А. Еркин

Квантовые фонарики

На одной из выставок мо╦ внимание привл╦к сиявший яркими огоньками стенд, который при более подробном ознакомлении оказался экспозицией карманных фонариков. Не обычных, с лампочкой накаливания, а светодиодных - в них источником света служит суперяркий светодиод. Фонарики были маленькие и симпатичные и имели самый разный дизайн - от брелоков к ключам до солидных хромированных металлических цилиндров с оптической системой. Самое же интересное было написано в проспекте: утверждалось, что срок службы фонариков от одной батарейки составляет десятки и сотни часов. Это утверждение для электронщика выглядело сомнительным - светили фонарики очень ярко, на светодиод смотреть глазами невозможно, батарейки явно маленькие - откуда же бер╦тся столько энергии? Правда, создаваемый фонариками луч слабо сфокусирован и освещает большую площадь, поэтому создаваемое им освещение субъективно кажется слабее, чем у сфокусированного в точку луча обычных фонарей, но различие в яркости не объясняло столь большое различие во времени работы - обычный фонарик светит часа два-три. Рекламное заявление требовало проверки.

Через некоторое время я увидел один из фонариков-брелоков в магазине и ради любопытства купил. Дома проверяю - в темноте светит неплохо, свет белый, с голубоватым оттенком, ориентироваться и читать книжку вполне можно. Естественно, вскрываю и обнаруживаю внутри две последовательно соедин╦нные тр╦хвольтовые литиевые батарейки для часов и калькуляторов и светодиод с выключателем. Замеряю ток через диод - 80 мА. Емкость батарейки я знаю - примерно 120 мАч. Делим 120 мАч на ток 80 мА, получаем ┘ 1,5 часа непрерывной работы. Продавец же обещал 50 часов. Так, 1,5 часа и 50 часов - разница слишком большая, чтобы объяснить е╦ погрешностями измерений и вариациями ╦мкости батареи. Неужели рекламный трюк?

На всякий случай решаю проверить время работы напрямую. Кладу тяж╦лую железку на кнопку выключателя фонарика и оставляю фонарик включенным. Через 2 часа, будучи уверенным, что он еле светит или погас, проверяю фонарик и обнаруживаю, что он светит почти так же ярко, как и вначале. Странно, видно батарейка попалась очень свежая, никак не садится. Проверяю ещ╦ через час - продолжает светить. Жду ещ╦ - ничего не меняется. Отправляюсь спать.

Утром встаю, смотрю - светит! Не столь ярко, как вначале, но вполне прилично, субъективно раза в 2 слабее. А ведь прошло уже 12 часов с момента включения. Какое-то чудо, магия, явно нарушены законы электричества. Если так пойд╦т, то шансы на то, что заявленное в рекламе время работы окажется не "уткой", явно высокие. Снова разбираю фонарик и начинаю измерять токи и напряжения. Ток упал в 5 раз, батарейка по всем критериям разряжена, а он вс╦ светит! Через некоторое время ток падает уже в 10 раз - а светит ярко. Если светить с перерывами, во время которых батарейка частично восстанавливается, то суммарное время свечения как раз и подходит к заявленным 50 часам.

Так, начинаю понимать - парадокс заключается в прямолинейности мышления технаря. Если в обычной лампочке накаливания уменьшить ток на 15%, е╦ яркость сильно падает, а если ток уменьшить на 50%, то она переста╦т светить. В дорогих криптоновых лампочках для фонарей ток меняется менее, чем на 10%. Поэтому ╦мкость батареи и начальный ток однозначно определяют время работы. В случае же светодиода уменьшение тока в 10 раз приводит лишь к некоторому уменьшению субъективной яркости, поскольку чувствительность глаза носит логарифмический характер. Возможно, что при уменьшении тока светодиода от максимального до некоторого среднего значения увеличивается КПД, но узнать об этом пока не удалось. Поэтому рассчитать время свечения светодиода гораздо сложнее, недостаточно измерений в одной точке, а нужно знать всю вольтамперную характеристику. И неизвестно также, на сколько дольше может протянуть батарейка за границами технических условий. Испытанный мной экземпляр светодиода ослепительно сиял при токе 120 мА, вполне ярко светил при 20 мА, при токе 2 мА освещение на расстоянии 10 см позволяло читать текст, при токе 0,1 мА работал как обычный светодиод, при токах менее 50 мкА свечение уже почти не видно. Обычный светодиод можно использовать как индикатор при токе 1,5√2,0 мА, так что примерно 20-кратное повышение эффективности преобразования тока в свет налицо.

Минимальное напряжение на светодиоде находится в обратной зависимости от длины волны: для красных светодиодов оно составляет 1,5 В, для белых - 2,2 В, для синих - 2,9 В. Поэтому для синих светодиодов напряжения двух элементов уже недостаточно, нужно три элемента или преобразователь напряжения.

Некоторое время спустя я приобр╦л светодиодный фонарик фирмы Camelion. Он снабж╦н приличным рефлектором и в н╦м есть преобразователь напряжение√ток, благодаря которому он, во-первых, может работать от двух пальчиковых батареек АА и, во-вторых, яркость свечения не зависит от напряжения батарей, можно даже работать от одной батарейки. Миниатюрная схема преобразователя смонтирована на цоколе светодиода, в целом конструкция стала похожа по размерам на обычную лампочку для карманного фонаря с цоколем. Ток потребления оказался довольно большим - 240 мА, почти как у обычной лампочки. Пришлось разобраться со схемой. Один транзистор, трансформатор на колечке. КПД оказался менее 30%. Может, попался бракованный фонарик, поскольку стоил он подозрительно д╦шево. Пришлось переделать схему преобразователя, взяв за основу DC-DC-преобразователь ADS1110 фирмы Analog Devices. Ток потребления снизился до 80 мА, КПД составил 75%. Получился приличный фонарик, теперь он действительно может светить часов 30.

Попытался улучшить оптику фонарика. Из-за направленного излучения рефлектор оказывается не эффективным. Гораздо лучше использовать линзу, которая да╦т красивый ярко освещ╦нный круг, и главное - внутри круга равномерное освещение, в отличие от обычного фонаря. Идеальный фонарик.

Далее я попробовал установить светодиод с преобразователем в карманный фонарик с динамическим генератором - "жучок". Получилось отлично - из напрягающего руку, мерцающего и нервирующего аппаратика получается довольно удобный в пользовании (динамо стало крутиться почти без усилий) фонарик с равномерным, не прыгающим лучом. При этом практически вечный - срок службы светодиода 100 тысяч часов, и только механика износится быстрее или корпус разобь╦тся┘

Суперяркий светодиод - родственник полупроводникового лазера, в основе его работы лежат парадоксальные законы квантового мира. Энергия электрического тока почти полностью преобразуется в энергию квантов света, КПД приближается к 90%. Если потрогать корпус светодиода, он холодный - потери тока на тепло малы. Но если зажать светодиод пальцами, становится горячо: свет поглощается кожей и нагревает е╦. Точно так же, как свет солнца.

Так что суперяркий светодиод оказывается очень интересным прибором, и фонарики на его основе найдут сво╦ постоянное место на рынке бытовой электроники.

По вопросам приобретения фонариков на светодиодах обращайтесь на фирму "Новая практика", www.fonarik.ru.