Скиталец - сервер для туристов и путешественников
Логин
Пароль
Зарегистрироваться
Главная > Туристское снаряжение Новости туризма на сервере Скиталец - новости в формате RSS



Статьи Тест-лаборатория Каталог снаряжения Магазины Рынок  


Самодельный фонарь на светодиодах

Автор - Владимир Ращенко
E-mail:
rashenko@inp.nsk.su
Часть I. Самодельный фонарик на светодиодах

Статья посвящается туристам-радиолюбителям, и всем, кто так или иначе сталкивался с проблемой экономичного источника освещения (например палатки в ночное время). Хотя в последнее время фонарями на светодиодах никого не удивишь, я все же поделюсь своим опытом в создании подобного прибора, а также постараюсь ответить на вопросы тех, кто захочет повторить конструкцию.

Примечание: статья рассчитана на "продвинутых" радиолюбителей, хорошо знающих закон Ома и державших в руках паяльник.


За основу был взят покупной фонарик "VARTA" с питанием от двух батареек типа АА.

Больше всего в нем мне понравился вращающийся на 360° отражатель, который позволяет освещать любой угол палатки, если фонарик подвесить под куполом. Оставалось доработать фонарик, т.е. оснастить его небольшой схемкой для работы на светодиоды. Поскольку диоды имеют сильно нелинейную ВАХ, задача заключалась в разработке стабилизатора напряжения, который бы обеспечивал постоянную яркость свечения по мере разряда батареи и сохранял работоспособность при возможно более низком напряжении питания. К сожалению, в наших розничных магазинах мне удалось найти только одну микросхему, удовлетворяющую всем моим запросам - это Maxim-овский микромощный повышающий DC/DC конвертор MAX756. По заявленным характеристикам он должен был работать при снижении входного напряжения до 0.7В .

Схема включения - типовая:


А вот как выглядит схема в собранном виде:


Весь монтаж выполнен навесным способом. В качестве "опорных" точек служат ножки DIP-микросхемы.
Несколько пояснений к схеме: электролитические конденсаторы - танталовые ЧИП. Они имеют низкое последовательное сопротивление, что несколько улучшает КПД. Диод Шоттки - SM5818. Дроссели пришлось соединить два в параллель, т.к. не оказалось подходящего номинала. Конденсатор С2 - К10-17б. Светодиоды - сверхяркие белые L-53PWC "Kingbright". Как видно на рисунке, вся схема легко уместилась в пустом пространстве светоизлучающего узла.
Выходное напряжение стабилизатора в данной схеме включения равно 3.3В. Поскольку падение напряжения на диодах в номинальном диапазоне токов (15-30мА) составляет около 3.1В, то лишние 200мВ пришлось высеять на резисторе, включенном последовательно с выходом. Кроме того, небольшой последовательный резистор улучшает линейность нагрузки и стабильность схемы. Связано это с тем, что диод имеет отрицательный ТКС, и при разогреве его прямое падение напряжения уменьшается, что приводит к резкому росту тока через диод, при питании его от источника напряжения. Разравнивать токи через параллельно включенные диоды не пришлось - различия яркости на глаз не наблюдалось. Тем более, что диоды были одного типа и взяты из одной коробки.

Теперь о конструкции светоизлучателя. Пожалуй, это самая интересная деталь. Как видно на фотографиях, светодиоды в схеме не запаяны намертво, а являются съемной частью конструкции. Это я решил сделать для того, чтобы не курочить фонарик, и при случае в него можно было бы вставить обычную лампочку. В результате долгих раздумий на предмет убиения двух зайцев родилась вот такая конструкция.

Думаю, что особых пояснений здесь не требуется. Потрошится родная лампочка от этого же фонарика, во фланце с 4-х сторон делаются 4 пропила (один там уже был). 4 светодиода располагаются симметрично по кругу с некоторым растопыром для большего угла охвата (пришлось немного подпилить их у основания).

Плюсовые выводы (так получилось по схеме) припаиваются на цоколь возле пропилов, а минусовые вставляются изнутри в центральное отверстие цоколя, обрезаются и тоже пропаиваются. В результате получается такой вот "ламподиод", встающий на место обычной лампочки накаливания.
И в заключение, о результатах испытаний. Для тестирования были взяты полудохлые батарейки, чтобы быстрее довести их до финиша и понять, на что способен новоиспеченный фонарь. Измерялось напряжение батарей, напряжение на нагрузке и ток через нагрузку. Прогон начинался с напряжения батареи 2.5В, при котором светодиоды напрямую уже не горят. Стабилизация выходного напряжения (3.3В) продолжалась вплоть до снижения напряжения питания до ~1.2В. Ток нагрузки при этом составлял около 100мА (~ по 25мА на диод). Затем выходное напряжение начало плавно снижаться. Схема перешла в другой режим работы, при котором она уже не стабилизирует, а выдает на выход все, что может. В таком режиме она проработала до напряжения питания 0.5В! Выходное напряжение при этом упало до 2.7В, а ток со 100мА до 8мА. Диоды все еще горели, но их яркости хватало только на освещение замочной скважины в темном подъезде. После этого батарейки практически перестали разряжаться, т.к. схема перестала потреблять ток. Погоняв схему в таком режиме еще минут 10, мне стало скучно, и я ее выключил, т.к. дальнейший прогон интереса не представлял.
Яркость свечения сравнивалась с обычной лампочкой накаливания при такой же потребляемой мощности. В фонарик вставлялась лампочка 1В 0.068А, которая при напряжении 3.1В потребляла приблизительно такой же ток, что и светодиоды (около 100мА). Результат в пользу светодиодов однозначно.

Май 2003 г.

Часть II. Немного о КПД или "Нет предела совершенству"

Прошло больше месяца с тех пор как я собрал свою первую схему для питания светодиодного фонарика и написал об этом в вышеизложенной статье. К моему удивлению, тема оказалась очень популярной, судя по количеству отзывов и посещений сайта. С тех пор у меня появилось некоторое понимание предмета :) , и я счел своим долгом подойти к теме более серьезно и провести более тщательные исследования. На эту мысль меня навело также и общение с людьми, решавшими подобные задачи. О некоторых новых результатах я и хочу рассказать.
Во-первых, мне следовало бы сразу измерить КПД схемы, который оказался подозрительно низким (около 63% при свежих батарейках). Во вторых, я понял главную причину такого низкого КПД. Дело в том, что те миниатюрные дроссели, что я использовал в схеме, имеют чрезвычайно высокое омическое сопротивление - около 1.5ом. Ни о какой экономии электроэнергии с такими потерями не могло быть и речи. В-третьих я обнаружил, что величина индуктивности и выходной емкости тоже сказываются на КПД, хотя и не так заметно.
Использовать стержневой дроссель типа ДМ как-то не хотелось из-за его большого размера, поэтому я решил изготовить дроссель самостоятельно. Идея проста - нужен маловитковый дроссель, намотанный относительно толстым проводом, и в то же время достаточно компактный. Идеальным решением оказалось кольцо из µ-пермаллоя с проницаемостью порядка 50. В продаже есть готовые дроссели на таких колечках, широко используемые во всевозможных импульсных БП. В моем распоряжении оказался такой дроссель на 10мкГ, имеющий 15 витков на кольце К10х4х5. Перемотать его не было никаких проблем. Индуктивность пришлось подобрать по измерению КПД. В диапазоне 40-90мкГ изменения были очень незначительные, меньше 40 - более заметные, а на 10мкГ стало совсем плохо. Поднимать выше 90мкГ я не стал, т.к. возрастало омическое сопротивление, а более толстый провод "раздувал" габариты. В итоге, более из эстетических соображений, я остановился на 40 витках провода ПЭВ-0.25, т.к. они ровно улеглись в один слой и получилось около 80мкГ. Активное сопротивление получилось около 0.2 ом, а ток насыщения по расчетам - более 3А, что хватает за глаза.. Выходной (а заодно и входной) электролит я заменил на 100мкФ, хотя без ущерба для КПД можно уменьшить и до 47мкФ. В результате конструкция претерпела некоторые изменения, что, впрочем, не помешало ей сохранить свою компактность.

Схему я приводить не буду, т.к. она не изменилась, изменились лишь соответствующие номиналы. После доработки схемы, для полноты картины, я не поленился проделать лабораторную работу и снял основные характеристики схемы:

1. Зависимость выходного напряжения, измеренного на емкости С3, от входного. Эту характеристику я снимал и раньше и могу сказать, что замена дросселя на более добротный дала более горизонтальную полочку и резкий излом.



2. Интересно было также проследить изменение потребляемого тока по мере разряда батареек. Хорошо видна типичная для ключевых стабилизаторов "отрицательность" входного сопротивления. Пик потребления пришелся на точку, близкую к опорному напряжению микросхемы. Дальнейший спад напряжения привел к снижению опоры, а значит и выходного напряжения. Резкий спад тока потребления в левой части графика вызван нелинейностью ВАХ диодов.

3. Ну и наконец, обещаный КПД. Здесь он измерялся уже по конечному эффекту, т.е. по рассеиваемой мощности на светодиодах. (Процентов 5 теряется на балластном сопротивлении). Производители чипа не наврали - при правильной схеме положенные 87% он дает. Правда это только при свежих батарейках. По мере роста потребляемого тока КПД, естественно, снижается. В экстремальной точке он вообще падает до уровня паровоза. Рост КПД при дальнейшем снижении напряжения практической ценности не представляет, т.к. фонарик уже находится "на издыхании" и светит очень слабо.
Глядя на все эти характеристики можно сказать, что фонарь уверенно светит при спаде питающего напряжения до 1В без заметного снижения яркости, т.е. схема фактически отрабатывает трехкратную просадку напряжения. Обычная лампочка накаливания при таком разряде батарей уже вряд ли будет пригодна для освещения.

Июль 2003 г.

Фонарик эксплуатировался, в основном, в качестве источника освещения палатки в вечернее время и иногда - для наружных ночных вылазок. Ежедневный прогон - от часа до двух непрерывной работы. В таком режиме одного комплекта щелочных батареек АА хватает примерно на неделю. Дальнобойность фонарика оказалась выше, чем я ожидал. В полной темноте (а ночь в горной тайге - это практически полная темнота) световое пятно бьет метров на 15.
Я думаю, данный девайс будет очень удобен для спелеологов, которым приходится носить на себе тонны батареек.

Октябрь 2003 г.

Комментарии и дополнения
 assa, 30.12.2004
В данной схеме балластное сопротивление лучше убрать и поставить три отдельных, последовательно с каждым светодиодом. И вообще, насколько я знаю, светодиоды лучше питать током, чем напряжением.
 assa, 30.12.2004
Ошибся, четыре сопротивления, по количеству светодиодов.
 Caballo, 04.05.2005
Дорогую ипонскую микросхему легко заменить дешёвым советским мультивибратором на двух транзисторах.<br>Стабилизировать нап выходное напряжение нет смысла - в зависимости от разновидности мультивиьратора он будет сам стабилизировать ток - как заметил предыдущий автор, это несравненно важнее.<br>Резисторов избежать не удастся из-за разброва ВАХ светодиодов.
 Michael, 27.07.2005
От нечего делать собрал на выходных фонарь на одном желтом ярком светодиоде 5мм. Для изготовления конструкции были приобретены: фонарь (
<br>
</td>
</tr>
<tr bgcolor="#ffffcc" valign="top">
<td align="center" valign="middle" width="5%" title="Удаление строк в таблице">
<input type="checkbox" bgcolor="#ffffcc" name="del_5" value="1" class="radio">
<input type="hidden" bgcolor="#ffffcc" name="com_id_5" value="1748">
IP 85.116.120.210
</td>
<td class="formfont" width="95%" align="center" valign="middle">
<textarea name="txt_5" rows="5" cols="65" class="box">а если на выходе надо 4 вольта? как и что изменить?
 evgusha, 09.02.2006
а если на выходе надо 4 вольта? как и что изменить?
 А н а т о л и й, 03.03.2006
<quote>Диод Шоттки - SM5818. Светодиоды - сверхяркие белые L-53PWC "Kingbright".</quote><br>А где взять такие диоды, или чем их заменить, если нету под рукой?
 Sv, 24.08.2006
Дешёвый фонарик-"жучок" на светодиодах можно сделать "вечным". Мой экземпляр работал либо от динамомашинки, либо от двух включенных последовательно литиевых батареек (при этом напряжение на включенных параллельно СИД заметно выше нормы). Я вытащил из батарейного отсека контакты, и туда отлично уместился дисковый ионистор емкостью 1Ф вместе с простейшим выпрямителем (уже имевшийся в фонарике диод + резистор 39 Ом для ограничения тока зарядки ионистора). Выключатель питания поставил в разрыв провода, ведущего к светодиодам. Получилось 2 режима работы: зарядка и свечение+подзарядка. Для зарядки полностью разряженного ионистора требуется около 2 минут работы динамкой. В эту конструкцию очень хорошо вписывается предложенная схема - для стабилизации яркости (напряжение при разряде ионистора спадает довольно резко).
 wukrly, 02.02.2007
У меня собственно замечание к сообщению Caballo, замена микросхемы MAX756 на мультивибратор, собранный на "мелочевке" требует более тщательной проработки и проверки. Сейчас доступны только кремниевые транзисторы, я думаю, что при входном напряжении, меньшем 2, 5В уже будут проблемы в работе схемы.
 NOP, 28.06.2007
Светодиоды действительно нужно питать не напряжением, а током, поиск микросхем в Google, по словам поиска "DC/DC" даёт много результатов, нужно лишь выбрать те микросхемы, которые есть в наличии в магазинах вашего города.<br><br>"Гасящие" резисторы вообще не нужны, достаточно взять микросхемку способную выдавать на выходе напряжение более:<br>кол-во_светодиодов * 2 = V_out<br>и соединить светодиоды последовательно, таким образом, останется только одно сопротивление на котором будет бесполезно рассеиваться мощность - сопротивление эталонного резистора включенное последовательно с светодиодами, по падению напряжения на котором будет контролироваться ток через светодиоды.<br>Схема снятия образцового напряжения будет такой:<br>>-* сюда подаём с DC/DC +V_out<br>. | <br>. Светодиоды<br>. | <br><-* снимаем опорное напряжение<br>. | <br>. R образцовое сопротивление<br>. | <br>>-* -V_out<br><br>Сопротивление считаем:<br>R = V_опорное / I_светодиода<br><br>Рабочее I_светодиодов узнаём из документации на светодиод скаченной с сайта производителя.<br><br>Плюсы такого подхода:<br>+ Можно использовать светодиоды с большим рабочим напряжением; <br>+ Последовательное соединение светодиодов делает ток малым а напряжение большим, что уменьшает потери на тепло в образцовом резисторе; <br>+ Высасывать батареи до "упора", потому как теперь образцовое напряжение (его падение) не так влияет на ток и значит на яркость, как в случае со стабилизацией напряжения при фиксированном гасящем резисторе.<br><br><br>Дополнение:<br>+ Сверхяркие светодиоды ничем не заменить, кроме сверхярких светодиодов других фирм (ищется по в Google.ru по ключевым словам "сверхяркие белые светодиоды" и выбираются максимальной яркостью в мКд).<br>+ Диоды с барьером Шоттки, аналогично ищем поиском в интернете и выбираем марки по нужному току и нужным габаритам (типа корпуса).<br>+ Контенсаторы обязательно танталовые.
 Георгий, 31.10.2008
Характерные значения КПД светодиодов - от 1 до 10%.<br>Вдобавок потери на электронной обвязке, включая преобразователь и нагрузочный резистор.<br><br>В чем тогда смысл светодиодного фонаря, кроме того что это нынче модно?<br>КПД лампы накаливания мало чем отличается. Также для нее никто не запрещает сделать аналогичную схему со стабилизацией(и повышением) входного сигнала, исходящего от провисающих батареек. И потерь будет всяко меньше. Хотя бы не нужен будет последовательный резистор на выходе.<br><br>
 Alex, 16.03.2009
В том то и дело, что КПД у них разный - при одной и той же яркости светового потока современные светодиодные фонари потребляют меньший ток, чем равные по мощности фонари на лампах накаливания. Потому и "модно", потому и дорого.
 Fidel1ti, 05.04.2009
Модно или не модно, но когда вы будете заниматься разработкой фонаря с высоким КПД, вы придёте к подобной схеме. Перед мной стояла задача разработать компактный налобный фонарик, с высоким КПД и подзарядкой от сотового телефона, температурный режым от +30 до - 30С, при чём всё должно работать по принцыпу "Включи и забыл".Высокий КПД даёт нам возможность с экономить на размерах, массе и стоимости элементов питания, вот собственно и вся суть. А если кому этот самый КПД не важен, то по большому счёту неважно что светит лампы или светодиоды.
Итак по порядку:
1. КПД светодиода безусловно выше ламп накаливания в этом мы убедились на китайских зажигалках. Кроме того светодиод имеет сфокусированный пучок света, а лампам нужен эффективный отражатель, без которого толку особо не будет, весь свет будет рассеян по окружности лампы.
2.Светодиод очень чувствителен к напряжению питания, малейшее изменение напруги ведёт к болшим изменнениям тока, по этому питать его нужно от стабилизатора тока. Собственно схема автора обсуждаемой статьи DC/DC плюс ограничивающий резистр и представляет собой стабилизатор тока.
3.Накопительные конденсаторы С1 и С3 лучше взять конечно танталовые , это даст прибавку КПД 10%, но можно использовать и простые электролиты по 100мкФ, если к ним добавить параллельно танталовые по 10 мкФ. Чип кодёры дешевле чем с ногами.
4.Дроссель L1 я изготовил на кольце из пермаллоя МП-140. Некоторые любители изготавливают из феррита, но хотел бы напомнить, что феррит боше подходит для трансформаторов, а не для дросселей.
5.Также важен выбор элементов питания. Схема вполне работает и от одного Ni-MH 1.2V аккумулятора, но лучше взять два соединённых последовательно, это снизит питающие токи и повысит КПД схемы, и разрядную ёмкость элементов питания.

 Вадим, 26.05.2009
Если ищете хорошую схему, то зайдите на форум спелеологов http://speleo.ru в раздел "Светотехника". Там освещение не просто инвентарь, а средство выживания -- подход соответствующий (ZXSC300 и ZXSC400 - в серьезную схему они не поставят см. статью там же, тем более выше приведенную - кпд нулевой).
А вообще если есть деньги, то проще купить готовый. Например здесь http://superfonarik.ru/.
 Лия Сопля, 09.09.2009
Интересная конструкция фонаря, но можно с одним диодом, который заменяет четыре.
 Vlad77, 14.01.2010
Да все нормально, только "уравновесить" по току диоды можно проще, т.е. соединить последовательно, параллельно каждому из них повесить резистор. Тогда что получается, уравновешивается их ток. Поскольку идеальных характеристик у СД нет. При параллельном соединении возрастает ток потребления. Может у кого лучше есть предложение.
 Nikola, 19.06.2010
Зайдите на http://forum.fonarevka.ru , там одни флешаголики, ды форум полностью о фонарях, о всяких схемах для них и куча инструкций по переделке и модернизации фонарей
 Никита, 10.11.2010
На первом светодиодном очень много о светодиодных фонарях есть - http://ledsled.ru/
 ivan, 28.09.2011
Собирал много всяких блокинг-генераторов на одном и двух транзисторах. Яркость светодиода падает с разрядом батареи, да и светится он в разы тусклее, чем в китайских фонариках. А они работают также от одной батарейки.
В итоге собрал по этой схеме http://gzip.ru/home/svetodiodnyj_fonarik_s_odnoj_batarejkoj.htm и наконец-то светодиод стал светить ярко и стабильно.
 Виктор, 01.01.2012
Еще можно расширить функции светодиодного фонарика до аварийного "маячка", встроив в него простенький мультивибратор. Схема с описанием сборки и видео работающего девайса:
http://vesvladivostok.ru/publ/sovety/kak_sdelat_migajushhij_svetodiodnyj_fonarik/2-1-0-17248
 Сергей, 05.03.2012
Немного устарела схемка :) Сейчас уже не только просто драйвера для светодиодных фонарей делают, но драйвера в который ТРИ разных типа стабилизации. Обсуждают тут: http://www.candlepowerforums.ru/А себе покупал здесь: http://megatorch.ru/ . Ибо как повторить такое самому - не нашел в интернете.
 Геннадий, 27.03.2012
Часто приходится ходить по тёмным местам, и осматривать территории, пол года выберал фонарь ничего не подходило.Потом осенило.Половина от мобилы жаба
в которой аккумулятор и разьём.
Диоды шестиногие срезал из сильно светящейся ленты самоклейки , сначала паралельно подключил 9 шт.
получилось хорошо, потом добавил и подключил 15 шт.
Получилось сильно хорошо.
Т.е. Вдумайтесь кому что нужно
если пржектор на одного человека то светодиоды из орг стекла, а если типа дневной лампы для большого колличества людей то компактней и удобней ничего нет.Испытывал , светит хорошо примерно 3часа.заряжается от мобильной зарядки.Скажите что диоды работают не в режиме, ну и бог сними.Я несодираюсь 10 000 часов ходить по подвалу.

Оцените.
 LED, 01.02.2013
Хорошая подборка статей про самодельные фонарики: http://velofun.ru/led/index.html">http://velofun.ru/led/index.html
Добавление комментария
Автор
E-mail (защищен от спам-ботов)
Комментарий
Введите символы, изображенные на рисунке:
 
1. Разрешается публиковать дополнения или комментарии, несущие собственную информацию. Комментарии должны продолжать публикацию или уточнять ее.
2. Не разрешается публикация бессмысленных сообщений ("Круто!", "Да вранье все это!" и пр.).
3. Не разрешаются оскобления и комментарии, унижающие достоинство автора материала.
Комментарии, не отвечающие требованиям, будут удаляться модератором.
4. Все комментарии проходят обязательную премодерацию. Комментарии публикуются только после одобрения их текста модератором.




© Скиталец, 2001-2011.
Главный редактор: Илья Слепцов.
Программирование: Вячеслав Кокорин.
Реклама на сервере
Спонсорам

Rambler's Top100