Незважаючи на багатий вибір в магазинах світлодіодних ліхтариків різних конструкцій, радіоаматори розробляють свої варіанти схем для харчування білих суперяскравих світлодіодів. В основному завдання зводиться до того, як живити світлодіод всього від однієї батарейки або акумулятора, провести практичні дослідження.
Після того, як отримано позитивний результат, схема розбирається, деталі складаються в коробочку, досвід завершений, настає моральне задоволення. Часто дослідження на цьому зупиняються, але іноді досвід складання конкретного вузла на макетної платі переходить в реальну конструкцію, виконану за всіма правилами мистецтва. Далі розглянуті кілька простих схем, розроблених радіоаматорами.
У ряді випадків встановити, хто є автором схеми дуже важко, оскільки одна і та ж схема з'являється на різних сайтах і в різних статтях. Часто автори статей чесно пишуть, що цю статтю знайшли в інтернеті, але хто опублікував цю схему вперше, невідомо. Багато схеми просто змальовувати з плат тих же китайських ліхтариків.
Автор статті, яку Ви зараз читаєте, на авторство схем теж не претендує, це просто невелика добірка схем на «світлодіодну» тему.
Навіщо потрібні перетворювачі
Вся справа в тому, що пряме падіння напруги на светодиоде , Як правило, не менше 2,4 ... 3,4В, тому від однієї батарейки з напругою 1,5 В, а тим більше акумулятора з напругою 1,2В запалити світлодіод просто неможливо. Тут є два виходи. Або застосовувати батарею з трьох або більше гальванічних елементів, або будувати хоча б найпростіший DC-DC перетворювач .
Саме перетворювач дозволить живити ліхтарик всього від однієї батарейки. Таке рішення зменшує витрати на джерела живлення, а крім того дозволяє повніше використовувати заряд гальванічного елемента : Багато перетворювачі працездатні при глибокому розряді батареї до 0,7 В! Використання перетворювача також дозволяє зменшити габарити ліхтарика.
Найпростіша схема для живлення світлодіода
Схема являє собою блокінг-генератор. Це одна з класичних схем електроніки, тому при правильній збірці і справних деталях починає працювати відразу. Головне в цій схемі правильно намотати трансформатор Tr1, не переплутати фазировку обмоток.
Як сердечника для трансформатора можна використовувати ферритові кільце з плати від негідної енергозберігаючої люмінесцентної лампи . Досить намотати кілька витків ізольованого проводу та з'єднати обмотки, як показано на малюнку нижче.
Трансформатор можна намотати обмотувальним проводом типу ПЕВ або ПЕЛ діаметром не більше 0,3 мм, що дозволить укласти на кільце трохи більшу кількість витків, хоча б 10 ... 15, що трохи поліпшить роботу схеми.
Обмотки слід мотати в два дроти, після чого з'єднати кінці обмоток, як показано на малюнку. Початок обмоток на схемі показано точкою. В якості транзистора можна використовувати будь-який малопотужний транзистор npn провідності: КТ315, КТ503 і подібні. В даний час простіше знайти імпортний транзистор, наприклад BC547.
Якщо під рукою не виявиться транзистора структури npn, то можна застосувати транзистор провідності pnp , Наприклад КТ361 або КТ502. Однак, в цьому випадку доведеться поміняти полярність включення батарейки.
Резистор R1 підбирається по найкращому світінням світлодіода, хоча схема працює, навіть якщо його замінити просто перемичкою. Вищенаведена схема призначена просто «для душі», для проведення експериментів. Так після восьми годин безперервної роботи на один світлодіод батарейка з 1,5 В «сідає» до 1,42В. Можна сказати, що майже не розряджається.
Для дослідження навантажувальних здібностей схеми можна спробувати підключити паралельно ще кілька світлодіодів. Наприклад, при чотирьох світлодіодах схема продовжує працювати досить стабільно, при шести світлодіодах починає грітися транзистор, при восьми світлодіодах яскравість помітно падає, транзистор гріється дуже сильно. А схема, все-таки, продовжує працювати. Але це тільки в порядку наукових досліджень, оскільки транзистор в такому режимі довго не пропрацює.
Перетворювач з випрямлячем
Якщо на базі цієї схеми планується створити простенький ліхтарик, то доведеться додати ще пару деталей, що забезпечить більш яскраве світіння світлодіода.
Неважко бачити, що в цій схемі світлодіод харчується не пульсує, а постійним струмом. Природно, що в цьому випадку яскравість світіння буде трохи вище, а рівень пульсацій випромінюваного світла буде набагато менше. Як діода підійде будь-який високочастотний, наприклад, КД521 ( принцип дії напівпровідникового діода ).
Перетворювачі з дроселем
Ще одна найпростіша схема показана на малюнку нижче. Вона трохи складніше, ніж схема на малюнку 1, містить 2 транзистора, але при цьому замість трансформатора з двома обмотками має тільки дросель L1. Такий дросель можна намотати на кільці все від тієї ж енергозберігаючої лампи, для чого знадобиться намотати всього 15 витків обмотувального дроту діаметром 0,3 ... 0,5 мм.
При зазначеному параметрі дроселя на світлодіоді можна отримати напруга до 3,8В (пряме падіння напруги на світлодіоді 5730 3,4В), що досить для харчування світлодіода потужністю 1Вт. Налагодження схеми полягає в підборі ємності конденсатора C1 в діапазоні ± 50% по максимальної яскравості світлодіода. Схема працездатна при зниженні напруги живлення до 0,7 В, що забезпечує максимальне використання ємності батареї.
Якщо розглянуту схему доповнити випрямлячем на діоді D1, фільтром на конденсаторі C1, і стабілітроном D2, вийде малопотужний блок живлення, який можна застосувати для харчування схем на ОУ або інших електронних вузлів. При цьому індуктивність дроселя вибирається в межах 200 ... 350 мкГн, діод D1 з бар'єром Шотткі, стабілітрон D2 вибирається по напрузі живиться схеми.
При вдалому збігу обставин за допомогою такого перетворювача можна отримати на виході напругу 7 ... 12В. Якщо передбачається використовувати перетворювач для живлення тільки світлодіодів, стабілітрон D2 можна зі схеми виключити.
Всі розглянуті схеми є найпростішими джерелами напруги: обмеження струму через світлодіод здійснюється приблизно так само, як це робиться в різних брелоках або в запальничках зі світлодіодами.
Світлодіод через кнопку включення, без всякого обмежувального резистора, харчується від 3 ... 4-х маленьких дискових батарейок, внутрішній опір яких обмежує струм через світлодіод на безпечному рівні.
Схеми зі зворотним зв'язком по струму
А світлодіод є, все-таки, струмовим приладом. Неспроста в документації на світлодіоди вказується саме прямий струм. Тому справжні схеми для живлення світлодіодів містять зворотний зв'язок по току: як тільки струм через світлодіод досягає певного значення, вихідний каскад відключається від джерела живлення.
У точності також працюють і стабілізатори напруги, тільки там зворотний зв'язок по напрузі. Нижче показана схема для живлення світлодіодів з струмового зворотним зв'язком.
При уважному розгляді можна побачити, що основою схеми є все той же блокінг-генератор, зібраний на транзисторі VT2. Транзистор VT1 є керуючим в колі зворотного зв'язку. Зворотній зв'язок в даній схемі працює наступним чином.
Світлодіоди живляться напругою, яке накопичується на електролітичному конденсаторі. Заряд конденсатора проводиться через діод імпульсною напругою з колектора транзистора VT2. Випрямлена напруга використовується для живлення світлодіодів.
Струм через світлодіоди проходить за наступним шляхом: плюсова обкладка конденсатора, світлодіоди з обмежувальними резисторами, резистор струмового зворотного зв'язку (сенсор) Roc, мінусова обкладка електролітичного конденсатора.
При цьому на резисторі зворотного зв'язку створюється падіння напруги Uoc = I * Roc, де I струм через світлодіоди. При зростанні напруги на електролітичному конденсаторі (Генаратора, все-таки, працює і заряджає конденсатор), струм через світлодіоди збільшується, а, отже, збільшується і напруга на резисторі зворотного зв'язку Roc.
Коли Uoc досягає 0,6 транзистор VT1 відкривається, замикаючи перехід база-емітер транзистора VT2. Транзистор VT2 закривається, блокінг-генератор зупиняється, і перестає заряджати електролітичний конденсатор. Під таким навантаженням конденсатор розряджається, напруга на конденсаторі падає.
Зменшення напруги на конденсаторі призводить до зниження струму через світлодіоди, і, як наслідок, зменшення напруги зворотного зв'язку Uoc. Тому транзистор VT1 закривається і не перешкоджає роботі блокинг-генератора. Генератор запускається, і весь цикл повторюється знову і знову.
Змінюючи опір резистора зворотного зв'язку можна в широких межах змінювати струм через світлодіоди. Подібні схеми називаються імпульсними стабілізаторами струму.
Інтегральні стабілізатори струму
В даний час стабілізатори струму для світлодіодів випускаються в інтегральному виконанні. Як приклади можна привести спеціалізовані мікросхеми ZXLD381, ZXSC300. Схеми, показані далі, взяті з даташітов (DataSheet) цих мікросхем.
На малюнку показано пристрій мікросхеми ZXLD381. У ній міститься генератор ШИМ (Pulse Control), датчик струму (Rsense) і вихідний транзистор. Навісних деталей всього дві штуки. Це світлодіод LED і дросель L1. Типова схема включення показана на наступному малюнку. Мікросхема випускається в корпусі SOT23. Частота генерації 350КГц задається внутрішніми конденсаторами, змінити її неможливо. ККД пристрою 85%, запуск під навантаженням можливий вже при напрузі живлення 0,8 В.
Пряме напруга світлодіода має бути не більше 3,5 В, як зазначено в нижній сходинці під малюнком. Струм через світлодіод регулюється зміною індуктивності дроселя, як показано в таблиці в правій частині малюнка. У середній колонці вказано піковий струм, в останній колонці середній струм через світлодіод. Для зниження рівня пульсацій і підвищення яскравості світіння можливе застосування випрямляча з фільтром.
Тут застосовується світлодіод з прямим напругою 3,5 В, діод D1 високочастотний з бар'єром Шотткі, конденсатор C1 бажано з низьким значенням еквівалентного послідовного опору (low ESR). Ці вимоги необхідні для того, щоб підвищити загальний ККД пристрою, по можливості менше гріти діод і конденсатор. Вихідний струм підбирається за допомогою підбору індуктивності дроселя залежно від потужності світлодіода.
мікросхема ZXSC300
Відрізняється від ZXLD381 тим, що не має внутрішнього вихідного транзистора і резистора-датчика струму. Таке рішення дозволяє значно збільшити вихідний струм пристрою, а отже застосувати світлодіод більшої потужності.
Як датчик струму використовується зовнішній резистор R1, зміною величини якого можна встановлювати необхідний струм в залежності від типу світлодіода. Розрахунок цього резистора проводиться за формулами, наведеними в даташіте на мікросхему ZXSC300. Тут ці формули наводити не будемо, при необхідності нескладно знайти даташит і підглянути формули звідти. Вихідний струм обмежується лише параметрами вихідного транзистора.
При першому включенні всіх описаних схем бажано батарейку підключати через резистор опором 10Ом. Це допоможе уникнути загибелі транзистора, якщо, наприклад, був належним чином під'єднаний обмотки трансформатора. Якщо з цим резистором світлодіод засвітився, то резистор можна прибирати і проводити подальші настройки.
Борис Аладишкін