Восстановление и переделка заряжаемых светодиодных фонариков

На сайте уже описано несколько вариантов доработки простых фонариков на светодиодах, но предложенные решения показались намного усложнёнными, по сравнению с первоначальными заводскими конструкциями, что является не совсем рациональным решением там, где изначально же основу составляли всего лишь светодиоды, притом небольшой мощности, и аккумулятор, вместе с примитивной системой его зарядки. Тем не менее некоторые уже предложенные решения настолько громоздки и запутаны, что заставляют задуматься даже опытных мастеров.

Каждый сам для себя решает насколько усложнять, или же наоборот, упрощать устройство, автором же было решено восстановить, и с минимальными затратами, без фанатизма модернизировать аккумуляторные светодиодные фонарики, заменив свинцовые аккумуляторы на литий-ионные, с сохранением, или улучшением рабочих характеристик конечных конструкций. На первый взгляд вопрос кажется очень простым и понятным, как само собой разумеющееся, но на деле всплывают некоторые детали, которые следует учесть для обеспечения надёжности и долговечности устройства.

Предыстория

Началось всё с того, что в руки попал неисправный самый простой, и наверное самый часто встречающийся светодиодный фонарик, с возможностью зарядки встроенного аккумулятора непосредственно от сети переменного тока, который для этого на своём корпусе имеет выдвижную вилку, в данном случае западного стандарта. Переключатель питания фонарика может занимать одно из трёх положений, два из которых рабочие, и зажигают соответственно все четыре, или только половину (два) имеющихся светодиодов. Предусмотрен так же светодиод индикации зарядки аккумулятора, красного цвета свечения:

Простой заряжаемый светодиодный фонарик

Частой причиной неисправности таких фонариков является выход из строя установленного свинцового аккумулятора, но свой срок службы обычно он отрабатывает нормально, а неисправность даёт о себе знать как правило после одного-двух лет эксплуатации. Не будем сейчас детально рассматривать данную проблему, так как свинцовый аккумулятор планируется заменить литий-ионным, а условия их эксплуатации различаются радикально.

В мастерскую фонарик попал без аккумулятора, так как кто-то уже разбирал его и по всей вероятности пытался выяснить причину неисправности, а может даже и устранить её. Но как обычно бывает в таких случаях, проблема только усугубилась тем, что после этого перестали работать и светодиоды, хотя по рассказу до этого они светились, но фонарик быстро разряжался. Как сказали, старый аккумулятор был просто удалён, и больше никаких действий не производилось, но при проверке в мастерской, все светодиоды оказались неисправными, и с этого момента можно решать, восстанавливать данное устройства, или делать этого не стоит:

Заряжаемый светодиодный фонарик в разобранном виде

Восстановление работоспособности устройства

Главным критерием для решения этого вопроса была простота и доступность, так как не очень хотелось на восстановление работоспособности фонарика тратить много времени и средств. В то же время понравился компактный корпус, светоотражающий рефлектор, да и вообще вся физическая конструкция устройства, которое не так просто сделать самому с нуля, иногда даже имея 3D-принтер. Так как всё это выбрасывать было жаль, начались поиски простого решения задачи восстановления и повторного использования фонарика. Для максимального применения уже имеющихся компонентов была зарисована принципиальная схема оригинального осветительного прибора, изображённая на рисунке ниже:

Принципиальная электрическая схема фонарика со свинцовым аккумулятором

Устройство прибора очень простое и выполнено с использованием минимального количества радиоэлементов. Коммутация светодиодов осуществляется трёхпозиционным переключателем с фиксацией установленного положения, а сами светодиоды подключаются к питающей батарее через последовательно соединённые гасящие резисторы. Резисторы подключены к каждому светодиоду отдельно, и их количество равно количеству установленных светодиодов.

В первом положении переключателя все светодиоды обесточены и ток от аккумуляторной батареи не потребляется. Во втором положении переключателя к ней подключаются два, а в третьем положении все четыре светодиода, что обеспечивает два режима работы, соответственно на половину, и на полную яркость свечения, а так же и потребления. Но так как мощность используемых светодиодов невелика, на практике часто оказывается так, что большую часть времени прибор используется на полную мощность, не устанавливая переключатель в среднее положение, а используя только крайние.

Зарядка фонарика осуществляется его непосредственным подключением к осветительной электросети, напряжение с которой проходя через токо-гасящий конденсатор, выпрямляется двухполупериодным диодным мостом, и напрямую поступает на клеммы аккумуляторной батареи. К одному из плеч диодного моста подключён светодиод с токо-ограничивающим резистором, светящийся только при наличии входного переменного напряжения осветительной электросети.

Было решено в первую очередь заменить светодиоды, а уже потом разбираться с остальным. Так как изначально они были небольшой мощности, то в качестве замены были взяты светодиоды белого цвета свечения от зажигалок. Они, как и первоначальные, тоже имеют линзу на своём корпусе, и создают направленный световой поток. Можно использовать любые подходящие светодиоды, рассчитанные на прямой ток 20 мА. Кроме светодиодов  сгоревшими оказались два токо-ограничивающих резистора с сопротивлением по 30 Ом. Для их замены были взяты советские резисторы небольшой мощности с сопротивлением по 27 Ом. Выводы светодиодов были укорочены до необходимого значения, и все компоненты установлены на печатную плату осветительной части, на которой нанесены обозначения для их правильного расположения в соответствии месту и правильной полярности:

Замена компонентов и восстановление платы осветительной части

На этом этапе можно просто установить новый свинцовый аккумулятор и уже получить работоспособный и пригодный осветительный прибор автономного типа. Но такие аккумуляторы в повреждённых устройствах редко встречаются в исправном состоянии, а покупать его специально для этого фонарика не планировалось. Притом, что в наличии имелось несколько вполне рабочих литий-ионных аккумуляторов от отработавших свой срок батарей питания ноутбуков. Правда по сравнению с новыми, у них была занижена ёмкость и повышено внутреннее сопротивление, но так как светодиоды ремонтируемого фонарика рассчитаны на небольшой ток, то данные аккумуляторы сгодятся для их питания и использования в нём.

Переделка фонарика под литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы имеют строгие ограничения по величине конечного напряжения во время разрядки и зарядки. При снижении ЭДС аккумулятора ниже определённого значения, он резко теряет ёмкость, и может совсем потерять способность сохранять заряд, а при превышении напряжения зарядки выше нормы, происходит интенсивный нагрев аккумулятора, что так же снижает срок его службы, а в некоторых случаях приводит к его возгоранию.

Для предотвращения нежелательных последствий, в батареях даже с одним литий-ионным аккумулятором, предусматривают специальный модуль защиты, размыкающий цепь при достижении напряжения на клеммах аккумулятора определённого значения в меньшую или большую сторону, тем самым предотвращая дальнейший разряд/заряд. Задача таких модулей не допустить выход ЭДС аккумулятора за установленные пределы и предотвратить перегрев, для чего на таких модулях часто имеются датчики температуры, напрямую или косвенно влияющие на протекание процесса зарядки/разрядки.

Один из таких модулей, с маркировкой CZ181LI, был взят из нерабочего Li-ion аккумулятора мобильного телефона. Плата модуля имеет малые размеры и выполнена с применением радиокомпонентов поверхностного монтажа. С одной стороны платы установлены: микросхема контроллера с маркировкой V8P2 со всей необходимой обвязкой в виде конденсаторов и резисторов, и транзисторная сборка AO8810, состоящая из двух N-канальных MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), являющаяся двунаправленным силовым ключом. С другой стороны платы сформированы контактные площадки: B+ и B- по краям, для подключения аккумуляторной батареи, и три контакта посередине - P+ и P- для подключения нагрузки или зарядного устройства, и между ними TH - являющийся выводом установленного на плате терморезистора, вторым концом соединённым с отрицательным выходным полюсом:

Внешний вид платы модуля защиты литий-ионного аккумулятора

При детальном осмотре была произведена зарисовка принципиальной схемы модуля контроля литий-ионной батареи. Из схемы видно, что положительный полюс выходных контактов напрямую соединён с положительным полюсом самой батареи, а в разрыв цепи между отрицательным выходным контактом и отрицательным полюсом батареи включён двунаправленный силовой ключ, выполненный на двух МОП-транзисторах, включённых встречно-последовательно и управляемых микросхемой-контроллером с надписью на корпусе "V8P2". Поиск в интернете по запросу с таким наименованием не дал положительных результатов, но по схеме включения видно, что эта микросхема является аналогом широко распространённого контроллера DW01-P:

Принципиальная электрическая схема модуля защиты литий-ионного аккумулятора

Остаётся только узнать пороги срабатывания при снижении и повышении напряжения на аккумуляторе, и при удовлетворительном результате можно будет использовать данный модуль вместе с имеющимися аккумуляторами типоразмера 18650. Для данной задачи поспешно был собран небольшой временный стенд на основе блока питания небольшой мощности с выходным напряжением 5 Вольт, подстроечного резистора с максимальным сопротивлением 100 Ом, конденсатора с ёмкостью 1000 микрофарад и обычного мультиметра с режимом измерения постоянного напряжения в пределах 20 Вольт:

Принципиальная схема временного стенда для испытания платы защиты аккумулятора

Конденсатор подключается к контактам B+ и B-, и имитирует наличие аккумулятора, параллельно ему подключён вольтметр / мультиметр. Подстроечный резистор служит для регулировки подаваемого на контроллер напряжения, и для этой цели может быть использован регулируемый источник, но тогда на место подстроечного должен будет установлен обычный резистор постоянного сопротивления с приблизительно таким же номиналом. Он обеспечивает быстрый разряд конденсаторов во время снижения подаваемого напряжения и выступает одноимённой нагрузкой для всего стенда. Сопротивление данного резистора может варьироваться в пределах 50% от указанного на схеме.

Перед началом испытаний следует установить минимальное значение подаваемого напряжения установкой подвижного контакта подстроечного резистора в верхнее по схеме положение. Далее плавно вращая ось резистора и постепенно увеличивая уровень напряжения нужно следить за показаниями вольтметра, которые так же будут увеличиваться, но в какой то момент произойдёт "отсечка" и напряжение на клеммах мультиметра перестанет увеличиваться, а благодаря подключённому конденсатору его значение будет сохранено достаточно долго для учёта и фиксации показаний. Это и будет верхний предел, выше которого плата защиты не даст подняться напряжению во время зарядки аккумулятора.

Далее для определения нижнего предела нужно просто обесточить блок питания, напряжение с него исчезнет, а конденсатор быстро разрядится через низкое сопротивление подстроечного резистора как раз до уровня нижнего предела, ниже которого плата защиты не даст разрядится аккумулятору во время питания полезной нагрузки. В данном случае верхний предел составил 4,3 В, а нижний соответственно 2,8 В:

Проведение испытаний и фиксация пределов защиты контроллера

Результаты испытаний платы защиты:

• Верхний порог отключения: 4,3 В;
• Нижний порог отключения: 2,8 В.

Исходя из результатов тестирования данной платы защиты, было принято решение о её использовании, вместе с изъятым, из старой батареи ноутбука, литий-ионным аккумулятором типоразмера 18650, с остаточной ёмкостью 600 мА*час. Для лучшей изоляции от остальных элементов в условиях тесного корпуса, сам аккумулятор был обмотан бумажным скотчем, а плата защиты установлена прямо на нём. От необходимых контактов были сделаны проволочные выводы:

Установка платы защиты на литий-ионный аккумулятор

Вместе с переходом на другой аккумулятор нужно подкорректировать схему и самого фонарика, особенно в плане зарядки и предотвращения появления высокого напряжения на чувствительных к нему элементах. Имея в виду новые требования был переделан чертёж принципиальной схемы, и его реальное воплощение. Добавленные и заменённые элементы выделены тёмно-красным цветом, а плата защиты аккумулятора изображена в виде заштрихованного зелёным цветом продолговатого прямоугольника:

Принципиальная схема модифицированного фонарика с литиевым аккумулятором

В первую очередь группы светодиодов были соединены вместе. Этот шаг был продиктован двумя обстоятельствами. Во первых, во время эксплуатации таких маломощных фонариков редко требуется два режима свечения, так как и на полную мощность они светят не намного ярче, соответственно ток потребления в таком случае тоже не критичен, притом что используемый даже сильно изношенный аккумулятор обеспечит время непрерывного свечения на полной яркости свыше семи часов.

Во вторых, после окончания процесса зарядки аккумулятора, когда контроллер защиты отключит его от сети, в условиях отсутствия нагрузки выпрямленное напряжение резко подскочит до высокого, опасного для самого контроллера, уровня.  Произойдёт это вследствие использования простейшего преобразователя из высокого напряжения сети в низкое, построенного на балансном конденсаторе, который если выражаться точнее, ограничивает именно ток нагрузки, а не напряжение на ней, которое будет зависеть от её сопротивления.

Так вот, что бы предотвратить возникновение такой ситуации, нужно обеспечить постоянную нагрузку для выпрямленного сетевого напряжения. Это было достигнуто введением в схему маломощного транзистора, который открывается после полной зарядки аккумулятора, и вместо него к выходу выпрямителя подключает рабочие светодиоды. Получилось убить два зайца минимальным применением дополнительных радиокомпонентов - обеспечивается необходимая нагрузка, предотвращающая появление высокого напряжения, и происходит индикация окончания процесса зарядки путём свечения основных светодиодов.

Группы светодиодов были соединены между собой проволочной перемычкой прямо на плате, а лишний провод был отпаян. Осталось только два провода, соединяющих плату светодиодов с платой зарядки. Роль переключателя режимов так же немного изменилась, кроме того, что фонарик будет светить на полную яркость как в среднем, так и в крайнем верхнем положении переключателя, он ещё коммутирует и цепь зарядки - так зарядка аккумулятора будет возможна только при выключенном фонарике, а при его включении цепь зарядки будет размыкаться. Для возможности таких манипуляций пришлось разрезать токопроводящую площадку на плате зарядки, и произвести дополнительное соединение тонким проводником с неиспользуемым ранее контактом переключателя:

Переделанная плата зарядки и коммутации соединённая с платой светодиодов

Монтаж дополнительных радиокомпонентов был произведён навесным способом, один из добавленных резисторов был припаян к плате защиты, а другой вместе с диодом прямо к выводам транзистора КТ315, вместо которого может быть использован любой транзистор обратной проводимости, рассчитанный на небольшую мощность, достаточную для ключевого управления рабочими светодиодами, общий ток которых не превышает 100 мА.

Сопротивление резистора, подключённого параллельно балансному конденсатору было увеличено до 2,2 МОм, а последовательно с выпрямительным диодным мостом был установлен резистор на 18 Ом, ограничивающий импульс потребляемого тока во время подключения устройства к осветительной электросети. Все токопроводящие детали были тщательно заизолированы кембриковыми трубками, провода и компоненты аккуратно улажены в корпус фонарика, и зафиксированы термопластичным клеем. Не обошлось и без изоляционной ленты, но использовалась она по минимуму:

Соединение, укладка и фиксация компонентов фонарика в корпусе

Ввиду того, что диаметр вновь установленного литиевого аккумулятора оказался больше толщины бывшего свинцового, и по длине он тоже оказался намного больше, пришлось немного поработать над корпусом фонарика, и над креплением основной платы. Корпус был немного выгнут наружу путём его предварительного нагрева, а плата была приподнята, и в качестве её креплений были установлены металлические штыри. Индикаторный светодиод был перенесён на другую её сторону.

Вместе с этим понадобилось укоротить рычажок переключателя режимов работы и насадку для него. Дополнительно выдвижная вилка была заменена на европейскую со штырями круглого сечения. После этого всё было собрано и установлено на свои места:

Окончательная подгонка размеров и сборка корпуса фонарика

Прошло уже более 16 месяцев со дня доработки фонарика, при регулярном его использовании в день полтора-два часа, зарядка требуется приблизительно раз в неделю. Яркость свечения, по сравнению с оригинальным фонариком, субъективно не отличается, сам прибор служит исправно и довольно удобен в использовании, единственный замеченный недостаток - непредвиденность момента полного разряда аккумулятора и соответственно его отключения - в виду простоты конструкции и отсутствия в схеме блока индикации уровня остаточного заряда, что по мнению автора не критично, так как в конце яркость свечения немного снижается и всё таки можно примерно предугадать что аккумулятор скоро разрядится и фонарик следует подключить к сети для подзарядки, а делается это довольно просто: можно воспользоваться розеткой с напряжением переменного тока 200 - 240 Вольт, не заботясь о переходниках, кабелях и адаптерах. По снимкам невозможно объективно определить параметры освещённости, но для косвенного восприятия всё же приводится пара фотографий работы устройства:

Фотографии фонарика в рабочем состоянии

Вместо окончания

И напоследок приводится короткое описание конструкций двух других фонариков, один из которых был отремонтирован и доработан, а другой собран самостоятельно из имеющихся в наличии элементов. Над обеими фонариками, образно выражаясь, пришлось изрядно попотеть, в том смысле, что всё было не так просто, что бы взять и сделать - были проведены работы над корпусами, а так же поиску и подбору радиокомпонентов.

Первый фонарик, как и уже рассмотренный ранее, попался с перегоревшими светодиодами и без аккумулятора, в добавок у него была повреждена зарядная вилка, и часть корпуса, в месте её расположения. Впоследствии эта часть была удалена отпиливанием полотном ножовки, а края были загнуты внутрь предварительным нагреванием мест сгиба.

На плате осветительной части были установлены светодиоды небольшой мощности в количестве шесть штук соединённые параллельно без каких либо балансирующих резисторов - имелся всего-навсего единственный ограничивающий ток резистор, включённый последовательно всей целой образовавшейся матрице светодиодов. Так как такое подключение светодиодов ничем не оправдано, и их всё равно надо было заменять, то проводящие ток площадки на плате были разрезаны на отдельные островки и соединены между собой так, что бы при установке новых светодиодов они оказались соединёнными последовательным способом. Такое соединение светодиодов является правильным, но неизбежно влечёт за собой требование к более высокому напряжению для их питания, величина которого складывается из напряжений питания каждого отдельно включённого в цепь светодиода и составляет в данном случае примерно:

U_Общ. = U_Свет. x n = 3,3 x 6 = 19,8 Вольт,

• где U_Общ - требуемое напряжение для питания последовательно соединённых светодиодов;
• U_Свет. - напряжение питания одного светодиода;
• n - количество последовательно соединённых светодиодов.

Приблизительно потому, что даже светодиоды из одной партии имеют небольшой разброс характеристик, по причине чего как раз и не следует соединять их параллельно напрямую. Ввиду вновь появившегося данного требования ЭДС одной - двух ячеек литиевого или свинцового аккумулятора уже будет недостаточно для питания такой сборки, и дополнительно был собран простейший повышающий преобразователь на базе блокинг-генератора с одним транзистором, где подбором резистора в цепи обратной связи можно установить необходимый уровень выходного тока:

Намотка импульсного трансформатора и сборка блокинг-генератора

Для питания же всей конструкции было взято три плоских литий-ионных аккумулятора от старых мобильных телефонов, соединённых параллельно и стянутых изоляционной лентой. Для управления фонариком был использован штатный выключатель, а для возможности зарядки аккумулятора - уже имеющийся, правда несколько неудобный, установленный на корпусе миниатюрный разъём. Неудобный он тем, что не имеет ключа и очень легко можно перепутать полярность при подключении, для предотвращения чего был установлен защитный диод (видимо поэтому данный разъём в оригинальном варианте и не был задействован):

Доработка и сборка простого светодиодного фонарика

Сейчас конечно можно установить китайскую плату зарядки с уже имеющимся разъёмом, но всё это делалось тогда, когда Алиэкспресс наверное ещё и не существовал (заметно даже по качеству комбинированной фотографии, остальные снимки были сделаны во время последующего ремонта с заменой аккумуляторного блока), а после того отремонтированный и переделанный таким образом фонарик служит исправно уже много лет - только один раз была произведена замена аккумуляторов. Зарядка обычно производится специально собранным для таких целей самодельным зарядным устройством.

После укорачивания корпуса фонарик стал довольно компактным, а в результате реструктуризации схемотехники, по субъективным ощущениям светить он стал намного ярче, потребляемый устройством ток вырос незначительно, свечение отдельных светодиодов стало одинаковым, а всей светодиодной сборки равномерным:

Светодиодный фонарик с повышающим преобразователем

Следующий фонарик почти полностью был собран самостоятельно, и с этой задачей справится даже самый неопытный начинающий радиолюбитель. Конструкция всего прибора очень проста и целиком выполнена из имеющихся подручных средств. В качестве корпуса была использована пластиковая опустошённая банка из под антиперспиранта Rexona (не реклама, хотя советую) - одна из конструкций, выполненных в подобном корпусе описывалась ранее: "Самодельная мини-дрель для сверления плат".

В снимающейся крышке было вырезано круглое окно, в которое затем была вставлена прозрачная защитная перегородка, тоже вырезанная из колпака от баллончика из-под геля для бритья Nivea (рекомендую с серебряной защитой). Изготовленная таким образом лицевая часть будущего осветительного прибора легко устанавливается и снимается по мере необходимости, но в то же время сидит довольно плотно и самопроизвольное откручивание не наблюдалось:

Подготовка будущего корпуса осветительного прибора

Осветительная часть вместе со светодиодами и светоотражающим рефлектором была взята готовая от старого фонарика. Для помещения в подготовленный корпус рефлектор предварительно пришлось немного укоротить по высоте, серебристая краска на нём потрескалась и отслоилась, и он был перекрашен. На плате имеется четыре параллельно соединённых светодиода, каждый со своим балластным резистором, рефлектор надевается на эти светодиоды и крепится к печатной плате небольшим винтом.

В качестве источника питания был использован литий-ионный аккумулятор типоразмера 18650 с ёмкостью 2400 мА*час с предварительной установкой на него платы защиты от аккумулятора мобильного телефона, рассмотренной ранее. Перед установкой в корпус конструкция аккумулятора была обмотана бумажным скотчем для предотвращения нежелательного электрического контакта с другими частями устройства:

Подготовка осветительной части и электронной начинки фонарика

Далее осветительная часть была установлена в лицевой отсек корпуса и плотно прижата крышкой с прозрачной защитной перегородкой. Кроме светодиодов и аккумулятора в конструкции были использованы двухпозиционный переключатель и довольно редкий в настоящее время, но широко распространённый в 80-х годах малогабаритный разъём, очень похожий на современные разъёмы для подключения наушников, но имеющий меньшее поперечное сечение рабочей части.

После произведения всех соединений данный разъём и переключатель были установлены на корпус, так же через небольшое отверстие к нему была приделана леска для ношения фонарика на запястье, аккумулятор был помещён внутрь корпуса и закреплён в нём двусторонним скотчем, а крышка надёжно установлена на своё место:

Соединение всех элементов и сборка фонарика в корпус

Конструкция фонарика оказалась довольно удобной и сильно понравилась в семье, единственное, что его неудобно заряжать, как и предыдущий, что требует зарядного устройства со специализированным довольно редким разъёмом, но внутри корпуса так же осталось место для установки китайской платы заряда, рассмотренной в статье "Простое зарядное устройство литий-ионных аккумуляторов малой ёмкости на TP4056".

А при использовании такого аккумулятора, как здесь производить зарядку приходится раз в месяц - это при регулярном использовании примерно до одного часа в день. Светит фонарик также достаточно ярко для своих светодиодов небольшой мощности - сильно помогает рефлектор, который направляет свет и концентрирует его в нешироком пучке:

Демонстрация работы самодельного светодиодного фонарика

Из возможных доработок, как уже отмечалось, можно установить плату зарядки, а ещё хотелось бы избавиться от переключателя и управлять фонариком кнопкой без фиксации или сенсором, но это сильно усложнит устройство и оно уже не будет относится к разряду "для начинающих", хотя на данных идеях планируется собрать более сложный осветительный прибор, ибо светодиоды и аккумуляторы имеются, а главное есть желание и интерес, если у кого имеются готовые не слишком громоздкие решения, милости просим поделится материалом. Приоритетом является компактность и малая величина собственного тока потребления управляющего узла. И наверное не стоит для этого задействовать микроконтроллер.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• LED драйвер
• MOSFET