magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

 medium MCP1643 MSOP 8A közismerten nagy nyitófeszültségű ledek és még inkább az ezekből összetett ledfüzérek működtetését kisfeszültségű tápforrások esetén elektronikus meghajtóegység nélkül nem lehet megoldani.

A cikk arra mutat példát, hogyan valósíthatjuk meg az ehhez szükséges funkciókat, a feszültségnövelő átalakítót és az áramgenerátort egyetlen egységbe ötvözve egy RGB ledmeghajtó alkalmazásban.

 


Egy állandó áramú ledmeghajtóként optimalizált, kis méretű, nagy hatásfokú, állandó kapcsolási frekvenciájú, feszültségnövelő DC/DC-átalakítóval olyan könnyen használható tápegységet készíthetünk, amely – a kapcsolóvezérlőn kívül – kisszámú külső alkatrészt tartalmaz, és ami a legfontosabb: egy vagy két alkáli, NiMH vagy NiCd elemről is képes több infravörös, fehér vagy RGB-ledet működtetni.
A felhasználható vezérlőáramkörökre példa a Microchip Technology MCP1643 típusjelű integrált áramköre. Ez egy 1 MHz-es fix kapcsolási frekvenciájú eszköz, amely impulzusszélesség-modulációval működik. Az 1. ábrán egy olyan egyszerű, feszültségnövelő DC/DC-áramgenerátor kapcsolási rajza látható, amelynek forrásáramát egy ellenállás (RSET) állítja be a kívánt értékre. Az áramkör forrásárama a bemeneti feszültségtől függ. Azt várjuk a konstrukciótól, hogy a 0,5 V-tól 5 V-ig tartó bemenőfeszültség-tartományban működjön, 0,65 V-os indulófeszültséggel. Teljesen feltöltött akkumulátornál a maximális, szabályozott ledmeghajtó áram 450 mA. Az alkáli-elemekkel összehasonlítva a NiMH és NiCd akkumulátorok névleges feszültsége kisebb, így az előállítható maximális ledmeghajtó áram is kisebb, nagyjából 350 mA. Az áramkör még akkor is képes közel 150 mA-es terhelőáramot előállítani, ha az akkumulátor már majdnem teljesen lemerült. Amint az minden áramgenerátoros ledmeghajtóra jellemző, néhány korlátozással kell számolnunk a maximális és minimális terhelőáram határértékeinél.
Amint az a feszültségnövelő topológiából következik, a kimeneti áram szabályozott marad, míg a VIN bemenőfeszültség 300…400 mV-tal kisebb a VOUT kimenőfeszültségnél. A maximális terhelőáramot a bemeneti áramkorlát határozza meg, amely 1,8 A. Ha a választott ledáram az eszköz maximális csúcsáramánál nagyobb bemenőáramot igényel, a led áramát nem lehet szabályozni, és az a bemeneti feszültséggel együtt változik. Az elemnek képesnek kell lennie tartósan előállítani a konverter által igényelt áramot. A minimális ledmeghajtó áram, amit az eszköz még szabályozni képes, 20 mA.

 

MCA722 Fig 1

1. ábra Egy tipikus feszültségnövelő DC/DC-átalakító kapcsolási rajza

 

Egycellás ledmeghajtó

Az egyik legegyszerűbb alkalmazás egy állandó, beállítható forrásáramú ledmeghajtó, amelynek áramát az érzékelő ellenállás értékének megválasztásával állíthatjuk be. Ha ez 2,4 Ω, a beállított ledmeghajtó áram 50 mA, amely 100 vagy 150 mA-re is megnövelhető, ha az érzékelő ellenállással egy vagy két, ugyancsak 2,4 Ω-os ellenállást kapcsolunk párhuzamosan.
Az eszköz impulzusszélesség-modulációval (PWM) lehetővé teszi azt is, hogy a ledet változó kitöltési tényezővel kapcsolja ki-be az EN bemenetre kapcsolt PWM-vezérlőjel segítségével. A fényerőszabályozásra használható kapcsolójel maximális frekvenciáját a belső lágyindítási időzítés korlátozza, amely tipikusan 240 μs. Ha az EN kivezetésen a PWM-jel kitöltési tényezőjét változtatjuk, a led árama (és vele a fényáram) ezzel arányosan változik.

 

Két, sorba kapcsolt LED meghajtása

Az áramkör arra is használható, hogy két, sorosan kapcsolt ledet működtessen. A maximális kimenőfeszültséget viszont az eszközbe épített túlfeszültség-védelem 5,0 V-ra korlátozza. Emiatt a védelem miatt az áramkör két ledet csak akkor tud meghajtani, ha azok aránylag kis nyitófeszültségűek. Például az infra-távirányítókban használt infravörös ledekből vagy a vörösekből képes két, sorba kapcsolt példányt meghajtani, de a nagy nyitófeszültségű fehér és kék ledekből nem.

 

Párhuzamosan kapcsolt ledek meghajtása

Az MCP1643 maximális kimenőárama 550 mA. Ahhoz, hogy ennek előnyeit kihasználjuk, párhuzamosan kapcsolhatunk több kis áramú ledet. A párhuzamosan kapcsolható ledek maximális számát úgy határozhatjuk meg, hogy az eszköz 550 mA-es maximális terhelőáramát elosztjuk a ledek maximális megengedett áramával. Például, ha a led maximális árama 50 mA, 11 ledet kapcsolhatunk párhuzamosan. Természetesen ugyanennyi, azonos értékű soros ellenállást is be kell építeni. Ezek közül egy led-ellenálláspárt használunk fel az áramérték beállítására, a többiek ezt a beállított értéket követik. Ez az alkalmazás – kis teljesítménydisszipációjú SMD-ellenállásokkal kialakítva – megfelelően használható hordozható, hátsó LCD-panelmegvilágító áramkörökhöz. Ez az olcsó, kevés alkatrészből álló módszer kiváltja a nagyfeszültségű, állandó áramú feszültségnövelő konvertereket, amelyhez nagyobb méretű, jelentős NyÁK-panelterületet elfoglaló induktivitásra lenne szükség.

 

Beágyazott rendszerek

Egy RGB led három elemi ledet (vöröset, zöldet és kéket) tartalmaz közös katódú vagy anódú elrendezéssel, így azokat együtt vagy egymástól függetlenül is meg lehet hajtani, és az utóbbi esetben az RGB leddel a látható spektrum bármilyen színét előállíthatjuk. Mivel minden ledszínhez különböző nyitófeszültség tartozik, független áramgenerátorokat kell alkalmaznunk. Egy másik lehetséges beágyazott alkalmazás a mikrovezérlő tápfeszültségének előállítása olyan konfigurációban, amelynek energiaforrása egyetlen AA-méretű elem. Az MCP1643 maximális kimeneti árama 550 mA, de csak egy kimenete van. Ahhoz, hogy három ledet egymástól függetlenül vezérelhessünk, mikrokontrollert kell használnunk. 240 μs-os lágyindítási időt használva a kimenetet minden áramtúllövéstől mentesen, 70 Hz-es ledkapcsolási frekvenciával multiplexelhetjük. Külső tranzisztorokkal lehet váltogatni a ledek áramútjait annak érdekében, hogy azok független vezérlést kapjanak.
Ebben az alkalmazásban az eszköz egy rövid ideig – amíg a ledek le vannak választva – feszültséggenerátorként működik, amikor a visszacsatolást egy feszültségosztó határozza meg. Eközben a feszültség egy állandó, 4 V-os értékre emelkedik. Figyelembe véve, hogy az eszköz ebben az alkalmazásban három led meghajtását szolgálja ki, a csipet közel 300 Hz frekvenciára kell beállítani (ami közelítőleg a négyszerese az egy ledre előírt 70 Hz-nek).

Ahhoz, hogy az eszközt több led egyidejű, független meghajtására használhassuk, néhány feltételnek teljesülnie kell:

  • A kimenetet úgy kell átkapcsolni egyik ledről a másikra, hogy közben ugyanazt az áramérzékelő ellenállást használjuk,
  • az eszközt az EN bemenettel tiltani kell, mielőtt a vezérlőrendszer átkapcsolja az áramutat egyik ledről a másikra, majd utána újra engedélyezni kell.
  • A kimeneti feszültséget a váltás előtt le kell csökkenteni, hogy megelőzzük ezzel a különböző színű ledek nyitófeszültségeinek különbségéből adódó áramtúllövéseket.

MCA722 Fig 2

2. ábra Az RGB-ledmeghajtó működési elve

 

Ezeket a funkciókat egy PIC® mikrovezérlővel is megvalósíthatjuk. A vezérlőjelek idődiagramját a 2. ábra mutatja. A zöld, kék és vörös jelek azoknak a kapcsolótranzisztoroknak a kapufeszültségei, amelyek a különféle színű ledek áramútjainak átkapcsolását végzik. Miután ezeket a jeleket a tranzisztorok a kapufeszültségükként érzékelik, az adott tranzisztor vezetni kezd, és a megfelelő színű led kapcsolódik be a ledmeghajtóban kialakított visszacsatoló hurokba. Az engedélyező (EN) jel ezekkel a kapujelekkel van szinkronizálva, és az idődiagram tartalmaz egy olyan további engedélyezési periódust is, ami közben nincs egyetlen led sem kiválasztva. Ez idő alatt a kimeneti feszültség felszabályoz egy fix feszültségre, tehát az eszköz ilyenkor feszültséggenerátorként működik. Felhívjuk a figyelmet, hogy az engedélyező jelek sorrendje nem tetszőleges. Ha az áramkört olyankor indítjuk el, amikor egyetlen led sincs bekapcsolva, a kimeneti feszültség akár 5 V-ra is növekedhet. Ha most a soron következő ledet beiktatjuk az áramútba, a magas feszültségre feltöltődött kimeneti kondenzátor ellenőrizetlen módon sül ki rajta, és a nagy áram tönkreteheti a ledet. Az engedélyező jelek közötti holtidő különböző, mivel a ledek nyitófeszültségei is különböznek. Ha a magas szintről alacsonyra kapcsolás után pozitív irányú változás következik, a holtidő el is hagyható, de ezt a megoldást nem javasoljuk.

MCA722 Fig 3

3. ábra Egy RGB ledmeghajtó demókártya elvi kapcsolási rajza

 

A DC/DC-konverter feszültséggenerátoros üzemmódja

Ahhoz, hogy az eszközt feszültségforrásként használhassuk, néhány külső alkatrészt kell beépítenünk: egy tranzisztort arra a célra, hogy azzal válasszuk le a visszacsatoló ellenállást az áramszabályozó visszacsatoló hurokról, valamint egy ellenállásosztót a visszacsatoló hurokba, amelynek az a célja, hogy a feszültséget a szabályozóhurok által a megkívánt nagyságúra növelje. Amikor a ledek nincsenek csatlakoztatva, de az eszköz az EN bemenettel engedélyezve van, a kimeneti feszültség rövid idő alatt közel 4 V-ra emelkedik. A multiplexelés miatt a PIC mikrovezérlő feszültsége nem szabályozott, és idővel – a multiplexelési frekvenciától függő mértékben – csökken a tárolt energia, amely a vezérlőrendszer energiaigényét fedezi. Ha ennél nagyobb mértékben szabályozott tápfeszültségre van szükség, a feszültségnövelő tápegység után még egy kis feszültségesésű (LDO) analóg feszültségszabályozót is be kell építeni. Például, ha egy 3,3 V-os tápfeszültség szükséges, egy kis nyugalmi áramú LDO szabályozót (például az MCP1702-t) célszerű választanunk, de ez esetben az MCP1643 eszköz kimeneti feszültségét nagyobb, 3,6 V-ot meghaladó értékre kell beállítani. Így a feszültségesés nem befolyásolja a mikrovezérlő funkcionalitásait a 2,3…5 V-os tápfeszültség-tartományban. További alkatrészek szükségesek a ledek feszültségével való nem kívánt kölcsönhatások elkerüléséhez is. Egy Schottky diódával érhetjük el, hogy bármilyen feszültség visszajusson a ledek felé, és egy kapacitás is szükséges az energia tárolására a működésnek azokban a szakaszaiban, amikor az eszköz éppen a ledek meghajtását végzi. Ez a megközelítés nem csak azért előnyös, mert feleslegessé teszi egy másik DC/DC konverter felhasználását. A másik előny, hogy amikor a konverter kikapcsolódik, a mikrovezérlő – tápfeszültség hiányában – ugyancsak leáll. Ez teszi lehetővé, hogy az egész rendszer alvó állapotban mindössze 1,2 μA-t fogyasszon. A rendszer újraindítása történhet manuálisan – amely automatikusan tápfeszültséggel látja el a mikrovezérlőt is –, vagy egy külső feszültségforrással, ami a mikrovezérlőre legalább 100 ms-ig tápfeszültséget kapcsol.
A 3. ábra egy RGB ledmeghajtó demókártya elvi kapcsolási rajzát mutatja. A kapcsolási rajzot blokkokra osztottuk annak érdekében, hogy elkülönítsük a rendszer egyes funkcionalitásait megvalósító részleteket. Ennek alapján a NyÁK-tervet a DC/DC-konverterek általános elrendezési szabályait szem előtt tartva lehet kivitelezni: az aránylag nagyobb áramokat továbbító tápvezetékeket érdemes a lehető legrövidebbre tervezni úgy, hogy lehetőleg ne haladjanak át az érzékelővezetékek vagy más nagyimpedanciás jelvezetékek alatt vagy azok közelében. A kapcsolt csomóponthoz vezető sávokat is érdemes az interferencia csökkentése érdekében a lehető legrövidebb méretben kialakítani. A be- és kimeneti kondenzátorokat is érdemes a lehető legközelebbre telepíteni a konverterhez, és egy földsík kialakítását is javasoljuk. A melegedésre hajlamos alkatrészek közelében célszerű sok viát (furatgalvanizált átmenőfuratot) készíteni egy nagyobb rézfelülethez, mivel ez segít a veszteségi hőmennyiség elvezetésében.

 

Összefoglalás

Az MCP1643 egy sokoldalú szinkron feszültségnövelő DC/DC-átalakító ledmeghajtó, amelyet egycellás alkálielemről való táplálásra, alacsony indulófeszültségre és nagy meghajtóáram előállítására terveztek. Az alacsony (1,2 μA-es) nyugalmi (lekapcsolási) áram növeli az elem élettartamát az eszköz használaton kívüli időtartama alatt, míg az alacsony alkatrészszám és a kis NyÁK helyigény kedvez a kisebb méretű, hordozható alkalmazásoknak. Az eszköz felhasználásával a DC/DC-konverter tervezése egyszerű és egy mikrovezérlő beiktatásával a kész áramkört még sokoldalúbbá és még inkább felhasználóbarát kialakításúvá tehetjük.

 

Catalin Bibirica – Microchip Technology

www.microchip.com

még több: Microchip