Светодиодный фонарик

В Сети представлено большое количество схем по доработке старых ламповых фонариков и переделке их на светодиоды. Легко найти схемы как примитивных вариантов на одном транзисторе с низким КПД и без стабилизации тока, так и эффективные варианты на специализированных микросхемах. Мой вариант доработки находится где-то посередине, так как позволяет с использованием популярных недорогих комплектующих достичь неплохого результата.

Раньше я уже неоднократно применял микросхему MC34063 (и её аналоги), для модернизации светодиодных фонариков с питанием от трёх батареек (3-4.5 вольт). Микросхему я применял в типовом включении и, конечно, же ощутил все её минусы для этого применения:

• сравнительно высокое падение напряжения на открытом ключе, что критично при низковольтном питании;
• падение напряжения на резисторе защиты по току;
• высокое напряжение компаратора - 1.25 вольт.

По-новому взглянуть на MC3406 заставила статья Стабилизатор тока светодиодов на микросхеме МС34063. Казалось бы, ничего ранее неизвестного автор не открыл, но показал, что микросхему MC34063 можно использовать по-другому, не используя компаратор напряжения и повысив рабочую частоту. Если ещё добавить драйвер полевого транзистора, то получится вполне хороший вариант импульсного преобразователя для светодиодного фонарика.

В результате экспериментов в окончательном варианте родилась следующая схема:

Это импульсный повышающий преобразователь напряжения. На транзисторах VT1, VT2, VT4 собран драйвер полевого транзистора VT5, позволяющий получить на его затворе напряжение, бо́льшее чем напряжение питания. Работает вся схема следующим образом. В выключенном состоянии (разомкнут S1), ключевые транзисторы внутри MC34063 закрыты, закрыты и VT1, VT2, VT5. Конденсаторы C1,C3 практически разряжены, а конденсатор C2 заряжен через диод VD1 примерно до 4-х вольт).

При включении фонарика конденсаторы С1, С3 быстро заряжаются от батареи и на эмиттерах VT1, VT2 получается напряжение примерно 8.5 вольт. Начинает работать встроенный генератор MC34063, транзистор VT3 пока закрыт. Когда транзисторы микросхемы открываются, они открывают VT1 и VT2. VT1 подаёт на базу VT4 положительное напряжение, что приводит к закрытию VT4, VT2 подаёт положительное напряжение на затвор VT5, открывая его. Ток через дроссель L1 начинает возрастать, в нём накапливается энергия. Специально ток через дроссель не ограничивается, но он ограничен индуктивностью дросселя L1 и временем открытия ключевого транзистора VT5. После закрытия ключевых транзисторов микросхемы, закрываются VT1, VT2, открывается VT4 и быстро разряжает ёмкость затвора VT5, который закрывается. Энергия, накопленная в дросселе L1, через диод VD3 заряжает конденсаторы C6-C7, которые питают светодиоды фонарика. Также через диод VD2 подзаряжается конденсатор C2, от которого питается драйвер ключевого транзистора VT5. Когда ток через цепочку светодиодов HL1HL2 достигнет примерно 18mA (на конденсаторах C6,C7 в это время будет примерно 7 вольт), начнёт открываться транзистор VT3. Открывающийся транзистор VT3 включает компаратор тока микросхемы MC34063, что приводит к ускорению заряда конденсатора C5 её генератора, что сокращает время, в течение которого открыт ключевой транзистор VT5. Это приводит к сокращению накапливаемой в L1 энергии, таким образом ток через светодиоды уменьшается. Соответственно, падение напряжения на R9 уменьшается, транзистор VT3 прикрывается и время, в течение которого открыт ключевой транзистор VT5, увеличивается. Таким образом стабилизируется ток через светодиоды. Всего использовано 20 5 мм светодиодов, включенных последовательно по два (10 цепочек). В принципе, можно увеличить число диодов в цепочке, но в этом случае нужно учитывать следующее:

• Отношение времени когда ключ открыт ко времени, когда ключ закрыт, для MC34063 составляет 1:6. При срабатывании токового компаратора время открытия ключа ещё уменьшается. Следовательно, даже при двух светодиодах (Uвых~7 вольт), преобразователь будет работать в режиме  разрывных  токов (discontinuous conduction mode).
• Максимальное напряжение затвора выбранного полевого транзистора - 20 вольт. При увеличении напряжения питания драйвера вырастет потребляемый им ток. Решение - можно сделать отвод от L1, к которому подключить анод VD2, чтобы драйвер питался меньшим напряжением, чем светодиоды.
• Максимальное обратное напряжение диода Шотки SB120 - 20 вольт. А именно эти диоды широко доступны в отслуживших свой срок материнских платах, видеокартах.
• Выходное напряжение в ~7 вольт получается от источника питания напрямую (4.5 вольта) плюс только 2.5 вольта от преобразователя, что повышает КПД фонарика.

При изменении конструктива можно вместо верхних по схеме светодиодов (HL1, HL3 ... HL19) поставить один мощный светодиод, к катоду которого подключить аноды нижних оставшихся светодиодов (HL2, HL4 ... HL20). В этом случае ток через мощный светодиод будет равен сумме токов через все цепочки и составит 180mA.

В качестве корпуса для фонарика был выбран старый советский фонарик, питающийся от трёх элементов типа 373 (D size). Металлические внутренности фонарика были окислены, выключатель неисправен, поэтому был установлен стандартный малогабаритный выключатель, используемый во многих компьютерных блоках питания, принтерах и т.п. Детали фонарика и светодиоды размещены на двухсторонней печатной плате, чертёжы которой представлены ниже.

Печатная плата имеет круглую форму (внешний круг на первом рисунке). От штатного отражателя отпилена нижняя часть (которая с лампочкой), и к оставшейся  воронке  приклеена термоклеем плата фонарика. Сейчас печатная плата имеет отличие от принципиальной схемы. Левый по схеме вывод дросселя L1 подключён напрямую к источнику питания, минуя выключатель. Это было сделано для снижения потерь на выключателе, для сокращения пути тока, протекающего через дроссель. Оказалось, с новыми батарейками такое подключение приводит к небольшому свечению светодиодов, поэтому в последствии дроссель L1 был подключён через выключатель. Если использовать цепочки из трёх и более последовательно включённых светодиодов, отключать дроссель выключателем не нужно, свечения уже не будет.

Скачать чертёж печатной платы (соответствует схеме, дроссель отключается) в формате Sprint-Layout можно здесь.

Пятачок по центру печатной платы предназначен для подачи  плюса  от батареи. К нему припаян неисправный предохранитель, к которому с обратной стороны припаян круглый контакт (у меня от батарейки АА). В результате плюсовой контакт для верхней батарейки находится там же, где в штатном варианте находился нижний контакт лампочки. Конденсаторы C6 и C7 условно показаны двумя, по факту на плате расмещены имеющися в наличии SMD полярные и керамические конденсаторы.

На фото выше видна перемычка из красного провода и перерезанная дорожка, в результате чего левый вывод L1 оказывается подключен к плюсу питания через выключатель.

Вид на печатную плату с деталями и остатком отражателя:

Дроссель L1 применён готовый, индуктивность 56мкГн. Как отмечено на схеме, индуктивность должна быть не меньше 50мкГн. Можно намотать дроссель на I-образном сердечнике ( гантельке ) до заполнения проводом диаметром 0.3-0.5мм. Желательно убедиться, что индуктивность получилась не меньше необходимой.

В итоге получился вот такой фонарик:

Сразу после сборки был замерен КПД получившегося преобразователя. Вышло что-то немногим выше 80%. Что для схемы без синхронного выпрямления и с резистором-датчиком тока, неплохо.

При использовании представленных материалов обязательна ссылка на сайт кафедры АСОИ http://gsu.by/asoi или мою личную страницу http://gsu.by/asoi/pages/chechet.