LED zasilany z 1,5V

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.

Zasada działania:
Układ jest w rzeczywistości generatorem samowzbudnym, w najbradziej 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 peryspektywy... 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 zakłucić 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 uśrenione, 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 śrenią 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).

OK, to tyle jeśli chodzi o wersję 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.

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.
Uśrenianie 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).
Byćmoże 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 użytłem diody BAT 46 i kondensatora tantalowego 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.

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.

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.

A może ma jeszcze migać, pikać itd.?
Dodając w zasilaniu obwodu sterującego układ z odpowiednio dobraną stałą czasową RC uzyskujemy z naszego układu "mrygacza".
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.

Modyfikacja układu pracującego 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.

Rozwiązania budowane w oparciu o układy scalone

########### ToDo #############

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 nawinientym 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 jeszczę podkreślę, że uzyskane rezultaty zależą do bardzo wielu czynników i celem tego nie jest podanie najlepszych proporcji liczby uzwojeń, ale przedstawienie skutecznej i pewnej metodologi 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: