Фонарь на свинцово-кислотном
герметичном аккумуляторе с зарядным устройством.
Свинцово кислотные герметичные
аккумуляторные батареи самые дешевые в настоящее время. Электролит в них
находится в виде геля, поэтому аккумуляторы допускают работу в любом
пространственном положении и не производят никаких вредных испарений. Им
свойственна большая долговечность, если не допускать глубокого разряда.
Теоретически они не боятся перезаряда, однако злоупотреблять этим не следует.
Подзарядку аккумуляторных батарей можно производить в любое время, не дожидаясь
их полной разрядки. Свинцово-кислотные герметичные
аккумуляторные батареи подходят для применения в переносных фонарях,
используемых в домашнем хозяйстве, на дачных участках, на производстве.
Рис.1. Схема электрического фонаря
Электрическая принципиальная схема
фонаря с зарядным устройством для 6-вольтового аккумулятора, позволяющая
простым способом не допустить глубокий разряд аккумулятора и, таким образом,
увеличить его срок службы, показана на рисунке. Он содержит заводской или
самодельный трансформаторный блок питания и зарядно-коммутационное устройство,
смонтированное в корпусе фонаря.
В авторском варианте в качестве
трансформаторного блока применен стандартный блок, предназначенный для питания
модемов. Выходное переменное напряжение блока 12 или 15 В, ток нагрузки – 1 А.
Встречаются такие блоки и с встроенными выпрямителями. Они также подходят для
этой цели.
Переменное напряжение с
трансформаторного блока поступает на зарядно-коммутационное устройство,
содержащее вилку для подключения зарядного устройства X2, диодный мостик VD1,
стабилизатор тока (DA1, R1, HL1), аккумулятор GB, тумблер S1, кнопку
экстренного включения S2, лампу накаливания HL2. Каждый раз при включении
тумблера S1 напряжение аккумулятора поступает на реле К1, его контакты К1.1
замыкаются, подавая ток в базу транзистора VТ1. Транзистор включается,
пропуская ток через лампу HL2. Выключают фонарь переключением тумблера S1 в
первоначальное положение, в котором аккумулятор отключен от обмотки реле К1.
Допустимое напряжение разряда
аккумулятора выбрано на уровне 4,5 В. Оно определяется напряжением включения
реле К1. Изменять допустимое значение напряжения разряда можно с помощью
резистора R2. С увеличением номинала резистора допустимое напряжение разряда
увеличивается, и наоборот. Если напряжение аккумулятора ниже 4,5 В, то реле не
включится, следовательно, не будет подано напряжение на базу транзистора VТ1,
включающего лампу HL2. Это значит, что аккумулятор нуждается в зарядке. При
напряжении 4,5 В освещенность, создаваемая фонарем, неплохая. В случае
экстренной необходимости можно включить фонарь при пониженном напряжении
кнопкой S2, при условии предварительного включения тумблера S1.
На вход зарядно-коммутационного
устройства можно подавать и постоянное напряжение, не обращая внимание на
полярность стыкуемых устройств.
Для перевода фонаря в режим заряда
необходимо состыковать розетку Х1 трансформаторного блока с вилкой Х2,
расположенной на корпусе фонаря, а затем включить вилку (на рисунке не
показана) трансформаторного блока в сеть 220 В.
В приведенном варианте применен
аккумулятор емкостью 4,2 Ач. Следовательно, его можно заряжать током 0,42 А.
Заряд аккумулятора производится постоянным током. Стабилизатор тока содержит
всего три детали: интегральный стабилизатор напряжения DA1 типа КР142ЕН5А либо
импортный 7805, светодиод HL1 и резистор R1. Светодиод, кроме работы в
стабилизаторе тока, выполняет также функцию индикатора режима заряда
аккумулятора.
Настройка электрической схемы фонаря
сводится к регулировке тока заряда аккумулятора. Зарядный ток (в амперах)
обычно выбирают в десять раз меньше численного значения емкости аккумулятора (в
ампер-часах).
Для настройки лучше всего собрать
схему стабилизатора тока отдельно. Вместо аккумуляторной нагрузки к точке
соединения катода светодиода и резистора R1 подключить амперметр на ток 2…5 А.
Подбором резистора R1 установить по амперметру вычисленный ток заряда.
Реле К1 – герконовое РЭС64,
паспорт РС4.569.724. Лампа HL2 потребляет ток примерно 1А.
Транзистор КТ829 можно применить с
любым буквенным индексом. Эти транзисторы являются составными и имеют высокий
коэффициент усиления по току – 750. Это следует учитывать в случае замены.
В авторском варианте микросхема DA1
установлена на стандартном ребристом радиаторе размерами 40х50х30 мм. Резистор
R1 состоит из двух последовательно соединенных проволочных резисторов мощностью
12 Вт.
Схемы:
Вариант модернизации:
1. Более яркое свечение светодиода, чем при применении преобразователя из
статьи (Модернизация фонарика.).
2. Возможность отрегулировать свечение светодиода подбором емкости конденсатора
или ограничительного резистора.
3. Возможность питания до 3-4 светодиодов. Если конечно это вам нужно.
Схема и правила намотки
трансформатора:
О трансформаторе.
Мотаем его на ферритовом кольце диаметром 7мм и длиной 11мм (можно взять любое
другое ферритовое кольцо). Феррит берем целый, не раскалывая его. Провод берем
любой, какой влезет на ваш феррит до заполнения. Количество витков 20. Мотаем
сразу двумя проводами, свитыми в жгут. Затем начало одной обмотки соединяем с
концом другой обмотки. (не перепутайте, а то работать не будет). Начало обмоток
на схеме показано точками.
Транзистор VT1 2SC945 можно заменить на любой транзистор этой структуры, например
КТ315. D1 1N5819 - любой диод Шоттки такого типа, С1 - 47мф х 16В (можно и на
6В), R1 - 1Ком, R2 - 100 Ом (можно не ставить). С1 и R2 регулируют яркость и
ток светодиода.
Не перепутайте плюс и минус при подключении светодиода. При неверном подключении
светодиод сгорит! Помните об этом!
Если все сделано правильно преобразователь начинает работать сразу. Не
включайте его без нагрузки (светодиода) иначе конденсатор может выти из строя.
На холостом ходу преобразователь дает до 60В!
Теперь поговорим о конструировании каркаса преобразователя.
Нам понадобится:
1. Мерная часть шприца на 5мл (каркас
для преобразователя).
2. Алюминиевая плечевая часть тюбика (от зубной пасты, крема и т.д) вместе с
резьбой и крышечкой (это будет общий минус).
3. Пружина от автоматической шариковой авторучки (плюс, идущий к светодиоду) и
маленький кусочек изоляции для пружины.
4. Шуруп с шайбой или подходящая пружина (плюс, идущий к батарейке).
5. Парафин для заливания всего преобразователя (не обязательно).
Берём мерную часть шприца на 5мл, обрезаем
с одной стороны конус для одевания иглы, с другой стороны срезаем плечи. Делаем
заготовку похожую на ровную трубочку с дном. Вставляем преобразователь внутрь
шприца. Плюсовой вывод для батарейки выводим в отверстие для иглы и вкручиваем
туда же шуруп-саморез с шайбой. В центр плотно вставляем пружину от авторучки в
изоляции (это плюс идущий к светодиоду). Минус крепим к плечевой части с
помощью завинчивающей крышки просто зажав провод крышкой. (Внешний вид типа
спутниковой тарелки). Теперь припаиваем выводы этой так называемой тарелки к
выходу преобразователя и плотно вставляем в шприц. Вот и всё. Хотя можно всё
это ещё залить парафином для надёжности. Я этого делать не стал просто для того
чтобы показать внутренности преобразователя.
Если всей длины преобразователя не
хватает до плюса батарейки, просто поставьте металлическую втулку или
подходящую по длине пружину.
Светодиодный
осветительный LED-фонарь на замечательном белом светодиоде Luxeon LXHL-NWE8 он примечателен
своей яркостью - 500000mcd, а также потребляемым током - 350 mA. На фотографии
с деталями он находится справа вверху. Справа внизу - ParaLight EP2012-150BW1, но он явно уступает по параметрам люксеону.
Схема
включения срисована из даташита с подбором параметров деталей
опытным путем.
Все детали SMD - потому
что занимают меньше места - раз, надоело сверлить дырки в платах - два... Конденсаторы C2C3 танталовые, для
уменьшения паразитной индуктивности и увеличения общего КПД схемы.
Плата фонарика в DipTrace Вся конструкция собрана в виде
моноблока: детали с одной стороны, светодиод - с другой. Токоограничительный
резистор R1 нужен для ограничения рабочего тока через светодиод и уменьшения
общего энергопотребления схемы. Дроссель L1 - 40...50 витков медного провода на
кольце диаметром 12 мм. из мю-пермаллоя.
При напряжении питания от 1,5 до 3
Вольт КПД преобразователя примерно равен 70%, что в общем не так уж и плохо.
При понижении U питания менее 1 вольта микросхема уже не может выдать
нормальное выходное напряжение и дает просто "все, что может"
высасывая батарейку почти до 0,3 Вольта, после чего схема перестает работать.
Как из 1,5 сделать 5? Как от 1,5 вольтовой батарейки
запитать микроконтроллер, как засветить белый светодиод? Оказывается очень
просто, в очередной раз постарались товарищи из фирмы MAXIM, изобрели вот такое
чудо - MAX1674 (MAX1676).
Это повышающий индуктивный преобразовать со встроенным синхронным выпрямителем,
позволяющим повысить эффективность, компактность схемы, избавиться от
назойливых для таких схем диодов шоттки, так же повысить простоту изготовления.
Характеристики преобразователя смотрим здесь:
Рабочее напряжение, В
0,7...5,5
КПД (при Iнагр.=120мА), %
94
Выходное напряжение, В
3,3/5
Номинальный выходной ток, мА
300
Ограничение выходного тока, А
1
Ток холостого хода, мА
0,1
Диапазон рабочих температур, °С
-40...+85
Смотрим схему:
Чтобы получить выходной ток в 300мА указанный
фирмой, нужно очень постараться. Если детально разобраться, то получим такую
картинку - во первых учтём мощность на выходе преобразователя. Допустим берём
300мА при 5-ти вольтах и того имеем 1,5Вт, не будет учитывать потери и
представим что КПД преобразователя 100%, значит от батарейки конвертор тоже
потребит 1,5Вт, при 1,5В питания получится не много не мало 1А. А такой ток
выдаст не каждая батарейка, к тому же под нагрузкой, это напряжение сразу же
просядет. Это первый фактор. Второй - для нормальной работы преобразователя
нужен дроссель с большим током насыщения, который быть больше импульсного тока
внутреннего MOSFET транзистора, а значит всё это приведёт к немалыми габаритам
индуктивности, а значит берем то, что
реально нужно:
Номинальный выходной ток, не
менее, мА
Индуктивность дросселя, мкГн
300
47
120
22
70
10
Некоторые особенности
включения микросхемы. Если вход FB соединен с общим проводом, выходное напряжение
соответствует +5 В. Если этот вход соединить с выходом OUT, на нем установится
выходное напряжение +3,3 В. Если же между выходом OUT и общим проводом включить
делитель, его среднюю точку соединить с выводом FB, то на выходе
преобразователя можно установить напряжение в диапазоне от 3,3 до 5 В. Плату
следует разводить согласно рекомендациям фирмы-изготовителя, длину проводников
выполнять минимальной, ширину максимальной. Среди возможного разнообразия
дросселей следует выбрать с минимальным сопротивлением обмотки.
Во время экспериментов с "черновым" вариантом (фото), наибольший КПД
наблюдался в районе 120мА. Преобразователь как к источнику напряжения был
подключён к 4-м запараллелиным ионисторам, по 1 фараду каждый. Что дало
возможность в ускоренном снижении входного напряжения следить за работой
микросхемы. На удивление микросхема сохраняла работоспособность вплоть до 0,5В,
правда, ток снимаемый с выхода был менее одного миллиампера.
Рекомендуемые дроссели из DataSheet-а
производителя:
Производитель, тип индуктивности
Индуктивность, мкГн
Сопротивление обмотки, Ом
Пиковый ток, А
Высота, мм
Coilcraft DT1608C-103
10
0,095
0,7
2,92
Coilcraft DT1608C-153
15
0,200
0,9
2,92
Coilcraft DT1608C-223
22
0,320
0,7
2,92
Coiltronics UP1B-100
10
0,111
1,9
5,0
Coiltronics UP1B-150
15
0,175
1,5
5,0
Coiltronics UP1B-223
22
0,254
1,2
5,0
Murata LQH4N100
10
0,560
0,4
2,6
Murata LQH4N220
22
0,560
0,4
2,6
Sumida CD43-8R2
8,2
0,132
1,26
3,2
Sumida CD43-100
10
0,182
1,15
3,2
Sumida CD54-100
10
0,100
1,44
4,5
Sumida CD54-180
18
0,150
1,23
4,5
Sumida CD54-220
22
0,180
1,11
4,5
Как конечный результат экспериментов с
данной микросхемой хочется отметить действительно высокий КПД построенного преобразователя,
высокая нагрузочная способность, компактность собранной схемы. На фото данная
схема "трудится" на светодиод Luxeon. Светодиод подключен без
резистора. Схема питается от 1,5-вольтовой батарейке Kodak
Здесь можно посмотреть к чему привёли
результаты эксперимента.
Предложенная Вашему вниманию схема,
была использована для питания светодиодного фонарика, подзарядки мобильного
телефона от двух металлгидритных аккумуляторов, при создании
микроконтроллерного устройства, радиомикрофона. В каждом случае работа схемы
была безупречной. Список, где можно использовать MAX1674 можно ещё долго
продолжать.
Самый простой способ получить
более-менее стабильный ток через светодиод — включить его в цепь
нестабилизированного питания через резистор. Надо учитывать, что питающее
напряжение должно быть как минимум в два раза больше рабочего напряжения
светодиода. Ток через светодиод рассчитывается по формуле:
I led = (Uмакс.пит - U раб. диода) : R1
Эта схема чрезвычайно проста и во
многих случаях является оправданной, но применять ее следует там, где нет нужды
экономить электричество, и нет высоких требований к надежности.
Более стабильные схемы, - на основе линейных стабилизаторов:
В качестве стабилизаторов лучше
выбирать регулируемые, или на фиксированное напряжение, но оно должно быть как
можно ближе к напряжению на светодиоде или цепочке последовательно соединенных
светодиодов. Очень хорошо подходят стабилизаторы типа LM 317.
