LED zasilany z 1,5V - Joule Thief


Jest to chyba jeden z niewielu powalających swą prostotą układów, który pod względem stosunku złożoności do uzyskanego efektu znajduje się w ścisłej czołówce.
Dodatkowo nie zawiera on żadnych niestandardowych, czy specjalizowanych układów elektronicznych - jedynie zwykły bipolarny tranzystor, rezystor, kawałek magnetyka, kilkanaście cm cienkiego drucika, no i oczywiście LED.
Schemat ten w/g licznych internetowych źródeł został po raz pierwszy opublikowany przez Z. Kaparnik`a w "Everyday Practical Electronics" w listopadzie 1999r.
Aż dziw, że nikt na to nie wpadł wcześniej, aaaaach... że też ja na to nie padłem wcześniej ;-)
Ponieważ układ mówiąc łagodnie jest nieco "banalny" pozwoliłem sobie go przedstawić możliwie prostym słowno-muzycznym a miejscami nawet wręcz poetyckim językiem, tym razem bez żadnych zbędnych technikaliów.

Po co?

Konstrukcja

Cały układ składa się z 4 elementów.

Dioda LED (D)

Praktycznie dowolna (pod względem koloru, budowy, czy technologii).
LEDy klasyczne IR, czerwone, żółte, zielone mają zwykle napięcie pracy 1,7-1,9V.
LEDy o krótszej długości fali tj. niebieskie, czy UV pracują przy nieco wyższych napięciach 3,2-4V
Podobnie diody białe (np. te produkowane na bazie diod niebieskich z fosforowym luminoforem) będą miały ok. 3,6V.
Ale jeśli chodzi o LEDy, to ważniejszym od napięcia parametrem pracy jest prąd.
Zwykle większość typowych diod pracuje przy prądach do 20mA i takie generalnie można przyjąć jako bezpieczne, chociaż są i takie, co ciągną nominalnie ponad 1A (np. Luxeon, Cree).
Jaką diodę wybrać? - Najjaśniejszą!
Wielu sprzedawców prześciga się w zachwalaniu swoich diod. Jedni twierdzą, że mają super-jasne, inni super-hiper jasne, a jeszcze inni jeszcze coś innego.
Co więc opisuje jasność LEDów? - jednostka Kandela [cd].
Ale uwaga - kandela kandeli nie równa. Kandela jest jednostką światłości (w układzie SI), mówiąc prościej dioda posiadająca 12`000 mcd może nie wydawać się tak jasna jak dioda 5`000 mcd. Bo tę "światłość" można różnie skupić. Jedne diody mają kąt świecenia 8° (te bliżej 10cd) a inne np. 30° (2-5cd).
Być może bardziej właściwy i mniej "marketingowy" byłby tu lumen [lm] - jednostka także z układu SI określająca strumień świetlny, czyli ową światłość "emitowaną" w dany kąt bryłowy.
Jakkolwiek by to nie było, to nawet obecne pojedyncze kandele to i tak wielki przełom w stosunku do LEDów produkowanych wcale nie tak dawno, bo kilka-kilkanaście lat temu, które miały średnio 0,3-5 mcd, czyli ponad tysiąc razy mniejszą jasność. Niesamowite jest także to, że zamykając obwód ręką widać w dziennym świetle, jak nieznacznie zapala się taki jasny LED, a płynący przez niego prąd ma mocno poniżej 100 nA!
Ja użyłem tu białej 5mm diody LED o kącie 8° i światłości (podobno) 12cd.

Tranzystor (Q)

Dowolny bipolarny. Może być zarówno NPN jak i PNP (co najwyżej będziesz musiał zamienić bieguny zasilania).
Mówiąc bardziej precyzyjnie to taki, który ma raczej większy niż mniejszy prąd kolektora (100-300mA wystarczy), do tego taki, który ma wzmocnienie hfe (h21, czy tzw. beta) raczej większe i jeszcze fajnie jakby miał niskie napięcie nasycenia (Vsat) oraz duże napięcie przebicia Vce.
Nie przejmuj się... może nie rozwinie pełni skrzydeł, ale na pewno zadziała każdy krzemowy tranzystor małej mocy.
Ja użyłem do tego celu tranzystora BC 337, który sprawdza się w tym układzie doskonale i do tego jest mały.

Rezystor (R)

Jego wartość ustala prawidłowy punkt pracy tranzystora zapewniając odpowiedni prąd podkładu polaryzujący tranzystor.
Im mniejsza jego wartość, tym większym prądem wysterowywany jest tranzystor i większa energia magazynowana jest w rdzeniu transformatorka, tym dioda jaśniej świeci.
Jednakże zbyt mała jego wartość może spowodować wyjście układu poza zakres generacji, co doprowadzi tranzystor do trwałego wejścia w stan nasycenia, co przy tak niskim obciążeniu (kilka zwoi uzwojenia) może spowodować jego termicznego uszkodzenie.
Za wartość bezpieczną można uznać rezystancję od kilkuset do 1k oma - najlepiej dobrać ją doświadczalnie.
Może się też tak, zdarzyć, że ilość energii dostarczanej ze rdzenia w postaci prądu "dla diody LED" będzie większa od jej wartości dopuszczalnych. Łatwiej jest wtedy zwiększyć wartość tego oporu do kilku, czy kilkunastu kilo omów niż np. odwijać zwoje.

Transformator (T)

Jest to najbardziej kluczowy element tego układu.
Od niego zależy jak mocno będzie nasz LED świecił, jaką uzyskamy sprawność układu (ilość energii skierowanej na diodę w stosunku do ilości energii pobranej ze źródła - np. z baterii) i czy w ogóle nasz układ zadziała.
Wielu elektroników (w tym także ja) z pewnym dystansem podchodzi do wszelkiego rodzaju cewek, transformatorów (no, może poza sieciowymi) być może ze względu na ich niezbyt łatwy do wyobrażenia, czy przewidzenia oraz dość mocno złożony charakter. Nie chciałbym w tym miejscu wchodzić w szczegóły zjawisk fizycznych zachodzących w "tym czymś" oraz modeli, ani przytaczać szeregu wzorów przybliżających jego zachowanie, nie dlatego, że są one mało ciekawe, ale dlatego, że ich znajomość nie jest konieczna do wykonania tego jakże prostego układu.
Jaki rdzeń? - Najlepiej toroidalny. Figura ta nazywana jest przez matematyków torusem, ale mówiąc prościej jest to zbudowany z odpowiedniego materiału pączek z dziurką, precelek, obwarzanek, pierścionek, oponka, czy jakkolwiek inaczej to nazwiesz ;-) A materiałem tym powinien być ferryt lub inny materiał o podobnych magnetycznych właściwościach np. rdzeń żelazny proszkowy.
Zamiast toroidu może być rdzeń otwarty, ale z uwagi na relatywnie mniejszą indukcję będzie dawał gorsze rezultaty (gorsza sprawność, mniejsza jasność). Jakby się ktoś uparł to i mógłby go od biedy nawinąć na stalowej nakrętce fi.4-6 (o! i jeżeli miałeś wątpliwości jak "to ciastko" wygląda, to już pewnie wiesz, a jak nie, to za kilka chwil zobaczysz na zdjęciu ;-) Działać to będzie, ale nie spodziewaj się wówczas żadnych "kosmicznych" osiągów.
Ja do tego celu użyłem kilku różnych rdzeni ferrytowych od miniaturki mniejszej od łebka zapałki o średnicy 2,5mm (choć ten akurat nie działał najlepiej), przez 4mm do 10mm i o wysokości od 1 do ok. 4mm.

Toroidy ferrytowe fi.2,5mm oraz fi.5mm
Mówiąc bardziej technicznie potrzebujemy rdzeń, który da nam indukcyjność rzędu 1uH/zwój (czyli AL~800-1000n, gdzie L=N^2*AL) i będzie pracował przy częstotliwości do min. kilkuset kHz.
Skoro mamy rdzeń "z dziurką", to nawijać będzie go trzeba bawiąc się "w haftowanie", czyli przewlekając.
Kształt rdzenia w sposób bardzo bezpośredni wyznacza nam grubość przewodu uzwojenia jakie musimy wykręcić - mówiąc prosto trzeba zrobić tak, żeby się zmieściło.
Ja użyłem drutu emaliowanego o średnicy 0,15mm.
No właśnie... nawinąć, ale ile?
I tu zaczyna się... może nie kanał, ale raczej pole do popisu.
Jeżeli co najmniej 3 razy zgubiłeś się czytając ten opis sugeruję nawinąć 2x 10 zwojów.
Ja robiąc pomiary, co nie ukrywam trochę mi czasu zajęło, dla kilku zbliżonych pod względem parametrów rdzeni określiłem optimum na 10zw. sterującego (od strony bazy szeregowo z R) + 30zw. głównego (tego od strony kolektora przy D).

Eff = f(zw2) oraz ILED = f(zw2)

Optimum to dawało mi, przy zasilaniu z nisko impedancyjnego źródła 1,5V (czyli to co mogę uzyskać z najlepszej typowej baterii 1,5V) średni prąd LED`a na poziomie 20mA przy zachowaniu całkiem wysokiej sprawności układu.
To jak nawinięte są uzwojenia (w lewo, w prawo, zwój przy zwoju, obok siebie, jedno na drugim, jak wyjdzie, ...) nie ma większego znaczenia, ważne aby początek i koniec nawijanych w tym samym kierunku obydwu uzwojeń były znane (na schemacie początki uzwojeń oznaczone są kropką).
Jeżeli uporasz się z tą jedną częścią, to cała reszta, to bułka z masłem ;-)

Zasada działania

Układ jest w rzeczywistości generatorem samowzbudnym, w najbardziej klasycznej i prostej postaci.
Bardzo przypomina dość popularny generator WN do zasilania "turystycznej świetlówki". Główną różnicą między nimi, to brak uzwojenia WN. W obecnym układzie napięcie zasilające diodę LED nie musi być aż tak wysokie (1,8 - 3,8V), jak w przypadku jonizacji gazu w lampie próżniowej (90V w górę). Nie ma więc potrzeby powielania go na osobnym uzwojeniu transformatora, wystarczy indukcja na uzwojeniu głównym.
OK, na moment spójrzmy na temat z innej perspektywy... dlaczego w układach sterowania elementami o charakterze indukcyjnym (przekaźniki, silniki itp.) stosuje się równolegle blokujące diody?
Otóż dlatego, że przy zmianie napięcia (zwłaszcza skokowej) indukuje się w nich czasem bardzo duża siłą elektromotoryczna, czyli mówiąc prościej pojawia się w bardzo ostrym piku napięcie mogące zakłócić bądź uszkodzić otaczający go układ. Z tego samego powodu włączany z niskiego napięcia przekaźnik potrafi nieźle "kopnąć".
Taką samą zasadę wykorzystuje opisany tu układ.

Jak duże napięcie da się w ten sposób uzyskać?
Wystarczająco duże by zasilić szeregowo nie jedną, ale nawet kilka diod LED.
Wszystko zależy od transformatorka.
Sprawdziłem kilka miniaturowych rdzeni z różnymi kombinacjami liczby uzwojeń i bez diody LED uzyskałem od 20 do ok. 60V z 1,5V źródła.
Oczywiście jest to napięcie maksymalne w impulsie.
Oznacza, to że przedstawiony układ nie dostarcza stałego napięcia do diody LED, ale robi to w przerywanych cyklach.
W opisanym przypadku (zależnie od użytego transformatora) uzyskano częstotliwości ok. 60k - 200kHz, przy współczynniku wypełnienia 1:10 - 3:10.
Czyli mamy dość szybki stroboskop, ale tak duże częstotliwości są przez ludzkie oko odbierane jak światło o strumieniu ciągłym.
Co więcej praca impulsowa jest w tym przypadku korzystniejsza pod względem energetycznym (lepsza sprawność układu), ponadto wiele źródeł poświęconych fizjologii wzroku twierdzi, że oko bardziej "odbiera" wartości szczytowe niż uśrednione, więc taki tryb chociażby pod tym względem może być przynajmniej pozornie lepszy.
Dioda LED zasilana jest więc prądem impulsowym rzędu 100 - 200 mA w impulsie, co przy uzyskiwanym wypełnieniu ok. 1:10 daje wartość średnią mieszczącą się w dopuszczalnych granicach (przeważnie <20mA).
Wadą tego rozwiązania pomimo całej jego prostoty, jest dość trudne określenie prądu diody oraz szybsza degradacja złącza półprzewodnikowego (praca impulsowa z prądem o dużych wartościach szczytowych).

Zobacz także symulacje działania układu
OK, to tyle jeśli chodzi o wersję podstawową - najprostszą.

Więcej mocy!

Kolejnym krokiem usprawniającym ten prościutki układ jest dodanie równolegle do rezystora R kondensatora kompensującego pojemność złączową tranzystora.
Dzięki niemu przyspiesza się przełączanie tranzystora poprawiając sprawność układu oraz wielkość prądu dostarczanego do diody LED.
Pojemność ta w zależności od użytego tranzystora będzie znajdowała się w granicach od kilkuset pF do kilkunastu nF.
Wartość za mała nie spowoduje widocznej zmiany, a za duża będzie tłumiła oscylacje utrudniając pracę układu - polecam dobrać ją doświadczalnie.

Dla zastosowanego przeze mnie tranzystora BC 337 optymalna wartość pojemności to 1nF.
Dzięki niej uzyskałem wzrost prądu o ok. 25% i podniosłem sprawności układu o kilka procent.
IMHO warto to zrobić.

Zobacz także symulacje działania układu

Jeszcze więcej mocy!

Czyli wersja dla nieco bardziej zaawansowanych.
Pomiar wartości zmiennych zarówno napięć jak i prądów poza przebiegami o dobrze określonym kształcie (sinus, prostokąt, trójkąt) nie jest rzeczą trywialną.
Nawet przy pomocy oscyloskopu i bardziej lub mniej precyzyjnym liczeniu całki po okresie przebiegu nie jest czynnością zbyt wygodną.
Uśrednianie wartości poprzez separacje RC w niektórych przypadkach jest niemożliwe
Co więcej zasilanie diody LED przebiegiem impulsowym o niewielkim współczynniku wypełnienia (1:4 - 1:10), a więc i dość wysokim prądzie szczytowym, pomimo zachowania dopuszczalnej średniej jego wartości nie jest dla diody wskazane.
Po pierwsze pompowanie do niej tak dużego prądu szybciej degeneruje jej strukturę półprzewodnikową (a w diodach białych także luminofor, którym jest ona pokryta), przez co jej jasność będzie spadać szybciej niż przy zasilaniu prądem o stałej wartości (przeważnie do 20mA).
Być może w niektórych zastosowaniach (np. latarka) nie będzie to dla nikogo przeszkodą, gdyż nawet 10-krotnie zmniejszenie czasu życia ze 100 tys. godzin (11 lat) do 10 tys. godzin (ponad rok) świecenia non-stop będzie w pełni akceptowalne.
Po drugie współczynnik emisji diody silnie zależy od częstotliwości pracy.
Z uwagi na jej dość znaczną pojemność złączową jasność spada wraz ze wzrostem częstotliwości.
Zatem zasilanie LED`a przebiegiem o częstotliwości rzędu kilkudziesięciu kHz wprowadza tu zauważalne straty.

Rozwiązaniem na to jest wyprostowanie zmiennego przebiegu uzyskiwanego z przetwornicy.
Do tego celu wystarczy dodać dodatkową diodę i kondensator.

Aby zminimalizować straty zalecaną diodą jest dioda Schottky`ego, która jak większość złącz opartych na styku metal-półprzewodnik charakteryzuje się niskim napięciem przewodzenia (ok. 0,3V) oraz szybkimi czasami przełączania (rzędu ns).
Do zasilania diod LED w zupełności wystarczy dioda o Ifmax = 200mA.

Kondensator powinien mieć pojemność rzędu kilku uF i w miarę niską rezystancję ESR.
Zatem do tego celu dość dobrze nadają się kondensatory tantalowe lub ceramiczne (bezindukcyjne).

Ja zastosowałem diodę BAT 46 i kondensator tantalowy o pojemności 1uF.
W takim układzie dużo łatwiej jest mierzyć prąd diody LED.
Można w szeregu włączyć amperomierz prądu stałego lub dodać rezystor o małej wartości (np. 1 om) i na nim mierzyć spadek napięcia.
Obie metody pomiaru nie wpływają w żaden znaczący sposób na działanie układu.

Co więcej LED`y zasilane stałym prądem mogą być bezpieczniej "overvoltowane" ;-)
W większości przypadków bez uszkodzenia można dojść do 30mA uzyskując jeszcze większą jasność.

Zobacz także symulacje działania układu

I jeszcze troszkę...

Modyfikując nieco układ tak, by polaryzacja tranzystora pochodziła z wyższego i bardziej stabilnego napięcia wyjściowego uzyskujemy nie tylko lepsze warunki pracy przy szerszych napięciach zasilania, ale i nieznacznie większą uzyskiwaną moc.
W układzie tym bez większego problemu można uzyskać ponad 30mA w LED`a, a przy zastosowaniu lepszego tranzystora - szczególnie z niższym Uce(sat) np. 2sd965 lub 2sc2500 daje się dojść nawet do 80-100mA.

Zobacz także symulacje działania układu

Lepsza stabilność

Dla jeszcze bardziej wtajemniczonych polecam rozwinięcie tego prostego układu o stabilizację prądu.

W klasycznym układzie wraz ze spadkiem napięcia spowodowanym np. rozładowywaniem się baterii będzie spadać jasność.
Tutaj natomiast jasność ta pozostanie w miarę stała w szerokim zakresie napięć zasilania.
W układach zasilanych jednym ogniwem, gdzie wymagana jest duża sprawność i mały rozmiar układu ograniczanie prądu nie ma więc większego sensu.

Zupełnie inaczej sprawa wygląda w przypadku układów zasilanych wyższym napięciem, dodatkowo w których może się ono dość istotnie zmieniać.
Układ ten został rozszerzony o szeregowo podłączony z LED`em rezystor RL oraz drugi tranzystor (Q2).
Tworzą one razem ujemne sprzężenie zwrotne ograniczające prąd na diodzie LED.

Podczas pracy układu, gdy przez diodę LED płynie prąd na rezystorze RL występuje spadek napięcia, który zgodnie z prawem Oma jest proporcjonalny do płynącego przez niego prądu.
Gdy spadek napięcia na tym rezystorze zacznie przekraczać pewną wartość (ok. 0,7V) zostanie spolaryzowany tranzystor Q2.
On zaś będzie powodował "odpływ" prądu idącego do bazy tranzystora Q, co spowoduje mniejsze jego wysterowanie i w konsekwencji mniej energii przekazywanej do LED`a, a zatem stabilizację jej prądu.

Jaką wartość powinien mieć RL?
To zależy jaką wartość ograniczenia prądu chcemy uzyskać.

RL = UQ2be / ILED

Czyli dla 20mA będzie to RL = 0,7/20m = 35 omów (33 przy zaokrągleniu do szeregu E24).
Dla 30mA będzie to RL = 0,7/30m = 23 omy itd.

Ważne jest, aby ograniczenie prądowe zadziałało, przetworniczka musi być w stanie dostarczyć odpowiednio więcej energii niż wymaga tego LED.
W poprzednich układach wielkość prądu była dobierana odpowiednią liczbą uzwojeń transformatorka lub też wartością rezystora R tak, aby przy najlepszych warunkach (pełne napięcie baterii) nie uszkodzić LED`a.
Tutaj sytuacja jest dokładnie odwrotna.
O wartość graniczną prądu LED`a martwić się nie musimy, bo robi to za nas ogranicznik prądowy RL + Q2.
Konfigurację przetworniczki dobieramy tak, aby przy najniższym satysfakcjonującym nas napięciu uzyskać pełny prąd diody (znaleźć się tuż przed zadziałaniem stabilizacji prądu). Tranzystor Q2 nie jest krytyczny. Doskonale sprawdzi tu się dowolny tranzystor krzemowy małej mocy.

Zobacz także symulacje działania układu

A może ma jeszcze migać, pikać itd.?

Dodając w zasilaniu obwodu sterującego układ z odpowiednio dobraną stałą czasową RC uzyskujemy z naszego układu "błyskacza".
Częstotliwość błysków zależy od wartości Rt*Ct, a wypełnienie (stosunek czasu włączonego do zgaszonego) wynosi ok. 1:4.
Dla wartości Rt=100k i Ct=4u7 będzie to ok. 1-1,5Hz (czyli między 1, a 1,5 błysków na sekundę).

Wersja minimalistyczna oraz pełna zapewniająca większą sprawność
Przy odpowiednio dobranych wartościach elementów częstotliwość pracy przetworniczki można sprowadzić do kilku-kilkunastu kHz.

A wówczas dodając na jednym z uzwojeń miniaturowy przetwornik piezoelektryczny (membranę np. taką "blaszkę" jak w zegarku z alarmem/melodyjkami) uzyskujemy sygnalizację dźwiękową pojawiającą się jednocześnie z błyskiem światła.
Natomiast dodając fototranzystor uzyskujemy działanie układu wyłącznie w ciemności.

Wersja układu pracująca wyłącznie w ciemności
Dodam, że układ ten pobiera znikome ilości prądu i zasilany z jednej baterii AA może działać non-stop przez wiele miesięcy.
Hmmm... jakie to proste, prawda?

Sam nie mogę się nadziwić co jeszcze można zrobić na bazie tego genialnego układu.

Zobacz także symulacje działania układu

Jak optymalnie nawinąć transformator?

Faktem jest, że układ ten jest wyjątkowo mało wymagający.
Praktycznie każda podawana na stronach internetowych konfiguracja uzwojeń zadziała i dioda będzie świecić.

Niemniej jednak układ nie koniecznie będzie bliski ideałowi.

Aby zoptymalizować układ można posłużyć się jedną z dwóch dróg:
- obliczyć wszystko teoretycznie
- dojść do optimum metodą empiryczną poprzez serię pomiarów

Pierwsze podejście wymaga sporej teoretycznej wiedzy oraz, a może przede wszystkim dokładnych informacji o parametrach posiadanych komponentów.
W przypadku trafka największą niewiadomą mogą być właściwości magnetyczne posiadanego rdzenia.

Druga ścieżka zakłada, że wszystkie elementy już mamy i na nich wykonujemy pomiary w celu osiągnięcia zamierzonych rezultatów.

Aby sprawnie zbadać różne konfiguracje liczby zwojów posłużyłem się nawiniętym na docelowym rdzeniu transformatorku z wieloma odczepami.

Model do pomiarów różnych kombinacji liczby uzwojeń
Składał się on z 13 sekcji po 5 zwojów każda, nawijanych w jednym kierunku.

Dzięki temu w zależności od podłączenia wyprowadzeń uzyskać można kilkadziesiąt różnych konfiguracji.
Sposób ten okazał się bardzo wygodny, gdyż nie wymagał żadnego do- i odwijania zwojów, a jedynie szybkie przelutowywanie wyprowadzeń.

Do pomiarów użyłem rdzeni RP 6,3x3,8x2,5 wykonanych z ferrytu F-938, których AL=2500.

Układ testowy zasilany był z nowej baterii AA (1,5V), a mierzone były: prąd wejściowy (zasilanie) i prąd dostarczany do diody LED.
Jako kryterium wyboru przyjąłem wielkość prądu dostarczonego do diody LED oraz sprawność układu.
Zbyt mała liczba zwojów uzwojenia od strony kolektora powoduje wzrost częstotliwości pracy oraz wzrost prądu płynącego przez tranzystor. Powoduje to spadek sprawności układu. Zbyt duża liczba zwojów od strony kolektora prowadzi do nasycania się rdzenia, po czym przestaje on magazynować energię.

Prąd wyjściowy w funkcji różnych kombinacji liczby uzwojeń.
Jak widać z otrzymanych danych, maksymalny osiągnięty w układzie prąd diody nieco ponad 23mA został osiągnięty dla 10zw uzwojenia od strony bazy i 40zw od strony kolektora.

Sprawność w funkcji różnych kombinacji liczby uzwojeń.
Maksimum sprawności 83% otrzymałem dla 15zw uzwojenia od strony bazy i również 40zw od strony kolektora.

Zatem optimum mocy i sprawności dla wykonanego przeze mnie układu leży w okolicach 13zw (B) i 45zw (C), co daje 81% przy 22mA.
Zważywszy na niewielkie rozmiary rdzenia są to wartości w pełni satysfakcjonujące.

Raz jeszcze podkreślę, że uzyskane rezultaty zależą do bardzo wielu czynników i celem tego nie jest podanie najlepszych proporcji liczby uzwojeń, ale przedstawienie skutecznej i pewnej metodologii pomiaru.

Dość ciekawym źródłem dobrych rdzeni są świetlówki energooszczędne, w których powszechnie stosuje się trafka ze rdzeniem przypominającym RP 10x6x4.

Wykonane projekty

Zobacz także

Szczególnie polecam