LED-прожектор с автономным питанием

В данной статье хочется описать давно изготовленный и хорошо зарекомендовавший себя светильник на светодиодах с питанием от повышающего преобразователя со стабилизацией тока. Устройство находится в эксплуатации уже много лет исправно выполняя своё назначение, и поэтому появилось желание поделиться удачной конструкцией.

Сейчас в наше время никого не удивить светодиодными лампами, светодиодными фонариками, светодиодными... да и где только не используются сверхъяркие экономичные светодиоды. На момент же разработки устройства такие светодиоды не были широко доступны, а на местном рынке практически отсутствовали аналоги подобного светильника и можно было купить лишь светодиодную ленту, и то за довольно высокую цену. Питались такие ленты как правило от 12 Вольт через установленные на них же ограничительные резисторы, предоставляя ток группам светодиодов по 3 штуки в каждой группе. Питание всей ленты осуществлялось сетевыми блоками питания импульсного типа с мощностью от 10 Ватт.

Из-за своих технических характеристик и хороших качеств таких светодиодов появилось желание использовать их в автономном прожекторе с батарейным питанием. В любом случае нужно было бы повышать напряжение батареи до необходимого уровня, достаточного для свечения светодиодов. Если повысить это напряжение до 12 Вольт и питать светодиодную ленту таким способом, напрямую от этого напряжения, то часть энергии непременно будет расходоваться впустую теряясь на ограничительных резисторах ленты. Поэтому было принято решение сконструировать и собрать для этих целей специализированный источник питания, позволяющий максимально экономно использовать драгоценную энергию батареи, о чём и пойдёт речь в данной статье.

Если просто закоротить установленные на ленте ограничительные резисторы, то тогда все группы светодиодов окажутся включёнными в цепь параллельно и ток питания будет распределятся неравномерно: из-за разброса (хотя и небольшого) параметров отдельных светодиодов, при таком подключении через некоторые группы будет течь меньший ток, а через другие группы будет течь больший ток, в некоторых случаях существенно превышающий номинальный, и даже максимально допустимый ток используемых светодиодов.

С учётом вышесказанного были определены требования к разрабатываемому устройству:

1. батарейное питание светильника (не аккумуляторное);
2. эффективное и полное использование ресурса батареи;
3. управление яркостью свечения прожектора;
4. небольшие размеры и малый нагрев корпуса;
5. узкая направленность светового потока;
6. простота изготовления и сборки;
7. надёжность.

В качестве источника энергии было решено использовать несколько гальванических элементов питания типоразмера AA, чтобы в случае продолжительного отсутствия электричества можно было быстро заменить разрядившиеся элементы на новые и не дожидаться зарядки аккумулятора.

Второй пункт было решено удовлетворить разработкой эффективного импульсного преобразователя, работающего в широком диапазоне питающих напряжений, вплоть до полтора вольта, максимально "высаживая" при этом батарею питания.

Так как в любом случае для нормальной работы светодиодов их нужно питать определённым током, по возможности поддерживая его в заданных пределах, то соответственно величину этого тока, а вместе с ним и яркость свечения прожектора, можно регулировать и для этого было решено использовать дискретное изменение яркости свечения.

Для удовлетворения пунктов 4 и 5 за основу корпуса был взят батарейный отсек какой-то старой игрушки, к которому в дальнейшем был привинчен металлический кожух, играющий роль лицевой части корпуса светоотражающего рефлектора. Таким образом длина и ширина всего корпуса получилась немногим больше места, необходимого для размещения батареи, а блестящий металлический кожух хорошо направляет световой поток и рассеивает тепло от светодиодов и других нагревающихся элементов:

Внешний вид автономного светодиодного прожектора

Светодиодная лента была нарезана на пять полосок по группам светодиодов с исключением ограничительных резисторов. Далее отрезки ленты приклеиваются к поверхности соответствующего размера, а контакты получившихся кусков светодиодной ленты соединяются таким образом, чтобы все светодиоды были подключены последовательно друг-другу. В итоге должна получиться матрица из пятнадцати последовательно соединённых светодиодов:

 
Нарезание и наклеивание отрезков светодиодной ленты

После осуществления данной задачи коротко рассмотрим схему источника, специально разработанного для питания подобной светодиодной матрицы в автономном режиме.

Преобразователь напряжения для питания светодиодов выполнен на базе блокинг-генератора с управляющим транзистором и отрицательной обратной связью по току. Для стабилизации выходного тока, протекающего через нагрузку, был использован "Простой способ стабилизации больших токов с малыми потерями на измерительном элементе" описанный в ранней статье по адресу https://cxem.net/pitanie/5-381.php. Хотя в нашем конкретном случае ток небольшой, но лишнее падение напряжения нам ни к чему.

Силовым элементом генератора является биполярный PNP-транзистор прямой проводимости Т1 типа КТ816Б1, а в роли управляющего элемента выступает биполярный NPN-транзистор обратной проводимости Т2 типа КТ315А. Транзистор Т3 типа КТ315Б играет роль, так сказать, усилителя ошибки сигнала обратной связи. Обычно для этих целей используются операционные усилители, а один транзистор в данном случае просто начинает открываться и усиливать ток при достижении определённого порога. Для уменьшения величины этого порога и применяется дополнительная "вольт-добавка" на эмиттерном переходе транзистора Т4. Из соображений стабильности использовать вместо этого диод не рекомендуется, даже больше: желательно чтобы транзисторы Т3 и Т4 были одинаковыми и располагались как можно ближе друг к другу.

Повышенное до 50 Вольт импульсное напряжение выпрямляется высокочастотным диодом D1, сглаживается конденсаторным фильтром на конденсаторах C4-C5, и подаётся на светодиодную матрицу. Ток матрицы протекает так же через низкоомный резистор R1, создавая на нём падение напряжения, подаваемое далее вместе с вольт-добавкой на усилитель обратной связи:

Схема батарейного LED-прожектора принципиальная

Питание преобразователя осуществляется от батареи, составленной из четырёх последовательно соединённых гальванических элементов типоразмера AA с напряжением ЭДС 1.5 Вольт каждый, что в сумме при новых элементах даёт 6 Вольт.

Выключатель S1 замыкает цепь питания от батареи до преобразователя.

Выключатель S2 установлен в цепи обратной связи и им осуществляется изменение яркости свечения светодиодной матрицы.

Силовой транзистор Т1 в данном конкретном случае не нуждается в теплоотводе, но при сборке устройства на более высокую мощность, указанный транзистор следует установить на соответствующий радиатор с необходимой площадью рассеивания.

Намотка импульсного трансформатора не представляет большой сложности, так как при любых разумных параметрах напряжение на его обмотках не будет превышать сотен Вольт. Для его изготовления был использован сердечник от трансформатора энергосберегающей лампы (КЛЛ), но можно взять другой подобный сердечник, главное чтобы имелся зазор между половинками для предотвращения его насыщения постоянным током. Зазор так же можно сделать несколькими слоями бумаги, и его величина определяется экспериментально путём минимизации потерь. Для намотки первичной обмотки подойдёт эмалированный провод диаметром 0.45-0.6 мм, а для вторичной обмотки можно взять провод диаметром от 0.15 мм:

 
Намотка и сборка повышающего импульсного трансформатора

Сам процесс намотки производится послойно, расположением провода по возможности виток к витку, а между отдельными слоями наматывается бумажная или другая подходящая изоляция. Первичная и вторичная обмотки содержат по 15 витков, а повышающая обмотка состоит из 130 витков. Концы обмоток припаиваются к жёстким ножкам трансформатора, так же при нехватке жёстких ножек некоторые толстые концы первичной обмотки можно вывести непосредственно, или с помощью многожильного провода в изоляции. Поверх последнего слоя так же укладывается изоляция, половинки сердечника вставляются в каркас и скрепляются термостойким скотчем:

Повышающий импульсный трансформатор преобразователя

Сборка устройства производилась на подходящем отрезке старой печатной платы путём совмещения выводов радиодеталей с имеющимися отверстиями или сверлением дополнительных отверстий. Электронная часть заняла небольшую часть всей платы, но так как плата бралась по размерам корпуса, то она не обрезалась и в перспективе на оставшемся свободном пространстве можно напрямую установить излучающие рабочие светодиоды.

Все радиокомпоненты использовались выводные малогабаритные, широко распространённые в своё время, и имеющие на настоящий момент много аналогов даже с лучшими характеристиками. Почти все детали припаиваются с одной стороны платы, за исключением только конденсатора C2, расположенного с обратной стороны прямо под трансформатором, и не видимым с верхней стороны:

 
Подбор и установка радиокомпонентов на печатную плату

Для схемы рассматриваемого устройства была разработана модель печатной платы в программе Sprint-Layout, где так же оставлены места для органов управления и установки светоизлучающих светодиодов:

 
Модель односторонней печатной платы в программе Sprint-Layout

Самой сложной частью конструирования было изготовление корпуса устройства, и он получился жёстким и очень прочным. Как уже упоминалось ранее, задней частью корпуса служит пластиковый батарейный отсек на четыре элемента, а для передней, лицевой части был сделан чертёж на картоне, после подгонки которого по его контурам в дальнейшем была вырезана и согнута панель из блестящей оцинкованной жести для вентиляционных конструкций. Картонный шаблон был оцифрован электронным сканером в натуральную величину на листе формата A4:

Оцифрованный чертёж картонного шаблона передней панели

Панель представляет собой светоотражающий рефлектор с расположенными рядом выключателем питания и переключателем яркости свечения. Она крепится к основанию из батарейного отсека винтами, к двум верхним из которых привязана толстая рыболовная леска для подвешивания светильника на стену или на шею. Шаблон лицевой панели можно скачать в формате PDF и распечатать на листе формата A4 в натуральную величину.

Во время тестирования и проведения контрольных измерений прибор показал высокие результаты энергоэффективности и стабильности. Работоспособность устройства сохраняется при снижении напряжения батареи питания до 1.4 Вольт. При этом на пониженном режиме яркости потребляемый ток составил 280 мА. Напряжение на светодиодной матрице в этом режиме составило 44 Вольта, а ток через неё стабильно поддерживался на уровне 8 мА во всем диапазоне питающих напряжений:

Напряжение разряженной батареи питания и ток потребления от неё

Напряжение на светодиодной матрице и ток через неё на пониженной яркости

Сделав простые расчёты можно сделать вывод об эффективности схемы преобразователя напряжения:

КПД = (44.1 x 8.14) / (1.36 x 280) = 359 / 380.8 = 0.94 = 94 %

При новых элементах питания с полным напряжением батареи это значение ещё выше.

Так же на максимальной яркости свечения напряжение на светодиодной матрице достигает уровня 47 Вольт, а ток через неё значения 23 мА:

Напряжение на светодиодной матрице и ток через неё на полной яркости свечения

Изготовленный полностью законченный светильник применяется для освещения тёмных участков во время отсутствия сетевого электропитания и иногда оставляется включённым даже на всю ночь. В конструкции были использованы радиокомпоненты ещё советских времён, но несмотря на это устройство получилось эффективным и надёжным, а с использованием соответствующей современной базы технические и эксплуатационные характеристики только повысятся. Можно будет использовать более мощные светодиоды для повышения яркости свечения.

Итак, разработанный источник питания продемонстрировал свою эффективность и надёжность в работе. Прожектор на основе светодиодной ленты стал не только энергоэффективным, но и удобным в использовании благодаря автономному питанию от обычных батареек. Его компактный корпус и высокая яркость делают его идеальным решением для различных задач освещения, от кемпинга до аварийного освещения.

Этот проект также подчеркивает важность инженерного творчества и применения фундаментальных знаний в практических задачах. Начиная с простой идеи использования светодиодов и заканчивая тщательной разработкой электрической схемы, каждый этап процесса играл свою роль в создании функционального и эффективного устройства.

Благодаря таким проектам мы видим, как технологии продолжают развиваться, открывая новые возможности для улучшения нашей повседневной жизни. Возможно, в будущем подобные автономные светодиодные прожекторы станут стандартом для освещения в условиях, где нет постоянного электроснабжения.

Таким образом, эта статья не только представляет конструкцию конкретного светильника, но и вдохновляет на дальнейшие исследования и творческие проекты в области энергосбережения и светотехники. Возможности ограничены лишь нашей фантазией и умением применять знания для решения реальных проблем.

Опытный и компетентный читатель пусть не проходит мимо и оставляет свои замечания или же просто пожелания, делясь своим опытом и помогая совершенствовать уже созданные, или разрабатывать лучшие новые устройства, доступные для повторения широкому кругу пользователей интернета и посетителей нашего сайта.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• LED драйвер
• ИИП
• ИБП
• Sprint-Layout