Progetto torcia LED da 3,6V con driver boost cc per 2AA

[Carbonium]

Ciao e grazie anticipatamente a tutti.
Premetto che come conoscenze ho quelle di due corsi universitari di elettronica analogica e digitale fatti per chi frequenta Fisica, quindi per intenderci conosco le leggi circuitali, ho le nozioni base dei vari componenti e come pratica in digitale sperimentavamo con porte logiche e contatori fatti coi flip-flop, oltre non molto altro (già è stata una bella scoperta sapere del 555 come astabile per uso PWM).
Dal punto di vista pratico per le saldature dovrei imparare da quasi zero (in ogni caso è un mese che mi sto documentando in giro anche su forum internazionali e ce la metto tutta).

Scrivo perché vorrei sentire un parere dato che ho le idee abbastanza chiare su ciò che voglio fare, ma qualche dubbio sulle possibilità di realizzazione: voglio trovare un buon modo per ottenere una mini torcia con 4 led di caratteristiche Vf=3,6V If=20mA e mi sono posto una serie di vincoli precisi.
1) portabilità (alimentazione 2AA)
2) efficienza (corrente costante)
3) stabilità (autoprotezione)

1) So che limita molto, ma come fonte energetica ritengo sensato per il progetto solo l'uso di batterie AA: preferibilmente ricaricabili cioè 2x 1,2V, eviterei 3AA visto che mi scombinerebbero i piani di ricarica, o 4AA che più aumenta il numero e più crescono i problemi di non uniformità, peso e imgombro.
Se proprio diventa molto difficile potrei considerare anche tipologie "poco standard" tipo bottone 3V o le 9V ma solo se proprio non si riesce a far niente (piuttosto se serve un po' più di tensione proverei 4AA NiZn così mi tolgo lo sfizio pure).
2) Vorrei assolutamente evitare l'uso del semplice resistore, a parte per le solite ovvietà e compromessi consumo/vita, anche soprattutto perché con l'alimentazione proposta non arrivo comunque nemmeno alla tensione del singolo led (figuriamoci in serie).
Servirebbe un bel driver boost a corrente costante: integrato o come circuito di transistor. Il problema è che nel primo caso trovo difficilmente pareri che possano indirizzare bene (o meglio mi piacerebbe trovarli su roba che sia reperibile, datasheet con le giuste specifiche li trovo pure, ma poi magari non stanno a catalogo su RS-online, ma sopratutto raramente vedo DIP e non comprerei un forno per il montaggio superficiale di 1 o 2 IC ).
Per quanto riguarda invece i circuiti fatti in casa trovo molto materiale sui buck, ma nulla o quasi che funzioni da tensioni basse e ciò mi stupisce molto, visto che i led per efficienza/durata/costo li vedrei molto bene in progetti portabili, piuttosto che alimentati da una 220AC o da una serie di batterie al piombo!
3) Il circuito più semplice, economico e di facile realizzazione che potrebbe adattarsi come driver, sarebbe il classico joule-thief, solo che non vorrei sacrificare ogni volta le NiMH di turno (visto che ho già esperienze su quanto sono poco "suscettibili" ). Quindi se trovare un DIP che faccia da boost-cc fosse complesso, potrei adattarmi a questo purché si possa fare un circuito di protezione sicuro che isola (qua mi serve un'imbeccata ) la batteria quando scende sotto una certa soglia di tensione.

Sarò molto grato a chiunque consigli IC che facciano da driver a corrente costante per led e che accettino tensioni da batterie (cioè fra 1,5V e 6V non roba da batterie al piombo per intenderci), visto che come passo successivo sto pensando ad un ulteriore progetto di illuminatore con circa 20 led a 2V e 100mA..

[AjKDAP]

Peccato che sia limitante il fatto di dover saldare i componenti a montaggio superficiale, perché oramai ci sono tantissimi driver, boost converter per led singoli o gruppi di led, con tensioni d'ingresso molto basse.

Con un singolo integrato da pochi euro potresti fare tutto quello che hai in mente ed anche lo spazio richiesto sarebbe davvero limitato.

[IsidoroKZ]

Gli SMD si saldano anche a mano. Integrati per la tua applicazione ce ne sono svariati, ad esempio LT1932.

I Joule thieves li lascerei perdere, hanno rendimenti abbastanza bassi.

Potresti anche considerare di mettere due stringhe da 2 led in parallelo, eventualmente con una resistenzina se i led sono diversi fra di loro, perche' di solito un boost ha un rendimento piu` alto se non deve salire tanto di tensione.

[Carbonium]

Peccato che sia limitante il fatto di dover saldare i componenti a montaggio superficiale

Guardando in giro ho visto che si trovano facilmente anche circuiti preassemblati, tipo quelli in questa lista, quindi se proprio non volessi sbattermi potrei ripiegare su quelli. Anche se da quello che vedo sono generalmente per potenze maggiori (al minimo danno sui 300mA) e boh.. forse potrei informarmi meglio se hanno una resistenza di retroazione per regolarli diversamente cambiandola. Visto che potrebbero tornare utili anche per il secondo progetto in futuro.. (assemblati basati su AMC7135 vedo si trovano facilmente e senza spendere tanto, anche se non penso sarebbe il massimo..)

Gli SMD si saldano anche a mano.

Immagino richiedano molta manualità visto quanto sono piccoli.. Su questo sono completamente ignorante e non riesco a orientarmi (ho letto di sfuggita della
tecnica della stagnatura delle piste, ma non avrei la minima idea da dove cominciare, se non con idee balzane tipo usare uno sverniciatore.. ).
Quindi magari cerco di impratichirmi un attimo con una stazione per saldatura dissaldando qualche vecchio componente, per farmi un'idea dei limiti..

Integrati per la tua applicazione ce ne sono svariati, ad esempio LT1932.

Su RS non ce l'hanno ma l'ho trovato da Farnell (pensavo costasse un po' meno sia l'SMD che la spedizione; oltre 4€ il primo 9€ la seconda, ma non è quello a preoccuparmi per ora). Mi sono guardato il datasheet e sarebbe ottimo, con la disposizione che consigliano cioè 4 in serie (se ho capito bene tiene fino a 36V e infatti consigliano più serie con un numero maggiore) e quella alimentazione fa circa un 75% che trovo buono.
Grazie del suggerimento lo prenderò sicuramente in considerazione se risolvo i miei problemi di "manualità pratica", pazientate ma credo che dovrò documentarmi parecchio.

[alev]

L'LT1932 è disponibile anche qui e costa un pochino di meno

[Carbonium]

Grazie della dritta per i distributori mi sono definitivamente chiarito le idee con questa pagina che li ricapitola: la metto nel caso servisse a qualcuno che inizia in futuro..

Spulciando nei cataloghi ormai mi sono fatto l'idea che ci siano solo SMD, quindi o vedo di trovare qualcuno che venda soluzioni già pronte (nei cataloghi a volte mi perdo, ma mi è sembrato ci siano anche alimentatori già assemblati , ma non so si trovino pure driver cc per led.. qualcuno ne ha esperienza?), altrimenti devo prendere seriamente in considerazione di mettermi a saldare su un circuito stampato (nel caso se qualcuno sa dove indirizzarmi se c'è qualcosa di organico e ben fatto per imparare da zero.. ).

Alla fine comunque sarei un po' orientato a fare un acquisto unico da RS per prendere assieme un po' di altra roba per mettermi avanti.
Così cercando di orientarmi là, avevo notato un paio di Zetex che potrebbero essere simili (almeno sembra, a parte che accennano a un pilotaggio PFM del transistor del raddrizzatore) al LT1932, con efficienza comparabile, alimentazione entrambi a salire da 1,8V e a buon mercato.
Uno è il ZXSC400 che col dato di alimentazione a 2,5V e la configurazione di 4 led a seconda dell'impedenza e del valore di R_sense (che sembra dipendere da una corrente di picco che non ho ben capito come si stima) darebbe fra il 70% e il 75%.

ZXSC400.png (42.62 KiB) Osservato 10455 volte

L'altro molto simile ma migliore, il ZXSC310 ha i dati tabulati solo per 3,3V e 5V di alimentazione. Guardando le due curve coi 20mA che mi servono, sarei a picco di efficienza: per 3,3V fa circa 83%. Non so quanto questa scenda a 2,4V ma non penso peggio del precedente: la curva dei 3.3V precipita a cominciare da 30-40mA solo al 75%, mentre quella dei 5V si assesta appena a 83% a 100mA.

ZXSC310.png (12.39 KiB) Osservato 10455 volte

Nonostante quest'ultimo particolare del 5V, non penso di poterli utilizzare per i 20 led del secondo progetto (4AA magari), o sbaglio? ..sarebbe comodo visto cosa costano e che l'ordine minimo è 5.. Alternativa possibile per l'array da 20, avrei trovato il (costa +4€) LM3410 che però sarebbe un po' sprecato visto che può tenere fino a 1A e me ne servono solo 100mA (anche se nel datasheet ho visto una configurazione per strobo di potenza che potrebbe tentarmi a pasticciare in futuro). In questo caso non parlo di efficienza perché c'è un capitolo intero di formule per calcolarla (comunque varierà come al solito fra un 75-85% a seconda dell'alimentazione e del carico).

LM3410.png (53.1 KiB) Osservato 10455 volte

Sbaglio qualcosa?

[IsidoroKZ]

Stai dimenticando che vuoi usare due batterie ricaricabili che vanno da 2.6V a piena carica a 1.8V quando sono scariche. Non puoi usare un integrato con tensione minima di ingresso di 2.4V.

[Carbonium]

No, aspetta.. sono i dati che mancano (sicuramente peggiorerà il rendimento, ma il 310 parte già bene a 3,3V) ma gli zetex sono dati entrambi a partire da 1,8V (anche perché l'ho usata come chiave di ricerca) almeno è quello che sta scritto nel sommario del datasheet...

Per quanto riguarda l'array da 20 led in ogni caso andrò con minimo 4AA

[Carbonium]

So che manco da molto tempo, ma purtroppo è questione di impegni, volevo provare ad aggiornare la situazione, visto che sull'argomento molto si trova in forum internazionali tipo candlepowerforums.com e spero possa tornare utile parlarne un po' anche qui visto che il mio problema potrebbe essere (spero) di spunto per molti che magari farebbero più fatica altrove. Per questo motivo scriverò un po' i miei ragionamenti a mo' di blog sperando risultino chiari per altri e invoglino alle sperimentazioni.

Come NOTA introduttiva spero la parte operativa di questo intervento, ciè sotto il titolo in grassetto possa tornare molto utile anche ad altri, visto che la scelta che illustro là a seguire, trovo sia abbastanza competitiva come costi, anche col semplice metodo delle resistenze che, di contro permettono bassa efficienza, mentre qui si può ottenere un buon 80% di potenza costante usata dai LED e soprattutto a luminosità costante a prescindere dallo stato di carica delle batterie.

Allora a gennaio mi ero studiato svariati datasheet per essere sicuro di aver capito un minimo il funzionamento di base dei vari driver, tra l'altro avevo cominciato a fare le prime prove di saldature/dissaldature con la nuova stazioncina presa e mi son reso conto che faticherei parecchio con gli SMD. Per questa ragione e per mancanza di tempo ho abbandonato l'idea dell'autocostruzione da zero (lastre, sviluppo e tutti gli annessi mi prenderebbero troppo tempo e risorse per finire poi a farci ben poco: purtroppo parto da zero e mi sono fatto un'idea dei limiti/benefici).

Ho perciò ripiegato sul prendere in considerazione la modifica di driver a basso costo (veramente basso <5$ nel peggiore dei casi vale la spesa persino solo per recuperare i componenti: costa meno che a comprarli su RS se servono poche unità!) degli elenchi a cui avevo accennato più indietro: il fornitore di riferimento è il cinese DX. Il motivo è soprattutto che sono riuscito a reperire informazioni sugli integrati e molti li hanno testati su candlepowerforums.com perciò ho una certa idea di cosa ci posso tirar fuori.

Ovviamente gli integrati di quei prodotti non sono dei marchi noti che avevo nominato (anche se in passato usavano i C310 su cui mi ero soffermato pure io), sono generamente robe cinesi con datasheet abbastanza essenziali, ma vengono utilizzati e testati da parecchia gente per il modding di torce da parecchi Watt con buone efficienze (misurate 90-75%) e quindi per le potenze minori che servirebbero a me sarei più che tranquillo.

Torniamo quindi al mio problema cioè i 4 LED con Vf alta.
Nel frattempo le ho misurate e ho scoperto che vanno da 3,82V a 3,90V perciò posso assumere un 3,86±1% V, dal punto di vista delle tolleranze quindi sono messo piuttosto bene. La mia idea iniziale era metterli in serie, ciò richiederebbe un driver boost che riesca a sostenere una tensione di uscita di almeno 15,43V!
Ovviamente il fornitore spesso fa degli errori nelle schede dei prodotti, figuriamoci se indica le Vout; nei datasheet non sempre va meglio, spesso è il dato più difficile da trovare, ma come dicevo quei driver sono fortunatamente spesso testati da qualche utente di candlepowerforums in varie configurazioni di carico e con potenze parecchio elevate (esempio vedi ). Il prodotto dell'esempio precedente cioè lo sku26106 del catalogo DX (chi l'ha provato a fondo ipotizza sia basato sul boost AS2001), sembrava fra i pochi boost là presenti quello più adatto per la mia configurazione serie: dovrei modificare oltre a Rsense per abbassare Iout (di fabbrica a 0,8A) anche il controllo a 5-modi (è nato per torce con emettitori ad alta potenza). Anche se da datasheet dovrebbe partire pure da 1,8V non mi sembra molto ottimizzato per quella Vin (potrei far un più tranquillo 4AA ma snaturerei l'idea del mio progetto iniziale) e per le basse correnti; per farla breve, mi sembra un po' uno spreco riconvertire così tanto un driver che tiene 15W (e qualcuno là su quel forum l'ha portato perfino a 30W) lo riutilizzero per divertirmi a fargli fare altro, di più adeguato alle sue capacità anche perché è veramente molto voluminoso per una torcia.

Inoltre dato che le tolleranze dei miei 4 LED sono risultate strette ho avuto un'idea che mi pare più sensata attualmente, prendendo spunto dal suggerimento di IsidoroKZ di abbassare il boost di tensione ho pensato a metterli tutti e 4 in parallelo. L'idea è quella di utilizzare un altro driver boost, lo sku25505 di DX che è molto più ottimizzato per Vin basse (cioè secondo chi l'ha provato lavora al meglio con 2AA o 3 massimo) di cui non so il Vout massimo, ma in ogni caso se si trova i 4 LED tutti in parallelo ha la vita facile dato che lavora con una tensione di carico simile a quella per l'uso per cui è venduto: l'efficienza secondo chi l'ha provato con Iout=0,9A è ottima circa 80% finché Vin>2,1V (guarda caso pure il datasheet del PAM2803 su cui dovrebbe essere basato fa intuire un peggioramento sotto 1,8V a riprova che i conti tornano). Secondo specifiche del PAM2803 sono limitato in ingresso fra il minimo Vin=0,9V (o meglio, come detto non scenderò sotto 1,8-2,1V) mentre il massimo è Vin=Vf-0.2 (tetto limite a 6V) nel mio caso quindi max 3,66V: per forza di cose quindi si rientra nell'intervallo dato da 2 (o 3 al limite) AA Ni-MH come dicevo.
Stando a chi l'ha provato su candlepowerforums.com, il driver sku25505 è quindi costituito dal (quasi certo) PAM2803, un'induttore da 2,2uH, lo zener SS34, un paio di capacitori da 10uF in parallelo a protezione di ingresso e uscita, infine ovviamente la resistenza di regolazione Rs=150mΩ, è implementato con questo valore perché il driver è fatto per fornire Iout=0,6A per l'uso con un led bianco di alta potenza da torcia infatti il fornitore lo dichiara da 3W. Se non è molto chiaro metterò uno schema, comunque il tutto in SMD sta su una schedina circolare di 16mm di diametro: vedi immagine.
Dato che la tensione di regolazione il PAM2803 la tiene a 95 mV, per i miei scopi mi basta sostituire con una Rs=0,095/Iout=1,2Ω (SMD che dovrò comprare e 5 mi costeranno 1/4 del costo del driver) in tal modo otterrò Iout=79,2mA che divisa per i 4 LED in parallelo significa che per ogni LED ho I=19,8±1% mA costanti quindi per il led con Vf minima sono perfettamente dentro ai 20mA delle loro specifiche. Considerato che questo è un driver che qualcuno ha moddato per tenere Iout quasi di 1A con buone efficienze e io finirò per usarlo con 1/10 della corrente e Pout=0,31W, non mi aspetto che mi possa dare chissà quali problemi. Appena saldo il tutto e riesco a provarlo, faccio sapere come è andata e aggiungo qualche altra considerazione.

Come nota a margine, avevo anche pensato di fare paralleli di 2 serie e avrei cadute di 7,72V su un ramo e 7,71V sull'altro (ridurrei le differenze nei led di un ordine di grandezza), ma dato che non riesco a trovare la Vout massima supportata nel datasheet stringato del PAM2803, non so quanto sarebbe votato a quel carico e preferisco stare sul testato.

Concludendo questo è un esempio di possibile modifica (direi molto semplice e alla portata dei più) di un prodotto abbastanza testato e a basso costo e che probabilmente si può adattare a molti progetti di illuminazione portatile con batterie AA tipo torce e affini.
NB: la Vf dei miei led è alta e mi permette di usare fino a 3 batterie AA massimo, con Vf bassa bisogna fare serie per alzare Vout o ridurre Vin dato che si tratta di un boost.

Se ho dimenticato o sbagliato (soprattutto) qualcosa sono desideroso di sentire il parere di chi sicuramente ne sa di più, così come chi non avesse ben compreso qualcosa o facesse fatica a capire qualche punto chieda pure che sarò felice di rendermi utile.