V článku je popsáno zapojení měniče, který umožňuje napájet bílou LED s příkonem 1 W z jediného článku akumulátoru NiMH nebo NiCd. To umožňuje sestavit skutečně výkonnou minisvítilnu.
In flash-lamp used powerful DC/DC converter with MAXIM IC supplied high efficiency 1 W LED Luxeon Star from one NiCD or NiMH cell.
Každý, kdo se někdy zabýval konstrukcí měničů napájených malým napětím zjistil, že to není snadný úkol. Při zmenšujícím se napájecím napětí se prudce zmenšuje přenesený výkon a účinnost. Samokmitající měniče nedodají dostatečný výkon, řízené měniče jsou pro daný účel neúměrně složité. Zapojení měniče se velmi zjednoduší při použití speciálních obvodů. Pro popisovanou svítilnu jsme s kolegou vybrali obvod firmy MAXIM, typ MAX1709, který umožňuje realizovat měnič s výkonem, převyšujícím potřeby popsané svítilny.
| Doba svitu: (podle kapacity akumulátoru) Lighting time (depend on accumulator capacity) |
1 ... 2 h |
| Napájecí napětí: Supply voltage: |
0,8 ... 2,5 V |
| Napájecí proud: Supply current: |
asi / approx. 1,2 A při / at 1,25 V |
| Účinnost měniče: Efficiency DC/DC converter: |
asi / approx. 75 % při / at 1,25 V |
| Výstupní napětí (na LED): Output voltage (on LED): |
3,3 ... 3,5 V |
Obvod MAX1709 je určen do přenosných zařízení pro zvyšující měniče. Podle velikosti vstupního a výstupního napětí je schopen dodat proud až 4 A. Obvod v sobě združuje řídicí logiku, referenční zdroj a výkonový spínací tranzistor MOSFET s odporem sepnutého kanálu pouhých 10 miliohmů. K obvodu stačí připojit cívku, diodu, filtrační a blokovací kondenzátory, jeden rezistor a měnič je hotov.
Obr. 1. Zapojení svítilny s měničem
Figure 1. Flash-lamp circuit with DC/DC
converter. Manufacturer recomended value R1=2 Ohm give too small
output voltage for LED (3.3 V). Higger resistivity R1 increase
output voltage approx. 108 mV with 27 Ohm (max. 47 Ohm)
Zapojení měniče pro svítilnu je na obr. 1. Obvod měniče je i ve vypnutém stavu napájen z baterie přes diodu D1 a R1 do vývodu OUT (9). Po zapnutí je obvod řízen pomocným oscilátorem. Teprve zvětší-li se napájecí napětí nad 2,15 V, přejde obvod do normálního režimu. Výstupní napětí je řízeno smyčkou zpětné vazby. Napětí z odporového děliče se porovnává s referenčním napětím 1,24 V a podle odchylky napětí se řídí doba sepnutí výkonového tranzistoru. Výstupní napětí lze nastavit dvojím způsobem. Je-li vstup FB (10) uzemněn, použije se vnitřní dělič obvodu. Ten je pevně nastaven pro výstupní napětí 3,3 nebo 5 V podle úrovně na vývodu 14. Libovolně lze výstupní napětí nastavit v rozsahu 2,5 až 5,5 V externím děličem. Ve zde popsaném měniči je pevně nastaveno výstupní napětí 3,3 V.
Měnič není vhodné zapínat běžným způsobem připojením napájecího napětí. Odběr proudu je totiž již tak velký, že bychom museli použít robustní spínač. Přitom by každý přechodový odpor výrazně zhoršil účinnost. K zapnutí obvodu lze použít vývody ONA (1) a ONB (16). Je-li ONA v úrovni L a ONB v úrovni H, je obvod v režimu Stand-by a měnič je vypnut. Ve všech ostatních kombinacích je zapnut. Klidový proud jsem naměřil asi 30 µA. Při tomto proudu by se akumulátor vybíjel několik let, jeho vlastní samovybíjení je zpravidla větší.
Měnič napájí bílou LED Luxeon Star s příkonem až 1 W. Napájecí napětí LED se velmi blíží výstupnímu napětí měniče. Napájet LED ze zdroje napětí není zrovna ideální. LED se při provozu dosti zahřívá. Po zahřátí se zmenší prahové napětí LED a napájecí proud se zvětší. Tento jev je částečně omezen zapojením rezistorů R2 až R4 do série s LED. Bohužel napětí LED (při jmenovitém proudu) se mění i podle výrobce a výrobní série, zpravidla však bývá v rozsahu 3,3 až 3,4 V. U prvního osazeného vzorku tekl LED po zapnutí proud asi 250 mA, po zahřátí se proud zvětšil asi na 320 mA. U dalších dvou svítilen bylo napájecí napětí 3,3 V příliš malé, a proud LED po zapnutí byl jen 150 a 180 mA. Výstupní napětí měniče bylo třeba nepatrně zvětšit. To by bylo možné zařídit použitím externího děliče. Naštěstí existuje jednodušší způsob. Napětí pro řízení obvodu se snímá na vývodu OUT (9). Stačilo proto zvětšit odpor rezistoru R1, přes který je obvod napájen na 27, resp. 39 ohmů. Vlastní spotřeba obvodu MAX je asi 4 mA. Tento změřený údaj je o řád větší než napájecí proud udávaný v katalogovém listu. Zvětší-li se odpor R1 z 2,2 na 27 ohmů, bude úbytek napětí na R1 asi 108 mV a o tento úbytek se také zvětší výstupní napětí. Stabilita napětí se zhorší, neboť napájecí proud obvodu měniče je také částečně závislý na provozních podmínkách. V případě měniče pro LED je i pak regulace výstupního napětí vyhovující. Zapojí-li se paralelně k R1 termistor NTC s vhodným odporem (47 až 100 W), lze částečně kompenzovat teplotní závislost LED.
Proud tekoucí LED je v daných podmínkách obtížné měřit. Zapojíme-li do přívodu k LED měřicí přístroj, vznikne na něm úbytek napětí, který zcela zkreslí měření. Proud LED je nutné měřit jako úbytek napětí na rezistorech R2 až R4. Při proudu 333 mA je na rezistorech úbytek napětí 100 mV. Číselný údaj v milivoltech proto přibližně odpovídá v procentech vyjádřenému maximálnímu příkonu. Maximální trvalý proud LED je 350 mA.
Obr. 2. Deska s plošnými spoji svítilny 81 x 25 mm. Kliknutím
získáte obrázek v rozlišení 600 dpi (17 kB)
Figure 2. Flash-lamp layout 3.2 x 1 inch.
Click to get 600 dpi resolution image (17 kB)
Obr. 3. Rozmístění součástek převodníku
Figure 3. Locations of components on board
Měnič pro svítilnu je postaven na desce s plošnými spoji podle obr. 2 a 3. Topologie desky je dosti kritická. Budete-li si navrhovat pro tento obvod vlastní desku, dbejte na to, aby přívody od cívky, diody a filtračních kondenzátorů k obvodu byly co nejkratší. Většina součástek je SMD a jsou připájeny ze strany spojů. Z druhé strany desky je spínač, LED, nabíjecí konektor a akumulátor. Pro minimalizaci úbytků napětí na přívodech je vhodné použít akumulátor s páskovými vývody, které se připájejí přímo k desce. Pro nabíjení akumulátoru je použita běžná nabíječka, ke které je po dobu nabíjení svítilna připojena kabelem.
Na použité součástky jsou kladeny velké nároky. Filtrační kondenzátory by měly mít velmi malý sériový odpor (ESR), cívka musí mít saturační proud nejméně 1,5 A. Diodu se mi nepodařilo sehnat ve vhodné velikosti SMD, nakonec jsem použil běžnou 1N5822 připájenou ze strany spojů. LED byla u postaveného vzorku přišroubována k desce. Při jiném umístění můžete desku zkrátit. LED se při provozu dosti zahřívá, je proto vhodné při dlouhodobém provozu ji připevnit ke kusu plechu nebo kovovému krytu svítilny, který bude sloužit i jako chladič.
Desku osadíme součástkami až na rezistor R1. Místo něho provizorně zapojíme odporový trimr s odporem 100 ohmů. Běžec natočíme tak, aby trimr měl téměř minimální odpor. Před připojením napájecího napětí desku ještě jednou důkladně zkontrolujte.
Pro oživení je vhodný napájecí zdroj regulovatelný od 0 V s nastavitelným omezením výstupního proudu. Součástí napájecího zdroje by měl být ampérmetr zapojený ještě před regulační smyčkou zdroje. Na přívodních šňůrách k běžnému multimetru jsem totiž naměřil při proudu 2 A úbytek asi 0,5 V. Nastavte napětí 1,25 V a omezení proudu na 50 až 100 mA. Je-li vše v pořádku, bude po zapnutí svítilna blikat nebo slabě svítit. Vypněte svítilnu spínačem na svítilně a omezení proudu na zdroji nastavte na 2 A. Zapněte svítilnu. LED by měla nyní intenzivně svítit, odběr proudu bude od 0,5 do 1,5 A. Změřte napětí na R2 (R3, R4). Trimrem zapojeným místo R1 nastavte na R2 napětí 80 až 90 mV. To odpovídá proudu 270 až 300 mA. Svítilnu odpojte od zdroje, odpojte trimr a změřte jeho odpor. Na místo R1 pak zapojte rezistor s odporem přibližně odpovídajícím změřenému odporu trimru. Odpor rezistoru R1 nedoporučuji příliš zvětšovat. Nestačí-li zvětšit jeho odpor na 39 ohmů, můžete zvětšit napětí na LED zkratováním rezistorů R2 až R4. Nemáte-li vhodný napájecí zdroj, použijte v první fázi oživování téměř vybitý běžný článek, v druhé fázi nabitý akumulátor NiCd nebo NiMH.
| R1 | 2,2 až 39 ohm, viz text |
SMD 0805 |
| R2, R3, R4 | 1 ohm | SMD 1206 |
| C1 až C4 | 100 µF | tantalový SMD |
| C5 | 100 nF | SMD 1206 |
| C6 | 220 nF | SMD 1206 |
| C7, C8 | 100 nF | SMD 0805 |
| L1 | 2,2 µH, 1,5 A | SMD |
| D1 | 1N5822 | |
| LED | LXHL-NW98 | Luxeon Star |
| IC1 | MAX1709 | |
| Sw1 | přepínač „TURBO“ z PC | |
| J1 | konektor 3,4 x 1,3 mm nebo 3,8 x 1 mm |
Kde co seženete
Obr. 4, 5 a 6. Fotografie osazené desky svítilny a kabel pro
nabíjení akumulátoru
Figure 4, 5 nd 6. Prototype view
Obr. 7. Kabel pro nabíjení akumulátoru ve svítilně
Figure 7. Accu charging cable
Jaroslav Belza
Svítilna byla otištěna v Praktické elektronice č. 3/04 na s. 21.
29. 3. 2004