Как получить 3.5 В для питания белого

Как получить 3.5 В для питания белого светодиода
от батареи 1.5 В?
Будьте осторожны с пиковыми токами
Предостережение: белые светодиоды сравнительно дороги, поэтому я предлагаю включить
небольшой резистор (от 1 до 10 Ом) последовательно с катодом светодиода для ограничения и
измерения пикового тока. Во время тестирования схемы можно измерять падение напряжения на
этом резисторе с помощью либо осциллографа, либо пикового детектора, чтобы убедиться, не
превышает ли пиковый ток значения, рекомендованного производителем светодиодов.
Отталкиваясь от этих рекомендаций, для большей надежности, постараемся получить пиковый ток
не выше половины от максимального.
Обзор
Компактный импульсный преобразователь, который может обеспечить достаточное напряжение
для питания белых светодиодов, состоит из минимального числа деталей. Светильник, который мы
получим, по количеству люмен•часов на фунт веса батареи питания гораздо эффективнее, чем
лампа накаливания. К тому же цвет свечения определяется излучением люминофора светодиода,
поэтому цвет свечения практически не меняется, даже когда батарея полностью разрядится. В
результате батарея служит долго. Эта дешева и подходит для применения в фонариках, аварийном
освещении и других устройствах, в которых необходимо запитать белые светодиоды от одного или
двух первичных элементов питания.
Схема
Не может быть проще схемы, чем эта. Блокинг-генератор состоит из транзистора, резистора 1 кОм
и катушки индуктивности. При нажатии кнопки питания транзистор открывается током, текущим
через резистор 1 кОм. Напряжение, которое появляется на участке индуктивности от средней точки
до коллектора транзистора наводит напряжение на резисторе 1 кОм, которое может быть даже
выше, чем напряжение аккумулятора, тем самым, обеспечивая положительную обратную связь.
При наличии напряжения между отводом катушки и коллектором транзистора, ток коллектора
постоянно растет. Из-за положительной обратной связи транзистор остается в насыщении пока чтото не произойдет с током его базы.
В какой-то момент падение напряжения на участке индуктивности от ее средней точки до
коллектора транзистора приближается к значению напряжения батареи (на самом деле напряжение
батареи минус напряжение насыщения коллектор-эммитер транзистора). С этого момента
напряжение больше не наводится в катушке от отвода до резистора 1 кОм, и напряжение на базе
начинает понижаться и становится отрицательным, ускоряя, таким образом, выключение
транзистора. Хотя теперь транзистор выключен, катушка индуктивности остается источником тока,
и напряжение на коллекторе повышается.
Напряжение на коллекторе быстро становится достаточно высоким для возникновения тока в
светодиоде, и он течет до тех пор, пока индуктивность не разрядится. Затем напряжение на
коллекторе начинает «звонить», раскачиваясь от уровня «земли» до питания, открывая транзистор и
начиная другой цикл.
Индуктивность
Если вы проектируете эту схему не для коммерческого применения, у вас есть большой выбор
вариантов конструкции индуктивности. Размер сердечника, его проницаемость и характеристика
насыщения (физические размеры, µ и Bs) определяют, сколько ампер-витков он сможет обеспечить
до насыщения. Если сердечник насыщается быстрее, чем падение напряжения на участке
индуктивности от отвода до коллектора транзистора достигнет напряжения батареи, схема в любом
случае сразу же переключится, потому что насыщение сердечника делает катушку подобной
резистору и индуктивная связь между коллекторной и базовой (сторона с резистором 1 кОм)
половинами катушки очень сильно падает. Это приводит к такому же эффекту, как и приближение
падения напряжения на катушке к напряжению батареи. Сечение провода определяет, сколько
ампер выдает схема перед тем, как переключиться из-за роста падения напряжения. Параметры
сердечника катушки индуктивности (в основном физические размеры и магнитная проницаемость)
определяют, сколько микросекунд катушка заряжается током коллектора, который возрастет до
момента отключения транзистора. Эти параметры также определяют, как долго ток будет течь через
светодиод, пока транзистор выключен. Практически все характеристики катушки индуктивности
влияют на работу этой схемы.
Я сделал эту схему на ферритовых кольцах нескольких миллиметров в диаметре и на тороидальных
сердечниках с сечением до нескольких сантиметров (обратите внимание на индуктивность на
ржавом гвозде, описаную ниже).
Вот, в общем, взаимосвязь между размерами сердечника и характеристиками дросселя:


Большой сердечник: легко намотать, низкая частота переключения, повышенная мощность.
Маленький сердечник: сложно намотать, более высокая частота переключения, меньшая
мощность.
Как начать. Возьмите сердечник катушки, предпочтительно из феррита, и намотайте на нем 20
витков. Сделайте отвод в виде короткой петли провода, затем продолжите намотку еще 20 витков.
Увеличение количества витков ведет к снижению рабочей частоты, уменьшение – к увеличению
частоты. Я наматывал всего 10 витков с отводом от середины (5+5) и работала эта катушка на
частоте 200 кГц. Посмотрите описываемую ниже схему, собранную в цоколе лампочки,
работающую на частоте порядка 200 кГц.
Улучшенная схема
Эта схема привлекательна тем, что содержит минимальное число элементов. Светодиод питается
импульсным током. Импульс начинается с момента, когда напряжение на светодиоде достигает его
прямого рабочего напряжения, которое выше напряжения батареи, что не влияет на переключение
транзистора. Недостатком является то, что отношение пикового тока к среднему току светодиода
является довольно высоким, оно может быть 3:1 или 5:1, в зависимости от параметров схемы (в
основном от индуктивности катушки и напряжения аккумулятора). Если вы хотите, чтобы при
заданном пиковом токе светодиод светил ярче, можете добавить диод и конденсатор, показанные на
схеме ниже.
Один критик предложил хорошую идею: при наличии свободного места добавить развязывающий
конденсатор между отрицательным выводом батареи и средней точкой дросселя. Некоторые
аккумуляторы имеют высокое выходное сопротивление, и этот конденсатор может увеличить
выходной ток схемы. Конденсатора емкостью 10 мкФ должно быть достаточно, но, если вы
используете дроссель очень большой индуктивности, емкость лучше увеличить.
Где вы разместите источник питания?
Так как эта схема содержит мало элементов, я смог все их, в том числе индуктивность, резистор 1
кОм, транзистор 2N4401 (между прочим, в корпусе ТО-92), выпрямительный диод, чип
конденсатор и светодиод NSPW315BS фирмы Nichia вместе с маленькой каплей клея поместить в
основании лампы-ручки.
Применение светодиода взамен лампочки позволяет разработать компактный фонарик. Он дает
достаточно света, чтобы ходить по улице в безлунную ночь. Я оценил время работы фонарика,
потребляющего ток около 35 мА от батареи 1.5 В. Получилось, что он будет непрерывно работать
как минимум 30 часов. Это довольно долго. Параметры нескольких щелочных батареек Duracell
можно найти здесь.
Цвет свечения остается неизменно голубовато-белым, даже при снижении напряжения батареи,
Если с таким устройством хорошо обращаться, оно будет служить очень долго. У меня был один
такой фонарик, собранный по последней приведенной схеме, на протяжении 18 месяцев, и я
пользовался им каждую ночь. Я лишь два раза заменил батарейку. Если бы контакты на батарейке
не ухудшились из-за коррозии, я бы и не знал, что пришло время заменить ее, ведь фонарик
прекрасно работал.
Замена лампочки светодиодом слева. Весь
источник питания находится в ее цоколе.
Довольно трудно разобрать лампочку, чтобы
повторно использовать ее цоколь.
Ночной свет ржавого гвоздя
Эти схема блокинг-генераторов лучше работают с ферритовыми сердечниками, но иногда их
трудно найти. Некоторые читатели выразили беспокойство по поводу изготовления индуктивности,
и это понятно, поскольку для многих катушки индуктивности имеют ореол таинственности.
Я берусь доказать, что ничего сложного в катушках индуктивности нет, и что они очень важны.
Однажды, из-за поломки авто ожидая эвакуатор, я заметил ржавый гвоздь около дороги. Он был 6.5
см длинной, и я решил использовать его для сердечника катушки индуктивности.
Я вытащил витую пару из одножильного медного провода ø0.5 мм из длинного кабеля CAT-5
(Ethernet). Этот провод похож на тот, который используется для прокладки телефонных линий
внутри зданий. Я намотал 60 витков витой пары примерно в три слоя на гвозде, затем подсоединил
начало одного проводника к концу другого проводника, и получилась катушка индуктивности на
120 витков с отводом от середины.
Я подключил к ней транзистор 2N2222, резистор номиналом 1 кОм, 1.5 В пальчиковую батарейку и
белый светодиод. Ничего не произошло. Тогда я приложил конденсатор 0.0027 мкФ к резистору 1
кОм (он оказался на рабочем столе) и светодиод ожил. Может, вам потребуется конденсатор
примерно 0.001 мкФ. Светодиод прекрасно светится, и схема потребляет 20 мА тока от элемента
питания AA. Сигнал на экране осциллографа выглядит ужасно, но главное в том, что схема
возбудилась даже на этом ржавом гвозде, и увеличила начальные 1.5 В элемента АА до более чем 3
В, достаточных для свечения светодиода.
Те, кто знаком с некоторыми аспектами выбора сердечника катушки сразу же заметят, что вихревые
токи будут огромными, так как железо имеет низкое сопротивление по сравнению с ферритом, или,
например, воздухом, и что будут, вероятно, и другие потери. И дело не в том, что вы должны
бежать и покупать гвозди, чтобы сделать светодиодную лампу, а в том, что эта схема оказалась
весьма работоспособной. Если ржавого гвоздя и немного телефонного провода достаточно, чтобы
засветить белый светодиод, то дроссель – не проблема. Итак, отдохните, пойдите и купите
ферритовый сердечник и начните работать над проектом.
Ночной свет ржавого гвоздя. Эта схема питания светодиода была
смонтирована в течение нескольких минут из бросовых радиодеталей. И
работала совсем даже прилично.
Где взять ферритовые сердечники
Вольфганг Дрихаус из Германии написал, что ферритовые сердечники используются в компактных
люминесцентных лампах, и что он успешно применяет их в схеме питания светодиодов. На
следующий день я посмотрел вверх и увидел, что некоторые лампы нужно заменить.
Некоторые компактные люминесцентные лампы в моем доме перегорели. После покупки новых
ламп, и замены перегоревших, я отправился в гараж, чтобы разобрать одну из ламп. Первой
проблемой было добраться до электроники в цоколе лампы. В последующем письме, Вольфганг
поведал мне, что колбу лампы можно вскрыть и достать плату без повреждения стекла. Будьте
осторожны, не разбейте стеклянных трубок лампы, так как они содержат токсичную ртуть.
Внутри лампы, как и Вольфганг Дрихаус, я обнаружил три катушки индуктивности с
ферритовыми сердечниками, пару высоковольтных транзисторов, высоковольтные
конденсаторы и еще немного других полезных деталей. Катушки индуктивности были
намотаны на трех типах сердечников: типа «гантель» (слева, с термоусадочной трубкой),
тороидальный сердечник (в центре) и сердечник типа ЕЕ (справа).
Я хотел удостовериться в том, что эти сердечники будут полезны для меня, и удалил обмотки с
«гантели» и тороидальной катушки. В процессе разборки катушки на сердечнике типа ЕЕ феррит
треснул в нескольких местах, поэтому я не смог опробовать его в моей схеме.
На сердечник «гантель» я намотал 50 витков эмалированного провода ø0.2 мм, сделал центральный
отвод, и затем намотал еще 50 витков. Собрал устройство из этой катушки, транзистора 2N4401,
резистора 330 Ом, подключенного к базе транзистора, и белого светодиода в соответствии со
схемой, приведенной в начале статьи. Когда я подключил источник питания 1.5 В, светодиод ярко
вспыхнул. Это подтвердило, что катушку с таким сердечником в данной схеме можно применять.
На тороидальный сердечник я намотал 10 витков провода ø0.4 мм, выполнил отвод и намотал еще
10 витков. Подключив катушку в ту же схему (2N4401, 330 Ом, белый светодиод) с 1.5-вольтовым
питанием, я увидел, что светодиод горит, хотя и не так ярко, как с предыдущей катушкой, но ведь и
витков на тороиде было намотано только 20.
Так что теперь мы знаем, где брать ферритовые сердечники. Компактные люминесцентные лампы
весьма доступны, и они со временем выходят из строя и требуют замены.
Другой читатель отметил, что еще один источник ферритовых сердечников – это кабели
компьютерных периферийных устройств. На кабелях монитора, клавиатуры, на некоторых USB
кабелях есть пластиковые утолщения, в которых, на самом деле, содержатся ферритовые
сердечники. Если вы собираетесь выбросить старую клавиатуру в мусорный бак, почему бы
сначала не отрезать феррит?
Альтернативные типы сердечников
Если вы не можете найти ферритовый сердечник, или даже старый ржавый гвоздь, еще не все
потеряно. Вы все же можете сделать очень хорошую схему питания белого светодиода с
использованием немагнитного сердечника. Это звучит как нонсенс, но немагнитный сердечник
почти не оказывает влияния на магнитный поток обмоток, и поэтому не играет большой роли в
конструкции устройства. Главным образом, такой сердечник служит лишь механической основой
для обмоток катушки. Два экспериментатора представили отчеты о своих опытах с немагнитными
сердечниками, каждый со своими уникальными характерными чертами.
Индуктивность на деревянном сердечнике
Bill Levan из Соединенных Штатов придумал катушку с деревянным сердечником. Его схема
питает белый светодиод от 1.2-вольтового аккумулятора на 700 мА ч. Г-н Levan сообщает, что
собрал схему с катушкой на гвозде и обнаружил, что схема не нуждается в конденсаторе
параллельном резистору.
Если древесина сухая, материал сам по себе не имеет значения для работы схемы. Влажная
древесина может немного снизить КПД схемы, но, скорее всего, вы этого не заметите.
Деревянный сердечник имеет размеры 50.8 × 12.7 × 3.18 мм. Обмотка
выполнена из одножильного изолированного провода сечением 0.051 мм².
Намотайте 100 витков, сделайте центральный отвод, затем намотайте еще 100 витков. В общей
сложности, должно быть 200 витков.
Воздушная катушка индуктивности
Antonis Chaniotis из Греции переделал детский ночник на лампочке накаливания, использовав два
светодиода, включенных параллельно, и увеличил время его автономной работы с одной ночи до 30
часов.
По электрическим параметрам зеленые светодиоды схожи с белыми, поскольку, как и белые
светодиоды, излучают ультрафиолетовый свет, возбуждающий зеленый люминофор. Конечно, в
белых светодиодах, люминофор излучает белый свет.
Большой конденсатор на фото – это электролитический конденсатор 100 мкФ/25 В, соединенный с
эмиттером транзистора и отводом катушки индуктивности. Он необходим для снижения выходного
сопротивления батарей питания. Конденсатор может повысить КПД устройства, тем более, что при
разряде батарей увеличивается их выходное сопротивление.
Базовый резистор – 10 кОм, источник питания состоит из двух 1.2 вольтовых аккумуляторов,
соединенных последовательно.
Г-н Chaniotis проанализировал схему на SPICE-модели и получил подтверждение результатов
анализа на практике. Его анализ показал, что лучше делать отвод не в середине катушки.
Катушка без сердечника содержит 35 витков и имеет в диаметре 80 мм. Начальная обмотка имеет
14 витков и подключается к коллектору транзистора. Сделайте отвод для подключения
аккумуляторной батареи, а затем намотайте еще 21 виток. Получится базовая обмотка.
Однажды я сделал аналогичную катушку для другой схемы. Я взял из кухни пластмассовый
контейнер для продуктов, намотал на него катушку, затем осторожно снял ее с контейнера и
скрепил липкой лентой. На фотографии видно, что г-н Chaniotis скрепил свою катушку, стянув ее в
нескольких местах кусочками провода.
Садовый светильник с питанием от солнца
Этот простой обратноходовой блокинг-генератор для питания светодиода был использован для
садового светильника с подзарядкой от солнечной батареи талантливым экспериментатором из
Соединенных Штатов под именем «Mrpiggss». Примененный тут метод отключения питания в
светлое время суток, позволяющий при этом заряжать аккумуляторные батареи, взят из схемного
решения Nick Baroni, из Willetton, штат Вашингтон.
На фотографии показано, что батарейка 1.5 В заменена на никелькадмиевый аккумулятор 1.25 В.
Вот номиналы элементов, которые используются в схеме
Mrpiggss.
В оригинальной схеме г-на Baroni используется транзистор BC547, однако Mrpiggss обнаружил, что
транзистор BC547C на месте Q1 работать будет, но как Q2 его ставить не стоит (см. «О выборе
транзисторов» ниже). В его версии оба транзистора Q1 и Q2 типа 2N4401. Он отметил, также, что
если резистор R1 заменить на 15 кОм, схема отключения питания светодиода от солнечного света
будет более чувствительной, то есть светодиод отключится при меньшей освещенности. При R1
равном 22 кОм отключение наступит, когда будет более светло.
Сердечник для катушки L1 размером с пенни и около 3 мм высотой. Катушка имеет 40 витков
обмоточного провода сечением 0.051 мм², 20+20 (намотайте 20 витков, выполните отвод, затем
мотайте еще 20 витков).
Панели солнечных батарей – стандартные, одноэлементные. При хорошем солнечном освещении
они выдают 1.5 вольта.
Диод D1 может быть практически любым кремниевым или германиевым, при условии, что
выдержит ток солнечной батареи при коротком замыкании. Для большинства батарей подойдет
любой доступный диод. Маломощный диод Шоттки или германиевый диод имеют меньшее прямое
падение напряжения, чем маломощный кремниевый диод. Диод 1N4001, который использовал
Mrpiggss –хороший выбор, потому что из-за большой площади его перехода он имеет относительно
низкое прямое падение напряжения.
Это сторона проводников печатной платы. Компоненты
смонтированы на противоположной стороне. Следует отметить,
что цоколевка транзисторов соответствует 2N4401, а не BC547.
О выборе транзисторов
Транзисторы, примененные в этой схеме, могут быть практически любыми. Я рекомендую
попробовать 2N4401, 2N3904 и 2N2222. Dariusz Flaga из Польши, отметил, что транзистор BC338
широко применяется в Европе и по характеристикам хорошо подходит для этого приложения.
Mrpiggss из США (См. Садовый светильник с питанием от солнца, описанный выше), успешно
использует транзисторы BC547 или аналогичные им. Вы можете, даже, использовать транзисторы
PNP проводимости, но как понимаете, с изменением полярности подключения аккумулятора и
светодиода. Я получил письма от нескольких разработчиков, которые использовали транзисторы с
высоким коэффициентом усиления и не могли запустить схему. Транзисторы с высоким
коэффициентом усиления по току (HFE), как правило, медленно переключаются и могут работать
плохо, или вообще не работать. Небольшой конденсатор параллельно базовому резистору, как
показано в «Ночном свете ржавого гвоздя» в Части 1, может повысить скорость переключения
транзистора и возбудить устройство, если у Вас низкая индуктивность дросселя, или если
транзисторы низкочастотные. Применение конденсаторов более 33 нФ нецелесообразно, так как это
будет замедлять работу схемы, вызывая перегрузку базы транзистора. Если схема не работает,
попробуйте использовать более быстродействующий транзистор.
Несколько советов, как работать со схемой
Bob Parrott прислал несколько полезных советов:
Вначале, я пытался собрать схему на транзисторе BC107 (он был под рукой), но получить
колебания генератора удалось только тогда, когда сопротивление базового резистора было
уменьшено до 220 Ом. Затем я измерил ток, потребляемый от батареи. Он был около 90 мА.
При этом светодиод даже не был подсоединен.
Транзистор BC108 возбуждался легко, как и H945, выпаянный из «мертвых» импульсных
преобразователей, кстати, хорошего источника ферритовых сердечников.
Но все же, мне хотелось запустить схему на BC107 и я добавил небольшой конденсатор (22
нФ) параллельно базовому резистору. Эта схема так хорошо работала с самыми различными
транзисторами и катушками, что я решил узнать, насколько можно увеличивать
сопротивление базового резистора, и поставил потенциометр на 20 кОм.
Я обнаружил, что генерация не срывается при увеличении сопротивления потенциометра
вплоть до 20 кОм, при этом ток потребления снижается от 90 мА до 800 мкА, что очень
важно при использовании аккумуляторов.
Надписи на схеме
mAmps DC
Миллиамперметр постоянного тока
22nF can kick-starts oscillator even
with poor coil or transistors
22 нФ может «заводить» схему
даже с неудачно подобранными
катушкой и транзистором
Disconnects LED
Отсоединяйте светодиод
so only oscillator current can be measure для измерения тока генератора
20k only used to test max value.
Replace with fixed resistor
20 кОм использовались
только для определения максимального значения.
Замените на постоянный резистор
Higher value=higher frequency
but lower osc current
Большее значение – большая частота,
но меньший ток генератора
Tried: BC107(poor)
BC108(ok)
H495(ok)
Варианты: BC107 (неважно)
BC108 (хорошо)
H495 (хорошо)