Светодиодный фонарь с регулятором яркости. Светодиодный фонарь с регулятором яркости Схема и принцип её работы

В статье "Регулятор яркости фонаря", опубликованной в "Радио", № 7 за 1986 г., рассказывалось об электронном устройстве для управления яркостью карманного фонаря. Сегодня автор названной статьи предлагает усовершенствованный им вариант устройства, позволяющий придать фонарю дополнительную функцию светового маяка.

Регулировать яркость лампы карманного фонаря можно, конечно, переменным резистором, включенным последовательно с ней. Но, к сожалению, на резисторе при этом бесполезно теряется значительная мощность и КПД такого регулятора окажется невысоким. Более экономичным является ключевой регулятор, принцип его работы основан на том, что нагрузка подключается к источнику питания (батарее) не постоянно, а периодически - на промежутки времени, которые можно плавно изменять. В результате будет изменяться средний ток через лампу накаливания, а значит, и ее яркость.

Предлагаемый регулятор (рис. 1), как и упомянутый выше, встраивается в корпус фонаря и позволяет не только регулировать яр кость лампы накаливания от максимальной до слабого свечения. С его помощью фонарь легко превратить в световой маяк.

Основой такого регулятора является интегральный таймер DD1. На нем собран генератор импульсов. Частоту их следования (от 200 до 400 Гц) и скважность можно изменять. Транзистор VT1 выполняет роль электронного ключа - его работой управляет генератор. Принцип действия регулятора поясняют осциллограммы, приведенные на рис. 2.

В режиме регулирования яркости контакты переключателя SA1, совмещенного с переменным резистором R3, замкнуты. Перемещением движка резистора изменяют продолжительность зарядки и разрядки конденсатора С1, причем зарядка осуществляется через диод VD2, а разрядка - через VD3. Резисторы R1 и R2 сравнительно высокого сопротивления на работу генератора влияния практически не оказывают.

В одном из крайних положений движка резистора на выходе генератора (вывод 4) формируются короткие импульсы напряжения, открывающие транзисторный ключ (рис. 2, а). При этом лампа подключается к батарее на короткое время, яркость ее свечения минимальна.

В среднем положении движка резистора продолжительность времени, пока лампа подключена к батарее, равна продолжительности паузы (рис. 2,б). В итоге на лампе выделяется мощность, равная примерно половине максимальной, т.е. лампа станет гореть вполнакала.

В другом крайнем положении движка большую часть времени лампа остается подключенной к батарее и отключается только на короткое время (рис. 2, в). Поэтому лампа будет светить практически с максимальной яркостью.

На транзисторном ключе в открытом состоянии падение напряжения составляет примерно 0,2 В, что свидетельствует о достаточно высоком КПД такого регулятора.

В режиме светового маяка контакты выключателя SA1 разомкнуты, и зарядка конденсатора С1 осуществляется в основном через резистор R2 и диод VD1, а разрядка - через резистор R1. В таком режиме лампа подключается к батарее на несколько десятых долей секунды с интервалом в несколько секунд.

Выключатель SA2 - собственный выключатель фонаря, конденсатор С2 выполняет роль буферного накопителя энергии, облегчающего режим работы батареи GB1.

Испытания регулятора показали, что он нормально работает при снижении питающего напряжения до 2,2...2,1 В, поэтому его можно использовать в фонарях даже с батареями из двух гальванических элементов. Для указанного на схеме транзистора лампа накаливания может быть с током до 400 мА.

В устройстве допустимо использовать таймер КР1006ВИ1, диоды КД103А, КД103Б, КД104А, КД522Б, а также транзистор, специально предназначенный для работы в ключевых или импульсных схемах - с напряжением кол лектор - эмиттер в режиме насыщения 0,2...0,3 В, максимальным током коллектора не менее тока, потребляемого лампой накаливания, и коэффициентом передачи тока не менее 40. Для лампы накаливания с током до 300 мА подойдут, кроме указанного на схеме, транзисторы КТ630А - КТ630Е, КТ815А - КТ815Г, КТ817А - КТ817Г. Оксидные конденсаторы желательно использовать малогабаритные, например, серий К52, К53, К50 - 16, переменный резистор - СПЗ - 3 с выключателем, постоянные - МЛТ, С2 - 33. Резистор R3 можно применить и с большим в несколько раз номиналом, например 10, 22, 33, 47 кОм, но при этом придется пропорционально уменьшить емкость конденсатора С1, чтобы частота генератора практически осталась прежней.

Конструктивно регулятор проще установить в фонарь с так называемым "квадратным" корпусом, предназначенный для использования батарей 3336, "Рубин" и их зарубежных аналогов, а также - в "круглый", фонарь с разборными половинами пластмассового корпуса. В этом случае вначале на корпусе укрепляют резистор R3, а затем размещают остальные детали. Причем в любом варианте их удобнее устанавливать методом навесного монтажа: диоды и резисторы R1, R2 допустимо припаять к выводам резистора R3 и выключателя SA1. После монтажа и проверки детали надо закрепить и изолировать, к примеру, эпоксидным клеем.

Если режима светового маяка не требуется, регулятор можно упростить, исключив элементы R1, R2, VD1 и применив резистор R3 без выключателя SA1.

Налаживание устройства сводится к подбору резисторов R1, R2, R5. В режиме маяка подбором резистора R1 устанавливают продолжительность паузы между вспышками, а резистора R2 - длительность вспышки. Номинал резистора R5 зависит от типа и параметров транзистора, а также напряжения источника питания. Чтобы его подобрать, надо подать питающее напряжение примерно раза в два меньше максимального или минимальное, при котором регулятор работает устойчиво. После этого резистор R3 устанавливают в положение максимальной яркости и к выводам коллектора и эмиттера транзистора подключают вольтметр. Между базой транзистора и выводом 4 микросхемы временно устанавливают цепочку из последовательно включенных постоянного резистора сопротивлением 30 Ом и переменного - на 2,2 кОм. Изменяя сопротивление переменного резистора от максимального до минимального, контролируют напряжение на коллекторе транзистора. Отмечают положение движка, при котором дальнейшее уменьшение сопротивления резистора не приводит к заметному уменьшению напряжения на коллекторе. После этого измеряют получившееся общее сопротивление цепочки, и устанавливают постоянный резистор такого же номинала.

Чтобы регулятор мог работать с мощными лампами накаливания, потребляющими ток 1 А и более при питающем напряжении до 10...15 В, достаточно применить в качестве VT1 мощный составной транзистор с коэффициентом передачи тока несколько сотен (из малогабаритных подойдут КТ829А - КТ829Г КТ973А, КТ973Б). Необходимо только, чтобы напряжение питания не превысило максимально допустимое для микросхемы. Придется, конечно, использовать оксидные конденсаторы с соответствующим номинальным напряжением.

Схема:

В отличие от светодиодного фонаря с регулируемой яркостью, где нижний предел напряжения питания равен 1,9...2 В, питание микросхемы - генератора с регулируемой скважностью (К561ЛЕ5 или 564ЛЕ5), которая управляет электронным ключом, в предлагаемом устройстве (рис. 1) осуществляется от повышающего преобразователя напряжения, что позволяет питать фонарь от одного гальванического элемента 1,5 В. Преобразователь выполнен на транзисторах VT1, VT2 по схеме трансформаторного автогенератора с положительной обратной связью по току.

Схема генератора с регулируемой скважностью на упомянутой выше микросхеме К561ЛЕ5 немного изменена с целью улучшения линейности регулирования тока. Минимальный потребляемый ток фонаря с шестью параллельно включенными суперъяркими светодиодами L-53MWC фирмы Kingbright белого свечения равен 2...3 мА. Зависимость потребляемого тока от числа светодиодов - прямо пропорциональная.

Режим "Маяк", когда светодиоды с невысокой частотой ярко вспыхивают и затем гаснут, реализуется при установке регулятора яркости на максимум и повторном включении фонаря. Желаемую частоту световых вспышек можно получить подбором конденсатора СЗ.

Поскольку номинальное напряжение источника питания 1,5 В, а не 3 В, в устройстве применимы не только суперъяркие, но и другие светодиоды, в зависимости от назначения фонаря. Те, которые хорошо светят при напряжении 1,5 В, например, АЛ307АМ, АЛ307БМ (красного свечения), в отличие от светодиодов АЛ307ВМ, АЛ307ГМ (зеленого свечения), необходимо включать последовательно по 2 шт. Работоспособность фонаря сохраняется при понижении напряжения до 1,1 В, хотя при этом значительно уменьшается яркость.

В качестве электронного ключа применен полевой транзистор с изолированным затвором КП501А (КР1014КТ1В). По цепи управления он хорошо согласуется с микросхемой К561ЛЕ5. Транзистор КП501А имеет следующие предельные параметры:
напряжение сток-исток - 240 В;
напряжение затвор-исток - 20 В;
ток стока - 0,18 А;
мощность - 0,5 Вт.
Допустимо параллельное включение транзисторов, желательно из одной партии Возможная замена - КП504 с любым буквенным индексом. Для полевых транзисторов IRF540 напряжение питания микросхемы DD1, вырабатываемое преобразователем, должно быть повышено до 10 В.
В фонаре с шестью параллельно включенными светодиодами L-53MWC потребляемый ток примерно равен 120 мА, при подключении параллельно VT3 второго транзистора - 140 мА.

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце 2000НМ К10х6х4,5. Обмотки намотаны в два провода, причем конец первой полуобмотки соединяют с началом второй полуобмотки. Первичная обмотка содержит 2x10 витков, вторичная - 2x20 витков. Диаметр провода - 0,37 мм, марка - ПЭВ-2. Дроссель намотан на таком же магнитопроводе без зазора тем же проводом в один слой, число витков - 38. Индуктивность дросселя - 860 мкГн. Перед намоткой острые кромки ферритовых колец следует притупить, обмотки дополнительно изолировать тонкой лентой. Не следует использовать дроссель с незамкнутым магнито-проводом - увеличится потребляемый ток. Кнопку SB1 желательно установить с фиксацией, остальные детали такие же, как в , каких-либо отличий не имеют.

При налаживании, если преобразователь не запускается, следует поменять местами крайние выводы первичной или вторичной обмотки трансформатора Т1. Допустимое напряжение база-эмиттер транзисторов VT1, VT2 должно превышать выходное напряжение преобразователя. В нашем случае подходит большинство маломощных низкочастотных транзисторов р-п-р структуры. Для стабилизации тока питания микросхемы DD1, когда DD1 - К176ЛЕ5 или 164ЛЕ5, можно установить в цепь питания микросхемы (показано на рис. 1 крестиком) стабилизатор тока. Стабилизатор тока можно выполнить по схеме рис. 2,а на полевом транзисторе КП103Е1 с р-каналом и низким напряжением отсечки. На рис. 2,6 приведен аналогичный вариант с полевым п-канальным транзистором КП364В. Со стабилизатором тока нагрузки преобразователь напряжения не переходит в низкочастотный автоколебательный режим - "Маяк". Режим "Маяк" можно также исключить, уменьшив номинал резистора R1 до 10 кОм, что несколько увеличит минимальный потребляемый ток.
Микросхему К561ЛЕ5 (импортный аналог CD4001B) можно заменить на К561ЛА7 (CD4011B). Печатная плата не разрабатывалась.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Светодиодный фонарь с регулируемой яркостью. - Радио, 2005, № 2, с. 51. 52.
2. Кавыев А. Импульсный БП с акустическим выключателем для мульти-метра. - Радио, 2005, № 6, с. 23.