Преобразователь напряжения на полевом транзисторе. Низковольтные преобразователи напряжения для светодиодов Низковольтные преобразователи для питания светодиодов

Рис. 4. Фонарик на источнике тока, с автоматическим выравниванием тока в светодиодах, и с улучшенным КПД

Т.к. выход операционника имеет тип «открытый коллектор» его необходимо «подтянуть» к питанию, что делает резистор R2. Сопротивления R3, R4 выполняют функции делителя напряжения в точке V2 на 2, таким образом операционник поддержит в точке V2 напряжение 0.22*2 = 0.44В, что меньше чем в предыдущем случаи на 0.3В. Брать делитель еще меньше, чтобы понизить напряжение в точке V2, нельзя т.к. биполярный транзистор имеет сопротивление Rкэ и при работе на нем будет падать напряжение Uкэ, чтобы транзистор правильно работал V2-V1 должно быть больше Uкэ, для нашего случая 0.22В вполне достаточно. Однако биполярные транзисторы можно заменить полевыми, в которых сопротивление сток исток гораздо меньше, это даст возможность уменьшить делитель, так чтобы, сделать разность V2-V1 совсем незначительной.

Дроссель. Дроссель нужно брать с минимальным сопротивлением, особое внимание следует уделить максимальному допустимому току он должен быть порядка 400 -1000 мА.
Номинал не играет такой роли как максимальный ток, поэтому Analog Devices рекомендует, что-то между 33 и 180мкГн. В данном случаи, теоретически, если не обращать внимание на габариты, то чем больше индуктивность, тем лучше по всем показателем. Однако на практике это не совсем так, т.к. мы имеем не идеальную катушку, она имеет активное сопротивление и не линейна, кроме того, ключевой транзистор при низких напряжениях уже не выдаст 1.5А. Поэтому лучше попробовать несколько катушек разного типа, конструкции и разного номинала, что бы выбрать катушку, при которой самый высокий КПД, и самое маленькое минимальное входное напряжение, т.е. катушку, с которой фонарик будет светиться максимально долго.

Конденсаторы. C1 может быть любым. С2 лучше взять танталовым т.к. у него маленькое сопротивление это повышает КПД.

Диод Шотки. Любой на ток до 1А, желательно с минимальным сопротивлением и минимальным падением напряжения.

Транзисторы. Любые с током коллектора до 30 мА, коэф. усиления тока порядка 80 с частотой до 100Мгц, КТ318 подойдет.

Светодиоды. Можно белые NSPW500BS со свечением в 8000мКд от Power Light Systems .

Преобразователь напряжения ADP1110, или его замену ADP1073, для его использования схему на рис.3 нужно будет изменить, взять дроссель 760мкГ, а R1 = 0.212/60мА = 3.5Ом.

Фонарь на ADP3000-ADJ

Параметры:
Питание 2.8 - 10 В, КПД ок. 75%, два режима яркости - полный и половина.
Ток через диоды 27 мА, в режиме половинной яркости - 13 мА.
В схеме для получения высокого КПД желательно использовать чип-компоненты.
Правильно собранная схема в настройке не нуждается.
Недостатком схемы является высокое (1,25V) напряжение на входе FB (вывод 8).
В настоящее время выпускаются DC/DC конвертеры с напряжением FB около 0,3V, в частности, фирмы Maxim, на которых реально достичь КПД выше 85%.

Схема фонаря на Кр1446ПН1.




Резисторы R1 и R2 - датчик тока. Операционный усилитель U2B - усиливает напряжение, снимаемое с датчика тока. Коэффициент усиления = R4 / R3 + 1 и составляет примерно 19. Требуется такой коэффициент усиления, чтобы при токе через резисторы R1 и R2 60 мА напряжение на выходе открыло транзистор Q1. Изменяя эти резисторы, можно устанавливать другие значения тока стабилизации.
В принципе операционный усилитель можно и не ставить. Просто вместо R1 и R2 ставится один резистор 10 Ом, с него сигнал через резистор 1кОм подаётся на базу транзистора и всё. Но. Это приведёт к уменьшению КПД. На резисторе 10 Ом при токе 60 мА напрасно рассеивается 0.6 Вольта - 36 мВт. В случае применения операционного усилителя потери составят:
на резисторе 0.5 Ома при токе 60 мА = 1.8 мВт + потребление самого ОУ 0.02 мА пусть при 4-х Вольтах = 0.08 мВт
= 1.88 мВт - существенно меньше, чем 36 мВт.

О компонентах.

На месте КР1446УД2 может работать любой малопотребляющий ОУ с низким минимальным значением напряжения питания, лучше подошёл бы OP193FS, но он достаточно дорогой. Транзистор в корпусе SOT23. Полярный конденсатор поменьше - типа SS на 10 Вольт. Индуктивность CW68 100мкГн на ток 710 мА. Хотя ток отсечки у преобразователя 1 А, она работает нормально. С ней получился наилучший КПД. Светодиоды я подбирал по наиболее одинаковому падению напряжения при токе 20 мА. Собран фонарик в корпусе для двух батарей AA. Место под батареи я укоротил под размер батарей AAA, а в освободившемся пространстве навесным монтажом собрал эту схему. Хорошо подойдёт корпус для трёх батарей AA. Ставить нужно будет только две, а на месте третьей разместить схему.

КПД получившегося устройства.
Входные U I P Выходные U I P КПД
Вольт мА мВт Вольт мА мВт %
3.03 90 273 3.53 62 219 80
1.78 180 320 3.53 62 219 68
1.28 290 371 3.53 62 219 59

Замена лампочки фонарика "Жучёк” на модуль фирмы Luxeon Lumiled LXHL - NW 98.
Получаем ослепительно яркий фонарик, с очень легким жимом (по сравнению с лампочкой).


Схема переделки и параметры модуля.

Преобразователи StepUP DC-DC конверторы ADP1110 фирма Analog devices.




Питание: 1 или 2 батарейки 1,5в работоспособность сохраняется до Uвход.=0,9в
Потребление:
*при разомкнутом переключателе S1 = 300mA
*при замкнутом переключателе S1 = 110mA

Светодиодный электронный фонарь
С питанием всего от одной пальчи­ковой батареи типоразмера АА или AAA на микросхеме (КР1446ПН1), которая является полным аналогом микросхемы МАХ756 (МАХ731) и имеет практиче­ски идентичные характеристики.


За основу взят фо­нарь, в котором в качестве источника питания используются две паль­чиковые батарейки (аккумуляторы) типоразмера АА.
Плата преобразователя помещается в фонарь вместо второго эле­мента питания. С одного торца платы припаян контакт из луженой же­сти для питания схемы, а с другого - светодиод. На выводы светодиода надет кружок из той же жести. Диаметр кружка должен быть чуть боль­ше диаметра цоколя отражателя (на 0,2-0,5 мм), в который вставля­ется патрон. Один из выводов диода (минусовой) припаян к кружку, второй (плюсовой) проходит насквозь и изолирован кусочком трубоч­ки из ПВХ или фторопласта. Назначение кружка - двойное. Он обе­спечивает конструкции необходимую жесткость и одновременно слу­жит для замыкания минусового контакта схемы. Из фонаря заранее удаляют лампу с патроном и помещают вместо нее схему со светодиодом. Выводы светодиода перед установкой на плату укорачивают та­ким образом, чтобы обеспечивалась плотная, без люфта, посадка «по месту». Обычно длина выводов (без учета пайки на плату) равна длине выступающей части полностью вкрученного цоколя лампы.
Схема соединения платы и аккумулятора приведена на рис. 9.2.
Далее фонарь собирают и проверяют его работоспособность. Если схема собрана правильно, то никаких настроек не требуется.

В конструкции применены, стандарт­ные установочные элементы: конденсаторы типа К50-35, дроссели ЕС-24 индуктивностью 18-22 мкГн, светодиоды яркостью 5-10 кд диаметром 5 или 10 мм. Разумеется, возможно, применение и других светодиодов с напряжением питания 2,4-5 В. Схема имеет достаточный запас по мощности и позволяет пи­тать даже светодиоды с яркостью до 25 кд!

О некоторых результатах испытаний данной конструкции.
Доработанный таким образом фонарь проработал со «свежей» ба­тарейкой без перерыва, во включенном состоянии, более 20 часов! Для сравнения - тот же фонарь в «стандартной» комплектации (то есть с лампой и двумя «свежими» батарейками из той же партии) рабо­тал всего 4 часа.
И еще один важный момент. Если применять в данной конструкции перезаряжаемые аккумуляторы, то легко следить за состоянием уров­ня их разрядки. Дело в том, что преобразователь на микросхеме КР1446ПН1 стабильно запускается при входном напряжении 0,8-0,9 В. И свечение светодиодов стабильно яркое, пока напряжение на аккуму­ляторе не достигло этого критического порога. Лампа гореть при таком напряжении, конечно, еще будет, но вряд ли можно говорить о ней как о реальном источнике света.

Рис. 9.2 Рис 9.3




Печатная плата устройства приведена на рис. 9.3, а расположение элементов - на рис. 9.4.

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.

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.

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).

Однажды в просторах интернета мне на глаза попалась достаточно простая схема преобразователя для питания светодиодов от одной пальчиковой батарейки. После сборки я огорчился, поскольку схема оказалось нерабочей. За полчаса схема была приведена в рабочее состояние, были изменены номиналы радиодеталей, а лишние детали были убраны и в итоге получился достаточно качественный преобразователь, который способен питать светодиоды с мощностью до 1 Ватт.

Сама схема состоит из 4 деталей и дросселя. К счастью был найден готовый SMD-дроссель (выпаян из платы радиотелефона), но сделать его тоже не проблема. Дроссель можно сделать на кольце от ламп дневного освещения (есть на всех платах энергосберегалок), содержит 15 витков провода 0.15 - 0.2 мм.

К сожалению транзистора прямой проводимости в смд исполнении так и не нашел и был использован мощный биполярный транзистор серии КТ818, но для компактности очень советую использовать смд транзисторы. Второй транзистор обратной проводимости, подойдет буквально любой, например широко известный КТ315.

Базовый резистор на 1 килоом, тоже желательно использовать в смд исполнении.
Конденсатор на 1000 пикофарад не критичен, можно отклонится на 50% в ту или иную сторону (у меня заработало даже с конденсатором 0.1 микрофарад, но светодиод будет светится слабее).

Для демонстрации схема была собрана на макетной плате. Ток потребления составляет 35 - 40 мА, но он резко возрастает если питать светодиоды на 1 ватт, больше схема не позволяет, поскольку максимальный выходной ток в пике составляет 300 мА.

Схема заводится от напряжения 0.7 вольт. Максимальное напряжение питания не более 2.5 вольт, если подать больше схема попросту не заработает. Выходное напряжение 3.8 вольт при указанных параметрах дросселя.

Список радиоэлементов