Этот недешевый в общем-то фонарик принесли в практически идеальном внешне состоянии, что говорит о его явно безвременной кончине. И дважды сдохшим изнутри.
Первый раз он почил когда сгорела электроника токового драйвера — вполне закономерно для экстремального режима на предельных нагрузках. После чего над ним поработал видимо «умелец», пустив питание кристалла напрямую — в результате выгорел и сам светодиод.
Изготовители старательно запилили маркировку транзисторов и микросхем, наверное из чувства стыда за неоптимальный выбор компонентов. Но при этом не удосужились облудить медные ободки на плате выключателя (слева, показан красной стрелкой), и на «пятаке» платы драйвера — которые контачат с алюминиевым корпусом. Пришлось сделать это самому, чтоб предотвратить разрушение металлов в образовавшейся гальванопаре. Выгоревший кристалл был демонтирован при помощи промышленного фена. Вместо него запаял свежеприобретенный OS-Star-5W Warm White 3000K 300Lm, рассчитанный на ток 0.7А с падением напряжения 6v на светодиоде. В фонарике он будет использоваться на пониженной мощности, с целью продления ресурса светодиода и времени автономной работы фонаря от АКБ.
Тестируем новый кристалл. Его теплоотводный «пятак» тоже припаял к подложке для улучшения теплоотдачи, но как оказалось в дальнейшем, на выбранном рабочем токе 0.2А фонарь практически не греется. Вольтметр (слева) показывает падение напряжения на светодиоде, подключенном к лабораторному источнику питания через ограничительный резистор.
Драйвер восстанавливать заморочно и бессысленно, да и как показано ниже — даже вредно по факторам надежности и КПД в случае применения фонаря для повседневных целей. Поэтому пятак был очищен от радиодеталей, а для ограничения тока светодиода в районе 0.2А на полных батареях использован резистор сопротивлением 10 Ом.
На фото рядом два резистора по 5.1 Ом, аналогичные тем что упакованы в термоусадку. Там они соединены там последовательно, т.к. резистора на 10 Ом не оказалось под рукой.
После промывки от флюса и сборки светодиодного узла, фонарик был поставлен на испытания. Аккумуляторы 18650 не «родные», выдранные из батблока отслужившего свой срок ноутбука. Тем не менее какой-то запас емкости в них еще остался. Перед началом прогона они были заряжены до напряжения 4.12v каждый.
Потребляемый ток замерялся каждый час. Через 7 часов непрерывной работы напряжение аккумуляторов снизилось до 3.6v, что говорит о еще не окончательном их разряде, но уже близко к этому. При этом фонарик достаточно ярко освещает помещение, а на улице хорошо просвечивает более чем на полсотни меторв. Таким образом изделие восстановлено, и соответствует пожеланиям заказчика.
Расчеты и обоснование
В оригинале был применен светодиод с падением напряжения на нем 3v. В сводной таблице указан ток светодиода в различных режимах работы фонаря, и ток потребления от источника питания. Первоисточник информации из форума, и из вот этого обзора
На основе этих данных можно посчитать коэффициент экономии энергии батарей в оригинальной конструкции фонаря:
Kэ = Iсд / Iпит
Получаем (округленно) для режимов:
- максимальный — 2.05
- средний — 1.78
- минимальный — 1.63
Эти цифры показывают во сколько раз ток потребления от батарей ниже тока, который был бы в схеме с непосредственной запиткой через ограничительный резистор. Т.е. по сути характеризуют экономию питания, получаемую за счет импульсного драйвера питания светодиода.
На новом установленном светодиоде падение напряжения уже 6v, он конструктивно состоит из двух трехвольтовых секций, включенных последовательно. А значит и количество излучаемого света при одном и том же протекающем токе, у него в два раза больше чем у оригинального трехвольтового.
Ток потребления схемы с резисторным ограничителем находится в пределах от 0.21 до 0.13 А, в зависимости от степени разряда батарей. Но с учетом удвоения излучаемого света, световой поток даже на разряжающихся акб заметно больше, чем у оригинальной схемы в минимальном (экономичном) режиме. Для резисторного ограничителя ток потребляемый от батарей и ток СД — одинаковы. Но можно посчитать КПД, как отношение мощности подводимой к СД к общей мощности потребляемой всей схемой.
Итак КПД высоконадежного фонаря с резистором вместо импульсного драйвера, на полностью заряженной батарее — 74%, а на разряжающейся — 81%.
Для расчета КПД в оригинальной конструкции с импульсной запиткой, примем падение напряжения на СД 3.1v, а ток светодиода не меняется по мере разряда АКБ.
Получается что на небольшой мощности для повседневных нужд — оптимальнее правильный подбор светодиода, и применение простого и надежного резисторного ограничения тока. Такой подход обеспечивает больший КПД использования энергии батарей, по сравнению с запиткой через импульсный драйвер. А также многолетний ресурс безотказной работы, обусловленный надежностью схемы, и тем что в недогруженном режиме светодиод прослужит во много раз дольше.
Небольшое пояснение
Расчет КПД в схеме драйвером произведен без учета увеличения потребляемого тока по мере разряда батарей. Поэтому реальный КПД с импульсником на посаженных батареях окажется чуть меньше значений, указанных в последней таблице.
С драйвером ток светодиода поддерживается неизменным, и соответственно его яркость. Поэтому по мере разряда батарей, потребляемый от них ток начинает увеличиваться. Батареи будут садиться всё быстрее и быстрее.
С резистором же ситуация в точности наоборот — ток потребления снижается при разряде батарей, и т.о. позволяет протянуть на одной зарядке раза в полтора… два примерно дольше, чем если б было с драйвером. Конечно это достигается ценой некорого снижения яркости, но в такой ситуации лучше чтоб хоть немного да светило, чем вообще никак.
Вариант использовать вместо резистора проходной стабилизатор тока на ИМС или полевом транзисторе — рассматривал, но тоже отклонил т.к. сокращается время автономной работы по сравнению с резисторной схемой.
Выбор резистора был обусловлен разумным компромиссом между минимально необходимой освещенностью при разряде батарей, и стремлением по максимуму продлить время автономной работы фонаря. Что и было достигнуто — на посаженных батареях фонарь позволяет читать книжный текст, и дает вполне приемлимую освещенность для ориентирования на улице, «пробивая» десятки метров.
Комментарии (23)
amarao
19.08.2015 18:47+5Мой внутренний крохобор говорит, что вместо резистора надо использовать лампочку накаливания. Немножко, но всё-таки чуть-чуть больше света.
jar_ohty
20.08.2015 10:10+2У холодной нити лампочки раз в десять меньше сопротивление, чем у нагретой. Ток, конечно, стабилизирует, но зато при включении выдает бросок, которого светодиод не выдержит. Для этого в ламповую эру существовала пара «барретер-урдокс», чтобы стабилизировать ток без начального броска.
encyclopedist
19.08.2015 19:09+4С резисторной схемой слишком легко разрядить батареи польностью.
denticulus
19.08.2015 21:33ВАХ данного светодиода скорее всего не даст их разрядить намного сильнее 3 В.
ploop
19.08.2015 21:00+6Короче вы сделали из фонарика (хотя даже с новья язык не поворачивается его так назвать) обычный электробычок.
Нормальный фонарь по мере разряда сбрасывает режимы, так что светить тоже будет долго. Ну а на пониженных имеет хороший КПД (примерно 30 часов на 65 люмен, это где-то 20 метров света). На одном аккуме.
denticulus
19.08.2015 21:11+4Не понимаю этой переделки.
Вы выбрали светодиод 300 Лм на токе 0,7 А с падением напряжения 6 В. Это 4,2 Вт. Его эффективность 71 Лм/Вт, что вдвое меньше, чем у XM-L2 на таком токе (до 140 Лм/Вт).
Хороший драйвер постоянного тока имеет намного больший КПД, около 95%. К тому же, он даёт 3-5 режимов с яркостью от 10 до 1000 Лм.
Правда, для высоких токов фонарь требует серьёзной переделки теплоотвода.xirahai
19.08.2015 22:29Я выбрал тот светодиод с падением 6v который удалось найти по месту жительства. Собственно выбора как такового и не было, одно единственное предложение. Ждать месяц из Китая не вариант. Насчет действительно хороших драйверов — хотелось бы узнать их КПД не на предельной мощности, а на средней и малой. Пока предполагаю что он может оказаться не таким высоким как на максимуме.
denticulus
19.08.2015 23:11Драйвер, скорее всего, для пониженных режимов использует ШИМ в районе килогерца, поэтому КПД должен оставаться неизменным.
ploop
20.08.2015 00:17Если драйвер дешевый линейный, то обычно шимят их в районе 150 герц. Натуральный стробоскоп.
jar_ohty
20.08.2015 10:21Кроме покупки в Китае (где XM-L будет наверняка «левый») есть еще много других вариантов. Правда, вот именно со светодиодами Cree в связи с санкциями стало туговато, но XM-L еще можно купить, хотя и, возможно, по несколько завышенным ценам.
КПД на пониженной мощности при использовании ШИМ с невысокой частотой (120-150 Гц) почти не снижается, но при этом попытки замерить этот КПД прямым измерением мультиметром потребляемого тока даст странный результат.xirahai
20.08.2015 10:43Спасибо, буду иметь ввиду если где попадутся. А померить токи не вопрос, если не справится прибор true rms — тогда поможет осциллограф.
jar_ohty
20.08.2015 11:01Приборы TrueRMS обычно измеряют таким образом только переменный ток. Так что — только осциллографом.
ploop
20.08.2015 18:33С чего бы это? Просто этот режим включается при переключении на измерение переменного тока, но он так же хорошо будет измерять и чистую постоянку. Ну и импульсы естественно.
jar_ohty
20.08.2015 23:48Более-менее адекватно среднее значение пульсирующего прямоугольного напряжения замеряется либо если частота порядка килогерца, либо если она строго кратна 50 Гц (видимо, частота выборок). Проверил на всех имеющихся дома мультиметрах, и Mastech MY61, и UT60H (последний как раз TrueRMS), и В7-38. Погрешность у всех заметно больше, чем базовая и зависит от частоты. К сожалению, породистых мультиметров нет испытать.
ploop
21.08.2015 00:06От частоты естественно зависит, но я проверял свой UT71C (с осциллографом) на разных формах сигнала до килогерца очень вменяемые показания. Выше — начинают уплывать, особенно на меандре, при том да, заметна кратность с частотой выборок. Какая именно у него она так и не понял, но явно высокая.
ploop
20.08.2015 18:36XM-L будет наверняка «левый»
Можно подробнее? Неужели научились делать в подвале столь высокотехнологичные штуки?
На самом деле вас могут только обмануть по яркостному бину или цветовому тинту, но никак не по марке.jar_ohty
20.08.2015 23:57Ну я в прошлом году нарвался — аж семь штук. Все чуть разного бина, и все сдохли при адекватном охлаждении на двух амперах, замигали. От настоящих отличались визуально, кристаллы чуть меньше, но подложки зеленые.
Про китайские «клоны» Cree есть тут:
Естественно, в клонах ни о какой подложке из карбида кремния речи не идет.
DarkByte
20.08.2015 10:26Кстати, сейчас срок доставки отправлений из Китая в регионы России простой почтой примерно 10 дней. До городов имеющих в своём распоряжении таможню (например Москва, Питер, Владивосток) могут и за 8 дней доставить.
Arezus
22.08.2015 14:31Когда у меня случилась такая беда, я заменил контроллер на тиньку и поставил безбожный полевик, все паял на родные места «драйвера», зато появилась возможность изменять прошивку на свой вкус и цвет, например, адекватное для меня распределение режимов работы (10, 20, 50, 80%), выкосил строб, sos, питание можно контролировать, удобно, в общем. Костыль с резистором делал только на 2х ваттном СИД, который нужен просто как запасной фонарик, но в нем еще и 18650 стоит китайский, емкости порядка 400 мАч, там токоограничение автоматическое из-за китайскости, уже после 80% заряда, ток проседает до 400 мА с 1А, хотя потом более-менее держится.
ЗЫЖ А вот Fluke-овскому мультиметру честно позавидовал, годный аппарат, но цена кусючая.xirahai
22.08.2015 15:11Вашим успехам можно только порадоваться. По моей схеме — в ограничителе по разряду батарей, по сути нет необходимости. По мере просадки аккумов очень заметно падает яркость СД, что при разумном использовании практически исключает переразряд. Хотя можно поставить и аккумы с контроллером, они тут водятся в продаже. А флюк он привозной, был в комплекте какого-то пром оборудования. Уже и контора та канула в лету, а приборчик всё работает.
drsmoll
PT4115 Вам в помощь. Просто и надежно.