Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.
Назначение и принцип работы
Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, ). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.
Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.
- Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
- Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
- Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.
В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.
Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно .
Обзор известных моделей
Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.
Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.
Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R set .
Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.
Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.
Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.
Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.
Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.
Стабилизатор на LM317
В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.
LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.
Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.
Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:
Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:
Регулируемый стабилизатор
Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:
Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками
Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.
Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.
Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.
Какой стабилизатор использовать в авто
Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, ). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.
Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема .
Вывод
Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.
Известно, что яркость светодиода очень сильно зависит от протекающего через него тока. В то же время ток светодиода очень круто зависит от питающего напряжения. Отсюда возникают заметные пульсации яркости даже при незначительной нестабильности питания.
Но пульсации - это не страшно, гораздо хуже то, что малейшее повышение питающего напряжения может привести к настолько сильному увеличению тока через светодиоды, что они просто выгорят.
Чтобы этого не допустить, светодиоды (особенно мощные) обычно запитывают через специальные схемы - драйверы, которые по сути своей являются стабилизаторами тока. В этой статье будут рассмотрены схемы простых стабилизаторов тока для светодиодов (на транзисторах или распространенных микросхемах).
Есть еще очень похожие светодиоды - SMD 5730 (без единички в названии). У них мощность всего 0.5 Вт и максимальный ток 0.18 А. Так что не перепутайте.
Так как при последовательном подключении светодиодов общее напряжение будет равно сумме напряжений на каждом из светодиодов, то минимальное напряжение питания схемы должно быть: Uпит = 2.5 + 12 + (3.3 х 10) = 47.5 Вольт.
Рассчитать сопротивление и мощность резистора под другие значения тока можно с помощью простенькой программки Regulator Design (скачать).
Очевидно, что чем выше выходное напряжение стабилизатора, тем больше тепла будет выделяться на токозадающем резисторе и, следовательно, тем хуже КПД. Поэтому для наших целей лучше подойдет LM7805, чем LM7812.
LM317
Не менее эффективным получается линейный стабилизатор тока для светодиодов на LM317 . Типовая схема включения:
Простейшая схема включения LM317 для светодиодов, позволяющая собрать мощный светильник, состоит из выпрямителя с емкостным фильтром, стабилизатора тока и 93 светодиодов SMD 5630
. Здесь применены MXL8-PW35-0000 (3500K, 31 Lm, 100 mA, 3.1 V, 400 mW, 5.3x3 mm).
Если такая большая гирлянда из светодиодов не нужна, то к драйверу на LM317 для питания светодиодов придется добавить балластный резистор или конденсатор (чтобы загасить лишнее напряжение). Как это сделать мы очень подробно рассматривали в .
Недостаток такой схемы токового драйвера для светодиодов в том, что при повышении напряжения в сети выше 235 вольт, LM317 окажется за пределами расчетного режима работы, а при снижении до ~208 вольт и ниже, микросхема совсем перестает стабилизировать и глубина пульсаций будет целиком и полностью зависеть от емкости С1.
Поэтому использовать такой светильник нужно там, где напряжение более менее стабильно. И на емкости этого конденсатора не стоит экономить. Диодный мост можно взять готовый (например, миниатюрный MB6S) или собрать из подходящих диодов (U обр не менее 400 В, прямой ток >= 100 мА). Отлично подойдут упомянутые выше 1N4007 .
Как видите, схемка простейшая и не содержит каких-либо доростоящих компонентов. Вот текущие цены (и они, скорее всего, будут и дальше снижаться):
| название | характеристики | стоимость |
|---|---|---|
| SMD 5630 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 240руб. / 1000шт. |
| LM317 | 1.25-37V, >1.5A | 112руб. / 10шт. |
| MB6S | 600V, 0.5A | 67руб. / 20шт. |
| 120μF, 400V | 18х30mm | 560руб. / 10шт. |
Таким образом, потратив в общей сложности 1000 руб., можно собрать десяток 30-ваттных (!!!) не мерцающих (!!!) лампочек. А так как светодиоды работают не на полную мощность, а единственный электролит не перегревается, то эти лампы будут практически вечными.
Вместо заключения
К недостаткам приведенных в статье схем следует отнести низкий КПД за счет бесполезной траты мощности на регулирующих элементах. Впрочем, это свойственно всем линейным стабилизаторам тока.
Низкий коэффициент полезного действия неприемлем для устройств, питающихся от автономных источников тока (светильники, фонарики и т.п.). Существенного повышения КПД (90% и более) можно добиться применением .
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СВЕТОДИОДА
На смену лампам накаливания пришли светодиоды, которые во многих случаях успешно заменяют их. Но из-за нелинейной вольт-амперной характеристики, для питания осветительных светодиодов от батареи применяют различные преобразователи напряжения. Как известно, светодиод питается напряжением не менее 2 В, а в зависимости от типа и до 3.5 В. К тому-же необходим хотя-бы простейший стабилизатор тока, ведь в процессе снижения ёмкости батареи падает и яркость светодиода. Поэтому простой резистор по питанию, от батареи с повышенным напряжением, будет работать хуже чем преобразователь. Ниже предлагаются схемы простых преобразователей, которые доступны для сборки даже начинающими.
Схема питается от одной пальчиковой батареи и представляет собой блокинг - генератор. Импульсы повышенного напряжения появляется на коллекторе, выпрямляются диодом шоттки и заряжают конденсатор. Трансформатор T1 наматывается вручную на кольцевом сердечнике. Для этого берётся ферритовое кольцо К10х6х4 и мотается две обмотки по 20 витков проводом ПЭЛ 0.3. Вообще количество витков может составлять и 6:10, и 10:10, и 10:15. Для наилучшего кпд и яркости их надо подобрать экспериментально. Для каркаса используется всё, что есть.
В схеме используется транзистор с низким падением напряжения для достижения максимального КПД. Выходной ток можно регулировать резистором R1.
Далее мы видим несколько усложнённую схему с более стабильной генерацией. Потребляемый ток 15 мА. Преобразователь напряжения тоже выполнен по схеме однотактного генератора с индуктивной обратной связью на транзисторе и трансформаторе. Данные обмоток те-же самые.
Очередной модернизацией данного преобразователя, стала схема из китайского светодиодного фонаря:
Здесь и в других схемах в качестве диода используется диод Шоттки с малым падением напряжения (всё-таки каждые пол вольта на счету). Применяются диоды IN5817, 1GWJ43, 1SS319, или в крайнем случае советский Д311. Эти диоды можно взять из платы контроллера питания нерабочего литий - ионного аккумулятора от мобильного телефона. Следующие схемы преобразователей выполнены на двух транзисторах и отличаются повышенным выходным током - до 25 мА. Правильно собранный преобразователь в налаживании не нуждается, если не перепутаны обмотки трансформатора, в противном случае поменяйте их местами.
Трансформатор используется аналогичный, но число витков в обмотках составляет по 40. Транзисторы стоят С2458 и С3279. Благодаря обратной связи на транзисторе С2458, получается простая стабилизация тока и соответственно яркости светодиода.
Ещё один вариант преобразователя на двух транзисторах:
Здесь не нужно мотать трансформатор, так как используется готовый дроссель на 300 - 1000 мкГн.
Последняя схема преобразователя тоже была срисована из китайского светодиодного фонаря и прекрасно работает при сборке.
Первое включение правильно собранного устройства необходимо провести в режиме тестирования, при котором питание от батареи подают через резистор сопротивлением 10 Ом, чтоб не сгорели транзисторы при неправильном подключении выводов трансформатора. Если светодиод не светит, необходимо поменять местами выводы первичной или вторичной обмотки трансформатора. Если и это не помогает, проверьте исправность всех элементов и монтажа.
Из личного опыта могу заметить, что во всех приведённых схемах, часто с успехом запускаются и отечественные транзисторы КТ315 - КТ3102. Число обмоток трансформаторов следует подбирать по максимуму яркости и КПД. В качестве дросселей использовались готовые "всё что под руку попадало", от различной аппаратуры. Не рекомендуется ставить самые дешёвые (0.1 Вт) 5-мм светодиоды. Лучше доплатить и приобрести за 0.5 уе 10-мм светодиод. Яркость значительно повысится. Ещё лучшие результаты будут после установки специальных
Все светодиоды, независимо от форм-фактора и электрических параметров, питаются током. Правильно заданный ток – это гарантия длительной и стабильной работы осветительного прибора. Так почему же производители светодиодной продукции часто вместо стабилизатора тока устанавливают стабилизатор напряжения? Как это сказывается на работе светодиодных ламп, лент, фонарей и прожекторов? Попробуем разобраться.
Стабилизаторы напряжения
Исходя из названия, эти устройства предназначены для поддержания напряжения в нагрузке на определённом уровне. При этом величина выходного тока зависит от самой нагрузки. Другими словами, сколько потребуется нагрузки, столько она возьмёт, но не более максимально возможного значения. Допустим, стабилизатор напряжения обладает такими выходными параметрами: 12В и 1 А. То есть на выходе всегда будет поддерживаться 12В, а ток потребления может быть в диапазоне от нуля до одного ампера. Существует два вида стабилизаторов напряжения: линейные и импульсные.
Как правило, регулирующим элементом в схеме стабилизатора является биполярный или полевой транзистор. Если этот транзистор работает в активном режиме, то стабилизатор называют линейным. Если же регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, то стабилизатор называют импульсным.
Наиболее распространенными и недорогими являются линейные стабилизаторы напряжения, однако они имеют ряд недостатков:
- низкий КПД;
- при большом токе нагрузки нуждаются в теплоотводе;
- имеют достаточно высокое падение напряжения.
Чтобы не сталкиваться с подобными недостатками, рекомендуется использовать стабилизаторы напряжения импульсного типа. Они бывают трех типов: повышающие, понижающие и универсальные. Импульсные стабилизаторы имеют высокий КПД, не нуждаются в дополнительном отводе тепла при больших токах нагрузки, но имеют более высокую стоимость.
Стабилизаторы тока
Простейший ограничитель тока – резистор. Его часто называют простейшим стабилизатором, что неверно, так как резистор не способен стабилизировать ток при колебании напряжения на своем входе.
Применение резистора в схеме питании светодиода допустимо только при стабилизированном входном напряжении. В противном случае все скачки напряжения передаются в нагрузку и негативно отражаются на работе светодиода. Эффективность резистивных ограничителей тока очень низкая, так как вся потребляемая ими энергия рассеивается в виде тепла.
Немного выше КПД у конструкций на базе готовых интегральных микросхем (ИМ) линейных стабилизаторов. Схемы линейных стабилизаторов на базе ИМ выделяющиеся минимальным набором элементов, отсутствием помех и простой настройкой.
Чтобы избежать перегрева регулирующего элемента, разность входного и выходного напряжения должна быть небольшой, но достаточной (3-5 вольт). Иначе корпус микросхемы вынужден будет рассеивать невостребованную энергию, тем самым снижая КПД.
Драйверы для светодиодов на основе готовых ИМ линейных стабилизаторов выделяются дешевизной и доступностью элементов для сборки своими руками.
Наиболее эффективными принято считать токовые драйверы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Их конструируют на базе специализированных микросхем с цепью обратной связи и элементами защиты, что в несколько раз повышает надёжность всего устройства. Наличие в них импульсного трансформатора ведет к удорожанию схемы, но оправдано высоким КПД и сроком службы. Токовые ШИМ стабилизаторы с питанием от источника 12В несложно сделать своими руками, используя специализированную микросхему. Например, ИМС PT4115 от компании PowTech, которая разработана специально для схем питания светодиодов мощностью от 1 до 10 Вт.
Параметры питания светодиодов
У светодиодов, кроме номинального тока существует ещё один важный параметр – прямое падение напряжения. Роль этого параметра также существенна, именно поэтому его указывают в первом ряду технических параметров полупроводникового прибора.
Чтобы через p-n переход начал протекать ток, к нему нужно приложить какое-то минимальное прямое напряжение Uмин.пр.. Значение минимального прямого напряжения указывается в документации светодиода и отражается на графике вольт - амперных характеристик (ВАХ).
На зеленом участке ВАХ светодиода видно, что только при достижении Uмин.пр. начинает протекать ток Iпр. Дальнейший незначительный рост Uпр приводит к резкому росту Iпр. Именно поэтому даже небольшие перепады напряжения свыше Uмакс..пр. губительны для кристалла светодиода. В момент превышения Uмакс.пр. ток достигает своего пика и происходит разрушение кристалла. Для каждого типа светодиодов существует номинальный ток и соответствующее ему напряжение (паспортные данные), при которых прибор должен отработать заявленный срок службы.
Правильное и неправильное включение
Больше всего ошибок допускают автомобилисты, когда пытаются сэкономить на схеме питания светодиодного освещения. Часто автолюбители включают светодиодные приборы напрямую от аккумулятора, а потом жалуются на разные неполадки: моргание, потерю яркости и полное погасание кристалла. Всё это происходит из-за отсутствия промежуточного преобразователя, который должен компенсировать перепады напряжения в интервале от 10 до 14,5В. Ещё одна ошибка владельцев авто – подключение только через резистор, рассчитанный на среднее показание аккумулятора 12В. Резистор – линейный элемент, а значит, ток через него растет пропорционально напряжению. Подключение через резистор допускается при условии его расчета на 14,5В, но тогда придется смириться с неполной светоотдачей светодиодов при низких и средних значениях напряжения в бортовой сети. Поэтому однозначный верный способ подключения светодиодов в автомобиле – это использование стабилизатора тока, желательно импульсного типа.
В различных осветительных конструкциях на основе светодиодов часто используются именно стабилизаторы напряжения. Почему так происходит? Во-первых, они намного дешевле качественных токовых драйверов. Во-вторых, чтобы из стабилизатора напряжения получился более-менее надёжный драйвер достаточно на выходе установить резистор, грамотно рассчитав его мощность и сопротивление. Такое схемотехническое решение часто применяется в недорогих LED лампах и осветительных конструкциях с применением светодиодных лент.
Большинство светодиодных лент питается стабильным напряжением 12В. Если рассмотреть конструкцию ленты более детально, то можно увидеть, что она разделена на небольшие участки. Как правило, каждый участок состоит из трёх SMD светодиодов и одного токозадающего резистора. Падение напряжения на одном светоизлучающем элементе в среднем составляет 2,5-3,5 В, то есть максимум 10,5В в сумме. Остаток гасится резистором, номинал которого изготовитель подбирает под тип используемых светодиодов. Поэтому подключение светодиода через связку из стабилизатора напряжения и резистора можно считать правильной.
Выходная мощность стабилизатора должна быть больше потребляемой мощности нагрузки примерно на 30%.
Если использовать простой блок питания без стабилизации (трансформатор, диодный мост и конденсатор), то при небольшом увеличении напряжения сети, его пропорционально уменьшенная часть будет равномерно распределяться на всех четырёх элементах каждого участка ленты. В итоге вырастет ток, температура кристалла и, как следствие, начнется необратимый процесс деградации светодиодов.
Самым правильным схемотехническим решением является применение стабилизатора тока импульсного типа. На сегодняшний день – это оптимальный вариант, который используют все ведущие производители светодиодных изделий. Токовый драйвер с ШИМ регулятором практически не греется, эффективен и надёжен.
Так чему же отдать предпочтение: дешевому стабилизатору напряжения с резистором или более дорогому токовому драйверу? Правильный ответ скрыт в выражении: «Любая экономия должна быть оправдана». Если Вам нужно подключить десяток слаботочных светодиодов или не более одного метра ленты, то выбор в пользу первого варианта нельзя назвать ошибочным.
Но если ваша цель – запитать фирменные светодиоды с мощностью каждого кристалла более 1 Вт, то без качественного токового драйвера не обойтись. Потому что стоимость таких излучающих диодов намного выше цены на драйвер.
Читайте так же
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).