Наша сеть партнеров Banwar
Автор - Володимир Ращенко
E-mail: [email protected]
Частина I. Саморобний ліхтарик на світлодіодах
Стаття присвячується туристам-радіоаматорам, і всім, хто так чи інакше стикався з проблемою економічного джерела освітлення (наприклад намети в нічний час). Хоча останнім часом ліхтарями на світлодіодах нікого не здивуєш, я все ж поділюся своїм досвідом у створенні подібного приладу, а також спробую відповісти на питання тих, хто захоче повторити конструкцію.
Примітка: стаття розрахована на "просунутих" радіоаматорів, які добре знають закон Ома і тримали в руках паяльник. 
За основу був узятий покупної ліхтарик "VARTA" з живленням від двох батарейок типу АА.
Найбільше в ньому мені сподобався обертається на 360 ° відбивач, який дозволяє висвітлювати будь-який кут намети, якщо ліхтарик підвісити під куполом. Залишалося доопрацювати ліхтарик, тобто оснастити його невеликий схемки для роботи на світлодіоди. Оскільки діоди мають сильно нелінійну ВАХ, завдання полягало в розробці стабілізатора напруги, який би забезпечував постійну яскравість світіння в міру розряду батареї і зберігав працездатність при можливо більш низькій напрузі живлення. На жаль, в наших роздрібних магазинах мені вдалося знайти тільки одну мікросхему, що задовольняє всім моїм запитам - це Maxim-івський мікропотужний підвищує DC / DC конвертор MAX756. За заявленим характеристикам він повинен був працювати при зниженні вхідної напруги до 0.7В.
Схема включення - типова: 
А ось як виглядає схема в зібраному вигляді: 
Весь монтаж виконаний навісним способом. Як "опорних" точок служать ніжки DIP-мікросхеми.
Кілька пояснень до схеми: електролітичні конденсатори - танталові ЧІП. Вони мають низький послідовний опір, що кілька покращує ККД. Діод Шотткі - SM5818. Дроселі довелося поєднати два в паралель, тому що не виявилося підходящого номіналу. Конденсатор С2 - К10-17б. Світлодіоди - сверхяркие білі L-53PWC "Kingbright". Як видно на малюнку, вся схема легко вмістилася в порожньому просторі светоизлучающего вузла.
Вихідна напруга стабілізатора в даній схемі включення одно 3.3В. Оскільки падіння напруги на діодах в номінальному діапазоні струмів (15-30мА) становить близько 3.1В, то зайві 200мВ довелося висіяти на резисторі, включеному послідовно з виходом. Крім того, невеликий послідовний резистор покращує лінійність навантаження і стабільність схеми. Пов'язано це з тим, що діод має негативний ТКС, і при розігріві його пряме падіння напруги зменшується, що призводить до різкого зростання струму через діод, під час роботи від джерела напруги. Розрівнювати струми через паралельно включені діоди не довелося - відмінності яскравості на око не спостерігалося. Тим більше, що діоди були одного типу і взяті з однієї коробки. 
Тепер про конструкції светоізлучателя. Мабуть, це найцікавіша деталь. Як видно на фотографіях, світлодіоди в схемі не запаяні намертво, а є знімною частиною конструкції. Це я вирішив зробити для того, щоб не курочіть ліхтарик, і при нагоді в нього можна було б вставити звичайну лампочку. В результаті довгих роздумів на предмет убивства двох зайців народилася ось така конструкція. 
Думаю, що особливих пояснень тут не потрібно. Потрошити рідна лампочка від цього ж ліхтарика, у фланці з 4-х сторін робляться 4 пропила (один там вже був). 4 світлодіода розташовуються симетрично по колу з деяким розчепіривши для більшого кута охоплення (довелося трохи підпиляти їх біля основи).
Плюсові висновки (так вийшло по схемі) припаиваются на цоколь біля пропилов, а мінусові вставляються зсередини в центральний отвір цоколя, обрізаються і теж пропаіваются. В результаті виходить такий ось "ламподіод", що постає на місце звичайної лампочки розжарювання.
І на закінчення, про результати випробувань. Для тестування були взяті напівдохлі батарейки, щоб швидше довести їх до фінішу і зрозуміти, на що здатний новий ліхтар. Вимірювалося напруга батарей, напруга на навантаженні і струм через навантаження. Прогін починався з напруги батареї 2.5В, при якому світлодіоди безпосередньо вже не горять. Стабілізація вихідної напруги (3.3В) тривала аж до зниження напруги живлення до ~ 1.2В. Струм навантаження при цьому становив близько 100мА (~ по 25мА на діод). Потім вихідна напруга початок плавно знижуватися. Схема перейшла в інший режим роботи, при якому вона вже не стабілізує, а видає на вихід все, що може. У такому режимі вона пропрацювала до напруги харчування 0.5В! Вихідна напруга при цьому впало до 2.7В, а струм зі 100мА до 8мА. Діоди все ще горіли, але їх яскравості вистачало тільки на освітлення замкової щілини в темному під'їзді. Після цього батарейки практично перестали розряджатися, тому що схема перестала споживати струм. Поганявши схему в такому режимі ще хвилин 10, мені стало нудно, і я її вимкнув, тому що подальший прогін інтересу не уявляв.
Яскравість світіння порівнювалася зі звичайною лампочкою розжарювання при такій же споживаної потужності. У ліхтарик вставлялася лампочка 1В 0.068А, яка при напрузі 3.1В споживала приблизно такий же струм, що і світлодіоди (близько 100мА). Результат на користь світлодіодів однозначно.
Май 2003 р
Частина II. Трохи про ККД або "Немає межі досконалості"
Минуло більше місяця з того часу, як я зібрав свою першу схему для харчування світлодіодного ліхтарика і написав про це в вищевикладеної статті. На мій подив, тема виявилася дуже популярною, судячи з кількості відгуків та відвідувань сайту. З тих пір у мене з'явилося деяке розуміння предмета :), і я вважав за свій обов'язок підійти до теми більш серйозно і провести більш ретельні дослідження. На цю думку мене наштовхнуло також і спілкування з людьми, решавшими подібні завдання. Про деякі нові результати я і хочу розповісти.
По-перше, мені слід було б відразу виміряти ККД схеми, який виявився підозріло низькою (близько 63% при свіжих батарейках). По-друге, я зрозумів головну причину такого низького ККД. Справа в тому, що ті мініатюрні дроселі, що я використовував в схемі, мають надзвичайно високу омічний опір - близько 1.5ом. Ні про яку економію електроенергії з такими втратами не могло бути й мови. По-третє я виявив, що величина індуктивності і вихідний ємності теж позначаються на ККД, хоча і не так помітно.
Використовувати стрижневий дросель типу ДМ якось не хотілося через його великого розміру, тому я вирішив виготовити дросель самостійно. Ідея проста - потрібен маловітковий дросель, намотаний щодо товстим проводом, і в той же час досить компактний. Ідеальним рішенням виявилося кільце з μ-пермаллоя з проникністю порядку 50. У продажу є готові дроселі на таких колечках, широко використовувані у всіляких імпульсних БП. У моєму розпорядженні опинився такий дросель на 10мкг, що має 15 витків на кільці К10х4х5. Перемотати його не було ніяких проблем. Індуктивність довелося підібрати по вимірюванню ККД. В діапазоні 40-90мкГ зміни були дуже незначні, менше 40 - більш помітні, а на 10мкг стало зовсім погано. 
Піднімати вище 90мкГ я не став, тому що зростала омічний опір, а більш товстий дріт "роздував" габарити. У підсумку, більш з естетичних міркувань, я зупинився на 40 витках дроту ПЕВ-0.25, тому що вони рівно вляглися в один шар і вийшло близько 80 мкг. Активний опір вийшло близько 0.2 ом, а струм насичення за розрахунками - більш 3А, що хапає за очі .. Вихідний (а заодно і вхідний) електроліт я замінив на 100мкФ, хоча без шкоди для ККД можна зменшити і до 47мкф. В результаті конструкція зазнала деяких змін, що, втім, не завадило їй зберегти свою компактність.
Схему я наводити не буду, тому що вона не змінилася, змінилися лише відповідні номінали. Після доопрацювання схеми, для повноти картини, я не полінувався виконати лабораторну роботу і зняв основні характеристики схеми: 
1. Залежність вихідної напруги, виміряного на ємності С3, від вхідного. Цю характеристику я знімав і раніше і можу сказати, що заміна дроселя на більш добротний дала більш горизонтальну поличку і різкий злам. 
2. Цікаво було також простежити зміну споживаного струму в міру розряду батарей. Добре видно типова для ключових стабілізаторів "негативність" вхідного опору. Пік споживання припав на точку, близьку до опорної напруги мікросхеми. Подальший спад напруги призвів до зниження опори, а значить і вихідної напруги. Різкий спад струму споживання в лівій частині графіка викликаний нелинейностью ВАХ діодів. 
3. Ну і нарешті, обіцянки ККД. Тут він вимірювався вже по кінцевому ефекту, тобто по потужності, що розсіюється на світлодіодах. (Відсотків 5 втрачається на баластному опорі). Виробники чіпа НЕ набрехали - при правильній схемі покладені 87% він дає. Правда це тільки при свіжих батарейках. У міру зростання споживаного струму ККД, природно, знижується. В екстремальній точці він взагалі падає до рівня паровоза. Зростання ККД при подальшому зниженні напруги практичної цінності не представляє, тому що ліхтарик вже знаходиться "на видиху" і світить дуже слабо.
Дивлячись на всі ці характеристики можна сказати, що ліхтар впевнено світить при спаді напруги живлення до 1В без помітного зниження яскравості, тобто схема фактично відпрацьовує трикратну просідання напруги. Звичайна лампочка розжарювання при такому розряді батарей вже навряд чи буде придатна для освітлення.
Липень 2003 р
Ліхтарик експлуатувався, в основному, в якості джерела освітлення палатки у вечірній час і іноді - для зовнішніх нічних вилазок. Щоденний прогін - від години до двох безперервної роботи. У такому режимі одного комплекту лужних батарейок АА вистачає приблизно на тиждень. Далекобійність ліхтарика виявилася вищою, ніж я очікував. У повній темряві (а ніч в гірській тайзі - це практично повна темрява) світлову пляму б'є метрів на 15.
Я думаю, цей девайс буде дуже зручний для спелеологів, яким доводиться носити на собі тонни батарейок.
Жовтень 2003 р
********
ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ світлодіодів
На зміну лампам розжарювання прийшли світлодіоди, які в багатьох випадках успішно замінюють їх. Але через нелінійної вольт-амперної характеристики, для живлення освітлювальних світлодіодів від батареї застосовують різні перетворювачі напруги. Як відомо, світлодіод харчується напругою не менше 2 В, а в залежності від типу і до 3.5 В. До того-ж необхідний хоча-б найпростіший стабілізатор струму, адже в процесі зниження ємності батареї падає і яскравість світлодіода. Тому простий резистор з харчування, від батареї з підвищеним напругою, буде працювати гірше ніж перетворювач. Нижче пропонуються схеми простих перетворювачів, які доступні для складання навіть початківцями.
Схема живиться від однієї пальчикової батарейки і являє собою блокінг - генератор. Імпульси підвищеної напруги з'являється на колекторі, випрямляються діодом Шотткі і заряджають конденсатор. Трансформатор T1 намотується вручну на кільцевому сердечнику. Для цього береться ферритові кільце К10х6х4 і мотається дві обмотки по 20 витків проводом ПЕЛ 0.3. Взагалі кількість витків може становити і 6:10, і 10:10, і 10:15. Для найкращого ккд і яскравості їх треба підібрати експериментально. Для каркаса використовується все, що є. У схемі використовується транзистор з низьким падінням напруги для досягнення максимального ККД. Вихідний струм можна регулювати резистором R1.
Далі ми бачимо кілька ускладнену схему з більш стабільною генерацією. Струм 15 мА. Перетворювач напруги теж виконаний за схемою однотактного генератора з індуктивним зворотним зв'язком на транзисторі і трансформаторі.
Дані обмоток ті-ж самі. Черговий модернізацією даного перетворювача, стала схема з китайського світлодіодного ліхтаря:
Тут і в інших схемах в якості діода використовується діод Шотткі з малим падінням напруги (все-таки кожні пів вольта на рахунку). Застосовуються діоди IN5817, 1GWJ43, 1SS319, або в крайньому випадку радянський Д311. Ці діоди можна взяти з плати контролера харчування неробочого літій - іонного акумулятора від мобільного телефону. Наступні схеми перетворювачів виконані на двох транзисторах і відрізняються підвищеним вихідним струмом - до 25 мА. Правильно зібраний перетворювач в налагодженні не потребує, якщо не переплутані обмотки трансформатора, в іншому випадку поміняйте їх місцями.
Трансформатор використовується аналогічний, але число витків в обмотках становить по 40. Транзистори стоять С2458 і С3279. Завдяки зворотного зв'язку на транзисторі С2458, виходить проста стабілізація струму і відповідно яскравості світлодіода.
Ще один варіант перетворювача на двох транзисторах:
Тут не потрібно мотати трансформатор, так як використовується готовий дросель на 300 - 1000 мкГн. Остання схема перетворювача теж була змальована з китайського світлодіодного ліхтаря і прекрасно працює при збірці.
Перше включення правильно зібраного пристрою необхідно провести в режимі тестування, при якому живлення від батареї подають через резистор опором 10 Ом, щоб не згоріли транзистори при неправильному підключенні висновків трансформатора. Якщо світлодіод не світить, необхідно поміняти місцями висновки первинної або вторинної обмотки трансформатора. Якщо і це не допомагає, перевірте справність всіх елементів і монтажу. З особистого досвіду можу зауважити, що в усіх наведених схемах, часто з успіхом запускаються і вітчизняні транзистори КТ315 - КТ3102. Число обмоток трансформаторів слід підбирати по максимуму яскравості і ККД. В якості дроселів використовувалися готові "все що під руку потрапляло", від різної апаратури. Не рекомендується ставити найдешевші (0.1 Вт) 5-мм світлодіоди. Краще доплатити і придбати за 0.5 уе 10-мм світлодіод. Яскравість значно підвищиться. Ще кращі результати будуть після установки спеціальних 3-х ватних світлодіодів. При використанні фокусної лінзи отримуємо ще серйозніший ліхтар. Якщо комусь ці схеми здадуться занадто простими, можна вибрати в якості перетворювача спеціалізовану мікросхему - контролер. Питання по перетворювачів на ФОРУМ
https://elwo.ru/publ/svetodiody/preobrazovateli_dlja_svetodiodnykh_fonarej/5-1-0-213