1 ВСТУПЛЕНИЕ
Как сделать аккумуляторную светодиодную лампу с великолепной осветительной способностью, высоким КПД, длительным временем работы и холодной матрицей.
Здравствуйте, друзья. С Вами Тимур Гаранин, и пока Вы созерцаете конечный результат моих трудов, а именно невероятную осветительную способность этого портативного устройства, я напомню, что неплохо было бы сразу поделиться роликом и проявить активность в виде лаек и комментариев, чем очень поможете каналу.
А теперь по порядку.
Первые несколько недель блэкаута меня спасал мой старый фонарь с матрицей из 21 светодиода. Но я столько раз ронял об пол и даже вынужденно перепаивал кнопку включения, что очевидно, что его ресурс близок к концу. Кроме того, его КПД меня не устраивал из-за нагрева матрицы и устройства преобразователя в нём.
В этих условиях мой давний замысел создания высокоэффективной светодиодной лампы на лучшем драйвере и в недонапряжённом режиме светодиодов обоснованно требовал воплощения. Высокий КПД, длительное время работы и хорошая осветительная способность, как у лампы, а не как у фонаря – вот, что мне было нужно.
Те лампы и фонари, которые присутствуют в продаже, меня совершенно не устраивают. И сейчас я объясню почему.
2 РЕЖИМЫ РАБОТЫ СВЕТОДИОДОВ
Зависимость светового потока от мощности, подаваемой на кристалл светодиода нелинейна.
В недонапряжённом режиме малый рост мощности приводит к значительному росту светового потока. При этом кристалл остаётся холодным.
В номинальном режиме рост тока через светодиод приводит к адекватному росту светового потока. Кристалл умеренно греется, и образованное тепло легко отводится теплоотводом.
В перенапряжённом режиме значительное прибавление мощности приводит к незначительному росту светового потока. Куда же девается вся эта мощность? Большая часть мощности в перенапряженном режиме уходит на нагрев. Жар, создаваемый кристаллом в этом режиме настолько большой, что не каждый теплоотвод или радиатор смогут его отвести.
С экономической точки зрения самый оправданный режим – номинальный. Потому что в этом режиме требуется адекватный размер кристалла, или количество их, нагрев не очень большой, его легко отводить, и КПД вполне удовлетворительный.
Но с точки зрения продавца светодиодов самый выгодный режим – перенапряжённый. Потому что можно маленькие кристаллы продавать по цене крупных, а то, что они греются как печка и перегорают – так это даже к лучшему, будет больше повторных продаж.
А вот для покупателя, а точнее конечного пользователя, лучший режим, разумеется – недонапряжённый. Холодная матрица без выгораний, высокий КПД, длительное время работы от аккумуляторов.
Но на рынке Вы не найдёте фонарей и ламп, работающих в недонапряжённом режиме – это слишком не выгодно для производителя. Поэтому остаётся только один вариант – сделать такую лампу самостоятельно.
3 МАТРИЦА
Подходим к моему замыслу. Светодиодную матрицу, работающую в недонапряжённом режиме я решил сделать следующим образом.
Взял 135 полуваттных светодиодов (точнее якобы полуваттных, т.к. их реальная мощность в разы меньше, практически у всех производителей). Эти светодиоды я разделил на три секции по 45, после чего спаял их на алюминиевых лентах, которые обычно используются для пайки фотоэлектрических ячеек.
Должен заметить, что качественно пропаять такую матрицу, чтобы каждый светодиод имел надёжный контакт с лентой, под силу не каждому мастеру паяльного кунг-фу, а в условиях блэкаута и подавно.
После пайки каждая секция проверялась на предмет надёжности контактов, иначе в собранном виде погасший светодиод в матрице будет выглядеть как выбитый зуб.
4 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Подключать матрицу прямо к аккумуляторам, конечно же, нельзя. Во-первых, требуется фиксированное напряжение, во-вторых, нужно ограничивать ток. Токоограничительный резистор использовать в нашем случае нельзя, т.к. он будет капитально снижать КПД прибора, преобразуя ток 135 светодиодов в тепло.
Как ограничивать ток через матрицу, не снижая КПД?
Мой замысел основывался на преобразователе MINI-360.
Во-первых, это понижающий преобразователь напряжения. Напряжение аккумуляторов он снижает до напряжения, которым мы будем питать матрицу. В нашем диапазоне напряжений его заявленный КПД – от 90%, почти 95.
Во-вторых, это ограничитель тока. На графиках ясно видно, что при росте тока через преобразователь, напряжение на его выходе падает. А это в свою очередь ограничивает рост тока. По сути он ведёт себя как ШИМ-модулированный резистор.
Светодиодная матрица начинает тускло светить уже от семи вольт. Яркое свечение можно констатировать на 8,5 Вольтах. Выше этого напряжения уже начинается нагрев сборки. Я эксплуатирую матрицу при напряжении 8,4 вольта. При этом напряжении температура матрицы всё ещё ниже температуры человеческого тела.
Но самое удивительное, что холодным остаётся преобразователь. Я ожидал, что он будет греться хотя бы немного, но он абсолютно холоден. Потрясающе! Видимо, его КПД действительно 90-95%.
Таким образом, этот преобразователь работает как холодный токоограничительный резистор.
5 БАЛАНСИРЫ
Во многих своих приборах я применял популярные балансиры для литиевых аккумуляторов. Но с течением времени обнаружил неприятный факт. Эти балансиры медленно разряжают аккумуляторы. На схеме Вы видите, что каждая цепь балансиров имеет микросхему u и транзистор q. Их ток утечки измеряется микроамперами, если верить даташитам, но, будучи оставлены на длительное время, балансиры медленно пожирают заряд аккумуляторов. В сборках без балансиров аккумуляторы не разряжаются. Следовательно, дело именно в балансирах.
Я нигде не видел, чтобы этот факт открыто освещался. Похоже, я первый, кто прямым текстом говорит, что эти балансиры медленно разряжают аккумуляторы. Вы сделаете благое дело, если распространите эту информацию на технических ресурсах.
Так возникла необходимость размыкать цепь балансиров. А это очень неудобно, т.к. балансиры подключаются аж четырьмя выводами к трёхсекционной батарее. Пришлось использовать две двухрядные кнопки, что значительно отягощает интерфейс прибора и усложняет внутренние комммуникации.
А три красных светодиода, которые вы видите на торце, просто включены параллельно разрядным резисторам и работают как индикаторы. Это явное излишество, и в следующих приборах я такого уже делать не буду.
От перезаряда и переразряда аккумуляторы охраняются платой защиты.
Схему всей лампы Вы видите на экране. Размыкание балансиров четырьмя группами контактов сильно усложняет конструкцию. Возможно, достаточно одной двухрядной кнопки, которая размыкает выводы B1 и B2, что Вы думаете, посоветуйте в комментариях? Либо же стоит вообще забить на ток утечки балансиров, и припаивать их к аккумуляторной сборке неразъёмно, как это обычно делают?
6 ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО
Зарядное устройство сделано по привычной схеме. Понижающий подуль помещён прямо в корпус вилки 220 вольт. На выходе этого модуля мы получаем выпрямленный ток низкого напряжения до 20-30 вольт, идеально для зарядки трёхсекционной батареи.
Заявленная мощность драйверов до трёх ватт, но на практике оказывается больше. Заряжают аккумуляторы за несколько десятков минут. В то время как лампа может работать от этой батареи часами.
7 КОНЕЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
Теперь посмотрим на результат.
Во-первых, осветительная способность просто потрясающая. В отличие от любого фонаря, который светит узким лучом, эта лампа освещает очень широкий угол, поэтому она и лампа, а не фонарь. Освещение получается чуть тусклее, чем от лампы накаливания в 60 ватт. Только с гораздо большим КПД и холодной матрицей. В принципе, такая осветительная способность для аккумуляторной лампы – великолепный результат.
Кстати, если захотите повторить этот проект, то берите светодиоды тёплого спектра. Холодный и даже естественный спектр не очень приятен для глаз.
Если лампу положить на плафон, то освещение в комнате почти такое же, как от лампы в цоколе. Неприличная ситуация – во всём доме окна тёмные, но только не у меня. Стороннему наблюдателю кажется, что у меня светит люстра.
8 КПД и ВРЕМЯ РАБОТЫ
Особо стоит обсудить энергетическую эффективность данной сборки. Преобразователь mini-360 остаётся холодным спустя несколько часов работы. Следовательно, потери в тепло у него минимальны.
Светодиодная матрица работает часами и её температура держится ниже температуры человеческого тела. По крайней мере, ощутить рукой какой-то различимый нагрев не удаётся. Я в этот раз на всякий случай использовал теплоотвод в виде боковой поверхности алюминиевого баллончика. Но в следующий раз этого делать не буду, ибо теплоотвод под холодной матрицей – это страдание фигнёй.
Просадка напряжения при подключении матрицы к батарее составляет не более 0,1 вольта, т.е. если в разомкнутой цепи на аккумуляторах 12,5 вольт, то при подключении нагрузки напряжение просаживается всего лишь до 12,4 вольт.
При включённой лампе напряжение на аккумуляторах уменьшается на две десятых вольта каждый час. Это просто потрясающе. Более того, по каким-то не до конца мне понятным причинам, расход аккумуляторов замядляется при длительной работе. Не понимаю почему так, у Вас есть какие-то догадки?
Чтобы высадить аккумуляторы, нужно непрерывно расходовать их чуть ли не полсуток. Мне так и не удалось поймать ни одного дня, чтобы полностью разрядить батарею.
При такой осветительной способности это просто сумасшедший результат.
9 ДАЛЬНЕЙШИЕ ЗАМЫСЛЫ
Концепция энергоэффективной лампы на светодиодах в недонапряжённом режиме себя оправдала полностью. Этот подход нужно развивать.
Ещё больше уведичить КПД и продлить время работы от аккумуляторов можно следующими способами.
Во-первых, подавать меньшее напряжение на матрицу. Осветительной способности более, чем достаточно, поэтому можно и потише сделать.
Во-вторых, увеличить количество светодиодов в сборке, что позволит при меньшей мощности получить тот же световой поток.
В-третьих, очевидно, увеличить ёмкость батареи, добавив больше банок. В собранной лампе заряд батареи составляет 4 с небольшим Ампер*часа. Я планирую увеличить заряд до 6000 мАч. А этого уже достаточно, чтобы можно было использовать лампу ещё и как повар-банк.
Если у Вас есть опыт работы с платами повар-банков, поскидывайте в комментарии ссылки на те платы, которые считаете самыми надёжными. Предположительно, для трёхсекционной батареи, либо универсальные.
А также посоветуйте корпуса для них, т.к. лампу не обязательно собирать на трубе. Матрицу можно и на плоской поверхности разместить, что может оказаться удобнее.
На те компоненты, которые использованы при сборке этой лампы, ссылки можно найти под видео.
Оставляйте свои советы и предложения. Всем удачи!
