Светодиоды гораздо превосходят лампы накаливания по своему энергопотреблению. Они стали настолько популярны, что на рынке уже нереально найти фонарики с лампами накаливания.
Применяемые в фонарях лампочки накаливания напряжением 2,5 В, 3,5 В, 6,3 В и 8 В потребуют высокоэнергетических источников питания. В большинстве из них используются гальванические элементы типоразмером 373 (D) – диаметром 34,2 и высотой 61,5 мм. Количество элементов зависит от мощности фонаря. Зачастую это два, три, четыре и шесть элементов.
Самыми массовыми являются марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом или щелочным, их ещё называют алкалиновыми – производное от английского слова alkaline – "щелочь". Электрическая ёмкость щелочной батарейки составляет около 1700 - 3000 мА·ч . По ёмкости щелочные батарейки лидируют, по сравнению с солевыми, электроёмкость которых меньше и составляет 550 - 1100 мА·ч. К концу строка сохранности напряжения и емкость источников тока, за счет саморазряда, снижается на 15 – 30 % у солевых и на 10 % у щелочных. Заметно падает емкость марганцево-цинковых элементов и при снижении температуры. При температуре –40˚С продолжительность работы элементов составляет около 5 – 10% продолжительности работы при температуре +20˚С. Щелочные элементы имеют значительно более высокие емкостные характеристики при эксплуатации в области отрицательных температур. У солевых элементов на последних стадиях разряда и по его окончании может наблюдаться течь электролита, что приводит к повреждению изделия. Но чем выше показатели элементов питания, тем выше их стоимость. Однако, житейская практика показывает, что не всегда цена может соответствовать заявленным характеристикам и качеству [1,2].
Гальванический элемент причисляют к первичным источникам тока, преобразующих химическую энергию активных веществ непосредственно в электрическую. К сожалению, первичные источники тока допускают лишь одноразовое использование активных материалов.
Продлить их строк службы гальванических элементов можно, если вместо лампочки применить светодиод (светодиоды) – рис. 1. Для этого его необходимо впаять в цоколь Е10 от лампочки накаливания – рис. 2. Но сэкономить на гальванических элементах значительно больше позволит их замена на, так называемый, вторичный источник тока - аккумулятор. Отличительным качеством аккумуляторов является то, что их можно заряжать и разряжать много раз.
Рис. 1. Светодиод белый диаметром линзы 8 мм и высотой 7 мм, 70 мА
Рис. 2. Цоколь лампочки накаливания фонарика Е10
Цоколь лампочки состоит из гильзы – резьбового контакта, изолятора и донышка - центрального контакта. В фонариках, как правило, резьбовой контакт лампочки соединен с отрицательным полюсом источника питания, а центральный контакт - с положительным (хотя для электрической лампочки накаливания полярность не важна, она прекрасно работает и при переменном напряжении). Другое дело светодиод. Он имеет положительный вывод – анод, и отрицательный – катод (рис. 3). Поэтому монтируют его в цоколь анодом к донышку, а катодом к гильзе – рис. 4. В таком случае он будет подключен к элементам питания согласно полюсовки. Мощность светодиода и их количество подбирают в зависимости от емкости источника питания и необходимых эксплуатационных нужд (уровня яркости, длительности работы). Следует отметить, что при последовательном соединении химических источников тока их емкости не складываются.
Рис. 3. Обозначение светодиода на схеме, цоколевка
Рис. 4. Светодиодная лампочка
Рефлектор фонарика имеет форму усеченного параболоида. Для формирования равномерного светового потока необходимо, чтобы светоизлучающий элемент находился в фокусе параболоида. Для этого эксперементальным путем находят положение светодиода оносительно цоколя.
При изготовлении лампочки на трех или четырех светодиодах линзы возле вывода анода необходимо сточить натфилем. По линии вывода формируют грань с сторонами под углом 120˚ или 90˚ соответственно. Ножку анода на одном диоде оставляют. На остальных укорачивают до 5 мм. После этого их склеивают дихлорэтаном или клеем "Секунда 505". Затем аноды спаивают и изолируют полихлорвиниловой или термоусадочной трубкой. Далее анодный вывод продевают в контакт донышка цоколя и припаивают. Катодные выводы припаивают на резьбовой контакт цоколя – рис. 5.
Рис. 5. Светодиодная лампочка на трех светодиодах
Известно, что светодиод не в состоянии контролировать потребляемый ток. Вследствие этого для его нормальной работы необходимо последовательно включать ограничительный резистор. Для белого светодиода напряжение питания составляет 3,2 вольта (самый простой и оптимальный вариант – фонарик с двумя гальваническими элементами обеспечит соответствующее питание белого светодиода, без каких либо дополнительных устройств). Но по мере разряда источника питания, ток, протекающий через диод, будет уменьшаться, а соответственно и снижаться его яркость. Обойти этот негативный эффект можно, включив в схему стабилизатор напряжения, необходимого для нормальной работы светодиода, но об этом позже.
Самыми распространенными и относительно дешевыми являются аккумуляторные батареи герметизированные свинцово-кислотные. Аккумулятор подбирают исходя из размеров отсека отведенного для источника питания в корпусе фонарика. Для фонаря на шести гальванических элементах 373 можно использовать свинцово-кислотный, напряжением 6 В и емкостью 1,3 А·ч, габаритными размерами 97 х 54 х 51,5 мм – рис. 6. Полный разряд аккумуляторной батареи определяется как разряд до 1.95 – 2.03 В на банку при комнатной температуре, т.е. до 5.85 – 6,09 В для 6 В батареи. Конечное же напряжение заряда при температуре 20 С˚ равно 2.05 – 2.15 вольт на элемент батареи, 6.15 – 6.45 В для шести вольтовой батареи [3]. При разряде ниже допустимых напряжений начинается необратимое преждевременное старение батареи. Потому полезно будет дополнить схему индикатором разряда батареи.
Рис. 6. Герметизированная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея
Схема электрическая принципиальная переоборудованного фонаря представлена на рис. 7. На транзисторах VT1 – 2, резисторах R1 – 5, конденсаторе С1, светодиоде LED1 выполнен индикатор разряда батареи. Резистором R2 регулируют порог срабатывания светодиода. Величина сопротивления R4 зависит от мощности светодиода и источника питания. Данный индикатор вовремя сообщит о том, что аккумуляторная батарея разряжена. Основным достоинством схемы является четкость срабатывания, т. е. сигнальный светодиод загорается сразу без плавного нагнетания яркости. Устройство довольно точно отслеживает заданный порог срабатывания [4].
Рис. 7. Схема электрическая принципиальная светодиодного аккумуляторного фонаря
Из интегрального стабилизатора LM317, резисторов R6, R7, конденсаторов С2 – С4 состоит стабилизатор напряжения питания светодиода (светодиодов). Подбором резисторов регулируют режим стабилизации напряжения. Для определения их величины используют программу "LM317 – калькулятор v1.1" или "Regulator design v1.2".
Нагрузкой служит лампочка на параллельно включенных светодиодах LED2-4 потребляемых ток 35 – 70 мА каждый, диаметром линзы 8 и высотой 7 мм. При напряжении в 3,2 В их общее потребление тока составляет 180 мА (8-и вольтова лампочка накаливания этого фонаря потребляет 600 мА!).
Детали схемы монтируют на печатной плате – рис. 8. Интегральный стабилизатор LM317 крепят на небольшой радиатор. Транзисторы КТ315 можно заменить на КТ3102, ВС546, 2N5551 и другие. При подключении источника питания напряжением 12 вольт, необходимо изменить номиналы резисторов: R1 – 20 к, R2 – 1,5 к, R4 – 2,2 к.
Рис. 8. Печатная плата устройства. Вид со стороны дорожек
Для хорошего контакта между элементами питания и лампочкой на задней стенке фонарика предусмотрена панелька с пружинами. Ее необходимо демонтировать, но только в том случае, если используют заднюю стенку для крепления платы с индикатором заряда батареи и гнезда для подключения зарядного устройства – рис. 9. Панель с пружинами переносят в другое место. Например, между платой и аккумуляторной батареей. Для этого ее закрепляют с помощью саморезов на радиатор – рис. 10. В корпус фонарика заводят и устанавливают на задней стенке гнездо для подключения зарядного устройства, блок управления (рис. 11) и крепят его с помощью винтов и резьбовых муфт.
Рис. 9. Задняя стенка фонарика
Рис. 10. Печатная плата устройства. Вид со стоны электронных компонентов
Рис. 11. Установка блока управления
Подключают и заводят в корпус аккумуляторную батарею – рис. 12.
Рис. 12. Установка аккумуляторной батареи
Подключают и устанавливают контактную плату. Слегка прижимают ее и закрепляют скобой – рис. 13. Устанавливают рефлектор со светодиодом (светодиодами) рис. - 14.
Рис. 13. Установка контактной платы
Рис. 14. Рефлектор
Для подзарядки батареи питания необходимо зарядное устройство, которое несложно изготовить своими руками, сэкономив при этом достаточно существенные средства, не приобретая промышленное.
Наиболее простое и дешевое оборудование осуществляет заряд при постоянном напряжении (поциостатический режим). Но чаще используют комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают. А при достижении заданного напряжения заряд проводится при его стабилизации. Обычно он называется режимом заряда I – U. Заряд ведется при постоянном токе 0,1С (номинальной емкости батареи в ампер-часах) на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором. Большинство производителей рекомендуют производить зарядку циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4 – 2,45 В на аккумулятор (7,2 – 7,35 В для 6 вольтовой батареи) [3].
Зарядное устройство собирают по схеме, показанной на рисунке 15. Оно состоит из понижающего трансформатора Tr1, выпрямителя на диодах VD1-4 и сглаживающего конденсатора С1, стабилизатора тока на интегральном стабилизаторе DA1, резисторе R1, конденсаторе С2, индикатора заряда батареи на транзисторе VT1, резисторах R2-4, диоде VD5 и светодиоде LED1, стабилизатора напряжения – на интегральном стабилизаторе DA2, резисторах R5-6, конденсаторе С3. Штекер Bu1 предусмотрен для подключения зарядного устройства к фонарю.
Рис. 15. Схема электрическая принципиальная зарядного устройства для свинцово-кислотного герметичного аккумулятора напряжением 6 В и емкостью 1,3 А·ч
Интегральные стабилизаторы монтируют на металлический корпус для отвода тепла. Все резисторы, кроме указанных на схеме, применении мощностью 0,125 Вт.
Для зарядки батареи емкостью 1,3 А·ч на первом этапе зарядки необходим оптимальный ток 130 мА. Для обеспечения протекания тока указанной величины подбирают резистор R1 с помощью вышеуказанных программ. По мере заряда батареи, ток снижается, а напряжение поднимается. Необходимо ограничить конечную величину напряжения для 6 вольтовой батареи в 7,2 В. Добиваются указанного напряжения подбором отношения резисторов R5 – 6.
Свечение светодиода LED1 указывает на процесс заряда аккумулятора. При полном заряде батареи светодиод гаснет.
Для батарей емкостями 4,5 А·ч и 7,5 А·ч резистор R1 используют номиналом 2,7 Ом и 1, 8 Ом соответственно, мощностью не менее 1 Вт. Для заряда 12 В батареи резистор R5 применяют сопротивлением 470 Ом, R6 – 5,1 кОм.
Диоды КД226А можно заменить на любые выпрямительные, предусмотренные на ток не менее 2 А, а VD1-4 на диодную сборку. Интегральные стабилизаторы LM317 можно заменить на 7805. При этом необходимо изменить номиналы резисторов: R1 – 39 Ом 1 Вт для батареи емкостью 1,3 А·ч, 12 Ом 3 Вт для батареи емкостью 4,5 А·ч и 6,8 Ом 5 Вт – 7,5 А·ч; R6 – 91 Ом для 6 вольтовой батареи и R5 – 330 Ом и R6 – 510 Ом для 12 вольтовой. Транзистор КТ3107 можно заменить легкодоступными КТ361, ВС556, 2N5401.
Литература
1. Борисов В. Юный радиолюбитель. – М., "Радио и связь", 1992.
2. Каменев Ю. – Современные химические источники тока. Гальванические элементы, аккумуляторы, конденсаторы. – Санкт-Петербург, СПГУКиТ, 2009.
3. Таганова А. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Справочник. – СПб. Химиздат, 2005.
4. http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/407-indikator_razrjada_batarei.html
Автор: В. Марченко, г. Умань, Украина