Autore: Gy Xu, XuMicro
Tutti i più economici LED a luce bianca in commercio si alimentano a 4,5 V, tipicamente usando tre pile AA o AAA, perché necessitano di almeno 3,5 V solo per accendersi, mentre ai convenzionali bulbi luminosi a incandescenza bastano 3 V. Questa diversità di tensione è il principale motivo che oggi ostacola, ma non impedisce, la sostituzione dei vecchi filamenti luminosi con i LED. Il circuito in figura 1 può risolvere questo problema ed è, in pratica, un convertitore di tensione formato da sei componenti che si possono facilmente montare in una piccola scheda PCB di una manciata di centimetri quadrati, purché si scelgano oculatamente i componenti e i loro valori.
Fig. 1 – Questo circuito a pompa di carica serve a innalzare la tensione d’ingresso a sufficienza per accendere i LED
L’integrato IC1 è un microcontrollore Atmel ATtiny13 e lavora come pompa di carico controllando il livello dell’amplificazione. La sua frequenza di oscillazione interna è di 1,2 MHz a 3,5 V, ma questo chip dal piccolo package a soli otto pin può lavorare anche con tensioni ridotte a 1,8 V e consumi ultra bassi. Q1 è un transistor NPN ZTX618 caratterizzato dalla bassa tensione di saturazione e può controllare fino a 3 A di corrente di collettore, mentre D1 è un diodo Schottky con bassa caduta di tensione in conduzione ed elevata efficienza energetica.
Quando si applica l’alimentazione di 3 V all’integrato IC1, questo produce in uscita un impulso sufficientemente potente per portare in conduzione Q1, il collettore del quale è a massa. A questo punto l’induttanza L1 si carica linearmente fino a raggiungere una corrente di picco sufficiente a far sì che l’uscita dell’IC1 produca un segnale logico basso e il transistor Q1 commuti in saturazione, spegnendosi come si vede nella figura 2. Va precisato che questo circuito può lavorare correttamente solo se l’induttanza non satura e, pertanto, la scelta dell’induttore va fatta con molta attenzione. Comunque, a questo punto il campo magnetico immagazzinato all’interno di L1 collassa e, fuoriuscendo, induce una tensione inversa che porta D1 in conduzione. In questo modo, l’energia accumulata in L1 si trasferisce nel condensatore C2 che continua a immagazzinarla finché non diventa abbastanza grande per accendere i LED.
Fig. 2 – Durante il tempo di accensione TON la corrente fluisce attraverso l’induttore e poi va a caricare il condensatore
La relazione matematica che lega la tensione di alimentazione VIN, l’induttanza L1, la sua corrente di picco IPK e l’intervallo di tempo nel quale il microcontrollore rimane acceso TON è la seguente: VIN = L1 x IPK/TON. Per una tensione di alimentazione di 3 V si può scegliere un induttore con valore nominale di 10 µH e una corrente di saturazione di almeno 1,5 A, mentre si può assumere per il tempo di accensione del microcontrollore un valore tipico di 5 µsec. Nella figura 3 è riportato un esempio di programma per il comando del microcontrollore ATtiny13 considerando un tempo di accensione di 5 µsec ed è così semplice che si accontenta di appena 22 Byte nella memoria programma di 1 kByte.
Fig. 3 – Esempio di programma per il microcontrollore ATtiny13
La funzione di pompa di carico è altrettanto semplice. In pratica, l’istruzione “Sbi portb, 2” serve a settare l’uscita del microcontrollore al valore logico alto necessario per attivare la pompa di carico. Giacché il microcontrollore è costretto a lavorare a 1,2 MHz dall’oscillatore interno, ecco che ciascun NOP (Non OPeration) occupa esattamente un colpo di clock ossia 0,833 µsec e, perciò, insieme i sei NOP occupano esattamente 5 µsec. Similmente, l’istruzione “Cbi portb, 2” setta l’uscita del microcontrollore al valore logico basso e ciò basta per spegnere la pompa di carico.
Le misure sperimentali mostrano che il circuito lavora alla frequenza di commutazione di 100 kHz e le sue uscite sono di 17 V e 35 mA per cinque Led e di 32 V e 20 mA per dieci Led. Diversamente dai circuiti elevatori di tensione tradizionali, questa configurazione circuitale non necessita di resistenze e pertanto non disperde inutilmente energia, né dissipa calore.