Jump to content

Мощный светодиод от одного литиевого аккумулятора


Falconist

18213 views

 Share

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.

 Share

68 Comments


Recommended Comments



22 часа назад, Rom-Zecs сказал:

ставить оу с обвязкой в подобную конструкцию глупостью

Что-то изобрести Вам не светит. Но не волнуйтесь. Дядюшка Сэм эту проблему перекроет. Как и всегда...

22 часа назад, Rom-Zecs сказал:

то был юмор

С яичницей не путай Божий дар
и к сказанному относись построже.
Видал, как тонко пи́сает комар?
А юмор твой — увы, намного тоньше…

Link to comment
19 минут назад, Rom-Zecs сказал:

ставить оу с обвязкой в подобную конструкцию глупостью, супер диапазон и точность ни к чему, обычно вообще требуются два/три режима, можно сделать проще, а значит доступнее для повторения и  надежнее

Давайте сюда свой вариант согласно вышесказанному. Без использования спец-ИМС. Это будет интересно.

1 час назад, colorad сказал:

Ссылка не работает. Если это к моей схеме относится, то я там добавил один диод для увеличения напряжения насыщения TL431 и один в затвор полевика для согласования уровней...

...В компараторах LM339 наверняка есть защита от к.з. не уточнял как она работает...

Да, ссылка не пашет почему-то. Какие схемы имелись в виду - вы поняли. А для чего увеличивать напряжение насыщения, когда его надо бы минимизировать?

В компараторах 339 и 393 база выходного транзистора питается мизерным током, поэтому, при токе коллектора более 10-15 мА он из насыщения выходит в линейный режим. В даташите сказано, что работа при токе >20 мА повреждает выход ИМС. Как таковой, защиты от КЗ нет.

напряжения насыщения 393.gif

Link to comment
1 hour ago, Vslz said:

Давайте сюда свой вариант согласно вышесказанному. Без использования спец-ИМС. Это будет интересно.

 

1111,png.png

стабилизация постольку поскольку, но всё же лучше чем просто резистор, можно собрать навесом, для малой мощности кмк самое оно

Edited by Rom-Zecs
Link to comment
2 часа назад, Vslz сказал:

А для чего увеличивать напряжение насыщения, когда его надо бы минимизировать?

Только для симуляции . Чтоб ее немного приблизить к реалиям .

За комментарий по LM339  спасибо ! 

Link to comment
49 минут назад, Rom-Zecs сказал:

стабилизация постольку поскольку

А стабилизация в этой схеме ВООБЩЕ есть???

Link to comment
31 minutes ago, Falconist said:

А стабилизация в этой схеме ВООБЩЕ есть???

ток коллектора = ток базы*h21 (есть нюансы, но всё же)

ток базы = (Ubat-0.7v)/R

в случае с резистором (Ubat-3v)/R

то есть зависимость тока нагрузки от напряжения питания не такая сильная :D

я сразу сказал - я за простоту

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

Link to comment
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

Edited by Vslz
Link to comment
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.

Link to comment
Guest troI

Posted (edited)

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

Edited by troI
Link to comment

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.

Link to comment

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

 

Edited by Rom-Zecs
Link to comment
16 hours ago, troI said:

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

ограничитель с положительным кпд :D

Link to comment
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...

Link to comment

Join the conversation

You are posting as a guest. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Add a comment...

×   Pasted as rich text.   Restore formatting

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Loading...
  • Blog Comments

    • Вот, к примеру беру осциллограф ОМЛ -3М. Корпус у него стальной и связан с общим проводом измерительного щупа. Заземлиться возможности нет. Занулять корпус - это, извините, тупость. Изолировать осциллограф от всего вокруг - неудобно и небезопасно. А залезть в схему надо. Что делать? Да и что вы прицепились к осциллографу, кроме него нет вариантов получить электоротравму при неосторожном ковырянии в гальванически связанной с сетью схемой?
    • Вы действительно считаете что мне нужно что то подтверждать, и особенно таким идиотским способом? Упс, а не  в тикток ли к моргенштернеру  я по ошибке забрел?  УЗЗ положено проверять с периодичностью, определенной соответствующим регламентом. Как часто это делается сейчас, в условиях копроэкономики? По умолчанию считайте что УЗЗ на ВУ отсутствует.
    • это ситуация возможна только в вашем воображении. нули заземлены прямо в здании, а не только на тп. думаю такая ситуация с питанием от двух тп весьма распространена среди посетителей форума))) вы можете подтвердить это только сняв видео с вольтметром и вашими розетками в кадре одним роликом и чтоб мы видели ваши руки и разность потенциалов меж нулями
    • Ничего не отгорело. Все на месте. Только по местности последние три месяца не было осадков и кое как сделанные заземления перестали выполнять свои функции. На одной ТП фазы перекошены, на другой подстанции фазы перекошены. И вот меджду двумя нулями появился потенциал.  Какой? Да хз.... а тут еще лифт в 16 этажке дернулся и всплеск долетел....   А у человека  иследуемый прибор оказался запитан  от одной ТПки, а исследующий прибор - от другой. А...: В инструкции по эксплуатации си
    • мой "шилезный" осциллограпф не имеет гальванической связи с так называемой "освятительной" сетью. в нем с завода стоит трансформатор.    а чем же он оказывается? если нейтраль не отгорела? а если нейтраль отгорела и присутствует сильный перекос, то на входе осциллограпха стоят плавкие вставки. ну так кто нибудь тыкнет меня носом в место в инструкции по эксплуатации "шилезного" осциллограпха, где инжинер-разработчик прибора явно указывает на необходимость применения "развязывающе
  • Blog Entries

×
×
  • Create New...