Регулируемый светодиодный фонарик с синхронным выпрямителем

Вариант компактного светодиодного фонаря. От аналогичных проектов он отличается высокой эффективностью, возможностью регулирования яркости свечения в широких пределах и использованием широко распространённых и недорогих компонентов без специализированных силовых микросхем. Силовая часть выполнена по понижающей схеме с синхронным выпрямлением, присутствует токовая обратная связь с опорным напряжением всего 0,1 В. Малое (меньше, чем у таких микросхем, как MC33063 и LM2575) собственное потребление тока обеспечивает высокий КПД даже при малых выходных токах. Электронное управление питанием позволяет исключить подверженный отказам силовой механический выключатель.

 Рассмотрим функционирование схемы, поделив её на отдельные блоки. Из них первые 6 находятся на плате управления, последние 3 на силовой плате:

1. RS-триггер управления питанием;
2. Коммутатор токоизмерительных резисторов;
3. Источник опорного напряжения;
4. Пропорционально-интегрирующий регулятор тока;
5. Генератор периодически изменяющегося напряжения;
6. Компараторы напряжений регуляторов и генератора;
7. Управляющий конечный автомат;
8. Цепи формирования dead time;
9. Силовые транзисторы, их драйверы и сглаживающий LC-фильтр.

Триггер управления питанием

 Ко входу RS-триггера управления питанием подключены кнопки включения и выключения. К выходу, активному, когда фонарик включен, подключены потребляющие энергию постоянно аналоговые схемы: ОУ, ИОН, компараторы и используемый генератором делитель напряжения. Когда фонарик выключен, питание с них снимается, и энергию они не потребляют. Под напряжением остаются только цифровые КМОП-микросхемы, не потребляющие ток в статическом режиме. К питанию аналоговых элементов подключены сглаживающие конденсаторы, из-за которых триггер управления питанием принимает выключенное состояние, когда схема в процессе сборки подключается к аккумулятору. Высота тактовых кнопок — 8—10 мм.

Измеритель тока

 Все токоизмерительные резисторы соединены последовательно. Для задания их сопротивления применены ключи на n-канальных полевых транзисторах. Ключи управляются десятичным счётчиком CD4017. Старшие его выходы в схеме не используются, ко младшим подключены затворы транзисторов. Резисторы в их цепях не требуются, так как переключения происходят нечасто. При увеличении значения счётчика транзисторы «отрезают» всё больше резисторов, сопротивление уменьшается, а ток при одинаковом стабилизируемом на них схемой регулирования напряжении увеличивается. Выход счётчика после последнего неиспользуемого транзистора подключен ко входу сброса, чтобы, когда счёт закончится, начать его сначала. Силовые транзисторы в регуляторе тока можно использовать любые n-канальные, способные пропустить достаточный ток. Токоизмерительные резисторы применены мощностью в 1 Вт из-за того, что резисторы малой мощности с требуемым низким сопротивлением встречаются редко.

 Ко входу счётчика через гасящую дребезг RC-цепь подключен микропереключатель, вроде применяемых в компьютерных мышах. Его контакт подключен ко входу RC-цепи, нормально замкнутый вывод заземлён, нормально разомкнутый подключен к аналоговому питанию, управляемому триггером, описанным в первом пункте. Поэтому, когда фонарик выключен, нажатия на кнопку изменения яркости не изменяют состояние счётчика. При следующем включении яркость будет всегда такая же, какая была при предыдущем. Конденсатор RC-цепи гашения дребезга должен иметь минимально возможный размер.

Источник опорного напряжения

 Источник опорного напряжения собран на микросхеме LM385, не важно, с фиксированным напряжением 1,25 В или же с регулируемым напряжением. Её выходное напряжение 1,25 В делится до 0,1 В. Катод источника подключен не к земле, а к стоку последнего из транзисторов (на схеме этот узел назван COMP), что повышает точность измерения тока, вычитая напряжение на канале открытого транзистора и на обратном проводе. Для задания начального значения на интеграторе (без него схема может заклинить в состоянии, когда выходные транзисторы безусловно закрыты или открыты) установлены конденсаторы C11 и C12.

Пропорционально-интегрирующий регулятор тока

 ПИ-регулятор тока собран на ОУ LM321. Можно установить любой другой в корпусе SOT-23-5 с совпадающей распиновкой и напряжением питания, например MCP6001U (литера U обязательна: распиновка у вариантов без неё не совпадает!). Интегрирование осуществляется не относительно нуля, а относительно опорного напряжения, что позволяет использовать всего один ОУ.

Генератор периодически изменяющегося напряжения

 Генератор периодически изменяющегося напряжения собран на базе прецизионного инвертирующего триггера Шмитта с обратной связью через RC-цепь. Пороги срабатывания триггера выбраны как ¼ и ½ напряжения питания из-за того, что устройство должно работать при снижении напряжения питания до 3 В. Входы компаратора LM339 выполнены на PNP-транзисторах Дарлингтона, поэтому входные напряжения должны быть меньше, чем напряжение питания минус 1,5 В. Если с помощью одинаковых резисторов выбрать пороги срабатывания как ⅓ и ⅔ напряжения питания, это условие выполняться не будет.

Компараторы напряжений регуляторов и генератора

 Напряжения, формируемые генератором и регулятором, поступают на компараторы. Их входы подключены инверсно — когда выход одного компаратора заземлён, выход другого — нет. Конечно, можно было бы обойтись и одним компаратором с подтягивающим резистором, но, во-первых, для достижения высоких скоростей переключения требуется резистор с малым сопротивлением, через который, когда выходной ключ компаратора открыт, будет с расходом энергии протекать большой ток. В следующем абзаце описано, каким образом протекание этого тока исключается вовсе. Во-вторых, выходной ключ компаратора быстрее открывается, чем закрывается, что может негативно повлиять на работу схемы, особенно если скважность формируемого сигнала слишком мала или велика.

Управляющий конечный автомат

 Выходы компараторов подключены к конечному автомату. Данная схема состоит из двух RS-триггеров, хранящих текущее и старое состояния выхода и устанавливает свой выход STATE в высокий уровень при спаде на входе A и в низкий при спаде на входе B. При этом, когда на обоих её входах установился низкий уровень, схема продолжает выдавать правильное состояние. Следующее переключение станет возможно только тогда, когда на входе, противоположном тому, низкий уровень на котором перевёл схему в текущее состояние, появится высокий уровень. Когда схема находится в стабильном состоянии, через подтягивающие резисторы ток не протекает: у резистора, ключ чьего компаратора открыт, с другой стороны будет низкий уровень с выхода триггера. Так как с обеих сторон резистора низкий уровень, напряжение на резисторе равно нулю, и ток через него не протекает. Через резистор, выходной ключ чьего компаратора закрыт, ток по этой причине протекать также не будет. Получается вот такой граф переходов.

 Проанализируем один цикл работы конечного автомата с помощью circuitjs. В начале, STATE=1, вход A заземлён, вход B нет, на входе B установился высокий уровень: его входная ёмкость зарядилась. Триггер на 2ИЛИ-НЕ блокирует переход в STATE=1, в котором уже находится конечный автомат.

 Вход B заземлили. Триггер переключился, STATE=0. Триггер на 2ИЛИ-НЕ продолжает блокировать переход в STATE=1.

 Вход A больше не заземлён. На нём установился высокий уровень. Триггер на 2ИЛИ-НЕ переключился и теперь блокирует переход в STATE=0, в котором уже находится конечный автомат.

 Вход A снова заземлили. Триггер возвращается в STATE=1. Триггер на 2ИЛИ-НЕ блокирует переход в STATE=0. После того, как будет отпущено заземление входа B, конечный автомат перейдёт в начало цикла.

Цепи формирования dead time

 Для формирования dead time: закрытия уже открытых ключей перед открытием ключей, которые сейчас закрыты, применена RC-цепь с шунтирующим диодом и инвертором на элементе 2И-НЕ и двухтактном усилителе тока по схеме с общим коллектором. На второй вход элемента подано аналоговое питание от триггера управления питанием. Когда схема выключена, на выходах устанавливается высокий уровень, которым закрывается p-канальный транзистор и открывается n-канальный. Таким образом, нагрузка отключается от питания и соединяется с землёй.

Силовые транзисторы, их драйверы и сглаживающий LC-фильтр

 Силовая часть стандартна для таких схем и состоит из дросселя, двух полевых транзисторов и сглаживающего конденсатора. Из-за того, что полевые транзисторы управляются повторителем на биполярных, их пороговое напряжение не должно быть больше 0,6 В. Силовой дроссель — стандартный китайский на 3 А 470 мкГн, кладётся на бок и приклеивается к плате на цианакрилатный клей с содой.

Сборка готового устройства

 Электроника собрана на двух платах, расположенных в пластиковом корпусе размером 100×60×25 мм. В том же корпусе располагается светодиод с радиатором и аккумулятор. В корпусе потребуется спилить одну из стоек (на её месте будет разъём для зарядки) и проделать несколько отверстий: 4 крепёжных для плат, 1 для линзы светодиода, 4 крепёжных для радиатора светодиода, 2 круглых и 1 прямоугольное для кнопок, ещё одно прямоугольное отверстие для разъёма для зарядки аккумулятора. Платы крепятся с помощью 4-х винтов М3 длиной 16 мм, отверстия для них сверлятся по приложенной в качестве шаблона плате управления до установки на неё компонентов. По этой же плате сверлятся отверстия для штоков кнопок включения и выключения. На её маске для травления проделаны бортики для её позиционирования внутри корпуса. После сверления отверстий их нужно сточить об наждачку. Крепёжные отверстия для радиатора светодиода сверлятся аналогично, но по радиатору. Отверстие для кнопки смены режима проделывается напильниками по плате с уже установленной кнопкой. На винты крепления плат накручиваются стойки высотой 5 мм. Светодиод обычный китайский мощностью 3 Вт, аккумулятор — литий-полимерный толщиной не более 4 мм, шириной не более 50 мм и длиной не более 60 мм. Лично я использовал аккумулятор размерами 4×50×55 мм и ёмкостью 2000 мА*ч, его размеры оптимальны, а ёмкость достаточна. Для управления используются 3 кнопки: включения, выключения и изменения яркости. Все конденсаторы для монтажа в отверстия должны быть положены на бок для уменьшения высоты плат. Из-за того, что платы односторонние, со стороны дорожек на них расположены проводные перемычки.

 Порядок сборки следующий — сначала нужно соединить проводами платы, аккумулятор, светодиод на радиаторе и разъём для зарядки.

В верхнюю стенку корпуса вкручиваются винты, на них накручиваются стойки.

 Затем вставляется плата управления. В верхней стенке корпуса должны быть проделаны отверстия для кнопок.

 После вставки платы устанавливается радиатор со светодиодом. Его нужно будет привинтить к передней стенке корпуса. На винты накручиваются ещё 4 стойки.

 Затем вставляется силовая плата дорожками к плате управления. Силовая плата фиксируется гайками.

 Внутрь корпуса вставляется аккумулятор и фиксируется крышкой.

Тестирование собранного устройства

В таблице приведены результаты замеров и вычислений параметров устройства на разных режимах яркости. Значения КПД даны как и на светодиоде (вторая справа колонка), так и на выходе преобразователя (самая правая колонка): часть энергии теряется на токоизмерительном резисторе.

Собственное потребление устройства составило 1,5 мА при напряжении на аккумуляторе в 3,6 В.

Длительность работы от одной полной зарядки в разных режимах приведена в следующей таблице.

На дальнейших рисунках показаны результаты испытаний устройства. Фотоаппарат — Canon IXUS 185, на всех фотографиях ISO 800, диафрагма f/3.2.

Фото без фонарика. Выдержка — ½ и ⅓ секунды соответственно.

Фото на режиме 1. Выдержка — ½ и ¼ секунды соответственно.

Фото на режиме 3. Выдержка — ⅓ и ⅛ секунды соответственно.

Фото на режиме 5. Выдержка — ¼ и ⅒ секунды соответственно.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Фонарик
• Литий-ионный аккумулятор
• Kicad
• DC/DC преобразователь