Как устроен ручной фонарик
Устройство фонарика несложное. Он состоит из батарейного отсека и отсека с излучателем и рефлектором, а также выключателя питания.
Состав ручного фонаря.
Такое наполнение не изменилось со дня изобретения карманного электрического светильника, хотя элементная база поменялась кардинально.
Схема фонарика на светодиодах
В современных условиях лампы накаливания интенсивно вытесняются светодиодами. Они не выдержали конкуренции из-за более низкого КПД и меньшего срока службы. В переносных ручных светильниках полупроводниковые светоизлучающие элементы также получили широкое распространение. Но просто взять и заменить лампочку светодиодом (или матрицей из светодиодов) не получится. Нужно устройство, которое ограничило бы ток через полупроводниковые элементы. Оно называется драйвером и представляет собой электронный стабилизатор тока.
Схема карманного фонарика на светодиодной матрице.
Недостатком такой схемы является невысокая ремонтопригодность такого фонаря – для восстановления электронной схемы потребуется квалифицированный мастер и соответствующее лабораторное оборудование.
Схема карманного фонарика на светодиодной матрице с резистором в качестве драйвера.
Драйвером может служить обычный резистор, который ограничит ток и погасит излишки напряжения. Но на сопротивлении будет бесполезно теряться достаточно большая мощность. Для фонаря с питанием от сети этот факт не важен, а для светильника с батарейным или аккумуляторным питанием такой недостаток может оказаться критическим.
Важно! В конструкцию светодиодного фонаря добавляется еще один элемент – теплоотводящий радиатор. Хотя излучение светодиодов принципиально не связано с нагревом, но закон Джоуля-Ленца не обойти. При прохождении тока через излучающие элементы выделяется тепло. Если не принять мер, то перегрев LED заметно снизит срок их службы.
Мощный ксеноновый фонарь своими руками
Приветствую, Самоделкины!
Вот такой фонарик сегодня попробуем полностью обновить, чтобы светил он очень очень ярко.
Эра подобных фонарей давно прошла. В свое время они были дорогими и крутыми, в общем не каждый мог себе позволить такого монстра. Признаться и по сей день смотрятся такие фонари классно и грех их выкидывать. Основная проблема таких фонариков — лампа накаливания на борту и устаревший для портативной техники тип аккумулятора.
Сам фонарь практически новый, но вот аккумулятор уже никакой.
А вот корпус очень даже качественный и прочный. Так как фонари пободного типа предназначены для всяких экстремальных дел, поэтому тут присутствует влагозащита, правда не полноценная, но все же. Фонари с таким внешним видом были актуальны для рыбаков и людей, которые часто выезжают на природу. Когда-то, до появления мощных светодиодов, этот сейчас кажущийся уже тусклый пучок света, был весьма ярким. Если бы в то время вы просили у продавца мощный фонарь, то он непременно предложил бы вам что-нибудь типа этого. Фонарь довольно дальнобойный, но даже 30-ваттная галогенка светит тускло, практически полностью отсутствует боковая засветка.
Спереди большой рефлектор и он, между прочим, выполнен из металла, так как пластик попросту расплавился бы от температуры этой лампы.
И переднее стекло именно стекло, а не какой-то так дешевый пластик. Сзади имеется сигнальный фонарь на светодиодах.
Ручка удобная, держать фонарь в руке приятно. Снизу имеется подставка или фиксатор положения.
Разъем для зарядки и один из выключателей имеют резиновые заглушки.
Фонарик, как уже было сказано выше, практически новый. Комплектация богатая: инструкция по эксплуатации, ремешок, сетевое зарядное устройство на 6В 300 мА, дополнительное зарядное устройство от прикуривателя и запасная галогенка на 15Вт.
Аккумулятор
естественно поставим современный литий-ионный 3S2P. Он и по весу легче и обладает большей энергоёмкостью при том же весе, к тому же такие аккумуляторы имеют более долгий срок службы.
Лампу
накаливания также необходимо заменить, если мы хотим получить в итоге по-настоящему яркий фонарь конечно. Можно было установить сюда мощный светодиод типа CREE MT-G2, но, немножко поразмыслив автор понял, что это не самое лучшее решение, так как нужно серьезно заморачиваться с охлаждением.
Дырявить корпус мы не будем, а светодиод mt-g2 греется довольно сильно, плюс ко всему данный рефлектор не совсем то, что нужно для такой матрицы.
Был рассмотрен и опробован в деле также второй вариант с использованием светодиодов для автомобильных фар.
Но практически у всех бюджетных моделей присутствуют вот такие синие области и это не совсем круто.
Плюс ко всему такие светильники хоть и имеют встроенный вентилятор, но так как корпус у нас закрытый, то точку от него практически не будет.
И наконец третий вариант — автомобильный ксенон. Ксенон светит ярко и ничего выдумывать не нужно. В случае выхода его из строя, блок розжига и саму лампу легко можно купить и заменить.
Конечно ксенон тоже довольно сильно греется, но для него это нормальный режим работы, поэтому проблема с охлаждением самой лампы отпадает. Но не нужно забывать, что от лампы тепло будет передаваться начинке фонаря. Так же лампа сильно греет переднее стекло и с таким фонарем нужно быть поаккуратнее, иначе можно получить серьезный ожог. Стоит помнить так же, что ксенону нужно какое-то время для выхода в рабочий режим.
Итак, с этим определились, идем дальше. Высоковольтный драйвер. Автор выбрал дешевый драйвер на 35Вт и не менее дешевую лампу с температурой в 6000К.
Сборка аккумулятора 3S2P
. Литий-ионные банки 18650 устанавливаем в холдеры, а затем соединяем с помощью никелевой ленты.
Из блока розжига выходят толстые и к тому же довольно длинные провода, которые нам будут мешать. Поэтому придется вскрыть блок.
Ну и в самом конце остается только зафиксировать лампу в рефлекторе. Тут сперва необходимо сфокусировать пучок света.
Для фиксации лампы подойдет жаропрочный (до 350°C) герметик, который способен выдержать высокую температуру. В данной части конструкции замеры показали максимум 75°C после 30 минут работы.
Для сравнения, вот так светит родная лампа накаливания:
А вот так светит недорогая 20-ваттная светодиодная лампа для фар автомобиля:
И наконец, вот так светит ксенон:
Фонарь получился по настоящему мощным, ярким и достаточно дальнобойным с приятной боковой засветкой. Безусловно присутствует и недостаток, связанный с нагревом, но светодиоды ведь тоже греются, причем греются довольно таки не слабо. Из достоинств следует отметить хорошую ремонтопригодность (и блок розжига, и лампу можно купить практически в любом магазине автотоваров, и к тому же стоят они копейки).
Внутри, конечно, не все так красиво, как с наружи, но провода никуда не спрячешь.
Изоляция вполне справляется с такими температурами, а аккумулятор убран в заднюю часть корпуса, где температура минимальна. Все внутренности зафиксированы герметиком, так что ничего не шатается, все довольно прочно получилось. Чем заряжать? В комплекте с фонарем было 2 зарядных устройства, на для нового аккумулятора эти зарядки уже не подходят.
Здесь необходимо специальное сетевое зарядное вот такого плана.
Это специализированное зарядное устройство для зарядки литиевых батарей 3s. Такое устройство можно купить за недорого в китайских интернет-магазинах.
Погуляв вечерок с таким фонариком кажется, что у тебя в руках не фонарь, а световой меч, который светит так же, как фары мимо мчащихся машин.
Благодарю за внимание. До новых встреч!
Видеоролик автора:
Источник (Source)
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
Схема налобного фонаря
Популярная конструкция светодиодного фонаря – налобная. Такой светильник позволяет полностью освободить руки и направлять луч света в нужное место поворотом головы: вслед за взглядом. Это удобно при ремонте автомобиля, при прогулках по затемненным территориям и т.д.
Схема такого светильника строится по принципу:
- управляющая схема (отвечает за переключение режимов);
- буферный усилитель;
- транзисторный ключ для включения светодиода.
Один из вариантов такого устройства – когда блок управления выполнен на стандартном микроконтроллере (например, ATtiny85), в который зашита программа управления режимом излучателя, промежуточным усилителем служит операционный усилитель OPA335, а в качестве ключа используется полевой транзистор IRLR2905.
Схема карманного светодиодного фонарика на микроконтроллере.
Такая схема недорога, надежна, но имеет технологический недостаток: перед установкой надо программировать контроллер. Поэтому при массовом производстве в качестве блока управления используется специализированная микросхема FM2819 (на корпус может быть нанесено сокращенное обозначение 819L). Этот чип может включать и выключать светоизлучающий элемент, и запрограммирован на четыре режима:
- максимальная яркость;
- средняя яркость;
- минимальная яркость;
- стробоскоп (мигающий свет).
Режимы переключаются циклически коротким нажатием на кнопку. Длительное нажатие переводит фонарь в режим SOS. Изменить программу нельзя (по крайней мере, в даташите не говорится о такой возможности). Микросхема не требует промежуточного усилителя, но очень мощные светодиоды подключать напрямую к выходу нельзя – есть ограничение по нагрузке (и есть защита от ее превышения).
Схема карманного светодиодного фонарика на специализированном чипе.
Поэтому мощные элементы подключаются через ключ. В большинстве случаев им служит полевой транзистор, допускающий длительную работу с большим током в цепи стока, например FDS9435A производства Fairchild или других аналогичных, которые можно выбрать по параметрам из таблицы характеристик FDS9435A.
| Структура | Максимальное напряжение затвор-исток, В | Сопротивление канала в открытом состоянии | Максимальная рассеиваемая мощность, Вт | Наибольшй ток стока в постоянном режиме, А |
| Р-канал | 25 | 0,05 Ом при 5,3 А, 10 В | 2,5 | 5,3 |
Схема фонарика сводится всего к двум активным элементам и обвязке из нескольких конденсаторов и резисторов (плюс аккумуляторные элементы и матрица из светодиодов, само собой).
Фонарь «Волшебная лампа»
Это рассказ о переделке светодиодного фонаря. Нетрадиционная изюминка присутствует 
— применены теплые ламповые аналоговые решения! Несколько лет назад, когда светодиодные фонари только начали появляться в магазинах, я купил в Окее светодиодный фонарь «Диггер». Большой, с рукояткой пистолетного типа, удобно лежащий в руке, сбалансированный. Он имел один светодиод 3 вт, свинцовую батарею и по описанию мог стоять на подзарядке без ограничений. Это было то, что надо на даче. Как мы все знаем, несмотря на 21 век и космические корабли, бороздящие просторы Космоса (С) – на удалении более 30 км от Москвы энергоснабжение становится ненадежным. Энергосети отключают электричество при любом удобном случае – в дождь, грозу, жару и просто так. Обычно в субботу-воскресение на часок-другой днем электричество отключают. Наверно для тренировки населения на выживание в любых условиях.
Поэтому наличие мощного, удобного фонаря, постоянно заряженного и готового к работе – практично.
К сожалению, свинцовые аккумуляторы обладают ограниченным сроком службы около трех лет, особенно в дежурном режиме с постоянной капельной подзарядкой. Не стал исключением и мой фонарь, в какой-то момент я обнаружил, что аккумулятор заряд не держит, а через короткое время и напряжение упало ниже порога работы светодиода.
Можно конечно было пойти в любой магазин радиодеталей и купить аккумулятор на замену. Но беглое изучение цен на такие аккумуляторы не вызвало у меня никакого энтузиазма. Обдумав вопрос, я решил, что в таком фонаре разумно использовать литиевые аккумуляторы типа 18650, оставшиеся от замены элементов в аккумуляторе древнего (более 10 лет) ноута Compaq NC6220, ценного наличием аппаратного сериал порта.
Промер шести старых элементов показал, что четыре элемента вполне пригодны, один – так себе и один годится только на выброс. Четыре элемента 18650, собранные в батарею с параллельным включением по размеру были как старая свинцовая батарея. Удивило, что литиевые элементы из старой десятилетней батареи все еще обладают емкостью около 1500 мАч при начальной 2200.
Если уж заниматься переделкой фонаря на другой тип аккумуляторов, что автоматически означает смену платы управления, то можно и пофантазировать. Корпус большой, разместить можно много. Лично мне пришла в голову мысль, что управлять яркостью фонаря будет правильно переменным резистором. На рис. 1 показан способ плавного управления яркостью светодиодного фонаря переменным резистором.
Рис. 1. Способ плавного управления яркостью светодиодного фонаря переменным резистором.
Для замены свинцовой батареи я изготовил держатель для четырех элементов 18650:
Рис. 2 Держатель для четырех элементов 18650
Элементы 18650 размещены на прямоугольном основании из фольгированного стеклотекстолита, в котором Дремелем вырезаны пазы толщиной 1.5 мм для контактных держателей из пружинистой бронзы. Все детали соединены пайкой, использовался паяльник made in USSR мощностью 200 ватт. На держатели напаяны контакты из припоя, толщина контактов подогнана так, чтобы 18650 держались плотно, с усилием. Блок батарей крепится к верхней части корпуса через две пластиковых изоляционных стойки. Стойки имеют штырь с наружной резьбой М3 на одном конце и углубление с внутренней резьбой М3 на другом конце. Пластиковой гайкой стойка закреплена в отверстии на основании аккумуляторной сборки, а вся сборка привинчена болтом М3 через верхнюю часть корпуса. Конструкция разборная, позволяет открутить два винта М3 и вынуть целиком блок аккумуляторов. Элементы 18650 вынимаются из держателей без применения инструмента.
Напрямую от литиевого источника светодиод питать нельзя. Светодиод питается стабилизированным током 700 мА, при этом падение напряжения на нем составляет около 3,7 вольт. Литиевая батарея в полностью заряженном состоянии дает напряжение 4.2 вольта, а в разряженном 2.7 вольта. Источник тока для светодиода должен уметь работать в указанном диапазоне входных напряжений (2.7 — 4.2 вольт), обеспечивая стабильный ток 700 мА в светодиоде. Понятно, что это должен быть импульсный преобразователь, способный работать в режиме как понижения напряжения, так и повышения. Такие преобразователи называются BUCK-BOOST и на рынке имеется некоторый выбор микросхем для построения преобразователей.
Раз я решил управлять яркостью диода переменным резистором – надо преобразовать угол поворота ручки в сигнал управления яркостью. Для управления яркостью требуется ШИМ сигнал, скважность (коэффициент заполнения) которого и будет определять интегральную яркость светодиода. Плавно меняя скважность можно плавно менять яркость. Одновременно будет уменьшается потребляемая мощность, продлевая работу фонаря. В существующих фонарях режимы диммирования включаются последовательными нажатиями на кнопку (обычно кнопку питания, иногда – на отдельную кнопку). Мне такой способ кажется неэргономичным, неудобным. Я приверженец олдскульного аналогового стиля управления плавно меняющимися параметрами круглой ручкой, которую можно поворачивать в обе стороны. Поэтому оптимальным в данном случае представляется переменный резистор, ручкой которого можно управлять большим пальцем руки. Есть переменные резисторы с выключателем, который можно дополнительно использовать для коммутации питания фонаря. Если последовательно включить штатную кнопку и выключатель на резисторе, то получится новое качество – можно включать фонарь поворачивая ручку резистора, при этом яркость будет плавно нарастать от режима MOONLIGHT до максимального. Или можно поставить ручку резистора в нужное положение и включать выключать фонарь кнопкой на рукоятке, получая каждый раз предустановленную яркость. Положение риски на ручке переменного резистора однозначно определяет яркость фонаря и ее можно установить до включения. С одной кнопкой никогда не знаешь, в каком режиме фонарь включится. Да, я читал описания стандартных фонарей и знаю, что там пишут «фонарь должен включиться в тот же режим». Но все мои фонари такого типа включаются в случайный режим.
Мне было интересно сделать преобразователь, который был бы максимально экономичен, имел бы возможность диммирования светодиода, умел бы отключаться при понижении напряжения литиевого аккумулятора ниже 2.7 вольта. К сожалению, жизнь устроена так: «хочу дешево, хорошо и быстро – конечно, выберите два из трех!». Мне не удалось найти недорогую микросхему, которая была одновременно экономичной, умела повышать и понижать напряжение и могла бы диммироваться от переменного резистора. В результате рассмотрения вариантов я выбрал микросхему NCP5030. Она недорога (~65 р), имеет режим BUCK-BOOST и достаточно экономична, т.е. потери на преобразование невелики.
Параметры микросхемы:
• Экономичность 87% при токе нагрузки 500 мА и входном напряжении 3.3 в • Внутренний синхронный выпрямитель • Максимальный ток в нагрузку – 900 мА • 0.3 мкА ток потребления в выключенном состоянии • Диапазон входного напряжения 2,7 – 5,5 вольт • 200 мВ напряжения обратной связи для стабилизации выходного тока • Защита от превышения выходного напряжения и перегрева. • Автоматический переход между режимами BUCK и BOOST
Частота преобразования фиксирована и составляет 700 кгц. Такая достаточно высокая частота преобразования с одной стороны позволяет использовать индуктивности небольшого номинала, но с другой – требует тщательного выполнения монтажа и использования правильных деталей по мануалу для предотвращения паразитной генерации.
Встроенный синхронный выпрямитель на полевых транзисторах с низким сопротивлением канала в открытом состоянии (падение напряжения около 0.1 вольта) позволяет заметно увеличить КПД по сравнению с выпрямителем даже на диодах Шоттки (падение напряжения на диоде Шоттки – 0.5 вольта).
Очень ценным свойством микросхемы NCP5030 является автоматическое переключение между режимами понижения и повышения входного напряжения. Напряжение на аккумуляторе меняется от 4.2 до 2.7 вольта, а на светодиоде должно быть около 3.7 вольта. Это значит, что по мере разряда аккумулятора надо сначала понижать входное напряжение, а потом повышать. NCP5030 делает переключение между режимами понижения (buck) и повышения (boost) автоматически, прозрачно для пользователя.
Схема включения NCP5030 приведена на рис. 3:
Рис. 3 Схема включения NCP5030
Недостатком решения на основе этой микросхемы является наличие только цифрового управления диммированием – на вход CTRL надо подавать дискретный ШИМ сигнал для управления яркостью частотой не более 1000 Гц. Также микросхема не располагает средствами для контроля за напряжением батареи и отключения при падении напряжения ниже порога 2.7 вольт.
При подборе деталей некоторые трудности вызывает поиск резистора R3. Его номинал – 220 миллиОм или 0.22 Ом. Напряжение с этого резистора (прямо пропорциональное току через светодиод) используется микросхемой для регулировки тока светодиода. Я не нашел такого резистора за приемлемое время и деньги, поэтому решил сделать его из нескольких параллельно включенных резисторов большего номинала (1 ом и около того). Кроме низкой цены и доступности резисторов таких номиналов дополнительно появляется возможность легко регулировать ток светодиода установкой разного количества резисторов параллельно. В моем случае получились три резистора по 1 ому и параллельно резистор в 2 ома из двух по 1 ому. Суммарное сопротивление этих резисторов (R11, R13-R16) составляет 0,285 ом, что при напряжении обратной связи в 200 милливольт дает ток в светодиоде 700 мА.
Рис. 4 Расположение выводов NCP5030
Микросхема NCP5030 выполнена в корпусе WFDN размером 3 на 4 мм с 12 выводами и очевидно рассчитана на монтаж на печатную плату. Расстояние между выводами составляет 0,5 мм, толщина выводов 0,3 мм, плюс она требует присоединения вывода 13 «под брюшком» к общему выводу печатной платы для теплоотвода. На рис. 4 представлено расположение выводов NCP5030.
Делать печатные платы для единичных изделий я считаю нецелесообразным по ряду причин, одна из которых – затрудненность доработки изделия. Если в голову пришла какая-то идея – то на этапе, когда печатная плата реализована – доделать сложно. Поставить дополнительные перемычки или пару элементов – можно, но добавить узел – трудно.
Поэтому я считаю оптимальной для себя технологию изготовления плат из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита путем прорезывания дорожек канцелярским ножом. Взяв плату достаточного размера всегда можно по мере возникновения новых идей доделать новую часть, не трогая уже сделанного. Достоинством метода является минимальное время на изготовление такой платы, не нужны вредные реактивы типа хлорного железа или другие едкие вещества для травления платы. Этот метод «продвинутого макетирования» доказал свою пригодность – сделанные так приборы прожили у меня дома порядка 30 лет и были сняты с эксплуатации по причине морального устаревания и замены на более совершенные современные устройства.
Однако сделать прорезыванием плату для столь мелкой микросхемы сложно или вовсе невозможно. Но можно нарезать дорожек разумного размера, который выполняется без труда, например, с шагом около 1 мм, установить микросхему вверх ногами и распаять ее под микроскопом. Вывод 13 припаять медной проволокой 0,5 мм к общему проводу платы, остальные выводы присоединить проводом 0.12 мм, а силовые выводы – косичкой из 3-4 таких проводов. Результат показан на рис. 5.
Рис. 5 Распаянная микросхема NCP5030
Схема заработала сразу. Потребовалось только подстройка тока светодиода напайкой дополнительных резисторов в 1 ом, чтобы получить 700 мА.
Микросхема при длительной работе (часы) едва теплая, палец ощущает слабое тепло и только. Это значит, что решение по теплоотводу припайкой медного провода правильное и обеспечивает нормальный режим работы по теплу. Тщательное исследование сигналов осциллографом показало идеальные формы, точно по мануалу.
Для полноценной реализации всех заложенных идей нужно чем-то реализовать ШИМ сигнал, который будет управлять яркостью светодиода и слежение за напряжением батареи, чтобы отключить систему при падении напряжения ниже критического уровня.
Анализ возможных решений привел к выводу, что самым дешевым (35 р.) и универсальным по возможностям является использование простого микроконтроллера типа ATTINY13A. Этот микроконтроллер не требует никакой обвязки, кроме фильтрующего конденсатора по питанию.
Ключевые параметры ATTINY13A
• Напряжение питания 1.8-5.5 вольт • 4 канала АЦП с внутренним либо внешним опорным сигналом • Ток потребления менее 1 мА • 6 программируемых линий ввода-вывода (5, если не использовать ножку сброса) • 2 аппаратных ШИМ канала.
Определенную роль в выборе этого контроллера сыграла и возможность программировать его в среде Ардуино и прошивать программу через Ардуино.
Возможностей встроенного АЦП вполне хватит для снятия положения движка переменного резистора и измерения напряжения батареи. В состав микроконтроллера входит собственный источник опорного напряжения (1.1 вольт), что дает возможность измерить напряжение батареи. Программно можно включать либо внутренний опорный источник (если надо измерить напряжение батареи), либо внешний – если надо измерить положение движка резистора. Также остаются пара свободных выходов, которые я использовал для управления двумя светодиодами разного цвета и аналоговой измерительной головкой. Два светодиода позволяет оценить состояние батареи одним взглядом: зеленый значит больше половины заряда, красный – меньше половины заряда.
Для программирования требуется отсоединить 4 вывода от схемы и присоединить из к программатору. Вытаскивать микроконтроллер для программирования из кроватки неудобно, поэтому я установил на плате 6 штырьковых коннекторов (4 сигнальных + 1 питание + 1 общий). Они представляют из себя два штырька, на которые одевается стандартный джампер. Если джампер на месте – схема функционирует в штатном режиме. Для программирования надо джамперы снять и присоединить к свободным штырькам выводы программатора. В режиме программирования питание на ATTINY13A подается от программатора.
В инете достаточно ресурсов по теме программирования ATTINY13A через плату Ардуино и созданию программ в IDE Arduino. Я использовал эти источники и .
Из тонкостей – нужен файл boards.txt, в котором правильно расписаны параметры, управляющие тактированием процессора и уставками внутреннего делителя.
Без этого частота ШИМ сигнала будет неверной и программные задержки будут отрабатываться неверно. Мне пришлось также подправить имя ATTINY13 на ATTINY13A, программатор в начале процесса опрашивает микроконтроллер и выдает ошибку, если не может найти секцию с точно таким именем.
Принципиальная электрическая схема фонаря показана на рис. 6.
Рис. 6 Принципиальная электрическая схема фонаря
Напряжение батареи подается на вход ADC2 ATTINY13A через резисторный делитель. При измерении напряжения батареи программно включается внутренний опорный источник для АЦП напряжением 1.1 вольт и поэтому максимальное допустимое напряжение на входе не должно превышать 1.1 вольта. Исходя из этого ограничения и рассчитаны номиналы делителя R1-R2 с некоторым запасом.
Напряжение с движка переменного резистора подается на вход ADC3 и при считывании этого входа используется внешняя опора – напряжение батареи. В таком режиме данные с АЦП пропорциональны углу поворота движка потенциометра и не зависят от напряжения батареи. Эти данные меняются в диапазоне 0-1023.
На рис. 7 представлена плата фонаря целиком со всеми деталями.
Рис. 7 Плата фонаря целиком
Обдумывая вопрос аналогового управления яркостью светодиода, я решил, что поскольку органы слуха и зрения человека воспринимают сигнал логарифмически – то будет правильно использовать резистор с обратной логарифмической зависимостью выходного сигнала от угла поворота – чтобы казалось, что сигнал (яркость светодиода) меняется плавно и равномерно по всему диапазону поворота ручки. При покупке такого резистора надо учесть особенности маркировки отечественных и зарубежных резисторов – отечественные маркируются как тип «В», а зарубежные – как тип «А».
К сожалению, я не смог купить переменного резистора небольшого размера с антилогарифмической (звуковой) зависимостью и с выключателем. Поэтому я купил резистор с линейной зависимостью небольшого размера и с выключателем и применил аппаратный хак (резистор R4 на принципиальной электрической схеме), давно известный радиолюбителям. Этот способ описан например, тут.
Место под установку резистора в корпусе фонаря подобрано опытным путем – так, чтобы его было удобно поворачивать большим пальцем и так, чтобы он внутри не мешал другим компонентам (см. Рис. 
Рис. 8 Расположение переменного резистора
При тестировании фонаря с большими токами (700-800 мА) проявился плохой контакт в штатном кнопочном выключателе. На малых токах дефект не проявлялся, а на больших – фонарь начинал хаотично мигать.
Разобрал фонарь, посмотрел на кнопку, прочитал название, посмотрел в инете параметры и понял – эта кнопка в принципе не пригодна для коммутации таких токов, так как рассчитана на 100 мА. Пришлось взять из «запасов Генштаба» кнопку КМА 1-IV, выпущенную в 1973 году в СССР, способную коммутировать ток до 3А и поставить ее на место штатного недоразумения.
В процессе испытаний выяснилось, что в режиме максимальной мощности алюминиевый радиатор, на котором установлен светодиод, нагревается до примерно 60 градусов. Неудивительно, корпус полностью закрытый, толстая пластмасса, теплоотвода никакого. Обдумал, насверлил отверстий в корпусе так, чтобы наружный воздух охлаждал радиатор. Стало гораздо лучше – теперь нагрев едва заметен при долгой работе в несколько часов. Я зафиксировал фонарь в тисках и вставил в отверстие сверху ртутный лабораторный термометр так, чтобы он касался алюминиевой пластины. После длительной работы на полной мощности (больше пары часов) температура стабилизировалась на отметке около 40 градусов С. На мой взгляд – вполне удовлетворительно. На рис. 9 представлены отверстия в корпусе фонаря.
Рис. 9 Отверстия в корпусе для охлаждения радиатора светодиода
Испытание фонаря при работе на полную мощность длилось более 8 часов до отключения по падению напряжения ниже 2.7 вольта. Это дает суммарную емкость четырех элементов 18650 в примерно 6000 мАч или 1500 мАч на каждый элемент. Неплохо для 10-ти летних элементов!
При обсуждении проекта с моим другом, туристом-водником, родилась идея аналоговой индикации заряда батареи. Примерно так, как это было сделано в первых кассетных носимых магнитофонах – там был встроенный стрелочный индикатор уровня заряда батарей и уровня записи. Тогда еще уровень записи надо было выставлять вручную! Имея перед глазами индикацию остатка заряда можно принять решение, как расходовать энергию: поберечь заряд или можно включить на полную, не жалея.
Вскоре после этого я случайно попал в магазин Кварц на ул. Буженинова и, разглядывая витрины в ожидании завершения дел жены, наткнулся на вот такой замечательный аналоговый индикатор (Рис. 10):
Рис. 10 Аналоговый индикатор уровня заряда аккумулятора
Прикинув размеры, я решил, что сумею вставить его в крышку. С обратной стороны индикатор упирался в плату и его пришлось немного выдвинуть из крышки. Индикатор зафиксирован термоклеем.
Рис. 11 Аналоговый индикатор уровня заряда аккумуляторов в крышке
Красный и зеленый светодиоды размещены над индикатором уровня.
Для управления индикатором я применил второй ШИМ канал в ATTINY13A. Расчет добавочного сопротивления и параметров ШИМ был произведен так, чтобы максимальное отклонение стрелки индикатора происходило при подключении зарядки, а минимальное – при напряжении отсечки в 2.7 вольта. Это цифровой аналог «растянутой шкалы». Удачно получилось, что половина разряда аккумулятора пришлась как раз на желтую зону индикатора.
Для управления двумя светодиодами (красным и зеленым) у меня остался один вывод. Пришлось немного подумать :). Решение см. на принципиальной схеме, элементы R5 — R7 и HL1 — HL2. Незначительный минус такого решения – невозможность выключить светодиоды совсем, даже если перевести вывод ATTINY13A в третье состояние – светодиоды будут тускло светиться оба.
Рис. 12 Плата заряда литиевых аккумуляторов
Последнее, что я приделал к фонарю – плата заряда литиевых батарей (Рис. 12). Купил некогда на дилэкстриме, соблазнившись дешевизной, но вот и ей нашлось применение. Заряд идет током порядка ампера и идет довольно долго – до 10 часов. Впрочем, при емкости около 6000 мАч и токе заряда 1А примерно так и должно быть. В процессе заряда плата светит синим диодом, после окончания он становится зеленым. В принципе можно было бы и не использовать эту зарядку, а разбирать фонарь и заряжать элементы в отдельном внешнем зарядном устройстве. Я так и планировал делать поначалу, считая, что 6000 мАч хватит на весь сезон. Но лень – двигатель прогресса – победила и я встроил зарядное устройство. Теперь достаточно присоединить кабель miniUSB – USB от любого источника 5в. Для целей зарядки лучше зарядка от сети с током 1-2 А, хуже порт компьютера с током 500 мА, но тоже приемлемо. Ссылок на плату не даю, поиск по словам «1a lithium board charger» даст вам море ссылок. Дополнительный бонус – исчезла необходимость обеспечивать легкую разборку фонаря для извлечения аккумуляторного блока, можно закрепить этот блок стационарно.
Плата размещена в крышке фонаря, так, чтобы при закрывании крышки плата входила в свободное место в теле фонаря. Плата закреплена термоклеем по месту. MiniUSB разъем доступен снаружи.
Управление аналоговым индикатором свелось к расчету параметров ШИМ сигнала в зависимости от напряжения батареи.
Программа управления для ATTINY13А небольшая и я ее привожу непосредственно тут:
Программа управления для ATTINY13А
void setup() { pinMode(0, OUTPUT); pinMode(1, OUTPUT); pinMode(2, OUTPUT);
/* Setting Divisor Frequency PWM on 9.6, 4.8, 1.2 MHz CPU 0x01 divisor is 1 37500, 18750, 4687 Hz 0x02 divisor is 8 4687, 2344, 586 Hz 0x03 divisor is 64 586, 293, 73 Hz 0x04 divisor is 256 146, 73, 18 Hz 0x05 divisor is 1024 36, 17, 5 Hz */
TCCR0B = TCCR0B & 0b11111000 | 0x02; // 0x02 divisor is 8 586 Hz
}
void loop(void) {
analogReference(INTERNAL); int batt=analogRead(3); delay(25); batt=analogRead(3); analogReference(EXTERNAL); int resistor=analogRead(2); delay(25); resistor=analogRead(2); int r=(resistor*32); r=r/147+33;
if (r > 255) {r=255;} //led starts to light at 13.8% PWM
if (batt > 440) { analogWrite(0, r); } else { analogWrite(0, 0); }
if(batt<560) { digitalWrite(2, HIGH); } else { digitalWrite(2, LOW); }
if(batt<440) {batt=440;} if(batt>(440+255)) {batt=440+255;}
analogWrite(1, batt-440);
}
Для получения нужной частоты для диммирования светодиода пришлось изменить делитель таймера для получения частоты 586 Гц. В реальности измеренная частота ШИМ сигнала получилась 555 Гц, что достаточно близко к расчетной с учетом точности встроенного тактового генератора.
Двойное чтение из АЦП применено так как по некоторым утверждениям первое преобразование после переключения опоры дает неадекватный результат.
Остальной код на мой взгляд тривиален и пояснений не требует.
Испытания показали,
что поставленные задачи выполнены:
Получился фонарь с плавной регулировкой яркости от moonlite до полной яркости, с батареей около 6000 мач, которой хватает на 11 часов работы с полной яркостью и наверно на неделю работы в режиме MOONLITE по расчетам.
Источник питания – литиевые элементы 18650 из старой батареи от ноута, обрели вторую жизнь.
Светодиод не перегревается, находится в правильном тепловом режиме.
Диммирование частотой около 550 Гц обеспечивает более-менее безопасный режим для глаз.
Имеются как аналоговый индикатор напряжения аккумулятора, так и дискретная индикация на двух разноцветных светодиодах.
Точности АЦП микроконтроллера хватает для уверенного отключения системы по критичному напряжению при разрядке аккумулятора, остаточный ток потребления в районе нескольких миллиампер неопасен для аккумулятора такой емкости, даже если пользователь не отключит фонарь сразу, а сделает это с запаздыванием. В принципе можно изменить код программы так, чтобы при критически низком уровне аккумулятора светодиоды тоже гасли полностью. Тогда оставшегося тока потребления микроконтроллера в сотню микроампер будет недостаточно для нанесения ощутимого вреда аккумуляторам.
Встроенная зарядка позволяет использовать фонарь в режиме ожидания с постоянно подключенным источником, что обеспечивает постоянную 100% зарядку фонаря, что удобно на даче в условиях случайных отключений электричества.
Бюджет проекта.
Детали обошлись в 660 р на три комплекта, т.е. 220 р на один фонарь. Литиевые элементы и т.п. – бесплатно. Аналоговый измерительный прибор стоил 550 р, но он не является необходимым. Времени потрачено на разработку и изготовление конечно гораздо больше, чем потребовалось бы на простую замену свинцовой батареи, но удовольствие от творчества бесценно При покупке элементов я стремился к унификации. Так, например, если в схеме требуются фильтрующие конденсаторы 10-22 мкф, то имеет смысл купить не разные по паре штук, а 10 штук самого большого номинала (22 мкф в данном случае). Цена за 10 штук будет меньше, чем за единичные конденсаторы разной емкости, а на функционировании схемы увеличение емкости фильтрующих конденсаторов скажется только положительно.
Схема аккумуляторного фонарика с зарядкой от сети 220
Удобнее и экономнее питать фонарь не от батареек, а от аккумуляторов, которые можно заряжать. Еще удобнее иметь такой светильник, возобновлять заряд элементов которого можно не извлекая их из корпуса. Достаточно просто подключить фонарик к однофазной сети 220 В.
Схема карманного светодиодного фонарика с зарядкой от однофазной сети 220 В.
Здесь к обычной схеме добавлены элементы:
- двухполупериодный выпрямитель на диодах VD1, VD2 (также может быть собран по мостовой схеме);
- балластный конденсатор для гашения излишнего напряжения С1 с разрядным сопротивлением R1;
- резистор R2 для ограничения тока заряда аккумулятора;
- цепочка R4VD5 для индикации подключения к питающей сети.
Важно! У таких бестрансформаторных схем есть существенный недостаток. При случайном прикосновении к любой точке цепи есть риск оказаться под напряжением. Применение же сетевого понижающего трансформатора приведет к значительному увеличении массогабаритных характеристик.
Поэтому такая схема встречается все реже. Для зарядки аккумуляторов без их извлечения используются внешние источники питания с низким выходным напряжением (включая зарядку от устройства, совместимого со стандартом USB).
Модернизация фонарей
При внимательном рассмотрении схемы фонаря из предыдущего раздела становится очевидным, что светодиод VD5 горит всегда при подключении к сети 220 В. Его свечение не зависит от заряда и даже наличия аккумуляторов. Чтобы устранить этот недостаток, индицирующую цепочку надо включить в цепь заряда батареи. Для этого надо установить резистор R5 мощностью 0,5 Вт с таким расчетом, чтобы при токе в 100 мА на нем падало около 3 В (около 30 Ом). Индицирующую цепочку надо подключить параллельно с соблюдением полярности.
Схема доработки схемы индикации.
Все изменения и дополнения показаны синей линией. После переделок светодиод будет гореть только при наличии тока заряда (при выключенном питании излучающей матрицы!)
Простейший карманный фонарик, в том числе и налобный, состоит из источника света с отражателем, кнопки включения, элемента питания одноразового или многоразового действия. Благодаря современным технологиям в фонариках в основном используются светодиоды, обладающие высоким световым потоком при малой потребляемой мощности. Это дает возможность изготавливать переносные светильники небольших размеров с аккумуляторами, позволяющие заряжать от сети 220В. Рассмотрим устройство одного из таких фонариков в статье, что в дальнейшем позволит найти неисправность и отремонтировать.
Содержание:
- Устройство налобного светодиодного фонаря.
- Схема налобного фонаря с аккумулятором.
- Технические характеристики налобного фонаря.
- Как зарядить аккумулятор налобного фонаря.
Устройство налобного светодиодного фонаря.
Будем использовать в качестве примера аккумуляторный налобный фонарь smartbuy, который собран из элементной базы китайского производства. Основные составные элементы:
— светодиоды;
— элемент питания;
— зарядное устройство для источника тока.
Для освещения применяются 12 осветительных светодиодов LED, размещаемых отдельно друг от друга в отражателях. С помощью переключателя задается 2 режима работы светильника. В первом положении загорается четыре светодиода, расположенных в центре, во втором положении – остальные восемь по окружности.
В качестве элемента питания используется не обслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор напряжением 4В и емкостью 0,5 А∙ч.
Для подключения к сети 220В применяется короткий удлинитель с вилкой и розеткой, а также для удобства вилка-насадка.
Схема налобного фонаря с аккумулятором.
Чтобы разобраться, как работает зарядное устройство, воспользуемся электрической схемой фонарика. Функция ее состоит в преобразовании 220В переменного тока в постоянный, величиной 4 В. Зарядное устройство реализовано с помощью делителя напряжения в виде резистора R1 и выпрямительного моста VD1-VD4, собранного из кремниевых выпрямительных диодах типа 1N4007 . В период зарядки аккумулятора при подключении к сети за счет резистора R1(560 кОм) происходит падение напряжения с 220В до 9В. Кроме того, снижение напряжения происходит из-за p-n переходов выпрямительных диодов. В результате чего, на выводы элемента питания поступает 7,2В.
От качества изготовления R1, то есть от соответствия заданной величины сопротивления фактическому значению будет зависеть напряжение зарядки аккумулятора. А это влияет на срок эксплуатации источника тока.
Так как переменный ток промышленной частоты 50 Гц меняет направление каждые 0.01 сек, то от фазы к нулю он протекает по цепочке: L — VD1- +GB – VD3 – R1- N. А в обратном направлении по контуру: N – R1 – VD2 — +GB – VD4 – L. Величина тока зарядки составляет 0,05А. Потребляемая мощность зарядного устройства с аккумулятором составляет 15 Вт.
О процессе зарядки аккумулятора сигнализирует светодиод HL1. Подключается к «+» выводу диодного моста и резистору R1. К индикаторному светодиоду подведено напряжение 1,7В, дополнительно сниженное сопротивлением R2 (330 Ом).
Пленочный конденсатор С типа CL21105J, емкостью 1 мкФ и номинальным напряжением 400 В – распространенный радиотехнический элемент для снижения помех.
Технические характеристики налобного фонаря.
Тип светодиодов: осветительные LED.
Количество светодиодов: 12 шт.
Режим включения светодиодов : 1- 4 светодиода, 2- 12 светодиодов.
Тип аккумулятора: Свинцово-кислотный, напряжение 4В, электрическая емкость 0,5А∙ч.
Ток зарядки: 0,05 А.
Потребляемая мощность при зарядке:15 Вт.
Как зарядить аккумулятор налобного фонаря.
Для того, чтобы начать заряжать аккумулятор, подключите фонарик к электросети через удлинитель. Во время зарядки будет гореть красный светодиод. К сожалению, в схеме зарядного устройства не предусмотрена индикация о завершении зарядки.
Свинцово-кислотный аккумулятор заряжается постоянной величиной зарядного тока 0,05 А, рекомендованное значение которой составляет 0,1 электрической емкости элемента питания 0,5 А∙ч. При таком способе элемент питания заполняется электрической энергией 6-7 часов.
Не допускается включать светодиоды при зарядке аккумулятора. В противном случае на источники света поступит напряжение 7,2 В, которое практически вдовое превышающее их номинальное. В результате чего светодиоды выйдут из строя, причем достаточно быстро.
Проверка работоспособности
Если китайский фонарик вышел из строя, можно попытаться найти неисправный элемент и заменить его либо отремонтировать. Алгоритм поиска показан на примере светильника с зарядкой от сети.
Схема проверки работоспособности светильника.
- Если фонарь не светит, при включении в сеть индикатор не горит, надо проверить, приходит ли 220 В на схему. Для этого надо измерить переменное напряжение в точке 1. Если напряжения нет, надо проверить сетевой шнур и разъем.
- Если все в порядке, светодиод должен гореть. Если нет – проверить его цепь, а также диод VD2 на предмет короткого замыкания.
- Далее надо извлечь аккумуляторы и проверить постоянное напряжение в точке 2 – оно должно быть примерно равно напряжению аккумуляторов. Если нет – проверить исправность диодов VD1, VD2.
- Если все в порядке, вероятно, неисправны аккумуляторы. Надо проверить напряжение на них.
- Если дело не в этом, надо проверить исправность выключателя, прозвонив его тестером в режиме звуковой проверки (при выключенном из сети устройстве и извлеченных аккумуляторах!).
- Если и тут все нормально, неисправность надо искать в драйвере или в светодиодной матрице.
При наличии небольших знаний в электротехнике модернизировать или починить ручной фонарик несложно. Главное, разобраться в его устройстве.
