Niederspannungsnetzteil für LEDs. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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LED-Quellen für optische Strahlung im sichtbaren Bereich können aufgrund von Konstruktionsmerkmalen nicht bei Spannungen unter 1,6 ... 1,8 V leuchten. Dieser Umstand schränkt die Möglichkeit der Verwendung von LEDs in Geräten mit Niederspannungsversorgung (aus einer galvanischen Zelle) stark ein .

Die vorgeschlagenen LED-Emitter mit Niederspannungsversorgung (0,1 ... 1,6 V) können zur Spannungsanzeige, Datenübertragung über optische Kommunikationskanäle usw. verwendet werden. Um sie mit Strom zu versorgen, können Sie auch elektrochemische Ultra-Low-Voltage-Zellen verwenden, in denen angefeuchtete Erde oder biologisch aktive Medien als Elektrolyt dienen.

Die Vielfalt der Niederspannungs-LED-Stromversorgungsschemata kann auf zwei Haupttypen der Umwandlung von Niederspannung in Hochspannung reduziert werden. Das sind Schaltungen mit kapazitiven und induktiven Energiespeichern.

Abbildung 1 zeigt die Stromversorgungsschaltung der LED nach dem Prinzip der Verdoppelung der Versorgungsspannung. Der Generator von Niederfrequenzimpulsen, deren Wiederholungsrate durch die Kette R1-C1 und die Dauer - R2-C1 bestimmt wird, besteht aus pn-p- und npn-Transistoren. Vom Ausgang des Generators werden kurze Impulse über den Widerstand R4 der Basis des Transistors VT3 zugeführt, in dessen Kollektorkreis die rote LED HL1 und die Germaniumdiode VD1 geschaltet sind. Zwischen den Ausgang des Pulsgenerators und den Verbindungspunkt der LED und der Germaniumdiode ist ein Elektrolytkondensator C2 hoher Kapazität geschaltet.

Abb.1. LED-Stromversorgungsschema basierend auf dem Prinzip der Spannungsverdopplung

Während einer langen Pause zwischen Impulsen (Transistor VT2 ist geschlossen und leitet keinen Strom) wird dieser Kondensator über VD1 und R3 auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Wenn ein kurzer Impuls erzeugt wird, öffnet der Transistor VT2. Die negativ geladene Platte des Kondensators C2 ist mit der positiven Stromschiene verbunden. Die Diode VD1 ist gesperrt. Der geladene Kondensator C2 ist in Reihe mit der Stromquelle geschaltet und auf die Kette geladen: Die LED ist der Emitter-Kollektor-Übergang des Transistors VT3. Da der Transistor VT3 durch denselben Impuls entriegelt wird, nimmt sein Emitter-Kollektor-Widerstand ab. Somit liegt kurzzeitig fast die doppelte Versorgungsspannung (ohne geringfügige Verluste) an der LED an – es folgt ihr heller Blitz. Danach wird der Lade-Entlade-Vorgang des Kondensators C2 periodisch wiederholt.

Bei Verwendung von LEDs vom Typ AL307KM mit einer Glimmspannung von 1,35 ... 1,4 V beträgt die Betriebsspannung des Generators 0,8 ... 1,6 V. Die Bereichsgrenzen sind wie folgt definiert: Die untere gibt die Spannung an, bei der die LED leuchtet , die obere gibt an, bei welcher der vom Gerät verbrauchte Strom 20 mA beträgt.

Da der Generator gepulst arbeitet, werden helle Lichtblitze erzeugt, die Aufmerksamkeit erregen. In der Schaltung muss zwar ein Niederspannungs-, aber ziemlich sperriger Elektrolytkondensator C2 mit hoher Kapazität verwendet werden.

Die auf Multivibratoren basierenden Quellen der Niederspannungs-LED-Stromversorgung sind in Abb. 2, 3 dargestellt. Die erste davon basiert auf einem asymmetrischen Multivibrator, der kurze Impulse mit einer großen Pause zwischen den Impulsen erzeugt. Der Energiespeicher - Kondensator C3 - wird periodisch von der Stromquelle geladen und zur LED entladen, wobei seine Spannung mit der Versorgungsspannung summiert wird.

Abb.2. Niedervolt-LED-Netzteil auf Basis eines asymmetrischen Multivibrators (Pulse Glow)

Der Generator (Abb. 3) sorgt im Gegensatz zur vorherigen Schaltung für das kontinuierliche Leuchten der LED. Das Gerät basiert auf einem symmetrischen Multivibrator und arbeitet mit höheren Frequenzen. In dieser Hinsicht sind die Kapazitäten der Kondensatoren in dieser Schaltung ziemlich klein. Natürlich wird die Helligkeit des Glühens merklich reduziert, aber der durchschnittliche Strom, der vom Generator bei einer Versorgungsspannung von 1,5 V verbraucht wird, überschreitet 3 mA nicht.

Abb. 3. Niedervolt-LED-Netzteil auf Basis eines symmetrischen Multivibrators (Dauerglühen)

Kondensator-Spannungswandler (mit Spannungsverdopplung) zur Versorgung von LED-Emittern können die Betriebsspannung theoretisch nur um bis zu 60 % reduzieren. Die Verwendung von mehrstufigen Spannungsvervielfachern für diesen Zweck ist aufgrund fortschreitend zunehmender Verluste und einer Verringerung des Wirkungsgrads des Wandlers wenig erfolgversprechend.

Erfolgversprechender im Hinblick auf eine weitere Reduzierung der Versorgungsspannung sind Umrichter mit induktiver Energiespeicherung. Durch die Umstellung auf LC-Versionen von Generatorschaltungen mit induktiven Energiespeichern wurde es möglich, die untere Grenze der Versorgungsspannung merklich abzusenken.

Im ersten Schema wird eine Telefonkapsel als induktiver Energiespeicher verwendet (Bild 4). Gleichzeitig mit der Lichteinstrahlung erzeugt der Generator akustische Signale. Wenn die Kapazität des Kondensators auf 200 Mikrofarad ansteigt, schaltet der Generator in einen gepulsten Betriebsmodus und erzeugt intermittierende Licht- und Tonsignale. Als aktives Element wird eine etwas ungewöhnliche Struktur verwendet - eine Reihenschaltung von Transistoren verschiedener Leitfähigkeitstypen, die von positiver Rückkopplung bedeckt sind.

Abb.4. Quelle mit induktiver (Telefonkapsel) Energiespeicherung

Die Spannungswandler zum Betreiben der LED in den Fig. 5 und 6 bestehen aus Analoga von Injektions-Feldeffekttransistoren. Der erste der Wandler (Abb. 5) verwendet eine kombinierte induktiv-kapazitive Schaltung zur Erhöhung der Ausgangsspannung, wobei das Prinzip der kapazitiven Spannungsverdopplung mit dem Erhalt einer erhöhten Spannung an einer geschalteten Induktivität kombiniert wird.

Abb.5. Spannungswandler zur Stromversorgung der LED auf dem Analog des Injektions-Feldeffekttransistors Nr. 1

Der einfachste Generator basiert auf einem Analogon eines Injektions-Feldeffekttransistors (Abb. 6), bei dem die LED gleichzeitig die Rolle eines Kondensators spielt und die Last des Generators ist. Das Gerät arbeitet in einem engen Versorgungsspannungsbereich, allerdings ist die Helligkeit der LED recht hoch, da der Wandler rein induktiv ist und einen hohen Wirkungsgrad hat.

Abb.6. Spannungswandler zur Stromversorgung der LED auf dem Analog des Injektions-Feldeffekttransistors Nr. 2

Bild 7 zeigt einen transformatorischen Generator zur Versorgung von LEDs mit Niederspannung. Der Generator enthält drei Elemente, von denen eines eine Leuchtdiode ist. Ohne LED ist das Gerät der einfachste Sperrgenerator, und am Ausgang des Transformators kann eine ziemlich hohe Spannung gebildet werden. Wird eine LED als Generatorlast verwendet, beginnt sie hell zu leuchten. In der Schaltung wird als Übertrager ein Ferritring F1000 K10x6x2,5 verwendet. Die Wicklungen des Transformators haben 15 ... 20 Windungen PEV-Draht mit einem Durchmesser von 0,23 mm. Bei fehlender Erzeugung sind die Enden einer der Transformatorwicklungen vertauscht.

Abb.7. Trafogenerator zur Versorgung von LEDs mit Niederspannung

Beim Umschalten auf Hochfrequenz-Germaniumtransistoren wie 1T311, 1T313 und Verwendung einheitlicher Impulstransformatoren wie MIT-9, TOT-45 usw. kann die untere Grenze der Betriebsspannung auf 0,125 V gesenkt werden.

Die Versorgungsspannung aller betrachteten Stromkreise sollte, um Schäden an den LEDs zu vermeiden, 1,6 ... 1,7 V nicht überschreiten.

Autor: M. Shustov, Tomsk; Veröffentlichung: radioradar.net

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