Стабилизатор тока для светодиодного фонарика
ДОРАБОТКА LED ФОНАРИКА
Как и многие радиолюбители, я люблю что-то дорабатывать, изменять, улучшать. В данной статье речь пойдёт о доработке фонарика, купленного 1,5 года назад по дешёвке. Плюс — не большой, светит ярко, удобно держать в руке. Но не долго радовался. За полгода эксплуатации выяснилось, что он слишком «прожорлив». Причём батарейки, бывало «садились» в самый неподходящий момент. После очередной операции по замене батареек типоразмера ААА, неожиданно вышли из строя 6 светодиодов (всего их установлено 14). Решил проверить ток потребления, он оказался около 550 мА! Не слишком ли много для такого «малыша»? Общее напряжение 3 свежих батарей было 4,5v. Так как определить тип светодиодов не представлялось возможным, решил их так сказать, испытать.
В ходе проверки выяснилось, что при напряжении 3v на светодиоде, ток был равен 25mA, а при 3,5v выходил из строя светодиод! А питающее, ещё раз замечу было 4,5v! Решено было перепаять светодиоды на имевшиеся у меня на тот момент, светодиоды FYL-5014UWC1C-UWW, (яркость по документации составляла 15000 мкд, при напряжении 2,8-3,2v, и токе-20 mA), и добавить линейный стабилизатор. Из имевшихся у меня микросхем с регулируемым выходным напряжением, были только серии кр142ен12а, кр142ен22, LM317 и LP2951. Выбор пал на последний. Так как эта микросхема для поверхностного монтажа, проблем с изготовлением платы и установкой, не возникло, по сравнению с кр142ен12а, её просто некуда вставить, в ограниченном пространстве фонаря. Задумано — сделано! Так как LP2951 это микромощный стабилизатор, (ток до 100mA), то пришлось поэкспериментировать. В результате получился стабилизатор, схема которого приведена в тексте:
Все детали для поверхностного монтажа. Выходное напряжение выбрано +2,9v, из соображений экономии, надёжности и исключения перегрузки микросхемы, и увеличения срока службы светодиодов. Напряжение можно изменить в любую сторону, рассчитав по формуле: Uвых=Uref(1+R1/R2), при Uref=1,2v, где R1 и R2 –в килоомах.
Ток потребления от блока батарей(3шт ААА по 1,5v, или 3 аккумуляторов ААА по 1,2v), не превышает 60mA. Это уже не 550mA, как в исходном варианте! Так как у меня не нашлось R2=3,3к., то в моей конструкции он состоит из 2 параллельно спаянных резисторов номиналом 10к и 5,6к, что с учётом разброса сопротивлений и дало 3,3к. Печатная плата изготовлена из тонкого одностороннего стеклотекстолита. Подобным решением можно оснастить любой фонарик, всё зависит от типа, применяемых стабилизаторов. Соответственно для более мощного фонаря, нужно к этой схеме добавить усилитель тока на транзисторе, или применить более мощный стабилизатор.
Фонарь в разобранном виде: Блок светодиодов с отражателем и платой стабилизатора. Кнопка включения находится в торце рукоятки и одним контактом связана с корпусом. В заключении отмечу, что спустя год с момента переделки, расходы по замене батарей снизились к нулю. После переделки в фонарь были вставлены NI-MH аккумуляторы размера ААА, ёмкостью 1000mA. Индикатором разрядки служат светодиоды. При разрядке элементов питания до 3v, что соответствует 1v на элемент, яркость светодиодов заметно падает. В этом случае следует заменить батарейки или зарядить аккумуляторы, что я и делаю с помощью самодельного разрядно — зарядного устройства с регулируемым напряжением и током, о котором расскажу в одной из следующих статей. Всем удачи, с вами был INVERTOR.
Форум по обсуждению материала ДОРАБОТКА LED ФОНАРИКА
Делаем современный фонарик
Андрей Шарый, с.Кувечичи,
Черниговская область, Украина.
E-mail andrij_s (at) mail.ru
Прогресс подарил нам новый источник света — светодиоды белого цвета свечения. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными лампами накаливания и газоразрядными трубками: большой ресурс порядка 100000 часов, высокая экономичность, высокая прочность и невосприимчивость к вибрациям и ударам. Но все эти преимущества могут быть реализованы только при правильной организации электропитания. Светодиод в отличии от лампы накаливания имеет очень нелинейную вольт-амперную характеристику. При незначительном возрастании напряжения питания свыше 3,6-3,7 В ток потребления резко возрастает и может легко достигнуть опасных пределов. Идеальным режимом эксплуатации светодиода есть питание его постоянным стабилизированным током. Но часто, особенно в дешевых фонарях, светодиоды подключают к батарее или аккумулятору непосредственно, даже без токоограничивающего резистора, что приводит к завышенному току (а значит резкой деградации светодиода) пока батарея свежая и резкому снижению светоотдачи при даже незначительном разряде. Иногда можно встретить вариант с включенным последовательно со светодиом токоограничивающим резистором, но и этот вариант не обеспечивает надлежащую стабилизацию рабочего режима, хотя и предотвращает преждевременный выход из строя светодиода. Кроме того, на резисторе рассеивается значительное количество тепла, что резко снижает КПД фонаря. В фирменных (дорогих) фонариках можно встретить схемы стабилизации тока на специализированных микросхемах, что недоступно для повторения простому смертному радиолюбителю.
Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора тока
Используя же давно известную в радиолюбительских кругах схему (рис. 1) импульсного стабилизатора тока с применением современных доступных радиодеталей можно собрать очень неплохой светодиодный фонарь.
Автором для доработки и переделки был приобретен беспородный фонарь с аккумулятором 6 В 4 Ач, с «прожектором» на лампе 4,8 В 0,75 А и источником рассеянного света на ЛДС 4 Вт. «Родная» накальная лампочка почти сразу почернела ввиду работы на завышенном напряжении и вышла из строя после нескольких часов работы. Полной зарядки аккумулятора при этом хватало на 4-4,5 часа работы. Включение ЛДС вообще нагружало аккумулятор током около 2,5 А, что приводило к его разряду через 1-1,5 часа.
Для усовершенствования фонаря на радиорынке были приобретены белые светодиоды неизвестной марки: один с лучом расходимостью 30 o и рабочим током 100 мА для «прожектора» а также десяток матовых с рабочим током 20 мА для замены ЛДС. По схеме (рис.1) был собран генератор стабильного тока, имеющий КПД порядка 90%. Схемотехника стабилизатора позволила использовать для переключения светодиодов штатный переключатель. Указанный на схеме светодиод LED2 представляет собой батарею из 10 параллельно соединенных одинаковых белых светодиодов, расчитаных на силу тока 20 мА каждый. Параллельное соединение светодиодов кажется не совсем целесообразным в виду нелинейности и крутизны их ВАХ, но как показал опыт, разброс параметров светодиодов настолько мал, что даже при таком включении их рабочие токи практически одинаковы. Важно только полная идентичность светодиодов, по возможности их надо купить «из одной заводской упаковки».
После доработки «прожектор» конечно стал немного послабее, но вполне достаточен, режим рассеянного света визуально не изменился. Но теперь благодаря высокому КПД стабилизатора тока при использовании направленного режима от аккумулятора потребляется ток 70 мА, а в режиме рассеянного света — 140 мА, то есть фонарь может работать без подзарядки примерно 50 или 25 часов соответственно. Яркость от степени разряженности аккумулятора не зависит благодаря стабилизации тока.
Схема стабилизатора тока работает следующим образом: При подаче питания на схему транзисторы Т1 и Т2 заперты, Т3 открыт, потому как на его затвор подано отпирающее напряжение через резистор R3 . Благодаря наличию в цепи светодиода катушки индуктивности L1 ток нарастает плавно. По мере возрастания тока в цепи светодиода возрастает падение напряжения на цепочке R5- R4, как только оно достигнет примерно 0,4 В, откроется транзистор Т2, а вслед за ним и Т1, который в свою очередь закроет токовый ключ Т3. Нарастание тока прекращается, в катушке индуктивности возникает ток самоиндукции, который через диод D1 начинает протекать через светодиод и цепочку резисторов R5- R4. Как только ток уменьшиться ниже определенного порога, транзисторы Т1 И Т2 закроются, Т3 — откроется, что приведет к новому циклу накопления энергии в катушке индуктивности. В нормальном режиме колебательный процесс происходит на частоте порядка десятков килогерц.
О деталях: особых требований к деталям не предъявляется, можно использовать любые малогабаритные резисторы и конденсаторы. Вместо транзистора IRF510 можно применить IRF530, или любой n-канальный полевой ключевой транзистор на ток более 3 А и напряжение более 30 В. Диод D1 должен быть обязательно с барьером Шоттки на ток более 1 А, если поставить обычный даже высокочастотный типа КД212, КПД снизится до 75-80%. Катушка индуктивности может быть самодельная, мотают ее проводом не тоньше 0,6 мм, лучше — жгутом из нескольких более тонких проводов. Около 20-30 витков провода на броневой сердечник Б16-Б18 обязательно с немагнитным зазором 0,1-0,2 мм или близкий из феррита 2000НМ. При возможности толщину немагнитного зазора подбирают экспериментально по максимальному КПД устройства. Неплохие результаты можно получить с ферритами от импортных катушек индуктивности, устанавливаемых в импульсных блоках питания а также в энергосберегающих лампах. Такие сердечники имеют вид катушки для ниток, не требуют каркаса и немагнитного зазора. Очень хорошо работают катушки на тороидальных сердечниках из прессованного железного порошка, которые можно найти в компьютерных блоках питания (на них намотаны катушки индуктивности выходных фильтров). Немагнитный зазор в таких сердечниках равномерно распределен в объеме благодаря технологии производства.
Эту же схему стабилизатора можно использовать и совместно с другими аккумуляторами и батареями гальванических элементов напряжением 9 или 12 вольт без какого-либо изменения схемы или номиналов элементов. Чем выше будет напряжение питания, тем меньший ток будет потреблять фонарик от источника, его КПД будет оставаться неизменным. Рабочий ток стабилизации задают резисторы R4 и R5. При необходимости ток может быть увеличен до 1 А без применения теплооотводов на деталях, только подбором сопротивления задающих резисторов.
Зарядное устройство для аккумулятора можно оставить «родное» или собрать по любой из известных схем или вообще применить внешнее для уменьшения веса фонаря.
Собирается устройство навесным монтажом в свободных полостях корпуса фонарика и заливается термоклеем для герметизации.
Неплохо также добавить в фонарь новое устройство: индикатор степени заряженности аккумулятора (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема индикатора степени зарядки аккумулятора.
Устройство представляет собой по сути вольтметр с дискретной светодиодной шкалой. Этот вольтметр имеет два режима работы: в первом он оценивает напряжение на разряжаемом аккумуляторе, а во втором — напряжение на заряжаемом аккумуляторе. Потому, чтобы правильно оценить степень заряженности для этих режимов работы выбраны разные диапазоны напряжений. В режиме разряда аккумулятор можно считать полностью заряженным, когда на нем напряжение равно 6,3 В, когда он полностью разрядится, напряжение снизится до 5,9 В. В процессе же зарядки напряжения другие, полностью заряженным считается аккумулятор, напряжение на клеммах которого 7,4 В. В связи с этим и выработан алгоритм работы индикатора: если зарядное устройство не подключено, то есть на клемме «+ Зар.» нет напряжения, «оранжевые» кристаллы двухцветных светодиодов обесточены и транзистор Т1 заперт. DA1 формирует опорное напряжение, определяемое резистором R8. Опорное напряжение подается на линейку компараторов ОР1.1 — ОР1.4, на которых и реализован собственно вольтметр. Чтобы увидеть, сколько заряда осталось в аккумуляторе, надо нажать на кнопку S1. При этом будет подано напряжение питания на всю схему и в зависимости от напряжения на аккумуляторе загорится определенное количество зеленых светодиодов. При полном заряде будет гореть весь столбик из 5 зеленых светодиодов, при полном разряде — только один, самый нижний светодиод. При необходимости напряжение корректируют, подбирая сопротивление резистора R8. Если включается зарядное устройство, через клемму «+ Зар.» и диод D1 напряжение поступает на схему, включая «оранжевые» части светодиодов. Кроме того, открывается Т1 и подключает параллельно резистору R8 резистор R9, в результате чего опорное напряжение, формируемое DA1 увеличивается, что приводит к изменению порогов срабатывания компараторов — вольтметр перестраивается на более высокое напряжение. В этом режиме все время, пока аккумулятор заряжается, индикатор отображает процесс его зарядки также столбиком светящихся светодиодов, только на этот раз столбик оранжевый.
Питание светодиода. Драйвер. Светодиодный фонарь, фонарик. Своими руками.
Включение светодиодов в светодиодном фонаре. (10+)
Питание светодиода. Светодиодный фонарь, фонарик — Источник непрерывного действия
| 1 | 2 | 3 |
Проблемы питания силовых светодиодов
Сейчас получили распространение разнообразные осветительные устройства, построенные на основе светодиодов. Действительно, светодиод обладает высоким КПД в смысле высокой светоотдачи при небольшом расходе энергии. Однако, подключение светодиода к источнику питания сопряжено с некоторыми сложностями. Причина этого в том, что светодиод хорошо работает при строго определенном напряжении питания. Увеличение напряжения на несколько процентов приводит к росту тока в разы, нагреву и выгоранию светодиода. При пониженном напряжении светодиод просто не вырабатывает достаточно света.
Дешевые светодиодные фонари содержат батарейку и несколько светодиодов, соединенных так, чтобы их рабочее напряжение соответствовало напряжению батареи. Но по мере разряда батареи напряжение несколько снижается, и фонарик перестает работать. Такие фонари расходуют батарею на менее чем 30% ее реальной емкости, что сводит на нет энергоэкономию светодиода.
Вашему вниманию подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
В других устройствах используется резистор последовательно со светодиодами. Так светодиоды работают получше, но на резисторе выделяется дополнительная мощность, соизмеримая с мощностью светодиодов. Кроме того, чем больше сопротивление резистора, тем лучше работают светодиоды, но тем больше потери.
Идеально питать светодиод от источника тока. Источник тока должен отдавать в нагрузку (цепочку светодиодов) заданный ток, вне зависимости от напряжения источника питания.
Кстати, у светодиодов довольно большой разброс рабочих напряжений, так что включать светодиоды параллельно не рекомендуется. При параллельном включении нормально будет работать только один светодиод, остальные будут светить с сильно меньшей интенсивностью.
Источник непрерывного действия питания для светодиодов
Приведенная схема позволяет изготовить небольшой светильник в автомобиль. Она питается напряжением 12.5 — 18 вольт, отдает в нагрузку (на светодиоды) стабильно 30 мА.
Микросхема D1 — интегральный последовательный стабилизатор напряжения на 3 вольта с низким падением напряжения. КР1158ЕН3.
Резистор R1 — 100 Ом.
Конденсатор C1 — 0.1 мкФ в соответствии с рекомендациями производителя микросхемы.
Светодиоды — три штуки 3 В, 30 мА, соединенные последовательно.
| 1 | 2 | 3 |
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное. Принцип действия.
Принцип действия, сборка и наладка преобразователя однофазного напряжения в трех.
Простой импульсный прямоходовый преобразователь напряжения. 5 — 12 вол.
Схема простого преобразователя напряжения для питания операционного усилителя.
Транзисторный аналог тиристора (динистора / тринистора). Имитатор, эму.
Схема аналога тиристора (диодного и триодного) на транзисторах. Расчет параметро.
Удлинитель пульта дистанционного управления, ду, инфракрасного, ик.
Пульт ДУ работает только в условиях прямой видимости с дистанционно управляемым .
Драйвер для светодиодного фонаря
Драйвер — ограничитель для светодиодного фонаря
В предыдущей самоделке «Аккумуляторный фонарь – настольная лампа» рассматривалось, в том числе, изменение светодиодной матрицы в приобретенном фонарике. Целью доработки было повышение надежности источника света, за счет изменения схемы подключения светодиодов, с параллельного включения на комбинированное.
Светодиоды гораздо более требовательны к источнику питания, чем другие источники света. Например, превышение тока на 20% сократит срок их службы в несколько раз.
Основной характеристикой светодиодов, которая определяют яркость их свечения, является не напряжение, а ток. Чтобы светодиоды гарантированно отработали заявленное количество часов, необходим драйвер, который стабилизирует протекающий через цепь светодиодов ток и длительно сохранит устойчивую яркость света.
Для маломощных светоизлучающих диодов, возможно их использование и без драйвера, но в этом случае его роль выполняют ограничительные резисторы. Такое подключение было использовано в приведенной выше самоделке. Это простое решение защищает светодиоды от превышения допустимого тока, в пределах расчетного источника питания, но стабилизация при этом отсутствует.
В этой статье, рассмотрим возможность усовершенствовать приведенную выше конструкцию и повысить эксплуатационные свойства фонаря с питанием от внешнего аккумулятора.
Для стабилизации тока через светодиоды, добавим в конструкцию фонаря простой линейный драйвер — стабилизатор тока с обратной связью. Здесь ток является ведущим параметром, а напряжение питания светодиодной сборки может автоматически варьироваться в определенных пределах. Драйвер обеспечивает стабилизацию выходного тока при нестабильном входном напряжении или колебаниях напряжения в системе, причем подстройка тока происходит плавно, не создавая высокочастотных помех свойственных импульсным стабилизаторам. Схема такого драйвера крайне проста в изготовлении и настройке, но меньший КПД (около 80%) является за это платой.
Для исключения критического разряда источника питания (ниже 12 В), что особенно опасно для литиевых аккумуляторов, в схему дополнительно введем индикацию предельного разряда или отключение аккумулятора при низком напряжении.
Изготовление драйвера
1. Для решения указанных предложений изготовим следующую схему питания светодиодной матрицы.
Ток питания светодиодной матрицы проходит через регулирующий транзистор VT2 и ограничительное сопротивление R5. Ток через управляющий транзистор VT1 задается подбором сопротивления R4 и может изменяться в зависимости от изменения падения напряжения на резисторе R5, также используемом в качестве резистора токовой обратной связи. При увеличении тока в цепочке — светодиоды, VT2, R5, по какой-либо причине, увеличивается падение напряжения на R5. Соответствующее увеличение напряжения на базе транзистора VT1, приоткрывает его, уменьшая этим напряжение на базе VT2. А это прикрывает транзистор VT2, уменьшая и стабилизируя этим, ток через светодиоды. При уменьшении тока на светодиодах и VT2, процессы протекают в обратном порядке. Таким образом, за счет обратной связи, при изменении напряжения на источнике питания (с 17 до 12 вольт) или возможных изменениях параметров схемы (температура, выход из строя светодиода), ток через светодиоды постоянен в течение всего периода разряда аккумулятора.
На детекторе напряжения, специализированной микросхеме DA1, собрано устройство для контроля напряжения. Микросхема работает следующим образом. При номинальном напряжении, микросхема DA1 закрыта и находится в дежурном состоянии ожидания. При уменьшении напряжения на выводе 1, подключенном к контролируемой цепи (в данном случае — источник питания), до определенного значения, вывод 3 (внутри микросхемы) соединяется с выводом 2, подключенным к общему проводу.
Приведенная выше схема имеет различные варианты включения.
Вариант 1. Если к выводу 3 (точка А) подключить индикаторный светодиод (LED1 – R3) соединенный с положительным проводом (см. принципиальную схему), получим индикацию предельного разряда аккумулятора. При снижении напряжения питания до определенного значения (в нашем случае 12 В) светодиод LED1 включится, сигнализируя о необходимости заряда аккумулятора.
Вариант 2. Если точку А соединить с точкой Б, то при достижении низкого напряжения (12 В) на аккумуляторе, получим автоматическое отключение светодиодной матрицы от питания. Детектор напряжения, микросхема DA1, при достижении контрольного напряжения, соединит базу транзистора VT2 с общим проводом и закроет транзистор, отключив светодиодную матрицу. При повторном включении фонаря на низком напряжении (менее 12 В), светодиоды матрицы загораются на пару секунд (за счет заряд/разряд С1) и вновь гаснут, сигнализируя о разряде аккумулятора.
Вариант 3. При объединении вариантов 2 и 3, при отключении светодиодной матрицы включится индикаторный светодиод LED1.
Основные достоинства схем на детекторе напряжения, простота схемного подключения (практически не требуется дополнительных деталей обвязки) и чрезвычайно низкое энергопотребление (доли микроампера) в дежурном состоянии (в режиме ожидания).
2. Собираем схему драйвера на монтажной плате.
Выполняем монтаж VT1, VT2, R4. Подключаем, в качестве нагрузки, светодиодную матрицу, рассмотренную в начале статьи. В цепь питания светодиодов включаем миллиамперметр. С целью возможности проверки и настройки схемы на стабильном и определенной величины напряжении, подключаем ее к регулируемому источнику питания. Подбираем сопротивление резистора R5, позволяющее стабилизировать ток через светодиоды во всем диапазоне планируемой регулировки (с 12 до 17 В). С целью повышения КПД, первоначально был установлен резистор R5 номиналом 3,9 ома (см. фото), но стабилизация тока во всем диапазоне (при фактически установленных деталях) потребовала установки номинала в 20 ом, так как не хватало напряжения для регулировки VT1 из-за малого тока потребления светодиодной матрицы.
Транзистор VT1 желательно подобрать с большим коэффициентом передачи тока базы. Транзистор VT2 должен обеспечить допустимый ток коллектора, превышающий ток светодиодной матрицы и рабочее напряжение.
3. Добавляем на монтажную плату схему индикатора — ограничителя предельного разряда. Микросхемы детектора напряжения выпускаются на различные значения контроля напряжения. В нашем случае, в связи с отсутствием микросхемы на 12 В, использовал имеющуюся в наличии, на 4,5 В (часто встречаются в отработавшей бытовой технике – телевизоры, видеомагнитофоны). По этой причине, для контроля напряжения в 12 В, добавляем в схему делитель напряжения на постоянном резисторе R1 и переменном R2, необходимом для точной настройки на нужное значение. В нашем случае, регулировкой R2, добиваемся напряжения 4,5 В на выводе 1 DA1 при напряжении 12,1…12,3 В на шине питания. Аналогично, при подборе делителя напряжения, можно использовать и другие подобные микросхемы — детекторы напряжения, различных фирм, наименований и контрольных напряжений.
Первоначально проверяем и настраиваем схему на срабатывание, по светодиодному индикатору. Затем проверяем работу схемы, соединив точки А и Б, на отключение светодиодной матрицы. Останавливаемся на выбранном варианте (1, 2, 3).
4. Готовим заготовку для рабочей платы, вырезав нужный размер из типовой универсальной платы.
5. Выполняем распайку отлаженной схемы на рабочую плату.
6. Подключаем светодиодную матрицу к рабочей плате и проверяем работу драйвера – ограничителя в сборе, во всем диапазоне планируемой регулировки (с 12 до 17 В), подключив драйвер к регулируемому источнику питания. При положительных результатах, проверяем работу драйвера подключенного к аккумулятору и в составе аккумуляторного фонаря. Дополнительной наладки обычно не требуется.
