Svítilna s LED
Flashlight with LED

Svítilna používá supersvítivou LED. Čip je vyroben ze slitiny GaInN a při proudu 20 mA je na LED úbytek asi 3,6 V. Pro pokročilejší konstruktéry bude zajímavé zapojení LED s měničem. Vyzkoušel jsem dvě různá zapojení.

Popis zapojení

Zapojení měniče pro LED s obvodem MAX867 je na obr. 1. Obvod MAX867 je zajímavý tím, že začíná pracovat už při napětí 0,8 V. Při tomto napětí je však schopen pouze „vyrobit“ si větší napětí pro vlastní napájení. Po „nastartování“ se napájí již větším napětím z výstupu měniče. Pak lze napájecí napětí dokonce ještě zmenšit, u vzorku svítila LED (pochopitelně s menším jasem) ještě při napájecím napětí 0,2 V. Největší napájecí proud je při napětí asi 0,8 V. Při menším napětí se odběr a jas LED zmešuje. Při větším napětí se odběr zmenšuje, jas LED je konstantní. Při napájecím napětí 1,2 V je odběr asi 95 mA.

Obr. 1. Svítilna s obvodem MAX
Fig. 1. Flashlight with IC MAX

Pro snažší pochopení funkce si popišme vývody obvodu. Vývod č. 1 SHDN slouží k zablokování měniče. Připojíme-li jej na napájecí napětí, pracuje měnič trvale. Vývod č. 2 je vstup zpětné vazby regulace výstupního napětí. Podle toho, zda je na tomto vývodu napětí menší nebo větší než referenční řídí obvod šířku výstupních impulsů. Na vývodu č. 3 je referenční napětí 1,25 V. Tento vývod je třeba zablokovat kondenzátorem s kapacitou alespoň 100 nF. Vývody 4 a 5 slouží pro hlídání napětí a zde nejsou použity. Je-li na vývodu 5 napětí napětí menší než referenční, je vývod 4 připojen k zemi. Vývod č. 6 slouží k napájení obvodu. U podobného obvodu MAX866 je k tomuto vývodu připojen i vnitřní dělič napětí. Na vývod č. 7 je připojena zem (0 V) a na č. 8 je vyveden vnitřní spínací tranzistor.

Při napájení LED nás zajímá především proud procházející diodou, stabilizovat napětí nemá smysl. Proud procházející LED je snímán na rezistoru R3. Kdybychom vypustili R1 a R2 nahradili zkratem, stabilizoval by měnič napětí na tomto rezistoru na 1,25 V. Protože nás však zajímá energie dodaná do LED, znamenal by takový úbytek napětí dosti velké zmenšení účinnosti měniče. Proto je napětí z R3 posunuto („zvětšeno“) děličem R1/R2. Pak vystačíme s úbytkem asi 0,45 V na rezistoru R3. Maximální výstupní (= napájecí) napětí obvodu MAX867 je pouze 7 V. Nezapojíme-li LED (nebo se přeruší) zvětší se napětí na C2 nejvýše na 6,2 V a měnič se nezničí. Můžeme si proto místo LED zapojit konektor a LED měnit podle potřeby. V zapojení nelze použít běžnou LED s napětím okolo 2 V, protože pak by bylo napájecí napětí IO1 příliš malé. Takové LED však můžeme zapojit dvě do série. Měnič spolehlivě pracoval s cívkami od 15 do 1000 µH. Výrobce obvodu doporučuje cívku s indukčností 330 µH. Největší účinnost jsem však naměřil s cívkou okolo 100 µH.

Obr. 2. Měnič s tranzistory
Fig. 2. Voltage converter with transistors

Zapojení měniče s tranzistory je na obr. 2. Tento jednoduchý měnič může pracovat jen při malém napájecím napětí. Po připojení napětí se otevře tranzistor T1 proudem procházejícím R1 a následně se otevře i T2. Proud procházející cívkou se zvětšuje až do okamžiku, kdy T2 již není schopen větší proud dodat. Pak magnetické pole cívky vybudí napětí, které má opačnou polaritu než napětí, které vybudilo proud cívkou. Napětí na kolektoru T2 se zvětšuje, zvětšuje se také napětí na bázi T1, až se nakonec tranzistory T1 a T2 zavřou. Proud procházející cívkou teď může procházet pouze LED, připojenou paralelně k T2. Když se magnetické pole cívky vyčerpá a proud procházející cívkou zanikne, zmenší se i napětí na kolektoru T2. Tranzistory T1 a T2 se otevřou a celý cyklus proběhne znova. V zapojení není žádný usměrňovač, LED je napájena přímo pulsujícím proudem z cívky. To je velmi výhodné, protože se tak vyhneme úbytku napětí na usměrňovací diodě, který ve svém důsledku zmenšuje účinnost měniče.

Měnič s tranzistory nemá žádnou stabilizaci výstupního proudu nebo napětí. Svit LED je proto na napájecím napětí velmi závislý. LED svítí tím méně, čím je napájecí článek více vybit a úměrně tomu se zmenšuje i napájecí proud. Máme tak docela dobrou představu o stupni vybití článku. I s relativně vybitým článkem LED stále trochu svítí. Naproti tomu měnič s IO udržuje konstantní jas LED. Napájecí proud se se zmenšujícím napětím zvětšuje, což má za následek rychlejší vyčerpání už dosti vybitého článku. Při napájení článkem NiCd svítilna bez varování během několika sekund zcela zhasne, protože závěru vybíjení se napětí akumulátoru velmi rychle zmenšuje.

Zmenší-li se napájecí napětí měniče s tranzistory pod 1,1 V, měnič neodebírá téměř žádný proud a LED nesvítí. To může být výhodné, pokud použijeme pro napájení svítilny alkalický akumulátor, který se tak nemůže nadměrně vybít. Pokud použijeme klasický článek nebo akumulátor NiCd, doporučuji zmenšit odpor rezistoru R1 na 68 kOhm. Měnič pak pracuje až do napětí 1 V. Při napětí 1,5 V odebírá měnič asi 50 mA, při napětí 1,3 V asi 30 mA. Měnič lze použít i pro obyčejné LED s napětím 1,5 až 2 V. V tomto měniči jsem použil levnou, běžně prodávanou tlumivku. I s touto cívkou pracoval měnič velmi dobře. Indukčnost může být 68 až 470 µH. Při větší indukčnosti cívky měnič nekmital, pravděpodobně proto, že cívka měla příliš velký odpor, při menší indukčnosti LED svítila znatelně méně a zvětšil se odběr proudu.

Stavba svítilny

Obr. 3. Deska s plošnými spoji pro obě verze. Kliknutím získáte obrázek v rozlišení 300 dpi
Fig. 3. PCB layout - both version. Click to get 300 dpi resolution image

Obr. 4. Rozmístění součástek na desce
Fig. 4. Locations of components on the board

Svítilna je postavena v krabičce KPDO2, do které se těsně vejde článek velikosti AAA (R3). Protože vlastní měnič zabírá minimum místa, neměl by být problém svítilnu ještě více zminiaturizovat. Na obr. 3 a 4 je nákres desky s plošnými spoji a rozmístění součástek pro obě varianty. Desku s obvodem MAX osazujeme ze strany spojů až na propojku, která je vedena po druhé straně desky. U verze s tranzistory jsou součástky osazeny běžným způsobem. Tranzistory mohou být jakékoli univerzální typy s pořadím vývodů ECB. Vyzkoušel jsem jich několik, měnič pracoval se všemi. Vrchní strana desky musí být asi 4 mm nade dnem krabičky, aby byl mikrospínač těsně pod hmatníkem. Pak bude také LED v ose krabičky. Desku je proto třeba podložit. Díru pro LED buď vypilujeme nebo vyvrtáme do sesazené krabičky. Druhý způsob je méně pracný, avšak naročnější na přesnost.

Obr. 5 a 6. Svítilny bez krytu
Fig. 5 & 6. Flashlight without cover

Závěr

Hi-tech měnič s obvodem MAX867 je sice dražší, umožňuje však lépe využít energii článku. Měnič s tranzistory je naproti tomu velmi levný. Proud tekoucí LED je menší i s „čestvým“ napájecím článkem. Účinnost obou měničů (počítám jen výkon dodaný do LED) je asi 65 %.

Rozpiska součástek

Bílou LED s ultra velkou svítivostí typ L-5S3UWC1-S můžete koupit za 63 Kč v prodejně FK technics, Koněvova 62, Praha 3 (pod označením -L-53WC#P). Firma posílá LED i na dobírku.
Integrovaný obvod MAX867 a cívky SMD lze zakoupit u firmy SE Spezial-Electronic KG; hotel Praha, sal. 200; Sušická 20, 160 35 Praha 6, tel.: (02) 2434 3270 za 126 Kč (MAX867) a 36 Kč (CD75) nebo 40 Kč (CDR74) i s DPH.
Krabičku KPDO2 prodávají v prodejně COMPO, Václavská pasáž, Karlovo nám. Praha 2 za 32 Kč.
Desku s plošnými spoji vám vyrobí firma Spoj, Nosická 16, 100 00 Praha 10, tel.: (02) 781 38 23. Ostatní součástky jsou běžně dostupné.

Jaroslav Belza

Použity obrázky a upravený text z Praktické elektroniky č. 2/2000

18. 2. 2000