Низковольтные преобразователи напряжения для светодиодов

Светодиоды, как источники оптического излучения, имеют неоспоримые достоинства: малые габариты, высокую яркость свечения при минимальном (единицы мА) токе, экономичность.

Но в силу технологических особенностей они не могут светиться при напряжении ниже 1,6... 1,8 В. Это обстоятельство резко ограничивает возможность применения светодиодных излучателей в широком классе устройств, имеющих низковольтное питание, обычно от одного гальванического элемента.

Несмотря на очевидную актуальность проблемы низковольтного питания светодиодных источников оптического излучения, известно весьма ограниченное число схемных решений, в которых авторы пытались решить эту задачу.

В этой связи ниже приведен обзор схем питания светодиодов от источника низкого (0,25...1,6 В) напряжения. Многообразие схем, приведенных в этой главе, можно свести к двум основным разновидностям преобразования напряжения низкого уровня в высокое. Это схемы с емкостными и индуктивными накопителями энергии [Рк 5/00-23].

Удвоитель напряжения

На рисунке 1 показана схема питания светодиода с использованием принципа удвоения напряжения питания. Генератор низкочастотных импульсов выполнен на транзисторах разной структуры: КТ361 и КТ315.

Частота следования импульсов определяется постоянной времени R1C1, а продолжительность импульсов — постоянной времени R2C1. С выхода генератора короткие импульсы через резистор R4 подаются на базу транзистора VT3, в коллекторную цепь которого включен светодиод HL1 (АЛ307КМ) красного цвета свечения и германиевый диод VD1 типа Д9.

Между выходом генератора импульсов и точкой соединения светодиода с германиевым диодом подключен электролитический конденсатор С2 большой емкости.

В период продолжительной паузы между импульсами (транзистор VT2 закрыт и не проводит ток) этот конденсатор заряжается через диод VD1 и резистор R3 до напряжения источника питания. При генерации короткого импульса транзистор VT2

открывается. Отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с положительной шиной питания. Диод VD1 запирается. Заряженный конденсатор С2 оказывается подключенным последовательно с источником питания.

Суммарное напряжение приложено к цепи светодиод — переход эмиттер — коллектор транзистора VT3. Поскольку тем же импульсом транзистор VT3 отпирается, его сопротивление эмиттер — коллектор становится малым.

Таким образом, практически удвоенное напряжение питания (исключая незначительные потери) оказывается кратковременно приложенным к светодиоду: следует его яркая вспышка. После этого процесс заряда — разряда конденсатора С2 периодически повторяется.

Рис. 1. Принципиальная схема удвоителя напряжения для питания светодиода.

Поскольку светодиоды допускают работу при кратковременном токе в импульсе, в десятки раз превосходящем номинальные значения, повреждения светодиода не происходит.

Если необходимо повысить надежность работы светодиодных излучателей с низковольтным питанием и расширить диапазон напряжения питания в сторону увеличения, последовательно со светодиодом следует включить токоограничи-вающий резистор сопротивлением десятки, сотни Ом.

При использовании светодиода типа АЛ307КМ с напряжением начала едва заметного свечения 1,35... 1,4 В и напряжением, при котором без ограничительного сопротивления ток через светодиод составляет 20 мА, 1,6... 1,7 В, рабочее напряжение генератора, представленного на рисунке 1, составляет 0,8... 1,6 В.

Границы диапазона определены экспериментально тем же образом: нижняя указывает напряжение начала свечения светодиода, верхняя — напряжение, при котором ток, потребляемый всем устройством, составляет примерно 20 мА, т.е. не превышает в самых неблагоприятных условиях эксплуатации предельный ток через светодиод и, одновременно, сам преобразователь.

Как уже отмечалось ранее, генератор (рисунок 1) работает в импульсном режиме, что является с одной стороны недостатком схемы, с другой стороны — достоинством, поскольку позволяет генерировать яркие вспышки света, привлекающие внимание.

Генератор достаточно экономичен, поскольку средний ток, потребляемый устройством, невелик. В то же время в схеме необходимо использовать хотя и низковольтный, но довольно громоздкий электролитический конденсатор большой емкости (С2).

Упрощенный вариант преобразователя напряжения

На рисунке 2 показан упрощенный вариант генератора, работающего аналогично изложенному выше. Генератор, используя малогабаритный электролитический конденсатор, работает при напряжении питания от 0,9 до 1,6 В.

Средний ток, потребляемый устройством, не превышает 3 мА при частоте следования импульсов около 2 Гц. Яркость генерируемых вспышек света несколько ниже, чем в предыдущей схеме.

Рис. 2. Схема простого низковольтного преобразователя напряжения на двух транзисторах из 0,9В в 2В.

Генератор с применением телефонного капсюля

Генератор, показанный на рис. 9.3, использует в качестве нагрузки телефонный капсюль ТК-67. Это позволяет повысить амплитуду генерируемых импульсов и понизить тем самым на 200 мВ нижнюю границу начала работы генератора.

За счет перехода на более высокую частоту генерации удается осуществить непрерывную «перекачку» (преобразование) энергии и ощутимо снизить емкости конденсаторов.

Рис. 3. Схема низковольтного генератора преобразователя напряжения с использованием катушки телефона.

Генератор с удвоением напряжения на выоде

На рисунке 4 показан генератор с выходным каскадом, в котором осуществляется удвоение выходного напряжения. При закрытом транзисторе VT3 к светодиоду приложено только небольшое по величине напряжение питания.

Электрическое сопротивление светодиода велико в силу ярко выраженной нелинейности ВАХ и намного превышает сопротивление резистора R6. Поэтому конденсатор С2 оказывается подключенным к источнику питания через резисторы R5 и R6.

Рис. 4. Схема низковольтного преобразователя с удвоением выходного напряжения.

Хотя вместо германиевого диода использован резистор R6, принцип работы удвоителя напряжения остается тем же: заряд конденсатора С2 при закрытом транзисторе VT3 через резисторы R5 и R6 с последующим подключением заряженного конденсатора последовательно с источником питания.

При приложении удвоенного таким образом напряжения динамическое сопротивление светодиода на более крутом участке ВАХ становится на время разряда конденсатора порядка 100 Ом и менее, что намного ниже сопротивления шунтирующего конденсатор резистора R6.

Расширить рабочий диапазон питающих напряжений (от 0,8 до 6 В) позволяет использование резистора R6 вместо германиевого диода. Если бы в схеме стоял германиевый диод, напряжение питания устройства было бы ограничено величиной 1,6...1,8 В.

При дальнейшем увеличении напряжения питания ток через светодиод и германиевый диод вырос бы до неприемлемо высокой величины и произошло бы их необратимое повреждение.

Преобразователь на основе генератора ЗЧ

В генераторе, представленном на рисунке 5 одновременно со световыми вырабатываются звонкие импульсы звуковой частоты. Частота звуковых сигналов определяется параметрами колебательного контура, образованного обмоткой телефонного капсюля и конденсатора С2.

Рис. 5. Принципиальная схема преобразователя напряжения для светодиода на основе генератора ЗЧ.

Преобразователи напряжения на основе мультивибраторов

Источники питания светодиодов на основе мультивибраторов изображены на рисунках 6 и 7. Первая схема выполнена на основе асимметричного мультивибратора, вырабатывающего, как и устройства (рис. 1 — 5), короткие импульсы с протяженной междуимпульсной паузой.

Рис. 6. Низковольтный преобразователь напряжения на основе асимметричного мультивибратора.

Накопитель энергии — электролитический конденсатор СЗ периодически заряжается от источника питания и разряжается на светодиод, суммируя свое напряжение с напряжением питания.

В отличие от предыдущей схемы генератор (рис. 7) обеспечивает непрерывный характер свечения светодиода. Устройство выполнено на основе симметричного мультивибратора и работает на повышенных частотах.

Рис. 7. Преобразователь для питания светодиода от низковольтного источника 0,8 - 1,6В.

В этой связи емкости конденсаторов в этой схеме на 3...4 порядка ниже. В то же время яркость свечения заметно понижена, а средний ток, потребляемый генератором при напряжении источника питания 1,5 6 не превышает 3 мА.

Преобразователи напряжения с последовательным соединением транзисторов

Рис. 8. Преобразователь напряжения с последовательным соединением транзисторов разного типа проводимости.

В генераторах, показанных далее на рисунках 8 — 13, в качестве активного элемента используется несколько необычное последовательное соединение транзисторов разного типа проводимости, к тому же, охваченных положительной обратной связью.

Рис. 9. Двухтранзисторный преобразователь напряжения для светодиода с применением катушки от телефона.

Конденсатор положительной обратной связи (рисунок 8) одновременно выполняет роль накопителя энергии для получения напряжения, достаточного для питания светодиода.

Параллельно переходу база — коллектор транзистора VT2 (типа КТ361) включен германиевый диод (либо заменяющее его сопротивление, рис. 12).

В генераторе с RC-цепочкой (рис. 8) за счет существенных потерь напряжения на полупроводниковых переходах рабочее напряжение устройства составляет 1,1... 1,6 В.

Заметно понизить нижнюю границу напряжения питания стало возможным за счет перехода на LC-вариант схемы генераторов, использующих индуктивные накопители энергии (рис. 9 — 13).

Рис. 10. Схема простого низковольтного преобразователя напряжения 0,75В -1,5В в 2В на основе LC-генератора.

В качестве индуктивного накопителя энергии в первой из схем использован телефонный капсюль (рис. 9). Одновременно со световыми вспышками генератор вырабатывает акустические сигналы.

При увеличении емкости конденсатора до 200 мкФ генератор переходит в импульсный экономичный режим работы, вырабатывая прерывистые световые и звуковые сигналы.

Переход на более высокие рабочие частоты возможен за счет использования малогабаритной катушки индуктивности с большой добротностью. В связи с этим появляется возможность заметно уменьшить объем устройства и понизить нижнюю границу питающего напряжения (рис. 10 — 13).

В качестве индуктивности использована катушка контура промежуточной частоты от радиоприемника «ВЭФ» индуктивностью 260 мкГн. На рис. 11, 12 показаны разновидности таких генераторов.

Рис. 11. Схема низковольтного преобразователя напряжения для светодиода с катушкой от ПЧ-контура приемника.

Рис. 12. Схема простого преобразователя напряжения для светодиода с катушкой от ПЧ-контура приемника.

Наконец, на рисунке 13 показан наиболее упрощенный вариант устройства, в котором вместо конденсатора колебательного контура использован светодиод.

Преобразователи напряжения конденсаторного типа (с удвоением напряжения), используемые для питания светодиодных излучателей, теоретически могут обеспечить снижение рабочего напряжения питания только до 60% (предельное, идеальное значение — 50%).

Рис. 13. Очень простой низковольтный преобразователь напряжения с включенным светодиодом вместо конденсатора.

Использование в этих целях многокаскадных умножителей напряжения неперспективно в связи с прогрессивно возрастающими потерями и падением КПД преобразователя.

Преобразователи с индуктивными накопителями энергии более перспективны при дальнейшем снижении рабочего напряжения генераторов, обеспечивающих работу светодиодов. При этом сохраняются высокий КПД и простота схемы преобразователя.

Преобразователи напряжения индуктивного и индуктивно-емкостного типа

На рисунках 14 — 18 показаны преобразователи для питания светодиодов индуктивного и индуктивно-емкостного типа, выполненные на основе генераторов с использованием в качестве активного элемента аналогов инжекционно-полевого транзистора [Рк 5/00-23].

Рис. 14. Схема низковольтного преобразователя напряжения 1-6В в 2В индуктивно-емкостного типа.

Преобразователь, изображенный на рисунке 14, является устройством индуктивно-емкостного типа. Генератор импульсов выполнен на аналоге инжекционно-полевого транзистора (транзисторы VT1 и VT2).

Элементами, определяющими рабочую частоту генерации в диапазоне звуковых частот, являются телефонный капсюль BF1 (типа ТК-67), конденсатор С1 и резистор R1. Короткие импульсы, вырабатываемые генератором, поступают на базу транзистора VT3, открывая его.

Одновременно происходит заряд/разряд емкостного накопи 1еля энергии (конденсатор С2). При поступлении импульса положительно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с общей шиной через открытый на время действия импульса транзистор VT2. Диод VD1 закрывается, транзистор VT3 — открыт.

Таким образом, к цепи нагрузки (светодиоду HL1) оказываются присоединены последовательно включенные источник питания и заряженный конденсатор С2, в результате чего следует яркая вспышка светодиода.

Расширить диапазон рабочих напряжений преобразователя позволяет транзистор VT3. Устройство работоспособно при напряжениях от 1,0 до 6,0 В. Напомним, что нижняя граница соответствует едва заметному свечению светодиода, а верхняя — потреблению устройством тока в 20 мА.

В области малых напряжений (до 1,45 В) звуковая генерация не слышна, хотя по мере последующего увеличения напряжения питания устройство начинает вырабатывать и звуковые сигналы, частота которых довольно быстро понижается.

Переход на более высокие рабочие частоты (рис. 15) за счет использования высокочастотной катушки позволяет уменьшить емкость конденсатора, «перекачивающего» энергию (конденсатор С1).

Рис. 15. Принципиальная схема низковольтного преобразователя напряжения с ВЧ-генератором.

В качестве ключевого элемента, подключающего светодиод к «плюсовой» шине питания на период следования импульса, использован полевой транзистор VT3 (КП103Г). В результате диапазон рабочих напряжений этого преобразователя расширен до 0,7... 10 В.

Заметно упрощенные, но работающие в ограниченном интервале питающих напряжений устройства показаны на рисунках 16 и 17. Они обеспечивают свечение светодиодов в диапазоне 0,7...1,5 В (при R1=680 Ом) и 0,69...1,2 В (при R1=0 Ом), а также от 0,68 до 0,82 В (рис. 17).

Рис. 16. Принципиальная схема упрощенного низковольтного преобразователя напряжения с ВЧ-генератором.

Рис. 17. Упрощенный низковольтный преобразователь напряжения с ВЧ-генератором и телефонным капсюлем в качестве катушки.

Наиболее прост генератор на аналоге инжекционно-полевого транзистора (рис. 18), где светодиод одновременно выполняет роль конденсатора и является нагрузкой генератора. Устройство работает в довольно узком диапазоне питающих напряжений, однако яркость свечения светодиода достаточно высока, поскольку преобразователь (рис. 18) является чисто индуктивным и имеет высокий КПД.

Рис. 18. Низковольтный преобразователь напряжения с генератором на аналоге инжекционно-полевого транзистора.

Следующий вид преобразователей достаточно хорошо известен и является более традиционным. Это преобразователи трансформаторного и автотрансформаторного типа.

На рис. 19 показан генератор трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением. Генератор содержит лишь три элемента, одним из которых является светоизлучающий диод.

Без светодиода устройство является простейшим блокинг-генератором, причем на выходе трансформатора может быть получено довольно высокое напряжение. Если в качестве нагрузки генератора использовать светодиод, он начинает ярко светиться даже при низком значении питающего напряжения (0,6...0,75 В).

Рис. 19. Схема преобразователя трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением.

В этой схеме (рис. 19) обмотки трансформатора имеют по 20 витков провода ПЭВ 0.23. В качестве сердечника трансформатора использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К 10x6x2,5. В случае отсутствия генерации выводы одной из обмоток трансформатора следуе! поменять местами.
   
Преобразователь, показанный на рисунке 20, имеет самое низкое напряжение питания из всех рассмотренных устройств. Существенного понижения нижней границы рабочего напряжения удалось достичь за счет оптимизации выбора числа (соотношения) витков обмоток и способа их включения. При использовании высокочастотных германиевых транзисторов типа 1Т311, 1Т313 (ГТ311, ГТ313) подобные преобразователи начинают работать пои напояжении питания выше 125 мВ.

Рис. 20. Низковольтный преобразователь напряжения из 0,25В - 0,6В в 2В.

Рис. 21. Экспериментально измеренные характеристики генератора.

В качестве сердечника трансформатора, как и в предыдущей схеме, использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К10x6x2,5. Первичная обмотка выполнена проводом ПЭВ 0,23 мм, вторичная — ПЭВ 0,33. Довольно яркое свечение светодиода наблюдается уже при напряжении 0,3 В.

На рисунке 21 представлены экспериментально измеренные характеристики генератора (рис. 20) при варьировании числа витков обмоток. Из анализа полученных зависимостей следует, что существует область оптимального соотношения числа витков первичной и вторичной обмоток, причем, с увеличением числа витков первичной обмотки минимальное рабочее напряжение преобразователя плавно снижается, причем одновременно сужается и диапазон рабочих напряжений преобразователя.

Для решения обратной задачи — расширения диапазона рабочих напряжений преобразователя — последовательно с ним может быть подключена RC-цепочка (рис. 22).

Рис. 22. Схема низковольтного преобразователя напряжения с применением RC-цепочки.

Схемы преобразователей по типу индуктивной или емкостной трех-точки

Еще один вид преобразователей представлен на рисунки 23 — 29. Их особенность — использование индуктивных накопителей энергии и схем, выполненных по типу «индуктивной» или «емкостной трех-точки» с барьерным режимом включения транзистора.
   
Генератор (рис. 23) работоспособен в диапазоне напряжений от 0,66 до 1,55 В. Для оптимизации режима работы требуется подбор номинала резистора R1. В качестве катушки индуктивности, как и во многих предыдущих схемах. использована катушка контура фильтра ПЧ индуктивностью 260 мкГн.

Рис. 23. Преобразователь напряжения для светодиода на одном транзисторе КТ315.

Так, при числе витков первичной обмотки п(1) равном 50...60 и числе витков вторичной л(II) — 12, устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 260...440 мВ (соотношение числа витков 50 к 12), а при соотношении числа витков 60 к 12 — 260...415 мВ.

При использовании ферритового сердечника другого типа или размера это соотношение может нарушиться и быть иным. Полезно самостоятельно выполнить подобное исследование, а результаты для наглядности представить в виде графика.

Весьма интересным представляется использование туннельного диода в рассматриваемых генераторах (аналогичного приведенному на рис. 20), включенного вместо перехода эмиттер — база транзистора VT1.

Генератор (рис. 24) немногим отличается от предыдущего (рис. 23). Интересной его особенностью является то, что яркость свечения светодиода меняется с ростом напряжения питания (рис. 25).

Рис. 24. Преобразователь напряжения с меняющейся яркостью свечения светодиода.

Рис. 25. График зависимости яркости свечения светодиода от питающего генератор напряжения (для рисунка 24).

Причем максимум яркости достигается при 940 мВ. Преобразователь, показанный на рисунке 26, можно отнести к генераторам, выполненным по схеме «трехточки», причем светодиод выполняет роль одного из конденсаторов.

Трансформатор устройства выполнен на ферритовом кольце (1000HM) К10x6x2,5, причем его обмотки содержат приблизительно по 15...20 витков провода ПЭЛШО 0,18.

Рис. 26. Низковольтный преобразователь напряжения с генератором выполненном на основе трехточки.

Преобразователь (рис. 27) отличается от предыдущего точкой подключения светодиода. Зависимость яркости свечения светодиода от напряжения питания показана на рисунке 28: при повышении напряжения питания яркость вначале нарастает, затем резко снижается, после чего снова растет.

Рис. 27. Простой преобразователь напряжения для низковольтного питания светодиода АЛ307.

Рис. 28. Зависимость яркости свечения светодиода от напряжения питания.

Наиболее простой схемой преобразователей этого типа является схема, представленная на рисунке 29. Установление рабочей точки достигается подбором резистора R1.

Светодиод, как и в ряде предшествующих схем, одновременно играет роль конден сатора. В порядке эксперимента рекомендуется подключить па раллельно светодиоду конденсатор и подобрать его емкость.

Рис. 29. Очень простая схема низковольтного преобразователя напряжения на одном транзисторе.

В заключение

В качестве общего замечания по налаживанию схем, представленных выше, следует отметить, что напряжение питания всех рассмотренных устройств во избежание повреждения светодиодов не должно (за редким исключением) превышать значения 1.6...1.7 В.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1).