The voltage converter in the optical probe

Данное устройство было разработано в связи с надобностью восстановления светового зонда, который применяется в медицине врачами для локального освещения полости рта у пациентов при её осмотре. Причиной неработоспособности оказался выход из строя лампы накаливания.

Поскольку лампы накаливания такой конструкции (2 В 200 мА с линзой в верхней части баллона лампы) нигде найти не уда­лось, было решено модернизировать световой зонд, исполь­зовав в качестве излучателя более надёжный, а также более экономичный элемент – белый ультраяркий светодиод.

Электрическая схема модернизированного светового зон­да показана на Fig.1.

Figure. 1

As seen from Fig.1, источником питания излучателя зон­да теперь служит один цилиндрический аккумулятор с на­пряжением 1,2 В (типоразмера ААА). Для получения требу­емого напряжения питания для светодиода VD1 использован повышающий преобразователь постоянного напряжения струк­туры DC/AC.

Как видно из схемы, преобразователь представляет со­бой блокинг-генератор. В результате работы преобразовате­ля на аноде светодиода VD1 во время закрытого состояния транзистора VT1 образуются униполярные импульсы напря­жения, значение напряжения которых складывается из на­пряжения источника питания 1,2 В и напряжения противо-ЭДС, которые возникают на вторичной обмотке трансфор­матора Т1 при закрытии транзистора VT1. Таким образом, напряжение на аноде светодиода VD1 достигает среднеква­дратичного уровня напряжения 3…3,5 В, в зависимости от экземпляра.

В качестве активного элемента преобразователя (для хо­рошей повторяемости) использован дешевый и широко рас­пространенный транзистор КТ315, который к тому же имеет достаточно малое напряжение насыщения (эмпирически – около 0,1 В при напряжении 1 В и токе через транзистор 100 мА). Баланс фаз и баланс амплитуд в генераторе обес­печен конструктивно соответствующим изготовлением (бифилярной намоткой и соединением обмоток I и II между собой) трансформатора Т1.

Режим работы по постоянному току транзистора VT1 ге­нератора определяется резистором R1.

Design

Конструктивно элементы преобразователя напряжения и светодиод VD1 удалось разместить в объёме штатных эле­ментов светового зонда – одного гальванического элемента типоразмера ААА и лампочки накаливания.

Печатная плата изготовлена из двухстороннего стеклотек­столита толщиной 1 мм. Размеры печатной платы показаны на Fig. 2, размещение деталей генератора и светодиода VD1 на печатной плате – на Figure 3.

Fig. 2

Детали преобразователя смонтированы со стороны соеди­нительных печатных проводников. Фольга с другой стороны печатной платы оставлена полностью. Для устранения кон­такта выводов трансформатора Т1 и резистора R1 с фоль­гой со стороны сплошной фольги, отверстия, через которые они проходят, раззенкованы.

На расстоянии 10 мм от левого конца платы со стороны сплошной фольги (пунктирная пиния на Figure 3) резаком сде­лан надрез, отделяющий получившуюся площадку от осталь­ной фольги, соединенной с минусом АК.

Fig. 3

Положительный контакт печат­ной платы преобразователя вы­полнен в виде проволочной ско­бы – перемычки, которая припа­яна одним концом к упомянутой выше площадке на печатной пла­те, что со стороны сплошной фоль­ги, а второй конец скобы припа­ян к печатному проводнику, к ко­торому присоединяется левый (по Figure 3) вывод трансформатора Т1.

Минусовой контакт печатной платы (Fig. 4) сформирован с двух сторон в радиальной части печатной платы. Для этого после двухстороннего осесимметрич­ного пропила (Fig. 4, поз.1), в сторону оси радиальной час­ти платы на глубину, равную толщине печатной платы, в пропил укладываются проводники из медной проволоки (Fig. 4, поз.2, 3) диаметром примерно равным толщине платы, кото­рые затем припаиваются к печатным проводникам с обеих сторон печатной платы.

Fig. 4

Таким образом «металлизируется» торцевая (радиальная) часть печатной платы, что благодаря её достаточной длине обеспечивает хороший контакт с металлическим корпусом зонда, что и требуется. Для исключения возможного контак­та обмотки трансформатора Т1 с металлическим корпусом зонда, в месте возникновения возможного контакта к транс­форматору Т1 приклеена полоска липкой ленты.

Приложение усилия прижима идёт по следующей механической цепочке: усилие от сжатой пружины, что имеется конструктивно на кнопке-вы­ключателе SA1, прижима­ет корпус АК (минусовой вывод), АК, в свою оче­редь, своим выступаю­щим положительным вы­водом прижимает скобу положительного вывода печатной платы преобра­зователя. В результате чего плата своей «металлизированной» торцевой радиальной частью прижимается к внутренней радиальной части металлического корпуса све­тового зонда.

Внешний вид элементов корпуса зонда и печатной пла­ты с элементами преобразователя и излучателем в сборе по­казан на photo.

Configuring

В авторском варианте для проведения испытаний схемы преобразователя использовался источник постоянного тока Б5-7 с регулируемым выходным напряжением.

Настройка преобразователя заключается в подборе но­минала резистора R1 в цепи базы транзистора VT1 до по­лучения тока потребления – 42 мА при напряжении питания 1,2 В. После этого частота колебаний в авторском экземп­ляре генератора равнялась 404 кГц.

В процессе испытаний преобразователя было отмече­но, что при фиксированном смещении базы транзистора Т1 и повышении напряжения питания до 1,5 В имеется не значительный прирост тока потребления генератором от ис­точника питания, однако увеличения светоотдачи светоди­одов визуально не наблюдается.

При повышении напряжения до 2 В ток потребления ге­нератором от источника питания ещё больше увеличивает­ся, однако яркость свечения светодиодов ощутимо умень­шается. При снижении напряжения питания до 1 В наблюдается некоторое увеличение яркос­ти, что, по-видимому, вызвано из­менением положения рабочей точки генератора на петле гистерезиса магнитопровода трансформатора Т1 и возникающими при этом резонансны­ми явлениями в контуре преобразо­вателя. При дальнейшем уменьшении напряжения питания становится за­метным уменьшение светоотдачи све­тодиода излучателя.

При снижении напряжения источ­ника питания до 0,7 В, уровень све­тового потока светодиода VD1 вполне достаточен, например, для того, что­бы чётко различить в темноте, что на­ходится под ногами.

Измерения, проведённые с помо­щью цифрового осциллографа DS-1150, показали, что форма генерируемых преобразователем им­пульсов прямоугольная, с достаточно крутыми фронтами и спадами, амплитудой около 4 В и скважностью около 3, что подтверждает работу светодиода излучателя в режиме номинальных напряжений, а также то, что сечение магнитопровода, который использован для изготовления транс­форматора Т1, также достаточно, поскольку рабочая точка магнитопровода находится на линейном участке петли гис­терезиса.

Из анализа поведённых экспериментов с напряжением питания генератора также можно сделать вывод, что в дан­ном случае схема работает в оптимальном режиме по кри­терию: ток потребления от источника питания/яркость све­чения светодиода.

Details

Транзистор VT1 – КТ315 с любым буквенным индексом, или другой структуры n-p-n кремниевый маломощный с малым на­пряжением насыщения, например, КТ503. В авторском вари­анте экземпляр транзистора VT1 не подбирался.

Трансформатор Т1 намотан на цилиндрическом магнито­проводе от стандартного дросселя ДМ-0,2 с диаметром 3,5 мм и длиной 30 мм. Обмотки I и II трансформатора Т1 одинако­вые и содержат по 30 витков эмалированного провода ПЭВ-2 диаметром 0,3 мм.

Укладка витков обмоток на магнитопровод трансформа­тора Т1 выполнена равномерно по всей длине магнитопро­вода одновременно двумя проводниками в один спой.

Взаимное соединение обмоток (фазировка) трансформа­тора Т1 – в соответствии с Fig.1. Начало каждой обмотки на схеме условно обозначено точкой.

Author: Sergei Elkin, Zhitomir