Автономный светодиодный светильник

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Светильники; Опубликовано: 03.12.2018 11:39; Просмотров: 2030

Понравилась статья - поделись с друзьями

С. Устинов, г. Москва
Автономное освещение необходимо во многих случаях — в турпоходах, на рыбалке, на садовом участке. Желательно, чтобы оно работало без подзарядки длительное время, было достаточно ярким, надёжным и недорогим. Однако ассортимент светодиодных фонарей на прилавках магазинов и радиорынков в большинстве случаев не соответствует этим требованиям. Поэтому, когда несколько лет назад автору потребовался автономный источник света мощностью 3...4 Вт, он решил изготовить его самостоятельно.

Источником энергии для светильника были выбраны Li-ion аккумуляторы с высокой удельной энергоёмкостью. Затем были проанализированы статьи в журнале "Радио" о светодиодном освещении — от описаний простейших конструкций [1], где светодиоды подключены к аккумулятору через токоограничивающие резисторы, до более сложных [2] и [3], собранных на недорогой микросхеме МС34063, и, наконец, [4—6], где применены дорогие специализированные микросхемы. Как ни странно, я не смог выбрать подходящую схему светильника ни в одной из этих статей. Например, тот, доработка которого описана в [1], имеет низкий КПД, а яркость его свечения постоянно спадает по мере разрядки аккумулятора. Преобразователь напряжения в карманном фонаре, описанном в [2], имеет выходную мощность всего около 0,5 Вт. К тому же микросхема МС34063 при таком низком для неё напряжении питания (3 В) имеет невысокий КПД. Устройства из [3], [4] и [6] работают от двух Li-ion аккумуляторов, соединённых последовательно. Это усложняет алгоритм зарядки и контроль разрядки каждого аккумулятора. Выходная мощность преобразователей напряжения в [3] и [4] тоже невелика (0,6 Вт и 2 Вт соответственно). Больше всего соответствовал моим требованиям светодиодный фонарь, описанный в [5]. Но выходная мощность его преобразователя — всего 1,5 Вт, а собран он на двух недешёвых специализированных микросхемах.
Во всех рассмотренных устройствах, кроме [1], применены импульсные преобразователи напряжения. Однако присущий им высокий КПД удалось реализовать только в [5]. Заявленный в [4] КПД 93 % относится лишь к микросхеме преобразователя, а суммарный КПД всего устройства приблизительно на 10 % меньше за счёт потерь в ограничивающих ток резисторах.
В конце концов, простое, доступное для повторения и надёжное устройство питания светодиодов от Li-ion аккумуляторов мне удалось собрать на основе линейного стабилизатора напряжения. Оно имеет мощность 4 Вт (выходной ток — 1,3 А) и средний КПД — 87%. Зависимость КПД от входного напряжения представлена на рис. 1.

Схема светильника приведена на рис. 2.

За основу взята схема из [7]. После доработки она стала проще, повышены выходной ток и коэффициент стабилизации. При подаче питания транзистор VT1, открывшийся током через резистор R1, открывает транзистор VT2. Начинает заряжаться конденсатор СЗ, поэтому напряжение на резисторе R5 и на управляющем входе параллельного стабилизатора напряжения DA1 растёт. Как только оно достигает 2,5 В, участок анод—катод микросхемы DA1 открывается и, уменьшая ток базы транзистора VT1, ограничивает рост напряжения на конденсаторе СЗ, стабилизируя его на уровне 3,1...3,2 В. Это обеспечивает рабочий ток через светодиоды EL1—EL6 1,2...1,3 А.
Диоды VD1—VD3 поддерживают напряжение на катоде микросхемы DA1 на уровне 2,7...3,1 В во всём интервале изменения входного напряжения 2,8...4,3 В. Конденсаторы С2 и СЗ предотвращают самовозбуждение. Предохранитель FU1 защищает устройство от замыкания на выходе.
Аккумуляторная батарея GB1 состоит из шести соединённых параллельно Li-ion аккумуляторов типоразмера 18650, проработавших до этого более пяти лет в ноутбуке. Их суммарная ёмкость оказалась равной 12 Ач вместо первоначальных 13,2 Ач, а внутреннее сопротивление возросло до 0,2 Ом на один аккумулятор. Длительность непрерывного свечения фонаря от полностью заряженной батареи получилась равной десяти часам, из них 8,5 ч при полной яркости (напряжение батареи уменьшается от 4,2 до 3,3 В) и 1,5ч при плавно снижающейся яркости (напряжение уменьшается от 3,3 до 2,8 В, ток светодиодов падает с 1,3 до 0,3 А). В критических ситуациях допустима и более глубокая разрядка батареи, причём яркость свечения при токе светодиодов 0,1...0,2 А, и даже меньше, остаётся вполне достаточной для ориентирования в темноте.
В качестве EL1—EL6 применены белые светодиоды мощностью 1 Вт (максимальный ток — 350 мА), установленные на общем теплоотводе — алюминиевой пластине размерами 120x70x3 мм, закреплённой снаружи пластмассового корпуса светильника.

Были опробованы светодиоды фирмы Nichia (рис. 3) и светодиоды неизвестного изготовителя (рис. 4), аналогичные по конструкции и параметрам отечественным светодиодам SVL01P1 [8]. Первые поставляют уже установленными на индивидуальные алюминиевые подложки-теплоотводы. Для вторых подложки нужно приобретать отдельно и паять на них светодиоды вручную. Процесс пайки очень прост, желательно только наносить теплопроводящую пасту между светодиодом и подложкой. Светодиоды обоих типов широко представлены в интернет-магазинах. Конечно, можно применить и другие светодиоды, но желательно, чтобы их конструкция предусматривала крепление к теплоотводу, а прямое падение напряжения при токе 0,2 А не превышало 3,2...3,3 В.
Возникает вопрос, почему использовано параллельное соединение светодиодов без выравнивающих ток резисторов? Такое решение было принято на основе анализа усреднённой вольт-амперной характеристики (ВАХ) применённых светодиодов, приведённой на рис. 5 (голубая кривая). Она показывает, что при различии падения напряжения на двух разных светодиодах при одинаковом токе 0,22 А — не более 0,08 В (например, 3,11 В и 3,19 В), разность их токов не будет превышать 0,04 А (9 %), если подать напряжение 3,15 В, соединив светодиоды параллельно. При разнице 0,1 В (3,10 В и 3,20 В) разность токов будет 0,05 А (11 %), при разнице 0,12В — 0,06 А (13%).
Так как средний ток одного свето-диода (0,22 А) выбран значительно меньше максимально допустимого (0,35 А), а светодиоды установлены на общем теплоотводе, можно считать, что тепловые и токовые нагрузки на каждый светодиод будут значительно меньше максимально допустимых.
Из десяти светодиодов, изображённых на рис. 3, шесть уложились в интервал 3,14...3,19 В и четыре — в 3,26...3,30 В. А из 20 светодиодов, изображённых на рис. 4, случайным образом взятых из двух различных партий, приобретённых с интервалом в два года, у 19 штук прямое напряжение при токе 0,22 А находилось в пределах 3,09...3,16 В, а у одного было равным 3,23 В. Таким образом, в обоих случаях подобрать светодиоды с разницей прямого напряжения менее 0,1 В не представляет труда.

Для сравнения на рис. 5 (красная кривая) приведена ВАХ четырёх соединённых последовательно кремниевых диодов (эмиттерных переходов транзисторов КТ815Г). Она заметно более крутая, чем ВАХ светодиодов. Это значит, что при параллельном соединении кремниевых диодов разброс текущих через них токов получится значительно больше.
Чтобы уменьшить зависимость тока светодиодов от температуры, предусмотрен диод VD4. Он закреплён на общем со светодиодами теплоотводе. При повышении температуры его дифференциальное сопротивление понижается, и за счёт обратной связи ток, текущий через светодиоды, уменьшается. При повышении температуры свето-диодов от 20 °С до 50 °С ток через них изменяется от 1,21 А до 1,29 А, это меньше 7 %. В отсутствие диода VD4 это изменение было бы около 20 %, а при уменьшенной площади тепло-отвода — ещё больше. Измерения проводились при напряжении батареи GB1 3,6 В. Измерялся потребляемый от неё ток, из которого вычитался ток базы транзистора VT2 (13 мА) и ток катода стабилизатора DA1 (2 мА).
Для подборки светодиодов по прямому напряжению необходим стабилизированный источник напряжения, регулируемого от 15 до 20 В, с максимальным выходным током не менее 0,3 А. Закрепите шесть светодиодов на общем теплоотводе. Установите на выходе источника напряжение 15В и подключите к нему светодиоды по схеме, показанной на рис. 6.

Плавно увеличивая напряжение, добейтесь, чтобы вольтметр PV1 показал 2,2 В, что соответствует току через светодиоды 0,22 А. Подождите 30...40 с стабилизации теплового режима светодиодов. Затем цифровым вольтметром измерьте напряжение на каждом светодиоде и отберите экземпляры с разбросом, не превышающим 0,1 В. Снимите светодиоды с теплоотвода, закрепите новые и повторите всё сначала.
Налаживание светильника сводится к установке напряжения на светодиодах и тока через них. Вместо батареи GB1 временно подключите регулируемый источник напряжения, которое установите равным 3,6 В. Не подключая светодиоды EL1—EL6, добейтесь подборкой резисторов R3 и R4 напряжения на конденсаторе СЗ 2,8...2,9 В. Последовательно в цепь питания устройства включите амперметр на 2...3 А.
Подключите светодиоды EL1—EL6 согласно схеме и замкните выключатель SA1. Амперметр должен показать 0,2...0,5 А. Вновь подбирая резисторы R3 и R4, добейтесь установившихся после двух-трёх минут прогрева светодиодов показаний амперметра около 1,3 А (напомню, диод VD4 должен быть закреплён на общем со светодиодами теплоотводе). Сопротивление резистора R3 не должно быть менее 1,2 кОм, иначе ухудшится термостабилизация тока светодиодов.
Индикатор разрядки аккумуляторной батареи в описываемом светильнике — уменьшение в два-три раза яркости свечения светодиодов. Но даже при такой грубой индикации допустить переразрядку батареи сложно, поскольку ток через светодиоды и яркость их свечения при уменьшении её напряжения ниже 2,8...2,9 В резко снижаются.
Чтобы использовать светильник для дежурного экономного освещения, в него необходимо ввести выключатель, который подключал бы параллельно резистору R3 дополнительный резистор, сопротивление которого подобрано таким, чтобы ток через светодиоды уменьшался в 10... 15 раз. Это во столько же раз увеличит максимальную продолжительность свечения.
Разъём XS1 предназначен для зарядки батареи. Её можно выполнять от регулируемого источника напряжения, оснащённого регулируемым ограничителем тока. На выходе источника установите напряжение 4,2 В при пороге ограничения тока 1...3А и подключите его к разъёму XS1 в соответствующей полярности. Выключатель SA1 во время зарядки должен быть разомкнут. Зарядку можно считать завершённой, когда показания встроенного в источник амперметра уменьшатся в
20...30 раз относительно начального значения.
Второй способ зарядки — от специализированного зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов с током зарядки 1 ...3 А. Ограничение в 3 А необходимо во избежание перегрева аккумуляторов с повышенным внутренним сопротивлением, применённых в устройстве. При использовании новых аккумуляторов ток зарядки можно увеличить до 4...5 А. Необходимо только, чтобы контакты разъёма XS1 выдержали такой ток.
Светодиодный светильник имеет размеры 160x80x30 мм. Он собран в приобретённом в интернет-магазине корпусе для внешнего резервного аккумулятора (power bank), рассчитанного на шесть аккумуляторов типоразмера 18650. Из корпуса я удалил все контакты и поместил в него шесть аккумуляторов, соединив их пайкой (в качестве флюса использовал растолчённую в порошок таблетку аспирина). Плата с микросхемой была также удалена, а на её место установлен фрагмент макетной платы размерами 68x30 мм с элементами стабилизатора напряжения. Печатная плата не разрабатывалась для экономии места по высоте. Отверстия в корпусе, предназначавшиеся для двух USB-разъёмов, были подпилены и в них вставлены разъём XS1 и выключатель SA1.
Транзистор КТ818Б установлен сбоку от платы на алюминиевой пластине размерами 15x20 мм. Этот транзистор должен при токе коллектора 1 А иметь статический коэффициент передачи тока около 100. При уменьшении его до 50 КПД устройства уменьшится на 1 % при напряжении батареи более 3,5 В и на 2...3 % при напряжении менее 3,4 В.
Вместо транзистора КТ818Б можно применить КТ837К или КТ837Ф. Заменой транзистора КТ3117А1 могут служить КТ503Б, КТ503Г, КТ645А, КТ645Б, КТ815А—КТ815Г.
В качестве VD1—VD3 желательно использовать диоды с максимальным прямым током 0,1...0,2 A (1N4148, КД522Б, КД510А). Более мощные диоды применять не следует, поскольку при малом токе у них меньше прямое падение напряжения, что может сделать недостаточным напряжение на катоде микросхемы DA1. В качестве VD4 для надёжности лучше не использовать диоды в стеклянном корпусе. Разъём XS1 — РГ1Н-1 -1, плавкая вставка FU1 — ВП1-1. конденсатор 02 — керамический.
Внешний вид светильника показан на рис. 7, где светодиоды закрыты защитной крышкой, а со снятой крышкой — на рис. 8. Расположение элементов внутри корпуса видно на рис. 9.

При температуре окружающей среды +25 °С и непрерывной работе устройства в течение двух часов температура самого горячего светодиода достигла +52 °С (была измерена температура выводов светодиода максимально близко к его кристаллу).
По рассмотренной схеме я собрал четыре светильника с числом аккумуляторов от двух до шести и числом светодиодов от трёх до шести. Три из них безотказно работают уже более трёх лет, а одно собрано недавно.
Исключив из устройства диод VD1, его можно применять в качестве стабилизатора напряжения с малым минимальным падением напряжения (около 0,2 В при токе 1,3 А) и очень большим коэффициентом стабилизации. При токе нагрузки более 2 А в качестве VT2 лучше использовать транзисторы КТ8102А или КТ9120А, а в качестве VT1 — КТ815А— КТ815Г. При входном напряжении более 5...6 В сопротивление резистора R1 необходимо увеличить до 1 кОм, а более 10...12 В — доЗ кОм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бутов А. Питание светодиодного светильника "Эра К48" от Li-ion аккумулятора. — Радио, 2016, №6, с. 51,52.
2. Баширов Д., Баширов С. Карманный фонарь на мощном светодиоде. — Радио, 2009, №6, с. 51,52.
3. Гуреев С. Походный светодиодный светильник. — Радио, 2012, № 10, с. 35—37.
4. Томилов С. Кемпинговый светодиодный фонарь. — Радио, 2013, № 10, с. 49, 50.
5. Косенко С. Импульсный стабилизатор тока на микросхеме L6920D в светодиодном фонаре. — Радио, 2011, № 6, с. 30—33.
6. Евсиков М. Стабилизатор тока МР2481 для питания мощных светодиодов. — Радио, 2011, №4, с. 45—47.
7. Каныгин С. Низковольтные стабилизаторы напряжения на микросхеме КР142ЕН19. — Радио, 2002, № 10, с. 36.
8. Юшин А. Отечественные светодиоды повышенной яркости. — Радио, 2013, № 2, с. 44, 45.
Радио №10 2018
Ссылки
1Светодиодный светильник с регулируемой яркостью
Особенности установки сверхъярких светодиодов в настольные светильники
О применении мощных ультраярких светодиодов
Цветной светодиодный ночник «ХАОС»
Китайский садовый светодиодный светильник на фотоэлементе