Как устроен фонарик с аккумулятором? Несколько простых схем питания светодиодов Схема фонарика на одной батарейке.

Если вы когда-нибудь захотите запитать светодиод от одной батарейки, то рано или поздно наткнетесь на схему под названием Joule Thief- вор джоулей. Эта схема хороша многим: малым количеством деталей, можно использовать севшую батарейку, собранная конструкция получается компактной и будет работать от батареи с напряжением всего 0.6В. Классическую схему этого устройства можно посмотреть в Википедии. Есть много вариантов этой схемы, попыток ее оптимизации. я покажу вам с один из вариантов этой конструкции, который позволит зажечь два 3-х ваттных светодиода включенных последовательно. Все было собрано быстро. С учетом перемотки дросселя, времени ушло 20 минут.

Что понадобится для сборки:

Паяльник, не много припоя и проводов. Батарейка на 1.5В и меньше, твердые руки.
Транзистор. Я использовал КТ630,

максимальная рабочая частота у него большая, ток коллектора выше, чем у рекомендуемых в стандартных схемах. В принципе можно любой NPN транзистор c коэффициентом усиления не менее 150, к примеру, 2SC1815. Один переменный резистор на 10 кОм.

Один электролитический конденсатор 47 мкФ на 25В. Конденсатор большей емкости дольше заряжается и снижает яркость свечения. Один любой диод с обратным напряжением не меньше 100 В, т.к. без нагрузки конденсатор заряжается до 30-45В.

Один конденсатор 0.01 мкФ. Два 3-х ваттных светодиода, включенных последовательно. Закрепленных на радиаторе от компьютерного процессора.

Один дроссель групповой стабилизации от компьютерного БП.

Можно использовать любое ферритовое кольцо, которое окажется под рукой. Я использовал дроссель от БП, просто потому, что он был. Количество витков не считал, просто смотал весь провод с кольца (там два провода разно сечения) и намотал его снова, бифилярно.

Обмотку, намотанную проводом меньшего сечения, включил в цепь базы транзистора. Соответственно, вторую обмотку включил в цепь коллектора. Важно, чтобы начало одной обмотки соединялось с концом другой, как показано на схеме. можно намотать на ферритовом стержне обмотку с отводом от нужного количества витков, или вообще, сделать катушку без сердечника.

В отличии от стандартной схемы, здесь, нагрузка подключается между базой и коллектором. Кпд схемы зависит от конденсатора, который включен в параллель с нагрузкой. Такая схема включения нагрузки сделана в попытке использовать ОЭДС,возникающую в катушке L2.

На видео видно, что при замыкании резистора R1 яркость свечения увеличивается.

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.

Многие видели миниатюрные карманные фонарики, работающие от одной батарейки 1,5 вольта. Теоретически этого напряжения не хватит для того, чтобы засветить белый светодиод. Значит под корпусом скрыто какое-то устройство, повышающее напряжение до нужного уровня. Это устройство можно сделать своими руками в течение получаса, используя недорогие и доступные детали. О том, как светодиод подключить к батарейке 1,5В во всех деталях расскажет эта статья.

Схема и принцип её работы

Схема питания светодиода от батарейки на 1,5В представлена на рисунке. Основные функциональные элементы – однокаскадный транзисторный усилитель и импульсный трансформатор, за счет которого достигается глубокая положительная обратная связь. Ток базы транзистора ограничивается резистором R1, а для оптимизации выходных параметров установлен диод VD1 и конденсатор С1, о которых будет сказано немного позже.

Схема питания светодиода от одной батарейки работает по принципу блокинг-генератора. Формирование импульсов осуществляется за счет отпирания транзистора и перехода его в режим насыщения при помощи положительной обратной связи. Выход из насыщения происходит за счет уменьшения тока базы. Транзистор закрывается, и энергия трансформатора сбрасывается в нагрузку. В результате светодиод вспыхивает на короткий промежуток времени.

Теперь более детально рассмотрим работу схемы, представленной на рисунке. Известно, что ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно. Сначала, в момент подачи напряжения от батарейки транзистор находится в закрытом состоянии. Постепенное нарастание тока в коллекторной, а затем и в базовой обмотке, приводит к плавному отпиранию транзистора. Это приводит к росту тока коллектора, который протекает и через коллекторную обмотку. Данное увеличение тока трансформируется в базовую обмотку и ещё больше увеличивает ток базы.

В результате такого лавинообразного процесса в транзистор входит насыщение. В режиме насыщения коллекторный ток перестаёт нарастать, а значит, напряжение на базовой обмотке станет равным нулю. Это приведёт к снижению тока базы и выходу транзистора из насыщения. Напряжение на базовой обмотке меняет полярность, что способствует практически мгновенному запиранию транзистора. В результате вся накопленная энергия устремляется в нагрузку. Светодиод вспыхивает и пропускает через себя ток, который уменьшается от значения тока коллектора до нуля. На этом временном интервале в трансформаторе происходит обратный блокинг-процесс, который приводит к очередному отпиранию транзистора. Далее цикл повторяется.

Схема работает на частоте в несколько десятков килогерц. Поэтому тысячи вспышек в секунду воспринимаются человеческим глазом как постоянное свечение. Но схему можно немного доработать, исключив провалы тока через светодиод до нуля, и добавив в неё сглаживающий конденсатор и диод. Конденсатор С1 соединяют параллельно светодиоду, соблюдая полярность, а диод VD1 – последовательно, в цепь протекания тока нагрузки. VD1 предотвращает разряд конденсатора на открытый транзистор.

Подключение светодиода к батарейке, согласно данной схеме, требует соблюдения одного правила: нельзя включать собранное устройство без нагрузки (может сгореть транзистор).

Расчет и детали сборки

Все радиодетали, необходимые для практической реализации, стоят недорого или имеются в запасах радиолюбителей. Исключение составляет трансформатор, над которым придётся немного поработать.

Трансформатор изготавливается своими руками из ферритового кольца, демонтированного из неисправной компактной люминесцентной лампы или импульсного блока питания. Внешний диаметр кольца составляет около 10 мм с возможным допуском в обе стороны. Для намотки используются два одножильных провода одинаковой длины сечением 0,5 мм 2 . Идеально подходит витая пара, применяемая в сетевом LAN подключении.

Оба провода (желательно разных цветов) складывают друг к другу и наматывают на кольцо, укладывая витки по окружности. Всего должно получиться 20 витков. При этом начала проводов выходят с одной стороны, а концы – с другой. После этого начало провода одного цвета соединяют с концом провода другого цвета и подключают их к плюсу батарейки. Два оставшихся конца соединяют с коллектором транзистора и резистором.

Транзистор выбирают исходя из наибольшего тока коллектора с двойным запасом, чтобы избежать перегрева. В данном случае подойдёт КТ315В или КТ3102А. Вместо них можно установить импортный BC547А с параметрами:

• максимальный ток коллектора – 100 мА;
• максимальное напряжение коллектор-эмиттер – 45В;
• коэффициент усиления h 21Э – 100-220.

Желательно выбрать транзистор со значением h 21Э близким к 100.

Задавшись наибольшим рабочим током коллектора 25 мА, можно рассчитать ток базы: I Б =I K / h 21Э =25/100=0,25 мА.

Теоретически сопротивление резистора R1 можно рассчитать по формуле: R1=(U БАТ -U БЭ)/I Б =(1,5-0,6)/0,00025=3600 Ом.

Однако на практике достаточно резистора номиналом 1кОм, так как в расчете не учитывается входное сопротивление источника питания и высокочастотный режим работы и ток намагничивания, который является балластной составляющей тока коллектора. Также следует учесть, что по мере снижения ЭДС батарейки резистор с меньшим сопротивлением окажется более эффективным. С резистором 1кОм-0,125Вт±5% амплитудное значение тока светодиода не превышает 26 мА.

Схему можно питать не только от батарейки 1,5В, но и от пальчикового аккумулятора 1,2В.

Диод VD1 в данном случае должен обладать малым падением напряжения в открытом состоянии. Для этой цели подойдут диоды Шоттки типа 1N5817-1N5819, у которых падение напряжения на малых токах составляет 0,2-0,4В. Конденсатор C1 – электролитический на 10 мкФ-6,3В. Этой ёмкости достаточно, чтобы сгладить пульсации тока на светодиоде.

Во время работы батарейка теряет ёмкость, и напряжение на её выводах снижается. При этом светодиод будет продолжать светиться, пока соблюдается условие: U БАТ >U БЭ (в среднем 0,6В). Таким образом, схема питания светодиода от одной батарейки позволяет с максимальной эффективностью использовать пальчиковую батарейку.

Печатная плата

Печатную плату простейшего блокинг-генератора можно скачать . Это односторонняя плата размером 10 на 20 мм, которая легко помещается в корпусе фонарика. Готовую плату с деталями и проводками к светодиоду желательно поместить в термотрубку и разместить рядом с батарейкой. Если применить smd транзистор и резистор, исключив диод с конденсатором, то можно сделать плату ещё меньшего размера для самого маленького фонарика.

Послесловие

Рассмотренное схемотехническое решение эффективно в случае включения 1-3 светодиодов любого цвета с максимальным током до 30 мА. Чтобы запитать более мощный светодиод от одной батарейки, потребуется внести некоторые коррективы. В приведенной схеме можно снизить сопротивление резистора, тем самым увеличив амплитуду тока коллектора (но не более максимального паспортного значения).

Для подключения светодиода 1W придётся все детали схемы заменить на более мощные: трансформатор с сердечником большего размера и транзистор с током коллектора не менее 500 мА. Во время наладки схемы для фонаря на одной батарейке нужно пользоваться осциллографом, чтобы проконтролировать ток светодиода.

В интернете можно найти много схем подключения светодиода к батарейке. При этом авторы не стесняются демонстрировать фото своих измерений, где ток в нагрузке превышает допустимое значение для маломощного светодиода (30 мА). Почему же светодиод не перегорает? Дело в том, что большая часть мультиметров измеряет переменное напряжение и ток только в диапазоне 40-400 Гц и об этом сказано в инструкции. Но многие радиолюбители не знают этого нюанса. Естественно мультиметр не может измерить ток светодиода, пульсирующий с частотой десятки кГц, и отображает на экране случайное число.

Читайте так же

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):

Несмотря на богатый выбор в магазинах светодиодных фонариков различных конструкций, радиолюбители разрабатывают свои варианты схем для питания белых суперярких светодиодов. В основном задача сводится к тому, как запитать светодиод всего от одной батарейки или аккумулятора, провести практические исследования.

После того, как получен положительный результат, схема разбирается, детали складываются в коробочку, опыт завершен, наступает моральное удовлетворение. Часто исследования на этом останавливаются, но иногда опыт сборки конкретного узла на макетной плате переходит в реальную конструкцию, выполненную по всем правилам искусства. Далее рассмотрены несколько простых схем, разработанных радиолюбителями.

В ряде случаев установить, кто является автором схемы очень трудно, поскольку одна и та же схема появляется на разных сайтах и в разных статьях. Часто авторы статей честно пишут, что эту статью нашли в интернете, но кто опубликовал эту схему впервые, неизвестно. Многие схемы просто срисовываются с плат тех же китайских фонариков.

Зачем нужны преобразователи

Все дело в том, что прямое падение напряжения на , как правило, не менее 2,4…3,4В, поэтому от одной батарейки с напряжением 1,5В, а тем более аккумулятора с напряжением 1,2В зажечь светодиод просто невозможно. Тут есть два выхода. Либо применять батарею из трех или более гальванических элементов, либо строить хотя бы самый простой .

Именно преобразователь позволит питать фонарик всего от одной батарейки. Такое решение уменьшает расходы на источники питания, а кроме того позволяет полнее использовать : многие преобразователи работоспособны при глубоком разряде батареи до 0,7В! Использование преобразователя также позволяет уменьшить габариты фонарика.

Схема представляет собой блокинг-генератор. Это одна из классических схем электроники, поэтому при правильной сборке и исправных деталях начинает работать сразу. Главное в этой схеме правильно намотать трансформатор Tr1, не перепутать фазировку обмоток.

В качестве сердечника для трансформатора можно использовать ферритовое кольцо с платы от негодной . Достаточно намотать несколько витков изолированного провода и соединить обмотки, как показано на рисунке ниже.

Трансформатор можно намотать обмоточным проводом типа ПЭВ или ПЭЛ диаметром не более 0,3мм, что позволит уложить на кольцо чуть большее количество витков, хотя бы 10…15, что несколько улучшит работу схемы.

Обмотки следует мотать в два провода, после чего соединить концы обмоток, как показано на рисунке. Начало обмоток на схеме показано точкой. В качестве можно использовать любой маломощный транзистор n-p-n проводимости: КТ315, КТ503 и подобные. В настоящее время проще найти импортный транзистор, например BC547.

Если под рукой не окажется транзистора структуры n-p-n, то можно применить , например КТ361 или КТ502. Однако, в этом случае придется поменять полярность включения батарейки.

Резистор R1 подбирается по наилучшему свечению светодиода, хотя схема работает, даже если его заменить просто перемычкой. Вышеприведенная схема предназначена просто «для души», для проведения экспериментов. Так после восьми часов беспрерывной работы на один светодиод батарейка с 1,5В «садится» до 1,42В. Можно сказать, что почти не разряжается.

Для исследования нагрузочных способностей схемы можно попробовать подключить параллельно еще несколько светодиодов. Например, при четырех светодиодах схема продолжает работать достаточно стабильно, при шести светодиодах начинает греться транзистор, при восьми светодиодах яркость заметно падает, транзистор греется весьма сильно. А схема, все-таки, продолжает работать. Но это только в порядке научных изысканий, поскольку транзистор в таком режиме долго не проработает.

Если на базе этой схемы планируется создать простенький фонарик, то придется добавить еще пару деталей, что обеспечит более яркое свечение светодиода.

Нетрудно видеть, что в этой схеме светодиод питается не пульсирующим, а постоянным током. Естественно, что в этом случае яркость свечения будет несколько выше, а уровень пульсаций излучаемого света будет намного меньше. В качестве диода подойдет любой высокочастотный, например, КД521 ().

Преобразователи с дросселем

Еще одна простейшая схема показана на рисунке ниже. Она несколько сложнее, чем схема на рисунке 1 , содержит 2 транзистора, но при этом вместо трансформатора с двумя обмотками имеет только дроссель L1. Такой дроссель можно намотать на кольце все от той же энергосберегающей лампы, для чего понадобится намотать всего 15 витков обмоточного провода диаметром 0,3…0,5мм.

При указанном параметре дросселя на светодиоде можно получить напряжение до 3,8В (прямое падение напряжения на светодиоде 5730 3,4В), что достаточно для питания светодиода мощностью 1Вт. Наладка схемы заключается в подборе емкости конденсатора C1 в диапазоне ±50% по максимальной яркости светодиода. Схема работоспособна при снижении напряжения питания до 0,7В, что обеспечивает максимальное использование емкости батареи.

Если рассмотренную схему дополнить выпрямителем на диоде D1, фильтром на конденсаторе C1, и стабилитроном D2, получится маломощный блок питания, который можно применить для питания схем на ОУ или других электронных узлов. При этом индуктивность дросселя выбирается в пределах 200…350 мкГн, диод D1 с барьером Шоттки, стабилитрон D2 выбирается по напряжению питаемой схемы.

При удачном стечении обстоятельств с помощью такого преобразователя можно получить на выходе напряжение 7…12В. Если предполагается использовать преобразователь для питания только светодиодов, стабилитрон D2 можно из схемы исключить.

Все рассмотренные схемы являются простейшими источниками напряжения: ограничение тока через светодиод осуществляется примерно так же, как это делается в различных брелоках или в зажигалках со светодиодами.

Светодиод через кнопку включения, без всякого ограничительного резистора, питается от 3…4-х маленьких дисковых батареек, внутреннее сопротивление которых ограничивает ток через светодиод на безопасном уровне.

Схемы с обратной связью по току

А светодиод является, все-таки, токовым прибором. Неспроста в документации на светодиоды указывается именно прямой ток. Поэтому настоящие схемы для питания светодиодов содержат обратную связь по току: как только ток через светодиод достигает определенного значения, выходной каскад отключается от источника питания.

В точности также работают и стабилизаторы напряжения, только там обратная связь по напряжению. Ниже показана схема для питания светодиодов с токовой обратной связью.

При внимательном рассмотрении можно увидеть, что основой схемы является все тот же блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2. Транзистор VT1 является управляющим в цепи обратной связи. Обратная связь в данной схеме работает следующим образом.

Светодиоды питаются напряжением, которое накапливается на электролитическом конденсаторе. Заряд конденсатора производится через диод импульсным напряжением с коллектора транзистора VT2. Выпрямленное напряжение используется для питания светодиодов.

Ток через светодиоды проходит по следующему пути: плюсовая обкладка конденсатора, светодиоды с ограничительными резисторами, резистор токовой обратной связи (сенсор) Roc, минусовая обкладка электролитического конденсатора.

При этом на резисторе обратной связи создается падение напряжения Uoc=I*Roc, где I ток через светодиоды. При возрастании напряжения на (генаратор, все-таки, работает и заряжает конденсатор), ток через светодиоды увеличивается, а, следовательно, увеличивается и напряжение на резисторе обратной связи Roc.

Когда Uoc достигает 0,6В транзистор VT1 открывается, замыкая переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 закрывается, блокинг-генератор останавливается, и перестает заряжать электролитический конденсатор. Под воздействием нагрузки конденсатор разряжается, напряжение на конденсаторе падает.

Уменьшение напряжения на конденсаторе приводит к снижению тока через светодиоды, и, как следствие, уменьшению напряжения обратной связи Uoc. Поэтому транзистор VT1 закрывается и не препятствует работе блокинг-генератора. Генератор запускается, и весь цикл повторяется снова и снова.

Изменяя сопротивление резистора обратной связи можно в широких пределах изменять ток через светодиоды. Подобные схемы называются импульсными стабилизаторами тока.

Интегральные стабилизаторы тока

В настоящее время стабилизаторы тока для светодиодов выпускаются в интегральном исполнении. В качестве примеров можно привести специализированные микросхемы ZXLD381, ZXSC300. Схемы, показанные далее, взяты из даташитов (DataSheet) этих микросхем.

На рисунке показано устройство микросхемы ZXLD381. В ней содержится генератор ШИМ (Pulse Control), датчик тока (Rsense) и выходной транзистор. Навесных деталей всего две штуки. Это светодиод LED и дроссель L1. Типовая схема включения показана на следующем рисунке. Микросхема выпускается в корпусе SOT23. Частота генерации 350КГц задается внутренними конденсаторами, изменить ее невозможно. КПД устройства 85%, запуск под нагрузкой возможен уже при напряжении питания 0,8В.

Прямое напряжение светодиода должно быть не более 3,5В, как указано в нижней строчке под рисунком. Ток через светодиод регулируется изменением индуктивности дросселя, как показано в таблице в правой части рисунка. В средней колонке указан пиковый ток, в последней колонке средний ток через светодиод. Для снижения уровня пульсаций и повышения яркости свечения возможно применение выпрямителя с фильтром.

Здесь применяется светодиод с прямым напряжением 3,5В, диод D1 высокочастотный с барьером Шоттки, конденсатор C1 желательно с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (low ESR). Эти требования необходимы для того, чтобы повысить общий КПД устройства, по возможности меньше греть диод и конденсатор. Выходной ток подбирается при помощи подбора индуктивности дросселя в зависимости от мощности светодиода.

Отличается от ZXLD381 тем, что не имеет внутреннего выходного транзистора и резистора-датчика тока. Такое решение позволяет значительно увеличить выходной ток устройства, а следовательно применить светодиод большей мощности.

В качестве датчика тока используется внешний резистор R1, изменением величины которого можно устанавливать требуемый ток в зависимости от типа светодиода. Расчет этого резистора производится по формулам, приведенным в даташите на микросхему ZXSC300. Здесь эти формулы приводить не будем, при необходимости несложно найти даташит и подсмотреть формулы оттуда. Выходной ток ограничивается лишь параметрами выходного транзистора.

При первом включении всех описанных схем желательно батарейку подключать через резистор сопротивлением 10Ом. Это поможет избежать гибели транзистора, если, например, неправильно подключены обмотки трансформатора. Если с этим резистором светодиод засветился, то резистор можно убирать и проводить дальнейшие настройки.

Борис Аладышкин