Велофара на светодиоде LUXEON.

1) Вступление.

Никто не станет спорить что велосипедная фара вещь весьма нужная в арсенале любого байкера. Необходимость данного устройства у меня появилась примерно в середине августа прошлого года, когда рано наступающая темнота стала препятствием, для покатушек по неосвещённым местам дороги. Перекопав все сайты веломагазинов, я пришёл к выводу, что хорошей фары за умеренные деньги в продаже просто нет. Основные требования при поиске были такими:

1) Достаточная сила света для езды с умеренной скоростью (15-20 км/ч).

2) Время работы от батарей хотя бы 6 часов.

3) Отсутствие внешнего аккумулятора.

4) Простой и надёжный монтаж/демонтаж на руль.

 Галогеновые фары с их аппетитами меня не очень интересовали. Хотелось что-нибудь на светодиодах.

Единственная фара, которая заинтересовала, была CatEye EL-300.  Полазив по велофорумам, было встречено множество противоречивых отзывов. Одни доказывали, что у фары супер-яркость и супер-экономичность, а другие писали, что вроде при свежих батареях она светит  сносно, но так как яркость снижается плавно, в какой-то момент становится ясно, что хоть она и светит, но уже не освещает.  Третьи доказывали, что светодиоды никогда не смогут конкурировать с галогенками. В общем ситуация была совершенно непонятная, понятно было только одно, что стабилизатора напряжения в ней нет, а это нехорошо.

 Так как лично проверить эту фару в полевых условиях я не имел возможности, то было решено купить несколько белых светодиодов и самому всё проверить (если бы что-то и неустроило  бы, то таким диодам всегда нашлось бы применение в хозяйстве). После покупки 5 белых диодов, стало ясно, что в маленький карманный фонарик они ещё подойдут, но никак не в фару. Я примерно прикинул, что в нормальной фаре должно стоять не менее 10 светодиодов. А так как подобных шедевров в продаже я не видел, стало понятно, что единственная фара которая меня устроит – самодельная. В ней должно стоять 10-15 диодов и импульсный стабилизатор тока с хорошим КПД. Приехав на Митинский рынок за оставшимися 10 диодами, я совершенно случайно увидел это чудо. Этот диод светил очень ярко. Продавец сказал, что потребляемый ток диода 350 мА, из чего стало ясно что этот диод совсем другого уровня, нежели все остальные на рынке ( у них ток потребления 20 мА). Я его незамедлительно купил. Придя домой я понял что это действительно то что мне нужно. Он светил ГОРАЗДО ярче тех 5-ти диодов, и для фары вполне мог сгодиться, даже в количестве 1 шт. Потом я нашёл в интернете информацию об этом диоде. Их изготавливает фирма Lumileds, являющаяся отделением фирмы HP. Сам диод называется Luxeon Star.

Вот он. На самом деле сам диод имеет размеры ~ 7*7мм. Львиную долю корпуса занимает линза.

После того как с источник света был выбран, я поехал в Сокольники за донором корпуса. Из всего множества ,я выбрал китайскую галогеновую фару в довольно симпатичном корпусе под 4 батарейки АА. (к сожалению на тот момент не было фотоаппарата).

 Скептики сейчас сразу бы стали возмущаться. Зачем портить галогеновую фару и ставить в неё какой-то светодиод, который и в подмётки не годится лампе.

 Действительно, взглянув на мощность галогенки и на мощность Luxeona, можно так подумать (номинальное напряжение питания лампочки составляет 4.8В, при токе 0.5А, что даёт мощность 2.4Вт., а номинальный ток потребления диода=350мА, при напряжении 3В, что даёт мощность 1Вт). Но забегая вперёд, привожу фотографии, где сравнивается свет уже собранной фары на диоде, с галогеновой лампой с отражателем и рассеивателем, которые были в фаре изначально.

 Это фара светит ближним светом (мощность 0.5Вт), а галогенка светит на  номинальной мощности. 

 

 Это фара светит дальним светом.

 

Тестер показывает ток через галогенку. 510 мА.

 

Думаю понятно что игра стоит свеч.

 

2) Изготовление передней части корпуса.

Чтобы приступить к переделке фары, надо было решить вопрос с установкой светодиода, чтобы это было эстетично, и эффективно. Поэкспериментировав, я пришёл к выводу, что луч света будет ярче и уже, если перед диодом поставить дополнительную линзу. Поэтому хорошо было бы, если бы перед диодом стояла трубка, с линзой на конце.

Ясно, что из подручных средств сделать подобную деталь я бы не смог. Я набросал её эскиз, и отправился на ближайший завод, где дядя Вася за 2 дня на фрезерном станке мне сделал то, что нужно.

 Вот галогенка, которую я снял.

 

 Вот та самая деталь.

 

 Она же, после покраски.

 

Правда, после дяди Васи пришлось прилично поработать напильником. Деталь просто не влезала в корпус. Но результат получился весьма неплохим.

В конце концов, у меня было 3 слагаемых Супер-фары. Но не хватало 4-го, и самого сложного слагаемого – стабилизатора тока.

 

3) Изготовление электронной части. Плата №1.

Так как напряжение 4-х батарей составляет 6В, или аккумуляторов 4.8В, а напряжение питания диода составляет 3В. То ясно, что напряжение питания нужно уменьшать. Путей решения в принципе 2:

1)      Применение гасящего резистора.

2)      Применение стабилизатора.

     а) Линейного

     б) Импульсного

Первый вариант самый простой и самый плохой. С посадкой батарей плавно падает и яркость ( 99.9% - такая схема применена CatEye EL-300). Вариант 2) а) уже существенно лучше, так как яркость будет строго постоянной (в нашем случае при посадке батарей ~до 3.5В). И сложность данной схемы невысока. Но КПД будет невелико 50-85% (чем ниже напряжение питания, тем выше КПД). Так как ёмкость аккумуляторов сравнительно невелика, то жалко тратить энергию на бесполезное тепло.

Остаётся вариант 2)б). Правильно собранный и настроенный импульсный стабилизатор обеспечивает стабильную яркость при отличном КПД (до 95%). Соответственно он самый сложный. Но так как ТТХ фары для меня были важнее её сложности, я естественно остановился на последнем варианте.

  Я не хочу рассказывать, о всех проблемах и препятствиях с которыми пришлось столкнуться. Скажу лишь что первая схема преобразователя, обеспечивала стабильное напряжение 3.0В на выходе в диапазоне питающих напряжений 1.8-12В. Но КПД её получился слишком низким ~65%. Никакими усилиями я не смог его улучшить. Схема в  своём составе имела трансформатор, а в маломощных цепях он давал большие потери. Такая схема была выбрана только для того, чтобы батарейки «высасывались» полностью. В итоге самое обидное, что пришлось от этой схемы отказаться тогда, когда она была в виде законченной платы. Пришлось искать другую схему.

При выборе новой схемы, почитал разные статьи, из чего стало ясно что батарея или аккумулятор способен отдавать мощность в нагрузку при посадке до 0.8-0.9В. Поэтому, я остановился на схеме инвертора с понижением напряжения (см рис.).

 Понижающий инвертор (общая схема).

 

Эта схема имеет весьма неплохие характеристики, но для полной максимизации КПД, лучше использовать схему с синхронным детектором (см рис.).

 Понижающий инвертор с синхронным детектированием.

 

(Именно по такой схеме осуществляется питание центрального и графического процессора в компьютере). Как видно, диод, который потребляет некоторую мощность, заменён на полевой транзистор, потери мощности на котором существенно ниже. Но видно, что управляющая микросхема должна иметь дополнительный вывод для управления нижним транзистором.

  Поэтому найти подходящую микросхему было довольно трудно.  Хорошо подходили микросхемы MAX887, и MAX1684. Но купить их была проблема. Потом я всё-таки нашёл микросхему ADP1148, которая идеально подходила под поставленную задачу. И что особенно приятно то,что это микросхема имеет возможность работать как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме стабилизации тока. (У светодиодов параметром питания является не напряжение а ток, так как ВАХ диода имеет резкий подъём. Даже малое изменение напряжения на нём вызывает большое изменение тока). В схеме использовалась типовая схема включения микросхемы (см. рис).

 

Резистор R2 регулирует выходное напряжение, а резисторы Rsense задают ток стабилизации. Тумблер соответственно переключает режимы ближнего/дальнего света. Несмотря на то, что в схеме указано минимальное напряжение питания 5.2 В, схема начинает работать от 3,5В. Ниже ток уже не стабилизируется.

 При настройке схемы, необходимо решить на какой частоте она будет работать. Я выбрал 150 кГц. Частота устанавливается конденсатором Cт.

 Самое трудоёмкое - это подбор резисторов Rsense. Так как я использовал нихромовую проволоку, то пришлось прилично повозиться при её пайке. Наконец самый важный элемент, от которого зависит КПД и качество работы всей схемы – это дроссель L. Я мотал в 2 провода 0.4мм на I-образном сердечнике. Количество витков не помню, подбирал экспериментально ( что-то в районе 20-30).

 В целях миниатюризации, плата собиралась на SMD компонентах. К сожалению, микросхему в SOIC корпусе купить не получилось, поэтому основную площадь платы занимает именно она. Вот что у меня получилось:

 Вид сзади.

 

 Вид спереди.

 

Белый бочонок – это дроссель, заклеенный бумагой (для фиксации провода). Маленькая микросхема - это транзисторная сборка IRF7307 (P и N- канальный транзистор). Синий конденсатор пришлось поставить, так как не нашёл в SMD-исполнении.

КПД преобразователя получился ~90%. Что очень неплохо. Я пробовал включать в схему большой дроссель, КПД получался ~94%, но к сожалению в корпус он не влез бы.

 Плата в сборе ( из ранних фотографий).

 

4) Изготовление электронной части. Плата №2.

 

Фара в своём изначальном обличии была «очень продвинутым устройством» китайской промышленности. Ближний/дальний свет у неё включался одной кнопкой без фиксации

(как на мышке). Логика работы была такая: 1-е нажатие – включается дальний свет, 2-е нажатие – включается ближний свет, 3-е нажатие – выключение. При этом в окошке сверху горел или мигал зелёный светодиод, а при просаде батарей до 4-х вольт, загорался красный диод “Lo-battery”.

 Когда я вытащил эту платку, и померил её характеристики, то произнёс немало «тёплых» слов в адрес наших китайских друзей. Во-первых, схема жрала 20 мА. Во – вторых, она отказывалась работать при напряжении 3.5В и ниже. В-третьих, был обнаружен глюк, - при чуть подсаженных батареях фара могла включаться нормально, а могла через раз.

 Короче было принято решение – однозначно в морг.

 Обмозговав схему, реализующую такую же логику включения/выключения, я плюнул, и решил ограничиться простым тумблером. Мне как-то спокойнее, когда я знаю что фара на 100% обесточена. Поэтому я решил на место старой платы воткнуть свою, на которой будет 3-х сегментный индикатор разряда батарей.

 Я потратил некоторое время на поиски готовой микросхемы, и не найдя ничего подходящего, решил собрать индикатор в рассыпухе. Вот схема:

 Схема состоит из 3-х идентичных блоков.

 

В данной схеме транзистор является инвертором напряжения, а элемент «2И» -пороговым устройством, сделанным для того, чтобы сигнальный светодиод при просаде батарей загорался не плавно, а скачком. Марку транзистора я не помню, хотя думаю подойдёт любой NPN. Переменный резистор R3 – 20 килоом. Стабилизированное напряжение для питания схемы взято непосредственно с Luxeon-а. В качестве индикаторных диодов, я применил сверхяркие красный, оранжевый и жёлтый диоды, питая их сильно заниженным током. Номинальный у них 20мА, но для индикации они хорошо работают начиная с 0.5 мА.

Настройка схемы сводится к выставлению подстроечными резисторами порога срабатывания. Я установил так: 4.5В – жёлтый, 4.0В – оранжевый, 3.5В – красный.

 Вся схема индикации потребляет 1.5 мА. Температурная погрешность индикации +/-0.05В. Внешний вид платы см рис:

 Задняя сторона.

 Передняя сторона.

 Платы в сборе.

 Работа индикации при сильно посаженных батареях.( К сожалению цвета плохо получились).

Несколько фотографий готовой фары:

    

 

Потребляемый ток из свежих аккумуляторов в режиме дальнего света получился ~230мА (ток через диод ~330мА). В режиме ближнего света – потребляемый ток ~120мА(ток через диод ~170мА). Что при использовании аккумуляторов 2000мА/ч, в часах даст соответственно 8,5 / 16,6 часов, а дальше мощности батарей на дальний свет уже не хватит, и в обоих режимах фара будет светить одинаково, плавно снижая яркость до 0.

 

5) На десерт.

Недавно, блуждая в интернете в поисках всевозможных устройств на светодиодах, видел, как парень соорудил крохотный повышающий преобразователь напряжения для 3-х миллиметрового светодиода, и запихал всё это хозяйство в корпус от лампочки. Мне тоже стало интересно, и буквально за 3 часа на коленке я спаял такой же преобразователь:

 Его схема.

 

Он сам:

   

 

Схемка получилась существенно меньше чем у буржуя. Он свою схему в корпус явно еле засунул.

Правда за миниатюрность и простоту приходится платить. Схема имеет КПД ~55%.

 

6) Ссылки по теме.

Велофара на 6-ти диодах, зеркало1, зеркало2.

Переделка фонарика Varta.

Фонарик со стабилизатором тока

Фонарик на микросхеме ADP1110 (анаолги ADP1111, ADP1073, ADP1173).

 

 

ЗЫ: Все у кого есть какие-то вопросы по велофаре, мыльте на ilyxa@ostrov.net