Доработки налобного светодиодного аккумуляторного фонаря

[Admin]

Доработки налобного светодиодного аккумуляторного фонаря

И. НЕЧАЕВ, г. Москва

В статье рассмотрена ещё одна конструкция китайской промышленности — налобный светодиодный аккумуляторный фонарь (рис. 1), его основные недостатки и возможные доработки, которые по желанию радиолюбителя можно реализовать, все или только некоторые. В комплект этого устройства входят собственно сам фонарь, держатель с эластичной лентой и кабель для зарядки аккумулятора. Фонарь имеет магнит для фиксации на железных предметах и регулируемый угол наклона.
По информации на упаковке (рис. 2) он оснащён аккумулятором ёмкостью 800 мА*ч. При разборке фонаря оказалось, что в него встроен Li-Ion аккумулятор типоразмера 18650. Для такого типоразмера его ёмкость мала, поэтому можно предположить, что он не слишком высокого качества. В сопроводительной документации на фонарь зарядку аккумулятора рекомендуется проводить от USB-порта компьютера, ноутбука или от внешнего зарядного устройства в течение 3 ч, а для первой зарядки её продолжительность — 8 ч. Почему это не совсем безопасно, будет ясно далее.

Схема фонаря показана на рис. 3. Источником энергии служит аккумулятор G1, о котором сказано выше. Источником света служит светодиодный модуль с маркировкой MF2042-12 и с алюминиевым основанием (рис. 4), на котором размещены отдельный светодиод EL1, имеющий узкую диаграмму излучения, а также матрица из двенадцати светодиодов EL2—EL13, залитых компаундом и формирующих рассеянный свет. Включение фонаря и переключение режимов свечения осуществляют кнопочным переключателем SA1. Для ограничения тока использованы резисторы R1 и R2. Для зарядки аккумулятора фонарь снабжён разъёмом Х2, к которому с помощью кабеля с USB-разъёмом XS1 подключают зарядное устройство — источник питания напряжением 5 В.

Был измерен ток, потребляемый от аккумулятора для разных режимов работы. Результат показан на рис. 5. Максимальный потребляемый матрицей светодиодов ток при полностью заряженном аккумуляторе достигает 800 мА, а одиночного светодиода — 270 мА. При снижении напряжения аккумулятора ток существенно снижается, поэтому уменьшается и яркость свечения. При таком токе потребления матрицей светодиодов через 4 ч непрерывной работы яркость её свечения уменьшится в несколько раз. Это — один из недостатков налобного фонаря.
Существуют проблемы и с зарядкой аккумулятора. Зависимость тока зарядки аккумулятора напряжением 3,7 В от выходного напряжения зарядного устройства показана на рис. 6. Если аккумулятор разряжен, максимальный зарядный ток будет больше, это зависит от возможностей источника питания, выполняющего функцию зарядного устройства. В этом случае ограничение тока зарядки возлагается на само зарядное устройство и сопротивление соединительного кабеля. Поэтому могут возникнуть различные аварийные ситуации. Теперь становится ясно, к чему может привести зарядка аккумулятора в течение 8 ч от случайного зарядного устройства, если строго выполнять рекомендации производителя фонаря. Это — второй существенный недостаток фонаря.
Первый указанный недостаток можно устранить установкой стабилизатора тока. Если применить импульсный стабилизатор тока [1], это повысит экономичность фонаря. Но можно использовать и линейный стабилизатор (ограничитель) тока. Схема доработки фонаря с таким стабилизатором тока показана на рис. 7. Штатные резисторы R1 и R2 удаляют, вновь введённые элементы выделены цветом.

Датчик потребляемого светодиодами тока собран на резисторе R2 и специализированной микросхеме DA1 ZXCT1009F [2]. Подробное описание этой микросхемы и конструкций на её основе приведено в [3—5]. Эта микросхема работает как преобразователь напряжение/ток, т. е. она преобразует падение напряжения на резисторе R2 в выходной ток с коэффициентом преобразования К = 10 мА/B. Собственный потребляемый ток при UBX = 0 В не превышает 4 мкА. Выходной ток микросхемы протекает через подстроечный резистор R3 (и через подстроечный резистор R4, если открыт транзистор VT2). Благодаря применению микросхемы ZXCT1009F сопротивление резистора R2 может быть небольшим.
В выключенном состоянии (подвижный контакт переключателя SA1 находится в среднем по схеме положении) на затвор транзистора VT3 (APM2014N [6]) поступает открывающее напряжение, но ток через него не протекает, поскольку на модуль А1 питающее напряжение не поступает. В нижнем по схеме положении подвижного контакта переключателя SA1 напряжение поступает на светодиод EL1, поэтому через него, транзистор VT3 и резистор R2 протекает ток. Через резистор R3 протекает выходной ток микросхемы DA1, и когда напряжение на нём достигнет около 0,6 В, откроется транзистор VT1 и напряжение на затворе транзистора уменьшится, что приведёт к уменьшению (ограничению) тока через светодиод EL1. Порог ограничения устанавливают подстроечным резистором R3. Конденсатор С1 обеспечивает устойчивую работу ограничителя тока.

В верхнем по схеме положении подвижного контакта переключателя SA1 напряжение поступает на матрицу светодиодов EL2—EL13. Поскольку потребляемый ею ток в несколько раз больше, к выходу микросхемы DA1 через открытый транзистор VT3 подключается подстроечный резистор R4, которым и устанавливают порог ограничения тока для матрицы светодиодов. На рис. 8 показаны примеры зависимости тока через светодиод и светодиодную матрицу. При напряжении менее 3,2 В ток через них начинает уменьшаться, при этом уменьшается яркость, что свидетельствует о разрядке аккумулятора.
Все вновь введённые элементы размещены на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5 мм, чертёж которой показан на рис. 9,а, размещение на ней элементов — на рис. 9,6. Применены постоянные резисторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206, подстроечные резисторы — серии PVA3A(RVG3A), конденсатор С1 — керамический для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Смонтированная плата показана на рис. 10.
Форма печатной платы обусловлена конструкцией фонаря и расположением его элементов. На рис. 11 показана внутренняя конструкция фонаря (без аккумулятора). На штатной печатной плате установлены переключатель SA1, разъём Х2 и резисторы R1 и R2. Плату с новыми элементами устанавливают между переключателем и гнездом (рис. 12), предварительно соединив её с элементами фонаря и установив подстроечными резисторами требуемый ток через светодиод и светодиодную матрицу.

Поскольку тип и параметры светодиода EL1 неизвестны, облегчить его тепловой режим можно, если нанести на него по периметру теплопроводящую пасту (рис. 13). Насколько эффективно такое решение, не проверялось, но хуже точно не будет, тем более что временные затраты при этом минимальны.

Но ещё осталась проблема с зарядкой аккумулятора. Для того чтобы избежать излишне большого тока и уменьшить вероятность перезарядки аккумулятора, на штатную плату со стороны печатных проводников можно установить элементы VD1 и R6 (см. рис. 7).
Подборкой резистора R6 устанавливают максимальный ток зарядки, а диод VD1 снижает напряжение на аккумуляторе на 0,6...0,7 В по сравнению с выходным напряжением зарядного устройства (5 В). Но это, конечно, не лучший вариант, поскольку не исключает небольшой перезарядки Li-Ion аккумулятора, к которой они чувствительны. Поэтому в этом случае потребуется контроль времени зарядки. Такое решение с учётом невысокой стоимости фонаря может быть оправданным.
Чтобы исключить чрезмерную разрядку аккумулятора, в фонарь можно установить микросхему супервизора К1274СПЗЗП (DA2) (см. рис. 7) [7] или её аналоги — микросхемы КР1171СПЗЗ или микросхемы серий KIA7033, PST529G. Место для установки такой микросхемы навесным монтажом в корпусе фонаря найдётся.
При частом пользовании фонарём лучше позаботиться о правильной зарядке аккумулятора. Для этого можно использовать контроллер зарядки от вышедшего из строя Li-Ion аккумулятора, включив его в разрыв штатного кабеля. Подойдёт и недорогая готовая плата специализированного контроллера зарядки, выбор которой в интернет-магазинах велик.

Но можно сделать такой контроллер самостоятельно, применив одну из микросхем контроллера зарядки, например серии МЕ4057 [8]. Схема такого контроллера показана на рис. 14. Ток зарядки устанавливают подборкой резистора R2. Светодиод HL2 сигнализирует о процессе зарядки, а светодиод HL1 — о её окончании.
Элементы зарядного драйвера размещены на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Вторая сторона со сплошной металлизацией использована как общий провод и соединена через отверстия с проводниками первой стороны с помощью отрезков медного лужёного провода. Чертёж платы показан на рис. 15,а, а размещение на ней элементов — на рис. 15,6. Применены резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Светодиоды применены также для поверхностного монтажа, их цвет свечения может быть
другим, главное чтобы различным. Вид смонтированной платы показан на рис. 16. В качестве корпуса контроллера зарядки можно использовать любой подходящий прозрачный пластмассовый корпус. На рис. 17 показан вариант с корпусом от одноразового шприца объёмом 2 мл.

И в заключение статьи - иногда все же нужно отдыхать от пайки, конструирования электронных устройств и отдыхать -
горнолыжная школа роза хутор поможет вам развеяться и поправить здоровье.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нечаев И. Из начинки одноразовых электронных сигарет. Карманный фонарь. — Радио, 2023, № 9, с. 57-60.
2. ZXCT1009 high-side current monitor. — URL: https://clck.ru/36fbuV (18.11.23).

3. Нечаев И. Микросхема ZXCT1009F и конструкции на её основе. Часть 1. Измерение больших постоянного и переменного токов. Приставка к мультиметру. — Радио, 2018, № 11, с. 55—58.
4. Нечаев И. Микросхема ZXCT1009F и конструкции на её основе. Часть 2. Устройства защиты и ограничители (стабилизаторы) тока. — Радио, 2018, № 12, с. 53—56.
5. Нечаев И. Микросхема ZXCT1009F и конструкции на её основе. Часть 3. ЗУ и устройство питания микродрели. — Радио,
2019, № 1, с. 58-60.
6. APM2014NU N-Channel Enhancement Mode MOSFET. — URL: https://clck.ru/ 36fc2a (18.11.23).
7. К1274СПхх. — URL: https://integral. by/sites/default/files/pdf/k1 274_0.pdf (18.11.23).
8. ME4057. - URL: https://datasheet-pdf. com/PDF/ME4057-Datasheet-Microne-967807(18.11.23).
Or редакции Чертежи печатных плат находятся по адресу http://ftp.radio.ru/ pub/2024/01/fonar.zip на нашем FTP-сервере.