D
Dhaitya
Guest
Выбор трёх гальванических элементов или щелочных аккумуляторов приводит к проблеме питания мощных светодиодов.
В последнее время широкое распространение получили различные светодиодные фонари с питанием от трёх первичных элементов или аккумуляторов. Самым распространённым форматом для этих фонарей, ручных и налобных, стали элементы ААА. Некоторое удобство их, состоящее в компактности и лёгкости, компенсируется известной проблемой эксплуатации: яркость светодиода падает и становится недопустимо низкой, когда элементы питания ещё не разряжены полностью и, с некоторого момента, диоды лишь "тлеют", хотя состояние батареи может обеспечить ещё значительное время яркого света.
Причиной проблемы является наличие порогового напряжения горения светодиода: когда его питание падает ниже некоторого значения, ток через светодиод резко, в сотни-тысячи раз, снижается и соответственно падает яркость. Это пороговое напряжение составляет для большинства производимых белых СИД 3В3-3В7 и может меняться с температурой. Каков бы ни был остаточный заряд батареи, при достижении ей порога СИД перейдёт в тление, этот "режим" может продолжаться сотни часов, во время которых фонарь светится, но не светит.
Остаточный заряд элементов составляет при этом 12-20%.
Повышающий преобразователь: решение очевидное и неверное.
Исправить ситуацию и питать СИД в соответствии с требованиями пользователя мог бы, кажется, повышающий преобразователь, STEP-UP converter. Действительно, когда напряжение батареи начинает падать, достаточно использовать повышающую систему, чтобы привести его в соответствие с необходимым. Но нельзя забывать, что у гальванических элементов начальное напряжение составляет 1В5-1В55, а у щелочных аккумуляторов - 1В36-1В5. Утроив, т.к. элемента три, значение напряжения, получим в минимальном случае 4В08, а в максимальном - 4В65, что превышает предельно допустимое напряжение СИД диапазона 0.5-3Вт. Теперь обратимся к схеме повышающего преобразователя:
Чем ниже напряжение батареи, тем интенсивнее работает конвертер, а чем выше оно, тем меньше он себя проявляет. Когда входное напряжение превышает его порог стабилизации, конвертер полностью отключается, перестаёт проявлять себя, что эквивалентно извлечению из схемы полевого транзистора Т. Видно, тем не менее, что при этом ток может протекать из точки "1" в точку "2", питая светодиод - через катушку L и диод D. И от дальнейшего нарастания тока СИД, вызванного высоким напряжением питания, такая схема не защитит. Кажущимся выходом является поднятие выходного напряжения конвертера до 4В65 и питание СИД через резистор: при любом напряжении батареи ниже выходного напряжения преобразователя, на его выходе будет 4В65 и СИД будет питаться ч/резистор, не теряя яркости. Это так, но побочным эффектом данного решения станет снижение эффективности работы: если рабочее напряжение СИД 3В4 и КПД конвертера 0.92, то конечная эффективность будет всего (3.4/4.65)х0.92=0.67. Очевидно, что этого недостаточно.
Вывод: ни в каком случае повышающий преобразователь здесь помочь не может.
SEPIC: разнообразные варианты решения поставленной задачи.
Эффективным способом питать осветительный белый СИД, когда напряжение батареи может быть и больше и меньше его порогового напряжения, является повышающе-понижающий преобразователь - STEP-UP/STEP-DOWN converter, SEPIC.
Рассмотрим 2 варианта его реализации.
Первый вариант восходит к известной схеме обратноходового преобразователя:
Как мы видим, в этой схеме нет никакого пути течения тока между точками "1" и "2". Тr1 представляет собой двухобмоточный дроссель - сначала энергия запасается в его сердечнике с помощью левой обмотки, а затем сбрасывается в нагрузку с помощью правой. Так как амплитуда колебания индуктивности постоянна и конструктивно обусловлена, при постоянной частоте колебаний можно передавать известную энергию во вторичную цепь через правую обмотку: E=LI2/2, где I - пиковый ток левой обмотки. Зная энергию, получим стабилизированную мощность во вторичной цепи: P=Ef, где f - постоянная рабочая частота преобразователя. Следовательно, решающим фактором является контроль амплитуды тока левой обмотки - тока, текущего с нарастанием ч/ПТ, когда он открыт. Количество витков обмоток определяется имеющимся сердечником.
Эти соображения позволяют определить подходящие для этой задачи ИМС:
1. питание как от входа батареи, так и ч/специальный вход питания.
2. напряжение запуска не менее 2В.
3. внешний силовой транзистор.
4. стабилизированная частота работы или же наличие отдельного входа чтения тока нагрузки.
5. обязательное наличие входа чтения тока дросселя или тока переключающего транзистора.
6. STEP-UP организация.
7. отдельный вход обратной связи по напряжению, в данных схемах он не используется по прямому назначению.
Вариантом этой схемы является данная:
При этом требования к её ИМС не отличаются от предыдущего случая. Некоторым преимуществом является возможность замены двухобмоточного дросселя на две одинаковые катушки, что увеличивает габариты схемы, но избавляет пользователя от ручной намотки. Недостатком может быть трудность изготовления для мощностей нагрузки более 100Вт из-за требований к конденсатору С2, который должен иметь очень низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления.
Последняя схема отличается от остальных тем, что её нагрузка включена несколько непривычно:
Принцип, всё же, остаётся прежним: с резистора R1 считывается напряжение, зависящее от его тока. Пиковый ток определяет энергию катушки и мощность, передающуюся при постоянной частоте нагрузке - светодиоду. Основным отличием этой схемы является потенциально самый широкий диапазон напряжений питания, так как в ней выходное напряжение всегда больше напряжения батареи на рабочее напряжение нагрузки. Требования к ИМС не меняются также.
Разумеется, все перечисленные схемы можно использовать и в других диапазонах питания, например, с единственным литиевым аккумулятором или при питании СИД 5Вт от 6-8 первичных элементов или аккумуляторов.
Остаются без рассмотрения ещё несколько вариантов, о существовании которых следует знать:
1. зарядовый насос с регулировкой выходного напряжения - обладает очень низким КПД, доходящим до 46-49%.
2. трансформаторная схема - требует специализированной ИМС из-за особенностей работы обратной связи.
3. схемы с единственной катушкой, включенной в диагональ транзисторного Н-моста с асимметричным управлением - требуют малораспространённых ИМС и рассчитаны на большие выходные мощности.
В последнее время широкое распространение получили различные светодиодные фонари с питанием от трёх первичных элементов или аккумуляторов. Самым распространённым форматом для этих фонарей, ручных и налобных, стали элементы ААА. Некоторое удобство их, состоящее в компактности и лёгкости, компенсируется известной проблемой эксплуатации: яркость светодиода падает и становится недопустимо низкой, когда элементы питания ещё не разряжены полностью и, с некоторого момента, диоды лишь "тлеют", хотя состояние батареи может обеспечить ещё значительное время яркого света.
Причиной проблемы является наличие порогового напряжения горения светодиода: когда его питание падает ниже некоторого значения, ток через светодиод резко, в сотни-тысячи раз, снижается и соответственно падает яркость. Это пороговое напряжение составляет для большинства производимых белых СИД 3В3-3В7 и может меняться с температурой. Каков бы ни был остаточный заряд батареи, при достижении ей порога СИД перейдёт в тление, этот "режим" может продолжаться сотни часов, во время которых фонарь светится, но не светит.
Остаточный заряд элементов составляет при этом 12-20%.
Повышающий преобразователь: решение очевидное и неверное.
Исправить ситуацию и питать СИД в соответствии с требованиями пользователя мог бы, кажется, повышающий преобразователь, STEP-UP converter. Действительно, когда напряжение батареи начинает падать, достаточно использовать повышающую систему, чтобы привести его в соответствие с необходимым. Но нельзя забывать, что у гальванических элементов начальное напряжение составляет 1В5-1В55, а у щелочных аккумуляторов - 1В36-1В5. Утроив, т.к. элемента три, значение напряжения, получим в минимальном случае 4В08, а в максимальном - 4В65, что превышает предельно допустимое напряжение СИД диапазона 0.5-3Вт. Теперь обратимся к схеме повышающего преобразователя:
Чем ниже напряжение батареи, тем интенсивнее работает конвертер, а чем выше оно, тем меньше он себя проявляет. Когда входное напряжение превышает его порог стабилизации, конвертер полностью отключается, перестаёт проявлять себя, что эквивалентно извлечению из схемы полевого транзистора Т. Видно, тем не менее, что при этом ток может протекать из точки "1" в точку "2", питая светодиод - через катушку L и диод D. И от дальнейшего нарастания тока СИД, вызванного высоким напряжением питания, такая схема не защитит. Кажущимся выходом является поднятие выходного напряжения конвертера до 4В65 и питание СИД через резистор: при любом напряжении батареи ниже выходного напряжения преобразователя, на его выходе будет 4В65 и СИД будет питаться ч/резистор, не теряя яркости. Это так, но побочным эффектом данного решения станет снижение эффективности работы: если рабочее напряжение СИД 3В4 и КПД конвертера 0.92, то конечная эффективность будет всего (3.4/4.65)х0.92=0.67. Очевидно, что этого недостаточно.
Вывод: ни в каком случае повышающий преобразователь здесь помочь не может.
SEPIC: разнообразные варианты решения поставленной задачи.
Эффективным способом питать осветительный белый СИД, когда напряжение батареи может быть и больше и меньше его порогового напряжения, является повышающе-понижающий преобразователь - STEP-UP/STEP-DOWN converter, SEPIC.
Рассмотрим 2 варианта его реализации.
Первый вариант восходит к известной схеме обратноходового преобразователя:
Как мы видим, в этой схеме нет никакого пути течения тока между точками "1" и "2". Тr1 представляет собой двухобмоточный дроссель - сначала энергия запасается в его сердечнике с помощью левой обмотки, а затем сбрасывается в нагрузку с помощью правой. Так как амплитуда колебания индуктивности постоянна и конструктивно обусловлена, при постоянной частоте колебаний можно передавать известную энергию во вторичную цепь через правую обмотку: E=LI2/2, где I - пиковый ток левой обмотки. Зная энергию, получим стабилизированную мощность во вторичной цепи: P=Ef, где f - постоянная рабочая частота преобразователя. Следовательно, решающим фактором является контроль амплитуды тока левой обмотки - тока, текущего с нарастанием ч/ПТ, когда он открыт. Количество витков обмоток определяется имеющимся сердечником.
Эти соображения позволяют определить подходящие для этой задачи ИМС:
1. питание как от входа батареи, так и ч/специальный вход питания.
2. напряжение запуска не менее 2В.
3. внешний силовой транзистор.
4. стабилизированная частота работы или же наличие отдельного входа чтения тока нагрузки.
5. обязательное наличие входа чтения тока дросселя или тока переключающего транзистора.
6. STEP-UP организация.
7. отдельный вход обратной связи по напряжению, в данных схемах он не используется по прямому назначению.
Вариантом этой схемы является данная:
При этом требования к её ИМС не отличаются от предыдущего случая. Некоторым преимуществом является возможность замены двухобмоточного дросселя на две одинаковые катушки, что увеличивает габариты схемы, но избавляет пользователя от ручной намотки. Недостатком может быть трудность изготовления для мощностей нагрузки более 100Вт из-за требований к конденсатору С2, который должен иметь очень низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления.
Последняя схема отличается от остальных тем, что её нагрузка включена несколько непривычно:
Принцип, всё же, остаётся прежним: с резистора R1 считывается напряжение, зависящее от его тока. Пиковый ток определяет энергию катушки и мощность, передающуюся при постоянной частоте нагрузке - светодиоду. Основным отличием этой схемы является потенциально самый широкий диапазон напряжений питания, так как в ней выходное напряжение всегда больше напряжения батареи на рабочее напряжение нагрузки. Требования к ИМС не меняются также.
Разумеется, все перечисленные схемы можно использовать и в других диапазонах питания, например, с единственным литиевым аккумулятором или при питании СИД 5Вт от 6-8 первичных элементов или аккумуляторов.
Остаются без рассмотрения ещё несколько вариантов, о существовании которых следует знать:
1. зарядовый насос с регулировкой выходного напряжения - обладает очень низким КПД, доходящим до 46-49%.
2. трансформаторная схема - требует специализированной ИМС из-за особенностей работы обратной связи.
3. схемы с единственной катушкой, включенной в диагональ транзисторного Н-моста с асимметричным управлением - требуют малораспространённых ИМС и рассчитаны на большие выходные мощности.
