Один элемент питания зажигает белый светодиод

Многие портативные приборы и другие изделия, рассчитанные на работу от одиночного элемента питания, не могут функционировать при очень низких напряжениях. Таким образом, трудно управлять белыми светодиодами, прямое напряжение которых обычно составляет от 3 до 5 В. Дополнительные сложности возникают, если при напряжении питания не более 1 В должна быть обеспечена возможность мигания светодиодом. Схема на Рисунке 1 демонстрирует дискретный подход к решению этих проблем и позволяет белому светодиоду мигать с частотой, задаваемой постоянной времени RC. Компоненты Q₁, Q₂, R₃, R₄ и R₅ образуют триггер Шмитта, который вместе с элементами R₁, R₂ и C₁ управляет миганием светодиода. На транзисторах Q₄, Q₅, дросселе L₁ и связанных с ними компонентах сделана схема, повышающая напряжение V_S одного элемента до уровня, достаточного для работы светодиода. Транзистор Q₃ работает как коммутатор, который включает и выключает повышающую схему с частотой, определяемой секцией триггера Шмитта.

Рисунок 1.	При питании от одного элемента эта схема повышает напряжение и мигает белым светодиодом.

Чтобы понять принцип работы повышающей секции, предположим, что транзистор Q₃ полностью открыт, так что напряжение на эмиттере Q₄ примерно равно напряжению батареи V_S. Элементы Q₄ и R₈ обеспечивают смещение для транзистора Q₅, который, открываясь, пропускает ток I_L через дроссель L₁. Ток дросселя возрастает со скоростью, определяемой главным образом напряжением V_S и индуктивностью L₁; в это время светодиод LED₁ и включенный с ним последовательно диод D₁ смещены в обратном направлении. Ток продолжает нарастать, пока не достигнет пикового значения I_LPEAK. Поддерживать дальнейшее увеличения тока Q₅ больше не может, и в этот момент напряжение на дросселе меняет полярность. Возникающее при этом напряжение «обратного хода» увеличивает напряжение на аноде светодиода LED₁ до положительного значения, превышающего V_S и достаточного для смещения в прямом направлении светодиода LED₁ и импульсного диода D₁. Через элементы C₃ и R₁₀ напряжение обратного хода также передается на базу транзистора Q₄, что приводит к быстрому выключению Q₄ и, соответственно, Q₅.

Теперь ток дросселя проходит через L₁, светодиод LED₁ и диод D₁, и по мере убывания энергии, запасенной в L₁, ток уменьшается до нуля. В этот момент напряжение на дросселе снова меняет полярность, и отрицательный перепад, пройдя через конденсатор C₃, быстро включает транзистор Q₄ и, в свою очередь, Q₅. Ток дросселя L₁ снова начинает нарастать, и процесс повторяется. Частота генерации повышающей секции определяется несколькими факторами, важнейшими из которых являются значения V_S, L₁ и R₈, коэффициент усиления прямого тока транзистора Q₅ и прямое напряжение светодиода LED₁. При использовании компонентов с номиналами, показанными на схеме, типичное значение частоты составляет от 50 до 200 кГц. В каждом цикле через светодиод LED₁ протекает импульс тока с пиковым значением I_LPEAK, и, поскольку этот сценарий повторяется тысячи раз в секунду, кажется, что светодиод LED₁ включен постоянно.

Низкочастотный генератор, основанный на триггере Шмитта, с небольшой частотой включает и выключает повышающую секцию. Чтобы понять, как это работает, предположим, что транзистор Q₁ выключен, а Q₂ включен. При условии, что Q₂ имеет достаточно большой коэффициент усиления прямого тока, влиянием тока базы можно пренебречь и считать, что напряжение V_B2 на базе транзистора Q₂ задается напряжением батареи V_S и делителем напряжения R₃-R₅. При показанных на Рисунке 1 сопротивлениях резисторов R₃ и R₅ напряжение V_B2 составляет примерно от 800 до 900 мВ, когда V_S = 1 В. При этом напряжение на резисторе R₄ равно примерно 300-400 мВ, в результате чего ток коллектора транзистора Q₂ при R₄ = 20 кОм составляет не менее 15 мкА. Ток коллектора Q₂ обеспечивает управление базой транзистора Q₃, который насыщается, включая повышающую секцию и зажигая светодиод LED₁. Когда светодиод LED₁ смещен в прямом направлении, конденсатор C₄ заряжается до положительного напряжения V_P, превышающего V_S примерно на одно падение напряжения на диоде. Теперь времязадающий конденсатор C₁ заряжается через резистор R₁ со скоростью, определяемой в основном значениями V_P, R₁, R₂ и C₁. При правильном выборе отношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ напряжение V_B1 базы транзистора Q₁ в конце концов превысит уровень покоя напряжения V_B2 (примерно равный верхнему пороговому напряжению V_TU триггера Шмитта), в результате чего Q₁ откроется, а Q₂ закроется. В этот момент транзистор Q₃ также закрывается, тем самым отключая повышающую секцию и выключая светодиод.

При выключенном светодиоде LED₁ напряжение V_P быстро спадает, и конденсатор C₁ начинает разряжаться со скоростью, определяемой в основном номиналами R₂ и C₁ и базовым током Q₁. Светодиод остается выключенным до тех пор, пока напряжение V_B2 не опустится ниже нижнего порога триггера Шмитта V_TL, после чего транзистор Q₁ выключается, Q₂ включается, и повышающая секция снова активируется, зажигая светодиод LED₁. Если номиналы R₁, R₂ и C₁ достаточно велики, светодиод LED₁ может мигать с низкой частотой. Например, если резисторы R₁ и R₂ имеют сопротивления примерно 1 МОм каждый, а емкость конденсатора C₁ – 1 мкФ или больше, то можно получить период вспышек менее одной секунды. Однако следует помнить, что R₁ и R₂ образуют делитель напряжения, задающий напряжение V_B1 на базе транзистора Q₁, поэтому сопротивление R₂ должен быть существенно больше, чем R₁, чтобы V_B1 успевало достичь верхнего порогового напряжения триггера Шмитта при заряде C₁. Учитывая этот факт, можно путем проб и ошибок довольно легко найти оптимальные номиналы R₁, R₂ и C₁, необходимые для заданной частоты вспышек.

Значение V_P существенно влияет на заряд и разряд конденсатора C₁, и, следовательно, V_P варьируется в зависимости от напряжения батареи V_S, превалирующего над остальными факторами. Однако изменение напряжения V_B2, которое также изменяется вместе с напряжением V_S, несколько уравновешивает эту зависимость. Тем не менее, частота вспышек и коэффициент заполнения все же несколько изменяются при падении напряжения батареи. Например, при R₁ = 2.2 МОм, R₂ = 10 МОм и C₁ = 1 мкФ частота вспышек тестовой схемы при V_S = 1.5 В составляет примерно 0.52 Гц с коэффициентом заполнения 66%. При напряжении V_S равном 1 В частота вспышек увеличивается примерно до 0.75 Гц, а коэффициент заполнения уменьшается до 44%. Пороговые напряжения триггера Шмитта V_LT и V_TU обычно составляют приблизительно 0.7 В и 1.2 В при V_S = 1.5 В и падают примерно до 0.6 В и 0.8 В, когда V_S = 1 В.

Интенсивность свечения светодиода пропорциональна его среднему прямому току и, таким образом, определяется пиковым током дросселя I_LPEAK и длительностью импульса тока светодиода. Если дроссель L₁ выбран правильно и не насыщается, пиковый ток зависит в основном от максимального тока коллектора, который может пропустить через себя транзистор Q₅. Для заданного напряжения питания этот показатель зависит в первую очередь от коэффициента усиления прямого тока транзистора Q₅ и от сопротивления R₈, величину которого можно подобрать для получения оптимальной яркости светодиода при минимальном напряжении питания. Чтобы получить наилучшую интенсивность свечения светодиода выбранного типа, следует поэкспериментировать с различными значениями сопротивления R₈. Однако при этом необходимо следить за тем, чтобы пиковый ток не превышал допустимый ток светодиода при максимальном значении V_S. Фактическая индуктивность дросселя L₁ некритична, но значения в диапазоне от 100 до 330 мкГн должны обеспечить хорошие характеристики и приемлемый КПД. Также некритичны типы используемых в схеме транзисторов; тестовая схема хорошо работала с малосигнальными приборами общего назначения, имеющими коэффициенты передачи тока от среднего до высокого. Транзисторы Q₃, Q₄ и Q₅ следует по возможности выбирать с низким напряжением насыщения. Конденсатор C₂ не имеет существенного значения для работы схемы, но помогает подавлять любые коммутационные помехи на базе транзистора Q₂.

Конденсатор C₄ выполняет роль накопителя заряда и гарантирует, что при включенном светодиоде LED₁ конденсатор C₁ может заряжаться через резистор R₁ от источника стабильного напряжения (V_P). Поскольку ток заряда, скорее всего, будет невелик, емкость C₄ может быть достаточно мала; достаточно значения 10 нФ. Обратите внимание, что конденсатор C₄ должен подключаться к точке соединения диода D₁ и светодиода LED₁, как показано на рисунке, а не заряжаться через выпрямительный диод от напряжения обратного хода на коллекторе Q₅. Причины этого предостережения заключаются, во-первых, в том, что такой подход гарантирует, что напряжение V_P будет больше V_S лишь на величину падения на диоде, тем самым минимизируя величину сопротивления R₁, необходимую для заданного тока заряда C₁. Кроме того, что более важно, при таком подходе прямое напряжение светодиода через L₁ и R₁ оказывается на пути от V_S к базе Q₁. Поскольку прямое напряжение белого светодиода обычно составляет не менее 3 В, такое соединение предотвращает включение Q₁ по этому пути, что в противном случае могло бы привести к блокировке схемы в «выключенном» состоянии.

На первый взгляд может показаться, что включать и выключать повышающую секцию можно, прерывая ток базы Q₄, что избавит от необходимости в транзисторе Q₃. Однако при определенных условиях после включения повышающей секции обратной связи к базе Q₄ через C₃ и R₁₀ может оказаться достаточно для поддержания колебаний без подачи какого-либо постоянного смещения на базу Q₄. Поэтому единственный надежный способ включения и выключения повышающего преобразователя – использование транзистора Q₃, как показано на рисунке. Тестовая схема запускалась и работала при напряжении V_S всего 0.9 В, хотя светодиод при таком напряжении светился тускло. Интенсивность свечения светодиода была хорошей при V_S = 1.5 В (эквивалентно полностью заряженному щелочному элементу) и оставалась приемлемой даже при напряжении V_S, равном всего 1 В. Схема может найти применение в игрушках, охранных устройствах, миниатюрных маячках и любых других изделиях, которые должны обеспечивать мигающую визуальную индикацию при работе от одного элемента питания.