Jak funguje noční světýlko

PhDr. Mgr. Jeroným Klimeš, Ph.D. 2021-07-02

Našel jsem rozbité noční světýlko - svitivá LED dioda, která se rozsvěcí, když je tma.

Protože byly na tištěném spoji údaje u diskrétních součástek, tak jsem si ho překreslil do simulátoru od Paula Falstada:

http://www.falstad.com

Zde je tedy výsledek (zip soubor ):

Nemohu říci, že tomu do detailu rozumím, ale mám to tu pro ty, které by zajímalo, jak takové legrácky fungují. Zapojení se skládá ze tří takřka samostatných částí - zdroj, část pro den, část pro noc.

A) Zdroj

Napojeno na 230 V 50 Hz. Hlavní součástkou je kondenzátor 330 nF, ten se chová jako zdánlivý odpor s impedancí: 1/(ω.C)=1/(2 . 3,14 . 50 . 330e-9)=9645 Ω, kde ω=2.π.frekvence je úhlová rychlost. Když přidáme odpor v sérii 330 Ω, má tato dvojice okolo 10 kΩ. Tedy propouští proud I=230V/10kΩ=23mA, což je o trochu víc, než potřebuje ta svítivá LEDka. Odpor 330Ω je tam pouze k tomu, aby zbrzdil napěťové špičky, které by jinak kondenzátor bez problémů propustil, páč mají vysokou frekvenci. Zřejmě to bylo navrženo, aby 1/3 napětí připadla na odpor, 2/3 na kondenzátor. Kdyby se to navrhlo jen z odporů, tak by to moc hřálo: P=U.I=230*20mA=4,6W. Tento odpor je navržen na 2W: P=77V.23mA=1,76W.

Paralelní odpor 514k je velký, takže proud, který propouští do LEDky je zanedbatelný - navrhuje se, aby byl alespon 10x menší, tady je cca 100x menší (153V/514kΩ=300μA). Proč tam tedy je? Spočítal jsem si, že v okruhu s kondenzátorem 333nF má časovou konstantu τ=R.C=(514e3.330e-9)=0,17s, za tu se vybije kondenzátor na 36% (1/e). Tedy za půl sekundy po vytažení světýlka ze zásuvky je na něm bezpečných cca 12V. Tento odpor je tady k tomu, aby nás světýlko nekoplo, když si sáhneme na kontakty po vytažení ze zásuvky.

Dále je střídavý proud usměrněn přes Grätzův můstek čtyř diod a stabilizováno kondenzátorem 100 μF. Jen pozor bez následného obvodu s Zenerovo diodou by na tomto kondenzátoru neustále rostlo napětí. Až sem čistě a bezpečně navrhnutý zdroj proudu.

Tento zdroj je velmi měkký, takže při zátěži klesá jeho napětí k nule. Tato jeho jinak velmi nežádoucí vlastnost je využita k inverznímu zapojení tranzistoru a svítivé diody (LED). Poměrně dobře se dá udělat, že fotorezistor, který je citlivý na míru osvětlení, otvírá tranzistor, ale jde už hůře, aby to bylo naopak, aby klesající odpor uzavíral tranzistor. Většinou se to řeší dvěma tranzistory. Zde ušetřili druhý tranzistor tím, že zapojili první tranzistor tak, aby za světla zkratoval měkký zdroj.

B) Zkratování zdroje při osvětlení

Když světlo dopadá na fotorezistor, klesá mu odpor a tranzistor se otvírá. Otevřený tranzistor srazí napětí zdroje na nulu, viz levý osciloskop, a tak kvůli Zenerově diodě, která vyžaduje napětí alespoň 5,6 V, neteče žádný proud LEDkou, viz pravý osciloskop (zelená čára je záporné napětí na Zenerce). Světýlko nesvítí.

C) Rozsvícení LED ve tmě

Když přestane svítit světlo, naroste odpor fotorezistoru, a když tranzistor nemá proud na bázi, přesněji proud teče opačným směrem, tak se zavře a přestane zkratovat zdroj. Díky tomu se začne nabíjet kondenzátor 100 μF na zdroji. Napětí na něm by neustále rostlo, kdyby nepřekonalo průrazné napětí Zenerovy diody. Ta se kolem 5,6 V otevře, a tak se rozsvítí i LED dioda, kterou jsem navíc přemostil kondenzátorem (není v původním zapojení). Zenerka a LEDka mají dohromady něco přes 7 V, na LEDce zůstane 1,9 V, viz pravý osciloskop. Zenerka s LEDkou jsou tedy jakási pojistka, aby zde nerostlo napětí do nebezpečných výšin.

Zařízením neustále teče proud cca 20 mA, tzn. konstantních 5 W. Jinými slovy, to už mohli rovnou nechat tu LEDku, aby svítila nepřetržitě. Každopádně bylo by lepší, kdyby zařízením tekl proud jen, když se svítí. Proto tato zařízení rád studuji, ale nemám je doma zapnuté.

Kvůli měkkému zdroji a jeho zkratování bych nedoporučoval tento zdroj předělávat na baterky, i když samozřejmě by to šlo lehce předělat na 9V baterii.

Doporučená literatura

Dioda, tranzistor, tyristor názorně - Geniálně napsaná učebnice, na které jsem vyrostl (je i na ulož.to).

Soubor Calc (Excel) s výpočty.

Poděkování

Děkuji Dr. MV za objasnění některých detailů.