Как запитать светодиод от литиевого аккумулятора
Как правильно перевести фонарик на 18650
| Ср, 25.12.2019, 21:46 | Сообщение # 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
MishkA777G  Добавлено (25.12.2019, 22:07) Добавлено (25.12.2019, 22:12) Добавлено (25.12.2019, 23:18) Источник Falconist. МемуарыМощный светодиод от одного литиевого аккумулятора
Запись опубликована Falconist · 28 февраля 2017 16 646 просмотров Обратился ко мне за помощью коллега (стоматолог), перешедший на работу под оптическим увеличением бинокулярной налобной лупой. Для комфортной работы ему необходимо достаточно яркое освещение рабочего поля. К сожалению, вся медтехника (кстати, аналогично автотехнике), раз в 5, если не больше, дороже, чем точно такая же техника бытового назначения. Поэтому он начал приспосабливать более-менее бюджетные фонарики под свою задачу. При этом столкнулся с гроздью проблем, среди которых было отсутствие плавной регулировки яркости светодиода, очень быстрое исчерпание энергии повербанков на два параллельных аккумулятора по 2,2 А*ч, применяемых для питания осветителя с быстрым снижением яркости освещения (приходилось их подзаряжать до нескольких раз в течение одного рабочего дня) ну и, наконец, быстрый выход из строя светодиодов. Я проникся его проблемами и начал с ними разбираться. Начал с вышедших из строя светодиодов. Оказалось, что они фирмы Cree, типа таких:
но из четырех нерабочих ТРИ кристалла банально отвалились с подложки. Перегрева не было, т.к. питались они от платки фонарика, откуда были взяты, так что, по-видимому, причина в бессвинцовой пайке. Подложка нагревалась на корпусе (нагревателе) паяльника и после расплавления припоя кристалл пинцетом помещался на свое место. Еще в одном оторвались площадки для подпайки проводников. Были подпаяны прямо к к зачищенным от краски дорожкам. В итоге были восстановлены ВСЕ ЧЕТЫРЕ светодиода. Рачал разбираться с повербанками. Выполнены они были на микросхемах HT4921 (два в одном), содержащих как драйвер заряда аккумуляторов так и импульсный повышающий преобразователь в 5 В. Если с первой задачей эти микросхемы справлялись, то узел повышающего преобразователя «приказал долго жить»: При 3,9 В на аккумуляторе на выходе было только 3,5 В. Стало понятно, почему повербанки так быстро истощались. «Родные» платы были выкинуты и поставлены на драйверах TP4056. А теперь перейдем к главному вопросу, а именно, проклятой проблеме стабилизации тока мощного белого светодиода на 3 Вт, питаемого от ОДНОГО литиевого аккумулятора. Суть проблемы заключается в том, что падение напряжения на светодиоде (до 3,3. 3,4 В) находится в диапазоне колебаний напряжения на аккумуляторе (4,2. 2,75 В — https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий-ионный_аккумулятор ). Обойти ее можно несколькими путями: 1) Применением импульсного преобразователя: 2) Применением линейного стабилизатора с недоиспользованием заряда аккумулятора. По размышлению было решено пойти по второму пути. Основным аргументом в его пользу явилось даже не то, что импульсные преобразователи сложнее по схеме, а то, что светодиод — источник света безинерционный и как ни фильтруй выходное напряжение, но пульсации все равно будут присутствовать. Для глаза, примерно половину рабочего времени подвергающегося воздействию пульсирующего света (пускай даже высокочастотного), это зерр шлехт. Глаза — тоже «рабочий инструмент» и беречь их надо не менее тщательно, чем руки. Для линейного стабилизатора необходимо было обеспечить минимально возможное падение напряжения на регулирующем транзисторе, чтобы «высосать» из аккумулятора максимум запасенной в нем энергии. Этого можно, в принципе, достичь использованием полевого регулирующего транзистора в «классической» схеме стабилизатора тока на ОУ. Ан нет! В действительности все не совсем так, как на самом деле Выход был найден путем использования нового класса биполярных транзисторов, т.н. BISS. Пошарив по Интернету нашел подходящий: PBSS4540X с током коллектора 4 А, рассеиваемой мощностью более 1 Вт и эквивалентным сопротивлением коллектор-эмиттер порядка 40 мОм. В управление к нему выбрал одиночный низковольтный LMV321. Схема получается вот такая:
Но пока заказанные «блошки» ехали с отдаленного склада, покопался у себя в загашниках и нашел близкие по параметрам (напряжение насыщения — порядка 0,35 В) транзисторы PBSS4540X в корпусе DPAK. К ним поставил ширпотребовскую LM358, «заглушив» ОУ, выходящий на ножки с меньшими номерами. Получилось вот что:
Делитель R2R3R4 формирует на верхнем выводе переменного резистора R5 напряжение, которое может изменяться от 30 до 70 мВ подстроечным резистором R3, определяя максимальный выходной стабилизируемый ток. С его движка задается падение напряжения на эмиттерном резисторе R6, обеспечивая регулировку выходного тока от нуля до максимального. Яркость визуально не изменялась при снижении питающего напряжения до 3,55 В. Просто, как угол дома. Печатка:
Выполнена под корпус (а не наоборот. ). Изготовлено два таких стабилизатора. Один — под повербанки (оставшиеся от прежней конструкции, на фото виден на затылке):
И второй — под одиночный аккумулятор (расположен с другой стороны наголовника относительно корпуса собственно стабилизатора тока):
Большая белая кнопка включения подсветки расположена так, чтобы можно было включать/выключать ее либо тылом кисти, либо предплечьем. Хотя стерильность рук стоматолога и относительна, но лазить пальцами после рта или чисто вымытыми по кнопкам — не есть гут.
Освещенность рабочего поля более, чем достаточна:
Полной зарядки одного аккумулятора хватало, чтобы без снижения яркости отработать ДВЕ полных рабочих смены. Т.е., принятое «командирское» решение относительно применения именно линейного стабилизатора тока было верным. И начхать на неполное использование заряда аккумулятора. Всё равно литиевые аккумуляторы «эффекта памяти», как у никелевых, не имеют. Клиент остался доволен результатом, как слон после водопоя Источник Низковольтное питание светодиодов высокой яркости от литиевых батарей
Введение Параллельно с развитием светодиодных устройств совершенствуются и технологии изготовления аккумуляторных батарей. Плотность энергии литий-ионных (Li+) элементов, достигнутая на данный момент, превышает 750 кДж/кг. У никель-металл -гидридных (NiMH) она ниже — около 200 кДж/кг. (Для сравнения, этот же показатель у бензина равен примерно 44 МДж/кг) Напряжение на выводах Li+-батареи с одним элементом составляет около 3,7 В. Поэтому если не требуется последовательное подключение элементов (что создаёт сложности при разработке, например, в случае питания нескольких устройств от общего источника), пользователи предпочитают работать с одноэлементным решением. Задача состоит в том, чтобы запитать высокоэффективные светодиодные источники света от одноэлементных Li+-аккумуляторных батарей большой ёмкости, напряжение которых составляет 3 . 4 В. В данной статье представлено практическое решение с драйвером светодиодов высокой яркости Maxim MAX 16834, который используется для питания группы светодиодов от низковольтного источника. Неэффективность каскадного повышения напряжения источника питания и светодиодной ленты
Чтобы управляющее напряжение затвора было достаточным для переключения МОП-транзистора, микросхеме МАХ 16834 необходимо рабочее напряжение не менее 4,5 В, позволяющее перевести МОП-транзисторы в открытое состояние. Это — обычное требование для драйверов светодиодов высокой яркости, работающих в повышающем режиме с использованием n-каналъных МОП-транзисторов. Напряжение питания от одного Li+-элемента снижается до 3 В, поэтому оно может оказаться недостаточным для работы полевых транзисторов и других компонентов схемы. Следовательно, если бы удалось повысить напряжение аккумуляторной батареи, это бы обеспечило работу устройства. Последовательное повышение напряжения, поступающего от аккумуляторной батареи, — сначала для контроллера, а затем для управления током светодиодной ленты, — негативно сказывается на энергопотреблении и, следовательно, на продолжительности работы от батареи. Это связано с тем, что общий КПД устройства определяется как произведение КПД каждого каскада. Например, КПД повышающего каскада и КПД каскада управления, равные 70%, дают общий КПД менее 50%. В описанном ниже решении используется недорогой, маломощный повышающий преобразователь, который поддерживает постоянное напряжение питания 5 В для драйвера светодиодов в оценочном наборе. Исходная мощность аккумуляторной батареи подаётся непосредственно на каскад повышающего преобразователя с полевым транзистором. При этом напряжение батареи повышается лишь один раз для питания светодиодной ленты. Питание светодиодной ленты и МОП-транзистора от общего повышающего преобразователя Набор MAX16834EVKIT потребовал некоторой модификации. В данной схеме использовался повышающий преобразователь МАХ8815А. Оценочный набор для него по умолчанию был настроен на выходное напряжение 5 В, поэтому стандартная схема применялась без изменения (см. рис. 2).
Описание решения
Чтобы исключить влияние понижения напряжения и растущего импеданса при разряде аккумуляторной батареи, вместо неё использовался сильноточный низковольтный источник питания. Это позволило поддерживать напряжение практически на постоянном уровне, в то время как управляющий ток светодиодов изменялся для варьирования системной нагрузки. Измерялись входные и выходные токи и напряжения, чтобы получить данные о рабочих характеристиках системы при напряжениях питания 5,4 и 3 В, моделирующих диапазон напряжений одноэлементной Li+-батареи. Для измерения входного и выходного токов требуются отдельные калиброванные цифровые вольтметры (DVM), однако здесь был реализован другой подход. Входной ток измерялся с помощью оценочного набора усилителя МАХ9938 для датчика тока, при этом использовался шунт с очень низким омическим сопротивлением, чтобы минимизировать ошибки измерения. К стандартному шунту (резистор сопротивлением 50 мОм) параллельно подключались шесть резисторов сопротивлением 100 мОм, с тем чтобы общее сопротивление составило 12,5 мОм (см. рис. 4).
В итоге коэффициент передачи для оценочного набора изменился с 2,5 В на ампер до 625 мВ на ампер. Благодаря этому выходное напряжение удалось измерить тем же цифровым вольтметром, который использовался для остальных измерений. Выходной ток определяли, измеряя напряжение на добавочном резисторе 0,1 Ом на выходе оценочного набора с использованием цифрового вольтметра. Такой подход позволил получить все значения силы тока и напряжения за счёт измерений напряжения. Использование одного и того же цифрового вольтметра во всех измерениях, по существу, свело к нулю ошибки калибровки измерительной аппаратуры. Блок-схема системы приведена на рисунке 5.
светодиодов высокой яркости МАХ16834 при трёх значениях напряжения питания Результаты измерений напряжения были сведены в таблицу для расчёта входных/выходных токов и напряжений. На основе этих данных построены графики эффективности системы для трёх напряжений питания (см. таблицу и рис. 6). При измерениях нагрузка изменялась от нуля (все светодиоды выключены) до максимально допустимой для оценочного набора (примерно до 1 А на светодиодной ленте). Полученные данные свидетельствуют о том, что при более низких напряжениях выходная мощность падает. Это обусловлено тем, что входной ток системы ограничен значением тока на входе источника питания (примерно 4 А). Такое ограничение может быть типичным и при питании от аккумуляторной батареи. Результаты измерения рабочих характеристик Измерения при 5 В (ном.)
Измерения при 4 В (ном.)
Измерения при 3 В (ном.)
Выводы Использованные компоненты: и драйвером МОП-транзистора с ШИМ-регулировкой яркости; Источник |
Светодиоды высокой яркости предназначены для осветительного оборудования с резервным питанием от батарей, в том числе для систем аварийного освещения. Однако питание высокоэффективных светодиодных источников от одноэлементных Li+-батарей может представлять серьёзную проблему. В данной статье представлено практическое решение с драйвером светодиодов высокой яркости МАХ16834, который обеспечивает питание группы светодиодов от низковольтного источника.
