Импулсно захранване за джобно фенерче.

[Evtim Djerekarov]

Здравейте,
Макар, че тук се обсъждат предимно схеми на устройства, свързани с музиката, неведнъж се е случвало, да се
говори за електроника от бита. От известно време, се занимавам с направа на разнообразни импулсни захранвания, предимно като част от устройства, но и за удоволствие. Има много прецизни и сложни схеми, като прецизни лабораторни захранвания, дори такива като импулсни електрожени, които обикновено имат относително сложни контролни схеми и защити. Голям кеф обаче ми прави, да чопля прости схеми за прости устройства, което се представят добре и вършат добра работа предвид пределната си простота.

Понеже съм привърженик на философията, че едно нещо е най-близо до съвършенството не тогава, когато няма какво да добавиш към него, а тогава, когато няма какво да махнеш, предлагам на вниманието на всички инженери, електронни хобисти или просто Copy/Paste фенове във форума следната проста схемка, над която мислих известно време. Не съм срещал точно такова решение в мрежата, въпреки, че схемата на практика е прост осцилатор, а от гледна точка на импулсната схемотехниката е комбинация от някои схеми на фенерчета и 5V Standby самоосцилиращата схема на повечето по-евтини ATX импулсни захранвания.

Схемката е импулсен повишаващ DC/DC преобразувател, предназначен за употреба във джобни фенерчета, която
може да се ползва с една или две 1.5-волтови батерии и може да управлява светодиод с пад на напрежението в права посока по-голям от 3 волта(ако се ползват 1 или 2 батерии), или пад над 2 волта(ако се ползва 1 батерия), като светодиодът може има максимален ток в границите около 100-400 милиампера, като стойностите на съпротивленията R1 и R2, както и транзисторът( по коефициент hFE/бета) се избират в зависимост от желаният максимален ток при нови батерии и избраният модел светодиод.

Макар с тази схема, да не откривам никак топлата вода, смея да твърдя, че тя е изключително подходяща за приложението си, поради ред причини:

-Демонстрира КПД oт рода на 83% при 3V входно напрежение, като в по-голямата част от живота на батерията,
KПД варира в границите 70-80%, а когато батерията е вече почти мъртва, пада до около 50%. С подбор на транзистор с голям коефициент на усилване, висока скорост и малко VCEon, както и подходящ изходен кондензатор с малко ESR и изправител с минимален пад на напрежение в права посока, възможно е да се постигне кпд с пик около 90% в началото, което в от сорта на 75-80% в по-голямата част от времето. Това е доста добро КПД за толкова проста схема, което много от по-сложните схеми със специализирани контролери, рядко конкурират.

-Схемата е много проста, като има само един активен елемент.

-Макар да не поддържа константен ток през светодиода, схемата постепенно намалява консумацията си
с изразходване на батерията, което прави възможна максимално дълга приемлива експлоатация, без да имаме налице рязко спиране на светлината след определена граница на падане на напрежението на батерията.
На практика в измерения прототип, всяко двукратно падане на входното напрежение, води до 3-кратно падане
на тока през светодиода. Понеже окото има логаритмична сетивност към светлината, привидната яркост на фенерчето остава почти неразличима от първоначалната в първите 50% от жизнения цикъл на батерията, съвсем приемлива в 90% от времето, като осезаемо спадане на яркостта се наблюдава чак при съвсем крайно понижаване на входното напрежение. Въпреки това, светлина, достатъчна за да можете да видите ключалката си, схемата има дори при входно напрежение само 0.3 волта.

Повечето популярни схеми, поддържащи константен ток, биха изключили доста преди предложената схема, оставяйки доста неизползвана енергия в батерията. Това прави настоящата схема доста "зелена".

Като главен недостатък на схемата, може да се сметне това, че тя няма обратна връзка по ток, а транзисторът  както и два резистора се подбират според светодиодът, който ще се ползва, и според максималният желан ток при нови батерии.


Ето самата схемичка:

 

 

*Транзисторът е BD139

 

Схемата на практика представлява осцилатор, като активен елемент е транзисторът Т1, а бобините L1 и L2 са навити на обща сърцевина и по този начин образуват трансформатор, като L1 участва в step-up конвертор и трябва да може да работи с ниски загуби поне до ток 1.2A при избраната честота на работа на конвертера, докато L2 служи за обратна връзка, за да имаме генерации. Интересно е, да се отбележи, че L2 помага както да се запуши транзисторът в едната полувълна, така и за по-бързото и рязкото му отпушване в другата.

Схемата няма много възможности за регулиране на честотата на осцилациите, като главното средство за това е, промяната на индуктивностите на бобините, като е желателно да се придържате в някаква степен, към съотношението на индуктивностите им.

Какъв ще бъде изходният ток при максимално входно напрежение(3.1V) зависи от максималният пиков колекторен ток на транзистора, който в тази схема е около 1A за 350-милиамперов бял светодиод, а той от своя страна зависи от подбора на съпротивленията R1 и R2, както и от коефициента на усилване по ток на транзистора. Стойностите се уточняват експериментално в прототипна фаза, предвид избраният светодиод и преобладаващото усилване по ток на транзисторите, с които разполагаме, като по-големи стойности на R1 и R2
компенсират по-голямо усилване по ток на транзистора и обратно.

Тази стъпка е важна, тук като ако изходният ток при нови батерии е твърде голям, бихме могли да повредим светодиода.

Възможно е и да се сложи филтров кондензатор ва входа на устройството, паралелно на батерията.
Ако сложите такъв, желателно е прекъсвача на батерията да е поставен след него, точно преди L1.
Това се прави с цел - при включване на устройството, заради самоиндукцията на L1, напрежението от дясната страна на L1 рязко "подскача", което позволява генераторът да тръгне и схемата да се включи при много ниски входни напрежения, от сорта на 0.55V.

В началото, през светодиода не протича значителен ток, защото той е подбран така, че падът му на напрежение в права посока е по-голям от напрежението на батериите.
Единствено през D1 може да протече по-значителен ток, който да зареди C2.

Помощният изправител D1 и кондензаторът C2 осигуряват стабилно отпушващо напрежение за T1(токът тече през R1 и прехода база-емитер).

Щом транзисторът започне да се отпушва, протича и колекторен ток, през транзистора и бобината L1. Това от своя страна, създава ЕДН и в краищата на L2, което представлява положителна обратна връзка по променлив ток, която осигурява осцилациите.

Групата D6, R3 предотвратява прекомерното понижаване на базовото напрежение, когато транзисторът е запушен и по този начин предотвратява отпушването на "диода" колектор-база на транзистора.

Схемата няма защити, както много от вас ще отбележат, но ако е оразмерена правилно, в нея има пасивна защита. Ако генераторът по някаква причина не тръгне, колекторният ток на T1 се определя само от входното напрежение и R1(които определят базовия ток). Следователно R1 може да се подбере такова, че да не е възможно да се превиши максималният колекторен ток на транзистора, ако генераторът не стартира.

Това, което кара транзисторът да се отпушва до режим на насищане, не е токът през R1, а токът на обратната връзка(през R2, който е неколкократно по-малък от R1 и през C1, който се подбора с относително голяма стойност).
Ако имаме налице генерации, тогава това, което определя максималният колекторен ток, вече не е R1, а е L1. Поради тази причина е много важно, при честотата на осцилация (1-8 kHz при максимално напрежение, в зависимост от избраните стойности) и избраният пиков ток, сърцевината на L1 да не навлиза в насищане, защото това би могло да повреди транзистора. Ако подборът на стойности е добър, на практика е доста трудно да повредите схемата, понеже в самия и принцип на работа са залегнали гореспоменатите естествени, пасивни защити.

Всеки път, когато T1 се запуши, напрежението на колектора му скача рязко над захранващото напрежение(заради самоиндукцията на L1) и през изправителите(или изправителя, ако е само един) D2,D5, зареждат изходния филтров кондензатор C3 до напрежение, по-високо от входното. Когато това напрежение се изравни с напрежението в права посока на светодиода, той започва да свети с избраният максимален ток.

Надявам се, че четивото е било интересно за вас. Ще се радвам много на предложения за доработки по схемата, както и на желаещи за по-подробен анализ, така че да могат да се изведат полезни зависимости. Също така, ако някой от вас обича да чертае платки и има 3D софтуер, бих се радвал и на предложения за платки(конвертора би могъл да се смести в обема на една AAA батерия също на по-голямата AA, а гонителите на максимално КПД могат да начертаят по-голяма платка за компоненти с по-малки загуби. Друг интересен принос би бил на хора, които разбират от електрохимия, за да се определи оптималната консумация за даден тип батерия. Именно затова правих и някои замервания.

Тествах схемата при максимален ток 80мА, относително нова(но не много) алкална батерия AAA ANSMANN 1.5V (1.404V на празен ход), светодиод CREE от сериите XLamp при ток 80mA при 1.404V вход (около 35 лумена светлинен поток, не твърде ярко, но достатъчно, предвид факта, че работим с една батерия и не искаме батерията да свърши бързо).

Интересно е, че батерията се възстановява след първоначалното изчерпване, и то в значителна степен.
Това може да означава две неща:
-Трябва задължително да има входен филтров кондензатор.
-Трябва да се подбере по-малък консумиран ток, за да може консумацията да не изпреварва "регенерирането".

 

Долу съм описал измервания за около 3 часа и 10 минути светене, 3 часа от които - с приемлива яркост.
Предполагам, че с още 3-4 "цикъла" на регенериране-изхабяване на батерията, това време може да достигне поне 4 часа, ако не и малко повече. Може да ви е интересно, прегледайте.

 

Напрежение на батерията на празен ход: 1.404V
Време                        Напрежение под товар    Субективно възприятие
00:00                          1.226V              ОК
00:05                        1.201V                OK
00:10                        1.178V               OK
00:15                        1.160V               OK
00:20                        1.144V               OK
00:25                        1.129V               OK
00:30                        1.115V               OK
00:35                        1.102V               OK
00:40                        1.089V               OK
00:45                        1.077V               OK                
00:50                        1.065V               OK, малко по-тъмно                
00:55                        1.053V               OK, малко по-тъмно
01:00                        1.040V               OK, малко по-тъмно
01:05                        1.026V               OK, малко по-тъмно
01:10                        1.012V               OK, малко по-тъмно
01:15                        0.998V               OK, малко по-тъмно
01:20                        0.976V               OK, малко по-тъмно
01:25                        0.946V               OK, малко още малко по-тъмно
01:30                        0.841V               OK, малко още малко по-тъмно
01:35                        0.466               Вече тъмничко
01:40                        0.240               Светодиодът едвам мъждука

 

След като изключим фенерчето и изчакаме 10-на минути електрохимията в батерията да свърши малко работа,
се наблюдава известно "съживяване" на батерията . Интересен феномен след първоначалният разряд е това,
че напрежението пълзи нагоре вместо надолу за известно време, след първоначалното по-бързо падане.

00:01                        1.232V
00:02                        1.134V
00:03                        1.001V -> възстановяване, напрежението пълзи нагоре известно време
00:04                        1.015V
00:05                        1.008V
00:06                        1.003V
00:07                        0.998V
00:08                        0.994V
00:09                        0.990V
00:10                        0.987V
00:11                        0.984V
00:12                        0.981V
00:13                        0.978V
00:14                        0.975V
00:15                        0.972V
00:16                        0.969V
00:17                        0.966V
00:18                        0.963V
00:19                        0.960V
00:20                        0.957V


00:00 - включване
00:06 - възстановяване, напрежението пълзи нагоре 0.960V - 0.990V
00:28 - 0.750V - рязко спадане на напрежението
00:29 - почти пълно изчезване на светлината.



0:00 - включване(след половин час пауза)
0:07 - 830mV - възстановяване, напрежението пълзи нагоре
0:21 - рязко падане на напрежението, затъмняване

Очаквам всякакви акъли .

Редактирано Май 24, 2014 от Evtim Djerekarov

[Evtim Djerekarov]

След вчерашния анализ, помислих върху една лека доработка, ползваща по-специализиран транзистор и диоди с минимални загуби, която на теория, би имала КПД, вариращо от над 90% при пълна батерия, до почти 80% при празна. Много ми е любопитно, какви реални резултати биха се получили, като намеря такива части и пробвам схемата с тях.

Схемата може да се ползва с 1 или 2 батерии, като ако се подбере светодиод с по-нисък пад(съвсем малко над 3V, или малко над 2V, ако схемата се ползва с 1 батерия) очаквам дори по-добро КПД:

 

[a_panov]

 

       

[L.K.]

 

Има и други: https://www.google.bg/search?q=led+torch+schematics&es_sm=122&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=iVyCU56QEeOr0QXn8oCoBQ&ved=0CAgQ_AUoAQ&biw=1280&bih=734#imgdii=_

[Evtim Djerekarov]

Схемата на Joule Thief и неговите производни са ми добре известни, но те са по-оптимизирани за малки токове(10-20mA), при тях токът през диода е импулсен и не притежават някои от предимствата на горната схема.

Не случайно публикувах схемата. Идеята е моя, макар и да не е много различна от популярните схеми из нета, в нея има известни разлики. Гледах доста схеми из интернет, но досега не съм откривал драйвер за 350мА светодиод, който има проста схема, не ползва никакви интегрални схеми, има добро КПД и работи до много дълбок разряд на батерията. Моята схема тръгна като идея от 5VSB схема на АТХ импулсно захранване, където има MOSFET за високо напрежение, "гасящ" биполярен транзистор за защита по дрейнов ток и оптрон за ООВ. С оглед на минимизиране на компонентите, както и на философията, че не е необходимо да имаме ООВ ако си поставим поне 30-50% поле за увеличаване на тока (примерно, да ползваме 350mA диод на ток 250мА),  а също и на заключението, че поддържането на константен ток не е важно за това приложение (все пак, с изхабяването на батерията, нейното вътрешно съпротивление нараства и й става все по-трудно да осигурява нарастващата нужда от по-големи токове с падане на напрежението й), схемата се опрости до това, което съм нарисувал, но идеята й не е точно като на JT - прилича, но до нея е достигнато по друг път. И мисля, че за приложението си, е по-добра, макар и малко по-сложна.

С нея например, ако сложим светодиод с пад в права посока над 3 волта, може да ползваме 2 батерии АА/ААА, като имаме ярък режим(батериите последователно) и енергоспестяващ/дългообслужващ режим(батериите паралелно).

Друга нейна особеност е по-голямото КПД от JT(втората моя схема с по-добри компоненти).

JT е най-простото възможно решение, след ползване на токоограничаващ резистор.

Моята схема е съвсем малко по-сложна, но в много отношения е конкурентна на доста по-сложни решения, що се касае до джобно фенерче.

Редактирано Май 25, 2014 от Evtim Djerekarov

[L.K.]

http://talkingelectronics.com/projects/LEDTorchCircuits/LEDTorchCircuits-P1.html

 

Редно е да се помисли за батерията (батериите) - с какви изходни характеристики разполагат, какво се случва с вътрешното съпротивление при дълбокото разреждане. 350mA светодиод изисква доста енергия и не е оправдано да се ползва всяка батерия. 2хААА ще клекнат неоправдано бързо.

Редактирано Май 25, 2014 от L.K.

[Evtim Djerekarov]

Разглеждал съм тази страница много пъти. Ако искаш да покажеш нещо определено, бъди по-конкретен.

 

От това, което пишеш горе мога да предположа, че не си изчел първото мнение на темата, както и предното мое.

При тази схема, токът през светодиода пада почти линейно с входното напрежение, а консумацията на енергия пада по-бързо от линейно(а и белите LED като цяло са по-ефективни при токове, по-малки от максималния). Именно това й е хубавото.

 

Ако схемата се направи с хубави изправители с малки загуби и добър транзистор с VCE(sat)

 

При 3 волта вход, можем да оразмерим схемата, да кажем за 200мА при нови батерии(3 волта).

Тогава ще имаме около 62 лумена светлинен поток със свестен светодиод(доста за джобно фенерче).

При 1.5 волта вход, ще имаме около 90-100мА и около 25-30 лумена.

При 0.7 волта вход, ще имаме около 30-40мА и около 10-15 лумена - все още достатъчно за да се ползва.

 

Ако искаме да сме по - енергоспестително, можем да оразмерим схемата за 150 или 100 милиампера при 3 волта.

При по-ниско входно напрежение, токът ще намалява пропорционално.

Именно това е главното предимство на схемата пред сложните специализирани решения, които се опитват да поддържат тока през диода постоянен.

 

Представи си сега фенерче, с ключе, което връзва батериите последователно или паралелно при избран максимален ток през диода от 0.2А@3V вход.

При 3 волта - кеф - голяма яркост, по-голяма консумация, но все пак, поне час, час и половина живот.

При 2 батерии в паралел - по-малка, но приемлива яркост и доста дълго светене(поне 3-4 часа, ако не и повече, ако се свети "на почивки"(изчакваме батерията да се "регенерира" 10-20 минути и пробваме пак) - поне 7-8 часа).

Редактирано Май 25, 2014 от Evtim Djerekarov

[Evtim Djerekarov]

Ето и една реализация на JT, оразмерена за по-голям ток. Вижда се, че ако се ползват подходящи за целта компоненти, КПД не отстъпва много, а и сега има повече място за входен филтров кондензатор. Друго, което се забелязва е, различната зависимост на спадане на изходния ток с намаляване на входното напрежение(6 пъти в горната схема, срещу 33 пъти тук, в горната схема токът пада 1.4 пъти по-бързо от входното напрежение, а в тази схема - 7.7 пъти):

 

Редактирано Май 25, 2014 от Evtim Djerekarov

[Evtim Djerekarov]

Ето едни резултати от симулация. Всички загуби са взети предвид, като загубата във вътрешното съпротивление на батериите, неидеалните бобини и ESR на кондензаторите, както и загубите в транзисторите и диодите.

 

 

Вижда се, че за целия диапазон на живот на батериите, яркостта не пада повече от 8 пъти, което за окото е равносилно на усещане за около 2-пъти по-ниска яркост.

Ако схемата работи на 2 батерии(3 волта), КПД се движи около 88% в по-голямата част от живота на батерията.

Ако схемата работи на 1 батерия, консумацията и първоначалната яркост са по-малки, кпд се движи около 81%  през по-голямата част от живота на батерията, а загубата на яркост от за целия цикъл на батерията е около 3:1, което се вижда като "малко по-тъмно".

 

Ако схемата се ползва с една алкална батерия ААА, тя свети около час и половина - два часа, като ако се изчаква да се възстанови батерията и се включва пак, общо може да свети над 3 часа.

 

Ако схемата се ползва на една алкална батерия АА, тя свети около 4 часа, като ако се изчаква възстановяване и се пуска пак - около 6-7 часа.

 

Ако схемата се ползва при една батерия размер C, то тя свети около 20 часа.

 

Колко общо време, фенерчето може да свети на батерия C със изчакване, както и колко дълго работи с две батерии, засега не е тествано. Резултатите от тестването с една батерия са базирани на първата схема с по-несъвършени компоненти и по-ниско КПД. С тази схема, може да се очаква, времето на светене да е около 10-12% по-дълго.

 

Използван е светодиод CREE XB-D 5000K от бин Q5.

200uF кондензаторите са танталови с ESR=0.5R. Ако има обем за такова с по-ниско ESR, КПД може да се вдигне с около 2%, същото важи за вътрешното съпротивление на батериите. Ако се ползват повече в паралел, както и хубави кондензатори, пика на КПД е около 93%.

Редактирано Май 27, 2014 от Evtim Djerekarov

[Evtim Djerekarov]

Ако не се вижда картинката горе: