Особенности вольтамперной характеристики светодиодов заставляют в некоторые схемы с их использованием встраивать преобразователь. Речь идет о преобразователе напряжения.
Пример схемы
Большинство светодиодов питаются от напряжения в диапазоне 2-3,5 вольт. Сильные перепады напряжения приводят к изменению тока, что может быть губительным для светодиодов. В связи с этим преобразователь должен еще и делать стабильным ток. Для этого в схему включают транзистор.
Элементарная схема на транзисторе выглядит так, как показано ниже. На ней питание осуществляется за счет батареи в 1,2 вольта, то есть пальчикового элемента питания. Трансформатор, который представлен на схеме, можно сделать самостоятельно, намотав проволоку на кольцевой сердечник.
Радиолюбители рекомендуют взять медный провод с лакостойким эмалевым покрытием ПЭЛ 0,3 и ферритовое кольцо с параметрами К10x6x4. Делают две обмотки по 20 витков. Для лучшей яркости рекомендуют подбирать число и соотношение витков самостоятельно. Вместо кольца иногда используют Ш-образный трансформатор, который достают из зарядного устройства сотового.
На схеме показан диод Шоттки, поскольку его использовать предпочтительнее в низковольтных цепях, однако можно взять и обычный диод. Что касается транзистора, то выбирают маломощный тип К315, либо К805, либо еще более мощные варианты.
Как видно на схеме, конденсатор имеет характеристику в 100 мФ и рассчитан на 10 вольт, а резистор – 1 кОм и 0,5 Вт. Чтобы собрать этот простейший преобразователь для простейшего светодиода, необходимо затратить всего около 30-40 минут времени.
Преобразователи для мощных светодиодов
Помимо маломощных светодиодных лампочек, выпускаются сверхяркие светодиоды, а также блоки светодиодов, которые работают от напряжения 9, 12 Вольт или больше. Для них тоже можно собрать преобразователь на одном-двух транзисторах либо с использованием микросхем с ШИМ управлением.
Преимущество элементарных схем в том, что они собираются из минимального количества деталей, стоимость которых невысока. Если же говорить о функциях стабилизации тока и напряжения, то здесь эффективность весьма низкая. Иными словами, роль драйвера такая схемы играет с трудом.
В связи с этим в продаже можно найти специализированные микросхемы для стабилизаторов, а еще лучше купить готовый стабилизатор, тем более что цена его будет даже меньшей, чем у отдельной микросхемы.
Вне всякого сомнения, светодиоды на сегодняшний день являются самыми экономичными и долговечными источниками света. Появившиеся в последние годы новые приборы этого класса произвели своего рода революцию в сфере освещения и иллюминации. Широкое распространение в быту получили светодиодные лампы, пришедшие вместе с компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) на смену неэкономичным и недолговечным лампам накаливания, а сегодня ими всё чаще заменяют и КЛЛ. К сожалению, несмотря на заверения производителей о долговечности, исчисляемой многими десятками тысяч часов, и светодиодные лампы иногда выходят из строя, причём гораздо раньше срока. И причина нередко не в качестве светодиодов, а, скорее всего, в скупости производителей: чтобы сэкономить на стоимости ламп, светодиоды в них заставляют работать в экстремальных условиях, при значениях тока, близких к предельно допустимым, что оказывает заметное влияние на скорость деградации кристалла и люминофоров, атакже на надёжность лампы. А если учесть, что из-за малых габаритов ламп к вышесказанному добавляются неудовлетворительные условия охлаждения светодиодов, неудивительно, что иногда такие лампы выходят из строя уже через несколько часов работы.
Анализ неисправностей перегоревших ламп показывает, что в 90 % случаев выходит из строя один из светодиодов, при этом драйвер, как правило, остаётся исправным. Ремонт таких ламп несложен, но без принятия мер по уменьшению тока через оставшиеся светодиоды зачастую бесполезен: через некоторое время лампа снова выходит из строя.
Рассмотрим возможность восстановления лампы Elektrostandard мощностью 7 Вт. Её внешний вид и вид на плату драйвера со стороны печатных проводников показаны на рис. 1. Сначала следует любым способом найти сгоревший светодиод и замкнуть его перемычкой. Далее необходимо уменьшить ток через светодиоды. Для контроля тока служит датчик, состоящий из двух соединённых параллельно резисторов SMD (обведены на рис. 1 красным кружком). Чтобы уменьшить ток, их нужно выпаять и на место любого из них впаять новый сопротивлением 2 Ом. После такого ремонта мощность и светоотдача лампы несколько снизятся, но она будет способна работать ещё длительное время. Сказанное полностью применимо и к аналогичным лампам мощностью 15 Вт (рис. 2). На их плате для уменьшения тока через светодиоды необходимо выпаять один из резисторов сопротивлением 5,6 Ом (также обведены красным кружком).
Рис. 1. Лампа Elektrostandard
Рис. 2. Лампа Elektrostandard
Но иногда восстановить лампу невозможно из-за выхода из строя контроллера. В этом случае светодиоды можно питать от другого источника. Ниже рассмотрен вариант подключения платы светодиодов ламп мощностью 5 или 7 Вт к двенадцативольтному источнику (например, автомобильному аккумулятору). В зависимости от номинальной мощности в этих лампах установлены соответственно 12 или 16 светодиодов. Такая лампа может пригодиться для аварийного или автомобильного светильника. Поскольку светодиоды включены на плате последовательно, а изменять схему соединений путём перерезания печатных проводников и установкой проволочных перемычек не хотелось, было решено изготовить преобразователь, повышающий напряжение аккумулятора до уровня, необходимого для свечения светодиодов с нормальной яркостью (в данном случае соответственно до 35 или 48 В).
Схема простого преобразователя, собранного из широко распространённыхи недорогих деталей, представлена на рис. 3. На триггере Шмитта DD1.1 по типовой схеме построен задающий генератор, работающий на частоте около 25 кГц. Включённые параллельно элементы DD1.2-DD1.6 инвертируют сигнал генератора и увеличивают его нагрузочную способность, обеспечивая быструю зарядку и разрядку ёмкости полевого транзистора VT2. Питается микросхема от источника питания лампы через линейный стабилизатор напряжения DA1, включённый по типовой схеме. Датчиком тока является резистор R5.
Рис. 3. Схема простого преобразователя
Работает цепь стабилизации следующим образом. Если ток через светодиоды становится больше требуемого, транзистор VT1 открывается, шунтируя резистором R1 вход триггера Шмитта DD1.1. При этом длительность импульсов управления, подаваемых на затвор полевого транзистора VT2, уменьшается, а длительность пауз между ними, наоборот, увеличивается. В результате ток через светодиоды уменьшается. Стабилизация тока осуществляется в интервале значений входного напряжения от 9 до 15 В, что для аккумуляторного и автомобильного светильника вполне достаточно. Резистор R3 служит для разрядки конденсатора С4 после выключения преобразователя (без него в течение длительного времени после выключения питания наблюдалось бы слабое свечение светодиодов).
Все детали устройства размещены на печатной плате (рис. 4), изготовленной из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Транзистор VT2 в теплоотводе не нуждается, но если при эксплуатации его корпус будет заметно нагреваться, можно в дополнение к используемой в качестве теплоотвода контактной площадке на плате, к которой припаян вывод его стока, снабдить его небольшим П-образным теплоотводом, изготовленным из расплющенного отрезка медного провода сечением 2,5 мм 2 и длиной 20 мм. Припаять его можно как к указанной площадке на плате (рядом с транзистором), так и к самому теплоотводящему фланцу транзистора. Внешний вид готового узла показан на рис. 5. Для светодиодной панели изготовлен дополнительный теплоотвод из листового алюминиевого сплава, его внешний вид также показан на этом рисунке.
Рис. 4. Печатгая плата и детали на ней
Рис. 5. Внешний вид готового узла
Несколько слов о деталях. Кроме указанного на схеме, в качестве VT1 можно применить любой маломощный транзистор структуры n-p-n для поверхностного монтажа. Полевой транзистор (VT2) - любой с током стока не менее 2 А и напряжением сток-исток не ниже 80 В, рассчитанный на управление логическими уровнями. Возможная замена микросхемы 74НСТ14 (DD1) - из серии 74НС14 или 74АС14. Вместо диода RGP10J (VD1) можно применить 1N4007, однако он будет заметно нагреваться и снизится КПД. Практически без нагрева работают диоды серии КД226. Дроссель L1 - промышленного изготовления в цилиндрическом корпусе, тип его неизвестен, а внешний вид показан на рис. 5 (чёрный цилиндр в левом нижнем углу платы).
Если не удастся найти интегральный стабилизатор на 5 В исполнения SMD, в цепь питания микросхемы DD1 можно встроить параметрический стабилизатор на стабилитроне. Разместить его и балластный резистор сопротивлением 1 кОм можно на посадочном месте микросхемы.
Налаживания устройство, собранное из исправных деталей, практически не требует. При первом включении преобразователь желательно питать от лабораторного блока с регулируемым выходным напряжением, постепенно повышая его, начиная с 5 В. Если светодиоды не светят, следует проверить полярность их подключения, исправность деталей.
При использовании вместо указанной на схеме (DD1) заменяющих микросхем, возможно, потребуется подбор конденсатора С1 или дросселя L1 по максимальному КПД. Возможно, потребуется подбор резистора R5 до получения тока через светодиоды, равного 100 мА. Если нужного резистора среди имеющихся в наличии не найдётся, можно установить R5 заведомо несколько большего сопротивления и подобрать включённый параллельно ему дополнительный резистор R5" (изображён на схеме штриховыми линиями), место для него на плате предусмотрено.
Далее следует проверить интервал значений входного напряжения, при которых осуществляется стабилизация тока через светодиоды. Можно попробовать повысить КПД преобразователя, подбирая индуктивность дросселя L1. При налаживании следует помнить, что обрыв цепи светодиодов может привести к пробою полевого транзистора, поэтому необходимо быть очень внимательным.
В завершение плату преобразователя следует покрыть двумя слоями лака ХВ-784, это защитит его от влаги. При эксплуатации такого светильника следует помнить, что при подключении его к источнику питания следует соблюдать полярность.
Источники света на базе полупроводниковых светодиодов сегодня получают все большее и быстрое распространение благодаря ряду преимуществ перед «классическими» источниками на лампах накаливания или газоразрядных:
- эффективность излучения — до 40 лм/Вт;
- долговечность — более 100000 часов;
- стойкость к воздействию низких температур (до -50°С) и механических вибраций;
- широта и точность воспроизведения излучаемого спектра;
- возможность микропроцессорного управления вкл/выкл и уровнем светимости в полном диапазоне без изменения спектра излучения;
- меньшие габариты и масса.
При одинаковом уровне излучения линейка светодиодов потребляет мощность в два и более раза меньшую, чем лампа накаливания. Например, 6 сверхярких светодиодов с суммарной мощностью потребления 30 Вт (6х5 = 30 Вт) обеспечивают световой поток 750 лм, такой же, как лампа накаливания мощностью 75 Вт.
Все эти качества определяют предпочтительное использование светодиодных источников света в новых разработках.
У ламп накаливания, газоразрядных или газонаполненных, характеристики зависят от уровня и стабильности напряжения на них. У светодиодов характеристики светимости зависят от уровня и стабильности протекающего через них тока. Поэтому к устройствам питания светодиодов (в дальнейшем преобразователям) предъявляются специальные требования по регулированию выходного тока в зависимости от характеристик источника питания и нагрузки.
Типы преобразователей и области применения
В соответствии с классом решаемых задач можно выделить три основные исходные ситуации, определяющие требования к преобразователям, в зависимости от области применения.
1. Понижающий. Напряжение источника питания во всех режимах работы заведомо не ниже требуемого выходного напряжения для управления светодиодами.
Данная ситуация характерна при проектировании систем освещения, источником питания которых является сеть переменного тока 220 В или подобная. Это может быть освещение помещений, улиц, вагонов поездов, рекламная подсветка и пр. Сюда же можно отнести и источники света на транспорте с напряжением бортовой сети 12, 24 В.
2. Повышающий. Напряжение источника питания во всех режимах работы заведомо не выше требуемого выходного напряжения для управления светодиодами.
Данная ситуация характерна при проектировании систем подсветки дисплеев и других устройств визуализации, где для питания матрицы с большим количеством светодиодов в столбце применяются источники низкого вторичного напряжения, аккумуляторы и батареи.
3. Конвертерный. Напряжение источника питания может быть как выше, так и ниже требуемого выходного напряжения для управления светодиодами.
Подобная ситуация чаще всего возникает в портативных устройствах с автономным питанием, где напряжения заряженной и разряженной батареи сильно отличаются.
Понижающие преобразователи
Для их реализации наиболее часто используются Flyback, Buck (Step-Down ) — схемы преобразования. Характеризуются максимальной простотой и высокой эффективностью.
Рассмотрим типичный пример применения Flyback-пре-образователя на базе регулятора ON Semiconductor NCP1028 (рис. 1).
Рис. 1.
NCP1028 — новейший представитель импульсных регуляторов ONS со встроенным силовым MOSFET, позволяющим создавать источники питания мощностью до 25 Вт без использования внешнего силового транзистора. Внутренняя схема обработки сигнала обратной связи (ОС) обеспечивает непосредственное подключение фототранзистора без дополнительных компонентов. Дополнительная обмотка силового трансформатора Т1 и схема внешнего питания NCP1028 необходимы только в случае проектирования источника с предельно допустимой мощностью потребления выше 20 Вт. При небольшой мощности потребления питание NCP1028 может осуществляться за счет встроенной динамической системы питания (Dynamic Self-Supply ), для работы которой требуется только накопительный конденсатор С8. Обратная связь по току выполнена на базе резистивного датчика R3 и усилителя сигнала на транзисторе Q1.
Во многих применениях, где нет непосредственного контакта пользователя с устройством, например, в уличном освещении, от источника питания не требуется гальваническая развязка. В этом случае схема преобразователя может быть значительно упрощена. Включение NCP1028 или подобного регулятора по схеме стандартного Buck-преобразователя позволяет получить простое и дешевое решение для массового применения (рис. 2).
Рис. 2. Простой Buck-регулятор без гальванической развязки на базе NCP1014
Здесь NCP1014 (аналог NCP1028, но с меньшим допустимым током MOSFET 450 мА) — ключ, L3 — дроссель, D5 — выпрямитель. В системах освещения не требуется высокая стабильность тока, поэтому можно обойтись без замкнутой ОС, реализовав уставку тока через дроссель при помощи резистора R2, подключенного к выводу 2 (вход сигнала ОС) NCP1014. Такое решение обеспечивает точность регулирования порядка ±5%. Безусловно, при необходимости более точного регулирования может быть применена схема с замкнутой ОС с датчиком тока (рис. 3).
Рис. 3.
При большом отношении входного напряжения к выходному можно реализовать так называемую накачку (трансформацию) тока за счет применения расщепленного дросселя (рис. 3). Выпрямитель D5 подключен к части обмотки L3 в соотношении 3:1. Подобное решение позволяет обеспечить ток нагрузки, превышающий допустимый ток ключа, в данном случае встроенного силового транзистора NCP1014. Например, при Uвх = 220 В, Uвых = 16…20 В (4…5 сверхярких светодиодов с прямым напряжения падением на каждом 4…5 В) отношение Uвх/ Uвых составляет грубо 10:1. Такое отношение позволяет установить коэффициент преобразования тока не менее 4. На рис. 4 представлены осциллограммы сигналов для такого варианта схемы с расщепленным дросселем.
Рис. 4.
Как видно из диаграммы СН2 (голубая), значение тока, протекающего через транзистор NCP1014 (открыт), не превышает 250 мА, а при закрывании транзистора ток в расщепленной части обмотки L3 возрастает практически до 1 А.
Для дальнейшего упрощения и снижения себестоимости преобразователя фильтр на L2 может быть исключен из схемы в зависимости от заданных требований к уровню излучаемых помех. При наличии данного фильтра обеспечивается уровень помех не более 45 дБ (рис. 5).
Рис. 5. Спектр излучаемых помех по цепям питания для схемы, показанной на рис. 2
Для питания светодиодных источников света в электрооборудовании транспортных средств, где напряжение бортовой сети составляет десятки вольт, удобнее всего применять преобразователи с допустимым входным напряжением порядка 40…60 В.
В зависимости от решаемой задачи могут быть применены как классический компенсационный способ регулирования, так и импульсный преобразовательный. ON Semiconductor специально для автомобильных применений выпускает драйвер NUD4001 — стабилизатор тока светодиодов (рис. 6).
Рис. 6.
На его базе можно легко реализовать, например, проекты задних фонарей автомобиля, подсветки оборудования, органов управления и пр. Преимуществом NUD4001 является простота его использования, благодаря компенсационному принципу регулирования, для задания расчетного тока используется единственный внешний компонент — резистор Rext.
Для получения более высокого КПД, не ниже 80%, рекомендуется использовать DC/DC-преобразователи с ОС по току. Для этих целей ON Semiconductor разработал и выпускает универсальный интегральный импульсный регулятор NCP3065, позволяющий создавать преобразовате-ли любых типов: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, SEPIC. К преимуществам NCP3065 перед аналогами относятся встроенный силовой транзистор с допустимым током коллектора до 1,5 А, а также низкое значение опорного напряжения ОС 235 мВ, позволяющее применять датчики тока с малым сопротивлением и исключить усилитель сигнала ОС. Высокая допустимая частота преобразования до 250 КГц позволяет исполь зовать в схеме керамические конденсаторы малой емкости вместо электролитических, что уменьшает общие габариты и массу преобразователя.
Схема включения NCV3065 (вариант NCP3065 для автомобильных применений) в режиме понижающего преобразователя Buck (Step-Down) представлена на рис. 7.
Рис. 7.
Повышающие преобразователи
Задача увеличения напряжения, например для питания линейки последовательно соединенных светодиодов подсветки, чаще всего возникает при проектировании портативных устройств с аккумуляторным или батарейным питанием с напряжением 2…4 В. Для их реализации используются Boost (Step-Up
) — схемы преобразования индуктивного или емкостного типа. Наиболее привлекательной разработкой ON Semiconductor в этой области являются функционально законченные, полностью интегральные регуляторы NCP5008/ 5009 (рис. 8).
Рис. 8.
Регуляторы содержат встроенные датчик тока, силовой ключ на MOSFET, последовательный интерфейс для связи с микроконтроллером, а NCP5009 еще и усилитель сигнала фототранзистора, что позволяет легко реализовать, например, автоматическое регулирование яркости подсветки в зависимости от уровня внешней освещенности. Для активно развивающегося направления AMOLED дисплеев для мобильных устройств (Active Matrix Organic Light Emitting Diode
) ON Semiconductor выпускает лучшие в своем классе регуляторы NCP5810D, обеспечивающие как положительное, так и отрицательное выходные напряжения для питания AMOLED (рис. 9).
Рис. 9.
В одном корпусе размещены Boost-регулятор с фиксированным выходным напряжением +4,6 В и Buck-Boost-конвертер с настраиваемым выходным отрицательным напряжением от -2 до -15 В. Высокая частота преобразования 2 МГц обеспечивает КПД не менее 85% и малые размеры дросселей и конденсаторов схемы. Высокоэффективная обратная связь обеспечивает жесткие требования к точности выходных напряжений, характерные для AMOLED дисплеев.
Конвертерные преобразователи
Для их реализации наиболее часто используются Buck-Boost, Cuk, SEPIC конвертерные схемы преобразования. Главной их особенностью является то, что выходное напряжение преобразователя может быть как ниже, так и выше входного.
Преимуществом SEPIC перед аналогами является то, что данный конвертер не изменяет полярности выходного напряжения, что благоприятно сказывается, например, при применении микропроцессорного управления преобразователем.
Рассмотрим кратко работу базовой схемы SEPIC (Single — Ended Primary Inductance Converter
) конвертера (рис. 10).
Рис. 10.
При замыкании ключа SW энергия из источника питания Vin запасается в L1. Одновременно энергия из Cp, подключенного в этот момент параллельно L2, перетекает в L2, D1 при этом закрыт и питание нагрузки Vout обеспечивается за счет энергии, запасенной в Cout.
При размыкании SW ток L1 течет через Cp и открытый D1 в нагрузку, перезаряжая тем самым Cp для следующего цикла. Дополнительно ток L2 также течет через открытый D1 в Cout и нагрузку, тем самым заряжая Cout для следующего цикла.
Далее циклы повторяются. На рис. 10 указана взаимная полярность обмоток L1 и L2 в случае, если они имеют общий сердечник. Теоретически дроссели могут быть не связанными, но в этом случае они должны иметь удвоенную индуктивность. К тому же пульсации входного тока будут существенно больше по сравнению со связанным вариантом.
Пример SEPIC-пре-образователя на базе рассмотренного ранее универсального регулятора NCP3065 представлен на рис. 11. В табл. 1 представлены его основные характеристики.
Рис. 11.
Таблица 1. Основные характеристики регулятора NCP3065
Для обеспечения выходной мощности не менее 20 Вт ток коммутации L1 должен быть не менее 2,5 А. Внутренний силовой транзистор NCP3065 может обеспечить не более 1,5 А. Поэтому в схему введен внешний силовой ключ Q3. Схема согласования на элементах C2, D2, R6, Q2 уменьшает динамические потери при переключении Q3 и повышает тем самым КПД преобразования. Q1 используется для ШИМ управления значением выходного тока. Зависимос т ь вы ход ного ток а от уровня ШИМ линейная в диапазоне 5…90%.
Внешний вид модуля преобразователя представлен на рис. 12, размеры 57х31 мм.
Рис. 12.
Литература
1. NCP1028 High-Voltage Switcher for Medium Power Offline SMPS Featuring Low Standby Power, Data Sheet, rev. 2, December, 2007, ON Semiconductor.
2. AND8328 700 mA LED Power Supply Using Monolithic Controller and Off-line current Boosted (Tapped Inductor), Application Notes, rev.0, April, 2008, ON Semiconductor.
3. AN3321 High — Brightness LED Control Interface, Application Note, rev. 0, October, 2007, Freescale Semiconductor.
4. NCP3065 Up to 1.5 A Constant Current Switching Regulator for LEDs, Data Sheet, rev. P0, June, 2007, ON Semiconductor.
5. The Future of Lighting, High Brightness LED Solutions, rev. 1, 2007, Freescale Semiconductor.
Ответственный за направление в КОМПЭЛе — Валерий Куликов
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
Данный драйвер светодиода на mc34063 предназначен для подключения от трех до девяти сверх ярких светодиодов. Схема собрана на основе . Ток, протекающий через светодиоды можно установить в пределах 100…750 мА.
Нужно иметь в виду, что напряжение питания светодиодного фонаря не должно превышать напряжение питания используемых светодиодов. Обычно для этого используют специальный . Для достижения высокого КПД и уменьшения рассеиваемой мощности, в схеме фонаря применен силовой ключ — n-канальный MOSFET транзистор, имеющий низкое сопротивление в открытом режиме.
Описание работы преобразователя для питания светодиодов
Чтобы обеспечить правильную форму сигнала для управления силовым транзистором, в схему включены элементы его управления: транзистор VT1, сопротивление R1 и диод VD1.
В момент возникновения управляющего сигнала VT1 закрыт, а через диод VD1 происходит заряд затвора MOSFET транзистора. По завершению импульса, через открытый транзистор VT1 происходит разряд затвора VT2. Такой режим работы обеспечивает мгновенное открытие и закрытие VT2, и тем самым минимизируется выделение тепла на нем, способствуя повышению КПД преобразователя.
Необходимый ток, протекающий через светодиоды, можно получить путем подбора сопротивления резистора R2.
Формула расчета: R2 = 1,25В / I , где
- 1,25В – падение напряжения на резисторе
- I – необходимый ток
- R2 – сопротивление в Ом
Если необходимо не просто запитать светодиод, но и регулировать яркость его свечения, то это можно сделать используя регулируемый стабилизатор напряжения LM2941. В статье подробно все описано.
Детали преобразователя светодиодного фонаря
Транзисторы VT1 — BC858, КТ361; VT2 — FQB60N03L, IPP10N03L, IPB10N03L. Индуктивность L1 на 20мкГн и ток 1…2А. Напряжение питания (min и max) выбрано в соответствии с параметрами VT2.Диод VD1 шотки