Перейти к содержанию

Мощный светодиод от одного литиевого аккумулятора


Falconist

28 424 просмотра

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



1 час назад, Rom-Zecs сказал:

схеме с полевиком, наверное, придётся предпринять меры по недопущению переразряда аккума

Согласен, надо. В ранее предложенной мной схеме на 12В это было, и не только.

Cхема для Li-ion аккумулятора выглядит аналогично. Компаратор нижнего напряжения - гистерезисный (3,25-3В). Остаточный ток потребления схемы с разряженным аккумулятором - около 2мА. Компаратор верхнего напряжения - безгистерезисный. Отсекает полевик при повышении питания сверх 4,5В чтобы не превысить тепловыделение, радиатора не будет. СИД брался гипотетический, 3 Вт (3 одноваттных в параллель). Ток снизил с 1 до 0,7А. Рассеяние на полевике на максимальном напряжении питания - 1Вт. КПД не менее 70% (Vcc=4,5В), на 3,7 - 83%.

Корпус ИМС LM393 по-прежнему один, зато функционал шире.

ГСТ СИД LM393, NМОП, UVLO, OVLO-3.gif

Питание СИД-ГСТ LM393, N-МОП, UVLO, OVLO-3.asc

Изменено пользователем Vslz
Ссылка на комментарий
20 часов назад, Rom-Zecs сказал:

стабилизация постольку поскольку

тогда логично с вашей точки зрения вообще убрать R2. Он никак не помогает, и местной ООС не создает.

Ссылка на комментарий
Гость troI

Опубликовано (изменено)

Есть мнение, что проще всего применять -- последовательно включенные лампочки накаливания... тогда схема действительно -- простая :)

Изменено пользователем troI
Ссылка на комментарий

Подведу итог всему этому флуду. 

Я апробировал схемотехнические решения "на кошках", в качестве которых был бросовый (по сути) фонарик. В противном случае подходящий фонарик я бы просто прикупил - для меня это не проблема. О результатах отписался.

ВСЁ!

С советами, было бы сделать проще и/или дешевле - прошу к изготовителям, а не ко мне.

Ссылка на комментарий

добавим полевик и...

4.2в  156/80/35мА

3.4в    80/67/34мА

3.3в    60/50/33мА

совершенно бросовые компоненты, из минусов надо подбирать либо транзистор, либо резисторы

Spoiler

152415245.png.24c72149e4b900e2c2bdb835a0a8e093.png

 

Изменено пользователем Rom-Zecs
Ссылка на комментарий

Схема давным-давно известная: http://forum.cxem.net/index.php?/blogs/entry/306-управление-светодиодами/

Что на биполярах, что на полевиках - принцип работы один и тот же. "Лишнему" напряжению тоже один хрен на чем падать - на коллекторном переходе или на канале.

Ссылка на комментарий
16 hours ago, troI said:

Есть мнение, что проще всего применять -- последовательно включенные лампочки накаливания... тогда схема действительно -- простая :)

ограничитель с положительным кпд :D

Ссылка на комментарий
В 01.03.2017 в 02:12, 856856 сказал:

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.

:)

Осталось состряпать кронштейн дабы лепить софит на лоб не стоматолога, а пациента.

И совершенно имхо, как бы показалось что диод дохловат по яркости. М.б. имело смысл заменить онный? В принципе ведь получается что освещенность вытягивается тупо линзой осветителя...

Ссылка на комментарий

Не знал что тут есть блоги, а не просто форум.
Понимаю записи почти 5 лет. Я разбираюсь в электронике намного хуже чем многие комментаторы. Бурное обсуждение в комментариях навело смуту.
Вообще меня сильно раздражала та же проблема. Что фонарик от лития сначала светит ярко, а потом тускнеет. И я рассуждал сначала как потребитель: "ну типо садиться  вот и тускнеет."
А потом я замерял емкость батареи и с удивлением обнаружил что она прям до разряженного состояния (3.7в) дает ток 1А без проблем. Это притом что светодиод на фонарике потребляет 350ма. при 4.2в. Тут уже некоторые знания мои проявились, плюс разобрал фонарь глянул схему. Как и предполагал, что просто подается напряжение через биполярный транзистор и резистор на 2Ом, и с падением напряжения падает и ток на светодиоде. Начал придумывать изобретать решение, ну и гуглить и наткнулся на эту статью в том числе.
В итоге схема в самом верху она актуальная и правильная? Такие схемы для меня сложноваты для досканального понимания, понимаю очень поверхостно. Имею ввиду не могу объяснить что делает каждый элемент на схеме. Как я понимаю по потребляемому току мне идеально подходит AMC7135 , но так же я понимаю, что чудес не бывает и везде чем то приходится жертвовать, в данном случае как я понимаю КПД. Мне нравятся устройства с высоким КПД своей технологичностью.
У схемы в закрепе что можно отнести к недостаткам? Как я понял из комментариев это то что она не позволит использовать акб полностью.

Ссылка на комментарий

А по фото разве не видно, что схема работает? Зачем задавать бессмысленные вопросы? Данная схема повторяет внутреннюю структуру AMC7135, но, в отличие от неё, с регулировкой яркости. 

https://forum.cxem.net/index.php?/topic/150579-вопросы-от-начинающих/&do=findComment&comment=3710592

А на фига "использовать аккумулятор полностью"? Чтобы его быстренько вывести из строя? Полностью "высасывать" иожно батарейки, которые всё равно выбрасываются. С аккумулятором так поступать нельзя.

 

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...