Перейти к содержанию

Мощный светодиод от одного литиевого аккумулятора


Falconist

28 359 просмотров

Обратился ко мне за помощью коллега (стоматолог), перешедший на работу под оптическим увеличением бинокулярной налобной лупой. Для комфортной работы ему необходимо достаточно яркое освещение рабочего поля. К сожалению, вся медтехника (кстати, аналогично автотехнике), раз в 5, если не больше, дороже, чем точно такая же техника бытового назначения. Поэтому он начал приспосабливать более-менее бюджетные фонарики под свою задачу. При этом столкнулся с гроздью проблем, среди которых было отсутствие плавной регулировки яркости светодиода, очень быстрое исчерпание энергии повербанков на два параллельных аккумулятора по 2,2 А*ч, применяемых для питания осветителя с быстрым снижением яркости освещения (приходилось их подзаряжать до нескольких раз в течение одного рабочего дня) ну и, наконец, быстрый выход из строя светодиодов.

Я проникся его проблемами и начал с ними разбираться. Начал с вышедших из строя светодиодов. Оказалось, что они фирмы Cree, типа таких:

Светодиод.jpg

но из четырех нерабочих ТРИ кристалла банально отвалились с подложки!!! Перегрева не было, т.к. питались они от платки фонарика, откуда были взяты, так что, по-видимому, причина в бессвинцовой пайке. Подложка нагревалась на корпусе (нагревателе) паяльника и после расплавления припоя кристалл пинцетом помещался на свое место.

Еще в одном оторвались площадки для подпайки проводников. Были подпаяны прямо к к зачищенным от краски дорожкам. В итоге были восстановлены ВСЕ ЧЕТЫРЕ светодиода.

Рачал разбираться с повербанками. Выполнены они были на микросхемах HT4921 (два в одном), содержащих как драйвер заряда аккумуляторов так и импульсный повышающий преобразователь в 5 В. Если с первой задачей эти микросхемы справлялись, то узел повышающего преобразователя "приказал долго жить": При 3,9 В на аккумуляторе на выходе было только 3,5 В. Стало понятно, почему повербанки так быстро истощались. "Родные" платы были выкинуты и поставлены на драйверах TP4056.

А теперь перейдем к главному вопросу, а именно, проклятой проблеме стабилизации тока мощного белого светодиода на 3 Вт, питаемого от ОДНОГО литиевого аккумулятора.

Суть проблемы заключается в том, что падение напряжения на светодиоде (до 3,3...3,4 В) находится в диапазоне колебаний напряжения на аккумуляторе (4,2...2,75 В - https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий-ионный_аккумулятор ). Обойти ее можно несколькими путями:

1) Применением импульсного преобразователя:
   а) SEPIC;
   б) Step Up/Down;
   в) Inverting

2) Применением линейного стабилизатора с недоиспользованием заряда аккумулятора.

По размышлению было решено пойти по второму пути. Основным аргументом в его пользу явилось даже не то, что импульсные преобразователи сложнее по схеме, а то, что светодиод - источник света безинерционный и как ни фильтруй выходное напряжение, но пульсации все равно будут присутствовать. Для глаза, примерно половину рабочего времени подвергающегося воздействию пульсирующего света (пускай даже высокочастотного), это зерр шлехт. Глаза - тоже "рабочий инструмент" и беречь их надо не менее тщательно, чем руки.

Для линейного стабилизатора необходимо было обеспечить минимально возможное падение напряжения на регулирующем транзисторе, чтобы "высосать" из аккумулятора максимум запасенной в нем энергии. Этого можно, в принципе, достичь использованием полевого регулирующего транзистора в "классической" схеме стабилизатора тока на ОУ. Ан нет! В действительности все не совсем так, как на самом деле :acute:. Даже с применением LogicLevel полевика напряжение на его затворе должно быть порядка 2,5...3 В, что потребовало бы применение неоправданно дорогих Rail-to-Rail ОУ.

Выход был найден путем использования нового класса биполярных транзисторов, т.н. BISS. Пошарив по Интернету нашел подходящий: PBSS4540X с током коллектора 4 А, рассеиваемой мощностью более 1 Вт и эквивалентным сопротивлением коллектор-эмиттер порядка 40 мОм. В управление к нему выбрал одиночный низковольтный LMV321. Схема получается вот такая:

Линейный LED-драйвер на LM358 схема.GIF

Но пока заказанные "блошки" ехали с отдаленного склада, покопался у себя в загашниках и нашел близкие по параметрам (напряжение насыщения - порядка 0,35 В) транзисторы PBSS4540X в корпусе DPAK. К ним поставил ширпотребовскую LM358, "заглушив" ОУ, выходящий на ножки с меньшими номерами. Получилось вот что:

Линейный LED-драйвер на LMV321 схема.GIF

Делитель R2R3R4 формирует на верхнем выводе переменного резистора R5 напряжение, которое может изменяться от 30 до 70 мВ подстроечным резистором R3, определяя максимальный выходной стабилизируемый ток. С его движка задается падение напряжения на эмиттерном резисторе R6, обеспечивая регулировку выходного тока от нуля до максимального. Яркость визуально не изменялась при снижении питающего напряжения до 3,55 В.

Просто, как угол дома. Печатка:

Линейный LED-драйвер PCB.jpg

Выполнена под корпус (а не наоборот!!!). Изготовлено два таких стабилизатора. Один - под повербанки (оставшиеся от прежней конструкции, на фото виден на затылке):

В работе 1.JPG

И второй - под одиночный аккумулятор (расположен с другой стороны наголовника относительно корпуса собственно стабилизатора тока):

Вид справа.JPG

Большая белая кнопка включения подсветки расположена так, чтобы можно было включать/выключать ее либо тылом кисти, либо предплечьем. Хотя стерильность рук стоматолога и относительна, но лазить пальцами после рта или чисто вымытыми по кнопкам - не есть гут.

Вид слева.JPG

Освещенность рабочего поля более, чем достаточна:

В работе 2.JPG

Полной зарядки одного аккумулятора хватало, чтобы без снижения яркости отработать ДВЕ полных рабочих смены. Т.е., принятое "командирское" решение относительно применения именно линейного стабилизатора тока было верным. И начхать на неполное использование заряда аккумулятора. Всё равно литиевые аккумуляторы "эффекта памяти", как у никелевых, не имеют.

Клиент остался доволен результатом, как слон после водопоя :D...Я - тоже.

2SD1802.pdf

 

P.S. На следующей странице я отписался о стабилизаторе тока для налобного фонарика на 10 обычных белых светодиодах, выполненном на компараторах LM393.

64 Комментария


Рекомендуемые комментарии



Вы точно уверены, что стабильное? Технологический разброс даст примерно такую же недокументированную точность, как и напряжение зенеровского пробоя обратносмещенного базово-эмиттерного перехода диффузионных транзисторов. Т.е., плюс/минус полслона.

"Радиолюбительщина" в худшем значении этого слова.

Ссылка на комментарий
8 минут назад, 856856 сказал:

поменьше будет сама плата.

А нахрена??? Корпус-то всё равно тот же самый останется. Распространенное заблуждение. Особенно касающееся микроконтроллеров.

По поводу параметрических схем - я их резкий противник. Понятно, что против лома (как индивидуальный для каждого транзистора коэффициент его усиления) нет приема, окромя ООС. Для "себя, любимого", можете применять их сколько заблагорассудится. Но на выход - НИ-НИ!!! Да и для себя я их практически никогда не применяю. Второй закон схемотехники: "Каждый каскад должен настраиваться (и, соответственно, работать) независимо от остальных..." Добавлю: "...и не зависеть от индивидуальных параметров компонента".

Ссылка на комментарий

Подскажите, а реальные характеристики какие получились? Интересует банальное кпд. Сколько потребляет вся схема вместе со светодиодом, и светодиод отдельно, и желательно не расчетные, а реальные данные замеров.  Есть такие данные или это сугубо художественное произведение?

Ссылка на комментарий

Устройства уже отданы заказчику. Было замерено только входное напряжения до момента, пока не начал снижаться стабилизируемый ток и падение напряжения на регулирующем транзисторе при этом. Эта величина озвучена: 3,55 В и 0,25 В соответственно. Собственное потребление схемы от аккумулятора при полностью погашенном светодиоде составляет 5,2 мА. Светодиод на максимуме яркости потребляет 0,7 А.

По сравнению с импульсными стабилизаторами, в которых КПД тем меньше, чем ниже входное напряжение (падение напряжения на ключе не просто остается таким же, но даже возрастает, т.к. увеличивается потребляемый ток), в линейном - наоборот, уменьшается, поскольку снижается разница между входным и выходным напряжением. Прикидочно КПД составляет порядка 75...85 %, что совсем ненамного больше, чем у импульсных стабилизаторов.

Ссылка на комментарий

Действительно интересно было читать, конечно кпд не  совсем радует, при условии, что еще не используется вся емкость аккумулятора, но как понимаю со своей задачей справляется. 

Еще не могли бы вы пояснить, в чем действительные преимущества в сравнении с использованием однокомпонентного AMC7135 ? Смысл в регулировке?

Изменено пользователем EropbeB
Ссылка на комментарий

@856856 Изначально, думал о другом, но теперь стало интересно, на столько важен шаг регулировок, не хватает нескольких режимов, например 40% 70% 100% , учитывая, что имеется фокусировка?

@Falconist И все таки хотел бы у вас уточнить если не учитывать плавную регулировку, есть ли у данной схемы преимущества в сравнении с ширпотребом на AMC7135?  Тоже как пример, если использовать 3 AMC7135 понятно, что параллельно и возможно даже с отдельной кнопкой на каждую? 

Ссылка на комментарий

@856856  С ваших слов, звучит как то не очень... Ощущение такое : Обратился ко мне друг... , попросил сделать...,  А я подумал и решил, зачем упрощать, а нука добавлю изюминку, нужно оригинальное решение, проявлю искусство схемотехники... Будет потом о чем статью написать пропариться. Тем более, что "Стоматолог в электрике не силён. Хоть через резистор диод ему включи, и он тоже будет доволен, как слон, наверное", можно ему хоть чё впарить... Вот такая драма, *Жулета и сотоварищи.

Я считаю, что автор применил подобное решение исходя из запросов, а не из креативности. И по этому, интересуюсь как подобное решение в сравнении с "ширпотребом". 

Изменено пользователем EropbeB
Ссылка на комментарий

1) Это не статья, а запись в блоге. Поэтому сарказм @856856 воспринимается по типу " ... а караван себе идет". 

2) В этой записи описывается реализация всего проекта, включая ремонт светодиодов, переделку повербанков и т.п., а не только схема стабилизатора тока. Тем более, что сама схема хорошо известна и акцент сделан на примененных мало известных компонентах (BISS транзистор). Не описан только зарядник аккумулятора, т.к. его комплектовка покупная и не представляет никакого интереса.

3) Как коллега восхотел - так ему и было сделано. Если не нужно регулировать яркость, то AMC7135, наверное, самое бюджетное решение. Я глянул местные цены - получается порядка $0,20 за штуку. Приемлемо.

4) Для реализации проекта были куплены только три держателя аккумуляторов и платка зарядного драйвера. Всё остальное - добыто в загашниках.

5) Я еще помню, что такое коллегиальность. Поэтому материальная благодарность после окончания проекта была именно благодарностью довольного клиента, но никак не заранее оговоренным гонораром.

Ссылка на комментарий

Нее так не пойдёт, все эти микрухи и схемы не используют АКБ на полную,выполняя лишь ограничение,в таком малом диапазоне напряжений и относительно небольших токов и резистор справится не хуже.

Ссылка на комментарий

На свежем АКБ не заметно,а вот ближе к концу падение яркости действиельно напрягает.Я так думаю если  лепить сложную схему то с наворотами,типа повышения напруги и опопвещением о скорой разрядке батареи,ато не раз бывало залезешь под машину или в колодец а он бац и резко потух без предупреждения.

Ссылка на комментарий

Я вот никак одного не пойму. Отписался о том, что УЖЕ сделал. Всё! Вопрос закрыт.

Так нет, в комментах появляются советы типа: "Надо было по-другому"... "А вот можно еще так"... Нахрена???

Если так хочется посоветовать - то вот, открыл только что тему с просьбой о помощи. http://forum.cxem.net/index.php?/topic/182165-нужна-проверка-расчетного-файла-для-mc34063/

Милости прошу туда. Благодарность будет безгранична в пределах разумного.

Ссылка на комментарий
Цитата

Фонарь создавался для стоматолога. А стоматолог обычно не лазит под машины и в колодцы.

Да это же основной потребитель рынка светотехники!Причём тут для кого,важно как,батарейки и светодиоды есть у всех,а вот универсального драйвера нет.

 

Ссылка на комментарий
Цитата

с применением LogicLevel полевика напряжение на его затворе должно быть порядка 2,5...3 В, что потребовало бы применение неоправданно дорогих Rail-to-Rail ОУ.

Вовсе не обязательно. Мой любимый компаратор LM393 :) с открытым коллекторным выходом, нагруженным на резистор в несколько килоом, запросто обеспечит Rail to Rail на затворе. А полевики хороши тем, что у них нет тока базы, падение мизерное. Вопрос о компромиссе между затратами на базовый ток и минимизацию остаточного падения К-Э - не стоит в принципе. И их огромный выбор. Выигрыш от этого - возможность более полного использования емкости АКБ. Насколько - не знаю. Главным для меня остаётся вопрос: сколько падает Вольт на рассматриваемом СИДе при максимальном токе? Прибавить к нему милливольт 60 и будет величина минимального рабочего напряжения.

Вполне реализуемо.

Ссылка на комментарий

Да, вариант вполне реальный. По крайней мере для меня. Поскольку не единожды утверждал о возможности работы компаратора в качестве ОУ, что встречалось в штыки многими оппонентами. Просто в данных "тепличных" условиях стоматкабинета высасывание аккумулятора "досуха" не является необходимостью.

Ссылка на комментарий
В 22.04.2017 в 01:10, Falconist сказал:

Просто в данных  условиях высасывание аккумулятора "досуха" не является необходимостью.

А в моих условиях частого пребывания в ночное время вдали от источников сетевого напряжения, могло бы пригодиться.

Ссылка на комментарий

Решил я апробировать схемку на компараторах с регулирующим полевиком по предложению Vslz (схема по сравнению с исходной уже изменена!):

5a7d6e97e0cfe_LEDCurrentSource.GIF.c5b01cdfe662e6ea8e1b468f02184af9.GIF

 

Причиной апробации явился выход из строя моего налобного фонарика на 10 "обычных" светодиодах: 

5a6e307204d14_.JPG.129a11e242665736438e22e6c27da654.JPG

Питался он от 3-х батареек АА через "каплю", обеспечивавшую 4 режима работы (2 - 6 - 10 светодиодов постоянно + мигание), однако в корпусе имел еще и разъем для подключения то ли выхода на какое-нибудь внешнее устройство, то ли для подзарядки. Короче, прикупил я 3 никель-металлогидридных аккумулятора, поставил и решил попробовать их подзарядить китайским зарядником на 5,5 В. В результате этого эксперимента "капля тупо сдохла" - постоянно горели только 4 светодиода из 10.. 

И вроде бы ничего не мешало его выбросить и купить новый, да "зеленое, пупырчатое" в компании с "ручками шаловливыми" решили по-своему. Тем более, что и "кошка для опытов" образовалась. 

Итак, порыскал по сусекам, нашел LM393 в SMD корпусе, Logic Level MOSFET IRLR3303, TL431 в корпусе SOT23, развел плату 12 х 37,5 мм (0,5" х 1,5"):

5a6e307087f6a_.jpg.f4f84d33072ccc378d249872b2771433.jpg

(файл в *.lay6 приаттачен). Номиналы схемы рассчитаны на ток через светодиоды порядка 150 мА. То, что все 10 светодиодов подключены параллельно, я проигнорировал. В исходном фонарике так было - ну и хрен с ними. Выгорят - невелика потеря.

Схема запустилась сразу, никакого самовозбуждения не демонстрировала, НО!!! при подключении ее к трем источникам (три аккумулятора NiMH с напряжением Х.Х. 3,8 В; LiIon аккумулятор с напряжением Х.Х. 3,75 В и три новых щелочных батарейки с напряжением Х.Х. 4,7 В) ток потребления всей схемы (при таких малых напряжениях падение напряжения на миллиамперметре недопустимо велико, а собственное потребление тока у всей схемы с неподключенными светодиодами оказалось всего 6...7 мА, поэтому большой ошибка в таком измерении нет) оказался существенно различным. А именно (в порядке перечисления источников питания): 40 мА - 75 мА - 120 мА. Дополнительно попробовал подключить к кислотному аккумулятору на 6 В - ток оказался ващще 180 мА! 

Т.е., стабилизации тока эта схема не обеспечивает?! Как же так? Ведь это против законов физики! Тогда я подумкал и решил, что полевик хоть и считается Logic Level, но при около 3 В питания свои параметры не отрабатывает. Порылся по сусекам дальше и нашел 2SD1802, позиционируемый как Low Dropped. Снял полевик, поставил биполяр - ОБА-НА!!! При питании от 6, 4,5 и 3,7 (литиевый аккумулятор) вольт ток потребления составил 155...160 мА. От никель-металлогидридных аккумуляторов (новых, еще не заряжавшихся) - 90 мА. Но и напряжение на них при подключении схемы просело до 3,2 В. Так что всё, как в книжке написано.

Резюме:
1) Полевые транзисторы, даже Logic Level при таких малых напряжениях питания, НЕПРИМЕНИМЫ! Обратное надо доказывать.
2) Схема на компараторах вполне жизнеспособна, однако, никаких существенных преимуществ перед схемой на ОУ типа LM358 с использованием биполярного транзистора, не имеет.
3) Схема с усилителем напряжения на втором ОУ/компараторе из корпуса позволяет использовать TL431 в качестве банального стабилитрона на 2,5 В (ну, это и так общеизвестно, просто как экспериментально подтвержденное возражение мнению Старичка). 

 

Фонарик - потрошка.JPG

Lighter.lay6

 

P.S. Поскольку применены аккумуляторы, значит надо обеспечить их зарядником. Сделал я его на двух транзисторах - полевом IRLR3303 и биполярном PN3565 (схема:)

5a7c9a044c9c2_.GIF.deccfd766a860db18438ef983a5f39af.GIF

При указанных на схеме номиналах стабилизированный выходной ток равен 122 мА, что составляет 0,15С для использованных аккумуляторов на 800 мА*ч. Заряд буду производить по времени (10 часов), т.к для такой бздюрки решил не заморачиваться с крутыми зарядниками на микросхемах. Питание - от китайского зарядника для мобилки с выходным напряжением 6 В на холостом ходу.

Сначала вообще думал эти четыре детальки собрать навесом, а потом все же решил хекнуть и скальпелем вырезать печаточку. Вид со стороны дорожек и с обратной стороны, соответственно:

5a7c9a03d0c18_.JPG.ba6c62e976bb3b5c1baaa2745f34578e.JPG     5a7c9a038ac36_.JPG.c08d61a0b99465b0a46d6d6dbb6c6888.JPG

Ну и она же на своем законном месте, в отсеке для зарядника:

5a7c9b27221d3_.JPG.99d5b196eb4cf08a8fd0e258197c51a1.JPG

При автономной работе будут использоваться только аккумуляторы; в стационарных условиях можно подпитываться прямо от сети. Ток заряда чуть меньше тока через светодиоды (155 мА). При подключении зарядника светодиоды светят чуть-чуть ярче, так что всё, как доктор прописал.

Ссылка на комментарий
В 29.01.2018 в 01:50, Falconist сказал:

Номиналы схемы рассчитаны на ток через светодиоды порядка 150 мА

А мне показалось, что на ... Опора 2,5В, Ку DA2.1 ~24 (51к и 2,2к), в истоке 0,1 Ом. Iст=2,5/(24*0,1)~1А.

DA2.2 скорее всего, работает компаратором. Два компаратора/ОУ включать последовательно значит усложнить компенсацию из-за огромного петлевого усиления. Схема может самовозбуждаться. 

В 29.01.2018 в 01:50, Falconist сказал:

Полевые транзисторы, даже Logic Level при таких малых напряжениях питания, НЕПРИМЕНИМЫ! Обратное надо доказывать...

Так вы же сами это и доказали. В этом же посте.:) Ваше ЗУ для аккумулятора на 120мА как раз работает с полевиком и напряжением 3,6В. А чем оно принципиально отличается от ГСТ СИДа? Ничем.

В 29.01.2018 в 01:50, Falconist сказал:

Схема с усилителем напряжения на втором ОУ/компараторе из корпуса позволяет использовать TL431 в качестве банального стабилитрона на 2,5 В

Ту же 431 можно использовать без второго компаратора. Просто поделить опорное 2,5В в 25-50 раз обычным резистивным делителем. Такой узел с TL431, делителем и LM393 (но в режиме компаратора) я применял, работает. Опорное было около 45 мВ. А для компенсации ОУ применить традиционный подход, без второго ОУ.

Изменено пользователем Vslz
Ссылка на комментарий
1 час назад, Vslz сказал:

мне показалось

Да, ошибся с номиналом R6 на схеме - в действительности стоит 1R0. Спасибо, что указали. Исправлю.

1 час назад, Vslz сказал:

Схема может самовозбуждаться.
DA2.2 скорее всего, работает компаратором.

Не возбуждается же. Осциллографом смотрел. Для того и интегрирующий конденсатор С5 поставлен.
Не-а, работает именно, как ОУ. Схема включение компаратора, как низкочастотного ОУ даже в даташите есть (Рис.10 на С.7).

5a7d794e229d9_LM393-OpAmp.png.f98a4964ce5b7620371c15b2c88d79b9.png

1 час назад, Vslz сказал:

вы же сами это и доказали.
чем оно принципиально отличается от ГСТ СИДа? Ничем.

Не-а! Доказал я, как раз, обратное. В схеме фонарика максимальное напряжение питания = 3,6 В, а в схеме зарядника - 6 В. Вот "ТАМ" этот полевик и не работает должным образом, а "ТУТ" - работает.

1 час назад, Vslz сказал:

без второго компаратора

Именно так и было в схеме по стартовой записи. Просто решил апробировать эту схему с усилителем, болтающуюся по Интернету. И не более того.

Ссылка на комментарий

Присоединяйтесь к обсуждению

Вы публикуете как гость. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Гость
Unfortunately, your content contains terms that we do not allow. Please edit your content to remove the highlighted words below.
Добавить комментарий...

×   Вставлено с форматированием.   Восстановить форматирование

  Разрешено использовать не более 75 эмодзи.

×   Ваша ссылка была автоматически встроена.   Отображать как обычную ссылку

×   Ваш предыдущий контент был восстановлен.   Очистить редактор

×   Вы не можете вставлять изображения напрямую. Загружайте или вставляйте изображения по ссылке.

Загрузка...
×
×
  • Создать...