Драйвер белого светодиода. Часть 1

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 что-то 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?