Регулятор яскравості ліхтаря. Схема, опис. Водонепроникний ліхтарик - KINFIRE KCH CREE T6 (18650) з регульованою яскравістю Схема та принцип її роботи
З мікросхемою NE555 (аналог КР1006) знайомий кожен радіоаматор. Її універсальність дозволяє конструювати найрізноманітніші саморобки: від простого одновібратора імпульсів із двома елементами в обв'язці до багатокомпонентного модулятора. У цій статті буде розглянуто схему включення таймера в режимі генератора прямокутних імпульсів з широтно-імпульсним регулюванням.
Схема та принцип її роботи
З розвитком потужних світлодіодів NE555 знову вийшла на арену в ролі регулятора яскравості (димеру), нагадавши про свої незаперечні переваги. Пристрої її основі не вимагають глибоких знань електроніки, збираються швидко і працюють надійно.
Відомо, що керувати яскравістю світлодіода можна двома способами: аналоговим та імпульсним. Перший спосіб передбачає зміну амплітудного значення постійного струмучерез світлодіод. Такий спосіб має один суттєвий недолік – низький ККД. Другий спосіб має на увазі зміну ширини імпульсів (шпаруватості) струму з частотою від 200 Гц до кількох кілогерц. На таких частотах мерехтіння світлодіодів непомітне для людського ока. Схема ШИМ-регулятора з потужним вихідним транзистором показано малюнку. Вона здатна працювати від 4,5 до 18, що свідчить про можливість управління яскравістю як одного потужного світлодіода, так і цілої світлодіодної стрічкою. Діапазон регулювання яскравості коливається від 5 до 95%. Пристрій є допрацьованою версією генератора прямокутних імпульсів. Частота цих імпульсів залежить від ємності C1 та опорів R1, R2 і визначається за формулою: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц
Принцип дії електронного регулятора яскравості ось у чому. У момент подачі напруги живлення починає заряджатися конденсатор ланцюга: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -U піт. Як тільки напруга на ньому досягне рівня 2/3U піт, відкриється внутрішній транзистор таймера і почнеться процес розрядки. Розряд починається з верхньої обкладки C1 і далі ланцюга: R1 – VD2 –7 висновок ІМС – -U пит. Досягши позначки 1/3U, піт транзистор таймера закриється і C1 знову почне набирати ємність. Надалі процес повторюється циклічно, формуючи на виведенні 3 прямокутні імпульси.
Зміна опору підстроювального резистора призводить до зменшення (збільшення) часу імпульсу на виході таймера (висновок 3), і, як наслідок, зменшується (збільшується) середнє значення вихідного сигналу. Сформована послідовність імпульсів через струмообмежуючий резистор R3 надходить на затвор VT1, який включений за схемою із загальним джерелом. Навантаження у вигляді світлодіодної стрічкиабо послідовно включених потужних світлодіодів включається у розрив ланцюга стоку VT1.
У даному випадкувстановлений потужний MOSFET транзистор із максимальним струмом стоку 13А. Це дозволяє керувати світінням світлодіодної стрічки завдовжки кілька метрів. Але при цьому транзистору може знадобитися тепловідведення.
Блокуючий конденсатор C2 виключає вплив перешкод, які можуть виникати ланцюга живлення в моменти перемикання таймера. Величина його ємності може бути будь-якою в межах 0,01-0,1 мкф.
Плата та деталі складання регулятора яскравості
Одностороння друкована плата має розмір 22х24 мм. Як видно з малюнка, на ній немає нічого зайвого, що могло б викликати питання.
Після складання схема ШИМ-регулятора яскравості не вимагає налагодження, а друкована плата легка у виготовленні своїми руками. У платі, крім підстроювального резистора, використовуються SMD елементи.
- DA1 – ІМС NE555;
- VT1 – польовий транзистор IRF7413;
- VD1, VD2 - 1N4007;
- R1 - 50 кОм, підстроювальний;
- R2, R3 - 1 ком;
- C1 – 0,1 мкФ;
- C2 - 0,01 мкф.
Транзистор VT1 повинен підбиратись залежно від потужності навантаження. Наприклад, для зміни яскравості одноватного світлодіода достатньо буде біполярного транзистора з максимально допустимим струмом колектора 500 мА.
Управління яскравістю світлодіодної стрічки повинно здійснюватися від джерела напруги +12 і збігатися з її напругою живлення. В ідеалі регулятор повинен живитись від стабілізованого блоку живлення, спеціально призначеного для стрічки.
Навантаження як окремих потужних світлодіодів запитується інакше. У цьому випадку джерелом живлення диммера є стабілізатор струму (його ще називають драйвер для світлодіода). Його номінальний вихідний струм повинен відповідати струму послідовно включених світлодіодів.
Читайте також
У статті "Регулятор яскравості ліхтаря", опублікованій у "Радіо", № 7 за 1986 р., розповідалося про електронний пристрійдля керування яскравістю кишенькового ліхтаря. Сьогодні автор названої статті пропонує вдосконалений ним варіант пристрою, що дозволяє надати ліхтареві додаткову функціюсвітловий маяк.
Регулювати яскравість лампи кишенькового ліхтаря можна, звичайно, змінним резистором, послідовно включеним з нею. Але, на жаль, на резистори при цьому марно втрачається значна потужність і ККД такого регулятора виявиться невисоким. Найбільш економічним є ключовий регулятор, принцип роботи заснований на тому, що навантаження підключається до джерела живлення (батареї) не завжди, а періодично - на проміжки часу, які можна плавно змінювати. В результаті змінюватиметься середній струм через лампу розжарювання, а значить, і її яскравість.
Пропонований регулятор (рис. 1), як і згаданий вище, вбудовується в корпус ліхтаря і дозволяє не тільки регулювати яскравість лампи розжарювання від максимальної до слабкого свічення. З його допомогою ліхтар легко перетворити на світловий маяк.
Основою такого регулятора є інтегральний таймер DD1. На ньому зібрано генератор імпульсів. Частоту їхнього прямування (від 200 до 400 Гц) і шпару можна змінювати. Транзистор VT1 виконує роль електронного ключа – його роботою управляє генератор. Принцип дії регулятора пояснюють осцилограми, наведені на рис. 2.
У режимі регулювання яскравості контакти перемикача SA1, поєднаного зі змінним резистором R3, замкнуті. Переміщенням движка резистора змінюють тривалість зарядки та розрядки конденсатора С1, причому зарядка здійснюється через діод VD2, а розрядка через VD3. Резистори R1 і R2 порівняно високого опору працювати генератора впливу мало надають.
В одному із крайніх положень движка резистора на виході генератора (висновок 4) формуються короткі імпульси напруги, що відкривають транзисторний ключ (рис. 2, а). При цьому лампа підключається до батареї на короткий час, яскравість її свічення мінімальна.
У середньому положенні двигуна резистора тривалість часу, доки лампа підключена до батареї, дорівнює тривалості паузи (рис. 2,б). У результаті лампі виділяється потужність, рівна приблизно половині максимальної, тобто. лампа буде горіти вповні.
В іншому крайньому положенні двигуна більшу частину часу лампа залишається підключеною до батареї і відключається тільки на короткий час (рис. 2, в). Тому лампа світитиме практично з максимальною яскравістю.
На транзисторному ключі у відкритому стані падіння напруги становить приблизно 0,2, що свідчить про досить високий ККД такого регулятора.
У режимі світлового маяка контакти вимикача SA1 розімкнені, і зарядка конденсатора С1 здійснюється в основному через резистор R2 і VD1 діод, а розрядка - через резистор R1. У такому режимі лампа підключається до батареї на кілька десятих частин секунди з інтервалом у кілька секунд.
Вимикач SA2 – власний вимикач ліхтаря, конденсатор С2 виконує роль буферного накопичувача енергії, що полегшує режим роботи батареї GB1.
Випробування регулятора показали, що він нормально працює при зниженні напруги до 2,2...2,1 В, тому його можна використовувати у ліхтарях навіть з батареями з двох гальванічних елементів. Для вказаного на схемі транзистора лампа розжарювання може бути струмом до 400 мА.
У пристрої допустимо використовувати таймер КР1006ВІ1, діоди КД103А, КД103Б, КД104А, КД522Б, а також транзистор, спеціально призначений для роботи в ключових або імпульсних схемах- з напругою кол лектор - емітер в режимі насичення 0,2...0,3 В, максимальним струмом колектора не менше струму, що споживається лампою розжарювання, та коефіцієнтом передачі струму не менше 40. Для лампи розжарювання зі струмом до 300 мА підійдуть, крім зазначеного на схемі, транзистори КТ630А – КТ630Е, КТ815А – КТ815Г, КТ817А – КТ817Г. Оксидні конденсатори бажано використовувати малогабаритні, наприклад, серій К52, К53, К50 - 16, змінний резистор - СПЗ - 3 з вимикачем, постійні - МЛТ, С2 - 33. Резистор R3 можна застосувати з великим у кілька разів номіналом, наприклад 10, , 33, 47 ком, але при цьому доведеться пропорційно зменшити ємність конденсатора С1, щоб частота генератора практично залишилася колишньою.
Конструктивно регулятор простіше встановити у ліхтар із так званим "квадратним" корпусом, призначений для використання батарей 3336, "Рубін" та їх зарубіжних аналогів, а також - у "круглий", ліхтар із розбірними половинами пластмасового корпусу. У цьому випадку спочатку на корпусі зміцнюють резистор R3, а потім розміщують інші деталі. Причому в будь-якому варіанті їх зручніше встановлювати методом навісного монтажу: діоди та резистори R1, R2 допустимо припаяти до висновків резистора R3 та вимикача SA1. Після монтажу та перевірки деталі треба закріпити та ізолювати, наприклад, епоксидним клеєм.
Якщо режим світлового маяка не потрібний, регулятор можна спростити, виключивши елементи R1, R2, VD1 і застосувавши резистор R3 без вимикача SA1.
Налагодження пристрою зводиться до вибору резисторів R1, R2, R5. У режимі маяка підбором резистора R1 встановлюють тривалість паузи між спалахами, а резистора R2 - тривалість спалаху. Номінал резистора R5 залежить від типу та параметрів транзистора, а також напруги джерела живлення. Щоб його підібрати, треба подати напругу живлення приблизно рази в два менше максимального або мінімальне, при якому регулятор працює стійко. Після цього резистор R3 встановлюють положення максимальної яскравості і до висновків колектора і емітера транзистора підключають вольтметр. Між базою транзистора та виведенням 4 мікросхеми тимчасово встановлюють ланцюжок із послідовно включених постійного резистора опором 30 Ом та змінного - на 2,2 кОм. Змінюючи опір змінного резистора від максимального до мінімального, контролюють напругу колектора транзистора. Відзначають положення двигуна, при якому подальше зменшення опору резистора не призводить до помітного зменшення напруги колектора. Після цього вимірюють загальний опір ланцюжка, що вийшов, і встановлюють постійний резистор такого ж номіналу.
Щоб регулятор міг працювати з потужними лампами розжарювання, що споживають струм 1 А і більше при напрузі живлення до 10...15 В, досить застосувати як VT1 потужний складовий транзистор з коефіцієнтом передачі струму кілька сотень (з малогабаритних підійдуть КТ829А - КТ829Г КТ973А, КТ973А ). Необхідно лише, щоб напруга живлення не перевищила максимально допустиму для мікросхеми. Доведеться, звичайно, використовувати оксидні конденсатори з відповідною номінальною напругою.
Схему такого регулятора наведено на рис. 80,а. На елементах DD1.1, DD1.2 зібрано генератор прямокутних імпульсів із частотою прямування 100… 200 Гц. Резистором R1 регулюють шпаруватість імпульсів приблизно від 1,05 до 20. Імпульси генератора надходять на узгоджувальний каскад, зібраний на елементах DD1.3, DD1.4, а з його виходу - на електронний ключ VT1, колекторного ланцюга якого включена лампа розжарювання ELI.
Вмикання електронного регулятора здійснюється вимикачем SA1, поєднаним із резистором R1. Вимикачем SA2 самого ліхтаря можна подавати напругу батареї GB1 безпосередньо на лампу розжарювання, минаючи регулятор.
Монтажну плату регулятора (рис. 81) закріплюють на бічній стінці ліхтаря поруч із відбивачем. Під ручку змінного резистора в задній стінці ліхтаря пропилено прямокутний отвір. Конденсатор G2 розміщують у будь-якому вільному місцібажано ближче до друкованої плати.
Рис. 80. Схема регулятора яскравості ліхтаря (а) та варіант його вихідного каскаду (б)
Регулятор розрахований на спільну роботуз лампою розжарювання, що споживає струм трохи більше 160 мА. Для лампи, що споживає струм до 400 мА, електронний ключ регулятора доповнюють другим транзистором, як показано на рис. 80,6.
Схема іншого варіанта регулятора яскравості кишенькового ліхтаря ( схема сенсорного світильника) наведено на рис. 82. У ньому функцію регулюючого елемента виконує двоконтактний сенсорний елемент, який розміщують на корпусі ліхтаря. На елементах DD1.1, DD1.2 зібраний генератор, що виробляє прямокутні коливання зі шпаруватістю приблизно 1,05, це означає, що майже постійно на виході елемента DD1.2 буде напруга високого рівня, і тільки дуже короткі проміжки часу напруга низького рівня. Ці імпульси через конденсатор С2 надходять сенсорний елемент El, Е2, вхід елемента DD1.3. Якщо опір між контактами сенсорного елемента велике, то вході елемента DD1.3 будуть імпульси, аналогічні вихідним генератора.
Рис. 81. Друкована плата(а) та розміщення елементів регулятора яскравості ліхтаря (б)
Рис. 82. Схема сенсорного регулятора яскравості ліхтаря
Рис. 83. Монтажна плата (б) та конструкція сенсорного елемента
Тому більшу частину часу на виході елемента DD1.3 буде напруга низького рівня, тобто транзистори більшу частину часу закриті і лампа розжарювання ELI не світиться. Якщо тепер торкнутися сенсорного елемента, то опір між його контактами зменшиться і конденсатор 2 почне заряджатися через цей опір. Чим менше опір, тим швидше здійснюється заряд і тим більший інтервал часу на вході елемента DDil.3 буде напруга низького рівня, а на його виході, навпаки, високого, тобто тим довше будуть відкриті транзистори VT1, VT2, а значить, більше яскравість лампи розжарювання. Притискаючи пальцем контакти сенсорного елемента, можна змінювати опори з-поміж них, т. е. регулювати яскравість свічення лампи ліхтаря.
Література: І. А. Нечаєв, Масова Радіо Бібліотека (МРБ), Випуск 1172, 1992 рік.
Схема:
На відміну від світлодіодного ліхтаря з регульованою яскравістю, де нижня межа напруги живлення дорівнює 1,9...2, живлення мікросхеми - генератора з регульованою шпаруватістю (К561ЛЕ5 або 564ЛЕ5), яка керує електронним ключем, в запропонованому пристрої (рис. 1) здійснюється від перетворювача напруги, що підвищує, що дозволяє живити ліхтар від одного гальванічного елемента 1,5 В. Перетворювач виконаний на транзисторах VT1, VT2 за схемою трансформаторного автогенератора з позитивною зворотним зв'язкомза струмом.
Схема генератора з регульованою шпаруватістю на згаданій вище мікросхемі К561ЛЕ5 трохи змінена з метою покращення лінійності регулювання струму. Мінімальний споживаний струм ліхтаря з шістьма паралельно включеними суперяскравими світлодіодами L-53MWC фірми Kingbright білого світіння дорівнює 2...3 мА. Залежність споживаного струму від числа світлодіодів – прямо пропорційна.
Режим "Маяк", коли світлодіоди з невисокою частотою яскраво спалахують і потім гаснуть, реалізується при встановленні регулятора яскравості на максимум та повторному включенні ліхтаря. Бажану частоту світлових спалахів можна отримати підбором конденсатора СЗ.
Оскільки номінальна напруга джерела живлення 1,5, а не 3, в пристрої застосовні не тільки суперяскраві, але і інші світлодіоди, залежно від призначення ліхтаря. Ті, які добре світять при напрузі 1,5 В, наприклад АЛ307АМ, АЛ307БМ (червоного світіння), на відміну від світлодіодів АЛ307ВМ, АЛ307ГМ (зеленого світіння), необхідно включати послідовно по 2 шт. Працездатність ліхтаря зберігається при зниженні напруги до 1,1, хоча при цьому значно зменшується яскравість.
Як електронний ключ застосований польовий транзистор з ізольованим затвором КП501А (КР1014КТ1В). По ланцюгу управління він добре узгоджується з мікросхемою К561ЛЕ5. Транзистор КП501А має такі граничні параметри:
напруга сток-витік - 240 В;
напруга затвор-витік - 20 В;
струм стоку – 0,18 А;
потужність – 0,5 Вт.
Допустимо паралельне включення транзисторів, бажано з однієї партії Можлива заміна- КП504 з будь-яким буквеним індексом. Для польових транзисторів IRF540 напруга живлення мікросхеми DD1, що виробляється перетворювачем, має бути підвищено до 10 Ст.
У ліхтарі з шістьма паралельно включеними світлодіодами L-53MWC споживаний струм приблизно дорівнює 120 мА, при підключенні паралельно VT3 другого транзистора - 140 мА.
Трансформатор Т1 намотаний на феритовому кільці 2000НМ К10х6х4,5. Обмотки намотані в два дроти, причому кінець першої обмотки з'єднують з початком другої напівобмотки. Первинна обмотка містить 2x10 витків, вторинна – 2x20 витків. Діаметр дроту – 0,37 мм, марка – ПЕВ-2. Дросель намотаний на такому ж магнітопроводі без зазору тим самим проводом в один шар, число витків - 38. Індуктивність дроселя - 860 мкГн. Перед намотуванням гострі кромки феритових кілецьслід притупити, обмотки додатково ізолювати тонкою стрічкою. Не слід використовувати дросель із незамкненим магнітопроводом - збільшиться споживаний струм. Кнопку SB1 бажано встановити з фіксацією, інші деталі такі ж, як у будь-яких відмінностей не мають.
При налагодженні, якщо перетворювач не запускається, слід поміняти місцями крайні висновки первинної чи вторинної обмотки Т1 трансформатора. Допустима напруга база-емітер транзисторів VT1, VT2 повинна перевищувати вихідну напругу перетворювача. У нашому випадку підходить більшість малопотужних низькочастотних транзисторів. р-п-р структури. Для стабілізації струму живлення мікросхеми DD1, коли DD1 - К176ЛЕ5 або 164ЛЕ5, можна встановити ланцюг живлення мікросхеми (показано на рис. 1 хрестиком) стабілізатор струму. Стабілізатор струму можна виконати за схемою рис. 2,а на польовому транзисторіКП103Е1 з р-каналом та низькою напругою відсічення. На рис. 2,6 наведено аналогічний варіант з польовим п-канальним транзистором КП364В. Зі стабілізатором струму навантаження перетворювач напруги не переходить у низькочастотний автоколивальний режим - "Маяк". Режим "Маяк" можна також виключити, зменшивши номінал резистора R1 до 10 кОм, що збільшить мінімальний споживаний струм.
Мікросхему К561ЛЕ5 (імпортний аналог CD4001B) можна замінити на К561ЛА7 (CD4011B). Друкована плата не розроблялася.
ЛІТЕРАТУРА
1. Нечаєв І. Світлодіодний ліхтар із регульованою яскравістю. – Радіо, 2005, № 2, с. 51. 52.
2. Кавієв А. Імпульсний БП з акустичним вимикачемдля мультиметра. – Радіо, 2005, № 6, с. 23.
