Светодиодные фонари на литий-ионных аккумуляторах с бареттерными
стабилизаторами тока
Прошло 10 лет со времени появления белых
сверх ярких светодиодов. Технологии совершенствуются, к.п.д. растёт, спектр их
стал чистым белым и разной цветовой температуры по моделям. Мне попалась
пара люксеоновских белых светодиодов 1 Ватт и 5 Ватт и я решил сделать
фонарики с максимально возможным малым весом, большой яркостью и длительностью
свечения.
На рынке сейчас
можно купить недорогие литий-ионные аккумуляторы от сотовых телефонов непопулярных и устаревающих моделей на 0,5 - 1 А/Ч. Внутри корпуса у аккумуляторов есть встроенная защита от перезаряда выше 4,3В, разряда ниже
2,4В и короткого замыкания, что делает их использование безопасным в
самодельных конструкциях. По масса-габаритным характеристикам они вне
конкуренции с другими аккумуляторами. Саморазряд у них практически
отсутствует.
В продаже
есть не дорогие зарядки (прищепки) со встроенным контроллером для зарядки
литий-ионных аккумуляторов 0,5-1,5 а/ч на 220В и авто 12В. Зарядка литий-ионных аккумуляторов серьезная, их надо заряжать импульсами тока 0,2-0,4
от ёмкости и прекращать зарядку по достижении на них 4,3В. Зарядка тлеющим,
малым током не допустима, она резко сокращает количество циклов жизни и ёмкость
аккумуляторов. Зарядка большим током может вызвать взрыв, возгорание
металлического лития и выделение цианистого калия из электролита. По этому
применение самодельных зарядных устройств не желательно и опасно, да и нет
смысла делать сложную зарядку, если есть готовые за 50-100р.
Основная задача была в
получении стабильного тока через светодиод во всём диапазоне напряжений во
время разряда литий-ионного аккумулятора.
Дело в том, что напряжение на
светодиоде при разных токах незначительно меняется 3,5В при 1,2А и 3,2В при 0,2А
(для 5 ваттного) и 3,3В при 02А и 3В при 0,05А(для одноваттного). Т.е. это
практически стабилизатор напряжения. Напряжение же литий ионного аккумулятора
меняется от 4,2В до 3,4В на рабочем участке разряда (80% емкости). Аккумуляторы
могут отдавать ток до 2А, но в импульсном режиме. При постоянной нагрузке их
внутренние сопротивление и сопротивление ключей защиты начинает расти при
превышении 300-500ма. Так при 200ма внутренние сопротивление у них около 0.25
Ома, а при 1А 0.6 Ома и платка защиты аккумулятора начинает сильно греться.
Для 5 Ваттного светодиода пришлось использовать 4 аккумулятора, суммируя их через стабилизаторы тока –
бареттеры (лампочки)..
Попытка использования ШИМ регуляторов тока
потерпела неудачу в нескольких вариантах, слишком маленький перепад напряжения между светодиодом и аккумулятором 0.7 В вначале разряда и меньше 0.1В в конце. При таком перепаде напряжений не придумать ничего лучше старого доброго бареттера. К.п.д. такого регулятора составляет 80% в начале
разряда и стремится к 100% в конце разряда.
Это лучше любого ШИМ регулятора
при таком диапазоне перепада напряжений. В качестве бареттера была опробована лампочка
от фонаря на 1,2В - 0.3А. Её сопротивление менялось от 2,5
Ома при 0,7 В до 0,5 Ома при 0,1 В, Что позволило получить 20%
стабильность яркости свечения светодиода в течении большей части разряда
литий-ионного аккумулятора.
Ниже приведён график изменения
сопротивления лампочки 1,2В – 0,3А от напряжения на ней
Ниже приведён график работы фонаря на 5 Ваттном
светодиоде и 4х литий-ионных аккумуляторах по 0,9 А/Ч, с 4мя лампочками 1,2В-0,3А в качестве бареттеров.
На графике показано изменение свечения фонаря во времени до
двух кратного уменьшения яркости. Красная линия с лампочками бареттерами,
синяя с простыми резисторами 4шт. по 2,4 Ома. В примере использовались 5
Ватный светодиод, 4шт лампочки 1,2В-0.3А, 4шт. литий-ионных аккумулятора по
0.9 А/Ч. Начальный ток светодиода получился 1,1А Это 3,8Вт , что соответствует
участку максимального к.п.д. 5 Вт светодиода.
Как видно из графика, равномерное свечение фонаря
достигает 3х часов, а до 2х кратной потери яркости 4х часов. При отсутствии
стабилизации тока (с резисторами) яркость падает за 1ч40мин до 2х кратной
величины и затем фонарик долго «тлеет» на 30-20% яркости. В обоих случаях
применялись 4шт. по 0.9А/Ч аккумулятора это составило 3,6 А/Ч при начальном
токе светодиода 1,1А. Лампочки в режиме бареттера едва тлеют и о надёжности их
можно не беспокоится. Лампочки нужно применять простые вакуумные, галогенные и
криптоновые работают плохо..
Ниже
приведена схема фонаря с двумя градациями яркости.3,5Вт и 1 Вт. Время свечения до 2х кратной потери мощности при 3,5Вт – 4
часа, при 1 Вт – 15 часов. Заглушка служит для переключения из режима зарядки в режим
работы и герметизации зарядного разъёма.
Корпус выполнен из силумина и является радиатором светодиода,
при длительной работе разогревается до +40С. (как бы не хотелось облегчить его,
но тепло от светодиода надо куда то девать) Яркость этого фонаря приблизительно
равна фаре с 10-15Вт галогенной лампой. Вес фонаря со стеклянной линзой и
аккумуляторами 450гр.
Время зарядки от счетверённого устройства -8 часов
Направлять в
глаза такой фонарь нельзя!
Внешний вид.
Конструкция.
А вот ещё легкий -140гр герметичный налобный фонарь с
1 А/Ч литий-ионным аккумулятором и 1Вт светодиодом «люксеон». Время горения при
мощности 0.7Вт – 6 часов. Время заряда -10часов.
В качестве бареттера применена лампочка 1,5В – 0,2А. Фонарь
собран в корпусе от двух элементного (АА) лампового китайского фонарика. Сбоку привинчен мощный маленький магнит, позволяющий крепить
его на любой металлической конструкции.
Салмин М.А. rw6at@mail.ru
Краснодар. 2008
