Для чего в фонариках светодиодных транзисторы. Низковольтные преобразователи напряжения для светодиодов

Предостережение: белые светодиоды сравнительно дороги, поэтому я предлагаю включить небольшой резистор (от 1 до 10 Ом) последовательно с катодом светодиода для ограничения и измерения пикового тока. Во время тестирования схемы можно измерять падение напряжения на этом резисторе с помощью либо осциллографа, либо пикового детектора, чтобы убедиться, не превышает ли пиковый ток значения, рекомендованного производителем светодиодов. Отталкиваясь от этих рекомендаций, для большей надежности, постараемся получить пиковый ток не выше половины от максимального.

Обзор

Компактный импульсный преобразователь, который может обеспечить достаточное напряжение для питания белых светодиодов, состоит из минимального числа деталей. Светильник, который мы получим, по количеству люмен.часов на фунт веса батареи питания гораздо эффективнее, чем лампа накаливания. К тому же цвет свечения определяется излучением люминофора светодиода, поэтому цвет свечения практически не меняется, даже когда батарея полностью разрядится. В результате батарея служит долго. Эта дешева и подходит для применения в фонариках, аварийном освещении и других устройствах, в которых необходимо запитать белые светодиоды от одного или двух первичных элементов питания.

Схема

Не может быть проще схемы, чем эта. Блокинг-генератор состоит из транзистора, резистора 1 кОм и катушки индуктивности. При нажатии кнопки питания транзистор открывается током, текущим через резистор 1 кОм. Напряжение, которое появляется на участке индуктивности от средней точки до коллектора транзистора наводит напряжение на резисторе 1 кОм, которое может быть даже выше, чем напряжение аккумулятора, тем самым, обеспечивая положительную обратную связь. При наличии напряжения между отводом катушки и коллектором транзистора, ток коллектора постоянно растет. Из-за положительной обратной связи транзистор остается в насыщении пока что-то не произойдет с током его базы.

В какой-то момент падение напряжения на участке индуктивности от ее средней точки до коллектора транзистора приближается к значению напряжения батареи (на самом деле напряжение батареи минус напряжение насыщения коллектор-эммитер транзистора). С этого момента напряжение больше не наводится в катушке от отвода до резистора 1 кОм, и напряжение на базе начинает понижаться и становится отрицательным, ускоряя, таким образом, выключение транзистора. Хотя теперь транзистор выключен, катушка индуктивности остается источником тока, и напряжение на коллекторе повышается.

Напряжение на коллекторе быстро становится достаточно высоким для возникновения тока в светодиоде, и он течет до тех пор, пока индуктивность не разрядится. Затем напряжение на коллекторе начинает «звонить», раскачиваясь от уровня «земли» до питания, открывая транзистор и начиная другой цикл.

Индуктивность

Если вы проектируете эту схему не для коммерческого применения, у вас есть большой выбор вариантов конструкции индуктивности. Размер сердечника, его проницаемость и характеристика насыщения (физические размеры, µ и Bs) определяют, сколько ампер-витков он сможет обеспечить до насыщения. Если сердечник насыщается быстрее, чем падение напряжения на участке индуктивности от отвода до коллектора транзистора достигнет напряжения батареи, схема в любом случае сразу же переключится, потому что насыщение сердечника делает катушку подобной резистору и индуктивная связь между коллекторной и базовой (сторона с резистором 1 кОм) половинами катушки очень сильно падает. Это приводит к такому же эффекту, как и приближение падения напряжения на катушке к напряжению батареи. Сечение провода определяет, сколько ампер выдает схема перед тем, как переключиться из-за роста падения напряжения. Параметры сердечника катушки индуктивности (в основном физические размеры и магнитная проницаемость) определяют, сколько микросекунд катушка заряжается током коллектора, который возрастет до момента отключения транзистора. Эти параметры также определяют, как долго ток будет течь через светодиод, пока транзистор выключен. Практически все характеристики катушки индуктивности влияют на работу этой схемы.

Я сделал эту схему на ферритовых кольцах нескольких миллиметров в диаметре и на тороидальных сердечниках с сечением до нескольких сантиметров (обратите внимание на индуктивность на ржавом гвозде, описаную ниже).

Вот, в общем, взаимосвязь между размерами сердечника и характеристиками дросселя:

• Большой сердечник: легко намотать, низкая частота переключения, повышенная мощность.
• Маленький сердечник: сложно намотать, более высокая частота переключения, меньшая мощность.

Как начать. Возьмите сердечник катушки, предпочтительно из феррита, и намотайте на нем 20 витков. Сделайте отвод в виде короткой петли провода, затем продолжите намотку еще 20 витков. Увеличение количества витков ведет к снижению рабочей частоты, уменьшение - к увеличению частоты. Я наматывал всего 10 витков с отводом от середины (5+5) и работала эта катушка на частоте 200 кГц. Посмотрите описываемую ниже схему, собранную в цоколе лампочки, работающую на частоте порядка 200 кГц.

Улучшенная схема

Эта схема привлекательна тем, что содержит минимальное число элементов. Светодиод питается импульсным током. Импульс начинается с момента, когда напряжение на светодиоде достигает его прямого рабочего напряжения, которое выше напряжения батареи, что не влияет на переключение транзистора. Недостатком является то, что отношение пикового тока к среднему току светодиода является довольно высоким, оно может быть 3:1 или 5:1, в зависимости от параметров схемы (в основном от индуктивности катушки и напряжения аккумулятора). Если вы хотите, чтобы при заданном пиковом токе светодиод светил ярче, можете добавить диод и конденсатор, показанные на схеме ниже.

Один критик предложил хорошую идею: при наличии свободного места добавить развязывающий конденсатор между отрицательным выводом батареи и средней точкой дросселя. Некоторые аккумуляторы имеют высокое выходное сопротивление, и этот конденсатор может увеличить выходной ток схемы. Конденсатора емкостью 10 мкФ должно быть достаточно, но, если вы используете дроссель очень большой индуктивности, емкость лучше увеличить.

Где вы разместите источник питания?

Так как эта схема содержит мало элементов, я смог все их, в том числе индуктивность, резистор 1 кОм, транзистор 2N4401 (между прочим, в корпусе ТО-92), выпрямительный диод, чип конденсатор и светодиод NSPW315BS фирмы Nichia вместе с маленькой каплей клея поместить в основании лампы-ручки.

Применение светодиода взамен лампочки позволяет разработать компактный фонарик. Он дает достаточно света, чтобы ходить по улице в безлунную ночь. Я оценил время работы фонарика, потребляющего ток около 35 мА от батареи 1.5 В. Получилось, что он будет непрерывно работать как минимум 30 часов. Это довольно долго. Параметры нескольких щелочных батареек Duracell можно найти .

Цвет свечения остается неизменно голубовато-белым, даже при снижении напряжения батареи, Если с таким устройством хорошо обращаться, оно будет служить очень долго. У меня был один такой фонарик, собранный по последней приведенной схеме, на протяжении 18 месяцев, и я пользовался им каждую ночь. Я лишь два раза заменил батарейку. Если бы контакты на батарейке не ухудшились из-за коррозии, я бы и не знал, что пришло время заменить ее, ведь фонарик прекрасно работал.

Ночной свет ржавого гвоздя

Эти схема блокинг-генераторов лучше работают с ферритовыми сердечниками, но иногда их трудно найти. Некоторые читатели выразили беспокойство по поводу изготовления индуктивности, и это понятно, поскольку для многих катушки индуктивности имеют ореол таинственности.

Я берусь доказать, что ничего сложного в катушках индуктивности нет, и что они очень важны. Однажды, из-за поломки авто ожидая эвакуатор, я заметил ржавый гвоздь около дороги. Он был 6.5 см длинной, и я решил использовать его для сердечника катушки индуктивности.

Я вытащил витую пару из одножильного медного провода ø0.5 мм из длинного кабеля CAT-5 (Ethernet). Этот провод похож на тот, который используется для прокладки телефонных линий внутри зданий. Я намотал 60 витков витой пары примерно в три слоя на гвозде, затем подсоединил начало одного проводника к концу другого проводника, и получилась катушка индуктивности на 120 витков с отводом от середины.

Я подключил к ней транзистор 2N2222 , резистор номиналом 1 кОм, 1.5 В пальчиковую батарейку и белый светодиод. Ничего не произошло. Тогда я приложил конденсатор 0.0027 мкФ к резистору 1 кОм (он оказался на рабочем столе) и светодиод ожил. Может, вам потребуется конденсатор примерно 0.001 мкФ. Светодиод прекрасно светится, и схема потребляет 20 мА тока от элемента питания AA. Сигнал на экране осциллографа выглядит ужасно, но главное в том, что схема возбудилась даже на этом ржавом гвозде, и увеличила начальные 1.5 В элемента АА до более чем 3 В, достаточных для свечения светодиода.

Те, кто знаком с некоторыми аспектами выбора сердечника катушки сразу же заметят, что вихревые токи будут огромными, так как железо имеет низкое сопротивление по сравнению с ферритом, или, например, воздухом, и что будут, вероятно, и другие потери. И дело не в том, что вы должны бежать и покупать гвозди, чтобы сделать светодиодную лампу, а в том, что эта схема оказалась весьма работоспособной. Если ржавого гвоздя и немного телефонного провода достаточно, чтобы засветить белый светодиод, то дроссель - не проблема. Итак, отдохните, пойдите и купите ферритовый сердечник и начните работать над проектом.

Где взять ферритовые сердечники

Вольфганг Дрихаус из Германии написал, что ферритовые сердечники используются в компактных люминесцентных лампах, и что он успешно применяет их в схеме питания светодиодов. На следующий день я посмотрел вверх и увидел, что некоторые лампы нужно заменить.

Некоторые компактные люминесцентные лампы в моем доме перегорели. После покупки новых ламп, и замены перегоревших, я отправился в гараж, чтобы разобрать одну из ламп. Первой проблемой было добраться до электроники в цоколе лампы. В последующем письме, Вольфганг поведал мне, что колбу лампы можно вскрыть и достать плату без повреждения стекла. Будьте осторожны, не разбейте стеклянных трубок лампы, так как они содержат токсичную ртуть.

Я хотел удостовериться в том, что эти сердечники будут полезны для меня, и удалил обмотки с «гантели» и тороидальной катушки. В процессе разборки катушки на сердечнике типа ЕЕ феррит треснул в нескольких местах, поэтому я не смог опробовать его в моей схеме.

На сердечник «гантель» я намотал 50 витков эмалированного провода ø0.2 мм, сделал центральный отвод, и затем намотал еще 50 витков. Собрал устройство из этой катушки, транзистора 2N4401, резистора 330 Ом, подключенного к базе транзистора, и белого светодиода в соответствии со схемой, приведенной в начале статьи. Когда я подключил источник питания 1.5 В, светодиод ярко вспыхнул. Это подтвердило, что катушку с таким сердечником в данной схеме можно применять.

На тороидальный сердечник я намотал 10 витков провода ø0.4 мм, выполнил отвод и намотал еще 10 витков. Подключив катушку в ту же схему (2N4401, 330 Ом, белый светодиод) с 1.5-вольтовым питанием, я увидел, что светодиод горит, хотя и не так ярко, как с предыдущей катушкой, но ведь и витков на тороиде было намотано только 20.

Так что теперь мы знаем, где брать ферритовые сердечники. Компактные люминесцентные лампы весьма доступны, и они со временем выходят из строя и требуют замены.

Другой читатель отметил, что еще один источник ферритовых сердечников - это кабели компьютерных периферийных устройств. На кабелях монитора, клавиатуры, на некоторых USB кабелях есть пластиковые утолщения, в которых, на самом деле, содержатся ферритовые сердечники. Если вы собираетесь выбросить старую клавиатуру в мусорный бак, почему бы сначала не отрезать феррит?

Окончание читайте

Принцип работы
Нижеприведенная схема ("") позволяет питать светодиод белого или синего свечения, требующий напряжения питания 3 - 3,5 В, от одного гальванического элемента или аккумулятора NiCD ,NiMH , даже разряженных до напряжения 0,8 В под нагрузкой.

Для красных и желтых светодиодов напряжение питания при токе 20 мА составляет 1,8 - 2,4 В, а для синих, белых и зеленых - 3 - 3,5 В, поэтому запитать синий или белый светодиод от пальчиковой батарейки напрямую невозможно .
Схема представляет вариант блокинг-генератора и была описана из города Swindon в Великобритании в журнале "Everyday Practical Electronics " за ноябрь 1999 года. Ниже можно ознакомится с этой статьей:
(щелкните по рисунку мышкой для просмотра в крупном масштабе )


Питание схемы осуществляется от элемента LR6/AA/AAA напряжением 1,5 В - схема может непрерывно работать неделю от одной батарейки до ее разряда до 0,8 В!!! Примечание: AA или AAA (R6) - солевые батарейки, LR6 - щелочные (alkaline) батарейки.

Приведенная схема работает как управляемый током генератор. Всякий раз при выключении транзистора VT спадающее магнитное поле в обмотке трансформатора T вызывает возникновение положительного импульса напряжения (до 30 В) на коллекторе транзистора. Это напряжение вместе с напряжением источника питания (батарейки) прикладывается к светодиоду. Переключение происходит с очень высокой частотой и низким коэффициентом заполнения. Уменьшение сопротивления резистора R приводит к увеличению тока через светодиод и, соответственно, увеличивает яркость его свечения.
приводит вначале значение сопротивления 10 кОм (средний ток через светодиод 18 мА) и затем указывает, что уменьшение сопротивления до 2 кОм приводит к увеличению среднего тока до 30 мА. Также указывает, что коэффициент полезного действия зависит от использованного транзистора VT - к лучшим результатам приводит применение транзистора с низким напряжением насыщения между коллектором и эмиттером V CE (SAT) . Он указывает, что для транзистора ZTX450 (V CE (SAT) = 0,25 В) КПД равен 73 %, при использовании ZTX650 (V CE (SAT) < 0,12 В) возрастает до 79 %, а при применении BC550 падает до 57 %.

Упоминание подобной конструкции в статье М. Шустова "Низковольтное питание светодиодов" в журнале "Радиомир" №8 за 2003 год:

А вот конструкция японского радиолюбителя: http://elm-chan.org/works/led1/report_e.html

Моделирование
Для моделирования такого устройства можно использовать свободно распространяемый симулятор электрических цепей . Вот модель этого генератора:

При напряжении питания 1,5 В и индуктивности каждой из обмоток трансформатора 200 мкГн потребление мощности от батареи составляет 197 мВт, а на светодиоде выделяется 139 мВт. Потери мощности составили 58 мВт, из них в транзисторе 55 мВт, а в резисторе 3 мВт. Таким образом, КПД оказался равен 71%.

При напряжении питания 1,5 В и транзисторе BC547C (V CE (SAT) = 0,2 В) зависимость среднего тока светодиода от индуктивности обмотки трансформатора (с идентичными обмотками) представлена ниже:


При индуктивности обмотки меньше 17 мкГн преобразователь не запускается.

Зависимость среднего тока светодиода от напряжения питания приведена ниже:

Трансформатор
Также вместо самостоятельно намотанного трансформатора на ферритовом колечке можно использовать промышленный импульсный трансформатор, например,
М - малогабаритный, И - импульсный, Т - трансформатор, В - высота с выводами 55 мм.

МИТ-4В выпускается в корпусе коричневого или черного цвета.

Этот трансформатор имеет три обмотки (одну первичную и две вторичные) с единичным коэффициентом трансформации. Омическое сопротивление каждой обмотки составляет около 5 Ом, индуктивность около 16 мГн.
Обмотки содержат по 100 витков, намотанных проводом ПЭЛШО 0,1 на колечке К17,5х8х5 из феррита марки М2000НМ1-Б.
Обозначение ферритового колечка расшифровывается так: К - кольцо; 17,5 - внешний диаметр кольца, мм; 8 - внутренний диаметр кольца, мм; 5 - высота кольца, мм.
Марка феррита М2000НМ-1Б расшировывается так: 2000 - начальная магнитная проницаемость феррита; Н - низкочастотный феррит; М - марганец-цинковый феррит (до 100 кГц).
Первый вывод отмечен цифрой "1" на корпусе трансформатора, а нарисованная стрелка указывает направление отсчета оставшихся выводов. Я использовал обмотки с выводами 1-4 и 2-3.

Также можно использовать трансформатор согласующий низкой частоты ТОТ:

Этот трансформатор рассчитаны на работу на частоте до 10 кГц.
Обозначение "ТОТ" расшифровывается как: Т - трансформатор; О - оконечный; Т - транзисторный.
Броневой сердечник трансформатора ТОТ изготавливается из холоднокатаной ленты с высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией технического насыщения марки 50H.
Расположение выводов трансформаторов ТОТ напоминает цоколевку электровакуумных ламп - имеется ключ и дополнительная маркировка первого вывода на боковой поверхности трансформатора (красная точка). При этом отсчет выводов производится по часовой стрелке со стороны монтажа, а первый вывод расположен в левом верхнем углу.

Цоколевка трансформаторов типов: а - ТОТ1 - ТОТ35; б - ТОТ36 - ТОТ189, ТОЛ1 -ТОЛ54; в - ТОТ202 - ТОТ219, ТОЛ55 - ТОЛ72

Германиевые транзисторы
Для снижения порогового напряжения батарейки, при котором светодиод еще светится, можно использовать германиевые транзисторы, например, советский n-p-n транзистор МП38А:

У этого транзистора прямое падение напряжения на p-n переходах составляет около 200 мВ .
Для проверки я собрал макетную конструкцию на транзисторе МП38А и трансформаторе МИТ-4В:

Довольно сильно разряженная литиевая батарейка CR2032 в этой схеме питает цепочку из пяти светодиодов. При этом напряжение батареи под нагрузкой составляет около 1,5 вольт.

Варианты улучшения схемы
1) Можно добавить конденсатор, включенный параллельно резистору.

Я оценил влияние конденсатора на КПД преобразователя, выполнив моделирование в :


Как видно из графика, после некоторого подъема КПД при дальнейшем увеличении емкости конденсатора КПД преобразователя начинает снижаться.
2) Также можно добавить последовательно со светодиодом диод Шоттки и включить параллельно светодиоду конденсаторы.

3) Для ограничения верхнего предела напряжения на нагрузке можно дополнительно включить стабилитрон (диод Зенера) параллельно светодиоду.

p-n-p транзисторы
Наряду с на n-p-n транзисторах, можно применять и транзисторы p-n-p структуры. Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp -транзистора ГТ308В (VT ) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1 - выводы 2-3, L2 - выводы 5-6) :

Значение сопротивления резистора R подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) - целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.

мой преобразователь на p-n-p транзисторе

Я исследовал работу этого преобразователя с помощью цифрового осциллографа. При этом преобразователь питался от полуразряженного никель-кадмиевого аккумулятора, а в качесте нагрузки использовались два зеленых светодиода, подключенных через германиевый диод.

напряжение на нагрузке

Пиковое напряжение на нагрузке превышает 5 вольт, чего вполне хватает для свечения двух зеленых светодиодов даже с учетом падения напряжения на германиевом диоде.
Такая же форма кривой напряжения на нагрузке получается и при моделировании преобразователя в симуляторе :

напряжение на резисторе

напряжение между выводами 6-5 МИТ

Напряжение на нагрузке складывается из напряжения на обмотке 6-5 трансформатора и напряжения аккумулятора.

напряжение между выводами 3-2 МИТ

Как можно заметить, напряжения на обмотках трансформатора практически идентичны (с учетом расположения одноименных зажимов).

определение периода

Период следования импульсов составил 1,344 мс, т.е. частота генерации составила 744 Гц.

Для питания такого преобразователя можно использовать не только батарейку, но и ионистор (суперконденсатор):

Светодиоды, как источники оптического излучения, имеют неоспоримые достоинства: малые габариты, высокую яркость свечения при минимальном (единицы мА) токе, экономичность.

Но в силу технологических особенностей они не могут светиться при напряжении ниже 1,6... 1,8 В. Это обстоятельство резко ограничивает возможность применения светодиодных излучателей в широком классе устройств, имеющих низковольтное питание, обычно от одного гальванического элемента.

Несмотря на очевидную актуальность проблемы низковольтного питания светодиодных источников оптического излучения, известно весьма ограниченное число схемных решений, в которых авторы пытались решить эту задачу.

В этой связи ниже приведен обзор схем питания светодиодов от источника низкого (0,25...1,6 В) напряжения. Многообразие схем, приведенных в этой главе, можно свести к двум основным разновидностям преобразования напряжения низкого уровня в высокое. Это схемы с емкостными и индуктивными накопителями энергии [Рк 5/00-23].

Удвоитель напряжения

На рисунке 1 показана схема питания светодиода с использованием принципа удвоения напряжения питания. Генератор низкочастотных импульсов выполнен на транзисторах разной структуры: КТ361 и КТ315.

Частота следования импульсов определяется постоянной времени R1C1, а продолжительность импульсов — постоянной времени R2C1. С выхода генератора короткие импульсы через резистор R4 подаются на базу транзистора VT3, в коллекторную цепь которого включен светодиод HL1 (АЛ307КМ) красного цвета свечения и германиевый диод VD1 типа Д9.

Между выходом генератора импульсов и точкой соединения светодиода с германиевым диодом подключен электролитический конденсатор С2 большой емкости.

В период продолжительной паузы между импульсами (транзистор VT2 закрыт и не проводит ток) этот конденсатор заряжается через диод VD1 и резистор R3 до напряжения источника питания. При генерации короткого импульса транзистор VT2

открывается. Отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с положительной шиной питания. Диод VD1 запирается. Заряженный конденсатор С2 оказывается подключенным последовательно с источником питания.

Суммарное напряжение приложено к цепи светодиод — переход эмиттер — коллектор транзистора VT3. Поскольку тем же импульсом транзистор VT3 отпирается, его сопротивление эмиттер — коллектор становится малым.

Таким образом, практически удвоенное напряжение питания (исключая незначительные потери) оказывается кратковременно приложенным к светодиоду: следует его яркая вспышка. После этого процесс заряда — разряда конденсатора С2 периодически повторяется.

Рис. 1. Принципиальная схема удвоителя напряжения для питания светодиода.

Поскольку светодиоды допускают работу при кратковременном токе в импульсе, в десятки раз превосходящем номинальные значения, повреждения светодиода не происходит.

Если необходимо повысить надежность работы светодиодных излучателей с низковольтным питанием и расширить диапазон напряжения питания в сторону увеличения, последовательно со светодиодом следует включить токоограничи-вающий резистор сопротивлением десятки, сотни Ом.

При использовании светодиода типа АЛ307КМ с напряжением начала едва заметного свечения 1,35... 1,4 В и напряжением, при котором без ограничительного сопротивления ток через светодиод составляет 20 мА, 1,6... 1,7 В, рабочее напряжение генератора, представленного на рисунке 1, составляет 0,8... 1,6 В.

Границы диапазона определены экспериментально тем же образом: нижняя указывает напряжение начала свечения светодиода, верхняя — напряжение, при котором ток, потребляемый всем устройством, составляет примерно 20 мА, т.е. не превышает в самых неблагоприятных условиях эксплуатации предельный ток через светодиод и, одновременно, сам преобразователь.

Как уже отмечалось ранее, генератор (рисунок 1) работает в импульсном режиме, что является с одной стороны недостатком схемы, с другой стороны — достоинством, поскольку позволяет генерировать яркие вспышки света, привлекающие внимание.

Генератор достаточно экономичен, поскольку средний ток, потребляемый устройством, невелик. В то же время в схеме необходимо использовать хотя и низковольтный, но довольно громоздкий электролитический конденсатор большой емкости (С2).

Упрощенный вариант преобразователя напряжения

На рисунке 2 показан упрощенный вариант генератора, работающего аналогично изложенному выше. Генератор, используя малогабаритный электролитический конденсатор, работает при напряжении питания от 0,9 до 1,6 В.

Средний ток, потребляемый устройством, не превышает 3 мА при частоте следования импульсов около 2 Гц. Яркость генерируемых вспышек света несколько ниже, чем в предыдущей схеме.

Рис. 2. Схема простого низковольтного преобразователя напряжения на двух транзисторах из 0,9В в 2В.

Генератор с применением телефонного капсюля

Генератор, показанный на рис. 9.3, использует в качестве нагрузки телефонный капсюль ТК-67. Это позволяет повысить амплитуду генерируемых импульсов и понизить тем самым на 200 мВ нижнюю границу начала работы генератора.

За счет перехода на более высокую частоту генерации удается осуществить непрерывную «перекачку» (преобразование) энергии и ощутимо снизить емкости конденсаторов.

Рис. 3. Схема низковольтного генератора преобразователя напряжения с использованием катушки телефона.

Генератор с удвоением напряжения на выоде

На рисунке 4 показан генератор с выходным каскадом, в котором осуществляется удвоение выходного напряжения. При закрытом транзисторе VT3 к светодиоду приложено только небольшое по величине напряжение питания.

Электрическое сопротивление светодиода велико в силу ярко выраженной нелинейности ВАХ и намного превышает сопротивление резистора R6. Поэтому конденсатор С2 оказывается подключенным к источнику питания через резисторы R5 и R6.

Рис. 4. Схема низковольтного преобразователя с удвоением выходного напряжения.

Хотя вместо германиевого диода использован резистор R6, принцип работы удвоителя напряжения остается тем же: заряд конденсатора С2 при закрытом транзисторе VT3 через резисторы R5 и R6 с последующим подключением заряженного конденсатора последовательно с источником питания.

При приложении удвоенного таким образом напряжения динамическое сопротивление светодиода на более крутом участке ВАХ становится на время разряда конденсатора порядка 100 Ом и менее, что намного ниже сопротивления шунтирующего конденсатор резистора R6.

Расширить рабочий диапазон питающих напряжений (от 0,8 до 6 В) позволяет использование резистора R6 вместо германиевого диода. Если бы в схеме стоял германиевый диод, напряжение питания устройства было бы ограничено величиной 1,6...1,8 В.

При дальнейшем увеличении напряжения питания ток через светодиод и германиевый диод вырос бы до неприемлемо высокой величины и произошло бы их необратимое повреждение.

Преобразователь на основе генератора ЗЧ

В генераторе, представленном на рисунке 5 одновременно со световыми вырабатываются звонкие импульсы звуковой частоты. Частота звуковых сигналов определяется параметрами колебательного контура, образованного обмоткой телефонного капсюля и конденсатора С2.

Рис. 5. Принципиальная схема преобразователя напряжения для светодиода на основе генератора ЗЧ.

Преобразователи напряжения на основе мультивибраторов

Источники питания светодиодов на основе мультивибраторов изображены на рисунках 6 и 7. Первая схема выполнена на основе асимметричного мультивибратора, вырабатывающего, как и устройства (рис. 1 — 5), короткие импульсы с протяженной междуимпульсной паузой.

Рис. 6. Низковольтный преобразователь напряжения на основе асимметричного мультивибратора.

Накопитель энергии — электролитический конденсатор СЗ периодически заряжается от источника питания и разряжается на светодиод, суммируя свое напряжение с напряжением питания.

В отличие от предыдущей схемы генератор (рис. 7) обеспечивает непрерывный характер свечения светодиода. Устройство выполнено на основе симметричного мультивибратора и работает на повышенных частотах.

Рис. 7. Преобразователь для питания светодиода от низковольтного источника 0,8 - 1,6В.

В этой связи емкости конденсаторов в этой схеме на 3...4 порядка ниже. В то же время яркость свечения заметно понижена, а средний ток, потребляемый генератором при напряжении источника питания 1,5 6 не превышает 3 мА.

Преобразователи напряжения с последовательным соединением транзисторов

Рис. 8. Преобразователь напряжения с последовательным соединением транзисторов разного типа проводимости.

В генераторах, показанных далее на рисунках 8 — 13, в качестве активного элемента используется несколько необычное последовательное соединение транзисторов разного типа проводимости, к тому же, охваченных положительной обратной связью.

Рис. 9. Двухтранзисторный преобразователь напряжения для светодиода с применением катушки от телефона.

Конденсатор положительной обратной связи (рисунок 8) одновременно выполняет роль накопителя энергии для получения напряжения, достаточного для питания светодиода.

Параллельно переходу база — коллектор транзистора VT2 (типа КТ361) включен германиевый диод (либо заменяющее его сопротивление, рис. 12).

В генераторе с RC-цепочкой (рис. 8) за счет существенных потерь напряжения на полупроводниковых переходах рабочее напряжение устройства составляет 1,1... 1,6 В.

Заметно понизить нижнюю границу напряжения питания стало возможным за счет перехода на LC-вариант схемы генераторов, использующих индуктивные накопители энергии (рис. 9 — 13).

Рис. 10. Схема простого низковольтного преобразователя напряжения 0,75В -1,5В в 2В на основе LC-генератора.

В качестве индуктивного накопителя энергии в первой из схем использован телефонный капсюль (рис. 9). Одновременно со световыми вспышками генератор вырабатывает акустические сигналы.

При увеличении емкости конденсатора до 200 мкФ генератор переходит в импульсный экономичный режим работы, вырабатывая прерывистые световые и звуковые сигналы.

Переход на более высокие рабочие частоты возможен за счет использования малогабаритной катушки индуктивности с большой добротностью. В связи с этим появляется возможность заметно уменьшить объем устройства и понизить нижнюю границу питающего напряжения (рис. 10 — 13).

В качестве индуктивности использована катушка контура промежуточной частоты от радиоприемника «ВЭФ» индуктивностью 260 мкГн. На рис. 11, 12 показаны разновидности таких генераторов.

Рис. 11. Схема низковольтного преобразователя напряжения для светодиода с катушкой от ПЧ-контура приемника.

Рис. 12. Схема простого преобразователя напряжения для светодиода с катушкой от ПЧ-контура приемника.

Наконец, на рисунке 13 показан наиболее упрощенный вариант устройства, в котором вместо конденсатора колебательного контура использован светодиод.

Преобразователи напряжения конденсаторного типа (с удвоением напряжения), используемые для питания светодиодных излучателей, теоретически могут обеспечить снижение рабочего напряжения питания только до 60% (предельное, идеальное значение — 50%).

Рис. 13. Очень простой низковольтный преобразователь напряжения с включенным светодиодом вместо конденсатора.

Использование в этих целях многокаскадных умножителей напряжения неперспективно в связи с прогрессивно возрастающими потерями и падением КПД преобразователя.

Преобразователи с индуктивными накопителями энергии более перспективны при дальнейшем снижении рабочего напряжения генераторов, обеспечивающих работу светодиодов. При этом сохраняются высокий КПД и простота схемы преобразователя.

Преобразователи напряжения индуктивного и индуктивно-емкостного типа

На рисунках 14 — 18 показаны преобразователи для питания светодиодов индуктивного и индуктивно-емкостного типа, выполненные на основе генераторов с использованием в качестве активного элемента аналогов инжекционно-полевого транзистора [Рк 5/00-23].

Рис. 14. Схема низковольтного преобразователя напряжения 1-6В в 2В индуктивно-емкостного типа.

Преобразователь, изображенный на рисунке 14, является устройством индуктивно-емкостного типа. Генератор импульсов выполнен на аналоге инжекционно-полевого транзистора (транзисторы VT1 и VT2).

Элементами, определяющими рабочую частоту генерации в диапазоне звуковых частот, являются телефонный капсюль BF1 (типа ТК-67), конденсатор С1 и резистор R1. Короткие импульсы, вырабатываемые генератором, поступают на базу транзистора VT3, открывая его.

Одновременно происходит заряд/разряд емкостного накопи 1еля энергии (конденсатор С2). При поступлении импульса положительно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с общей шиной через открытый на время действия импульса транзистор VT2. Диод VD1 закрывается, транзистор VT3 — открыт.

Таким образом, к цепи нагрузки (светодиоду HL1) оказываются присоединены последовательно включенные источник питания и заряженный конденсатор С2, в результате чего следует яркая вспышка светодиода.

Расширить диапазон рабочих напряжений преобразователя позволяет транзистор VT3. Устройство работоспособно при напряжениях от 1,0 до 6,0 В. Напомним, что нижняя граница соответствует едва заметному свечению светодиода, а верхняя — потреблению устройством тока в 20 мА.

В области малых напряжений (до 1,45 В) звуковая генерация не слышна, хотя по мере последующего увеличения напряжения питания устройство начинает вырабатывать и звуковые сигналы, частота которых довольно быстро понижается.

Переход на более высокие рабочие частоты (рис. 15) за счет использования высокочастотной катушки позволяет уменьшить емкость конденсатора, «перекачивающего» энергию (конденсатор С1).

Рис. 15. Принципиальная схема низковольтного преобразователя напряжения с ВЧ-генератором.

В качестве ключевого элемента, подключающего светодиод к «плюсовой» шине питания на период следования импульса, использован полевой транзистор VT3 (КП103Г). В результате диапазон рабочих напряжений этого преобразователя расширен до 0,7... 10 В.

Заметно упрощенные, но работающие в ограниченном интервале питающих напряжений устройства показаны на рисунках 16 и 17. Они обеспечивают свечение светодиодов в диапазоне 0,7...1,5 В (при R1=680 Ом) и 0,69...1,2 В (при R1=0 Ом), а также от 0,68 до 0,82 В (рис. 17).

Рис. 16. Принципиальная схема упрощенного низковольтного преобразователя напряжения с ВЧ-генератором.

Рис. 17. Упрощенный низковольтный преобразователь напряжения с ВЧ-генератором и телефонным капсюлем в качестве катушки.

Наиболее прост генератор на аналоге инжекционно-полевого транзистора (рис. 18), где светодиод одновременно выполняет роль конденсатора и является нагрузкой генератора. Устройство работает в довольно узком диапазоне питающих напряжений, однако яркость свечения светодиода достаточно высока, поскольку преобразователь (рис. 18) является чисто индуктивным и имеет высокий КПД.

Рис. 18. Низковольтный преобразователь напряжения с генератором на аналоге инжекционно-полевого транзистора.

Следующий вид преобразователей достаточно хорошо известен и является более традиционным. Это преобразователи трансформаторного и автотрансформаторного типа.

На рис. 19 показан генератор трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением. Генератор содержит лишь три элемента, одним из которых является светоизлучающий диод.

Без светодиода устройство является простейшим блокинг-генератором, причем на выходе трансформатора может быть получено довольно высокое напряжение. Если в качестве нагрузки генератора использовать светодиод, он начинает ярко светиться даже при низком значении питающего напряжения (0,6...0,75 В).

Рис. 19. Схема преобразователя трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением.

В этой схеме (рис. 19) обмотки трансформатора имеют по 20 витков провода ПЭВ 0.23. В качестве сердечника трансформатора использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К 10x6x2,5. В случае отсутствия генерации выводы одной из обмоток трансформатора следуе! поменять местами.

Преобразователь, показанный на рисунке 20, имеет самое низкое напряжение питания из всех рассмотренных устройств. Существенного понижения нижней границы рабочего напряжения удалось достичь за счет оптимизации выбора числа (соотношения) витков обмоток и способа их включения. При использовании высокочастотных германиевых транзисторов типа 1Т311, 1Т313 (ГТ311, ГТ313) подобные преобразователи начинают работать пои напояжении питания выше 125 мВ.

Рис. 20. Низковольтный преобразователь напряжения из 0,25В - 0,6В в 2В.

Рис. 21. Экспериментально измеренные характеристики генератора.

В качестве сердечника трансформатора, как и в предыдущей схеме, использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К10x6x2,5. Первичная обмотка выполнена проводом ПЭВ 0,23 мм, вторичная — ПЭВ 0,33. Довольно яркое свечение светодиода наблюдается уже при напряжении 0,3 В.

На рисунке 21 представлены экспериментально измеренные характеристики генератора (рис. 20) при варьировании числа витков обмоток. Из анализа полученных зависимостей следует, что существует область оптимального соотношения числа витков первичной и вторичной обмоток, причем, с увеличением числа витков первичной обмотки минимальное рабочее напряжение преобразователя плавно снижается, причем одновременно сужается и диапазон рабочих напряжений преобразователя.

Для решения обратной задачи — расширения диапазона рабочих напряжений преобразователя — последовательно с ним может быть подключена RC-цепочка (рис. 22).

Рис. 22. Схема низковольтного преобразователя напряжения с применением RC-цепочки.

Схемы преобразователей по типу индуктивной или емкостной трех-точки

Еще один вид преобразователей представлен на рисунки 23 — 29. Их особенность — использование индуктивных накопителей энергии и схем, выполненных по типу «индуктивной» или «емкостной трех-точки» с барьерным режимом включения транзистора.

Генератор (рис. 23) работоспособен в диапазоне напряжений от 0,66 до 1,55 В. Для оптимизации режима работы требуется подбор номинала резистора R1. В качестве катушки индуктивности, как и во многих предыдущих схемах. использована катушка контура фильтра ПЧ индуктивностью 260 мкГн.

Рис. 23. Преобразователь напряжения для светодиода на одном транзисторе КТ315.

Так, при числе витков первичной обмотки п(1) равном 50...60 и числе витков вторичной л(II) — 12, устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 260...440 мВ (соотношение числа витков 50 к 12), а при соотношении числа витков 60 к 12 — 260...415 мВ.

При использовании ферритового сердечника другого типа или размера это соотношение может нарушиться и быть иным. Полезно самостоятельно выполнить подобное исследование, а результаты для наглядности представить в виде графика.

Весьма интересным представляется использование туннельного диода в рассматриваемых генераторах (аналогичного приведенному на рис. 20), включенного вместо перехода эмиттер — база транзистора VT1.

Генератор (рис. 24) немногим отличается от предыдущего (рис. 23). Интересной его особенностью является то, что яркость свечения светодиода меняется с ростом напряжения питания (рис. 25).

Рис. 24. Преобразователь напряжения с меняющейся яркостью свечения светодиода.

Рис. 25. График зависимости яркости свечения светодиода от питающего генератор напряжения (для рисунка 24).

Причем максимум яркости достигается при 940 мВ. Преобразователь, показанный на рисунке 26, можно отнести к генераторам, выполненным по схеме «трехточки», причем светодиод выполняет роль одного из конденсаторов.

Трансформатор устройства выполнен на ферритовом кольце (1000HM) К10x6x2,5, причем его обмотки содержат приблизительно по 15...20 витков провода ПЭЛШО 0,18.

Рис. 26. Низковольтный преобразователь напряжения с генератором выполненном на основе трехточки.

Преобразователь (рис. 27) отличается от предыдущего точкой подключения светодиода. Зависимость яркости свечения светодиода от напряжения питания показана на рисунке 28: при повышении напряжения питания яркость вначале нарастает, затем резко снижается, после чего снова растет.

Рис. 27. Простой преобразователь напряжения для низковольтного питания светодиода АЛ307.

Рис. 28. Зависимость яркости свечения светодиода от напряжения питания.

Наиболее простой схемой преобразователей этого типа является схема, представленная на рисунке 29. Установление рабочей точки достигается подбором резистора R1.

Светодиод, как и в ряде предшествующих схем, одновременно играет роль конден сатора. В порядке эксперимента рекомендуется подключить па раллельно светодиоду конденсатор и подобрать его емкость.

Рис. 29. Очень простая схема низковольтного преобразователя напряжения на одном транзисторе.

В заключение

В качестве общего замечания по налаживанию схем, представленных выше, следует отметить, что напряжение питания всех рассмотренных устройств во избежание повреждения светодиодов не должно (за редким исключением) превышать значения 1.6...1.7 В.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1).

Попалась в интернете интересная схемка наипростейшего микромощного драйвера на бросовом полевике от материнской платы, оказалась вполне рабочая. Более простой вариант схемы, с биполярным транзистором - . Вот схемку немного подправил для более детального понимания начинающим что куда и как паять:

Нашёл у себя кучку таких полевых транзисторов APM2014 со старых материнок и по-быстрому спаял для теста, вместо гантельки взял феррит от дросселя, при питании от дохлой батарейки на 1,1 В вполне ярко светит 1 Вт светодиод, при 1,4 В светит ещё ярче, но уже греется. Позже проверю с различными дросселями, но остановлюсь наверное именно на гантельке так как они удобнее в размещении в корпусах. При тестовой попытке подключения светодиода на 0,5 Вт 60 мА он быстро сгорел.

Светодиод взял на 1 Вт, его света вполне хватает для освещения в темноте, поскольку это декоративный фонарик и света слишком много не требуется. Вместо отражателя применён коллиматор, пришлось только его немного подточить по краю.

В процессе работы светодиод ощутимо нагревается только от свежей батарейки при дросселе с указанными в схеме данными, в этом корпусе мною применён дроссель CD75 и перемотан. Поскольку места тут мало, в него влезло только 14 витков провода 0,43 но и нагрев светодиода от свежего элемента уменьшился, правда немножко снизилась яркость.

Вторая сторона печатной платы идёт как крепление светодиода и как охлаждение, на печатке контакты указаны красным, протачиваются любым подручным инструментом. На полевой транзистор подложил пару кусочков текстолита для выравнивания подложки под диск плюсового контакта, от перекоса.

Светит получившийся фонарик с понижением светового потока до напряжения элемента 0,5 В и если начинает мигать - значит батарея теперь уже полностью села, хотя те же солевые батарейки можно восстановить солевым раствором и использовать в фонарике дальше. Автор материала - Igoran .

Обсудить статью ПРОСТОЙ ФОНАРИК НА ОДНОЙ БАТАРЕЙКЕ АА

В жизни каждого человека бывают моменты, когда необходимо наличие освещения, а электричества нет. Это может быть и банальное отключение электроэнергии, и необходимость ремонта проводки в доме, а возможно, и лесной поход или что-либо подобное.

И, конечно же, все знают, что в таком случае выручит только электрический фонарик – компактное и в то же время функциональное устройство. Сейчас на рынке электротехники множество различных видов данного товара. Это и обычные фонари с лампами накаливания, и светодиодные, с аккумуляторами и батарейками. Да и фирм, производящих эти приборы, великое множество – «Дик», «Люкс», «Космос» и т. п.

А вот каков принцип его работы, задумываются не многие. А между тем, зная устройство и схему электрического фонарика, можно при необходимости его починить или вообще собрать собственными руками. Вот в этом вопросе и попробуем разобраться.

Простейшие фонари

Так как фонарики бывают разные, то имеет смысл начать с самого простого – с батарейкой и лампой накаливания, а также рассмотреть его возможные неисправности. Схема подобного прибора элементарна.

По сути, в нем нет ничего, кроме батарейки, кнопки включения и лампочки. А потому и проблем с ним особых не бывает. Вот несколько возможных мелких неприятностей, которые могут повлечь за собой отказ такого фонаря:

• Окисление любого из контактов. Это могут быть контакты выключателя, лампочки или батареи. Нужно просто почистить эти элементы схемы, и приборчик снова заработает.
• Сгорание лампы накаливания – тут все просто, замена светового элемента решит эту проблему.
• Полный разряд батареек – замена элементов питания на новые (либо зарядка, если они аккумуляторные).
• Отсутствие контакта или перелом провода. Если фонарик уже не новый, в таком случае есть смысл поменять все провода. Сделать это совершенно не сложно.

Фонарик на светодиодах

Этот вид фонарей отличается более мощным световым потоком и при этом потребляет очень мало энергии, а значит, и элементы питания в нем прослужат дольше. Все дело в конструкции световых элементов – в светодиодах отсутствует нить накаливания, они не расходуют энергию на нагрев, ввиду этого коэффициент полезного действия таких приборов выше на 80–85%. Также велика роль дополнительного оборудования в виде преобразователя с участием транзистора, резистора и высокочастотного трансформатора.

Если аккумулятор фонарика встроенный, то с ним в комплекте обязательно идет и зарядное устройство.

Схема подобного фонаря состоит из одного или нескольких светодиодов, преобразователя напряжения, выключателя и элемента питания. В более ранних моделях фонариков количество потребления энергии светодиодами должно было соответствовать вырабатываемому источником.

Сейчас эта проблема решена при помощи преобразователя напряжения (его также называют умножителем). Собственно, он-то и является главной деталью, которую содержит электрическая схема фонарика.

При желании сделать такой прибор своими руками особых сложностей не возникнет. Транзистор, резистор и диоды – не проблема. Самым непростым моментом будет намотка высокочастотного трансформатора на ферритовом кольце, который называется блокинг-генератор.

Но и с этим можно справиться, взяв подобное колечко из неисправного электронного пускорегулирующего аппарата энергосберегающей лампы. Хотя, конечно, если не хочется возиться или нет времени, то в продаже можно найти высокоэффективные преобразователи, такие как 8115. С их помощью, при применении транзистора и резистора, и стало возможным изготовление светодиодного фонарика на одной батарейке.

Сама же схема светодиодного фонаря подобна простейшему прибору, и на ней останавливаться не стоит, т. к. собрать ее способен даже ребенок.

Кстати, при применении в схеме преобразователя напряжения на старом, простейшем фонаре, работающем от квадратной батареи в 4.5 вольт, которую сейчас уже не купить, можно будет спокойно ставить элемент питания в 1.5 вольт, т. е. обычную «пальчиковую» или «мизинчиковую» батарею. Никакой потери в световом потоке наблюдаться не будет. Основная задача при этом – иметь хотя бы малейшее представление о радиотехнике, буквально на уровне знания, что такое транзистор, а также уметь держать в руках паяльник.

Доработка китайских фонариков

Иногда бывает так, что купленный (с виду вполне качественный) фонарик с аккумулятором полностью отказывает. И вовсе не обязательно покупатель виноват в неправильной эксплуатации, хотя и это тоже встречается. Чаще – это ошибка при сборке китайского фонарика в погоне за количеством в ущерб качеству.

Конечно, в таком случае придется его переделать, как-то модернизировать, ведь потрачены деньги. Сейчас необходимо понять, как это сделать и возможно ли побороться с китайским производителем и выполнить ремонт такого прибора самостоятельно.

Рассматривая наиболее часто встречающийся вариант, при котором при включении прибора в сеть индикатор зарядки светится, но фонарь не заряжается и не работает, можно заметить вот что.

Обычная ошибка производителя – индикатор заряда (светодиод) включается в цепь параллельно с аккумулятором, чего допускать никак нельзя. При этом покупатель включает фонарь, и видя, что тот не горит, снова подает питание на заряд. В результате – перегорание всех светодиодов разом.

Дело в том, что не все производители указывают, что заряжать подобные устройства с включенными светодиодами нельзя, т. к. отремонтировать их будет невозможно, останется только заменить.

Итак, задача по модернизации – подключить индикатор заряда последовательно с аккумулятором.

Как видно из схемы, эта проблема вполне решаема.

А вот если китайцы в свое изделие поставили резистор 0118, то светодиоды придется менять постоянно, т. к. ток, поступающий на них, будет очень высоким, и какие бы световые элементы ни были установлены – они не выдерживают нагрузки.

Налобный светодиодный фонарь

В последние годы подобный световой прибор получил достаточно широкое распространение. Действительно, ведь очень удобно, когда руки свободны, а луч света бьет туда, куда смотрит человек, в этом как раз главное преимущество налобного фонарика. Раньше таким могли похвастаться только шахтеры, да и то для его ношения нужна была каска, на которую фонарь, собственно, и крепился.

Сейчас же крепление подобного прибора удобно, носить его можно при любых обстоятельствах, да и на поясе не висит довольно объемный и тяжелый аккумулятор, который, к тому же, еще и обязательно нужно раз в сутки заряжать. Современный намного меньше и легче, притом имеет очень маленькое энергопотребление.

Так что же представляет собой подобный фонарь? А принцип его работы нисколько не отличается от светодиодного. Варианты исполнения такие же – аккумуляторный или со съемными элементами питания. Количество светодиодов варьируется от 3 до 24 в зависимости от характеристик батареи и преобразователя.

К тому же обычно такие фонари имеют 4 режима свечения, а не один. Это слабый, средний, сильный и сигнальный – когда светодиоды моргают через короткие промежутки времени.

Режимами налобного светодиодного фонарика управляет микроконтроллер. Причем при его наличии возможен даже режим стробоскопа. К тому же светодиодам это совсем не вредит, в отличие от ламп накаливания, т. к. их срок службы не зависит от количества циклов включения-выключения по причине отсутствия нити накаливания.

Так какой же фонарь выбрать?

Конечно, фонарики могут быть различными и по потребляемому напряжению (от 1.5 до 12 В), и с различными выключателями (сенсорный или механический), с наличием звукового оповещения о разряде батареи. Это может быть оригинал или его аналоги. Да и не всегда можно определить, что же за прибор перед глазами. Ведь пока он не выйдет из строя и не начнется его ремонт, нельзя увидеть, какая в нем стоит микросхема или транзистор. Наверное, лучше выбирать тот, который нравится, а возможные проблемы решать уже по мере поступления.