Сверхяркие светодиоды белого свечения - экономичные маломощные излучатели света, способные с успехом заменить в карманных фонарях лампы накаливания. В последнее время в продаже появились светодиодные фонари промышленного изготовления. Эта статья поможет радиолюбителям самостоятельно изготовить такой же и, заодно, разобраться в некоторых тонкостях питания светодиодов.
Особенность светодиода как нагрузки для источника питания состоит втом, что он, в отличие от лампы накаливания, имеет нелинейную вольт-амперную характеристику с резко выраженной "'пяткой" на начальном участке. Прямое падение напряжения на светодиоде белого свечения при рабочих значениях тока превышает 3 В. Питать его от батареи напряжением 4,5 В из трех гальванических элементов нерационально - треть энергии будет израсходована впустую, рассеиваясь на гасящем резисторе. Напряжения двух, а тем более от одного гальванического элемента недостаточно, требуется преобразователь, повышающий напряжение до нужного значения и поддерживающий его неизменным при разрядке батареи.
Такой преобразователь можно собрать по схеме, показанной на рис. 1. Его основа - микросхема МАХ756 фирмы "Maxim", разработанная специально для портативных электронных приборов с автономным питанием. Преобразователь сохраняет работоспособность при снижении питающего напряжения до 0,7 В. Стабилизированное выходное напряжение может быть установлено равным 3.3 или 5 В при выходном токе соответственно до 300 или 200 мА. КПД при максимальной нагрузке - более 87 %.
Микросхема DA1 включена по типовой схеме. Дроссель L1, диод VD1 и конденсатор C3 вместе со встроенным в микросхему полевым транзистором (его сток соединен с выводом 8, исток - с выводом 7) образуют ключевой инвертор повышающего типа. Конденсатор С2 блокирует по переменному току внутренний источник образцового напряжения, а С1 - батарею GB1. Напряжение обратной связи с выхода инвертора поступает на вывод 6 микросхемы. Показанное на схеме подключение вывода 2 соответствует выходному напряжению 3,3 В. Если соединить этот вывод с общим проводом (выводом 7), напряжение возрастет до 5 В. Соединение с общим проводом вывода 1 остановит инвертор. Вывод 5 - вход не используемой в данном случае системы контроля питающего напряжения. Он не должен оставаться свободным и по этой причине соединен с плюсом батареи GB1.
Цикл работы инвертора можно разделить на две фазы. В первой - внутренний транзистор открыт, через дроссель L1 течет линейно нарастающий ток. Магнитное поле дросселя накапливает энергию. Диод VD1 закрыт. Конденсатор C3 разряжается, отдавая ток в нагрузку. Номинальная длительность фазы - 5 мкс, но она может быть автоматически прервана раньше, если ток стока транзистора достигнет максимально допустимого значения (приблизительно 1 А).
Во второй фазе цикла транзистор закрыт. Ток дросселя L1, текущий теперь, спадая, через диод VD1, заряжает конденсатор C3, компенсируя его разрядку в первой фазе. С достижением напряжением на конденсаторе заданного порога фаза прекращается. В зависимости от напряжения питания и тока нагрузки частота повторения описанного цикла изменяется в очень широких пределах.
С уменьшением входного напряжения и увеличением тока нагрузки микросхема МАХ756 переходит в режим с фиксированной длительностью фаз (соответственно 5 и 1 мкс). Выходное напряжение не стабилизировано, оно снижается, оставаясь максимально возможным в таких условиях
В качестве светоизлучателей в фонарь установлены четыре светодиода L-53PWC "Kingbright", включенных параллельно. Разъем Х1 - имеющийся в фонаре ламповый патрон. Поскольку при токе 15...30 мА прямое падение напряжения на светодиоде приблизительно 3,1 В, лишние 0,2 В пришлось погасить на резисторе R1, включенном последовательно. С разогревом светодиодов падение напряжения на них уменьшается и последовательный резистор в какой-то мере стабилизирует ток и яркость свечения. Выравнивать значения тока через отдельные светодиоды не пришлось. Различия их яркости "на глаз" не обнаружено.
За основу конструкции был взят карманный фонарь "VARTA" с поворотным светоизлучающим узлом. В принципе подойдет любой другой фонарь, в котором найдется свободное место для размещения необходимых деталей. Благодаря использованию малогабаритных компонентов все удалось разместить внутри светоизлучающего узла (рис. 2). Монтаж производился навесным способом с использованием выводов микросхемы в качестве опорных точек.
Четыре светодиода, как показано на рис. 3, заняли место удаленной стеклянной колбы "штатной" лампы фонаря. Выводы их анодов припаяны к металлической оболочке цоколя, выводы катодов пропущены в его центральное отверстие и пропаяны.
Оксидные конденсаторы С1 и C3 - импортные танталовые для поверхностного монтажа. Их низкое последовательное сопротивление благоприятно влияет на КПД. Конденсатор С2 - К10-176 или любой другой керамический. Диод 1N5817 с барьером Шотки можно заменить на SM5817 или, пренебрегая немного большим прямым падением напряжения, на 1N5818 (SM5818). Обмотка дросселя L1 - 35 витков провода ПЭВ-2 0,28, намотанных на магнитопроводе от дросселя сетевого фильтра маломощного импульсного источника питания. Это кольцо типоразмера К10x4x5 из молибденового пермаллоя магнитной проницаемостью 60. Можно использовать дроссели индуктивностью 40... 100 мкГн и допустимым током не менее 1 А серии ДМ со стержневым магнитопроводом. Желательно, чтобы активное сопротивление обмотки дросселя не превышало 0,1 Ом, иначе КПД устройства заметно снизится.
Возможности изготовленного преобразователя напряжения были проверены с использованием регулируемого источника напряжения 0...3 В вместо батареи GB1. Снятая зависимость выходного напряжения от входного показана на рис. 4. Преобразователь продолжал работать даже при снижении напряжения питания до 0,4 В, отдавая в этом режиме напряжение 2,6 В при токе 7 мА (вместо исходных 110 мА). Свечение светодиодов все еще оставалось заметным. После выключения и повторного включения преобразователь запускался лишь при напряжении питания более 0,7 В. Измеренный КПД при свежих элементах питания составил 87 %.
Фирма Maxim сегодня выпускает усовершенствованный вариант микросхемы МАХ756 - МАХ1674. В ней имеется встроенный синхронный выпрямитель, делающий ненужным внешний диод и дающий возможность довести КПД преобразователя до 94 %. Следует иметь в виду, что достичь столь высокого КПД удается только при правильном выборе типа и номиналов внешних элементов и продуманном монтаже преобразователя.
Автор: Б.Ращенко, г.Новосибирск