Драйвер светодиода для фонарика

Содержание

В связи с широким распространением светодиодных фонариков, производители микросхем предлагают широкий спектр драйверов для таких применений. Такие микросхемы при питании от литиевой батарейки обеспечивают высокоэффективную работу светодиода или цепочки светодиодов с повышением или понижением напряжения на выходе.

Большое количество простейших фонариков питаются напрямую от батарейки. Например, белый светодиод с напряжением 3,5 Вольта работает от двух литиевых батареек, каждая из которых имеет напряжение на холостом ходу 3 Вольта. Ток через светодиод в такой схеме включения ограничивается внутренним сопротивлением элементов питания. Для батарейки CR2032 он составляет 50 — 100 мА и три светодиода, включенных в параллель, вполне приемлемо светят. Современные более эффективные белые светодиоды имеют меньшее напряжение — 3,2 или даже 3,0 Вольта. Такие светодиоды зачастую работают от одной батарейки.

Такая схема имеет значительные недостатки.
Во-первых, ток через светодиоды определяется качеством и свежестью батарейки. Если элемент питания «слишком» хороший, ток может превысить допустимые значения и светодиоды прослужат недолго. Не зря говорят, что для «китайских» фонариков лучше использовать «китайские» батарейки.
Во-вторых, параллельное включение светодиодов вообще недопустимо. Естественный разброс параметров приводит к тому, что ток через светодиоды может отличаться в 2 или более раз. Следовательно, светодиоды не будут работать долго.
В третьих, яркость свечения фонарика будет снижаться по мере разряда батареек и только первую, незначительную часть времени работы, яркость фонарика будет хорошей.

Такая схема питания светодиодов напрямую от батарейки используется в дешевых фонариках невысокой мощности. Питание в них осуществляется с помощью дисковых (литиевых, марганцево-цинковых или цинк-серебряных) элементов с высоким внутренним сопротивлением (более 50 Ом).

Питание светодиодов с понижением напряжения

Более дорогие изделия имеют в своем составе простейшие драйверы светодиодов в виде резистора или стабилизатора тока.

Наиболее просто сделать качественный фонарик — поставить хороший элемент питания и защитить светодиоды с помощью резистора (балласта). Такая схема питания позволяет сохранить светодиоды и обеспечить долгий срок службы фонарика, конечно надо использовать и качественный светодиод. Однако, сохраняется недостаток — яркость фонарика падает по мере разряда батареи. Особенно заметно снижение яркости при использовании щелочных батарей, которые имеют падающую характеристику разряда. Серебряно-цинковые батареи и многие аккумуляторы обладают лучшей разрядной кривой и дают хороший результат.

Использовать батарею до предела возможностей, позволяет схема с нелинейным балластом — стабилизацией тока. Яркость светодиодов будет постоянной до полной разрядки батареи.

Вечный фонарик. Ставим LED драйвер в ширпотреб.

Схемы с линейным или нелинейным балластом позволяют сделать качественный источник света, но неэффективно используют мощность батареи. Большая часть энергии элемента питания рассеивается в виде тепла на балласте. Снизить такие ненужные потери позволяют схемы с импульсными преобразователями. Для питания светодиодов применяются схемные решения, которые позволяют с высокой эффективностью преобразовать энергию батареи в необходимый для работы светодиода ток.

Простой драйвер светодиода для фонаря на микроконтроллере

Хочу поделиться решением для питания светодиода типа XM-L, XM-L2, XP-L, XP-G, XP-G2, Nichia 219 от одной литиевой батареи. Такие драйверы я давно применяю в фонарях с питанием от одного элемента 18650 и управлением силовой кнопкой. При разработке ставились задачи: простота, малые габариты, богатая функциональность.

Драйвер имеет 4 режима – слабый, средний, мощный и мунлайт. Три основных режима вынесены в основную линию и переключаются коротким отключением питания, мунлайт скрыт. Переключение от слабого к мощному.

Драйвер без памяти в основной линейке, т.е. всегда стартует со слабого режима. Время сброса состояния перебора режимов ~ 1 секунда. Из включенного состояния при коротком прерывании питания фонарь переходит на следующий режим.

Скрытый мунлайт активируется при 3 коротких (менее 0.25 сек) кликах из включенного состояния (или четырех из выключенного). Мунлайт запоминается, после выключения при следующем включении фонарь стартует именно в этом режиме. Для выход из режима осуществляется коротким кликом (точно так, как для переключения режима). Выходит всегда в слабый режим.

Существует возможность настройки яркости мунлайта, рампинг осуществляется при 11 коротких кликах. Фонарь начнет перебирать возможные варианты яркости, в нужный момент для сохранения текущей яркости следует сделать короткий клик (как при переключении режимов), длинный клик — отключение, будет загрузена настройка по умолчанию. Индикация фиксации новых настроек – 1 вспышка, загрузки настройки по умолчанию – 3 вспышки.

Система индивидуальных порогов обеспечивает ступенчатый переход на слабые режимы при разряде батареи. Полностью драйвер выключается при 2,75V.

Система индикации заряда батареи включается при 5 коротких кликах (шести из выключенного положения). Индикация осуществляется вспышками СИД от 1 до 6. Чем больше вспышек – тем больше заряд АКБ.

Присутствует двухуровневый термоконтроль (ТК). Режим калибровки ТК включается 13 прерываниями из включенного состояния. После этого фонарь после серии вспышек для индикации включения режима ТК перейдет с режим нагрева. Как только температура корпуса фонаря достигнет нужного значения, следует сделать короткий клик. Успешная запись нового значения осуществляется 1 вспышкой. Длинное отключение в режиме ТК сбрасывает настройку на значение по умолчанию, индикация – 3 вспышки.

Максимальный возможный ток при указанных на схеме номиналах 2.0А. Уменьшив сопротивление шунта можно поднять максимальный ток до 3-х ампер.

В драйвере имеются хорошо спрятанные стробы. 7 короткий прерываний и включенного состояния или 8 из выключенного включат быстрый строб, коротким прерыванием можно переключать быстрый-медленный-быстрый-медленный. Выход из этого режима — длительное нажатие кнопки.

Драйвер обеспечивает плавное включение и переключение всех основных режимов, что позволяет уменьшить нагрузку на контакты кнопки, т.к. ток достигает своего максимального значения после установления надежного соединения контактов кнопки.

Напряжение питания драйвера от 2.75В до 4.35В. В архиве прошивки для ATTiny45 и ATTiny85 (прошивка для 45-ой не тестировалась) и батник для прошивки. В батнике указаны фусы.

За стабилизацию тока отвечает программный ПИД регулятор. Для контроля температуры и напряжения питания используются встроенные в МК датчики. Частота работы понижающего преобразователя 250 килогерц. Транзистор CSD13202Q2 обладает довольно легким затвором, что позволяет управлять им напрямую с лапы МК. Заменить его с некоторым ухудшением параметров драйвера можно только на IRLHS6242. R3 — токовый датчик, при максимальном токе падение напряжения на нем 50mV. Все конденсаторы только керамика не ниже X5R.

На фото собранный драйвер:

Все детали драйвера установлены с одной стороны. Диаметр драйвера 17мм, кроме того драйвер можно обточить до 15мм диаметра. Толщина текстолита 1,5мм, полная толщина драйвера – 3,5мм.

Светодиодный драйвер для фонариков CN5711

Китайские готовые модули, которые используют этот драйвер имеют вот такой внешний вид:

На плате всего одна микросхема в корпусе SOP8, SMD резистор и подстроечный резистор для настройки тока светодиода.

Скачав даташит я сразу принялся читать его. Производитель гарантирует неплохие характеристики:
— Входное напряжение: 2,8В – 6В;
— низкое падение напряжения на самой микросхеме: 0,37В при токе 1,5А;
— выходной ток до 1,5А;
— точность установленного выходного тока: 5%.

Стоит пояснить что означает падение напряжения на самой микросхеме. На английском языке этот параметр называется «Dropout Voltage». Это напряжение, которое потребляет микросхема во время работы. В даташите указано, что при выходном токе 1,5А этот параметр составляет 0,37В. Что же это значит? Например, у вас есть вот такой светодиод CREE, мощностью 5Вт, которому необходимо обеспечить ток 1,5А.

Напряжение питания светодиода при таком токе может доходить до 3,6В. Значит, на вход микросхемы драйвера CN5711 необходимо подать напряжение на 0,37В больше, чем может падать на светодиоде. Как я уже говорил, это напряжение падает на микросхеме во время ее работы. Если подать еще больше, на микросхеме будет рассеиватсья еще больше тепла. Грубо говоря, разница между напряжением на входе микросхемы и тем, что падает на светодиоде должна быть как можно меньше. Если верить даташиту, то для достижения лучших результатов в плане эффективности преобразования эта разница должна составлять 0,37В.

По характеристикам светодиодный драйвер CN5711 подошёл для моей задумки. Нужно перевести обычный китайский фонарик на Li-Ion аккумуляторы. Заказывать одну готовую плату относительно дорого, а мне нужно три таких. Я пошёл другим путем. Нашел на Aliexpress продавца, у которого было с десяток заказов и рискнул сделать заказ. Хочу отметить, что есть и другие продавцы, у которых количество заказов и отзывов больше, но меня задушила жаба заплатить за доставку товара. Свой заказ я сделал 30.12.2020, а получил товар меньше чем через месяц, 22.01.2021. Посылку доставляла почта CAINIAO. В посылке десять микросхем вот в такой ленте:
Имеют вот такой внешний вид:
Внизу есть подложка для отвода тепла от микросхемы, она соединена с земляным контактом микросхемы:
В даташите есть и стандартная схема подключения драйвера:
Дальше, я уже сделал печатную плату для трех таких микросхем в программе EasyEDA и принялся проводить тесты.
На плате имеются три микросхемы. Слева входные разъемы (верхний контакт – общая земля, три нижних входы VCC), а справа выходные разъемы для каждого из трех светодиодов. Каждая микросхема настроена на свой выходной ток. Первый канал – 120мА, второй – 240мА, третий – 666мА (в последующих тестах число дьявола приведет к неудовлетворительным результатам). Для настройки были использованы резисторы номиналом 15К, 7,5К и 2,7К соответственно.

Подключается эта плата вот так:
В этой конструкции минус питания от аккумулятора подключается напрямую к светодиодам, он общий для всех светодиодов. А плюс разрывается кнопками для каждого канала.

Выходной ток светодиода задается резистором RISET. Он включается между выводом ISET микросхемы и землей. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше выходной ток. Выходной ток рассчитывается по формуле:

Чтобы рассчитать сопротивление резистора для нужного тока, нужно воспользоваться обратной формулой:
Для примера было рассчитано необходимое сопротивление резистора чтобы получить выходной ток 1А.

Для обеспечения хорошей стабильности и температурных характеристик производитель рекомендует использовать металлопленочные резисторы с допуском 1%. В своей конструкции я использовал обычные smd резисторы типоразмером 1206 с неизвестным допуском. При проверке мультиметром они показали хороший результат почти без отклонений.

А теперь тесты. Так как я собираюсь использовать данный светодиодный драйвер в фонарике, который будет питаться от одной Li-Ion банки, я протестировал каким будет выходной ток в зависимости от напряжения на аккумуляторе. Для теста был взят трехваттный теплый белый светодиод, купленный в местном радиомагазине. При токе 693мА на нём было падение напряжения 3,4В, а номинальный ток для трехваттных светодиодов составляет 750мА, так что он работает в более-менее щадящем режиме. При входном напряжении питания 5В КПД составляет 68%. Результаты тестов вышли не такими хорошими, как ожидалось, но это с какой стороны посмотреть. Важно упомянуть, что целью тестов не было определение КПД устройства, мне хотелось проверить насколько хорошо драйвер может держать ток на светодиоде при разряде аккумулятора.

При питании драйвера от полностью заряженного аккумулятора все выглядит более-менее хорошо. При 4,2В на входе ток на светодиоде был 683мА на первом канале, что укладывается в диапазон погрешности 5%, заявленный производителем. На втором и третьем канале 245мА и 121мА соответственно.

При снижении входного напряжения до 3,7В (номинальное напряжение Li-Ion аккумулятора) выходной ток упал до 600мА, что не укладывается в диапазон погрешности. Тут мне показалось странным, что микросхема не может обеспечить необходимый выходной ток. Если подумать логически, то чем меньше выходной ток выдает микросхема, тем меньше падение напряжения на самой микросхеме (Dropout Voltage). Странно, что на ней падает большое напряжение и до светодиода доходит уже значительно меньшее напряжение.

При 3,3В ток уже составляет 340мА, упал в два раза от установленного. На самом деле, не удивительно, что при 3,3В входного напряжения ток так сильно проседает, ведь вольт-амперная характеристика светодиода не линейна и имеет лавинообразную кривую, которая может изменятся от светодиода к светодиоду. Говоря по-простому, немного снизив напряжение питания светодиода, потребляемый им ток может упасть в разы. Да еще и собственное потребление микросхемы. Но я решил протестировать ради интереса и для того, чтобы посмотреть как ярко будет светить мой светодиод.

С другими каналами ситуация другая. На втором канале при установленном токе снижение началось при 3В, а на третьем при 2,7В, полностью разряженном аккумуляторе. По проведенным тестам составил таблицу, чтобы представить результаты в более простом виде.
Красным цветом выделено существенное снижение тока потребляемого светодиодом, которое превышает допустимую погрешность больше чем на 5% (да, я знаю, что напряжения на аккумуляторе уже недостаточно чтобы обеспечить необходимый ток на светодиоде, но при 3,7В ток уже ушел за диапазон погрешности).

Так же я решил проверить заявленное производителем низкое падение напряжения на микросхеме (Low Dropout Voltage). Для проведения опыта был выбран первый канал, так как там самый большой настроенный выходной ток и он самый важный в моем фонарике.

При входном напряжении 3,65В, напряжение на светодиоде было 3,327В (ток 600мА), КПД составляет 91%, но ток просел значительно. Падения напряжения на микросхеме в данном случае составляет 0,323В. В эту цифру входит как собственное потребление энергии микросхемой так и то, что она превращает в тепло. А она работает в линейном режиме, ток на входе равен току на выходе. Но она не смогла обеспечить установленный выходной ток, значит напряжение потребляемое самой микросхемой превысило мои ожидания и она не превратила никакого лишнего напряжения, а лишь использовала для своей работы. Я не думал, что при токе в два раза ниже от возможного она будет потреблять так много. Ведь в даташите указано, что при 1,5А она будет потреблять 370мВ. Так же я протестировал данный параметр и для нескольких других значений входного напряжения.

При напряжении на входе 3,347В, напряжение на светодиоде составляет 3,16В (ток 378мА, КПД=94%). Падение напряжения – 0,187В.

При напряжении на входе 3,023В, на светодиод приходит 2,938В (ток 176мА, КПД=97%, а ведь неплохо для линейного драйвера, если разница вход-выход невелика). Падение напряжения – 0,085В.

Казалось бы, всего-то 85мВ падает на микросхеме. Но с увеличением входного напряжения эта цифра тоже увеличивается. И увеличивается больше, чем я думал. Это я все к чему веду… При напряжении на светодиоде 3,4В ток составляет 693мА. Во втором случае напряжение на входе светодиодного драйвера было меньше, чем то, что необходимо для достижения установленного тока (666мА), но на микросхеме упало 187мВ. Что на мой взгляд немного многовато. Если смотреть на заявленное производителем собственное падение напряжения на микросхеме 370мВ при токе и на то что я получил, то кажется, что полученная цифра слишком велика и на самом деле должна быть меньше. Ток ведь при этом всего 378мА. Если Вам не совсем понятно о чем идет речь, сейчас я покажу вам таблицу.
Смотря на полученные цифры напрашивается вывод, что данный светодиодный драйвер лучше не использовать вместе с Li-Ion аккумулятором или только с полностью заряженным и с выходным током не более 350мА, это только мое личное мнение. Ведь даже при не сильно разряженном аккумуляторе ток на светодиоде значительно падает, а соответственно и яркость. Так при 3,3В трехваттный светодиод может потребить почти как одноваттный.

Основной недостаток, который я смог выявить, это большое потребление напряжения самой микросхемой, что не дает передать на светодиод больше напряжения при разряженном аккумуляторе. Лично у меня возникает мысль использовать изготовленную конструкцию вместе с повышающим преобразователем напряжения, например на MT3608, о целесообразности чего прошу написать Вас в комментариях, если вы дочитали до этого момента.

В интернете я нигде не нашёл каких либо тестов и обзоров на драйвер CN5711, был лишь только один даташит и неожиданное увеличение популярности драйвера на Aliexpress. Надеюсь, что я смог донести до Вас результаты теста и может быть, этот обзор поможет Вам в выборе светодиодного драйвера для портативного фонаря. Изначально он задумывался лишь для того, чтобы показать возможное решение при переделке светодиодных фонарей небольшой мощности, но из этого получилась критика микросхемы.

Я бы не стал рекомендовать данный светодиодный драйвер для устройств, которые питаются от одного Li-Ion аккумулятора, в котором важно чтобы до светодиода доходило максимально возможное напряжение от аккумуляторной батареи. Когда она разряжается, светодиод начинает значительно тусклее светить. Советую обратить внимание на такие микросхемы как AMC7135, у них падение напряжения составляет всего 120мВ, а так же их версии с возможностью регулировки выходного тока, но это уже совсем другая история. Если у Вас есть идеи сделать еще тесты с этими светодиодными драйверами или другие идеи и предложения, пишите их в комментариях. Большое спасибо за внимание.

UPD Под спойлером мои эксперименты с MT3608

Расказ об использовании с MT3608

У меня появилась возможность поэкспериментировать связку MT3608 + CN5711.
Для проверки работоспособности взял два светодиода, один тот, что я использовал для проверки стабилизаторов, а второй из фонарика, который ждет переделки. Вот так все соединил с подключенным штатным светодиодом фонарика:

Наверное его производители наврали о мощности, или у меня недостаточно познаний о светодиодах, но светодиод потреблял ток 550мА, а падение напряжения было 3,9В, огого… Если кто-то догадывается почему такие странные числа, пожалуйста, объясните мне, буду очень благодарен.

Потом я подключил свой купленный светодиод:

Посадил его на термопасту на небольшой радиатор. Такого радиатора ему было очень недостаточно, он нагрелся до 72 градусов и проработал так всего 8 минут и 30 секунд, после чего со свистом из микросхем сгорел. Его пробило.

Все микросхемы пережили смерть светодиода и продолжали работать, но я вовремя все это дело выключил. Пока схема работала, я записывал показания температуры на CN5711 с измеряя её термопарой от мультиметра с использованием термопасты.

В коментариях указывали на ошибки при проэктировании платы, нужно было куда-то отводить тепло. В будущем переделаю плату на двустороннюю с использованием толстых медных проводников в качестве Via.

Теперь о нагреве повышающего преобразователя. Сама MT3608 в процессе работы нагрелась до 54 градусов. Дроссель так же до 54, а диод Шоттки до 63. Не критично. На выходе преобразователя было установлено выходное напряжение 4,1В. С полностью заряженным аккумулятором это значение поднимется. А так, КПД драйввера составляет 82%. Картину будет портить повышающий преобразователь напряжения, его КПД будет плавать. Если сделать предположение, что во время работы преобразователя при разряде аккумулятора КПД не опустится ниже 80% (может будет и меньше, не успел проверить), то КПД всей схемы будет 65%. Впустую потратится почти половина емкости, что очень критично. Но моей задачей стояла максимальная яркость не зависимо от напряжения на аккумуляторе.

К сожалению я не смог измерить ток на входе преобразователя чтобы продолжить измерения КПД схемы. Когда очищал с преобразователя термопасту, случайно замкнул выходы микросхемы металлическим предметом и он сгорел. Теперь буду ждать новую партию с Китая( Не делайте как я, используйте диэлектрические сухие предметы, например, зубочистку.

Несколько картинок о фонарике, для которого это все предназлачалось:

Созданый драйвер будет стоять вместо платы зарядки аккумулятора, поэтому такое ограничение по габаритам.

Планирую купить +23 Добавить в избранное Обзор понравился +55 +91

NoName,
NoName CN5711,
радиодетали и электронные компоненты

25 февраля 2021, 08:10
автор: Morningstar
просмотры: 32909

Светодиодный драйвер для фонарика