Оптимизация работы велосипедного генератора

Вопрос достижения максимального свечения ламп накаливания велосипедной фары (велофа­ры) и увеличения срока службы самих ламп велофары весьма актуален для многих владельцев велосипедов. В первую очередь, это вызвано за­висимостью выходного напряжения генератора велосипедов от скорости движения самого вело­сипеда, поскольку ротор велогенератора имеет привод от колеса велосипеда. Чем выше частота вращения колеса, тем больше выходное напря­жение генератора, а стабилизаторов напряжения простейшие генераторы для велосипедов, увы, не имеют.

Настоящей теме была посвящена статья в [1]. Общеизвестно, что световой поток ламп накали­вания зависит от напряжения их питания, а вы­ходное напряжение генератора велосипеда за­висит от скорости вращения колес этого транс­портного средства. Автор [1] предложил устано­вить в велофаре две лампы накаливания на раз­личные номинальные напряжения (2,5 В и 6,3 В). При малой скорости движения, когда генератор велосипеда выдает небольшое выходное напря­жение, тиристор VS1 (рис.1) заперт, а транзис­тор VТ1 насыщен, и светится лампа ЕL1 (2,5 В).

Рис. 1

Увеличение скорости вращения колес велоси­педа приводит к увеличению выходного напряже­ния велогенератора. Отпирается тиристор VS1 начинает светиться лампа накаливания в его ано­де ЕL2 (6,3 В). Предполагалось, что лампа нака­ливания ЕL1 при этом должна погаснуть из-за за­пирания транзистора VТ1.

Рис. 2

Схема была повторена. На  рис.2 показан чертеж печатной платы макета и расположение радиокомпонен­тов на ней.

Фактически эксперимент показал, что с учетом разброса параметров использованных в схеме ра­диокомпонентов, особенно коэффициента усиле­ния транзистора VT1, падения напряжения на от­крытом тиристоре VS1 (около 2 В) оказывается до­статочно для насыщения транзистора VT1 базо­вым током через резистор R2 (330 Ом). Это приво­дит к тому, что лампа EL1 не прекращает свечения одновременно с началом свечения лампы EL2. Со­хранение свечения лампы накаливания ЕL1 для велосипедиста не является недостатком. Скорее, это достоинство, так как возрастает яркость све­чения велофары, однако при относительно боль­шом напряжении велогенератора возрастает и на­пряжение питания лампы ЕL1. Оно становится на­много больше номинального (2,5 В). Это неминуе­мо резко сократит срок службы лампы ЕL1.

С целью дальнейшего совершенствования схемы рис.1 была собрана схема рис.3. При этом ставились несколько задач. Учитывая то, что велогенератор относительно маломощный, вероятно, целесообразным было бы при включе­нии более высоковольтной лампы (ЕL2) произво­дить отключение низковольтной (ЕL1). Кроме то­го, оба коммутирующих элемента в цепях этих ламп должны иметь малые падения напряжения при их насыщении. С этой точки зрения в схеме используются ключевые транзисторы. На транзисторе, находящемся в состоянии насыщения, па­дение напряжения около 0,5…1,5 В (в зависимо­сти от типа транзистора). Для сравнения можно заметить, что на открытом тиристоре падение напряжения около 1,5…2,5 В.

Рис. 3

Следует оговориться, что первоначально от­каз от тиристора КУ101А для схемы был вызван тем, что по ТУ предельно допустимый постоян­ный или пульсирующий ток тиристоров серии КУ101 не должен превышать 75 мА. Более силь­ноточные отечественные тиристоры имеют боль­шие габариты, имеют большой разброс парамет­ров и требуют больших токов управления. Можно было бы использовать распространенный чувствительный импортный тиристор, например, ВТ132-600Е, однако целесообразнее вместо ти­ристора применить транзистор (рис.3).

Для обеспечения ключевого режима работы транзистора VТ3 он управляется пороговым эле­ментом — триггером Шмитта на транзистора VT1 и VT2.  Если выходное напряжение велогенерато­ра, подаваемое на контакты 1-2 колодки ХS1, не превышает определенного «минимального» пре­дела, то за счет резистивного делителя напряже­ния R1R2 транзистор VТ1 заперт. При этом транзистор VT2 насыщен. Через резистор R4 он обес­печит насыщение ключевого транзистора VT3 и возможность свечения лампы накаливания EL1 в его коллекторе. В этом режиме транзистор VT4 заперт, а лампа накаливания в его коллекторе EL2 погашена. Как только значительно возрастет скорость вращения ротора велогенератора, уве­личится и напряжение на контактах 1-2 колодки XS1. Это приведет к изменению состояния триг­гера Шмитта. В итоге транзистор VT2 перейдет в непроводящее состояние. Соответственно, за­прется транзистор VT3 и погаснет EL1. Начнет протекать ток базы транзистора VT4 через сопро­тивление нити накала лампы EL1 и резистор R6.

Этот транзистор отпирается, обеспечи­вая возможность свечения лампы накаливания EL2.

На рис.4 показана топография пе­чатной платы и расположение радио­компонентов на ней.

Рис. 4

С учетом того, что в холодном состоя­нии сопротивление нити накала ламп накаливания в несколько раз меньше, чем при их свечении, транзисторы VT3 и VT4 должны быть рассчитаны на максималь­ный ток коллектора не менее 1,5 А, что повысит надежность их работы в схеме.

Указанные на рис.3 номиналы R1, R2 и тип VD2 определяют максимально возможное на­пряжение на лампы EL1 — 3,5 В. Эти лампы менее дефицитны, чем на 2,5 В. Если же при повторении схемы будут использованы низковольтные лампы, то необходимо подобрать номинал резистора R2.

При больших токах потребления ламп накали­вания EL1 и EL2 емкость конденсатора С1 (47 мкФ), конечно, не обеспечивает высокой степени сгла­живания пульсаций выпрямленного диодным мостом VD1 переменного напряжения велогенератора, но в схеме рис.3 это и не требуется.

Не указаны на рис.3 и номиналы мощности ламп накаливания. Это обусловлено в первую очередь тем, что для увеличения силы света ве­лосипедной фары желательно применять в ней лампы повышенной мощности (с большим допус­тимым рабочим током), но такое «форсирование» фары ограничивается отдачей велогенератора при езде на конкретных скоростях движения ве­лосипеда. Приходится идти на компромисс.

Если при повторении схемы возникнут труднос­ти с приобретением транзисторов VT3, VT4 (р-n-р, КТ973Б), то можно использовать, например, транзисторы КТ972Б (n-p-n). При этом потребует­ся применить в качестве VT1, VT2 — КТ3107Б (или аналогичные) и изменить полярность включения некоторых радиокомпонентов — VD1, VD2, С1.

Литература

1. Солонин В. Регулятор напряжения велоге­нератора // Радиомир. — 2011. — №7. — С.37-38

Автор: Андрей Николаев, г. Запорожье
Источник: Радиоаматор №6/2016