Світлодіоди, як джерела оптичного випромінювання, мають незаперечні достоїнства: малі габарити, високу яскравість світіння при мінімальному (одиниці мА) струмі, економічність. Але в силу технологічних особливостей вони не можуть світитися при напрузі нижче 1,6 … 1,8 В. Ця обставина різко обмежує можливість застосування світлодіодних випромінювачів в широкому класі пристроїв, що мають низьковольтне харчування, зазвичай від одного гальванічного елемента.

Незважаючи на очевидну актуальність проблеми низьковольтного харчування світлодіодних джерел оптичного випромінювання, відомо дуже обмежену кількість схемних рішень, в яких автори намагалися вирішити цю задачу.

У цьому зв’язку нижче наведено огляд схем живлення світлодіодів від джерела низького (0,25 … 1,6 В) напруги. Різноманіття схем, наведених у цій главі, можна звести до двох основних різновидів перетворення напруги низького рівня в високе. Це схеми з ємнісними і індуктивними накопичувачами енергії [Рк 5/00-23].

На рис. 9.1 показана схема живлення світлодіода з використанням принципу подвоєння напруги живлення. Генератор низькочастотних імпульсів виконаний на транзисторах різної структури: КТ361 і КТ315. Частота проходження імпульсів визначається постійною часу R1C1, а тривалість імпульсів – постійної часу R2C1. З виходу генератора короткі імпульси через резистор R4 подаються на базу транзистора VT3, в колекторних ланцюг якого включений світлодіод HL1 (АЛ307КМ) червоного кольору світіння і германієвий діод VD1 типу Д9. Між виходом генератора імпульсів і точкою з’єднання світлодіода з германієвих діодів підключений електролітичний конденсатор С2 великої ємності.

У період тривалої паузи між імпульсами (транзистор VT2 закритий і не проводить струм) цей конденсатор заряджається через діод VD1 і резистор R3 до напруги джерела живлення. При генерації короткого імпульсу транзистор VT2

відкривається. Негативно заряджена обкладка конденсатора С2 виявляється з’єднаної з позитивною шиною живлення. Діод VD1 закривається. Заряджений конденсатор С2 виявляється підключеним послідовно з джерелом харчування. Сумарне напруга прикладена до ланцюга світлодіод – перехід емітер – колектор транзистора VT3. Оскільки тим же імпульсом транзистор VT3 відмикається, його опір емітер – колектор стає малим. Таким чином, практично подвоєне напруга живлення (виключаючи незначні втрати) виявляється короткочасно доданим до світлодіоду: слід його яскравий спалах. Після цього процес заряду – розряду конденсатора С2 періодично повторюється.

   

Рис. 9.1

Оскільки світлодіоди допускають роботу при короткочасному струмі в імпульсі, в десятки разів перевершує номінальні значення, пошкодження світлодіода не відбувається. Якщо необхідно підвищити надійність роботи світлодіодних випромінювачів з низьковольтним харчуванням і розширити діапазон напруги живлення в бік збільшення, послідовно зі світлодіодом слід включити токоогранічі-вающий резистор опором десятки, сотні Ом.

При використанні в схемах цієї глави світлодіода типу АЛ307КМ з напругою початку ледь помітного світіння 1,35 … 1,4 В і напругою, при якій без обмежувального опору струм через світлодіод становить 20 мА, 1,6 … 1,7 В, робоча напруга генератора, представленого на рис. 9.1, становить 0,8 … 1,6 В. Межі діапазону визначені експериментально тим же чином: нижня вказує напруга початку світіння світлодіода, верхня – напруга, при якому струм, споживаний всім пристроєм, становить приблизно 20 мА, тобто не перевищує в самих несприятливих умовах експлуатації граничний струм через світлодіод і, одночасно, сам перетворювач.

Як вже зазначалося раніше, генератор (рис. 9.1) працює в імпульсному режимі, що є з одного боку недоліком схеми, з іншого боку – гідністю, оскільки дозволяє генерувати яскраві спалахи світла, що привертають увагу. Генератор досить економічний, оскільки середній струм, споживаний пристроєм, невеликий. В той же час в схемі необхідно використовувати хоча і низьковольтний, але досить громіздкий електролітичний конденсатор великої ємності (С2).

На рис. 9.2 показаний спрощений варіант генератора, що працює аналогічно викладеному вище. Генератор, використовуючи малогабаритний електролітичний конденсатор, працює при напрузі живлення від 0,9 до 1,6 В. Середній струм, споживаний пристроєм, не перевищує 3 мА при частоті проходження імпульсів близько 2 Гц. Яскравість генеруються спалахів світла трохи нижче, ніж в попередній схемі.

   

Рис. 9.2

Генератор, показаний на мал. 9.3, використовує в якості навантаження телефонний капсуль ТК-67. Це дозволяє підвищити амплітуду генеруються імпульсів і знизити тим самим на 200 мВ нижню кордон початку роботи генератора. За рахунок переходу на більш високу частоту генерації вдається здійснити безперервну «перекачування» (перетворення) енергії і відчутно знизити ємності конденсаторів.

На рис. 9.4 показаний генератор з вихідним каскадом, в якому здійснюється подвоєння вихідної напруги. При закритому транзисторі VT3 до світлодіоду докладено тільки невелике за величиною напруга живлення. Електричний опір світлодіода велике в силу яскраво вираженої нелінійності ВАХ і набагато перевищує опір резистора R6. Тому конденсатор С2 виявляється підключеним до джерела живлення через резистори R5 і R6.

   

Рис. 9.3

   

Рис. 9.4

Хоча замість германієвого діода використаний резистор R6, принцип роботи подвоювач напруги залишається тим же: заряд конденсатора С2 при закритому транзисторі VT3 через резистори R5 і R6 з подальшим підключенням зарядженого конденсатора послідовно з джерелом харчування. При додатку подвоєного таким чином напруги динамічний опір світлодіода на більш крутій ділянці ВАХ стає на час розряду конденсатора порядку 100 Ом і менше, що набагато нижче опору шунтуючого конденсатор резистора R6.

Розширити робочий діапазон напруг живлення (від 0,8 до 6 В) дозволяє використання резистора R6 замість германієвого діода. Якби в схемі стояв германієвий діод, напруга живлення пристрої було б обмежене величиною 1,6 … 1,8 В. При подальшому збільшенні напруги живлення струм через світлодіод і германієвий діод виріс би до неприйнятно високою величини і сталося б їх необоротне пошкодження.

У генераторі, представленому на рис. 9.5 одночасно зі світловими виробляються дзвінкі імпульси звукової частоти. Частота звукових сигналів визначається параметрами коливального контуру, утвореного обмоткою телефонного капсуля і конденсатора С2.

   

Рис. 9.5

   

Рис. 9.6

Джерела живлення світлодіодів на основі мультивібраторів зображені на рис. 9.6, 9.7. Перша схема виконана на основі асиметричного мультивібратора, який виробляє, як і пристрої (Рис. 9.1 – 9.5), короткі імпульси з протяжної междуімпульсной паузою. Накопичувач енергії – електролітичний конденсатор СЗ періодично заряджається від джерела живлення і розряджається на світлодіод, підсумовуючи своє напруження з напругою живлення.

На відміну від попередньої схеми генератор (рис. 9.7) забезпечує безперервний характер світіння світлодіода. Пристрій виконаний на основі симетричного мультивібратора і працює на підвищених частотах. У цьому зв’язку ємності конденсаторів в цій схемі на 3 … 4 порядки нижче. У той же час яскравість світіння помітно знижена, а середній струм, споживаний генератором при напрузі джерела живлення 1,5 6 не перевищує 3 мА.

   

Рис. 9.7

   

Рис. 9.8

У генераторах, показаних далі на рис. 9.8 – 9.13, в якості активного елементу використовується кілька незвичайне послідовне з’єднання транзисторів різного типу провідності, до того ж, охоплених позитивним зворотним зв’язком.

Конденсатор позитивного зворотного зв’язку (рис. 9.8) одночасно виконує роль накопичувача енергії для отримання напруги, достатнього для живлення світлодіода. Паралельно переходу база – Колектор транзистора VT2 (типу КТ361) включений германієвий діод (або замінює його опір, рис. 9.12). У генераторі з RC-ланцюжком (рис. 9.8) за рахунок істотних втрат напруги на напівпровідникових переходах робоча напруга пристрою становить 1,1 … 1,6 В.

Помітно знизити нижню межу напруги живлення стало можливим за рахунок переходу на LC-варіант схеми генераторів, що використовують індуктивні накопичувачі енергії (рис. 9.9 – 9.13).

   

Рис. 9.9

   

Рис. 9.10

В якості індуктивного нагромаджувача енергії в першій зі схем використаний телефонний капсуль (рис. 9.9). Одночасно зі світловими спалахами генератор виробляє акустичні сигнали. При збільшенні ємності конденсатора до 200 мкФ генератор переходить в імпульсний економічний режим роботи, виробляючи переривчасті світлові і звукові сигнали.

Перехід на більш високі робочі частоти можливий за рахунок використання малогабаритної котушки індуктивності з великою добротністю. У зв’язку з цим з’являється можливість помітно зменшити обсяг пристрою і знизити нижню межу живлячої напруги (рис. 9.10 – 9.13). В якості індуктивності використана котушка контуру проміжної частоти від радіоприймача «ВЕФ» індуктивністю 260 мкГн. На рис. 9.11, 9.12 показані різновиди таких генераторів.

   

Рис. 9.11

   

Рис. 9.12

Нарешті, на рис. 9.13 показаний найбільш спрощений варіант пристрою, в якому замість конденсатора коливального контуру використаний світлодіод.

Перетворювачі напруги конденсаторного типу (з подвоєнням напруги), використовувані для харчування світлодіодних випромінювачів, теоретично можуть забезпечити зниження робочої напруги харчування тільки до 60% (граничне, ідеальне значення – 50%). Використання в цих цілях багатокаскадних помножувачів напруги неперспективно у зв’язку з прогресивно зростаючими втратами і падінням ККД перетворювача.

   

Рис. 9.13

   

Рис. 9.14

Перетворювачі з індуктивними накопичувачами енергії більш перспективні при подальшому зниженні робочої напруги генераторів, що забезпечують роботу світлодіодів. При цьому зберігаються високий ККД і простота схеми перетворювача.

На рис. 9.14 – 9.18 показані перетворювачі для живлення світлодіодів індуктивного і індуктивно-ємнісного типу, виконані на основі генераторів з використанням в якості активного елемента аналогів інжекційно-польового транзистора [Рк 5/00-23]. Більш докладно принцип роботи генераторів на аналогах інжекційно-польового транзистора був викладений у главі 8.

Перетворювач, зображений на рис. 9.14, є пристроєм індуктивно-ємнісного типу. Генератор імпульсів виконаний на аналогу інжекційно-польового транзистора (транзистори VT1 ​​і VT2). Елементами, що визначають робочу частоту генерації в діапазоні звукових частот, є телефонний капсуль BF1 (типу ТК-67), конденсатор С1 і резистор R1. Короткі імпульси, вироблювані генератором, надходять на базу транзистора VT3, відкриваючи його. Одночасно відбувається заряд / розряд ємнісного накопи 1еля енергії (конденсатор С2). При надходженні імпульсу позитивно заряджена обкладка конденсатора С2 виявляється з’єднаної з загальною шиною через відкритий на час дії імпульсу транзистор VT2. Діод VD1 закривається, транзистор VT3 – відкритий. Таким чином, до ланцюга навантаження (світлодіоду HL1) виявляються приєднані послідовно включені джерело живлення і заряджений конденсатор С2, в результаті чого слід яскравий спалах світлодіода.

   

Рис. 9.15

Розширити діапазон робочих напруг перетворювача дозволяє транзистор VT3. Пристрій працездатно при напругах від 1,0 до 6,0 В. Нагадаємо, що нижня межа відповідає ледь помітного світінням світлодіода, а верхня – споживанню пристроєм струму в 20 мА. В області малих напруг (до 1,45 В) звукова генерація не чутна, хоча у міру подальшого збільшення напруги живлення пристрій починає виробляти та звукові сигнали, частота яких досить швидко знижується.

Перехід на більш високі робочі частоти (рис. 9.15) за рахунок використання високочастотної котушки дозволяє зменшити ємність конденсатора, «перекачує» енергію (конденсатор С1). В якості ключового елемента, що підключає світлодіод до «плюсової» шині живлення на період проходження імпульсу, використаний польовий транзистор VT3 (КП103Г). В результаті діапазон робочих напружень цього перетворювача розширений до 0,7 … 10 В.

Помітно спрощені, але працюючі в обмеженому інтервалі напруг живлення пристрою показані на рис. 9.16 і 9.17. Вони забезпечують світіння світлодіодів в діапазоні 0,7 … 1,5 В (при R1 = 680 Ом) і 0,69 … 1,2 В (при R1 = 0 Ом), а також від 0,68 до 0,82 В (рис. 9.17). Найбільш простий генератор на аналогу інжекційно-польового транзистора (рис. 9.18), де світлодіод одночасно виконує роль конденсатора і є навантаженням генератора. Пристрій працює в досить вузькому діапазоні живлячих напруг, проте яскравість світіння світлодіода досить висока, оскільки перетворювач (рис. 9.18) є чисто індуктивним і має високий ККД.

   

Рис. 9.16

   

Рис. 9.17

Наступний вид перетворювачів досить добре відомий і є більш традиційним. Це перетворювачі трансформаторного і автотрансформаторного типу.

На рис. 9.19 показаний генератор трансформаторного типу для живлення світлодіодів низьковольтним напругою. Генератор містить лише три елементи, одним з яких є светоизлучающий діод. Без світлодіода пристрій є найпростішим блокінг-генератором, причому на виході трансформатора може бути отримано досить висока напруга. Якщо в якості навантаження генератора використовувати світлодіод, він починає яскраво світитися навіть при низькому значенні напруги живлення (0,6 … 0,75 В).

   

Рис. 9.18

   

Рис. 9.19

У цій схемі (рис. 9.19) обмотки трансформатора мають по 20 витків дроту ПЕВ 0.23. В якості сердечника трансформатора використано ферритові кільце М1000 (1000НМ) До 10x6x2, 5. У випадку відсутності генерації висновки однієї з обмоток трансформатора следуе! поміняти місцями.
   
Перетворювач, показаний на мал. 9.20, має саме низька напруга живлення з усіх розглянутих пристроїв. Істотного пониження нижньої межі робочої напруги вдалося досягти за рахунок оптимізації вибору числа (співвідношення) витків обмоток і способу їх включення. При використанні високочастотних германієвих транзисторів типу 1Т311, 1Т313 (. ГТ311, ГТ313) подібні перетворювачі починають працювати пої напояженіі харчування вище 125 мВ.

   

Рис. 9.20

   

Рис. 9.21

В якості сердечника трансформатора, як і в попередній схемі, використано ферритові кільце М1000 (1000НМ) К10x6x2, 5. Первинна обмотка виконана проводом ПЕВ 0,23 мм, вторинна – ПЕВ 0,33. Досить яскраве свічення світлодіода спостерігається вже при напрузі 0,3 В.

На рис. 9.21 представлені експериментально виміряні характеристики генератора (рис. 9.20) при варіюванні числа витків обмоток. З аналізу отриманих залежностей випливає, що існує область оптимального співвідношення числа витків первинної і вторинної обмоток, причому, зі збільшенням числа витків первинної обмотки мінімальне робоче напруга перетворювача плавно знижується, причому одночасно звужується і діапазон робочих напруг перетворювача.

Для вирішення зворотної задачі – розширення діапазону робочих напруг перетворювача – послідовно з ним може бути підключена RC-ланцюжок (рис. 9.22). Ще один вид перетворювачів представлений на рис. 9.23 – 9.29. Їх особливість – використання індуктивних накопичувачів енергії та схем. виконаних за типом «індуктивної» або «ємнісний трьох-точки» з бар’єрним режимом включення транзистора.
   
Генератор (рис. 9.23) працездатний в діапазоні напруг від 0,66 до 1,55 В. Для оптимізації режиму роботи потрібно підбір номіналу резистора R1. В якості котушки індуктивності, як і в багатьох попередніх схемах. використана котушка контуру фільтра ПЧ індуктивністю 260 мкГн.

Так, при числі витків первинної обмотки п (1) дорівнює 50 … 60 і числі витків вторинної л (II) – 12, пристрій працездатно в діапазоні живлячих напруг 260 … 440 мВ (співвідношення числа витків 50 до 12), а при співвідношенні числа витків 60 до 12 – 260 … 415 мВ. При використанні феритового сердечника іншого типу або розміру це співвідношення може порушитися і бути іншим. Корисно самостійно виконати подібне дослідження, а результати для наочності представити у вигляді графіка.

Вельми цікавим представляється використання тунельного діода в розглянутих генераторах (аналогічного наведеному на рис. 9.20), включеного замість переходу емітер – база транзистора VT1.

   

Рис. 9.22

Генератор (рис. 9.24) трохи відрізняється від попереднього (рис. 9.23). Цікавою його особливе 1ью є те; що яскравість світіння світлодіода змінюється з ростом напруги живлення (рис. 9.25). Причому максимум яскравості досягається при 940 мВ. Перетворювач, показаний на мал. 9.26, можна віднести до генераторів, виконаним за схемою «трехточкі», причому світлодіод виконує роль одного з конденсаторів. Трансформатор пристрою виконаний на феритових кільцях (1000HM) К10x6x2, 5, причому його обмотки містять приблизно по 15 … 20 витків дроту ПЕЛШО 0,18.

   

Рис. 9.23

   

Рис. 9.24

   

Рис. 9.25

   

Рис. 9.26

   

Рис. 9.27

   

Рис. 9.28

Перетворювач (рис. 9.27) відрізняється від попереднього точкою підключення світлодіода. Залежність яскравості світіння світлодіода від напруги живлення показана на рис. 9.28: при підвищенні напруги живлення яскравість спочатку наростає, потім різко знижується, після чого знову зростає.

Найбільш простою схемою перетворювачів цього типу є схема, представлена ​​на рис. 9.29. Встановлення робочої точки досягається підбором резистора R1. Світлодіод, як і в ряді попередніх схем, одночасно грає роль конден саторі. У порядку експерименту рекомендується підключити па раллельно світлодіоду конденсатор і підібрати його ємність.

   

Рис. 9.29

В якості загального зауваження по налагодженню схем, представлених вище, слід зазначити, що напруга живлення всіх розглянутих пристроїв, щоб уникнути пошкодження світлодіодів не повинно (За рідкісним винятком) перевищувати значення 1.6 … 1.7 В.

   

Література: Шустов М.А. Практична схемотехніка (Книга 1), 2003 рік