Самодельный драйвер для светодиодного фонаря. Экономическая целесообразность применения "драйвера" в светодиодном фонаре
Поступил мне тут заказ от одного хорошего знакомого, который увлекается рыбалкой. У него был простенький налобный фонарик, который обладал рядом недостатков, но полностью устраивал по размерам и внешнему виду. Ну что ж, для хорошего человека - хорошее дело, ну а для меня - просто тренировка мозгов и рук.
Приступим. Для начала выделю преимущества данного фонарика:
- компактный и легкий корпус;
- возможность регулировки фокуса;
- удобное расположение органов управления (кнопка), учитывая что фонарик налобный.
Теперь недостатки, которых куда больше:
- неудобное управление - три режима которые переключаются по циклическому алгоритму (четвёртый режим "выключено"), то есть если нужный режим пропустил, то надо "прощелкивать" все режимы по кругу, пока не "дощелкаешь" до нужного режима;
- один из режимов - мигающий - вообще бесполезный, только мешает управлению;
- нет контроля состояния аккумулятора, то есть при каждом цикле разряда портит аккумулятор, сильно разряжая его (если не выключить, может посадить аккумулятор до 1...2 вольт);
- нет стабилизации тока, то есть с разрядом аккумулятора яркость постепенно падает;
- заряд аккумулятора идет тупо через резистор, нет никакого контроля зарядного тока и отсутствует правильный алгоритм заряда литий-ионного аккумулятора (при каждом цикле заряда гробит аккумулятор);
- стоИт китайский светодиод с низкой эффективностью;
- стоИт китайский аккумулятор с завышенной емкостью на этикетке.
Теперь о том, что бы хотелось получить в итоге:
- удобное управление режимами, убрать мигающий режим;
- ввести стабилизацию тока через светодиод (поставить драйвер);
- заменить светодиод на более эффективный и надежный (CREE XPG), тёплого свечения (вместо штатного холодного);
- сделать контроль разряда аккумулятора, при разряде аккумулятора выключать фонарик;
- добавить контроллер заряда литий-ионного аккумулятора;
- заменить аккумулятор на нормальный.
Вскрываем корпус фонарика.
Здесь мы видим, что его "мозги" сделаны на основе БИС микросхемы, поэтому они не поддаются никакой модификации.
При замене светодиода на другой светодиод, выходной ток изменился почти на 50%, что говорит об отсутствии какой либо стабилизации тока. Решено выкинуть родную плату и сделать свою. В качестве управляющего контроллера я выбрал ATtiny13A-SSU ввиду следующих основных преимуществ:
- малая цена - около 30 рублей (на момент написания статьи, май 2014г.);
- компактный корпус поверхностного монтажа;
- в режиме сна потребляет менее 500 наноампер (!!!);
- возможность работы при низких напряжениях питания (вплоть до 1.8в);
- возможность работы при температуре ниже 0 градусов.
В качестве драйвера светодиода выбор пал на AMC7135 благодаря следующим характеристикам:
- возможность работы при низких напряжениях питания;
- минимальное падение напряжения на микросхеме - всего 0.15в;
- возможность ШИМ-регулировки яркости светодиода;
- компактный корпус.
Схема драйвера:
Небольшие пояснения о работе схемы и применяемых компонентах. Для измерения уровня заряда аккумулятора, используется АЦП микроконтроллера и внешний источник опорного напряжения (далее ИОН) REF3125 с выходным напряжением 2,5В. Внешний ИОН используется не просто так - с его помощью достигается измерение напряжения аккумулятора с минимальными погрешностями, так как точность встроенного в микроконтроллер ИОН"а оставляет желать лучшего. Управление AMC7135 производится при помощи ШИМ-сигнала, частотой 500 Гц. При отключении драйвера, микроконтроллер отключает AMC7135, обесточивает ИОН, и переходит в спящий режим "Power Down", потребляя менее 1 мкА . Устройство не требует какой-либо настройки и корректировки, и после сборки и прошивки начинает работать сразу. Чтобы можно было выбрать напряжение отключения драйвера "под себя", в конце статьи прилагается архив с прошивками под напряжения 3,1...3,6 Вольт с шагом 0,1В.
Развожу печатку, травлю, запаиваю, пишу софт в AVR Studio 5, прошиваю микроконтроллер. На этапе изготовления платы нужно просверлить отверстия, и соединить перемычками дорожки с обеих сторон платы. Я взял медную жилу от витой пары, залудил её, и сделал из неё перемычки.
Вот что из этого получилось. Печатку и набор прошивок можно скачать в конце статьи.
На одной стороне платы (двусторонняя диаметром 18 мм) разместились все управляющие мозги, на другой стороне платы расположился драйвер светодиода с полигоном из меди для должного охлаждения. Опционально на плату может быть установлена вторая микросхема-драйвер AMC7135 для увеличения максимального выходного тока с 350 мА до 700 мА. Небольшие размеры платы выбраны не случайно - необходимо было уместить драйвер на родное место в корпусе. Вот фотка для оценки размеров получившейся платки:
Родной контроллер управления давал на светодиод следующий ток в режимах:
- 1 режим, примерно 200 мА;
- 2 режим, примерно 60 мА;
- 3 режим, примерно 60 мА (мигающий).
Родной контроллер управляется по следующему алгоритму. При нажатии на кнопку выполнялся переход на следующий режим. 1 --> 2 --> 3 --> ВЫКЛ и так по циклу. Если нужный режим случайно пропустил, то придётся сидеть и "нащёлкивать" пока не дойдёшь до нужного режима. Также для выключения фонарика нужно "прощёлкать" все режимы. О быстром включении/отключении фонарика можно даже и не мечтать.
Моя плата контроллера с драйвером выдает следующие токи в разных режимах:
- 1 режим, 30 мА;
- 2 режим, 130 мА;
- 3 режим, 350 мА (будет использоваться кратковременно, так как в корпусе фонарика не предусмотрено должного охлаждения для светодиода).
Мой контроллер управляется по следующему алгоритму. Однократное (короткое) нажатие выполняет включение/отключение фонарика (с сохранением последнего выбранного режима). Длительное удерживание кнопки выполняет переключение режима на следующий. Таким образом, мы имеем возможность как быстро включать/отключать фонарик, так и менять режимы. Надоедливого и бесполезного режима "мигалки" теперь нету. При снижении напряжения аккумулятора до заданного в "прошивке" уровня, фонарик переходит на предыдущий режим. Тоесть если стоял режим 3, то сначала контроллер включит режим 2, затем фонарик поработает какое-то время, затем включится режим 1, фонарик поработает ещё какое-то время, и только потом он выключится. В интернете уже есть аналогичные конструкции, но они либо имеют управление при помощи разрыва цепи питания, что не всегда оправданно, либо у них не используется режим сна, а это очень важно!!
Итак, выкидываем старые мозги, а также убираем конденсатор, зачем-то подключенный параллельно кнопке. Наверно китайцы боролись с дребезгом контактов. У меня обработка дребезга будет программная, поэтому конденсатор больше не нужен.
Также достаём штатный светодиод, будем менять его на эффективный светодиод CREE XPG с тёплым свечением.
Готовим наш новый светодиод:
Собираем оптический блок:
Теперь встраиваем новую плату управляющего контроллера и драйвера светодиода:
Cобираем корпус:
Таким образом, на внешний вид не произошло никаких изменений, но внутри теперь всё как и должно быть. Контроль разряда аккумулятора, стабилизация тока, нормальное управление режимами, и "правильный" светодиод. В выключенном состоянии контроллер потребляет мало энергии, так как микроконтроллер переводится в режим сна.
Позже был установлен нормальный контроллер заряда аккумулятора на микросхеме MAX1508, а также родной китайский аккумулятор был заменён на внешний блок аккумуляторов, состоящий из 2 оригинальных банок Sanyo UR18650.
В активном режиме микроконтроллер ATtiny13A потребляет менее 500 мкА благодаря работе на тактовой частоте 128 кГц. Также в активном режиме добавляется потребление AMC7135, потребление внешнего ИОН, и потребление внутреннего АЦП микроконтроллера. Суммарный ток потребления в активном режиме зависит от используемого ИОН, и может составлять от 0,1 мА до 1 мА. Я применил ИОН REF3125, суммарное потребление схемы в рабочем режиме составило 0,5...0,8 мА.
ИОН REF3125 можно заменить на аналоги:
- ADR381
- CAT8900B250TBGT3
- ISL21010CFH325Z-TK
- ISL21070CIH325Z-TK
- ISL21080CIH325Z-TK
- ISL60002BIH325Z
- MAX6002
- MAX6025
- MAX6035BAUR25
- MAX6066
- MAX6102
- MAX6125
- MCP1525-I/TT
- REF2925
- REF3025
- REF3125
- REF3325AIDB
- TS6001
Прилагаю небольшое видео, демонстрирующее управление режимами. Видео снято давно, светодиод ещё тогда стоял родной, позже он был заменён на CREE XPG, также стоял родной аккумулятор. Лень было заново снимать видео. Также хочу предупредить, что не каждый программатор поддерживает прошивку микроконтроллеров на частоте 128 кГц. Для прошивки я использовал программатор "USBAsp" со включенной опцией "Slow SCK". Всем удачных самоделок!!
Внимание! Прошивка управляющего микроконтроллера была полностью переписана. Алгоритм работы программы стал более корректным, устранены некоторые недочёты в работе устройства. Ниже Вы сможете скачать пробную версию прошивки с ограничением по времени работы 10 минут. По истечении тестового времени, гаснет светодиод и блокируется управление. После переподключения аккумулятора, вновь получаем 10 минут тестового времени.
Полную версию прошивки можно приобрести .
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| МК AVR 8-бит | ATtiny13A | 1 | корпус SOIC 208 mil | В блокнот | ||
| Конденсатор | 1 мкФ | 1 | не менее 1 мкФ | В блокнот | ||
| Резистор | 4.7 кОм | 2 | или 3...10 кОм |
Анекдот (вместо эпиграфа). Профессор читает лекцию студентам:… как видите, данное технологическое решение простое, понятное, и очень надёжное. По этим причинам оно и не используется. На практике применяют другую технологию, которую мы с вами будем изучать в течение следующих пары месяцев...
Этот недешевый в общем-то фонарик принесли в практически идеальном внешне состоянии, что говорит о его явно безвременной кончине. И дважды сдохшим изнутри.
Первый раз он почил когда сгорела электроника токового драйвера - вполне закономерно для экстремального режима на предельных нагрузках. После чего над ним поработал видимо «умелец», пустив питание кристалла напрямую - в результате выгорел и сам светодиод.
Изготовители старательно запилили маркировку транзисторов и микросхем, наверное из чувства стыда за неоптимальный выбор компонентов. Но при этом не удосужились облудить медные ободки на плате выключателя (слева, показан красной стрелкой), и на «пятаке» платы драйвера - которые контачат с алюминиевым корпусом. Пришлось сделать это самому, чтоб предотвратить разрушение металлов в образовавшейся гальванопаре. Выгоревший кристалл был демонтирован при помощи промышленного фена. Вместо него запаял свежеприобретенный OS-Star-5W Warm White 3000K 300Lm, рассчитанный на ток 0.7А с падением напряжения 6v на светодиоде. В фонарике он будет использоваться на пониженной мощности, с целью продления ресурса светодиода и времени автономной работы фонаря от АКБ.
Тестируем новый кристалл. Его теплоотводный «пятак» тоже припаял к подложке для улучшения теплоотдачи, но как оказалось в дальнейшем, на выбранном рабочем токе 0.2А фонарь практически не греется. Вольтметр (слева) показывает падение напряжения на светодиоде, подключенном к лабораторному источнику питания через ограничительный резистор.
Драйвер восстанавливать заморочно и бессысленно, да и как показано ниже - даже вредно по факторам надежности и КПД в случае применения фонаря для повседневных целей. Поэтому пятак был очищен от радиодеталей, а для ограничения тока светодиода в районе 0.2А на полных батареях использован резистор сопротивлением 10 Ом.
На фото рядом два резистора по 5.1 Ом, аналогичные тем что упакованы в термоусадку. Там они соединены там последовательно, т.к. резистора на 10 Ом не оказалось под рукой.
После промывки от флюса и сборки светодиодного узла, фонарик был поставлен на испытания. Аккумуляторы 18650 не «родные», выдранные из батблока отслужившего свой срок ноутбука. Тем не менее какой-то запас емкости в них еще остался. Перед началом прогона они были заряжены до напряжения 4.12v каждый.
Потребляемый ток замерялся каждый час. Через 7 часов непрерывной работы напряжение аккумуляторов снизилось до 3.6v, что говорит о еще не окончательном их разряде, но уже близко к этому. При этом фонарик достаточно ярко освещает помещение, а на улице хорошо просвечивает более чем на полсотни меторв. Таким образом изделие восстановлено, и соответствует пожеланиям заказчика.
Расчеты и обоснование
Получаем (округленно) для режимов:
- максимальный - 2.05
- средний - 1.78
- минимальный - 1.63
На новом установленном светодиоде падение напряжения уже 6v, он конструктивно состоит из двух трехвольтовых секций, включенных последовательно. А значит и количество излучаемого света при одном и том же протекающем токе, у него в два раза больше чем у оригинального трехвольтового.
Ток потребления схемы с резисторным ограничителем находится в пределах от 0.21 до 0.13 А, в зависимости от степени разряда батарей. Но с учетом удвоения излучаемого света, световой поток даже на разряжающихся акб заметно больше, чем у оригинальной схемы в минимальном (экономичном) режиме. Для резисторного ограничителя ток потребляемый от батарей и ток СД - одинаковы. Но можно посчитать КПД, как отношение мощности подводимой к СД к общей мощности потребляемой всей схемой.
Итак КПД высоконадежного фонаря с резистором вместо импульсного драйвера, на полностью заряженной батарее - 74% , а на разряжающейся - 81% .
Для расчета КПД в оригинальной конструкции с импульсной запиткой, примем падение напряжения на СД 3.1v, а ток светодиода не меняется по мере разряда АКБ.
Получается что на небольшой мощности для повседневных нужд - оптимальнее правильный подбор светодиода, и применение простого и надежного резисторного ограничения тока. Такой подход обеспечивает больший КПД использования энергии батарей, по сравнению с запиткой через импульсный драйвер. А также многолетний ресурс безотказной работы, обусловленный надежностью схемы, и тем что в недогруженном режиме светодиод прослужит во много раз дольше.
Небольшое пояснение
Расчет КПД в схеме драйвером произведен без учета увеличения потребляемого тока по мере разряда батарей. Поэтому реальный КПД с импульсником на посаженных батареях окажется чуть меньше значений, указанных в последней таблице.
С драйвером ток светодиода поддерживается неизменным, и соответственно его яркость. Поэтому по мере разряда батарей, потребляемый от них ток начинает увеличиваться. Батареи будут садиться всё быстрее и быстрее.
С резистором же ситуация в точности наоборот - ток потребления снижается при разряде батарей, и т.о. позволяет протянуть на одной зарядке раза в полтора… два примерно дольше, чем если б было с драйвером. Конечно это достигается ценой некорого снижения яркости, но в такой ситуации лучше чтоб хоть немного да светило, чем вообще никак.
Вариант использовать вместо резистора проходной стабилизатор тока на ИМС или полевом транзисторе - рассматривал, но тоже отклонил т.к. сокращается время автономной работы по сравнению с резисторной схемой.
Выбор резистора был обусловлен разумным компромиссом между минимально необходимой освещенностью при разряде батарей, и стремлением по максимуму продлить время автономной работы фонаря. Что и было достигнуто - на посаженных батареях фонарь позволяет читать книжный текст, и дает вполне приемлимую освещенность для ориентирования на улице, «пробивая» десятки метров.
Давно присматривался к этим микросхемам. Очень часто что-нибудь паяю. Решил взять их для творчества. Эти микросхемы куплены ещё в прошлом году. Но до применения их в деле так и не доходило. Но не так давно моя мать дала мне на починку свой фонарик, купленный в офлайне. На нём и потренировался.
В заказе было 10 микросхем, 10 и пришло.
Оплатил 17 ноября, получил 19 декабря. Пришли в стандартном пупырчатом пакетике. Внутри ещё пакетик. Шли без трека. Был удивлён, когда обнаружил их в почтовом ящике. Даже на почту идти не пришлось. 
Не ожидал, что они настолько маленькие.
Микросхемы заказывал для других целей. Планами делиться не буду. Надеюсь, что у меня найдётся время воплотить их в жизнь (планы). Ну а пока немного другая история, приближенная к жизни.
Моя маман, гуляя по магазинам, увидела фонарик с хорошей скидкой. Что больше ей понравилось фонарик или скидка, история умалчивает. Этот фонарик вскоре стал и моей головной болью. Попользовалась она им не более полугода. Полгода проблемы, то одно, то другое. Я купил ей на место этого штуки три других. Но делать всё равно пришлось.
Фонарик хоть из недорогих, но имеет ряд существенных достоинств: в руке лежит удобно, достаточно яркий и кнопочка в привычном месте, алюминиевый корпус.
Ну а теперь о недостатках.
Питается фонарик от четырёх пальчиковых элементов типа ААА.
Поставил батарейки все четыре штуки. Измерил ток потребления – более 1А! Схема простая. Элементы питания, кнопка, ограничительный резистор на 1,0 Ом, светодиод. Всё последовательно. Ток ограничивается только сопротивлением 1,0 Ом и внутренним сопротивлением элементов питания.
Вот, что имеем в итоге.
Странно, что безымянный светодиод оказался живым.
Первым, что сделал – изготовил пустышку из старой батарейки.
Теперь будет питаться от 4,5В, как все китайские фонарики в основной своей массе.
И самое основное, вместо сопротивления поставлю драйвер AMC7135.
Вот стандартная схема его подключения.
Для этой микросхемы требуется минимум обвязки. Из дополнительных компонентов желательно установить пару керамических конденсаторов, что бы не было самовозбуждения микросхемы, особенно если к светодиоду идут длинные провода. В даташите есть вся необходимая информация. В фонарике длинных проводов нет, поэтому конденсаторов я в реальности не ставил, хотя в схеме обозначил. Вот моя схема, переработанная под конкретные задачи.
В данной схеме через кнопку-выключатель большой ток больше не будет течь в принципе. Через кнопку протекает только ток управления и всё. Ещё одной проблемой меньше.
Кнопку я тоже перебрал и смазал на всякий случай.
Вместо сопротивления теперь стоит микросхема с током стабилизации 360мА.
Всё собрал на место и измерил ток. Подключал и батарейки и аккумуляторы, картина не меняется. Ток стабилизации не меняется.
Слева – напряжение на светодиоде, справа – ток, через него протекающий.
Что же я добился в результате всех переделок?
1. Яркость фонаря практически не меняется при эксплуатации.
2. Разгрузил кнопку включения-выключения фонаря. Теперь через неё протекает мизерный ток. Порча контактов из-за большого тока исключена.
3. Защитил светодиод от деградации из-за большого протекающего тока (если с новыми батарейками).
Вот, в общем, и всё.
Как правильно распорядиться сведениями из моего обзора каждый решает сам. Я же могу гарантировать правдивость своих измерений. Кому что-то неясно по поводу этого обзора, задавайте вопросы. С остальным – кидайте в личку, обязательно отвечу.
На этом ВСЁ!
Удачи!
И ещё хотел бы обратить внимание на тот факт, что у моего фонарика выключатель стоит на плюсе. У многих китайских фонариков выключатель стоит на минусе, а это будет уже другая схема!
Планирую купить +60 Добавить в избранное Обзор понравился +58 +118Замена драйвера в Yupard копии фонаря MagicShine MJ-810
В данной статье пойдет речь об особенностиях замены драйвера в довольно популярной копии (клоне) фонаря MagicShine MJ-810 . Популярность копии определяется в первую очередь доступной ценой, простотой конструкции и ремонта.
Для замены драйвера производим не полную разборку фонаря. Выкручиваем корону. Для этого удобно использовать подходящий по размеру пруток.
Особенность конструкции данного фонаря - алюминиевый стакан с драйвером часто бывает не зафиксирован и может выкручивать по резьбе, тем самым нарушается цетровка магнитых датичков относительно магнита, который находиться в кольце выбора режима.
Для того что бы избавиться от этой проблемы закручиваем алюминиевый стакан до упора по часовой стрелке.
Переводим фонарь в положение OFF (выкл.) и определяем месторасположение магнита в кольце выбора режимов. Это удобно делать с помощью маленького шарообразного магнита.
Ставим метку маркером на алюминиевом стакане. Теперь мы знаем точку выключения OFF. Эта точка нужна нам для точного и правильного совмещения магнитных датчиков драйвера с магнитом в кольце.
Выкручиваем алюминиевый стакан с драйвером. Отпаиваем провода от светодиода. Вытаскиваем драйвер. Для замены есть две версии: Вариант 1 стандартынй драйвер - Драйвер c магнитным управлением 5-12 В (три режима яркости, строб и SOS). Для тех кого раздражает режимы мигания Вариант 2 модернизированная версия - Драйвер c магнитным управлением 5-12 В VER.2
Устанавливаем новый выбранный драйвер в алюминиевый стакан таким образом, что бы совместить точку выкл. OFF драйвера (смотри выше на фото) с синей меткой на алюминиевом стакане. Возможно придется сделать новый пропил в стакане для этого. Совместив точку выкл.OFF драйвера с меткой на стакане мы тем самым совмещаем и расположение магнита в кольце точно напротив точки выкл. OFF драйвера. Теперь при переключении режимов вращая кольцо магнит будет распологаться точно напротив магнитных датчиков.
При установке драйвера в стакан очень важно обеспечить надежный электрический контакт драйвера и корпуса стакана. Не будет контакта - фонарь работать не будет. Минус питания на драйвер подается через корпус фонаря и корпус алюминиевого стакана. Для надежного контакта нужно очистить посадочное место драйвера в стакане от грязи и окислов установить драйвер и зафикисровать его в стакане обжав или расклепав вержнюю кромку стакана. Далее производим сборку в обратном порядке. Припаиваем провода к светодиоду. Вкручиваем до упора стакан в корпус фонаря. Проверяем совмещение метки на стакане с магнитом в кольце. Далее устанавливаем в фонарь аккумуляторы и проверяем работоспособность фонаря. Убедившись, что фонарь работает исправно - выключаем, вынимаем аккумуляторы и только после этого устанавливаем изолятор между светодиодом и рефлекторм фонаря. Сборку -разборку фонаря нужно проводить без аккумуляторов. Далее правильно устанавливаем стекло с уплотнителем (если его перевернуть не той стороной нарушиться герметичность). Закручиваем корону - замена драйвера и сборка фонаря завершена.
Перечислим неисправности фонаря которые могут возникать:
- Неправильная установка драйвера или смещения стакана относительно магнита в кольце выбора режимов
- Отсутствие контакта между драйвером и алюминиевым стаканом
- Несправность драйвера (может возникнуть при переполюсовки и неправильной установке аккумуляторов)
- Неисправность светодиода (или кривая пайка светодиода на подложку). Рекомендуется использовать качественные светодиоды XM-L2 правильно припаянные на подложку star SinkPAD
- Неисправность аккумуляторов (на свежезаряженных аккумуляторах напряжение 4В на каждом и 8В на двух последовательно соединенных).
