Energooszczędny sygnalizator LED

Typowe diody LED, które są sprzedawane jako migające, pracują z wypełnieniem ok. 50%. To powoduje, że ich średnie zapotrzebowanie na prąd wynosi kilka lub kilkanaście miliamperów. Przy ciągłym obciążeniu o takiej wartości, nawet pojemny komplet baterii szybko ulegnie wyczerpaniu. Zaprezentowany energooszczędny sterownik tak steruje zwykłą diodą LED, aby ta emitowała tylko krótkie błyski, dzięki czemu urządzenie może pracować znacznie dłużej. Układ ten może działać przez kilka tygodni przy zasileniu wyłącznie jedną baterią CR2032.

Budowa i działanie

Schemat ideowy energooszczędnego sterownika diody LED został pokazany na rysunku 1. Jego głównym obwodem jest bardzo prosty generator sygnału prostokątnego, zrealizowany z użyciem bramki NOT z wejściem Schmitta. Rezystor R1 powoduje powolne przeładowywanie kondensatora C2, a wyjście bramki cyklicznie zmienia swój stan logiczny.

Rysunek 1. Schemat ideowy układu

Narastające zbocze przebiegu prostokątnego powoduje chwilowe otwarcie tranzystora T1. Jest ono wydzielone z sygnału przez prosty układ różniczkujący, w skład którego wchodzą kondensator C3 i rezystor R2. Zbocze narastające powoduje zwiększenie potencjału bramki powyżej napięcia progowego, co umożliwia przepływ prądu przez dren. Warto dodać, że zbocze opadające nie uszkodzi tranzystora T1, ponieważ amplituda sygnału z generatora to około 3 V, zaś izolacja podbramkowa tego tranzystora może wytrzymać napięcie 12 V. Zadaniem R2 jest przeładowywanie kondensatora C3 i utrzymywanie T1 w stanie zatkania pomiędzy impulsami.

Szybkie otwarcie tranzystora T1 wywołuje przepływ prądu przez diodę LED1. Jego wartość jest ograniczana przez rezystor R3 i wynosi nawet powyżej 1 A, ale tylko przez krótką chwilę. Otóż dioda LED1 jest zasilana energią zgromadzoną wcześniej w kondensatorze C4, ładowanym powoli przez rezystor R4. Stała czasowa tego obwodu została tak dobrana, aby C4 był w pełni naładowany w momencie otwarcia tranzystora T1. Jednocześnie średnia moc wydzielana w złączu diody LED1 jest niewielka, znacznie mniejsza niż wartość dopuszczalna (120 mW). Dzięki temu bateria nie jest obciążana prądem o charakterze udarowym. Jego natężenie zmienia się nieznacznie i ma niewielką wartość. Wzrost rezystancji wewnętrznej ogniwa, który może być spowodowany jego zestarzeniem się lub niską temperaturą otoczenia, nie będzie miał negatywnego wpływu na jasność emitowanych błysków. Takie warunki pracy odpowiadają bateriom litowym, które powinny być rozładowywane powoli. Pozwala to wydobyć z nich więcej energii elektrycznej.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 24×26 mm, której schemat został pokazany na rysunku 2. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazło się miejsce dla dwóch otworów montażowych, każdy o średnicy 3,2 mm. Ich rozstaw to 18 mm.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Zalecane jest, aby montaż płytki przeprowadzić w sposób typowy, czyli zacząć od przylutowania elementów w obudowach do montażu powierzchniowego. Ich zagęszczenie na płytce jest nieznaczne i nie powinno stanowić dużego problemu nawet dla mniej doświadczonych osób. Będzie to doskonały trening z montażu SMD. Następnie należy wlutować diodę LED1, a na samym końcu koszyk baterii BAT1, który powinien znaleźć się po przeciwnej stronie płytki. Zmontowany i gotowy do działania układ został pokazany na fotografii tytułowej.

Prawidłowo zmontowany układ działa od razu. Natomiast, w związku z koniecznością naładowania kondensatora C2 od zera do górnego progu przerzutu wejścia Schmitta, oczekiwanie na pierwszy błysk światła jest nieco dłuższe. Pobór prądu waha się w trakcie pracy między 100 μA a 350 μA, zaś jego średnia wartość wynosi około 220 μA.

Zakładając typową pojemność baterii CR2032, która wynosi około 200 mAh, możemy uzyskać ponad 900 h (czyli ponad 5 tygodni) ciągłej pracy tego układu.

W układzie prototypowym został użyty układ US1 o dokładnym oznaczeniu MC74HC1G14DTT1G. Analogiczny układ z innej serii może powodować zwiększone zużycie prądu przez układ – na przykład w przypadku 74LVC1G14 wynosił on (średnio) ponad 3 mA. Dlatego warto zwrócić uwagę, aby zastosowany układ był z serii HC, choć można eksperymentować również z innymi, takimi jak AHC.

Zastosowana dioda to super-jasna, czerwona LED typu OSHR5111P. Ma najniższe napięcie przewodzenia ze wszystkich diod. Możliwe jest również zastosowanie innej, na przykład świecącej na żółto lub zielono. Istotne jest, aby wybrana dioda przystosowana była do przewodzenia prądu o natężeniu większym niż standardowe 20 mA dla diod sygnalizacyjnych, ponieważ przez jej strukturę popłynie prąd osiągający wysoką wartość szczytową. Trzeba się jednak liczyć z mniejszą jasnością oraz szybszym zakończeniem pracy przez układ, co ma związek z malejącym napięciem na zaciskach baterii w trakcie jej rozładowywania.

Michał Kurzela, EP