• Объявления

    • admin

      Анонсы постов вашего блога в группах паяльника   04.09.2016

      Самые интересные посты будут анонсироваться в группах VK и FaceBook. Охват одного поста составляет несколько тысяч человек. Пример анонса записи про книгу Sprint Layout: в группе VK, в группе Facebook.  Поэтому если вы считаете, что ваш пост будет интересен аудитории, то не стесняйтесь - пишите, сделаем пост!
    • admin

      Просьба всем принять участие!   24.11.2017

      На форуме разыгрывается спектроанализатор Arinst SSA-TG LC (цена 18500 руб). Просьба всем перейти по ссылке ниже и принять участие!

Falconist. Мемуары

  • записей
    28
  • комментариев
    719
  • просмотров
    15 306

Мощный светодиод от одного литиевого аккумулятора

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

  • Одобряю 12


28 комментариев




Рекомендуемые комментарии

В следующем заказе можно попробовать убрать весь наворот слева и использовать законсервированную половину микросхемы:
2uge0i9.jpg

Изменено пользователем 856856

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Получим сэкономленные детали и стабильное напряжение в указанном диапазоне (0.07-0.03v).

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

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.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

А вы проверьте. Напряжение будет достаточно стабильным для того, чтобы освещать полость рта  пациента достаточно стабильным светом. И эта стабильность будет точно не хуже перепадов освещения, которые имеют место при наклонах головы стоматолога, с фонарём на голове, по направлению к лицу пациента и обратно, в процессе работы. Зато деталей будет поменьше. И поменьше будет сама плата. А если вдруг будет много заказов, или  дело встанет на поток, то думаю не должно быть лениво ставить и 4,3 мегома, вместо 3х, в случае, когда попадётся партия операционников с резко отличающимся напряжением смещения. А покуда.. это кладбище деталей и перфекционизм в худщем значении этого слова.

 

Поделиться комментарием


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".

Поделиться комментарием


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?

Поделиться комментарием


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.

Поделиться комментарием


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

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
47 минут назад, EropbeB сказал:

 Смысл в регулировке?

Смысл большой... Регулировка освещения полости рта позволяет проводить разнообразные виды лечения. Если, например, корректируется небольшой дефект эмали, или незначительный кариес на фронтальных зубах, то  может потребоваться уменьшение освещённости. Однако, в случае глубокого и чёрного дупла в удалённом зубе мудрости, может потребоваться не только полная мощность освещения, но даже  необходимость частичного погружения излучателя в рот пациента.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Ну, не так всё критично, но скорее всего, где-то близко к действительности. "Хотелка" клиента.

Поделиться комментарием


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? 

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
54 минуты назад, EropbeB сказал:

@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?

Дискретность не нужна. Хватает плавной регулировки. При необходимости можно просто резко наклониться с фонарём, поближе к пациенту, что будет равносильно дискретной регулировке освещения. А что касается AMC7135, то применить её можно, но тогда теряется смысл написания этой статьи. Представьте себе её начало  -  Обратился ко мне с просьбой стоматолог, и я сделал ему вот такую схему:

typical_circuit.png

http://www.skubr.ru/2014/08/amc7135-linear-regulator.html
И что...? Где здесь изюминка, оригинальность решения, где индивидуальность автора  и искусство схемотехника? Три дебильные детали, которые может соединить между собой любой начинающий. О чём тут можно всерьёз говорить и что рассказывать в статье..? А выполнить просьбу стоматолога можно по разному.. Стоматолог в электрике не силён. Хоть через резистор диод ему включи, и он тоже будет доволен, как слон, наверное. Но такую конструкцию будет просто противно делать. Наворот, он тем и прекрасен, что в нём  присутствуют свобода творчества, широта подхода и разнообразие компонентов. А главное, о нём можно рассказывать, его можно коллективно обсуждать и совершенствовать. А вышеуказанная схема с тремя деталями.. ну это не серьёзно.

Изменено пользователем 856856
  • Одобряю 1

Поделиться комментарием


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

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
8 часов назад, 856856 сказал:

дупла в удалённом зубе

Впечатлило. А Вы точно уверены, что такой зуб нуждается в лечении ?

  • Одобряю 1

Поделиться комментарием


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.

  • Одобряю 1

Поделиться комментарием


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.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Хуже. Ток через резистор НЕСТАБИЛЬНЫЙ!

Об чем и весь спик тут велся.

Поделиться комментарием


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.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
1 час назад, Mahno сказал:

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.

Фонарь создавался для стоматолога. А стоматолог обычно не лазит под машины и в колодцы.  Он может просто попросить пациента - не закрываете рот, я заменю аккумулятор.

  • Одобряю 2

Поделиться комментарием


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.

Поделиться комментарием


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.

 

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Да это понятно что он основной.. Но этот потребитель не обращался к Фалконисту с просьбой создать драйвер, пригодный для работы под машиной, или в колодце. К нему обратился стоматолог с просьбой о изготовлении драйвера, пригодного для работы во рту. И Фалконист выполнял именно эту просьбу.
Как знать.. может быть в будущей разработке фонарь Фалкониста будет сообщать громким голосом, на весь колодец:  "До конца разряда аккумулятора осталась одна минута! Срочно замените аккумулятор, или покиньте колодец!".

Изменено пользователем 856856
  • Одобряю 2

Поделиться комментарием


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.

  • Одобряю 1

Поделиться комментарием


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.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Создайте аккаунт или войдите в него для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!

Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.

Войти сейчас