dell' ingresso ISENSE: di conseguenza, la durata
dell'impulso di on, e quindi la frequenza di commutazione, è determinata dalla corrente di picco, dalla tensione d' ingresso e dalla
differenzia tra tensione di alimentazione e tensione di uscita.
La corrente nel LED dipende da questi parametri, oltre che
dalle caratteristiche dell'induttore.
Il foglio dati fornisce alcuni grafici dove possiamo vedere il rapporto tra
la tensione di alimentazione e la corrente nel LED, che ha come chiave il
valore della bobina:
Vediamo come, nell'ambito di alimentazione tra 1 e 1.5V la variazione
dell'induttanza tra 22 e 100uH determini la corrente nel LED in un ambito tra
10 e 19mA a 1.5V.
Peraltro, si nota l'effetto di quanto detto sopra: il controllo della corrente
nella bobina non equivale alla stabilizzazione della corrente nel LED, che
cade all'abbassarsi della tensione di alimentazione; la luminosità sarà
massima a battera carica e minima a batteria scarica.
Possiamo alimentare anche il circuito con tensioni fino a 3 volt (2 celle).
In questo caso la corrente nel LED potrà salire anche a 70mA a batterie
cariche. Da osservare che in questo secondo diagramma la differenza tra i
valori delle induttanze originano differenze abbastanza trascurabili nel
valore della corrente, anche se, per induttori al di sotto dei 47uH, la
differenza si amplia.
Dalle prove fatte, comunque, l'alimentazione a due celle può portare il
circuito a lavorare in condizioni pericolose, con possibilità di guasto.
La minima tensione di alimentazione è tra 0.9 e 1V. Il costruttore
suggerisce un circuito di bootstrap, con l'aggiunta di un paio di diodi, e che
consente al LED di restare acceso con soli 0.8V (vedere il foglio dati).
Da tenere presente che questo è adatto a spremere fino all'ultima goccia di
energia da batterie non ricaricabili (alcaline, carbone, ecc), mentre
porterebbe ad una scarica troppo profonda elementi ricaricabili (NiCd, NiMH,
LI, ecc).
Altri due diagrammi riportano il valore della frequenza di
commutazione in relazione al valore dell'induttore: come è evidente, più è
basso il valore, maggiore sarà la frequenza, anche se l'effetto si riduce
sensibilmente con l'aumentare della tensione di alimentazione ed è più
sentito se l'induttanza è minore di 47uH.
Anche il digramma dell'efficienza mostra come il valore migliori con
l'aumentare della frequenza di alimentazione, mentre dipende relativamente
poco per induttori da 47uH in su.
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In particolare, usando un valore standard di 100uH, nell'area tra 1
e 1.5V di alimentazione, il rendimento è maggiore del 70%, mentre
sale al 95% a 3V.
Il problema del rendimento non è per nulla secondario in un
apparato alimentato a batterie: maggiore sarà il rendimento, minore
sarà la corrente assorbita e maggiore sarà la durata delle batterie. |
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Peraltro, va osservato che la corrente nel LED sale sensibilmente
con l'aumentare della tensione di alimentazione.
Ne risulta che si dovrà stabilire quali sono le condizioni di
funzionamento e quali sono le caratteristiche del LED per ottenere il
giusto compromesso. |
Il circuito è così semplice che lo stampato è minuscolo: 13x7mm, mono
rame.
Data l'estrema semplicità, anche con componenti così piccoli, non c'è
una reale difficoltà di realizzazione: basta un circuito stampato decente e
un saldatore di bassa potenza a punta fine.
E' stato aggiunto un condensatore da 10uF in parallelo all'alimentazione
per migliorare la situazione quando la resistenza interna della batteria in via
di scarica tende ad aumentare. Non è indispensabile e non è critico nel
valore, ma in generale è meglio prevedere qualcosa che possa, in caso di
necessità, abbassare l'impedenza del generatore.
Nelle immagini, una versione collegata ad un LED ad alta luminosità da
4.1V a 20mA.
In questo caso l'induttanza è del genere resistor-like, da 100uH. Il
circuito lavora con un ampio spettro di valori induttivi: tra 10 e 150uH non
ci sono problemi, il LED si accende sempre, anche se il funzionamento può non
essere ottimale.
Sicuramente, in vista di una
specifica applicazione, occorrerà considerare quanto detto sopra in relazione
alla corrente di uscita e al rendimento.
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L'oscillogramma della tensione ai capi del LED, con il circuito
alimentato a 1.5V.
Si tratta di circa 4.3V, che è la tensione tipica del LED usato
alla corrente di circa 20mA.
La commutazione è molto pulita e priva di oscillazioni parassite. |
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La corrente nell'induttore.
La frequenza di commutazione è attorno ai 148kHz.
La corrente dalla batteria è circa 63mA. |
Migliori risultati si ottengono usando induttori di buona qualità come Coilcraft
della serie LPS3314 o LPS4414 oppure MS-4020.
AVVERTENZA.
Come in tutti i circuiti di step up in cui non esistono sistemi di
limitazione, 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. |
Nel nostro caso, a vuoto si superano facilmente i 20V e quindi occorre
prestare attenzione ai collegamenti.
Questo fatto non negativo se è possibile sfruttarlo. In sostanza,
all'uscita del circuito si possono collegare più LED in serie.
Va notato, e si può fare esperienza diretta commutando il numero dei LED
collegati, che la luminosità (ovvero la corrente) va diminuendo all'aumentare
degli elementi della serie. Per le prove potrà essere utilizzato con grande
vantaggio un "aggeggio" del
genere.
Sono stati provati LED rossi e verdi da 1.9-2.3V: con luminosità
sufficientemente elevata se ne possono accendere da 2 a 4 in serie. Oltre, la
luminosità di riduce sensibilmente.
Alcune foto per dare una idea dello stato dei LED.
Dal punto di vista dell'oscilloscopio:
La possibilità di salire con la tensione consente di usare anche LED blu o gialli, sempre
nei limiti di corrente visti sopra.
L'uso principale resta quello delle piccole torce a mano alimentate da uno
stilo da 1.5V; in effetti, aprendo alcune di questi oggetti, per tutte si è
trovato che contengono un piccolo stampato che supporta un convertitore come
quello qui descritto.
E, in effetti, ZXSC380 non è l'unico del genere: si trovano anche
circuiti integrati di altri produttori, come PR4401 di Prema,
A7530 di AIT, NCP1400 o ZXLD381 di ON
Semi, MLH381 di MHtech
e vari altri, che hanno schemi applicativi e caratteristiche analoghe, il che
evidenzia che si tratta di un genere di prodotto assai richiesto .
Può essere usato utilmente anche nella retro illuminazione di piccoli pannelli LCD o
strumentazione.
Perchè usare questo genere di circuiti
integrati e non il solito joule thief?
I vantaggi della soluzione a discreti consistono solamente nel fatto di
poter essere assemblati con parti comuni, di solito presenti nei cassetti ogni
hobbista. Inoltre, si tratta di oscillatori a 1 o due transistor che
"accendono" il LED praticamente sempre, con qualsiasi mix di
transistor e bobine.
Per contro, gli svantaggi consistono nelle dimensioni, ma sopratutto nella
bassa qualità di questi circuiti: accendere il LED non vuol dire accenderlo
nelle migliori condizione di corrente e rendimento. E per avere una
luminosità adeguata e non qualsiasi, con il massimo di durata delle batterie,
occorre qualcosa di più definibile in fase di progetto.
Inoltre, il costo di questi integrati è minimo e la reperibilità è buona.
ZXSC380 si trova da Mouser a 60cent per pezzo, mentre PR4401 si trova da TME a
0.4€, sempre per pezzo singolo. I prodotti dei costruttori cinesi si trovano
meno facilmente, essendo destinati a produzioni di quantità, ma ci sono su
Aliexpress e a costi minori.
Ci può essere il supposto limite della difficoltà di saldare SMD, ma è
un falso limite: chiunque, dopo qualche prova, può realizzare un circuito
come quello visto sopra: basta un po' di mano, buon saldatore a punta fine e
lega saldante di qualità.
I circuiti a transistor possono certo essere realizzati per vederne il
funzionamento, ma nella vostra torcia a 1,5V commerciale non ne troverete di certo.
Documentazione.
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