Питание светодиодов от свинцового акк. из всякого хлама
Когда-то я хотел устроить на даче офигенный "офф-грид", то бишь систему с солнечной батареей номиналом 60 Вт (реально она никогда 60 Вт не даст, но сейчас не об этом), свинцово-кислотным аккумулятором типа AGM для запасения энергии, и толстенной "шины 12 вольт" по всему дому, чтобы хотя бы от неё работало всё освещение, заряжались мобильные устройства, а в дальнейшем - ещё и запитать от этой шины небольшой холодильник "Бирюса".
К сожалению, сочетание перфекционизма с недостатком времени сыграло свою злую шутку: хотел сделать целое опорно-поворотное устройство для солнечной батареи, по всем принципам механики (центр масс проходит через пересечение осей, элементы конструкции не затеняют солнечную батарею, ибо это резко снижает её эффективность), закопался уже на этой задаче. И контроллер заряда стал проектировать "по-хорошему", чтобы максимальное и минимальное напряжение на аккумуляторе (до которого заряжать и до которого разряжать) зависели от температуры в соответствии с рекомендациями производителя аккумулятора, и ещё чтобы он потреблял совсем мизерные токи, желательно менее 1 мА. Закопался и на этом :) К сожалению, в итоге не зарядил аккумулятор к зиме, и ему на холоде поплохело, сейчас вообще при малейшей попытке в него "вкачать ток" начинает шипеть - открываются предохранительные клапаны.
А вот со светодиодами решил немножко упростить себе задачу - не делать импульсный источник питания, а ограничиться транзисторным стабилизатором, т.к разница между к.п.д в 90%, который можно ожидать от импульсника, и 83% для "линейного" при входном 12 вольт и выходном 10 вольт (3 белых светодиода последовательно) не так уж велика, зато делается вообще в пол-пинка. Опять же, если вдруг брату здесь захочется записать видео, можно будет ему обеспечить максимальную "электромагнитную совместимость" - освещение исключительно на постоянном токе, коэффициент пульсаций 0,00% :) (кстати, а можно и 220 вольт по такому случаю вырубить во вводном рубильнике, глядишь и фона 50 Гц внезапно не будет, вообще никакого!)
И действительно, эта штука работает, СУЩЕСТВЕННО ЛУЧШЕ просто резистора, но не так хорошо, как я надеялся. И в ней интересные (хоть и спорные) схемотехнические решения, позволяющие в качестве регулирующего элемента поставить старый германиевый транзистор ГТ403Б на весьма скромном теплоотводе и абсолютно не бояться, что он перегреется!
Здесь я рассчитывал на ток 0,8 ампера, именно столько нужно, чтобы в туалете получить освещённость на уровне пола в 50 лк. Если весь излишек напряжения гасить на транзисторе, то "по наихудшему случаю", когда аккумулятор только-только зарядился, и солнечная батарея даёт ток (напряжение 14,4 вольта) на нём будет падать около 4,4 вольта, и при токе 0,8 ампера будет выделяться в виде тепла мощность 3,5 Вт. Будь транзистор кремниевым, проблемы особой нет, т.к можно довольно серьёзный перегрев ему устроить. Но мне хотелось в кои-то веки пристроить куда-нибудь германиевые ГТ403Б в домиках. Для УНЧ граничная частота маловата, будет на высоких искажать, да и мощность не шибко большая. Для импульсных применений - та же фигня, а тут вроде применение замаячило :)
Но по моим прикидкам, такой теплоотвод позволяет без существенного перегрева отводить до 1,3 ватт.
Убрать часть падения напряжения - не есть хорошо, при минимально возможных 10,5 вольтах у нас и так нужно транзистор практически в насыщение выводить (учитывая ещё 0,6 вольта падения на токоизмерительном резисторе). А вот попытаться пустить часть тока "в обход" - очень даже пользительно. В итоге пришёл к такой схеме:
Идея в том, что при максимальном напряжении в 14,4 вольта весь ток 0,8 ампера обеспечивается резистором. Транзистор при этом закрывается, и никакой мощности на нём не выделяется. При минимальном напряжении в 10,5 вольт, через резистор идут сущие крохи (около 100 мА), а оставшиеся 0,7 ампер должен взять на себя транзистор. Ток через него максимален, зато падение напряжения - буквально 0,5 вольта, и выделяемая мощность 0,35 Вт.
Наибольшая мощность выделится на транзисторе, когда напряжение ровно посерединке, т.к в этом случае и падение напряжения приличное, и ток. А именно, 0,4 ампера и 2,2 вольта, что даёт мощность 0,88 Вт.
А резисторам теплоотвод не нужен, имеют право очень нехило нагреться. Но здесь они даже прижаты к алюминиевой пластине, но без фанатизма (без термопасты).
Схема - самый обычный источник тока. Стоит токоизмерительный резистор 1 Ом. Когда падение напряжения на нём достигает примерно 0,7 вольт, открывается маломощный транзистор и начинает шунтировать через себя ток базы мощного транзистора, призакрывая его.
Очередной приступ жадности заставил пустить ток базы не сразу на минус питания, а ещё и через два нижних светодиода, чтобы он не "расходовался зазря". Совсем на коллектор пустить - транзистор вообще в насыщение никогда не войдёт, вблизи 10,5 вольт нормального тока ни в жисть не получим. А вот хотя бы 3 вольта падения на первом светодиоде - и запас уже есть.
Резистор 100 Ом к базе маломощного транзистора - поскольку может наступить такой момент вблизи 14,4 вольт, когда транзистор вообще практически закрывается, а ток не уменьшается, поскольку идёт через резисторы. В таком случае легко наш КТ361 подпалить, если переход база-эмиттер соединить напрямую на токоизмерительный резистор. А так не сгорит.
Охренительный монтаж, ибо нефиг:
Помню, что когда всё это дело подключил к лабораторному источнику питания, то был разочарован стабильностью тока. Как-то ожидаешь, что ток будет стоять "как вкопанный", а он заметно растёт с ростом напряжения. И задним числом понятно, что я "сделал всё возможное", чтобы ухудшить стабильность источника тока:
1. вместо того, чтобы транзистору просто держать фиксированный ток, он должен "идти навстречу", уменьшать ток по мере роста напряжения, вплоть до закрытия. Понятно, что по мере снижения тока через него, крутизна всё падает и падает;
2. из-за того, что пожадничал с током базы (пустил его через два светодиода), ток базы тоже сильно растёт с ростом питающего напряжения, примерно в 2,5 раза. Одно дело, когда падение напряжения меняется с 9,5 до 13,4 вольта (когда на нём падает всё питающее, за вычетом 0,7 вольт на токоизмерительном резисторе и 0,3 вольта на переходе база-эмиттер), а здесь оно меняется с 3 до 6,9 вольта. Поэтому, чем выше напряжение, тем больше нужно приоткрыть транзистор КТ361Г, чтобы он зашунтировал через себя возросший ток базы,
И на это накладывается в целом большая зависимость h21э от напряжения эмиттер-коллектор вблизи насыщения. Насколько я понимаю, это эффект Эрли: при малом напряжении Б-К, база заметно "утолщается", из-за чего больше носителей заряда рекомбинируют на базе, создавая ток базы.
Но в принципе, всё не так плохо:
Если поставить один резистор, то получаем разброс по току "плюс-минус 50%", тогда как для этого стабилизатора разброс всего "плюс-минус 10%". Регион от 10,5 до 11,5 вольт ещё довольно "пологий", напряжения немножко не хватает, но скорее всего нам по-любому не стоит доводить аккумулятор до 10,5 вольт, это уже "глубокий разряд", а ему глубину циклов желательно поубавить. И по мере приближения к 14,4 вольтам начинает вверх подниматься, это та самая просевшая крутизна, когда транзистор надо совсем закрыть. И 14,4 тоже возможно не стоит долго держать - я пока хотел бы, чтобы заряд шёл до 14,4, чтобы побыстрее подзарядить аккумулятор, а потом уже сбросить до 13,6, чтобы поменьше электролиту уходило, эти аккумуляторы же необслуживаемые... А самый-самый рабочий диапазон 11,5..13,6 очень хорош :)
И ещё интересная "багофича" - из-за нашей жадности светодиоды "хоть немножко" светятся при снижении напряжения даже до 6 вольт (ток 2,7 мА через НИЖНИЕ ДВА при 6 вольтах, 4,3 мА при 6,5 вольтах, 5,9 мА при 7 вольтах), так что можно придумать некую "резервную батарею" на 6..9 вольт, которая через обратный диод подключена в ту же шину, и обычно никакого тока не отдаёт, но если всё накрылось, то совсем без света не останемся, чуть-чуть разглядеть можно будет, что происходит. На 9 вольтах и вовсе имеем 0,26 ампера - уже вполне себе! Хотя с другой стороны, если мы оставим такой светильник включённым, он может разрядить аккумулятор практически "в ноль", и это не очень хорошо. Какая-то защита должна быть.
К сожалению, сочетание перфекционизма с недостатком времени сыграло свою злую шутку: хотел сделать целое опорно-поворотное устройство для солнечной батареи, по всем принципам механики (центр масс проходит через пересечение осей, элементы конструкции не затеняют солнечную батарею, ибо это резко снижает её эффективность), закопался уже на этой задаче. И контроллер заряда стал проектировать "по-хорошему", чтобы максимальное и минимальное напряжение на аккумуляторе (до которого заряжать и до которого разряжать) зависели от температуры в соответствии с рекомендациями производителя аккумулятора, и ещё чтобы он потреблял совсем мизерные токи, желательно менее 1 мА. Закопался и на этом :) К сожалению, в итоге не зарядил аккумулятор к зиме, и ему на холоде поплохело, сейчас вообще при малейшей попытке в него "вкачать ток" начинает шипеть - открываются предохранительные клапаны.
А вот со светодиодами решил немножко упростить себе задачу - не делать импульсный источник питания, а ограничиться транзисторным стабилизатором, т.к разница между к.п.д в 90%, который можно ожидать от импульсника, и 83% для "линейного" при входном 12 вольт и выходном 10 вольт (3 белых светодиода последовательно) не так уж велика, зато делается вообще в пол-пинка. Опять же, если вдруг брату здесь захочется записать видео, можно будет ему обеспечить максимальную "электромагнитную совместимость" - освещение исключительно на постоянном токе, коэффициент пульсаций 0,00% :) (кстати, а можно и 220 вольт по такому случаю вырубить во вводном рубильнике, глядишь и фона 50 Гц внезапно не будет, вообще никакого!)
И действительно, эта штука работает, СУЩЕСТВЕННО ЛУЧШЕ просто резистора, но не так хорошо, как я надеялся. И в ней интересные (хоть и спорные) схемотехнические решения, позволяющие в качестве регулирующего элемента поставить старый германиевый транзистор ГТ403Б на весьма скромном теплоотводе и абсолютно не бояться, что он перегреется!
Здесь я рассчитывал на ток 0,8 ампера, именно столько нужно, чтобы в туалете получить освещённость на уровне пола в 50 лк. Если весь излишек напряжения гасить на транзисторе, то "по наихудшему случаю", когда аккумулятор только-только зарядился, и солнечная батарея даёт ток (напряжение 14,4 вольта) на нём будет падать около 4,4 вольта, и при токе 0,8 ампера будет выделяться в виде тепла мощность 3,5 Вт. Будь транзистор кремниевым, проблемы особой нет, т.к можно довольно серьёзный перегрев ему устроить. Но мне хотелось в кои-то веки пристроить куда-нибудь германиевые ГТ403Б в домиках. Для УНЧ граничная частота маловата, будет на высоких искажать, да и мощность не шибко большая. Для импульсных применений - та же фигня, а тут вроде применение замаячило :)
Но по моим прикидкам, такой теплоотвод позволяет без существенного перегрева отводить до 1,3 ватт.
Убрать часть падения напряжения - не есть хорошо, при минимально возможных 10,5 вольтах у нас и так нужно транзистор практически в насыщение выводить (учитывая ещё 0,6 вольта падения на токоизмерительном резисторе). А вот попытаться пустить часть тока "в обход" - очень даже пользительно. В итоге пришёл к такой схеме:
Идея в том, что при максимальном напряжении в 14,4 вольта весь ток 0,8 ампера обеспечивается резистором. Транзистор при этом закрывается, и никакой мощности на нём не выделяется. При минимальном напряжении в 10,5 вольт, через резистор идут сущие крохи (около 100 мА), а оставшиеся 0,7 ампер должен взять на себя транзистор. Ток через него максимален, зато падение напряжения - буквально 0,5 вольта, и выделяемая мощность 0,35 Вт.
Наибольшая мощность выделится на транзисторе, когда напряжение ровно посерединке, т.к в этом случае и падение напряжения приличное, и ток. А именно, 0,4 ампера и 2,2 вольта, что даёт мощность 0,88 Вт.
А резисторам теплоотвод не нужен, имеют право очень нехило нагреться. Но здесь они даже прижаты к алюминиевой пластине, но без фанатизма (без термопасты).
Схема - самый обычный источник тока. Стоит токоизмерительный резистор 1 Ом. Когда падение напряжения на нём достигает примерно 0,7 вольт, открывается маломощный транзистор и начинает шунтировать через себя ток базы мощного транзистора, призакрывая его.
Очередной приступ жадности заставил пустить ток базы не сразу на минус питания, а ещё и через два нижних светодиода, чтобы он не "расходовался зазря". Совсем на коллектор пустить - транзистор вообще в насыщение никогда не войдёт, вблизи 10,5 вольт нормального тока ни в жисть не получим. А вот хотя бы 3 вольта падения на первом светодиоде - и запас уже есть.
Резистор 100 Ом к базе маломощного транзистора - поскольку может наступить такой момент вблизи 14,4 вольт, когда транзистор вообще практически закрывается, а ток не уменьшается, поскольку идёт через резисторы. В таком случае легко наш КТ361 подпалить, если переход база-эмиттер соединить напрямую на токоизмерительный резистор. А так не сгорит.
Охренительный монтаж, ибо нефиг:
Помню, что когда всё это дело подключил к лабораторному источнику питания, то был разочарован стабильностью тока. Как-то ожидаешь, что ток будет стоять "как вкопанный", а он заметно растёт с ростом напряжения. И задним числом понятно, что я "сделал всё возможное", чтобы ухудшить стабильность источника тока:
1. вместо того, чтобы транзистору просто держать фиксированный ток, он должен "идти навстречу", уменьшать ток по мере роста напряжения, вплоть до закрытия. Понятно, что по мере снижения тока через него, крутизна всё падает и падает;
2. из-за того, что пожадничал с током базы (пустил его через два светодиода), ток базы тоже сильно растёт с ростом питающего напряжения, примерно в 2,5 раза. Одно дело, когда падение напряжения меняется с 9,5 до 13,4 вольта (когда на нём падает всё питающее, за вычетом 0,7 вольт на токоизмерительном резисторе и 0,3 вольта на переходе база-эмиттер), а здесь оно меняется с 3 до 6,9 вольта. Поэтому, чем выше напряжение, тем больше нужно приоткрыть транзистор КТ361Г, чтобы он зашунтировал через себя возросший ток базы,
И на это накладывается в целом большая зависимость h21э от напряжения эмиттер-коллектор вблизи насыщения. Насколько я понимаю, это эффект Эрли: при малом напряжении Б-К, база заметно "утолщается", из-за чего больше носителей заряда рекомбинируют на базе, создавая ток базы.
Но в принципе, всё не так плохо:
Если поставить один резистор, то получаем разброс по току "плюс-минус 50%", тогда как для этого стабилизатора разброс всего "плюс-минус 10%". Регион от 10,5 до 11,5 вольт ещё довольно "пологий", напряжения немножко не хватает, но скорее всего нам по-любому не стоит доводить аккумулятор до 10,5 вольт, это уже "глубокий разряд", а ему глубину циклов желательно поубавить. И по мере приближения к 14,4 вольтам начинает вверх подниматься, это та самая просевшая крутизна, когда транзистор надо совсем закрыть. И 14,4 тоже возможно не стоит долго держать - я пока хотел бы, чтобы заряд шёл до 14,4, чтобы побыстрее подзарядить аккумулятор, а потом уже сбросить до 13,6, чтобы поменьше электролиту уходило, эти аккумуляторы же необслуживаемые... А самый-самый рабочий диапазон 11,5..13,6 очень хорош :)
И ещё интересная "багофича" - из-за нашей жадности светодиоды "хоть немножко" светятся при снижении напряжения даже до 6 вольт (ток 2,7 мА через НИЖНИЕ ДВА при 6 вольтах, 4,3 мА при 6,5 вольтах, 5,9 мА при 7 вольтах), так что можно придумать некую "резервную батарею" на 6..9 вольт, которая через обратный диод подключена в ту же шину, и обычно никакого тока не отдаёт, но если всё накрылось, то совсем без света не останемся, чуть-чуть разглядеть можно будет, что происходит. На 9 вольтах и вовсе имеем 0,26 ампера - уже вполне себе! Хотя с другой стороны, если мы оставим такой светильник включённым, он может разрядить аккумулятор практически "в ноль", и это не очень хорошо. Какая-то защита должна быть.