Самодельный фонарь на светодиодах

Обсуждение светодиодов и их использования. А так же полробные описания по установке и внедрению.
Аватара пользователя
light
Администратор
Администратор
Сообщения: 1539
Зарегистрирован: 03 мар 2008, 01:57
Пол: Мужской
Благодарил (а): 1 раз
Контактная информация:

Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение light » 10 мар 2008, 14:52

Самодельный фонарь на светодиодах

Автор Владимир Ращенко - http://vlads-gallery.narod.ru/Russian/index_ru.html
E-mail: rashenko@inp.nsk.su

Часть I. Самодельный фонарик на светодиодах

Статья посвящается туристам-радиолюбителям, и всем, кто так или иначе сталкивался с проблемой экономичного источника освещения (например палатки в ночное время). Хотя в последнее время фонарями на светодиодах никого не удивишь, я все же поделюсь своим опытом в создании подобного прибора, а также постараюсь ответить на вопросы тех, кто захочет повторить конструкцию.

Примечание: статья рассчитана на "продвинутых" радиолюбителей, хорошо знающих закон Ома и державших в руках паяльник.

За основу был взят покупной фонарик "VARTA" с питанием от двух батареек типа АА.

Изображение

Больше всего в нем мне понравился вращающийся на 360° отражатель, который позволяет освещать любой угол палатки, если фонарик подвесить под куполом. Оставалось доработать фонарик, т.е. оснастить его небольшой схемкой для работы на светодиоды. Поскольку диоды имеют сильно нелинейную ВАХ, задача заключалась в разработке стабилизатора напряжения, который бы обеспечивал постоянную яркость свечения по мере разряда батареи и сохранял работоспособность при возможно более низком напряжении питания. К сожалению, в наших розничных магазинах мне удалось найти только одну микросхему, удовлетворяющую всем моим запросам - это Maxim-овский микромощный повышающий DC/DC конвертор MAX756. По заявленным характеристикам он должен был работать при снижении входного напряжения до 0.7В .

Схема включения - типовая:

Изображение

А вот как выглядит схема в собранном виде:

Изображение

Весь монтаж выполнен навесным способом. В качестве "опорных" точек служат ножки DIP-микросхемы.
Несколько пояснений к схеме: электролитические конденсаторы - танталовые ЧИП. Они имеют низкое последовательное сопротивление, что несколько улучшает КПД. Диод Шоттки - SM5818. Дроссели пришлось соединить два в параллель, т.к. не оказалось подходящего номинала. Конденсатор С2 - К10-17б. Светодиоды - сверхяркие белые L-53PWC "Kingbright". Как видно на рисунке, вся схема легко уместилась в пустом пространстве светоизлучающего узла.
Выходное напряжение стабилизатора в данной схеме включения равно 3.3В. Поскольку падение напряжения на диодах в номинальном диапазоне токов (15-30мА) составляет около 3.1В, то лишние 200мВ пришлось высеять на резисторе, включенном последовательно с выходом. Кроме того, небольшой последовательный резистор улучшает линейность нагрузки и стабильность схемы. Связано это с тем, что диод имеет отрицательный ТКС, и при разогреве его прямое падение напряжения уменьшается, что приводит к резкому росту тока через диод, при питании его от источника напряжения. Разравнивать токи через параллельно включенные диоды не пришлось - различия яркости на глаз не наблюдалось. Тем более, что диоды были одного типа и взяты из одной коробки.

Теперь о конструкции светоизлучателя. Пожалуй, это самая интересная деталь. Как видно на фотографиях, светодиоды в схеме не запаяны намертво, а являются съемной частью конструкции. Это я решил сделать для того, чтобы не курочить фонарик, и при случае в него можно было бы вставить обычную лампочку. В результате долгих раздумий на предмет убиения двух зайцев родилась вот такая конструкция.

Изображение Изображение

Думаю, что особых пояснений здесь не требуется. Потрошится родная лампочка от этого же фонарика, во фланце с 4-х сторон делаются 4 пропила (один там уже был). 4 светодиода располагаются симметрично по кругу с некоторым растопыром для большего угла охвата (пришлось немного подпилить их у основания).

Плюсовые выводы (так получилось по схеме) припаиваются на цоколь возле пропилов, а минусовые вставляются изнутри в центральное отверстие цоколя, обрезаются и тоже пропаиваются. В результате получается такой вот "ламподиод", встающий на место обычной лампочки накаливания.
И в заключение, о результатах испытаний. Для тестирования были взяты полудохлые батарейки, чтобы быстрее довести их до финиша и понять, на что способен новоиспеченный фонарь. Измерялось напряжение батарей, напряжение на нагрузке и ток через нагрузку. Прогон начинался с напряжения батареи 2.5В, при котором светодиоды напрямую уже не горят. Стабилизация выходного напряжения (3.3В) продолжалась вплоть до снижения напряжения питания до ~1.2В. Ток нагрузки при этом составлял около 100мА (~ по 25мА на диод). Затем выходное напряжение начало плавно снижаться. Схема перешла в другой режим работы, при котором она уже не стабилизирует, а выдает на выход все, что может. В таком режиме она проработала до напряжения питания 0.5В! Выходное напряжение при этом упало до 2.7В, а ток со 100мА до 8мА. Диоды все еще горели, но их яркости хватало только на освещение замочной скважины в темном подъезде. После этого батарейки практически перестали разряжаться, т.к. схема перестала потреблять ток. Погоняв схему в таком режиме еще минут 10, мне стало скучно, и я ее выключил, т.к. дальнейший прогон интереса не представлял.
Яркость свечения сравнивалась с обычной лампочкой накаливания при такой же потребляемой мощности. В фонарик вставлялась лампочка 1В 0.068А, которая при напряжении 3.1В потребляла приблизительно такой же ток, что и светодиоды (около 100мА). Результат в пользу светодиодов однозначно.

Май 2003 г.
♥Интернет магазин♥ - http://shop.bi-led-light.com ♠YOUTUBE канал♠ - https://www.youtube.com/c/SBllight ♦Вконтакте♦ - https://vk.com/shop_bll ♣Инстаграм♣ - https://www.instagram.com/s.bll DRIVE2RU - https://www.drive2.ru/users/s-bll/

Аватара пользователя
light
Администратор
Администратор
Сообщения: 1539
Зарегистрирован: 03 мар 2008, 01:57
Пол: Мужской
Благодарил (а): 1 раз
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение light » 10 мар 2008, 15:10

Часть II. Немного о КПД или "Нет предела совершенству"

Прошло больше месяца с тех пор как я собрал свою первую схему для питания светодиодного фонарика и написал об этом в вышеизложенной статье. К моему удивлению, тема оказалась очень популярной, судя по количеству отзывов и посещений сайта. С тех пор у меня появилось некоторое понимание предмета :) , и я счел своим долгом подойти к теме более серьезно и провести более тщательные исследования. На эту мысль меня навело также и общение с людьми, решавшими подобные задачи. О некоторых новых результатах я и хочу рассказать.
Во-первых, мне следовало бы сразу измерить КПД схемы, который оказался подозрительно низким (около 63% при свежих батарейках). Во вторых, я понял главную причину такого низкого КПД. Дело в том, что те миниатюрные дроссели, что я использовал в схеме, имеют чрезвычайно высокое омическое сопротивление - около 1.5ом. Ни о какой экономии электроэнергии с такими потерями не могло быть и речи. В-третьих я обнаружил, что величина индуктивности и выходной емкости тоже сказываются на КПД, хотя и не так заметно.
Использовать стержневой дроссель типа ДМ как-то не хотелось из-за его большого размера, поэтому я решил изготовить дроссель самостоятельно. Идея проста - нужен маловитковый дроссель, намотанный относительно толстым проводом, и в то же время достаточно компактный. Идеальным решением оказалось кольцо из µ-пермаллоя с проницаемостью порядка 50. В продаже есть готовые дроссели на таких колечках, широко используемые во всевозможных импульсных БП. В моем распоряжении оказался такой дроссель на 10мкГ, имеющий 15 витков на кольце К10х4х5. Перемотать его не было никаких проблем. Индуктивность пришлось подобрать по измерению КПД. В диапазоне 40-90мкГ изменения были очень незначительные, меньше 40 - более заметные, а на 10мкГ стало совсем плохо. Поднимать выше 90мкГ я не стал, т.к. возрастало омическое сопротивление, а более толстый провод "раздувал" габариты. В итоге, более из эстетических соображений, я остановился на 40 витках провода ПЭВ-0.25, т.к. они ровно улеглись в один слой и получилось около 80мкГ. Активное сопротивление получилось около 0.2 ом, а ток насыщения по расчетам - более 3А, что хватает за глаза.. Выходной (а заодно и входной) электролит я заменил на 100мкФ, хотя без ущерба для КПД можно уменьшить и до 47мкФ. В результате конструкция претерпела некоторые изменения, что, впрочем, не помешало ей сохранить свою компактность.

Изображение

Схему я приводить не буду, т.к. она не изменилась, изменились лишь соответствующие номиналы. После доработки схемы, для полноты картины, я не поленился проделать лабораторную работу и снял основные характеристики схемы:

1. Зависимость выходного напряжения, измеренного на емкости С3, от входного. Эту характеристику я снимал и раньше и могу сказать, что замена дросселя на более добротный дала более горизонтальную полочку и резкий излом.

Изображение

2. Интересно было также проследить изменение потребляемого тока по мере разряда батареек. Хорошо видна типичная для ключевых стабилизаторов "отрицательность" входного сопротивления. Пик потребления пришелся на точку, близкую к опорному напряжению микросхемы. Дальнейший спад напряжения привел к снижению опоры, а значит и выходного напряжения. Резкий спад тока потребления в левой части графика вызван нелинейностью ВАХ диодов.

Изображение

3. Ну и наконец, обещаный КПД. Здесь он измерялся уже по конечному эффекту, т.е. по рассеиваемой мощности на светодиодах. (Процентов 5 теряется на балластном сопротивлении). Производители чипа не наврали - при правильной схеме положенные 87% он дает. Правда это только при свежих батарейках. По мере роста потребляемого тока КПД, естественно, снижается. В экстремальной точке он вообще падает до уровня паровоза. Рост КПД при дальнейшем снижении напряжения практической ценности не представляет, т.к. фонарик уже находится "на издыхании" и светит очень слабо.
Глядя на все эти характеристики можно сказать, что фонарь уверенно светит при спаде питающего напряжения до 1В без заметного снижения яркости, т.е. схема фактически отрабатывает трехкратную просадку напряжения. Обычная лампочка накаливания при таком разряде батарей уже вряд ли будет пригодна для освещения.

Изображение
Июль 2003 г
Фонарик эксплуатировался, в основном, в качестве источника освещения палатки в вечернее время и иногда - для наружных ночных вылазок. Ежедневный прогон - от часа до двух непрерывной работы. В таком режиме одного комплекта щелочных батареек АА хватает примерно на неделю. Дальнобойность фонарика оказалась выше, чем я ожидал. В полной темноте (а ночь в горной тайге - это практически полная темнота) световое пятно бьет метров на 15.
Я думаю, данный девайс будет очень удобен для спелеологов, которым приходится носить на себе тонны батареек.

Октябрь 2003 г.

Источник:
http://www.skitalets.ru/
♥Интернет магазин♥ - http://shop.bi-led-light.com ♠YOUTUBE канал♠ - https://www.youtube.com/c/SBllight ♦Вконтакте♦ - https://vk.com/shop_bll ♣Инстаграм♣ - https://www.instagram.com/s.bll DRIVE2RU - https://www.drive2.ru/users/s-bll/

Аватара пользователя
light
Администратор
Администратор
Сообщения: 1539
Зарегистрирован: 03 мар 2008, 01:57
Пол: Мужской
Благодарил (а): 1 раз
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение light » 10 мар 2008, 15:41

Схема изготовления самодельного светодиодного фонаря

Автор - Владимир Едакин
krogr@drbit.ru

Некоторое время назад в интернете на многих форумах шли жаркие дискуссии - быть или не быть светодиодному фонарику (СФ). В результате ответ был один: "Быть!" При несомненном минусе - некоторой дороговизне изделия - плюсы все-таки перевешивали. Это и более долгий, по сравнению с ламповым, срок службы батарей, и нечувствительность к всякого рода ударам и встряскам.
А вот еще об одном минусе стоит сказать отдельно.
Этой весной я проводил эксперимент: было собрано два абсолютно одинаковых фонарика на одном светодиоде повышенного свечения. Зачем два? Один использовался в качестве эталонного, второй - в качестве испытательного. Двадцать четыре часа включенный испытательный СФ радовал веселым блеском темный карман моего коллеги по работе, затем был извлечен на свет. На первый взгляд, яркость свечения осталась неизменной, но… включение эталонного СФ все расставило на свои места: испытательный светил значительно хуже. Последующие двое суток прогона ничего нового не добавили, разве что яркость еще сильнее уменьшилась. Это и есть тот самый минус.
И вот тут возникла идея - собрать такую схемку, которая позволит поддерживать яркость свечения постоянной максимально возможное время, и будет высасывать заряд из батарей до последней капли. Несколько часов сидения в интернете принесли свои результаты - было найдено около десятка схем на т.н. DC/DC конвертерах. Свой выбор я остановил на одной из них, в которой использовался чип фирмы Analog Device - ADP1110. Остановил по той причине, что видел эту микросхему в продаже.
Вот она, эта схема.

Изображение

Это стандартная типовая схема включения ADP1110.

ВНИМАНИЕ! Данная микросхема-конвертер, согласно спецификации фирмы-производителя, выпускается в 8 (!) вариантах:

Модель
Выходное напряжение
ADP1110AN
Регулируемое
ADP1110AR
Регулируемое
ADP1110AN-3.3
3.3 V
ADP1110AR-3.3
3.3 V
ADP1110AN-5
5 V
ADP1110AR-5
5 V
ADP1110AN-12
12 V
ADP1110AR-12
12 V
Микросхемы с индексами "N" и "R" отличаются только типом корпуса: R покомпактнее.

Для нас представляют интерес только первые четыре модели: с регулируемым выходным напряжением и с выходным напряжением в 3,3 вольта. Хотя теоретически фонарик можно собрать на любой из вышеперечисленных.
Если вам посчастливилось купить чип с индексом -3.3, можете смело пропускать следующий абзац и переходить к пункту "Детали". Если нет - представляю вашему вниманию еще одну схему:

Изображение

В ней просто добавлены еще две детали, позволяющие получить на выходе все те же требуемые 3,3 вольта для питания светодиодов.

Детали

Я не буду изобретать велосипед и подробно расписывать то, что было уже сказано в статье [1] - все используемые там детали запросто подойдут и в нашу схему. Просто перечислю вкратце.
1. Дроссель. В качестве дросселя подойдет любой от 20 до 100 микрогенри с маленьким (меньше 0.4 ома) сопротивлением. На схеме указано 47 мкГн. Его можно сделать самому - намотать около 40 витков провода ПЭВ-0.25 на кольце из µ-пермаллоя с проницаемостью порядка 50, типоразмера 10х4х5.
2. Диод Шоттки. 1N5818, 1N5819, 1N4148 или аналогичные. Analog Device НЕ РЕКОМЕНДУЕТ использовать 1N4001 !!!!!
3. Конденсаторы. 47-100 микрофарад на 6-10 вольт. Рекомендуется использовать танталовые.
4. Резисторы. Мощностью 0,125 ватта. Наши или импортные - без разницы, только помните, что импортные - компактнее. Понадобятся сопротивлением 2 ома, возможно 300 килоом и 2,2 килоома.
5. Светодиоды. L-53PWC - 4 штуки.
Схему можно спаять и навесным монтажом (то есть, припаивать непосредственно ножки деталей друг к другу). А можно и еще немножко разориться и купить так называемую монтажную плату, выпилить из нее подходящий по размерам кусочек (скажем, 1,5х1,5 сантиметра) и распаять на нем. Тут уже решать вам.

P.S. К сожалению, не могу похвастаться готовым изделием - его попросту пока нет. Постараюсь по возможности быстрее собрать, обкатать и сообщить хотя бы о продолжительности непрерывного свечения с различными типами батарей.

При написании использовались следующие материалы:
1. Статья Владимира Ращенко "Самодельный фонарик на светодиодах"
2. Спецификация на микросхему DC/DC конвертер ADP1110. Взято с официального сайта фирмы Analog Device.



Источник:
http://www.skitalets.ru/
♥Интернет магазин♥ - http://shop.bi-led-light.com ♠YOUTUBE канал♠ - https://www.youtube.com/c/SBllight ♦Вконтакте♦ - https://vk.com/shop_bll ♣Инстаграм♣ - https://www.instagram.com/s.bll DRIVE2RU - https://www.drive2.ru/users/s-bll/

Ivan_r
Сообщения: 11
Зарегистрирован: 25 апр 2008, 22:59
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение Ivan_r » 25 апр 2008, 23:24

Странно написал огромную мессагу - а она не запостилась.... :(

А вот получилось - след мессага - это она...
Последний раз редактировалось Ivan_r 25 апр 2008, 23:27, всего редактировалось 1 раз.

Ivan_r
Сообщения: 11
Зарегистрирован: 25 апр 2008, 22:59
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение Ivan_r » 25 апр 2008, 23:26

прочитал все полностью....

Есть несколько существенных косяков :

1. Диоды нельзя включать параллельно :o :!: :!: :!: , да и не нужно - это токовый прибор, а не лампочка Ильича...(при параллельном включении токи через них будут разные - в результате перегрев одного из диодов и падение эмиссии через 1-2 мес юза)

2. Ставить надо ШИМ повышаюший драйвер(стабилизирует ток, а не напряжение) на 2 Мгц с внешним MOSFET-транзистором U-вых=4,5...25 Вольт, ток выставляется в широких пределах.

3. Резистор гасящий на 2 ОМ - это полный бред с точки зрения КПД.

P.S. Не хотел обидеть, хотел помочь, сам думаю сделать серьезный фонарь на 12ватт.

Аватара пользователя
light
Администратор
Администратор
Сообщения: 1539
Зарегистрирован: 03 мар 2008, 01:57
Пол: Мужской
Благодарил (а): 1 раз
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение light » 26 апр 2008, 09:56

Ivan_r
Спасибо за совет. Согласен с вами полностью.
Не понял по поводу огромной мессаги. Может повторите или кинете мне в личку и я опубликую. Очень уж интересно узнать, что вы ещё хотели сказать :)
♥Интернет магазин♥ - http://shop.bi-led-light.com ♠YOUTUBE канал♠ - https://www.youtube.com/c/SBllight ♦Вконтакте♦ - https://vk.com/shop_bll ♣Инстаграм♣ - https://www.instagram.com/s.bll DRIVE2RU - https://www.drive2.ru/users/s-bll/

Ivan_r
Сообщения: 11
Зарегистрирован: 25 апр 2008, 22:59
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение Ivan_r » 26 апр 2008, 15:36

light писал(а):Ivan_r
Спасибо за совет. Согласен с вами полностью.
Не понял по поводу огромной мессаги. Может повторите или кинете мне в личку и я опубликую. Очень уж интересно узнать, что вы ещё хотели сказать :)
Ну вот она второй и запостилась - а то сначала почему то никак ...

Аватара пользователя
light
Администратор
Администратор
Сообщения: 1539
Зарегистрирован: 03 мар 2008, 01:57
Пол: Мужской
Благодарил (а): 1 раз
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение light » 26 апр 2008, 17:03

Теперь понятно :D
♥Интернет магазин♥ - http://shop.bi-led-light.com ♠YOUTUBE канал♠ - https://www.youtube.com/c/SBllight ♦Вконтакте♦ - https://vk.com/shop_bll ♣Инстаграм♣ - https://www.instagram.com/s.bll DRIVE2RU - https://www.drive2.ru/users/s-bll/

Ivan_r
Сообщения: 11
Зарегистрирован: 25 апр 2008, 22:59
Откуда: Москва
Контактная информация:

Небольшое дополнение...

Сообщение Ivan_r » 27 апр 2008, 21:38

Светодиоды надо включать последовательно, желательно одинаковые, и желательно как можно большим их числом - тогда падение напряжения на них будет больше - а следовательно влияние на общий КПД схемы диода Шоттки (1N5818) - будет тоже меньше, т.е. на нем будет рассеиваться меньшая часть мощности отбираемой у аккумуляторной батареи.

Батарею тоже лучше не на 3 Вольта а на большее число вольт примерно по тем же соображениям.
Также по возможности надо параллельно емкостям электролитам поставить емкости по 1мкФ неполярные.

Электролиты кстати я бы совсем заменил на неполярные, пускай даже в 10 раз меньшей емкости, т.к. токи утечки, паразитная индуктивность и пр. бяка - в разы меньше чем у электролитов...

Аватара пользователя
light
Администратор
Администратор
Сообщения: 1539
Зарегистрирован: 03 мар 2008, 01:57
Пол: Мужской
Благодарил (а): 1 раз
Контактная информация:

Re: Самодельный фонарь на светодиодах

Сообщение light » 01 май 2008, 20:55

На счёт электролита не знал. Спасибо. Возьму на заметку :geek:
♥Интернет магазин♥ - http://shop.bi-led-light.com ♠YOUTUBE канал♠ - https://www.youtube.com/c/SBllight ♦Вконтакте♦ - https://vk.com/shop_bll ♣Инстаграм♣ - https://www.instagram.com/s.bll DRIVE2RU - https://www.drive2.ru/users/s-bll/

Ответить

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость