Мощный светодиод от одного литиевого аккумулятора
Запись создана Falconist в Электроника ·
28 621 просмотр
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:
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 
. 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:
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:
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:
Выполнена под корпус (а не наоборот!!!). Изготовлено два таких стабилизатора. Один - под повербанки (оставшиеся от прежней конструкции, на фото виден на затылке):
И второй - под одиночный аккумулятор (расположен с другой стороны наголовника относительно корпуса собственно стабилизатора тока):
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.
Освещенность рабочего поля более, чем достаточна:
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 
...Я - тоже.
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
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.