Андрій Шарий, с.Кувечічі,
Чернігівська область, Україна.
E-mail andrij_s (at) mail.ru
Прогрес подарував нам нове джерело світла - світлодіоди білого кольору світіння. Вони мають ряд переваг в порівнянні з традиційними лампами розжарювання і газорозрядними трубками: великий ресурс порядку 100000 годин, висока економічність, висока міцність і несприйнятливість до вібрацій і ударів. Але всі ці переваги можуть бути реалізовані тільки при правильній організації електроживлення. Світлодіод на відміну від лампи розжарювання має дуже нелінійну вольт-амперну характеристику. При незначному зростанні напруги харчування понад 3,6-3,7 В струм споживання різко зростає і може легко досягти небезпечних меж. Ідеальним режимом експлуатації світлодіода є харчування його постійним стабілізованим струмом. Але часто, особливо в дешевих ліхтарях, світлодіоди підключають до батареї або акумулятора безпосередньо, навіть без струмообмежувального резистора, що призводить до підвищеного току (а значить різкої деградації світлодіода) поки батарея свіжа і різкого зниження світловіддачі при навіть незначному розряді. Іноді можна зустріти варіант з включеним послідовно з светодіом струмообмежувальним резистором, але і цей варіант не забезпечує належну стабілізацію робочого режиму, хоча і запобігає передчасному виходу з ладу світлодіода. Крім того, на резисторі розсіюється значна кількість тепла, що різко знижує ККД ліхтаря. У фірмових (дорогих) ліхтариках можна зустріти схеми стабілізації струму на спеціалізованих мікросхемах, що недоступно для повторення простому смертному радіоаматори.
Рис. 1. Принципова схема стабілізатора струму
Використовуючи ж давно відому в радіоаматорських колах схему (рис. 1) імпульсного стабілізатора струму із застосуванням сучасних доступних радіодеталей можна зібрати дуже непоганий світлодіодний ліхтар.
Автором для доопрацювання і переробки був придбаний безпородний ліхтар з акумулятором 6 У 4 Ач, з «прожектором» на лампі 4,8 В 0,75 А і джерелом розсіяного світла на ЛДС 4 Вт. «Рідна» накальная лампочка майже відразу почорніла зважаючи роботи на завищеному напрузі і вийшла з ладу після декількох годин роботи. Повної зарядки акумулятора при цьому вистачало на 4-4,5 години роботи. Включення ЛДС взагалі навантажувати акумулятор струмом близько 2,5 А, що призводило до його розряду через 1-1,5 години.
Для удосконалення ліхтаря на радіоринку були придбані білі світлодіоди невідомої марки: один з променем расходимостью 30o і робочим струмом 100 мА для «прожектора» а також десяток матових з робочим струмом 20 мА для заміни ЛДС. За схемою (рис.1) був зібраний генератор стабільного струму, що має ККД близько 90%. Схемотехніка стабілізатора дозволила використовувати для перемикання світлодіодів штатний перемикач. Зазначений на схемі світлодіод LED2 є батарею з 10 паралельно з'єднаних однакових білих світлодіодів, розрахованих на силу струму 20 мА кожен. Паралельне з'єднання світлодіодів здається не зовсім доцільним на увазі нелінійність і крутизни їх ВАХ, але як показав досвід, розкид параметрів світлодіодів настільки малий, що навіть при такому включенні їх робочі струми практично однакові. Важливо тільки повна ідентичність світлодіодів, по можливості їх треба купити «з однієї заводської упаковки».
Після доопрацювання «прожектор» звичайно став трохи слабший, але цілком достатній, режим розсіяного світла візуально не змінився. Але тепер завдяки високому ККД стабілізатора струму при використанні спрямованого режиму від акумулятора споживається струм 70 мА, а в режимі розсіяного світла - 140 мА, тобто ліхтар може працювати без підзарядки приблизно 50 або 25 годин відповідно. Яскравість від ступеня розрядженого акумулятора не залежить завдяки стабілізації струму.
Схема стабілізатора струму працює таким чином: При подачі живлення на схему транзистори Т1 і Т2 замкнені, Т3 відкрито, тому як на його затвор подано відмикає напруга через резистор R3. Завдяки наявності в ланцюзі світлодіода котушки індуктивності L1 ток наростає плавно. У міру зростання струму в ланцюзі світлодіода зростає падіння напруги на ланцюжку R5- R4, як тільки воно досягне приблизно 0,4 В, відкриється транзистор Т2, а слідом за ним і Т1, який в свою чергу закриє струмовий ключ Т3. Наростання струму припиняється, в котушці індуктивності виникає струм самоіндукції, який через діод D1 починає протікати через світлодіод і ланцюжок резисторів R5- R4. Як тільки струм зменшитися нижче певного порогу, транзистори Т1 І Т2 закриються, Т3 - відкриється, що призведе до нового циклу накопичення енергії в котушці індуктивності. У нормальному режимі коливальний процес відбувається на частоті близько десятків кілогерц.
Про деталі: особливих вимог до деталей не пред'являється, можна використовувати будь-які малогабаритні резистори і конденсатори. Замість транзистора IRF510 можна застосувати IRF530, або будь-який n-канальний польовий ключовий транзистор на ток більше 3 А і напруга більше 30 В. Діод D1 повинен бути обов'язково з бар'єром Шотткі на ток більше 1 А, якщо поставити звичайний навіть високочастотний типу КД212, ККД знизиться до 75-80%. Котушка індуктивності може бути саморобна, мотають її проводом не тонше 0,6 мм, краще - джгутом з декількох більш тонких проводів. Близько 20-30 витків дроту на броньовий сердечник Б16-Б18 обов'язково з немагнітним зазором 0,1-0,2 мм або близький з фериту 2000НМ. При можливості товщину немагнітного зазору підбирають експериментально по максимальному ККД пристрою. Непогані результати можна отримати з ферритами від імпортних котушок індуктивності, що встановлюються в імпульсних блоках харчування а також в енергозберігаючих лампах. Такі сердечники мають вигляд котушки для ниток, не вимагають каркаса і немагнітного зазору. Дуже добре працюють котушки на тороїдальних сердечниках з пресованого залізного порошку, які можна знайти в комп'ютерних блоках харчування (на них намотані котушки індуктивності вихідних фільтрів). Немагнітний зазор в таких сердечниках рівномірно розподілений в обсязі завдяки технології виробництва.
Цю ж схему стабілізатора можна використовувати і спільно з іншими акумуляторами і батареями гальванічних елементів напругою 9 або 12 вольт без якої-небудь зміни схеми або номіналів елементів. Чим вище буде напруга живлення, тим менший струм буде споживати ліхтарик від джерела, його ККД буде залишатися незмінним. Робочий струм стабілізації задають резистори R4 і R5. При необхідності ток може бути збільшений до 1 А без застосування теплооотводов на деталях, тільки підбором опору задають резисторів.
Зарядний пристрій для акумулятора можна залишити «рідне» або зібрати по будь-якій з відомих схем або взагалі застосувати зовнішнє для зменшення ваги ліхтаря.
Збирається пристрій навісним монтажем у вільних порожнинах корпусу ліхтарика і заливається термоклеем для герметизації.
Непогано також додати в ліхтар новий пристрій: індикатор ступеня зарядженості акумулятора (рис. 2).
Рис. 2. Принципова схема індикатора ступеня зарядки акумулятора.
Пристрій являє собою по суті вольтметр з дискретної світлодіодним шкалою. Цей вольтметр має два режими роботи: в першому він оцінює напруга на розряджайте, а в другому - напруга на заряджає акумулятор. Тому, щоб правильно оцінити ступінь зарядженості для цих режимів роботи обрані різні діапазони напруг. У режимі розряду акумулятор можна вважати повністю зарядженим, коли на ньому напруга дорівнює 6,3 В, коли він повністю розрядиться, напруга знизиться до 5,9 В. У процесі ж зарядки напруги інші, повністю зарядженим вважається акумулятор, напруга на клемах якого 7, 4 В. В зв'язку з цим і вироблений алгоритм роботи індикатора: якщо зарядний пристрій не підключений, тобто на клеми «+ Зар.» немає напруги, «помаранчеві» кристали двоколірних світлодіодів знеструмлені і транзистор Т1 замкнений. DA1 формує опорне напруга, що визначається резистором R8. Опорна напруга подається на лінійку компараторов ОР1.1 - ОР1.4, на яких і реалізований власне вольтметр. Щоб побачити, скільки заряду залишилося в акумуляторі, треба натиснути на кнопку S1. При цьому буде подано напругу харчування на всю схему і в залежності від напруги на акумуляторі загориться певну кількість зелених світлодіодів. При повному заряді горітиме весь стовпчик з 5 зелених світлодіодів, при повному розряді - тільки один, найнижчий світлодіод. При необхідності напруга коректують, підбираючи опір резистора R8. Якщо включається зарядний пристрій, через клему «+ Зар.» І діод D1 напруга надходить на схему, включаючи «помаранчеві» частини світлодіодів. Крім того, відкривається Т1 і підключає паралельно резистору R8 резистор R9, в результаті чого опорна напруга, що формується DA1 збільшується, що призводить до зміни порогів спрацьовування компараторів - вольтметр перебудовується на більш високу напругу. В цьому режимі весь час, поки акумулятор заряджається, індикатор відображає процес його зарядки також стовпчиком світяться світлодіодів, тільки на цей раз стовпчик помаранчевий.
