Wydajna przetwornica do zasilania LED z baterii

Rys. 1. Schemat typowego podwyższającego przetwornika DC-DC

Przykładowy schemat jego wykorzystania jako zasilacza DC-DC jest przedstawiony na rysunku 1. Jest to podwyższający stabilizator z wyjściem CC, w którym wymagane natężenie prądu jest wyznaczane rezystorem RSET. Maksymalna możliwa wartość natężenia prądu zależy od napięcia zasilającej baterii w zakresie od 0,5 do 5 V, przy napięciu rozruchowym 0,65 V i osiąga ono 450 mA dla ogniw alkalicznych, o wyższym nieco napięciu, a około 350 mA dla ogniw NiMH czy NiCd.

Zasilacz jest zdolny do dostarczania 150 mA nawet z baterii w znacznym stopniu rozładowanej. Charakter podwyższający zasilacza zapewnia stabilizację prądu wyjściowego, dopóki napięcie V_OUT przewyższa V_IN o 300 do 400 mV. Maksymalne natężenie prądu wyjściowego jest ograniczone maksymalnym natężeniem prądu wejściowego 1,8 A. Przekroczenie tej granicy skutkuje utratą stabilizacji prądu diod i jego uzależnieniem od napięcia wejściowego. Bateria musi ponadto zapewnić zasilanie układu stabilizatora. Minimalne stabilizowane natężenie prądu wyjściowego to 20 mA.

Zasilanie jednej LED

Najprostszym zastosowaniem układu jest prądowy zasilacz jednej LED, o natężeniu prądu dobieranym rezystancją R_DEF. Przy 2,4 Ω natężenie to wynosi 50 mA, a może zostać zwiększone do 100 mA i 150 mA przez równoległe dołączanie kolejnych rezystorów 2,4 Ω.

Natężenie światła emitowanego przez LED może być liniowo regulowane za pośrednictwem PWM (modulacji szerokości impulsów), sterowanej przez wejście EN. Maksymalną częstotliwość PWM ogranicza czas płynnego rozruchu układu, około 240 μs.

Zasilanie dwóch szeregowo połączonych LED

Układ może również służyć do zasilania dwóch LED w połączeniu szeregowym. Jednak maksymalne napięcie wyjściowe jest wtedy przez obwód ochrony nadnapięciowej ograniczane do 5,0 V. Zasilane więc wtedy mogą być tylko dwie diody niskonapięciowe, podczerwone lub czerwone, bowiem dla białych czy niebieskich napięcie będzie za niskie.

Zasilanie LED połączonych równolegle

Maksymalne natężenie prądu wyjściowego układu wynosi 550 mA, da się zatem zasilać do 11 połączonych równolegle niskoprądowych LED, o prądzie nominalnym 50 mA. Do wejścia sprzężenia zwrotnego USZW przyłączyć wtedy należy 11 równoległych rezystorów 2,4 Ω.

Takie rozwiązanie z rezystorami SMD małej mocy nadaje się do podświetlania ekranów LCD. Układ liczy niewiele komponentów i może zastąpić wysokonapięciowy zasilacz prądowy, wymagający dużej cewki i zajmujący sporo miejsca na płytce drukowanej.

Systemy podświetlenia oparte na LED RGB

Rys. 2. Zasada działania przetwornika

LED RGB składa się z trzech diod (czerwonej, zielonej i niebieskiej) o wspólnej katodzie i osobno zasilanych anodach, które mogą emitować światło o dowolnej barwie z zakresu widma widzialnego. Każda ze składowych kolorowych LED ma inne napięcie przewodzenia, muszą więc być zasilane oddzielnie, co wymaga posłużenia się mikrokontrolerem.

Układ MCP1643 może służyć do zasilania z jednego ogniwa AA nie tylko LED RGB, ale również mikrokontrolera. Układ ma jednak tylko jedno wyjście, które musi być kolejno przełączane do zasilania trzech diod i kontrolera. W pokazanym na rysunku 3 schemacie multipleksowanie jest realizowane z częstotliwością 70 Hz za pośrednictwem oddzielnych tranzystorów dla poszczególnych kolorów.

Po odłączeniu na krótko diod i rezystora sprzężenia zwrotnego i użyciu dzielnika sterującego, układ jako źródło napięcia 4 V zasila mikrokontroler. W takiej konfiguracji, służącej do zasilania zarówno trzech LED, jak i systemu, układ działa z częstotliwością 300 Hz (ok. czterokrotnie wyższą od 70 Hz).

Użycie układu w roli niezależnego sterownika trzech LED wymaga spełnienia następujących warunków:

• wyjście musi być przełączane pomiędzy diody przy tym samym rezystorze sprzężenia zwrotnego,
• przy każdej zmianie ścieżki prądowej układ musi być każdorazowo aktywowany i dezaktywowany,
• przy każdym przełączeniu napięcie powinno być obniżane dla uniknięcia przetężenia.

Działania te są sterowane przez mikrokontroler PIC. Przebiegi sygnałów sterujących przedstawiono na rysunku 2. Sygnały na bramkach tranzystorów przełączających przepływ prądu do poszczególnych diod są oznaczone kolorami zielonym, niebieskim i czerwonym.

Zsynchronizowane z nimi są trzy sygnały zezwolenia, a po nich następuje czwarty, w czasie którego żadna z diod nie jest zasilana, system zaś zostaje przełączony ze stabilizacji prądu dla LED do stabilizacji napięcia dla mikrokontrolera. Musi być przy tym zachowana właściwa kolejność sygnałów zezwalających.

Gdy układ nie jest połączony z diodą, jego napięcie wyjściowe wzrasta do 5 V. Przyłączona wtedy dioda zostałaby zniszczona niekontrolowanym rozładowaniem kondensatora wyjściowego. Czasy martwe pomiędzy sygnałami zezwalającymi są różne, zależnie od napięcia przewodzenia diod. Czasy martwe dla dodatnich zmian napięcia od niższego do wyższego mogą być pominięte, nie jest to jednak polecane.

Źródło napięcia DC-DC

Rys. 3. Schemat płytki demonstracyjnej zasilacza LED RGB

Użycie układu MCP1643 jako zasilacza napięciowego wymaga kilku dodatkowych komponentów zewnętrznych. Do odłączania rezystora sprzęgającego w pętli sprzężenia zwrotnego w zasilaczu prądowym musi zostać użyty tranzystor, wprowadzony też musi zostać dzielnik rezystorowy, wyznaczający napięcie wyjściowe.

Przy odłączonych diodach napięcie wyjściowe szybko wzrasta do 4 V. Multipleksowanie uniemożliwia stabilizację i napięcie wyjściowe obniża się z szybkością zależną od częstotliwości multipleksowania, od zmagazynowanej energii i od poboru mocy przez system sterujący. W razie większego zapotrzebowania na stabilizowane napięcie, układ może zostać wspomożony dodatkowym LDO.

Jeśli na przykład jest potrzebne napięcie 3,3 V, można użyć LDO o małym prądzie spoczynkowym, na przykład MCP1702, a napięcie wyjściowe MCP1643 powinno zostać podwyższone do co najmniej 3,6 V. Obniżenie napięcia nie wpłynie na działanie mikrokontrolera, który pracuje pod napięciem 2,3 do 5,0 V.

Dla zapobieżenia zakłócaniu napięć sterujących LED potrzebne są jeszcze dodatkowe elementy. Dioda Schottky’ego ochroni napięciowo LED, a kondensator zmagazynuje napięcie zasilania układu przez czas sterowania diodami.

Dodatkową zaletą rozwiązania, zapewniającego również zasilanie systemu, jest wyłączanie mikrokontrolera wraz z przetwornikiem. Układ pobiera w czasie uśpienia jedynie 1,2 μA. Może zostać ponownie uruchomiony albo zezwoleniem ręcznym, co równocześnie uruchomi mikrokontroler, albo zewnętrznym napięciem zasilania, przyłożonym przez nie mniej niż 100 ms.

Na rysunku 3 jest przedstawiony schemat płytki demonstracyjnej układu sterownika LED RGB. Schemat został na rysunku podzielony na bloki poszczególnych funkcji systemu.

Przy projektowaniu płytki drukowanej sterownika należy zachować podstawowe zasady przetwarzania DC-DC. Ścieżki przewodzące prądy o największym natężeniu winny być możliwie krótkie i nie powinny przebiegać blisko lub pod ścieżkami sygnałowymi wysokiej impedancji.

Również węzeł przełączania powinien dla ochrony przed zakłóceniami zajmować małą powierzchnię. Kondensatory wejścia i wyjścia powinny znajdować się jak najbliżej przetwornika. Zalecane jest użycie warstwy uziemiającej z większą liczbą przelotek, ułatwiających odprowadzanie ciepła.