Мигающий белый светодиод работает от одной щелочной батареи

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2015

Предлагается упрощенная схема управления мигающим белым светодиодом, альтернативная опубликованной ранее в [1]. Предназначенная для использования в портативных приборах и устройствах с питанием от одной батареи, эта схема формирует хорошо видимые предупреждающие вспышки, например, индицирующие включение устройства, разряд батареи или сообщающие об ином событии с помощью бросающегося в глаза визуального сигнала. Однако прямое напряжение типичных белых светодиодов лежит в диапазоне от 3 до 5 В. Учитывая, что перед окончанием заряда выходное напряжение одиночного элемента питания уменьшается до 1 В, управление белым светодиодом при столь низком напряжении требует специальных схемных решений. Работа схемы, показанной на Рисунке 1, основана на способности универсального конфигурируемого двухвходового логического вентиля NC7SV57 компании Fairchild работать при очень низком напряжении. Для NC7SV57 достаточно напряжения 0.9 В, что и является ключевым требованием к приложениям с одиночным элементом питания.

Рисунок 1.	Несколько недорогих компонентов могут обеспечить питание белого светодиода от одной щелочной батарейки.

Выпускаемая в 6-выводном корпусе SC70, микросхема имеет входы с триггерами Шмитта. Устройство можно сконфигурировать так, чтобы оно выполняло логическую функцию «И», «И-НЕ», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ» или «НЕ». При соединении выводов согласно Рисунку 2, образуется двухвходовый элемент «ИЛИ-НЕ». Непосредственно после включения питания конденсатор C₁ разряжен, и напряжение VC₁ на нем равно нулю. На то время, пока C₁ удерживает вход A в низком логическом состоянии, микросхема IC₁ превращается в инвертор и образует простой автоколебательный генератор, работающий на частоте, определяемой параметрами компонентов C₂ и R₂. Прямоугольные импульсы на выходе IC₁ управляют ключевым транзистором Q₂.

Рисунок 2.	При соединении выводов 1 и 2 с землей NC7SV57 приобретает конфигурацию двухвходового элемента «ИЛИ-НЕ».

Когда уровень напряжения на выходе IC₁ становится высоким, включается транзистор Q₂ и переходит в режим насыщения, открывая путь току I_L, текущему через дроссель L₁. Ток через дроссель нарастает со скоростью, определяемой, в основном, напряжением батареи V_BATT, индуктивностью дросселя L₁ и временем t_ON включения транзистора Q₂. На этом интервале светодиод D₁ и транзистор Q₁ выключены. При условии, что дроссель не насыщается, ток I_L нарастает линейно и в конце пред выключением транзистора достигает пикового значения I_L(PEAK).

Когда выход IC₁ переходит в состояние логического нуля, транзистор Q₂ закрывается, противо-ЭДС дросселя L₁ открывает светодиод D₁, и напряжение V_A на его аноде поднимается до уровня, превышающего напряжение батареи V_BATT. Ток проходит через L₁ и D₁ и, по мере убывания энергии, накопленной в L₁, линейно спадает до нуля. При емкости конденсатора C₂ равной 100 пФ и сопротивлении R₂ = 220 кОм частота колебаний генератора устанавливается в диапазоне примерно от 20 до 30 кГц. В каждом цикле колебаний импульс тока с пиковым уровнем I_L(PEAK) проходит через светодиод. Благодаря высокой частоте повторения и инерционности зрения светодиод кажется постоянно включенным.

В отсутствие элементов Q₁ и R₃ автоколебательный генератор работал бы непрерывно, и светодиод был бы зажжен постоянно. Однако Q₁ и R₃ создают путь заряда для конденсатора C₁. В той части каждого периода прямоугольных импульсов генератора, когда V_A становится больше V_BATT, переход база-эмиттер транзистора Q₁ открывается напряжением, падающем на резисторе R₃, позволяя импульсу тока проходить через Q₁ в конденсатор C₁. Величина этого импульса тока зависит, прежде всего, от прямого падения напряжения на D₁ и сопротивления резистора R₃. После каждого импульса тока заряд конденсатора C₁ немного увеличивается, и напряжение на конденсаторе возрастает. Когда напряжение заряда достигает верхнего порога переключения входа A микросхемы IC₁, генератор останавливается, и на выходе IC₁ устанавливается низкий уровень напряжения. Соответственно, Q₂ и светодиод закрываются, и импульсы тока перестают проходить через Q₁.

Затем конденсатор C₁ разряжается через резистор R₁, и напряжение VC₁ падает со скоростью, определяемой только постоянной времени R₁C₁. D₁ остается выключенным до тех пор, пока напряжение VC₁ не упадет ниже нижнего порога переключения входного триггера Шмитта микросхемы IC₁, после чего колебания генератора возобновляются, светодиод включается, и цикл свечения повторяется.

При указанных на Рисунке 1 номиналах элементов C₁ и R₁ время включенного состояния светодиода в первом приближении пропорционально величине сопротивления R₃. Если эта величина относительно невелика, вспышка будет короткой, тогда как увеличение сопротивления позволит увеличить время включения светодиода до нескольких секунд. Время, в течение которого светодиод остается выключенным, зависит только от значений C₁ и R₁. Для того, чтобы напряжение VC₁ могло гарантированно превысить верхний порог переключения IC₁, сопротивление резистора R₁ должно быть больше, чем сопротивление R₃.

В качестве Q₁ вы можете использовать любой малосигнальный p-n-p транзистор с хорошим коэффициентом передачи тока, поскольку его параметры для схемы некритичны. Однако для максимального использования напряжения батареи в качестве Q₂ выберите прибор с низким напряжением насыщения коллектор-эмиттер. Если напряжение насыщения достаточно мало, чтобы им можно было пренебречь, рассчитать пиковый ток дросселя можно по формуле

Интенсивность свечения светодиода пропорциональна его среднему прямому току и, таким образом, частично определяется величиной I_L(PEAK). Для получения оптимальной яркости свечения подберите время его включения и величину индуктивности L₁ такими, чтобы ток I_L(PEAK) был максимальным, но, в то же время, не превышал предельных значений, допустимых для D₁ и L₁. Фактическая значение L₁ не является критическим, однако хорошие характеристики и приемлемый КПД получаются в том случае, если индуктивность выбирается из диапазона от 100 до 330 мкГн.

При больших значениях номиналов C₁, R₁ и R₃, светодиод вспыхивает довольно редко. Если выбрать C₁ = 3.3 мкФ, R₁ = 1 МОм и R₃= 100 кОм, то при напряжении батареи 1.6 В светодиод будет зажигаться с частотой примерно 0.4 Гц. При снижении напряжения V_BATT до 0.8 В немного меняется частота вспышек. Яркость, с которой горит светодиод при напряжении батареи 1.6 В, остается практически неизменной даже тогда, когда напряжение опускается до 0.8 В. Схема продолжает работать и при разряде батареи до 0.65 В, хотя яркость светодиода при таком напряжении уменьшается уже весьма существенно.

Согласно справочным данным на микросхему NC7SV57, ее работа гарантируется в диапазоне напряжений питания от 0.9 В до 3.6 В, что позволяет использовать вентиль в схемах с одной или двумя щелочными батареями, никель-кадмиевыми аккумуляторами или с одним 3-вольтовым литиевым элементом. Микросхему SN74LVC1G57 с аналогичными функциями выпускает Texas Instruments, однако она способна работать в более высоком диапазоне напряжений от 1.65 В до 5.5 В. Если мигающий режим вам не понадобится, просто удалите из схемы C₁, R₁, R₃ и Q₁. Для управления включением и выключением светодиода вы можете подвести открывающий сигнал к входу A микросхемы IC₁.

Ссылки

1. Smith Anthony, «Single cell flashes white LED», EDN, Dec 11, 2003, pg 84.

Материалы по теме

1. Datasheet Fairchild NC7SV57
2. Datasheet Texas Instruments SN74LVC1G57