Изменено в августе 2018 г.

Эта поделка может стать первым самостоятельно сделанным генератором, с которого может проявиться интерес к свободной энергии. Для уроков физики это видео будет отличным пособием для школьников.

Лучшее объяснение со сборкой рабочей модели генератора тока

В этом уроке рассказали про электромагнитную индукцию и покажу, как сделать простой генератор переменного тока.

Комментарии

Кайф. Хороший генератор. Для зарядки гаджетов или даже для светодиодного освещения вполне хватит если найти чем его крутить. Кстати, вот раз ты такой мудрый изобретатель идея – создай вибрационный генератор. Наши дороги способствуют тому, чтобы ток вырабатывался от тряски).

Yuriru05
8 месяцев назад
Все очень грамотно. Единственно, для генераторов я бы не стал использовать магниты от жестких дисков. Дело в том, что на нем 2 полюса на плоскости, а не с разных сторон, поэтому напряженность максимальная по краям магнита, а в середине нулевая. Желательно неодимовые магниты – таблетки, – будет значительное увеличение параметров тока и ЭДС. Но для демонстрации работы генератора и это нормально.

Самый простой эффективный генератор с магнитами

Чтобы создать простейший генератор тока для светодиодов, нужно взять неодимовые магниты, медную проволоку, светодиодные лампочки. Неодимовый магнит приобрести можно в интернет-магазине.

Однако, можно взять и готовый электрогенератор в китайском интернет-магазине.

На квадратный блок приклейте компакт-диск. На другом диске крепим с помощью клея четыре неодимовых магнита. Далее изготовим 5 катушек и соединим каждую из них со светодиодами. Для этого намотаем катушку из изолированного медного провода. Зачищаем концы катушки ножом. Концы катушки соединяем со светодиодом. Все 5 катушек с присоединенными к ним светодиодами приклеим к компакт-диску.

К центру устройства положим катушку от швейной машины. К обратной стороне диска с магнитами приклеим пробку от тюбика зубной пасты. На другой стороне приклеим шайбу. Теперь установим диск на ось, на который уже одет диск с катушками (с приклеенной на него катушкой от швейной машины). Расстояние между магнитами и катушками следует сделать минимальным.

Генератор электричества для светодиодов готов к работе. Осталось его запустить в темном помещении, чтобы увидеть световой эффект.

Перевод инструкции авторов самоделки. Для этого многократного генератора вам понадобятся 5 сильных неодимовых магнитов, 5 изолированных тонких катушек медной проволоки с 1000 оборотами и 5 светодиодов. Поместите 5 модулей с каждой катушкой, прикрепленной к одному светодиоду на деревянном основании. В центре находится вертикальный стержень. Компакт-диск с 5 сильными магнитами может вращаться на этом стержне. Зазор между магнитами и катушками составляет около 2-3 мм. Когда вы вращаете компакт-диск, движущееся магнитное поле создает EMF, и все светодиоды светятся ярко!

Несмотря на богатый выбор в магазинах светодиодных фонариков различных конструкций, радиолюбители разрабатывают свои варианты схем для питания белых суперярких светодиодов. В основном задача сводится к тому, как запитать светодиод всего от одной батарейки или аккумулятора, провести практические исследования.

После того, как получен положительный результат, схема разбирается, детали складываются в коробочку, опыт завершен, наступает моральное удовлетворение. Часто исследования на этом останавливаются, но иногда опыт сборки конкретного узла на макетной плате переходит в реальную конструкцию, выполненную по всем правилам искусства. Далее рассмотрены несколько простых схем, разработанных радиолюбителями.

В ряде случаев установить, кто является автором схемы очень трудно, поскольку одна и та же схема появляется на разных сайтах и в разных статьях. Часто авторы статей честно пишут, что эту статью нашли в интернете, но кто опубликовал эту схему впервые, неизвестно. Многие схемы просто срисовываются с плат тех же китайских фонариков.

Зачем нужны преобразователи

Все дело в том, что прямое падение напряжения на , как правило, не менее 2,4…3,4В, поэтому от одной батарейки с напряжением 1,5В, а тем более аккумулятора с напряжением 1,2В зажечь светодиод просто невозможно. Тут есть два выхода. Либо применять батарею из трех или более гальванических элементов, либо строить хотя бы самый простой .

Именно преобразователь позволит питать фонарик всего от одной батарейки. Такое решение уменьшает расходы на источники питания, а кроме того позволяет полнее использовать : многие преобразователи работоспособны при глубоком разряде батареи до 0,7В! Использование преобразователя также позволяет уменьшить габариты фонарика.

Схема представляет собой блокинг-генератор. Это одна из классических схем электроники, поэтому при правильной сборке и исправных деталях начинает работать сразу. Главное в этой схеме правильно намотать трансформатор Tr1, не перепутать фазировку обмоток.

В качестве сердечника для трансформатора можно использовать ферритовое кольцо с платы от негодной . Достаточно намотать несколько витков изолированного провода и соединить обмотки, как показано на рисунке ниже.

Трансформатор можно намотать обмоточным проводом типа ПЭВ или ПЭЛ диаметром не более 0,3мм, что позволит уложить на кольцо чуть большее количество витков, хотя бы 10…15, что несколько улучшит работу схемы.

Обмотки следует мотать в два провода, после чего соединить концы обмоток, как показано на рисунке. Начало обмоток на схеме показано точкой. В качестве можно использовать любой маломощный транзистор n-p-n проводимости: КТ315, КТ503 и подобные. В настоящее время проще найти импортный транзистор, например BC547.

Если под рукой не окажется транзистора структуры n-p-n, то можно применить , например КТ361 или КТ502. Однако, в этом случае придется поменять полярность включения батарейки.

Резистор R1 подбирается по наилучшему свечению светодиода, хотя схема работает, даже если его заменить просто перемычкой. Вышеприведенная схема предназначена просто «для души», для проведения экспериментов. Так после восьми часов беспрерывной работы на один светодиод батарейка с 1,5В «садится» до 1,42В. Можно сказать, что почти не разряжается.

Для исследования нагрузочных способностей схемы можно попробовать подключить параллельно еще несколько светодиодов. Например, при четырех светодиодах схема продолжает работать достаточно стабильно, при шести светодиодах начинает греться транзистор, при восьми светодиодах яркость заметно падает, транзистор греется весьма сильно. А схема, все-таки, продолжает работать. Но это только в порядке научных изысканий, поскольку транзистор в таком режиме долго не проработает.

Если на базе этой схемы планируется создать простенький фонарик, то придется добавить еще пару деталей, что обеспечит более яркое свечение светодиода.

Нетрудно видеть, что в этой схеме светодиод питается не пульсирующим, а постоянным током. Естественно, что в этом случае яркость свечения будет несколько выше, а уровень пульсаций излучаемого света будет намного меньше. В качестве диода подойдет любой высокочастотный, например, КД521 ().

Преобразователи с дросселем

Еще одна простейшая схема показана на рисунке ниже. Она несколько сложнее, чем схема на рисунке 1 , содержит 2 транзистора, но при этом вместо трансформатора с двумя обмотками имеет только дроссель L1. Такой дроссель можно намотать на кольце все от той же энергосберегающей лампы, для чего понадобится намотать всего 15 витков обмоточного провода диаметром 0,3…0,5мм.

При указанном параметре дросселя на светодиоде можно получить напряжение до 3,8В (прямое падение напряжения на светодиоде 5730 3,4В), что достаточно для питания светодиода мощностью 1Вт. Наладка схемы заключается в подборе емкости конденсатора C1 в диапазоне ±50% по максимальной яркости светодиода. Схема работоспособна при снижении напряжения питания до 0,7В, что обеспечивает максимальное использование емкости батареи.

Если рассмотренную схему дополнить выпрямителем на диоде D1, фильтром на конденсаторе C1, и стабилитроном D2, получится маломощный блок питания, который можно применить для питания схем на ОУ или других электронных узлов. При этом индуктивность дросселя выбирается в пределах 200…350 мкГн, диод D1 с барьером Шоттки, стабилитрон D2 выбирается по напряжению питаемой схемы.

При удачном стечении обстоятельств с помощью такого преобразователя можно получить на выходе напряжение 7…12В. Если предполагается использовать преобразователь для питания только светодиодов, стабилитрон D2 можно из схемы исключить.

Все рассмотренные схемы являются простейшими источниками напряжения: ограничение тока через светодиод осуществляется примерно так же, как это делается в различных брелоках или в зажигалках со светодиодами.

Светодиод через кнопку включения, без всякого ограничительного резистора, питается от 3…4-х маленьких дисковых батареек, внутреннее сопротивление которых ограничивает ток через светодиод на безопасном уровне.

Схемы с обратной связью по току

А светодиод является, все-таки, токовым прибором. Неспроста в документации на светодиоды указывается именно прямой ток. Поэтому настоящие схемы для питания светодиодов содержат обратную связь по току: как только ток через светодиод достигает определенного значения, выходной каскад отключается от источника питания.

В точности также работают и стабилизаторы напряжения, только там обратная связь по напряжению. Ниже показана схема для питания светодиодов с токовой обратной связью.

При внимательном рассмотрении можно увидеть, что основой схемы является все тот же блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2. Транзистор VT1 является управляющим в цепи обратной связи. Обратная связь в данной схеме работает следующим образом.

Светодиоды питаются напряжением, которое накапливается на электролитическом конденсаторе. Заряд конденсатора производится через диод импульсным напряжением с коллектора транзистора VT2. Выпрямленное напряжение используется для питания светодиодов.

Ток через светодиоды проходит по следующему пути: плюсовая обкладка конденсатора, светодиоды с ограничительными резисторами, резистор токовой обратной связи (сенсор) Roc, минусовая обкладка электролитического конденсатора.

При этом на резисторе обратной связи создается падение напряжения Uoc=I*Roc, где I ток через светодиоды. При возрастании напряжения на (генаратор, все-таки, работает и заряжает конденсатор), ток через светодиоды увеличивается, а, следовательно, увеличивается и напряжение на резисторе обратной связи Roc.

Когда Uoc достигает 0,6В транзистор VT1 открывается, замыкая переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 закрывается, блокинг-генератор останавливается, и перестает заряжать электролитический конденсатор. Под воздействием нагрузки конденсатор разряжается, напряжение на конденсаторе падает.

Уменьшение напряжения на конденсаторе приводит к снижению тока через светодиоды, и, как следствие, уменьшению напряжения обратной связи Uoc. Поэтому транзистор VT1 закрывается и не препятствует работе блокинг-генератора. Генератор запускается, и весь цикл повторяется снова и снова.

Изменяя сопротивление резистора обратной связи можно в широких пределах изменять ток через светодиоды. Подобные схемы называются импульсными стабилизаторами тока.

Интегральные стабилизаторы тока

В настоящее время стабилизаторы тока для светодиодов выпускаются в интегральном исполнении. В качестве примеров можно привести специализированные микросхемы ZXLD381, ZXSC300. Схемы, показанные далее, взяты из даташитов (DataSheet) этих микросхем.

На рисунке показано устройство микросхемы ZXLD381. В ней содержится генератор ШИМ (Pulse Control), датчик тока (Rsense) и выходной транзистор. Навесных деталей всего две штуки. Это светодиод LED и дроссель L1. Типовая схема включения показана на следующем рисунке. Микросхема выпускается в корпусе SOT23. Частота генерации 350КГц задается внутренними конденсаторами, изменить ее невозможно. КПД устройства 85%, запуск под нагрузкой возможен уже при напряжении питания 0,8В.

Прямое напряжение светодиода должно быть не более 3,5В, как указано в нижней строчке под рисунком. Ток через светодиод регулируется изменением индуктивности дросселя, как показано в таблице в правой части рисунка. В средней колонке указан пиковый ток, в последней колонке средний ток через светодиод. Для снижения уровня пульсаций и повышения яркости свечения возможно применение выпрямителя с фильтром.

Здесь применяется светодиод с прямым напряжением 3,5В, диод D1 высокочастотный с барьером Шоттки, конденсатор C1 желательно с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (low ESR). Эти требования необходимы для того, чтобы повысить общий КПД устройства, по возможности меньше греть диод и конденсатор. Выходной ток подбирается при помощи подбора индуктивности дросселя в зависимости от мощности светодиода.

Отличается от ZXLD381 тем, что не имеет внутреннего выходного транзистора и резистора-датчика тока. Такое решение позволяет значительно увеличить выходной ток устройства, а следовательно применить светодиод большей мощности.

В качестве датчика тока используется внешний резистор R1, изменением величины которого можно устанавливать требуемый ток в зависимости от типа светодиода. Расчет этого резистора производится по формулам, приведенным в даташите на микросхему ZXSC300. Здесь эти формулы приводить не будем, при необходимости несложно найти даташит и подсмотреть формулы оттуда. Выходной ток ограничивается лишь параметрами выходного транзистора.

При первом включении всех описанных схем желательно батарейку подключать через резистор сопротивлением 10Ом. Это поможет избежать гибели транзистора, если, например, неправильно подключены обмотки трансформатора. Если с этим резистором светодиод засветился, то резистор можно убирать и проводить дальнейшие настройки.

Борис Аладышкин

Светодиоды, как источники оптического излучения, имеют неоспоримые достоинства: малые габариты, высокую яркость свечения при минимальном (единицы мА) токе, экономичность.

Но в силу технологических особенностей они не могут светиться при напряжении ниже 1,6... 1,8 В. Это обстоятельство резко ограничивает возможность применения светодиодных излучателей в широком классе устройств, имеющих низковольтное питание, обычно от одного гальванического элемента.

Несмотря на очевидную актуальность проблемы низковольтного питания светодиодных источников оптического излучения, известно весьма ограниченное число схемных решений, в которых авторы пытались решить эту задачу.

В этой связи ниже приведен обзор схем питания светодиодов от источника низкого (0,25...1,6 В) напряжения. Многообразие схем, приведенных в этой главе, можно свести к двум основным разновидностям преобразования напряжения низкого уровня в высокое. Это схемы с емкостными и индуктивными накопителями энергии [Рк 5/00-23].

Удвоитель напряжения

На рисунке 1 показана схема питания светодиода с использованием принципа удвоения напряжения питания. Генератор низкочастотных импульсов выполнен на транзисторах разной структуры: КТ361 и КТ315.

Частота следования импульсов определяется постоянной времени R1C1, а продолжительность импульсов — постоянной времени R2C1. С выхода генератора короткие импульсы через резистор R4 подаются на базу транзистора VT3, в коллекторную цепь которого включен светодиод HL1 (АЛ307КМ) красного цвета свечения и германиевый диод VD1 типа Д9.

Между выходом генератора импульсов и точкой соединения светодиода с германиевым диодом подключен электролитический конденсатор С2 большой емкости.

В период продолжительной паузы между импульсами (транзистор VT2 закрыт и не проводит ток) этот конденсатор заряжается через диод VD1 и резистор R3 до напряжения источника питания. При генерации короткого импульса транзистор VT2

открывается. Отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с положительной шиной питания. Диод VD1 запирается. Заряженный конденсатор С2 оказывается подключенным последовательно с источником питания.

Суммарное напряжение приложено к цепи светодиод — переход эмиттер — коллектор транзистора VT3. Поскольку тем же импульсом транзистор VT3 отпирается, его сопротивление эмиттер — коллектор становится малым.

Таким образом, практически удвоенное напряжение питания (исключая незначительные потери) оказывается кратковременно приложенным к светодиоду: следует его яркая вспышка. После этого процесс заряда — разряда конденсатора С2 периодически повторяется.

Рис. 1. Принципиальная схема удвоителя напряжения для питания светодиода.

Поскольку светодиоды допускают работу при кратковременном токе в импульсе, в десятки раз превосходящем номинальные значения, повреждения светодиода не происходит.

Если необходимо повысить надежность работы светодиодных излучателей с низковольтным питанием и расширить диапазон напряжения питания в сторону увеличения, последовательно со светодиодом следует включить токоограничи-вающий резистор сопротивлением десятки, сотни Ом.

При использовании светодиода типа АЛ307КМ с напряжением начала едва заметного свечения 1,35... 1,4 В и напряжением, при котором без ограничительного сопротивления ток через светодиод составляет 20 мА, 1,6... 1,7 В, рабочее напряжение генератора, представленного на рисунке 1, составляет 0,8... 1,6 В.

Границы диапазона определены экспериментально тем же образом: нижняя указывает напряжение начала свечения светодиода, верхняя — напряжение, при котором ток, потребляемый всем устройством, составляет примерно 20 мА, т.е. не превышает в самых неблагоприятных условиях эксплуатации предельный ток через светодиод и, одновременно, сам преобразователь.

Как уже отмечалось ранее, генератор (рисунок 1) работает в импульсном режиме, что является с одной стороны недостатком схемы, с другой стороны — достоинством, поскольку позволяет генерировать яркие вспышки света, привлекающие внимание.

Генератор достаточно экономичен, поскольку средний ток, потребляемый устройством, невелик. В то же время в схеме необходимо использовать хотя и низковольтный, но довольно громоздкий электролитический конденсатор большой емкости (С2).

Упрощенный вариант преобразователя напряжения

На рисунке 2 показан упрощенный вариант генератора, работающего аналогично изложенному выше. Генератор, используя малогабаритный электролитический конденсатор, работает при напряжении питания от 0,9 до 1,6 В.

Средний ток, потребляемый устройством, не превышает 3 мА при частоте следования импульсов около 2 Гц. Яркость генерируемых вспышек света несколько ниже, чем в предыдущей схеме.

Рис. 2. Схема простого низковольтного преобразователя напряжения на двух транзисторах из 0,9В в 2В.

Генератор с применением телефонного капсюля

Генератор, показанный на рис. 9.3, использует в качестве нагрузки телефонный капсюль ТК-67. Это позволяет повысить амплитуду генерируемых импульсов и понизить тем самым на 200 мВ нижнюю границу начала работы генератора.

За счет перехода на более высокую частоту генерации удается осуществить непрерывную «перекачку» (преобразование) энергии и ощутимо снизить емкости конденсаторов.

Рис. 3. Схема низковольтного генератора преобразователя напряжения с использованием катушки телефона.

Генератор с удвоением напряжения на выоде

На рисунке 4 показан генератор с выходным каскадом, в котором осуществляется удвоение выходного напряжения. При закрытом транзисторе VT3 к светодиоду приложено только небольшое по величине напряжение питания.

Электрическое сопротивление светодиода велико в силу ярко выраженной нелинейности ВАХ и намного превышает сопротивление резистора R6. Поэтому конденсатор С2 оказывается подключенным к источнику питания через резисторы R5 и R6.

Рис. 4. Схема низковольтного преобразователя с удвоением выходного напряжения.

Хотя вместо германиевого диода использован резистор R6, принцип работы удвоителя напряжения остается тем же: заряд конденсатора С2 при закрытом транзисторе VT3 через резисторы R5 и R6 с последующим подключением заряженного конденсатора последовательно с источником питания.

При приложении удвоенного таким образом напряжения динамическое сопротивление светодиода на более крутом участке ВАХ становится на время разряда конденсатора порядка 100 Ом и менее, что намного ниже сопротивления шунтирующего конденсатор резистора R6.

Расширить рабочий диапазон питающих напряжений (от 0,8 до 6 В) позволяет использование резистора R6 вместо германиевого диода. Если бы в схеме стоял германиевый диод, напряжение питания устройства было бы ограничено величиной 1,6...1,8 В.

При дальнейшем увеличении напряжения питания ток через светодиод и германиевый диод вырос бы до неприемлемо высокой величины и произошло бы их необратимое повреждение.

Преобразователь на основе генератора ЗЧ

В генераторе, представленном на рисунке 5 одновременно со световыми вырабатываются звонкие импульсы звуковой частоты. Частота звуковых сигналов определяется параметрами колебательного контура, образованного обмоткой телефонного капсюля и конденсатора С2.

Рис. 5. Принципиальная схема преобразователя напряжения для светодиода на основе генератора ЗЧ.

Преобразователи напряжения на основе мультивибраторов

Источники питания светодиодов на основе мультивибраторов изображены на рисунках 6 и 7. Первая схема выполнена на основе асимметричного мультивибратора, вырабатывающего, как и устройства (рис. 1 — 5), короткие импульсы с протяженной междуимпульсной паузой.

Рис. 6. Низковольтный преобразователь напряжения на основе асимметричного мультивибратора.

Накопитель энергии — электролитический конденсатор СЗ периодически заряжается от источника питания и разряжается на светодиод, суммируя свое напряжение с напряжением питания.

В отличие от предыдущей схемы генератор (рис. 7) обеспечивает непрерывный характер свечения светодиода. Устройство выполнено на основе симметричного мультивибратора и работает на повышенных частотах.

Рис. 7. Преобразователь для питания светодиода от низковольтного источника 0,8 - 1,6В.

В этой связи емкости конденсаторов в этой схеме на 3...4 порядка ниже. В то же время яркость свечения заметно понижена, а средний ток, потребляемый генератором при напряжении источника питания 1,5 6 не превышает 3 мА.

Преобразователи напряжения с последовательным соединением транзисторов

Рис. 8. Преобразователь напряжения с последовательным соединением транзисторов разного типа проводимости.

В генераторах, показанных далее на рисунках 8 — 13, в качестве активного элемента используется несколько необычное последовательное соединение транзисторов разного типа проводимости, к тому же, охваченных положительной обратной связью.

Рис. 9. Двухтранзисторный преобразователь напряжения для светодиода с применением катушки от телефона.

Конденсатор положительной обратной связи (рисунок 8) одновременно выполняет роль накопителя энергии для получения напряжения, достаточного для питания светодиода.

Параллельно переходу база — коллектор транзистора VT2 (типа КТ361) включен германиевый диод (либо заменяющее его сопротивление, рис. 12).

В генераторе с RC-цепочкой (рис. 8) за счет существенных потерь напряжения на полупроводниковых переходах рабочее напряжение устройства составляет 1,1... 1,6 В.

Заметно понизить нижнюю границу напряжения питания стало возможным за счет перехода на LC-вариант схемы генераторов, использующих индуктивные накопители энергии (рис. 9 — 13).

Рис. 10. Схема простого низковольтного преобразователя напряжения 0,75В -1,5В в 2В на основе LC-генератора.

В качестве индуктивного накопителя энергии в первой из схем использован телефонный капсюль (рис. 9). Одновременно со световыми вспышками генератор вырабатывает акустические сигналы.

При увеличении емкости конденсатора до 200 мкФ генератор переходит в импульсный экономичный режим работы, вырабатывая прерывистые световые и звуковые сигналы.

Переход на более высокие рабочие частоты возможен за счет использования малогабаритной катушки индуктивности с большой добротностью. В связи с этим появляется возможность заметно уменьшить объем устройства и понизить нижнюю границу питающего напряжения (рис. 10 — 13).

В качестве индуктивности использована катушка контура промежуточной частоты от радиоприемника «ВЭФ» индуктивностью 260 мкГн. На рис. 11, 12 показаны разновидности таких генераторов.

Рис. 11. Схема низковольтного преобразователя напряжения для светодиода с катушкой от ПЧ-контура приемника.

Рис. 12. Схема простого преобразователя напряжения для светодиода с катушкой от ПЧ-контура приемника.

Наконец, на рисунке 13 показан наиболее упрощенный вариант устройства, в котором вместо конденсатора колебательного контура использован светодиод.

Преобразователи напряжения конденсаторного типа (с удвоением напряжения), используемые для питания светодиодных излучателей, теоретически могут обеспечить снижение рабочего напряжения питания только до 60% (предельное, идеальное значение — 50%).

Рис. 13. Очень простой низковольтный преобразователь напряжения с включенным светодиодом вместо конденсатора.

Использование в этих целях многокаскадных умножителей напряжения неперспективно в связи с прогрессивно возрастающими потерями и падением КПД преобразователя.

Преобразователи с индуктивными накопителями энергии более перспективны при дальнейшем снижении рабочего напряжения генераторов, обеспечивающих работу светодиодов. При этом сохраняются высокий КПД и простота схемы преобразователя.

Преобразователи напряжения индуктивного и индуктивно-емкостного типа

На рисунках 14 — 18 показаны преобразователи для питания светодиодов индуктивного и индуктивно-емкостного типа, выполненные на основе генераторов с использованием в качестве активного элемента аналогов инжекционно-полевого транзистора [Рк 5/00-23].

Рис. 14. Схема низковольтного преобразователя напряжения 1-6В в 2В индуктивно-емкостного типа.

Преобразователь, изображенный на рисунке 14, является устройством индуктивно-емкостного типа. Генератор импульсов выполнен на аналоге инжекционно-полевого транзистора (транзисторы VT1 и VT2).

Элементами, определяющими рабочую частоту генерации в диапазоне звуковых частот, являются телефонный капсюль BF1 (типа ТК-67), конденсатор С1 и резистор R1. Короткие импульсы, вырабатываемые генератором, поступают на базу транзистора VT3, открывая его.

Одновременно происходит заряд/разряд емкостного накопи 1еля энергии (конденсатор С2). При поступлении импульса положительно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с общей шиной через открытый на время действия импульса транзистор VT2. Диод VD1 закрывается, транзистор VT3 — открыт.

Таким образом, к цепи нагрузки (светодиоду HL1) оказываются присоединены последовательно включенные источник питания и заряженный конденсатор С2, в результате чего следует яркая вспышка светодиода.

Расширить диапазон рабочих напряжений преобразователя позволяет транзистор VT3. Устройство работоспособно при напряжениях от 1,0 до 6,0 В. Напомним, что нижняя граница соответствует едва заметному свечению светодиода, а верхняя — потреблению устройством тока в 20 мА.

В области малых напряжений (до 1,45 В) звуковая генерация не слышна, хотя по мере последующего увеличения напряжения питания устройство начинает вырабатывать и звуковые сигналы, частота которых довольно быстро понижается.

Переход на более высокие рабочие частоты (рис. 15) за счет использования высокочастотной катушки позволяет уменьшить емкость конденсатора, «перекачивающего» энергию (конденсатор С1).

Рис. 15. Принципиальная схема низковольтного преобразователя напряжения с ВЧ-генератором.

В качестве ключевого элемента, подключающего светодиод к «плюсовой» шине питания на период следования импульса, использован полевой транзистор VT3 (КП103Г). В результате диапазон рабочих напряжений этого преобразователя расширен до 0,7... 10 В.

Заметно упрощенные, но работающие в ограниченном интервале питающих напряжений устройства показаны на рисунках 16 и 17. Они обеспечивают свечение светодиодов в диапазоне 0,7...1,5 В (при R1=680 Ом) и 0,69...1,2 В (при R1=0 Ом), а также от 0,68 до 0,82 В (рис. 17).

Рис. 16. Принципиальная схема упрощенного низковольтного преобразователя напряжения с ВЧ-генератором.

Рис. 17. Упрощенный низковольтный преобразователь напряжения с ВЧ-генератором и телефонным капсюлем в качестве катушки.

Наиболее прост генератор на аналоге инжекционно-полевого транзистора (рис. 18), где светодиод одновременно выполняет роль конденсатора и является нагрузкой генератора. Устройство работает в довольно узком диапазоне питающих напряжений, однако яркость свечения светодиода достаточно высока, поскольку преобразователь (рис. 18) является чисто индуктивным и имеет высокий КПД.

Рис. 18. Низковольтный преобразователь напряжения с генератором на аналоге инжекционно-полевого транзистора.

Следующий вид преобразователей достаточно хорошо известен и является более традиционным. Это преобразователи трансформаторного и автотрансформаторного типа.

На рис. 19 показан генератор трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением. Генератор содержит лишь три элемента, одним из которых является светоизлучающий диод.

Без светодиода устройство является простейшим блокинг-генератором, причем на выходе трансформатора может быть получено довольно высокое напряжение. Если в качестве нагрузки генератора использовать светодиод, он начинает ярко светиться даже при низком значении питающего напряжения (0,6...0,75 В).

Рис. 19. Схема преобразователя трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением.

В этой схеме (рис. 19) обмотки трансформатора имеют по 20 витков провода ПЭВ 0.23. В качестве сердечника трансформатора использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К 10x6x2,5. В случае отсутствия генерации выводы одной из обмоток трансформатора следуе! поменять местами.

Преобразователь, показанный на рисунке 20, имеет самое низкое напряжение питания из всех рассмотренных устройств. Существенного понижения нижней границы рабочего напряжения удалось достичь за счет оптимизации выбора числа (соотношения) витков обмоток и способа их включения. При использовании высокочастотных германиевых транзисторов типа 1Т311, 1Т313 (ГТ311, ГТ313) подобные преобразователи начинают работать пои напояжении питания выше 125 мВ.

Рис. 20. Низковольтный преобразователь напряжения из 0,25В - 0,6В в 2В.

Рис. 21. Экспериментально измеренные характеристики генератора.

В качестве сердечника трансформатора, как и в предыдущей схеме, использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К10x6x2,5. Первичная обмотка выполнена проводом ПЭВ 0,23 мм, вторичная — ПЭВ 0,33. Довольно яркое свечение светодиода наблюдается уже при напряжении 0,3 В.

На рисунке 21 представлены экспериментально измеренные характеристики генератора (рис. 20) при варьировании числа витков обмоток. Из анализа полученных зависимостей следует, что существует область оптимального соотношения числа витков первичной и вторичной обмоток, причем, с увеличением числа витков первичной обмотки минимальное рабочее напряжение преобразователя плавно снижается, причем одновременно сужается и диапазон рабочих напряжений преобразователя.

Для решения обратной задачи — расширения диапазона рабочих напряжений преобразователя — последовательно с ним может быть подключена RC-цепочка (рис. 22).

Рис. 22. Схема низковольтного преобразователя напряжения с применением RC-цепочки.

Схемы преобразователей по типу индуктивной или емкостной трех-точки

Еще один вид преобразователей представлен на рисунки 23 — 29. Их особенность — использование индуктивных накопителей энергии и схем, выполненных по типу «индуктивной» или «емкостной трех-точки» с барьерным режимом включения транзистора.

Генератор (рис. 23) работоспособен в диапазоне напряжений от 0,66 до 1,55 В. Для оптимизации режима работы требуется подбор номинала резистора R1. В качестве катушки индуктивности, как и во многих предыдущих схемах. использована катушка контура фильтра ПЧ индуктивностью 260 мкГн.

Рис. 23. Преобразователь напряжения для светодиода на одном транзисторе КТ315.

Так, при числе витков первичной обмотки п(1) равном 50...60 и числе витков вторичной л(II) — 12, устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 260...440 мВ (соотношение числа витков 50 к 12), а при соотношении числа витков 60 к 12 — 260...415 мВ.

При использовании ферритового сердечника другого типа или размера это соотношение может нарушиться и быть иным. Полезно самостоятельно выполнить подобное исследование, а результаты для наглядности представить в виде графика.

Весьма интересным представляется использование туннельного диода в рассматриваемых генераторах (аналогичного приведенному на рис. 20), включенного вместо перехода эмиттер — база транзистора VT1.

Генератор (рис. 24) немногим отличается от предыдущего (рис. 23). Интересной его особенностью является то, что яркость свечения светодиода меняется с ростом напряжения питания (рис. 25).

Рис. 24. Преобразователь напряжения с меняющейся яркостью свечения светодиода.

Рис. 25. График зависимости яркости свечения светодиода от питающего генератор напряжения (для рисунка 24).

Причем максимум яркости достигается при 940 мВ. Преобразователь, показанный на рисунке 26, можно отнести к генераторам, выполненным по схеме «трехточки», причем светодиод выполняет роль одного из конденсаторов.

Трансформатор устройства выполнен на ферритовом кольце (1000HM) К10x6x2,5, причем его обмотки содержат приблизительно по 15...20 витков провода ПЭЛШО 0,18.

Рис. 26. Низковольтный преобразователь напряжения с генератором выполненном на основе трехточки.

Преобразователь (рис. 27) отличается от предыдущего точкой подключения светодиода. Зависимость яркости свечения светодиода от напряжения питания показана на рисунке 28: при повышении напряжения питания яркость вначале нарастает, затем резко снижается, после чего снова растет.

Рис. 27. Простой преобразователь напряжения для низковольтного питания светодиода АЛ307.

Рис. 28. Зависимость яркости свечения светодиода от напряжения питания.

Наиболее простой схемой преобразователей этого типа является схема, представленная на рисунке 29. Установление рабочей точки достигается подбором резистора R1.

Светодиод, как и в ряде предшествующих схем, одновременно играет роль конден сатора. В порядке эксперимента рекомендуется подключить па раллельно светодиоду конденсатор и подобрать его емкость.

Рис. 29. Очень простая схема низковольтного преобразователя напряжения на одном транзисторе.

В заключение

В качестве общего замечания по налаживанию схем, представленных выше, следует отметить, что напряжение питания всех рассмотренных устройств во избежание повреждения светодиодов не должно (за редким исключением) превышать значения 1.6...1.7 В.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1).

Предостережение: белые светодиоды сравнительно дороги, поэтому я предлагаю включить небольшой резистор (от 1 до 10 Ом) последовательно с катодом светодиода для ограничения и измерения пикового тока. Во время тестирования схемы можно измерять падение напряжения на этом резисторе с помощью либо осциллографа, либо пикового детектора, чтобы убедиться, не превышает ли пиковый ток значения, рекомендованного производителем светодиодов. Отталкиваясь от этих рекомендаций, для большей надежности, постараемся получить пиковый ток не выше половины от максимального.

Обзор

Компактный импульсный преобразователь, который может обеспечить достаточное напряжение для питания белых светодиодов, состоит из минимального числа деталей. Светильник, который мы получим, по количеству люмен.часов на фунт веса батареи питания гораздо эффективнее, чем лампа накаливания. К тому же цвет свечения определяется излучением люминофора светодиода, поэтому цвет свечения практически не меняется, даже когда батарея полностью разрядится. В результате батарея служит долго. Эта дешева и подходит для применения в фонариках, аварийном освещении и других устройствах, в которых необходимо запитать белые светодиоды от одного или двух первичных элементов питания.

Схема

Не может быть проще схемы, чем эта. Блокинг-генератор состоит из транзистора, резистора 1 кОм и катушки индуктивности. При нажатии кнопки питания транзистор открывается током, текущим через резистор 1 кОм. Напряжение, которое появляется на участке индуктивности от средней точки до коллектора транзистора наводит напряжение на резисторе 1 кОм, которое может быть даже выше, чем напряжение аккумулятора, тем самым, обеспечивая положительную обратную связь. При наличии напряжения между отводом катушки и коллектором транзистора, ток коллектора постоянно растет. Из-за положительной обратной связи транзистор остается в насыщении пока что-то не произойдет с током его базы.

В какой-то момент падение напряжения на участке индуктивности от ее средней точки до коллектора транзистора приближается к значению напряжения батареи (на самом деле напряжение батареи минус напряжение насыщения коллектор-эммитер транзистора). С этого момента напряжение больше не наводится в катушке от отвода до резистора 1 кОм, и напряжение на базе начинает понижаться и становится отрицательным, ускоряя, таким образом, выключение транзистора. Хотя теперь транзистор выключен, катушка индуктивности остается источником тока, и напряжение на коллекторе повышается.

Напряжение на коллекторе быстро становится достаточно высоким для возникновения тока в светодиоде, и он течет до тех пор, пока индуктивность не разрядится. Затем напряжение на коллекторе начинает «звонить», раскачиваясь от уровня «земли» до питания, открывая транзистор и начиная другой цикл.

Индуктивность

Если вы проектируете эту схему не для коммерческого применения, у вас есть большой выбор вариантов конструкции индуктивности. Размер сердечника, его проницаемость и характеристика насыщения (физические размеры, µ и Bs) определяют, сколько ампер-витков он сможет обеспечить до насыщения. Если сердечник насыщается быстрее, чем падение напряжения на участке индуктивности от отвода до коллектора транзистора достигнет напряжения батареи, схема в любом случае сразу же переключится, потому что насыщение сердечника делает катушку подобной резистору и индуктивная связь между коллекторной и базовой (сторона с резистором 1 кОм) половинами катушки очень сильно падает. Это приводит к такому же эффекту, как и приближение падения напряжения на катушке к напряжению батареи. Сечение провода определяет, сколько ампер выдает схема перед тем, как переключиться из-за роста падения напряжения. Параметры сердечника катушки индуктивности (в основном физические размеры и магнитная проницаемость) определяют, сколько микросекунд катушка заряжается током коллектора, который возрастет до момента отключения транзистора. Эти параметры также определяют, как долго ток будет течь через светодиод, пока транзистор выключен. Практически все характеристики катушки индуктивности влияют на работу этой схемы.

Я сделал эту схему на ферритовых кольцах нескольких миллиметров в диаметре и на тороидальных сердечниках с сечением до нескольких сантиметров (обратите внимание на индуктивность на ржавом гвозде, описаную ниже).

Вот, в общем, взаимосвязь между размерами сердечника и характеристиками дросселя:

• Большой сердечник: легко намотать, низкая частота переключения, повышенная мощность.
• Маленький сердечник: сложно намотать, более высокая частота переключения, меньшая мощность.

Как начать. Возьмите сердечник катушки, предпочтительно из феррита, и намотайте на нем 20 витков. Сделайте отвод в виде короткой петли провода, затем продолжите намотку еще 20 витков. Увеличение количества витков ведет к снижению рабочей частоты, уменьшение - к увеличению частоты. Я наматывал всего 10 витков с отводом от середины (5+5) и работала эта катушка на частоте 200 кГц. Посмотрите описываемую ниже схему, собранную в цоколе лампочки, работающую на частоте порядка 200 кГц.

Улучшенная схема

Эта схема привлекательна тем, что содержит минимальное число элементов. Светодиод питается импульсным током. Импульс начинается с момента, когда напряжение на светодиоде достигает его прямого рабочего напряжения, которое выше напряжения батареи, что не влияет на переключение транзистора. Недостатком является то, что отношение пикового тока к среднему току светодиода является довольно высоким, оно может быть 3:1 или 5:1, в зависимости от параметров схемы (в основном от индуктивности катушки и напряжения аккумулятора). Если вы хотите, чтобы при заданном пиковом токе светодиод светил ярче, можете добавить диод и конденсатор, показанные на схеме ниже.

Один критик предложил хорошую идею: при наличии свободного места добавить развязывающий конденсатор между отрицательным выводом батареи и средней точкой дросселя. Некоторые аккумуляторы имеют высокое выходное сопротивление, и этот конденсатор может увеличить выходной ток схемы. Конденсатора емкостью 10 мкФ должно быть достаточно, но, если вы используете дроссель очень большой индуктивности, емкость лучше увеличить.

Где вы разместите источник питания?

Так как эта схема содержит мало элементов, я смог все их, в том числе индуктивность, резистор 1 кОм, транзистор 2N4401 (между прочим, в корпусе ТО-92), выпрямительный диод, чип конденсатор и светодиод NSPW315BS фирмы Nichia вместе с маленькой каплей клея поместить в основании лампы-ручки.

Применение светодиода взамен лампочки позволяет разработать компактный фонарик. Он дает достаточно света, чтобы ходить по улице в безлунную ночь. Я оценил время работы фонарика, потребляющего ток около 35 мА от батареи 1.5 В. Получилось, что он будет непрерывно работать как минимум 30 часов. Это довольно долго. Параметры нескольких щелочных батареек Duracell можно найти .

Цвет свечения остается неизменно голубовато-белым, даже при снижении напряжения батареи, Если с таким устройством хорошо обращаться, оно будет служить очень долго. У меня был один такой фонарик, собранный по последней приведенной схеме, на протяжении 18 месяцев, и я пользовался им каждую ночь. Я лишь два раза заменил батарейку. Если бы контакты на батарейке не ухудшились из-за коррозии, я бы и не знал, что пришло время заменить ее, ведь фонарик прекрасно работал.

Ночной свет ржавого гвоздя

Эти схема блокинг-генераторов лучше работают с ферритовыми сердечниками, но иногда их трудно найти. Некоторые читатели выразили беспокойство по поводу изготовления индуктивности, и это понятно, поскольку для многих катушки индуктивности имеют ореол таинственности.

Я берусь доказать, что ничего сложного в катушках индуктивности нет, и что они очень важны. Однажды, из-за поломки авто ожидая эвакуатор, я заметил ржавый гвоздь около дороги. Он был 6.5 см длинной, и я решил использовать его для сердечника катушки индуктивности.

Я вытащил витую пару из одножильного медного провода ø0.5 мм из длинного кабеля CAT-5 (Ethernet). Этот провод похож на тот, который используется для прокладки телефонных линий внутри зданий. Я намотал 60 витков витой пары примерно в три слоя на гвозде, затем подсоединил начало одного проводника к концу другого проводника, и получилась катушка индуктивности на 120 витков с отводом от середины.

Я подключил к ней транзистор 2N2222 , резистор номиналом 1 кОм, 1.5 В пальчиковую батарейку и белый светодиод. Ничего не произошло. Тогда я приложил конденсатор 0.0027 мкФ к резистору 1 кОм (он оказался на рабочем столе) и светодиод ожил. Может, вам потребуется конденсатор примерно 0.001 мкФ. Светодиод прекрасно светится, и схема потребляет 20 мА тока от элемента питания AA. Сигнал на экране осциллографа выглядит ужасно, но главное в том, что схема возбудилась даже на этом ржавом гвозде, и увеличила начальные 1.5 В элемента АА до более чем 3 В, достаточных для свечения светодиода.

Те, кто знаком с некоторыми аспектами выбора сердечника катушки сразу же заметят, что вихревые токи будут огромными, так как железо имеет низкое сопротивление по сравнению с ферритом, или, например, воздухом, и что будут, вероятно, и другие потери. И дело не в том, что вы должны бежать и покупать гвозди, чтобы сделать светодиодную лампу, а в том, что эта схема оказалась весьма работоспособной. Если ржавого гвоздя и немного телефонного провода достаточно, чтобы засветить белый светодиод, то дроссель - не проблема. Итак, отдохните, пойдите и купите ферритовый сердечник и начните работать над проектом.

Где взять ферритовые сердечники

Вольфганг Дрихаус из Германии написал, что ферритовые сердечники используются в компактных люминесцентных лампах, и что он успешно применяет их в схеме питания светодиодов. На следующий день я посмотрел вверх и увидел, что некоторые лампы нужно заменить.

Некоторые компактные люминесцентные лампы в моем доме перегорели. После покупки новых ламп, и замены перегоревших, я отправился в гараж, чтобы разобрать одну из ламп. Первой проблемой было добраться до электроники в цоколе лампы. В последующем письме, Вольфганг поведал мне, что колбу лампы можно вскрыть и достать плату без повреждения стекла. Будьте осторожны, не разбейте стеклянных трубок лампы, так как они содержат токсичную ртуть.

Я хотел удостовериться в том, что эти сердечники будут полезны для меня, и удалил обмотки с «гантели» и тороидальной катушки. В процессе разборки катушки на сердечнике типа ЕЕ феррит треснул в нескольких местах, поэтому я не смог опробовать его в моей схеме.

На сердечник «гантель» я намотал 50 витков эмалированного провода ø0.2 мм, сделал центральный отвод, и затем намотал еще 50 витков. Собрал устройство из этой катушки, транзистора 2N4401, резистора 330 Ом, подключенного к базе транзистора, и белого светодиода в соответствии со схемой, приведенной в начале статьи. Когда я подключил источник питания 1.5 В, светодиод ярко вспыхнул. Это подтвердило, что катушку с таким сердечником в данной схеме можно применять.

На тороидальный сердечник я намотал 10 витков провода ø0.4 мм, выполнил отвод и намотал еще 10 витков. Подключив катушку в ту же схему (2N4401, 330 Ом, белый светодиод) с 1.5-вольтовым питанием, я увидел, что светодиод горит, хотя и не так ярко, как с предыдущей катушкой, но ведь и витков на тороиде было намотано только 20.

Так что теперь мы знаем, где брать ферритовые сердечники. Компактные люминесцентные лампы весьма доступны, и они со временем выходят из строя и требуют замены.

Другой читатель отметил, что еще один источник ферритовых сердечников - это кабели компьютерных периферийных устройств. На кабелях монитора, клавиатуры, на некоторых USB кабелях есть пластиковые утолщения, в которых, на самом деле, содержатся ферритовые сердечники. Если вы собираетесь выбросить старую клавиатуру в мусорный бак, почему бы сначала не отрезать феррит?

Окончание читайте

Поначитался я в этой теме всякого интересного и решил проделать лабораторную работу по теме "Блокинг-генератор на биполярном транзисторе в роли преобразователя для светодиодного фонарика".
Для трансформатора использовал ферритовое кольцо М1500 внешним диаметром 10 мм и толщиной 3 мм. Проводом ПЭШО 0,15 намотал 15 витков в первичную обмотку и 10 витков во вторичную. Концы оставил длинные, чтобы можно было домотать, при необходимости. Выбрал для экспериментов пару транзисторов с p-n-p-структурой: кремниевый КТ316 и германиевый МП42Б.

Начал эксперимент с кремниевого транзистора. Собрал классическую схему блокинга по рис. 1. Резистор взял 4,7 кОм, а ёмкость – 0,15 мкФ. При питании 1,6 В заработал сходу. На коллекторе узкие пики (0,6 мкс) напряжения амплитудой более 100 В с периодом повторения около 10 мкс. При увеличении емкости до 10 мкФ период незначительно уменьшался. Это говорит о том, что частота генерации определяется не постоянной времени RC, а временем перехода транзистора из режима насыщения в активный режим, т.е. временем рассасывания неосновных носителей в базе транзистора. В этом легко убедиться путём уменьшения сопротивления резистора. При плавном уменьшении резистора до 75 Ом период колебаний возрастал до 42 мкс. Естественно, что при замене кремниевого транзистора на германиевый блокинг работал точно также. Отличие было только во временных параметрах. Работа блокинга абсолютно не изменяется, если вторичную обмотку трансформатора подключить так, как показано на рис.2. В дальнейшем все эксперименты я проводил при таком подключении вторичной обмотки. Проверил я и экзотический режим с отсутствующим резистором в цепи базы, который активно пропагандирует ssv . Результат был очевидным: генерация отсутствует и не может быть с нормальными деталями. В такой схеме она возможна только при наличии достаточного тока утечки у конденсатора и/или при большом начальном токе транзистора (обычно такое бывает у мощных или некачественных транзисторов). При малом токе утечки схема начинает "икать", т.е. работать в пульсирующем режиме.
Следующим шагом были испытания схемы с подключённым светодиодом. Белого светодиода у меня не оказалось, и я использовал синий, которому для свечения необходимы 3 В. Схемы подключения светодиода показаны на рис. 2 – 5. Во всех случаях диод светился достаточно ярко, и определить различие в эффективности работы той или иной схемы на глаз было практически невозможно. Поэтому я использовал приборы: миллиамперметр на 300 мА в цепи источника питания, миллиамперметр на 50 мА последовательно со светодиодом, цифровой тестер для измерения напряжения и осциллограф. Сопротивление миллиамперметра на 50 мА составляло 1,2 Ом и не оказывало заметного влияния на измеряемый ток светодиода. Сопротивление второго миллиамперметра было менее 0,1 Ом и также не вносило заметной погрешности в измерения. Таким образом, эффективность схемы в первом приближении можно было оценивать отношением тока светодиода к потребляемому току.

Продолжение будет.