Předložené zapojení je velmi jednoduché. Vzhledem k většímu odběru jsem upustil od použití měniče a svítilnu navrhl pro napájení třemi akumulátory NiCd nebo NiMH. Protože rozdíl napětí mezi baterií a LED je velmi malý, má toto uspořádání paradoxně větší účinnost než při použití měniče. Bude-li napětí baterie 3,9 V (akumulátor vybitý asi z 10 %) a napětí na LED 3,5 V, je elektrická energie využita z 90 %, kdežto účinnost měniče z PE 2/2000 je v nejlepším případě 80 %. Zbývá tedy zvolit, jakým způsobem řídit proud tekoucí LED. Původně jsem chtěl stabilizovat proud obvodem, který by snímal proud LED na malém sériově vřazeném rezistoru a podle odchylky od referenčního napětí by otevíral či přivíral tranzistor MOSFET. Od tohoto záměru jsem nakonec ustoupil, neboť tento poměrně složitý obvod by přinesl jen malé zlepšení oproti jednoduchému obvodu s tranzistorem, který jsem nakonec použil.
Obr. 1. Závislost proudu protékajícího osmi bílými LED v
závislosti na napájecím napětí a způsobu omezení proudu
Figure 1. 8 paralel LEDs supply current vs.
voltage without serial resistor, with serial resistor 2.7 Ohm and
transistor circuit (fig. 2)
Na obr. 1 je proud tekoucí osmi bílými LED v závislosti na napájecím napětí. První křivka ukazuje proud LED v závislosti na napětí bez jakéhokoli omezení proudu. Je to vlastně voltampérová charakteristika LED. Z obrázku je zřejmé, že koleno charakteristiky není nijak ostré. Dioda opravdu začíná svítit už při napětí asi 2,8 V. V druhém případě je proud omezen rezistorem s odporem 2,7 ohmů a ve třetím tranzistorem s rezistorem do báze - viz obr. 2. Ve všech případech je při malém napájecím napětí svit LED prakticky shodný. U zapojení s tranzistorem je v rozsahu napájecích napětí 3,6 až 4,2 V změna proudu menší než 20 %, což je zcela dostačující. Ve skutečnosti se napětí akumulátoru při vybíjení mění velmi málo - po většinu času je napětí vybíjeného článku v rozmezí 1,2 až 1,3 V. Větší je jen pouze těsně po nabití a menší, až když je akumulátor téměř vybit.
Obr. 2. Omezovač proudu s tranzistorem
Figure 2. Transistor current limiter
Zapojení omezovače proudu s tranzistorem (obr. 2) bylo již několikrát popsáno. Pro úplnost zopakuji, že proud procházející kolektorem tranzistoru určuje proud do báze a proudové zesílení tranzistoru. Potřebujeme-li např. proud LED 20 mA a tranzistor bude mít proudový zesilovací činitel 100, bude potřebný proud báze 20/100 = 0,2 mA. Na rezistoru bude napětí baterie zmenšené o úbytek na přechodu báze-emitor (asi 0,5 V). Odpor rezistoru vypočteme R = (3,6 - 0,5)/0,2 = 15,5 kOhm [kohm; V, mA]. Se změnou napájecího napětí se proud do báze mění, protože se mění napětí na rezistoru, avšak tato změna je menší, než změna proudu při použití pouhého sériového rezistoru.
K napájení svítilny lze použít akumulátor složený ze tří článků NiCd nebo NiMH, případně z jednoho článku Li-ion. Akumulátor Li-ion je choulostivější na správné zacházení a podstatně dražší. Akumulátory NiMH ve velikosti AA dnes dosahují kapacity až 1600 mAh. Při odběru 160 mA zajistí napájení svítilny po dobu 10 hodin. Do svítilny můžete použít LED o průměru 5 nebo 10 mm. Menší LED umožňují svítilnu zminiaturizovat, testované větší LED však měly mnohem lépe soustředěný světelný paprsek (menší vyzařovací úhel), což významně prodloužilo „dosvit“. Ve své svítilně jsem použil větší typ.
Obr. 3. Zapojení svítilny s LED
Figure 3. Powerful Flashlight circuit
Zapojení svítilny (obr. 3) je velmi jednoduché a její sestavení zvládne i začátečník. Proudový omezovač byl doplněn o další rezistor, který lze zkratovat spínačem S2. Pokud je rezistor R2 zkratován, svítí LED plným jasem a každou diodou protéká proud asi 20 mA. Po rozepnutí S2 se R2 zapojí do série s R1. Proud do báze tranzistoru se zmenší a tím se zmenší i proud LED. Menší jas oceníme, když se v noci potřebujeme pouze podívat na hodinky a nechceme být oslněni, menší odběr proudu zase v extrémních podmínkách, kdy bez potřeby dobíjení vydrží svítilna svítit i stovky hodin. Do zapojení je ještě doplněn konektor pro připojení k nabíječce.
Svítilnu jsem vestavěl do krabičky KP-DO1, kterou jsem zkrátil asi na 10,5 cm. Vzniklý otvor zaslepíme víčkem, které zhotovíme z odříznutého zbytku krabičky. Víčko přilepíme ke spodnímu dílu krabičky modelářským lepidlem na plastové modely (na polystyrén). Do vrchního dílu krabičky je třeba vyříznout díru nad LED. Vzhledem k velké směrovosti vyzařovaného světla stačí, aby měl rozměry odpovídající ploše, kterou zabírají LED na desce. V krabičce je třeba odstranit všechny výstupky a přepážky kromě sloupku, kterým jsou spojeny oba díly krabičky. Do krabičky se pohodlně vejdou tři články velikosti AA („tužková baterie“). Krabička je však příliš úzká, aby se do ní vešel standardní držák. Nejlepší je použít akumulátorový „pack“ s drátovými vývody. Ten buď koupíme hotový jako náhradní díl k bezšňůrovým telefonům, nebo si jej sestavíme sami.
Obr. 4. Deska s plošnými spoji svítilny. Kliknutím získáte
obrázek v rozlišení 600 dpi (27 kB)
Figure 4. Flashlight PCB layout. Click to
get 600 dpi resolution image (27 kB)
Obr. 5. Rozmístění součástek na desce
Figure 5. Locations of components on the
board. Don't use J2 and J3 with standard battery used
Většina součástek je na desce s plošnými spoji podle obr. 4 a 5. Mimo desku je pouze spínač S2, který umístíme podle potřeby nebo ho vypustíme a R2 nahradíme propojkou. Do desky vypilujeme výřez pro S1. LED jsou připájeny nadoraz k desce. Pájecí plošky je vhodné nejdříve pocínovat, abychom dobu pájení LED zkrátili na nezbytně nutné minimum. Místo R1 zapojíme provizorně odporový trimr s odporem 5 kOhm (pro 8 LED), nejlépe ještě v sérii s rezistorem 1 kOhm. Deska je navrhnuta tak, že zručnější kutilové na ni mohou přinýtovat kontakty pro běžné články. Pak se však na desku nevejde konektor pro nabíjení. Propojky J2 a J3 nezapojujeme! Spínač S1 je v krabičce proti palci levé ruky. Pokud by to nevyhovovalo, lze desku vyrobit a osadit zrcadlově převrácenou.
Oživení svítilny spočívá ve zjištění odporu rezistoru R1. Ten je třeba volit individuálně podle zesilovacího činitele tranzistoru. Dočasně zapojený trimr nastavíme do středu odporové dráhy a připojíme napájecí napětí. K oživení je nejlepší použít regulovaný zdroj, jehož napětí pomalu zvětšujeme od 0 do 3,6 až 3,9 V. Maximální proud jedné LED je krátkodobě 30 mA a napájecí proud svítilny by podle počtu LED měl být nejvýše násobkem této hodnoty. Pro 8 LED nastavíme trimrem proud 160 mA (8x 20 mA). Trimr vypájíme, změříme jeho odpor a nahradíme rezistorem s odporem nejbližším z řady. Podle požadovaného (menšího) jasu zvolíme odpor rezistoru R2. Osvědčil se mi R2 s asi 20x větším odporem než R1.
Nic nebrání jinému provedení svítilny. Zapojení můžete použít pro svítilnu ke kolu nebo čelovku.
Rukama mi prošlo již několik desítek LED od různých výrobců z různých výrobních sériích. Ukázalo se, že se LED liší nejen barvou (podle použitého luminoforu a jeho množství) ale také napětím LED. Při jmenovitém proudu 20 mA bylo napětí některých LED jen 3,15 V, u jiných až 3,65 V. Zapojujete-li proto více LED paralelně, je vhodné je vybrat tak, aby měly obdobné napětí při stejném proudu nebo alespoň použít LED z jedné výrobní série.
| LED1 až LED8 | SUW11010 (OSHINO LAMPS) prodává firma AC-DC Audio |
| T1 | BC639 |
| R1 | 1,8 kOhm, viz text |
| R2 | 33 kOhm, viz text |
| S1 (S2) | P-B143 |
| K1 | SCJ-0253A |
| akumulátor NiCd (NiMH) 3,6 V | |
| krabička KP-DO1 | |
| deska s plošnými spoji | bcs28 |
Obr. 6. Vnitřní pohled / Figure 6. Inside
view
Obr. 7. Opravdu to svítí / Figure 7.
Really shinning
Jaroslav Belza
Svítilna byla otištěna v časopisu Praktická elektronika 5/2002 na s. 14
13. 5. 2002
4. 12. 2002 upd.