Главная » Автоматика в быту
Призовой фонд
на май 2017 г.
1. Тестер компонентов MG328
Паяльник
2. Осциллограф DSO138
Паяльник
3. Регулируемый паяльник 60 Вт
Паяльник
4. 100 руб.
От пользователей

Модернизация мощного фонаря на светодиод 5 Ватт

В результате бесконечного стремления производителя удешевить продукцию, на прилавки попадают товары такого качества, что их по-хорошему нужно бы запретить выпускать, иначе промышленность работает практически в мусорное ведро.

В качестве примера берём фонарь, фирмы “Doberman”. Внешне выглядящий надёжно, на поверку внутри содержит свинцовый аккумулятор 6V 7А/ч, выключатель и лампочку 6V 55W.

Все, кто знаком с условиями эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов, знают, что эти аккумуляторы не терпят глубокого разряда. Буквально: десяток глубоких разрядов и хранение в разряженном состоянии полностью "убивают" аккумулятор. То есть стоит несколько раз оставить такой фонарь включенным - аккумулятор можно выбрасывать, так как лампочка 20W легко садит его в ноль.

Во вторых, для заряда аккумулятора прилагается “зарядное устройство”, которое представляет собой блок питания 9V 500mA. Для ограничения тока заряда в фонарь установлен резистор 10 Ом. Если оставить фонарь на заряд больше суток, аккумулятор “закипит” и опять же быстро придёт в негодность.

В таком состоянии он и попал ко мне: аккумулятор выдавал 3.7 В и заряжаться не желал. Просто покупать новый аккумулятор не имело смысла, поэтому я решил добавить внутрь фонаря контроллер заряда и заодно переделать на мощный светодиод.

Электронная начинка фонаря должна включать в себя драйвер мощного светодиода и контроллер заряда/разряда аккумулятора. Задача драйвера - обеспечивать стабильный ток на светодиоде. Задача контроллера заряда - обеспечить правильный режим заряда аккумулятора. Задача контроллера разряда - отключить аккумулятор от нагрузки при снижении напряжения ниже установленного предела, для предотвращения глубокого разряда.

Схема

Существуют специализированные микросхемы драйверов светодиодов и контроллеров заряда. Для меня в данном случае было удобнее применить распространённый микроконтроллер ATTiny26 для контроля всех параметров. В отличие от блоков питания, где требуется высокая скорость реакции на изменение тока, в зарядом устройстве и драйвере светодиода скорость работы микроконтроллера более чем достаточна.

Микроконтроллер контролирует факт подключения зарядного устройства и его напряжение, ток заряда, напряжение на аккумуляторе,и ток светодиода с помощью ADC входов 1,2,3,4,5 соответственно (ток заряда вычисляется из разности напряжений External Voltage и Charge Voltage).

Прошивка рассчитана на использование двухпозиционного выключателя SW2.
Герконовое реле RL1 подключает батарею к зарядному устройству, если внешнее питание подключается при выключенном переключателе SW2.

Диод D6 - любой диод с низким падением напряжения, стабилизатор U2 - желательно с низким падением напряжения, но подойдёт и обычный. При напряжении 5.8В на батарее, напряжение на контроллере при использовании диода BAT31 и стабилизатора 78L05 составляет 4.5В, что приемлемо.

Все биполярные транзисторы работают в ключевом режиме, и поэтому могут быть заменены на аналогичные с учетом максимального тока коллектора.

Диоды D2, D3 и D4 - диоды Шоттки, например - 5820.

Резисторы R15, R16, R5, R13 - высокоточные, или подобранные обычные (важно обеспечить равенство отношений R15:R16, R5:R13 - по падению напряжения измеряется ток заряда).

Дроссели взяты из компьютерного БП без перемотки. Измеренная реальная индуктивность указана на схеме.

Описание работы

Если зарядное устройство отключено, контроллер подключает нагрузку (5 Вт светодиод D1) и контролирует выходной ток. Если напряжение батареи снижается ниже 6В, начинает медленно мигать светодиод D5 (скважность - 25%), сигнализируя о низком заряде батареи.

Нажатие на кнопку SW1 переключает два режима яркости свечения (0.9A и 0.45А). При снижении напряжения на батарее ниже 5.8В, нагрузка отключается. 

Алгоритм заряда:

При подключении зарядного устройства светодиод D1 отключается, и контроллер начинает процесс заряда аккумулятора.
В первой фазе работает ограничение тока заряда 0.6А и ограничение напряжения на батарее 7.35В. Светодиод D5 быстро мигает со скважностью 50%.

Контроллер также контролирует уровень напряжения с зарядного устройства. При снижении внешнего питания ниже 7.3В, ток заряда будет ограничиваться ( считается, что подключен блок питания низкой мощности). В качестве внешнего источника может применяться блок питания 9-19В или переходник на “прикуриватель”.

При достижении стабильного напряжения на батарее 7.2В...7.35В, контроллер начинает отслеживать, снизился ли зарядный ток ниже 0.2А. Светодиод медленно мигает со скважностью 50%.

После снижения зарядного тока или по истечению 2-х часов, контроллер переключается standby режим заряда - напряжение на батарее удерживается на уровне 6.8В. В этом режиме аккумулятор может находиться длительное время без вреда. Светодиод D5 горит.

Нажатием на кнопку SW1 можно включить фонарь во время заряда. При этом его ток ограничен 0.3А, чтобы обеспечить нормальный режим заряда аккумулятора.

Прошивка

При программировании контроллера нужно снимать перемычку X1, так как в процессе заливки прошивки на светодиод может пойти очень большой ток. Нечаянные эксперименты показали, что 5W светодиод кратковременно выдерживает 3А, так что в процессе разработки ни один светодиод не "умер".

Фюзы:

Максимальное значение выходного тока можно ставить не больше 1.249A, поскольку при резисторе 0.1 Ом и умножителе x20 это как раз предел измерения ADC. Чтобы увеличить ток, проще всего взять резистор поменьше, или убрать умножитель на x20 в прошивке.

Я пробовал запускать светодиод на 1.2А - полевик не греется. Но сам светодиод греется очень сильно, пришлось доработать радиатор. В итоге решил поставить 0.9A для исключения перегрева - диод работает в закрытом корпусе, т.е. охлаждаться ему некуда. Такой яркости вполне достаточно.

Если номиналы элементов не соответствуют схеме, нужно внести точные значения в исходник прошивки и перекомпилировать ( все константы определены в начале файла main.c ).

Настройка

Перед первым включением вместо светодиода D1 нужно подключить резистор 2 Ом 5 Вт, или оригинальную лампочку. Устройство включаем и проверяем наличие прямоугольных импульсов LED PWM. Проверяем ток через нагрузку - падение напряжения на резисторе R1 должно быть около 0.9В.

Подключаем внешний блок питания. Реле RL1 должно включиться, а нагрузка отключиться. Проверяем наличие прямоугольных импульсов Charge PWM. 

В течении заряда контролируем напряжение и ток на аккумуляторе ( см. график выше ). 

Если что-то не так, то в прошивке нужно включить вывод отладочной информации ( раскомментировать соответствующие функции stx_string() ) и проверить, что видит микроконтроллер. К пину A7 подключают UART вход, чтобы увидеть отладочную информацию (19200N1).

Печатная плата

Внутри фонаря достаточно места, конструкция выполнена на выводных деталях:

Я делал одностороннюю плату, а верхние соединения выполнил проводом МГТФ.
Обратите внимание, что транзисторы S8050 и 8050S имеют разную цоколёвку. Плата разведена под S8050/S8550.

По сути, предложенная схема является контроллером свинцового аккумулятора с ограничением максимального тока. Её можно применять и в других устройствах, например - детском автомобиле с аккумулятором 6V.

P.S. Через месяц фонарь перестал работать... При попытке зарядить аккумулятор напряжение быстро поднималось до максимума, как будто аккумулятор “выкипел” и больше не принимал заряд. Я было расстроился: наверно в прошивке ошибка, убил аккумулятор... Детальная проверка показала, что сопротивление китайского выключателя SW2 при токе в ампер возрастало до 100 Ом, что и не давало контроллеру функционировать нормально. После замены выключателя схема возобновила нормальную работу.

Материалы
Cree® XLamp® XT Family LEDs
AVR450: Battery Charger for SLA, NiCd, NiMH and Li-Ion Batteries

Прошивка откомпилирована для номиналов указанных в схеме. Ток светодиода - 0.9А, ток заряда - 0.6А, напряжение окончания "быстрого" заряда (cycle use) - 7.35В, StandBy режим: 6.8В.

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
U1 МК AVR 8-бит
ATtiny26
1 Поиск в FivelВ блокнот
U2 Линейный регулятор
L78L05
1 Поиск в FivelВ блокнот
U3 ИС источника опорного напряжения
TL431ILP
1 Поиск в FivelВ блокнот
Q1, Q4 MOSFET-транзистор
IRF9Z34N
2 Поиск в FivelВ блокнот
Q2 ,Q5 Биполярный транзистор
S8550
2 Поиск в FivelВ блокнот
Q3 ,Q6 Биполярный транзистор
S8050
1 Поиск в FivelВ блокнот
D6, D7 Выпрямительный диод
BAT41
2 Поиск в FivelВ блокнот
D2, D3, D4 Диод Шоттки
1N5820
2 Поиск в FivelВ блокнот
C1, C5 Конденсатор820 мкФ2 Поиск в FivelВ блокнот
C2 Конденсатор470 мкФ1 Поиск в FivelВ блокнот
C3 Конденсатор10 мкФ1 Поиск в FivelВ блокнот
C4, C6, C9 Конденсатор0.1 мкФ3 Поиск в FivelВ блокнот
C7, C8 Конденсатор47 мкФ2 Поиск в FivelВ блокнот
R1 Резистор
0.1 Ом 0.1%
1 Поиск в FivelВ блокнот
R2, R3 Резистор
20 Ом
2 Поиск в FivelВ блокнот
R4, R11 Резистор
100 кОм
2 Поиск в FivelВ блокнот
R5, R15 Резистор
10 кОм 0.1%
2 Поиск в FivelВ блокнот
R6, R12, R14, R18 Резистор
10 кОм
4 Поиск в FivelВ блокнот
R7 Резистор
1 Ом
1 Поиск в FivelВ блокнот
R8-R10 Резистор
1 кОм
3 Поиск в FivelВ блокнот
R13, R16 Резистор
3.3 кОм 0.1%
2 Поиск в FivelВ блокнот
R17 Резистор
4.7 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R19 Резистор
1.6 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R20 Резистор
120 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
RL1 Герконовое реле1 Поиск в FivelВ блокнот
L1 Дроссель175 мкГн1 Поиск в FivelВ блокнот
L2 Дроссель6 мкГн1 Поиск в FivelВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: Изменена: 09.09.2013 0 0
Я собрал 0 Участие в конкурсе 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (17) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Владислав #
У меня на работе в таком же новом фонаре через пару месяцев накрылся аккумулятор.
Ответить
0
civil #
У меня подобный фонарь дает узкий луч, бьющий на сотню метров. А как у вас изменился свет после переделки?
Ответить
0

[Автор]
hax #
Мне нужно ближнее освещение (разгрузить машину и т.д.), поэтому я поставил светорассеиватель из пластмассовой пробки от шампанского. Это даёт равномерное освещение с углом ~70град и чуть более яркий луч по центру ~30град. Для лучшей равномерности можно поставить половину теннисного шарика.
Если нужен прожектор - нужно ставить линзу на цилиндр.
По сравнению с оригинальной лампой 6В 55Вт яркость конечно уменьшилась, но зато фонарь светит больше 8 часов без перерыва (9А vs 0.9А !). Я думаю, что если поставить 10Вт светодиод с линзой, то яркость прожектора будет сопоставима. В любом случае, можно оставить лампочку. При этом L1 и R1 нужно зашунтировать.
Ответить
0
Александр #
А чем вы именно ток контролируете? Что именно в качестве токового датчика?
Ответить
0

[Автор]
hax #
Обычные резисторы http://chip-cont.ru/products_pictures/1525_big.jpg
Ответить
0
dkg10 #
Не понимаю в чем прелесть схемы? Почему не применить модуляцию тока светодиода для ещё более существенной экономии энергии? Например, в течении 10% времени светодиод подключен и светит и в течение 90 % времени - выключен. Разумеется период переключения должен быть 1/1000 сек или около того.
Ответить
0

[Автор]
hax #
1) Q1-Q3, L1, C1, D2 - импульсный преобразователь, который обеспечивает - 0.9А непрерывного тока на светодиоде. Какой смысл шимить эти 0.9А? Яркость зависит от подаваемой на светодиод мощности. Сделать 50% скважность тока 0.9А - все равно, что снизить постоянный ток до 0.45А.
Ответить
0
dkg10 #
Это как в случае динамической индикации семисегментных светодиодных индикаторов - яркость отдельных разрядов на глаз эквивалентна непрерывному свечению, а по факту каждый разряд запитывается только на свой интервал времени. При этом экономится энергия. Аналогично и здесь - вместо того, чтобы питать светодиод непрерывным током 0,9А можно без потери яркости ("на глаз") дать ему эти 0,9 А лишь на короткий временной интервал, экономя при этом энергию!
Ответить
0

[Автор]
hax #
отдельных разрядов на глаз эквивалентна непрерывному свечению
Яркость сегментов при этом НИЖЕ по сравнению со случаем, когда сегменты запитаны постоянным током.
Как вы объясните такой "феномен" с учётом закона сохранения энергии? Вы предлагаете отдавать в светодиод меньше энергии и получать столько же вылетающих фотонов.
Ответить
0
dkg10 #
Дело не в количестве энергии, а в особенности человеческого восприятия светового эффекта т.е. - в инерционности зрения!
Ответить
+1

[Автор]
hax #
Глаз не ищет максимум, он усредняет.
Если бы всё было, как вы говорите, то ШИМ регулировка яркости светодиодов не работала бы.
Ответить
0
dkg10 #
ШИМ регулировка тоже работает, но только при большей скважности питающих импульсов, а глаз "не умеет" и не может усреднять импульсы света
Ответить
0

[Автор]
hax #
(facepalm) ШИМ регулировка яркости работает всегда. При уменьшении duty ratio яркость снижается всегда. Другое дело, что при 90% заполнении воспринимаемая яркость снизится меньше, чем на 10%, потому зависимость между яркостью в люменах и воспринимаемой - нелинейна. Но разницы между 90% ШИМ и 90% постоянного тока - нет. Если хотите вдаваться в подробности(эффекты color shift, нагрев и т.д,), почитайте эту тему Constant Current vs. PWM dimming Revealed: http://www.candlepowerforums.com/vb/showthread.php?70073-Constant-Current-vs-PWM-dimming-Revealed, в особенности графики Intensity: Constant current dimming v.s PWM. , Constant curent efficiency gain.
Ответить
0
Smelter #
Ещё как умеет и ещё как усредняет, иначе изображение на экране ТВ мы не видели. Сколько минут "зайчик" в глазах светит от фотовспышки? Вот "зайчик" это и есть усреднение глазом 1/30 сек. длительности вспышки.
Ответить
0
dkg10 #
Да это вовсе не усреднение. Это - фиксация максимумов! Но арбитром в этом споре, наверное, должен быть спец. офтальмолог.
Ответить
0
НАИЛЬ #
У меня точно такой же фонарь,только называется почему-то "Яркий луч". И та же самая проблема! Сейчас тоже переделываю под светодиод на 5вт, но Ваша схема мне не подходит, так как ничего не понимаю в микроконтроллерах и потому стараюсь обойтись без них. Светодиод и радиатор вставил, драйвер спаял по схеме с этого сайта, осталось разобраться со схемой заряда и думаю потом ещё воткнуть сигнализатор разряда, чтобы пищал, когда разряд ниже нормы.
Ответить
0
Дмитрий #
Делать нужно на Литий-Ионе. Батарею собрать, контроллером оснастить, и будет счастье.
В этот корпус входит плоская батарея, собранная из шести литий-ионных аккумуляторов 18650. Как и на какое напряжение ее собрать - решается исходя из требований источника света. Контроллеров сейчас под любую комплектацию батареи видимо-невидимо. А для зарядки покупается Робитон с нормальным током на выходе (3А за глаза).
Делал в этих корпусах ксеноновые фонари. Очень хорошо себя показывали.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическое сопротивление?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Радиореле 220В
Радиореле 220В
200 Вт усилитель класса D на IRS2092 USB-реле (2 канала)
вверх