Come regolare la corrente per led con Arduino

[AleEl]

E se avessi letto (e compreso) il datasheet, avresti già dovuto sapere che la fsw non c'entra nulla con la frequenza della regolazione PWM.

Ho letto il datasheet. L'ho letto
Comprenderlo è un'altra cosa. E non mi avete mai chiesto se il datasheet sia stato compreso.

Assodato questo, ti pongo questa domanda: cambiamo leggermente il progetto e supponi che un tuo amico ti chieda di pilotare una strip di 3 LED a 3,4V; utilizzando un alimentatore a 60V potrebbe andare bene una frequenza fsw attorno ai 900kHz ?
Motivare la risposta.

Tralasciando il fatto che è una delle mie stesse situazioni, quelle di avere 3 led in serie da 3,4V, la risposta:

Sarebbe stata: Sì, dato che la frequenza fsw la decido io, e 900kHz rientrano nel range.

E': No, dato che evidentemente non la decido io la frequenza, ma qualcosa a me sconosciuta

[DeltaElectronics]

E se avessi letto (e compreso) il datasheet, avresti già dovuto sapere che la fsw non c'entra nulla con la frequenza della regolazione PWM.

Ho letto il datasheet. L'ho letto
Comprenderlo è un'altra cosa. E non mi avete mai chiesto se il datasheet sia stato compreso.

Sono certo che tu l'abbia letto, ma in modo decisamente molto superficiale e sicuramente non compreso....
Se tu avessi cercato di leggerlo in maniera molto più attenta, sicuramente ti sarebbero sorti dubbi e domande; come ad esempio capita a qualche mio studente che ripassando gli appunti presi a lezione, nota che qualcosa gli è sfuggito, ragione per la quale la volta successiva non esita a pormi domande.
Se l'avessi letto in maniera approfondita, già a pag. 10 ti sarebbe balzata all'occhio una disequazione che pone un preciso vincolo per la scelta della frequenza fsw (che in ogni caso deve essere comunque compresa tra 250kHz e 1MHz); ti invito a rileggerla in modo da comprendere per quale motivazione la scelta di 900kHz nello specifico è errata.

[AleEl]

una disequazione che pone un preciso vincolo per la scelta della frequenza fsw

Vero, scritta tra l'altro in uno dei tanti fogli che avevo, con le prove che facevo.
Ora, ricapitoliamo:

Decisa la frequenza fsw, tenendo conto anche della disequazione di pagina 10, c'è altro di errato?
Anche perché, provando a tenere validi i dati di:
3 led da 3.4V l'uno, in serie, si ha che:

Vled = 10,2V

Quindi:

Vled / Vin >= 400ns * fsw

Quindi, di nuovo:

(10,2/60)V >= 400ns * fsw

0,17 >= 400ns * fsw

fsw <= 0,17/400ns

fsw <= 425kHz

Corretto?

[DeltaElectronics]

fsw <= 425kHz

Corretto?

Bingo !!!

Passiamo allo step successivo... la corrente.
Innanzi tutto ti è già stato suggerito di fare una caratterizzazione delle varie strip in corrente ed in tensione.... nel senso che forzi una detrminata corrente e misuri la ddp ai capi della strip.
L'hai fatto ?
Ti è anche stato già suggerito di far lavorare i led ad una corrente leggermente inferiore a quella nominale, questo allo scopo di non stressare troppo i led stessi e prolungarne la vita.
Quindi durante la caratterizzazione, cerchi un valore di corrente, leggenrmente inferiore amquella nominale, che ti possa dare una luminosità sufficiente ai tuoi scopi; la chiami Imax alla quale corrisponderà una caduta sulla strip Vmax.
Siccome, da quanto mi sembra di aver compreso, vuoi fare una modulazione di luminosità; ora fai scendere la corrente fino alla minima luminosità oltre la quale i led vanno spenti completamente (spiegherò poi il perché); questo valore sarà Imn in corrispondenza del quale corrisponderà una caduta Vmin.
Questa procedura la ripeti su ogni strip, appuntandoti i valori rilevati.
Quando hai finito, procederemo oltre.

[DeltaElectronics]

Allora... Il1 è la corrente dell'induttanza e quindi anche quella della strip dei LED, Ilx invece è la corrente di regolazione che fluisce nel PIN Vix; questa corrente viene utilizzata dall'integrato a scopi di regolazione della corrente stessa nell'induttore.
Come vedi l'andamento della corrente è variabile nel tempo, assumendo una forma praticamente triangolare (se noti ci sono anche degli oscillogrammi nelle pagine precedenti) con un valore medio Iled; questo corrente è quella che ci interessa in termini di luminosità; in altre parole se ci interessa che i led siano percorsi da una corrente di 650 mA, sarà questo il valore medio Iled che andremo a regolare tramite la resistenza Radj....
La differenza tra il valore medio ed i picchi (negativi e positivi) di corrente è il famoso ripple di corrente DIc
Un'altra indicazione deriva dal fatto che l'induttore non deve mai spegnersi; dal che abbiamo che Imin-DIc>0
L'indicazione per regolare il Ton è che questo non deve essere inferiore a 400ns, il che porta alla disequazione in fondo a pagina 10 che già conosci.

[AleEl]

Un'altra indicazione deriva dal fatto che l'induttore non deve mai spegnersi; dal che abbiamo che Imin-DIc>0

Quindi Imin > DIc

Fin qui ci sono.

[DeltaElectronics]

Quindi Imin > DIc

Fin qui ci sono.

Ovviamente questo vincolo ce l'hai nel caso di luminosità piccole, ex. 5% del valore nominale.
Supponiamo che al 100% corrisponda una corrente di 650mA (dalla caratterizzazione che ti ho detto di fare), con un ripple di corrente di 100mA, avresti un Imin = 550 mA che non comporta nessun problema.
Il problema invece ce l'hai con il picco Imax=750mA.
Il Led dovrebbe tollerare questi 50 mA oltre il valore nominale senza rischio di danneggiamenti (controllare sempre e comunque l'indicazione del costruttore); il fatto è che
in un secondo, a fsw=250kHz, avresti una successione di 250000 di questi picchi; stressando quindi il dispositivo riducendone quindi, a lungo andare, la sua vita.
Conviene quindi abbassare il ripple di corrente ad almeno 50mA, in modo da non superare, se non di poco, la corrente nominale.
Ora però, se vuoi portare la luminosità fino ad un valore minimo di 30mA (poniamo), comprendi che un tale ripple di corrente scaricherebbe l'induttore; quindi bisognerebbe livellare ulteriormente la corrente minima dei Led, con un ripple di 15mA.
Per ridurre il ripple di corrente, a parità degli altri parametri (corrente media, frequenza fsw di commutazione), devi aumentare le dimensioni dell'induttire:; propio utilizzando la famosissima formula che il mese scorso ti mandó in panico

[DeltaElectronics]

Riassumo qui alcune considerazioni sull'andamento della corrente nell'induttore e quindi nei led.
È il tipico andamento che presenta uno switch ing; lungo dall'avere un andamento costante nel tempo, commuta periodicamente da un valore basso (Imin) a un valore alto (Imax); nel tempo Ton durante il quale lo switch interno all'integrato è chiuso, l'induttore si carica ed il diodo D1 è interdetto.
Trascorso questo tempo, lo switch si apre e l'ingresso all'integrato è in alta impedenza; poiché nell'induttore abbiamo una corrente Imax >0, questa non può annullarsi nell'istante successivo,; ne consegue un repentino innalzamento della tensione all'anodo del diodo D1, portandolo in condizione in modo da consentire la scarica dell:'induttore; fintanto che lo switch si richiude, la tensione sull'anodo D1 si innalza riportandolo in interdizione, ricaricando in questo modo l'induttore.

[AleEl]

Per ridurre il ripple di corrente, a parità degli altri parametri (corrente media, frequenza fsw di commutazione), devi aumentare le dimensioni dell'induttire:; propio utilizzando la famosissima formula che il mese scorso ti mandó in panico

Quindi, vediamo se ho capito:

Prima cosa importante: Ipotizzando una modalità di lavoro quasi fissa, senza una grossa regolazione di corrente, io penso che sia meglio fissare la I dei led a 650mA, con un ripple di 50mA.

Tuttavia, da quel che mi dici, se ad esempio volessi scendere a 30mA minimi di regolazione, dovrei diminuire il ripple, ma non mi hai detto il motivo. Provo io a dedurlo:

Il ripple è la variazione di corrente.
Se io ho un ripple di 50mA, ed una corrente di 30mA, significa che posso arrivare a massimo 80mA e a minimo -20mA

-20mA è una corrente negativa, perciò <0, cosa non buona per l'induttore.
Per questo motivo tu mi hai detto che, se volessi una corrente di 30mA, dovrei diminuire il ripple a 15mA, per evitare di avere una corrente minima negativa, scaricando quindi l'induttore. Giusto?

Ora, se resto alle tue indicazioni, e ho interpretato bene le tue istruzioni, la situazione è:

I max led: 670mA
I min led: 70mA
ripple: 30mA

Potrebbe andare il ripple? Prendi i dati come dati validi per il circuito. Se sono giusti, sono i valori da utilizzare

[DeltaElectronics]

Quindi, vediamo se ho capito:

Prima cosa importante: Ipotizzando una modalità di lavoro quasi fissa, senza una grossa regolazione di corrente, io penso che sia meglio fissare la I dei led a 650mA, con un ripple di 50mA.

Tuttavia, da quel che mi dici, se ad esempio volessi scendere a 30mA minimi di regolazione, dovrei diminuire il ripple, ma non mi hai detto il motivo. Provo io a dedurlo:

Wait for a moment pls....
Il ripple lo fissi tu dimensionando l'induttore... nel senso che con un induttore di 47mH (per esempio) e una specifica frequenza Fsw per una Iled = 650mA avrò un ripple di 10mA e a una Iled = 50mA un ripple a 30mA. I valori sono puramente inventati a titolo di esempio; se ricordo bene la formula la corrente Iled dovrebbe appiattirsi aumentando la sua intensità media... adesso non ho presente la formula.
Questo vorrebbe dire:
-) Scegliere un valore (medio) Imin
-) Scegliere un valore di ripple che consenta di non scaricare l'induttore
-) Dimensionare, in base a questi parametri e alla frequenza di switching Fsw, il valore dell'induttore
-) Verificare che con il ripple a Imax non superi, almeno di troppo, il valore di corrente nominale dei led.

-20mA è una corrente negativa, perciò <0, cosa non buona per l'induttore.
...

Un valore negativo indica semplicemente che la corrente invertirebbe il senso di percorrenza nell'induttore.... ciò dovrebbe suggerirti qualcosina, avendo presente la nostra configurazione circuitale.