Как сделать экономичный светодиодный фонарик на одной батарейке

Принцип работы
Нижеприведенная схема ("Joule thief") позволяет питать светодиод белого или синего свечения, требующий напряжения питания 3 - 3,5 В, от одного гальванического элемента или аккумулятора NiCD,NiMH, даже разряженных до напряжения 0,8 В под нагрузкой.

Для красных и желтых светодиодов напряжение питания при токе 20 мА составляет 1,8 - 2,4 В, а для синих, белых и зеленых - 3 - 3,5 В, поэтому запитать синий или белый светодиод от пальчиковой батарейки напрямую невозможно.
Схема представляет вариант блокинг-генератора и была описана Z. Kaparnik из города Swindon в Великобритании в журнале "Everyday Practical Electronics" за ноябрь 1999 года. Ниже можно ознакомится с этой статьей:
(щелкните по рисунку мышкой для просмотра в крупном масштабе)


Питание схемы осуществляется от элемента LR6/AA/AAA напряжением 1,5 В - схема может непрерывно работать неделю от одной батарейки до ее разряда до 0,8 В!!! Примечание: AA или AAA (R6) - солевые батарейки, LR6 - щелочные (alkaline) батарейки.

Приведенная схема работает как управляемый током генератор. Всякий раз при выключении транзистора VT спадающее магнитное поле в обмотке трансформатора T вызывает возникновение положительного импульса напряжения (до 30 В) на коллекторе транзистора. Это напряжение вместе с напряжением источника питания (батарейки) прикладывается к светодиоду. Переключение происходит с очень высокой частотой и низким коэффициентом заполнения. Уменьшение сопротивления резистора R приводит к увеличению тока через светодиод и, соответственно, увеличивает яркость его свечения.
Z. Kaparnik приводит вначале значение сопротивления 10 кОм (средний ток через светодиод 18 мА) и затем указывает, что уменьшение сопротивления до 2 кОм приводит к увеличению среднего тока до 30 мА. Также Z. Kaparnik указывает, что коэффициент полезного действия зависит от использованного транзистора VT - к лучшим результатам приводит применение транзистора с низким напряжением насыщения между коллектором и эмиттером V_{CE (SAT)}. Он указывает, что для транзистора ZTX450 (V_{CE (SAT)} = 0,25 В) КПД равен 73 %, при использовании ZTX650 (V_{CE (SAT)} < 0,12 В) возрастает до 79 %, а при применении BC550 падает до 57 %.

Упоминание подобной конструкции в статье М. Шустова "Низковольтное питание светодиодов" в журнале "Радиомир"  №8 за 2003 год:
 
А вот конструкция японского радиолюбителя: http://elm-chan.org/works/led1/report_e.html

Моделирование
Для моделирования такого устройства можно использовать свободно распространяемый симулятор электрических цепей LTSpice. Вот модель этого генератора:

При напряжении питания 1,5 В и индуктивности каждой из обмоток трансформатора 200 мкГн потребление мощности от батареи составляет 197 мВт, а на светодиоде выделяется 139 мВт. Потери мощности составили 58 мВт, из них в транзисторе 55 мВт, а в резисторе 3 мВт. Таким образом, КПД оказался равен 71%.

При напряжении питания 1,5 В и транзисторе BC547C (V_{CE (SAT)} = 0,2 В) зависимость среднего тока светодиода от индуктивности обмотки трансформатора (с идентичными обмотками) представлена ниже:

При индуктивности обмотки меньше 17 мкГн преобразователь не запускается.

Зависимость среднего тока светодиода от напряжения питания приведена ниже:

Трансформатор
Также вместо самостоятельно намотанного трансформатора на ферритовом колечке можно использовать промышленный импульсный трансформатор, например,
МИТ-4В: М - малогабаритный, И - импульсный, Т - трансформатор, В - высота с выводами 55 мм.

МИТ-4В выпускается в корпусе коричневого или черного цвета.

Этот трансформатор имеет три обмотки (одну первичную и две вторичные) с единичным коэффициентом трансформации. Омическое сопротивление каждой обмотки составляет около 5 Ом, индуктивность около 16 мГн.
Обмотки содержат по 100 витков, намотанных проводом ПЭЛШО 0,1 на колечке К17,5х8х5 из феррита марки М2000НМ1-Б.
Обозначение ферритового колечка расшифровывается так: К - кольцо; 17,5 - внешний диаметр кольца, мм; 8 - внутренний диаметр кольца, мм; 5 - высота кольца, мм.
Марка феррита М2000НМ-1Б расшировывается так: 2000 - начальная магнитная проницаемость феррита; Н - низкочастотный феррит; М - марганец-цинковый феррит (до 100 кГц).
Первый вывод отмечен цифрой "1" на корпусе трансформатора, а нарисованная стрелка указывает направление отсчета оставшихся выводов. Я использовал обмотки с выводами 1-4 и 2-3.

Также можно использовать трансформатор согласующий низкой частоты ТОТ:

Этот трансформатор рассчитаны на работу на частоте до 10 кГц.
Обозначение "ТОТ" расшифровывается как: Т - трансформатор; О - оконечный; Т - транзисторный.
Броневой сердечник трансформатора ТОТ изготавливается из холоднокатаной ленты с высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией технического насыщения марки 50H.
Расположение выводов трансформаторов ТОТ напоминает цоколевку электровакуумных ламп - имеется ключ и дополнительная маркировка первого вывода на боковой поверхности трансформатора (красная точка). При этом отсчет выводов производится по часовой стрелке со стороны монтажа, а первый вывод расположен в левом верхнем углу.

Цоколевка трансформаторов типов: а - ТОТ1 - ТОТ35; б - ТОТ36 - ТОТ189, ТОЛ1 -ТОЛ54; в - ТОТ202 - ТОТ219, ТОЛ55 - ТОЛ72

Германиевые транзисторы
Для снижения порогового напряжения батарейки, при котором светодиод еще светится, можно использовать германиевые транзисторы, например, советский n-p-n транзистор МП38А:

У этого транзистора прямое падение напряжения на p-n переходах составляет около 200 мВ.
Для проверки я собрал макетную конструкцию на транзисторе МП38А и трансформаторе МИТ-4В:

Довольно сильно разряженная литиевая батарейка CR2032 в этой схеме питает цепочку из пяти светодиодов. При этом напряжение батареи под нагрузкой составляет около 1,5 вольт.

Варианты улучшения схемы
1) Можно добавить конденсатор, включенный параллельно резистору.

Я оценил влияние конденсатора на КПД преобразователя, выполнив моделирование в LTSpice:

Как видно из графика, после некоторого подъема КПД при дальнейшем увеличении емкости конденсатора КПД преобразователя начинает снижаться.
2) Также можно добавить последовательно со светодиодом диод Шоттки и включить параллельно светодиоду конденсаторы.

3) Для ограничения верхнего предела напряжения на нагрузке можно дополнительно включить стабилитрон (диод Зенера) параллельно светодиоду.

p-n-p транзисторы
Наряду с Joule Thief на n-p-n транзисторах, можно применять и транзисторы p-n-p структуры. Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp-транзистора ГТ308В (VT) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1 - выводы 2-3, L2 - выводы 5-6) :

Значение сопротивления резистора R подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) - целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.

мой преобразователь Joule Thief на p-n-p транзисторе

Я исследовал работу этого преобразователя с помощью цифрового осциллографа. При этом преобразователь питался от полуразряженного никель-кадмиевого аккумулятора, а в качесте нагрузки использовались два зеленых светодиода, подключенных через германиевый диод.

напряжение на нагрузке

Пиковое напряжение на нагрузке превышает 5 вольт, чего вполне хватает для свечения двух зеленых светодиодов даже с учетом падения напряжения на германиевом диоде.
Такая же форма кривой напряжения на нагрузке получается и при моделировании преобразователя в симуляторе LTspice:

напряжение на резисторе

напряжение между выводами 6-5 МИТ

Напряжение на нагрузке складывается из напряжения на обмотке 6-5 трансформатора и напряжения аккумулятора.

напряжение между выводами 3-2 МИТ

Как можно заметить, напряжения на обмотках трансформатора практически идентичны (с учетом расположения одноименных зажимов).

определение периода

Период следования  импульсов составил 1,344 мс, т.е. частота генерации составила 744 Гц.

 Для питания такого преобразователя можно использовать не только батарейку, но и ионистор (суперконденсатор):