Lampada elettronica a LED   

[iscritti estratto=500] La Texas Instruments mette a disposizione il materiale hardware e software per la realizzazione di una lampada elettronica a LED mediante l’utilizzo dei microcontrollori MSP430. Analizziamone le caratteristiche più interessanti per scoprire che grazie ai suoi molteplici vantaggi è una soluzione molto rapida e conveniente per varie applicazioni.
 

Introduzione

Com’è noto, volendo alimentare dispositivi come computer, telefonini, tablet, orologi digitali e via dicendo, non è possibile farlo direttamente utilizzando una presa elettrica, perché quest’ultima fornisce una corrente alternata (AC – Alternating Current) mentre molti dispositivi richiedono una corrente continua (DC – Direct Current); però, mediante un’opportuna conversione si riesce a ottenere una corrente continua da una sorgente alternata, come può essere fatto mediante trasformazione, raddrizzamento e stabilizzazione.
Un’altra soluzione per realizzare l’alimentazione DC consiste nell’utilizzo diretto delle batterie, dei pannelli fotovoltaici, dei generatori e così via; molto spesso però accade che in un unico sistema si abbia bisogno di più valori diversi, perché molti strumenti elettronici spesso contengono svariati sotto-circuiti, ognuno dei quali può richiedere una tensione differente da quella fornita dalla batteria (il cui valore non necessariamente coincide con quelli richiesti dal circuito) oppure può essere necessaria anche una tensione negativa. In questi casi il processo di conversione viene chiamato conversione CC-CC o anche conversione DC-DC, usando la sigla inglese per la corrente continua. I convertitori DC-DC rappresentano un metodo per generare diversi livelli di tensione controllati a partire da una batteria, risparmiando in tal modo spazio ed evitando di utilizzare più elementi per fornire energia alle diverse parti di uno stesso strumento; infatti i sistemi alimentati a batterie, dove sono richieste tensioni piuttosto elevate, spesso utilizzano varie celle poste in serie. Una soluzione di questo genere, per mancanza di spazio o per questioni di peso, non è sempre praticabile. Quindi in questi casi i convertitori “boost” possono aumentare la tensione e ridurre di conseguenza il numero di celle necessarie a questo scopo.
I convertitori boost, noti anche come “step-up”, ossia circuiti “elevatori di tensione” dato che “aumentano” la tensione in ingresso, non sono altro che convertitori DC-DC con una tensione di uscita maggiore di quella in ingresso. In generale rappresentano una classe di alimentatori a commutazione che contiene almeno un diodo, un transistor, e un elemento accumulatore di energia; per migliorarne le caratteristiche, a un convertitore boost sono spesso associati, in aggiunta, alcuni filtri composti da combinazioni di induttori e capacità. Due tipiche applicazioni a batteria che usano i convertitori boost sono rappresentate dai veicoli elettrici ibridi (HEV) e dai sistemi di illuminazione, così come dai dispositivi d’illuminazione portatili.
Se si considera che un LED bianco può richiede tipicamente 3,3V per emettere luce, un convertitore boost può innalzare la tensione di una singola cella alcalina da 1,5V per riuscire ad alimentarlo. Questi convertitori possono produrre anche tensioni più elevate per far funzionare ad esempio i “tubi fluorescenti a catodo freddo” (CCFL) in dispositivi come i retro-illuminatori di LCD e le lampade flash. Attualmente, i LED sono disponibili sul mercato in potenze che posso andare da 0,25 watt a 10 watt, perciò posso essere utilizzati per la progettazione di lampade elettroniche a LED.
La Texas Instruments (TI) propone una configurazione circuitale e un software specifico per la costruzione di una lampada elettronica a LED, a basso costo e a basso consumo, basata sul microcontrollore MSP430; scendiamo maggiormente nei dettagli per comprenderne il  funzionamento e per una panoramica sulle sue caratteristiche.
 

Panoramica di Prodotto

Nella progettazione di una lampada elettronica a LED, a seconda delle tensioni in gioco e desiderate, si posso utilizzare diverse topologie per pilotare i LED come carico d’uscita; ad esempio, la topologia “boost” viene utilizzata se la tensione di ingresso è inferiore alla tensione di uscita richiesta dal gruppo dei LED, analogamente, la topologia “buck” deve essere utilizzata se la tensione di uscita richiesta è inferiore alla tensione di ingresso.
Soffermandoci solo sulla prima topologia, ovvero quella boost: TI propone una soluzione progettuale per una lampada elettronica a LED, il cui schema a blocchi è riportato in Figura 1.
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Figura 1: Schema a blocchi del sistema TI

 
Come si può notare il centro di tutto il sistema è il microcontrollore MSP430, non viene utilizzato alcun circuito integrato esterno (driver) per la sezione di boost; viene usato il “modulatore a larghezza di impulso” (PWM) per la gestione del MOSFET, mentre il convertitore analogico-digitale (ADC) a 10bit del regolatore MSP430 è utilizzato per il controllo della corrente ad anello chiuso. Inoltre, come vedremo successivamente, il software fornisce tutte le caratteristiche di base necessarie alla corretta gestione della lampada elettronica a LED.
Per un sistema di questo tipo, bisogna considerare e progettare un’apposita parte di circuito per pilotare i LED “di potenza”, che sono il cuore di tutto il progetto. In più, in alcune situazioni, per estendere l’autonomia di funzionamento è consigliato inserire una logica di risparmio energetico, che può essere ottenuta utilizzando un minor numero di stadi d’uscita “dimming” attraverso un interruttore a pulsante. Un altro requisito importante è la protezione delle batterie, da attuarsi mediante una corretta e accurata gestione delle stesse. Infine, conviene prevedere anche indicatori per la visualizzazione di varie informazioni, come il livello basso della tensione di batteria, lo stato di carica e così via.
In considerazione di tutte queste premesse, le principali funzioni previste dal progetto della Texas Instruments sono le seguenti:
– sezione Boost per gestire l’uscita;
– controllo di corrente ad anello chiuso per mantenere la corrente di carico del LED al valore impostato;
– tre stadi di regolazione (dimming) mediante l’uso di un solo pulsante;
– monitoraggio del basso livello di batteria per evitare una scarica eccessiva della medesima;
– controllo di ricarica della batteria da pannelli solari e da rete;
– controllo del sovraccarico della carica di batteria;
– indicatore LED per il livello basso di batteria;
– indicatore LED per la ricarica della batteria;
– predisposizione opzionale per la compensazione della temperatura.
In questo progetto, come in molti altri casi, la selezione accurata dei componenti è una parte fondamentale e il loro costo è un vincolo primario, quindi cercheremo di analizzare e capire quali sono le scelte da fare per la selezione dei componenti critici come gli induttori.
 

La scelta dei componenti critici

Con riferimento alla Figura 2, possiamo avere un’idea di come sia costituito un convertitore di tipo boost e quali siano i componenti fondamentale precedentemente elencati.
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Figura 2: Schema semplificato della tipologia boost

In applicazioni con regolatore “switching” (a commutazione), l’induttore viene utilizzato come un dispositivo di accumulo dell’energia; infatti, quando l’interruttore a semiconduttore (MOSFET) è acceso, la corrente scorre nell’induttore e l’energia viene immagazzinata. Quando l’interruttore viene spento, questa energia viene rilasciata sul carico; la quantità di energia immagazzinata è data dalla seguente formula:
Energia = 1/2*L*I2  [Joule]
dove “L” è l’induttanza in Henry e “I” è il valore di picco della corrente nell’induttore.
La quantità di corrente cambia durante un ciclo di commutazione ed è conosciuta come “corrente di ondulazione” (ripple), definita dalla seguente equazione:
V1=L*di/dt
Dove “V1” è la tensione ai capi dell’induttore, “di” è il ripple di corrente e “dt” è la durata per la quale viene applicata la tensione; da questo, si può vedere che il valore di corrente di ripple dipende dal valore di induttanza. Facendo riferimento alla Figura 3, possiamo affermare che la scelta del valore corretto di induttanza è importante per ottenere dimensioni accettabili dell’induttore e del condensatore di uscita e una componente alternata residua sufficientemente bassa in uscita.
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Figura 3: Corrente nell’induttore in una tipologia buck

 
Come si può vedere dalla Figura 3, la corrente dell’induttore è costituita da componenti DC e AC. Poiché la componente alternata è ad alta frequenza (HF), scorre attraverso il condensatore di uscita in quanto ha una bassa impedenza HF; questo produce una tensione di ripple dovuta alla resistenza serie equivalente del condensatore (ESR) che si ha all’uscita del regolatore switching. Tale tensione di ripple deve essere sufficientemente bassa da non influenzare il funzionamento del circuito ed è normalmente dell’ordine di 10-500mVp-p.
Nel caso in cui si selezioni un induttore per un convertitore “buck”, come con tutti i regolatori switching, sarà necessario definire e calcolare vari parametri, come la massima tensione di ingresso, la tensione d’uscita, la frequenza di commutazione, la massima corrente di ripple e via dicendo; facendo un esempio nel calcolo del valore dell’induttore, considerando quanto riportato in Figura 4, consideriamo per ipotesi una frequenza di commutazione di 200kHz, una tensione di ingresso pari a 6V e una massima corrente di ripple di 100mA.

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Figura 4: Schema di concetto per la tipologia boost

apporto tra la tensione di uscita e quella di ingresso che è pari a 0,55V, mentre la tensione V1 sull’induttore è:
V1 = Vin-Vout = 2,7V [quanto lo switch è acceso]
V1 = -Vout = -3,3V     [quando lo switch è spento]
perciò, riconsiderando la formula per il calcolo dell’induttanza analizzata precedentemente, otteniamo come valore “L”, 74,25µH.
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Figura 5: Schema di concetto per la tipologia buck

 
rapporto tra la tensione di uscita e quella di ingresso che è pari a 0,55V, mentre la tensione V1 sull’induttore è:
V1 = Vin-Vout = 2,7V [quanto lo switch è acceso]
V1 = -Vout = -3,3V     [quando lo switch è spento]
perciò, riconsiderando la formula per il calcolo dell’induttanza analizzata precedentemente, otteniamo come valore “L”, 74,25µH.
Se invece siamo nel caso di un convertitore “boost”, facendo riferimento alla Figura 5 e seguendo la procedura di calcolo  appena analizzata, con una frequenza di commutazione pari a 100kHz, otteniamo:
V1 = Vin = 6V [quanto lo switch è acceso]
V1 = Vout – Vin = -3,9V [quando lo switch è spento]
Perciò si può ricavare una L = 360µH.
Una cosa da notare su quest’ultima tipologia di convertitore è che, a differenza del convertitore buck, la corrente nell’induttore non fluisce continuamente verso il carico, durante la fase in cui lo switch è acceso, la corrente nell’induttore fluisce verso massa e la corrente al carico è fornita dal condensatore di uscita. Ciò significa che tale condensatore deve essere accuratamente calcolato in modo da fornire la corrente al carico durante questo periodo.
 

Il sistema TI

Per gestire un sistema come quello riportato in Figura 1, Texas Instruments mette a disposizione un firmware per gli MSP430, che non lavora in “real-time” (RTOS) ma ha un ciclo sempre in esecuzione dopo l’accensione, che può essere analizzato in Figura 6. Per maggiori dettagli si faccia riferimento al sito ufficiale, sul quale sono disponibili i sorgenti e le linee guida per il suo utilizzo.
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Figura 6: Schema a blocchi semplificati del software TI

Per quanto concerne la parte hardware, il microcontrollore MSP430 ha un modulo integrato PWM dedicato, che può essere utilizzato per vari scopi e per la gestione della corrente (realizzata mediante questa struttura all’interno del micro). L’informazione della corrente sul carico viene presa mediante un modulo ADC a 10bit interno al micro e grazie alla sua risoluzione, il valore della resistenza serie di rilevamento corrente può essere ridotto rispetto a un ADC di risoluzione a 8 bit.
La corrente del carico genera una tensione sul resistore posto in serie al carico, tale tensione viene fornita direttamente al pin dell’ADC del MSP430. Il modulo ADC è configurato per generare un interrupt dopo ogni conversione; il micro accumula i valori da ogni conversione all’interno della ISR (interrupt service routine) e dopo aver raccolto campioni a sufficienza, li media e gestisce di conseguenza l’aumento o la diminuzione del PWM. Ad esempio, se la corrente media letta è inferiore al valore impostato, il micro cerca di aumentarla incrementando il “duty cycle” del segnale PWM; altrimenti, se la corrente rilevata dal feedback è superiore al valore impostato, il micro riduce il duty cycle del PWM al fine di ridurre la corrente di uscita.
Il segnale PWM generato dal MSP430 è nel livello logico TTL / CMOS, quindi, deve essere amplificato a un livello di tensione superiore per renderlo adatto per azionare il MOSFET di potenza. Questo è implementato utilizzando quattro transistor discreti, tre NPN e un PNP, come si evince dalla Figura 7, in cui è riportata una parte di schematico del sistema (sezione di boost), relativa all’attivazione del MOSFET.
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Figura 7: Schema della sezione boost

 
La tensione della batteria viene controllata mediante un partitore e riportata direttamente al pin ADC del microcontrollore, come si può vedere in Figura 8; a questo punto il micro MSP430 cattura campioni multipli di questa tensione e li memorizza nel registro corrispondente per diversi utilizzi.
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Figura 8: Schema della connessione del MSP430

 
Infine viene gestito un segnale di controllo per i blocchi del circuito di carica e mediante il suo uso è possibile attivare o disattivare il circuito di carica mobile rispetto ai principali livelli di tensione della batteria come si può notare in Figura 9.
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Figura 9: Schema della sezione di carica

Conclusioni

Le varie funzioni disponibili nelle API (Application Programming Interface) aiutano rapidamente a introdurre ulteriori personalizzazioni per soddisfare svariate applicazioni. Il progetto hardware usa il minor numero di componenti per dare ulteriore vantaggio in termini di costo di materiale e facilità di realizzazione, in più un tale progetto di riferimento è facilmente scalabile per una maggiore tensione di funzionamento e di potenza modificando facilmente lo schematico di partenza.
Facendo riferimento al sito ufficiale della Texas Instruments, si riesce a ottenere sia il materiale software che hardware con il quale si possono sviluppare rapidamente applicazioni di lampade elettroniche a LED. [/iscritti]

Vincenzo germano