Svítilna s 2,5W bílou LED

      22.4.2009 První LED vyzařující viditelné (červené) světlo na bázi materiálu GaAsP byla vyrobena roku 1962 v USA. Tyto LED měly sice extrémně mizernou účinnost, avšak větší spolehlivost a životnost a menší spotřebu, takže se začaly používat jako přístrojové indikační prvky místo žároviček. Tehdá nikoho nenapadlo, že bychom si jednou mohli LEDkami běžně svítit. V 70-tých letech se také objevily první kapesní kalkulátory HP a Texas Instruments vybavené LED displejem. Protože svítivost byla velmi malá, každý segment displeje byl složen z řady několika LED čipů. Na přímém slunci nebylo na takovém displeji nic vidět. Nicméně oproti digitronům a itronům to byl pokrok v rozměrech a spotřebě. Navíc nízké provozní napětí LED (u červené asi 1,8 V) lépe vyhovovalo číslicovým integrovaným obvodům.
      Koncem 70-tých let se do výroby LED pustil i náš národní podnik TESLA Rožnov, jehož výplodem byla legendární červená LEDka LQ 100 s úžasnou max. svítivostí 0,8 mCd při proudu 20 mA za úžasnou cenu asi 60 Kčs. Teprve v roce 1993 se začaly objevovat první vysokosvítivé LED na bázi materiálu InGaN, s kterým bylo možno dosáhnout modré barvy. První bílá LED s luminoforem byla vyrobena v roce 1995. Vlnová délka vyzařovaného světla LED je dána víceméně šířkou zakázaného pásu použitého polovodičového materiálu, přičemž spektrum je poměrné úzké: 10 - 30 nm. Pro bílé světlo ale potřebujeme rovnoměrné rozložení výkonu v celém viditelném spektru. Jedna možnost, jak získat bílou, je smíchání základních barevných světel RGB ze 3 LED čipů. Výhoda je, že nastavením různého poměru proudů lze získat prakticky libovolnou barvu. Druhá možnost je konverze vlnové délky pomocí luminoforu. Používá se buď modrá LED, která budí žlutý luminofor, jehož žluté světlo se mísí s modrou nebo se používá UV LED a bílý luminofor podobně jako to funguje u zářivek.
      Před pár lety se u nás začaly objevovat extrémně svítivé bílé Luxeon LED s příkonem několik wattů. Ty byly (a pořád jsou) dosti drahé. Nedávno jsem však objevil v GME čínský klon LED STAR2,5 WHITE firmy Hebei IT za celkem rozumnou cenu 79,- Kč. Udávaná max. svítivost je 120 lm při příkonu 2,5 W (3,6 V, 700 mA). Jsou k dispozici dvě varianty s různou teplotou chromatičnosti: teplá bílá 2500 - 3600 K a studená bílá 6500 - 8000 K. Tyto LED vyzařují světlo do širokého prostorového úhlu neboť mají Lambertovu vyzařovací charakteristiku (intenzita při odklonu od osy klesá s cosinem úhlu). Pokud požadujeme menší vyzařovací úhel, lze použít reflektorek, či spíše světlovod z plexi s čočkami.

LED STAR2,5 WHITE

      Zde je pro srovnání účinnost běžně používaných světelných zdrojů:

klasická žárovka 10 - 18 lm/W
halogenová žárovka 20 - 25 lm/W
kompaktní úsporná zářivka 40 - 60 lm/W
lineární zářivka 60 - 90 lm/W
vysokotlaká sodíková výbojka 80 - 150 lm/W
nízkotlaká sodíková výbojka 150 - 250 lm/W

Teoretické maximum je 683 lm/W (100%). Běžně dostupné vysokosvítivé bílé LED dosahují 40 - 80 lm/W a už existují laboratorní prototypy s účinností přes 150 lm/W. Zde se můžete podívat, jak svítí taková 100W bílá LED (cluster složený ze stovky 1W čipů).
      Maximální účinnosti však LED dosahují jen v určitém optimálním rozmezí propustného proudu, což zrovna nebývá při dovoleném maximu, ale o něco méně. Zkusil jsem tedy odměřit závislost relativní účinnosti na propustném proudu. LED jsem zavřel do papírové krabice a proti ní namířil fototranzistor, jehož proud by měl být přímo úměrný světelnému toku. LED jsem napájel z regulovatelného zdroje a měřil propustný proud a úbytek napětí na ní a dále proud fototranzistorem napájeným z 12 V přes odpor 330 Ω.

If [mA]Uf [V]Is [µA]Pd [mW]η [µA/mW]η [lm/W]
12,430,72,40,297,4
102,5526,325,51,0326,6
202,6070,052,01,3534,7
502,70227,4135,01,6843,5
1002,79537,0 279,01,9249,7
2002,981230,0596,02,0653,3
2503,041590,0760,02,0954,0
3003,131930,0939,02,0653,0
3503,192330,01116,52,0953,9
4003,252680,01300,02,0653,2
4503,313070,01489,52,0653,2
5003,383380,01690,02,0051,6
5503,433750,01886,51,9951,3
6003,494030,02094,01,9249,7
6503,544310,02301,01,8748,3
7003,604650,02520,01,8547,6


V-A charakteristika bílé LED S12N3W6C 2,5W
V-A charakteristika bílé LED 2,5W


závislost příkonu Pd a snímacího proudu Is na propustném proudu If
P charakteristika bílé LED 2,5W


závislost účinnosti η na propustném proudu If
účinnost bílé LED 2,5W v závislosti na proudu

      Za předpokladu, že max. světelný tok je 120 lm při příkonu 2,5 W, jsem přepočítal relativní účinnost z µA/mW na lm/W. Jak je vidět z grafu výše, nejvyšší účinnosti LED dosahuje při proudu 200 - 400 mA, pokles při větších proudech ale není nijak dramatický. Při maximálním dovoleném proudu 700 mA není ztrátový výkon LED zrovna zanedbatelný a je potřeba ji řádně chladit (teplota čipu by neměla přesáhnout 80°C). Umístil jsem ji tedy na hliníkový chladič o rozměrech 3 x 3 x 2 cm a i tak to dost topí.
      Pro napájení této LED jsem vybral Li-Ion akumulátor NB-2LH 7,4 V / 750 mAh, který používám v digitální zrcadlovce Canon EOS 350D a mám na něj tedy i originální nabíječku. Vzhledem k poměrně velkému pracovnímu proudu mi přijde výhodnější použít vyšší napětí a snižující měnič než nižší napětí a zvyšující měnič. Zatímco u běžných LED stačí zařadit do série předřadný odpor, u výkonových LED by to znamenalo nepřijatelné plýtvání energií a špatnou stabilitu pracovního proudu (s ohřátím čipu se mění úbytek napětí na LED a tím i proud). Řada výrobců polovodičových součástek (zejména Maxim a National Semiconductors) dnes nabízí specializované integrované obvody - proudové spínané zdroje pro buzení 1 či více LED v sérii (případně několika sériových větví). Tyto obvody dosahují účinnosti 80 - 90%, stabilizují proud a obvykle umožňují i jeho regulaci analogovým nebo digitálním (PWM, I2C, atd.) vstupem. Pro jednoduchost a požadované vstupní napětí a proud jsem si vybral obvod LM3405, který dodá až 1 A výstupního proudu, pracuje na vysoké frekvenci 1,6 MHz (z toho plyne malá cívka a kondenzátory), má integrovaný spínací N-FET a digitální PWM vstup/enable pro řízení proudu. Použil jsem základní katalogové zapojení (R4 slouží pro nastavení max. proudu a jako snímací bočník pro spínaný regulátor):

LM3405 white LED driver-schema v1.2

      Vzorek LM3405 mi nakonec dorazil v pouzdru MSOP8 s roztečí pinů 0,65 mm místo očekávaného SOT23. Tišťáček o rozměrech 14 x 23 mm jsem si nechal vyrobit v Pragoboardu jako přílepek spolu s další zakázkou. Snímací odpor R4 jsem musel poskládat ze 4 SMD odporů (3x 1 Ω a 2,4 Ω). Obvod pracoval bez problémů na první zapnutí. Později jsem ještě obvod doplnil podpěťovou ochranou baterie (D1, R1, C2). Samotný obvod sice má UVLO, ale to vypíná až někde kolem 3 V. Přitom Li-Ion akumulátor by se neměl nikdy vybíjet pod asi 2,8 V na článek. Dělič D1 - R1 přivádí napětí baterie na vstup enable tak, že při poklesu napětí pod 5,9 V se obvod vypne a při napětí nad 6,1 V se znovu zapne (vstup má hysterezi). UPDATE: Zjistil jsem, že použitý akupack NB-2LH má v sobě integrovanou elektroniku, která odpojuje výstup při nadproudu a při poklesu napětí baterie pod asi 4,9V, takže výše zmiňovaná ochrana z D1, C2 není potřeba. Pokud interní ochrana vypne, lze ji vyresetovat krátkým připojením akupaku ke zdroji napětí (k nabíječce). Vstup EN lze použít k připojení vypínače, neměl by však zůstat plavat ve vzduchu, proto je zde odpor R1. Nebo může být trvale připojen na VIN.

LED driver s LM3405

      Maximální účinnost měniče jsem naměřil 83,78% při vstupním napětí 4,6 V (minimální napětí, při kterém ještě měnič udržel nastavený proud LEDkou 0,7 A). Pro předpokládané provozní napětí 6 - 8 V se pak účinnost pohybuje 81,1 - 82,3%. Není to žádný zázrak, což přikládám na vrub internímu MOSFETu s Rdson ~ 0,3 Ω a také citlivost vstupu pro zpětnou vazbu není zrovna velká (nutno použít relativně velký snímací odpor). Je to holt daň za nízkou cenu a obvodovou jednoduchost. Pokud by si chtěl někdo postavit účinnější měnič, může zkusit obvod MAX16819, ke kterému se připojuje externí MOSFET.

Uin [V]Iin [A]Uf [V]If [A]Pin [W]Pout [W]Ploss [W]η [%]
4,60,6433,540,702,962,480,4883,78
5,00,5963,540,702,982,480,5083,15
6,00,5023,540,703,012,480,5382,27
7,00,4333,540,703,032,480,5581,76
8,00,3823,540,703,062,480,5881,09
9,00,3433,540,703,092,480,6180,27
10,00,3103,540,703,102,480,6279,94
11,00,2843,540,703,122,480,6579,32
12,00,2633,540,703,162,480,6878,52
13,00,2453,540,703,192,480,7177,80
14,00,2283,540,703,192,480,7177,63
15,00,2153,530,703,232,470,7576,62
16,00,2043,530,703,262,470,7975,70
17,00,1943,530,703,302,470,8374,92
18,00,1853,530,703,332,470,8674,20
19,00,1783,530,703,382,470,9173,06
20,00,1713,530,703,422,470,9572,25


účinnost spínaného proudového regulátoru s IO LM3405
účinnost spínaného proudového regulátoru LM3405

Porovnání svítivosti 10W halogenky a 2,5W LED:

10W halogen vs 2.5W LED 10W halogen vs 2.5W LED

      4.10.2009 Protože samotná LED s klubkem drátů okolo není prakticky moc použitelná, rozhodl jsem se vyrobit si vlastní LED-svítilnu. A to ne ledajakou, pěkně do extrémních podmínek, aby vydržela hrubší zacházení včetně vody. Jako základ jsem ve Feroně koupil kousek duralové trubky o co nejmenším průměru, tak aby se tam ještě vešel akumulátor. Nebylo to zrovna levné, metr stál asi 560 Kč, ale naštěstí vám tam odříznou kousek na míru. Dále jsem ve sběrných surovinách vybufetil duralový váleček vhodného průměru na výrobu zadního víčka a nosné přepážky pro LED. Dural jsem zvolil proto, že je relativně lehký, má dobrou tepelnou vodivost, nekoroduje a snadno se opracovává (je však tvrdší než čistý hliník).
LED baterka-výkres
      Kamarád Michal mi pak na soustruhu trubku precizně obrobil a z válečku vytočil víčko s přepážkou podle nákresu výše. Doma jsem na stojanovce vyvrtal potřebné díry, vyřezal závity a sešrouboval to. LEDku jsem předtím zespoda máznul teplovodivou pastou. Když jsem ji nechal hodinu zkušebně svítit, tak se celá trubka ohřála asi na 40°C, což považuji za úspěšné chlazení. Na LEDku jsem zepředu nasadil 8° reflektorek pro Luxeonky z GMu. Akumulátor je na svém místě držen pomocí vodorovné přepážky z 2mm plexiskla, kterou jsem do trubky přilepil epoxidem UHU Plus 300 kg. Při lepení jsem na to funěl z horkovzdušné pistole, aby to rychleji vytvrdlo a spoj byl pevnější. V této přepážce jsou dva podlouhlé 5mm otvory pro kontaktní pera z relé (také přilepená), jenž dosedají na kontaktní plošky akumulátoru. Aby bylo možno akumulátor nabíjet přímo v baterce, vlepil jsem do otvoru v zadním víčku nabíjecí konektor (2 x 2 piny v rastru 2,54 mm, jaké se používají třeba v precizních paticích na integrované obvody), který se zasune do dalšího konektoru přilepeného shora na přepážce, čímž se eliminuje propojovací kablík. Takto to zatím vypadá:

LED baterka-díly

      Nyní si lámu hlavu nad zdánlivě banální věcí - jak vyřešit vypínač, ale vodotěsný. Žádný vhodný jsem totiž v obchodech nenašel. Pohrávám si i s myšlenkou využít jazýčkové relé a malý neodymový magnet, jenže to bych pro něj potřeboval od někoho vyfrézovat na boku trubky drážku nebo jak jinak magnet na povrchu uchytit... Další legrace bude čelní sklíčko, pokud se nevzdám požadavku na snadno rozebiratelný spoj.

      18.6.2010 Protože jsem žádný malý vodotěsný vypínač nesehnal, rozhodl jsem se pro původní nápad s magnetem a jazýčkovým relé. Malý, avšak silný neodymový magnet o rozměrech 5 x 5,5 x 2 mm jsem vykuchal ze staré DVD-RW mechaniky, kde sloužil spolu s cívkami k pohybu čočky (ostření) v optické hlavě. Kamarád Tomáš mi pak pro magnet vyfrézoval podélně na boku trubky drážku 5,1 x 22 mm o hloubce 1,5 mm. Aby magnet v drážce držel, přilepil jsem epoxidem na dno obou konců ocelové planžetky 5 x 5 mm vystřižené ze žiletky. Magnet na nich pěkně drží a přitom ho lze poměrně lehkým pohybem prstu dopředu a dozadu přecvaknout z jednoho konce na druhý. Na vnitřní stranu trubky jsem pak epoxidem přilepil plastovou trubičku držící jazýčkové relé tak, aby při poloze magnetu v přední části bylo sepnuté a v zadní části rozepnuté.

LED baterka-komplet

      13.9.2010 Pro zvýšení mechanické odolnosti hliníkového povrchu jsem se rozhodl vyzkoušet proces eloxování. Nikdy jsem to předtím nezkoušel a tak se první pokus (zatím jen na víčku) neobešel bez problémů. Napodruhé to už vyšlo dobře, takže zkusím eloxovat celou trubku.

      21.9.2010 Dnes se mi přihodila s LED baterkou taková nepříjemnost, že jsem jí zapnul a už nešla potvora vypnout, ani lehkou domluvou poklepem. Jak jsem zjistil při pitvě, došlo ke spečení kontaktů jazýčkového relé (asi po 200 cyklech). Naivně jsem si myslel, že pro něj nějakých 0,5 A nebude problém. Zřejmě tomu také napomohl 10µF kondenzátor na vstupu, do kterého tekly impulsní proudy řádově vyšších hodnot. Holt chybička, školácká... Naštěstí použitý obvod měniče LM3405 má ovládací vstup enable (pin 8), takže řešení bylo jednoduché. Vyměnil jsem jazýčkové relé za nové, tantalový kondenzátor 10 µF za keramický (má menší svod) a předrátoval napájení přímo na baterku a relátko na enable pin. Ve vypnutém stavu jsem naměřil odběr 0,1 - 0,2 µA, což je sice více, než by měl obvod žrát podle datasheetu, ale není to žádná katastrofa.
      Pak mi také zrovna náhodou při manipulaci odešla elektronika v Li-Ion akupaku NB-2LH. Na výstupu sice dával správné napětí, ale při zatížení odporem okamžitě spadlo skoro na nulu a po připojení na nabíječku zas dovnitř netekl skoro žádný proud. Bylo jasné, že po pár cyklech nemohly odejít samotné články, ale že je něco špatně v ochranné elektronice. Pack jsem musel rozříznout lámacím nožem, protože plastové díly byly pevně slepené. Vevnitř jsem našel 2 válcové Li-Ion články a malý plošňák s elektronikou. Abych se dostal na součástky, musel jsem odpájet 6 páskových přívodů. Na destičce je výkonový MOSFET, nějaký řídicí obvod a pár pasiv. A hlavně SMD tavná pojistka F1, která byla pochopitelně přerušená. Tak mi nějak uniká smysl této protizkratové ochrany, když se nakonec spálí blbá pojistka. Takže jsem se s tím nemazal a proklemoval to drátkem, složil, slepil a jede se vesele dál...

NB-2LH akupack inside, blown fuse

      24.10.2010 Abych mohl LED baterku pohodlně nosit s sebou, ušil jsem si pro ni kožené pouzdro na opasek. Naproti stanici metra Florenc přes ulici Sokolovská je malý krámek pro kutily, kde lze za pár korun koupit různé odřezky kůže. Vybral jsem si kousek asi 1,5 mm tlusté černé teletiny, vyřízl z něj rozvinutý plášť s víčkem a poutkem a sešil k sobě. Padne tam jak ulitá. Teď ještě vymyslet nějaký držák na kolo. Také jsem otestoval v reálu výdrž akumulátoru. Baterka vydržela svítit 77 minut. Během provozu napětí pokleslo z 8,3 V na prázdno na 5,2 V. Podle výpočtu uvažujícího reálnou účinnost měniče 82% by měla být výdrž při udávané energii 5,6 Wh asi 110 minut. Zřejmě už není akumulátor zcela ve formě. Možná za to může skladování, které jsem moc nehlídal. Správně by se totiž měly Li-Ion akumulátory dlouhodobě uchovávat nabité asi na 50% kapacity, nikoliv naplno a spíše v chladnu.

kožené pouzdro na LED baterku

      21.11.2010 Držák na kolo jsem nakonec vyřešil docela jednoduše pomocí 2 kovových úchytek na trubky z Bauhausu spojených kouskem měděné pásoviny (úchytky mají na sobě navařené matice M8, za které je lze přišroubovat), kterou jsem ohnul do potřebného úhlu, aby světlo svítilo dopředu na cestu. Večer za tmy jsem pak vyrazil na projížďku do lesa abych světlo vyzkoušel a úroveň osvětlení mi přišla více než dostatečná. Mnohem lepší, než když jsem si jednou cestou z hospody musel kousek přes les svítit mobilem ;)

držák na kolo pro LED baterku

      10.12.2010 LEDky se stále vyvíjí a výrobci se předhánějí v účinnosti. Prý už bylo dosaženo 160 lm/W. Zkusil jsem tedy pohledat nějakou cenově dostupnou alternativu stávající bíle LED s vyšší účinností. Na www.dealextreme.com je docela solidní výběr. Nakonec jsem si vybral typ S42182H od Seoul Semiconductors, který ale na DE neměli. Při objednávání z www.ledmoduly.cz se ukázalo, že také nemají verzi H, kterou v e-shopu nabízejí, ale jen T1 s nižším světelným tokem 70 - 80 lm @350 mA a barevnou teplotou 4500 K. Ve značení LED je docela bordel, výrobce udělá várku konkrétního typu, která se dále podle měření světelného toku třídí do několika skupin označených příponou. Toto značení však nikde na LED modulu není napsané, takže vám může kdokoliv prodat cokoliv.

Seoul Semiconductors S42182-T1 3,2W LED

      Nakonec jsem se rozhodl tuto LED vyzkoušet. Objednávka proběhla hladce, dokonce mi prodejce vyšel vstříc a nemusel jsem platit drahou dobírku při platbě převodem. Když jsem LED vybalil, všiml jsem si hned ostrých otřepů na okrajích ražené hliníkové základny. Prý to má na svědomí nějaká česká firma, která zde moduly kompletuje. K nápravě postačilo pár tahů pilníkem, aby LEDka pěkně dosedla na chladič. Nejprve jsem provedl relativní porovnání svítivosti pomocí digitálního foťáku:

S42182-T1 vs S12N3W6C color comparison
S42182-T1 vs S12N3W6C monochrom comparison
pro plnou velikost klikni

Jak je vidět, nová LEDka svítí víc, ale má taky výrazně vyšší barevnou teplotu. Podlé této tabulky mi vyšlo 7900 K o proti 5100 K u staré LED. Subjektivně mi je příjemnější teplejší světlo, které více připomíná žárovku, ale lidské oko je docela přizpůsobivé. Dále jsem změřil V-A charakteristiku a účinnost. Citlivost fotodetektoru jsem si zkalibroval podle staré LED, aby měření bylo porovnatelné.

If [mA]Uf [V]Is [µA]Pd [mW]η [µA/mW]η [lm/W]
12,520,82,50,328,2
102,6531,026,51,1730,2
202,7288,054,41,6241,7
502,80284,0140,02,0352,4
1002,91698,0 291,02,4061,9
2003,061593,0612,02,6067,2
2503,122149,0780,02,7671,1
3003,182646,0954,02,7771,6
3503,233228,01130,52,8673,7
4003,283862,01312,02,9476,0
4503,324427,01494,02,9676,5
5003,355020,01675,03,0077,3
5503,385622,01859,03,0278,0
6003,416190,02046,03,0378,1
6503,446701,02236,03,0077,3
7003,467184,02422,02,9776,5
7503,497865,02617,03,0077,5
8003,528347,02816,02,9677,5


V-A charakteristika bílé LED S42182-T1 3,2W
V-A charakteristika bílé LED S42182-T1 3,2W


závislost účinnosti η na propustném proudu If
účinnost bílé LED 3,2W v závislosti na proudu

      Jak je vidět, tato LED je optimalizovaná pro větší proudy, maximální účinnost dosahuje kolem 600 mA, zatímco stará LED při 250 mA. Při nastaveném proudu 700 mA dá nová LED o 54% větší světelný tok a příkon se sníží asi o 4% díky menšímu úbytku Uf, takže jsem ji nakonec vyměnil.

      21.12.2010 Po výměně LED jsem se rozhodl předek baterky definitivně zadeklovat. Provizorní polykarbonátové kolečko (vyříznuté lupenkou z dummy CD) jsem nahradil sklíčkem tloušťky 2 mm, které mi ochotně a na počkání za 10 korun vykrouhli ve Sklenářství Stupka, Truhlářská 14. Nechal jsem mu v průměru pár desetin mm vůli, aby díky různé teplotní roztažnosti neprasklo a přilepil ho transparentním lepidlem na sklo UHU glas, které si zachovává určitou elasticitu, aby nevznikala pnutí. Toto lepidlo se vytvrzuje pomocí měkkého UV záření. Stačilo by i sluníčko, ale teď v zimě ho moc není, takže jsem mu pomohl malou 6W UV zářivkou (tuhnutí se dostaví asi do minuty).

vytvrzování lepidla UHU glas UV zářivkou

      19.11.2013 Po 3 letech provozu začala výrazně klesat kapacita akumulátoru a doba svitu se zkrátila na pouhých 30 minut. Rozhodl jsem se tedy koupit nový akupack NB-2LH 7,4 V / 1000 mAh z čínského DealExtreme. Cena 10,50 $ (asi 180 Kč) je lákavá a hodnocení dobré. Po druhém nabití jsem naměřil dobu plného svitu 90 minut, což odpovídá reálné kapacitě zhruba 650 mAh.


Nový měnič s TPS92512 + PWM modulátor

      27.7.2019 Díky chvilkové nepozornosti při nabíjení se mi podařilo přepólovat a odpálit měnič v LED baterce, zrovna když jsem se chystal na delší cestu. Bohužel jsem už neměl v zásobě žádný obvod LM3405 a tak jsem měnič nemohl opravit. Po návratu z cesty se mi to rozleželo v hlavě a rozhodl jsem se postavit nový měnič s obvodem TPS92512, jehož vzorky se mi už léta povalovaly v šuplíku. Jedná se o klasický step-down (buck) měnič s proudovou zpětnou vazbou. Vstupní napětí může být v rozsahu 4,5 - 42 V a výstupní proud až 2,5 A. Má v sobě integrovaný N-FET s Rdson = 0,2 Ω a je potřeba externí schottky dioda. Práh UVLO jsem nastavil odporovým děličem R1, R5 na 5,8 V a pracovní frekvenci odporem R8 na ~ 916 kHz.
      Tento obvod lze dimmovat jak analogově pinem IADJ (6) - tuto možnost zde nevyužívám, tak digitálně pomocí PWM na pinu PDIM (4), což zajišťuje malý MCU ATtiny13A. Ten zároveň monitoruje napájecí napětí baterky a při krátkém prudkém poklesu (kliknutí vypínačem) vyvolá cyklickou změnu střídy PWM podle naprogramovaného pořadí. Autonomní napájení MCU je přitom zajištěno po dobu cca 1 vteřiny z nabitého elytu C8 o kapacitě 220 µF odděleného od baterky diodou D2 (aby se hned nevybil zpět do měniče) přes lineární stabilizátor U2. MCU také hlídá dlouhodobý pokles napětí baterky a pokud klesne pod určitou úroveň, nedovolí nastavit max. jas (100% střídu) kvůli úspoře energie v tomto nouzovém režimu. Jelikož jsem chtěl co nejvíce minimalizovat odběr ve vypnutém stavu (LM3405 měl řádově menší Iq), odpínám celou elektroniku pomocí P-FETu Q1. Zároveň se tak šetří kontakt jazýčkového relé, které není namáháno proudovými nárazy, jako kdybych jím spínal napájení přímo do vstupní kapacity měniče. Max. proud LED jsem nastavil opět na 700 mA pomocí paralelní kombinace odporů 0,15 Ω || 1 Ω || 1,5 Ω Referenční napětí na pinu Isense (7) je dané jako 1/6 napětí na pinu IADJ (6), v mém případě je dle doporučení v datasheetu připojený na pin RT/CLK (5), kde je napětí 500 mV a dostávám tak 500/6 = 83,3 mV. Návrh desky jsem poslal v panelizaci s dalšími čtyřmi plošňáky (do velikosti 10 x 10 cm) opět prověřenému Číňanovi JLCPCB, kde mě to i s pomalou dopravou vyšlo na 220 Kč za 5 ks desek.

schéma step-down měniče pro LED s TPS92512 PCB step-down měniče pro LED s TPS92512-top side PCB step-down měniče pro LED s TPS92512-bottom side
schéma PCB top PCB bottom

      3.9.2019 Plošňáky byly vyrobené za 2 dny a doputovaly za 2 týdny (z toho 5-6 dnů hnily někde na poště v ČR). Panel jsem rozřezal na jednotlivé destičky brusným kotoučkem pomocí ruční frézky, zapiloval okraje a pustil se do osazování SMDéček. Jako tlumivku jsem použil poněkud předimenzovanou WE744066100 od Wurthu na 3,6 A, neboť jsem je měl v zásobě, jinak by zde vyhověla i menší tlumivka. Měnič pracoval spolehlivě na první zapnutí. Změřil jsem jeho účinnost v rozsahu vstupního napětí 5,5 - 10 V, která se pohybovala od 87 do 84%, což je o 5% lepší výsledek o proti původnímu měniči s LM3405. Při měření jsem však použil jinou LEDku Cree XP-G2, která má nižší Uf.

vyrobené panelizované PCB osazený PCB měniče průběh napětí (PWM) na spínacím uzlu TPS92512 @8Vin
vyrobené PCB osazený PCB napětí na pinu 10


Uin [V]Iin [A]Uf [V]If [A]Pin [W]Pout [W]Ploss [W]η [%]
5,50,4272,930,702,352,050,3087,33
6,00,3932,930,702,362,050,3186,98
7,00,3392,930,702,372,050,3286,43
8,00,3002,930,702,402,050,3585,46
9,00,2692,930,702,422,050,3784,72
10,00,2452,930,702,452,050,4083,71


účinnost spínaného proudového regulátoru s IO TPS92512
účinnost spínaného proudového regulátoru TPS92512

      13.9.2019 Firmware pro MCU ATtiny13A je poměrně jednoduchý a napsal jsem ho v C za 1 večer. Obsahuje 2 obsluhy přerušení od 8-bitového časovače TC0 pro generování PWMky s periodou 1,7 ms (586 Hz), neboť nepoužívám HW PWM kanál, který jsem zapomněl na pinu OC0A/OC0B (5/6). Při přetečení čítače jednoduše zapnu PWM výstup a při načítání požadované hodnoty v registru OCR0A ho zase vypnu. Hodnotu střídy vybírám indexem z tabulky o 3 prvcích, kde jsem zkusmo vybral hodnoty 255 (100% - plný jas), 50 (20% - střední jas) a 10 (4% - minimální jas). Program po startu inicializuje A/D převodník (používám vnitřní bandgap referenci 1,1 V) a spustí kontinuální měření napětí baterky. Pokud je pod nastaveným prahem (6,3 V), zablokuje se index 0 s max. střídou a nastaví se aktuální střída na 20%. Pak se inicializuje časovač TC0, povolí globální přerušení (rozběhne se generování PWM a rozsvítí se LEDka) a program pokračuje v nekonečné smyčce. V ní se periodicky kontroluje napětí baterky a pokud dojde k poklesu pod nastavenou dolní úroveň (4,6 V), čeká se na náběh napětí nad nastavenou horní úroveň (5,6 V). Pokud je kliknutí vypínačem dostatečně krátké, MCU neprojde resetem a po náběhu napětí posune index střídy PWM na další krok (nastaví novou hodnotu do registru OCR0A) a tak pořád dokola. Pokud MCU projde resetem, nahodí zpět max. jas. Zároveň se kontroluje dlouhodobý pokles napětí a pokud je déle než 3 s pod prahovou hodnotou (6,3 V), tak se opět zablokuje index 0 s max. jasem. To by mělo zabránit, aby baterka neočekávaně úplně nezhasla.
      Při ladění programu jsem potřeboval nějak zkontrolovat hodnotu napětí měřenou A/D převodníkem a tak jsem si napsal vysílací funkci SW UARTu (tento MCU nemá HW UART). Využil jsem k tomu pinu PB.1/MISO, který na 1200 baudech časuju jednoduchou čekací smyčkou (vypočtená doba trvání bitu je 833 µs, po odečtení režie volání funkce a nastavení pinu 21 µs jsem delay zkrátil na 812 µs, tak aby to podle osciloskopu sedělo) a kupodivu to celkem dobře funguje i při časování interním RC oscilátorem. Posílám binárně 3 Byte (1 Byte s hodnotou indexu PWM a 2 Byte s hodnotou napětí). Ve finálním buildu jsem pak tuto funkci vypnul.
      Níže na 1. oscilogramu je vidět pokles napájecího napětí na vstupu měniče při vypnutí a opožděný pokles napájecího napětí MCU za stabilizátorem. Na 2. oscilogramu je náběh napájecího napětí po zapnutí a PWMka přímo na anodě LEDky, která jede napřed na max. střídu a pak se přepne na min. střídu. Na 3. oscilogramu je pokles napájení při krátkém kliknutí vypínačem (cca 230 ms) a následná změna PWM výstupu z MCU na 20% střídu, totéž pak v detailu na 4. oscilogramu. Baterku jsem složil a otestoval v terénu, funguje to dobře. Mám ale v plánu upgrade LEDky a Li-Ion aku, takže se v tom ještě budu vrtat...

poklesy napětí Vinsw a 3V3_MCU po vypnutí náběh PWM po zapnutí na LEDce změna PWM při kliknutí tlačítkem změna PWM při kliknutí tlačítkem-zoom
poklesy Vinsw a 3V3 PWM po zapnutí změna PWM-click změna PWM-click

      15.10.2019 Z eBay mi dorazila nová 10W bílá LED Cree XM-L2 U3 (až 170 lm/W), 15° PMMA reflektorek a jednoduchý 2-článkový balancér. LEDku jsem požadoval s barevnou teplotou neutrální bílá (4500 - 5000 K), ale čínský prodejce besttool2019 mi poslal studenou bílou (přes 6000 K), která oproti mým ostatním LEDkám táhne viditelně do modra a to nemám rád. Takže jsem ji vyreklamoval a zkusil objednat u jiného prodejce focalmall, rovnou na měděné základně, tak uvidím, co přijde příště. U stávajícího Li-Ion akupacku NB-2LH jsem naměřil po letech kapacitu 588 mAh a tak jsem se rozhodl nahradit ho dvěma novými Li-Pol aku GEB713443 o kapacitě 1100 mAh (skutečnou kapacitu jsem naměřil u 1. článku 1228 mAh a uloženou energii 4,64 Wh, resp. 1317 mAh a 4,96 Wh u 2. článku).
      Abych je mohl rovnoměrně nabíjet přímo v LED baterce přes stávající 2-pólový konektor, připojil jsem k nim zmíněný balancér. Jeho destička o rozměrech 30 x 15 mm obsahuje 2 integrované obvody HYCON HY2213-BB3A v pouzdru SOT23-6, 2 N-FETy SLS2302 (SMD značení A2SHB, Uds = 20 V, Id = 2,1 A, Pd = 0,35 W, Rdson = 60 mΩ, Ugs = ±8 V), 2 výkonové balanční odpory 43 Ω, 2 malé odpory 100 Ω a 2 keramické kondenzátory (tvoří filtrační RC článek). Balanční proud je 100 mA. IO jednoduše hlídá napětí článků a pokud je překročena prahová úroveň 4,2 V, tak jeho výstup sepne N-FET, který k článku paralelně připojí balanční odpor. Nabíjecí proud pak teče tímto odporem vedle článku (pokud není větší než balanční proud) a prochází druhým článkem o nižším napětí. Pokud zas napětí článku klesne s malou hysterezí pod prahovou úroveň, N-FET se vypne, odpojí balanční odpor a proud začne znovu téct přes článek. Klidová spotřeba se pohybuje kolem 3 µA do napětí 8,2 V a pak se rychleji zvyšuje na cca 12 µA při 8,4 V, takže k samovybití by nemělo dojít dříve, než za 10 let. Funkci balancéru jsem otestoval na mezním případu, kdy jeden z článků byl plně nabitý (4,19 V) a druhý vybitý (3,40 V). Připojil jsem je k nabíječce s proudovým omezením na 100 mA, začal je nabíjet a sledoval napětí. Na nabitém článku se napětí drželo na 4,19 V a na vybitém článku napětí postupně rostlo. Destička se od topícího balančního odporu ohřála na celkem snesitelnou teplotu, kterou lze bez problémů udržet v ruce.

      20.10.2019 LED baterku jsem znovu otevřel a provedl výměnu akupacku NB-2LH za 2 Li-Polky, které jsem slepil oboustrannou páskou a přilepil k nim destičku balancéru ve smršťovací bužírce. Vešlo se to dovnitř tak akorát bez znatelné vůle. Pak jsem s plně nabitou baterkou provedl reálný test výdrže svícení: na plný jas svítila 3 hodiny a 10 minut, sníženým jasem na 20% s postupným slábnutím pak svítila ještě další cca 2,5 hodiny, koncové napětí bylo 5,39 V. To je dost výrazné zlepšení oproti původní 1 hodině a 17 minutám.

2-článkový balancér 2-článkový balancér s aku GEB713443 2-článkový balancér ve smršťovačce s aku GEB713443
2-článkový balancér balancér + GEB713443 připraveno na výměnu


Měření doby dosvitu LED

      27.6.2013 V diskusi u Danyka se jeden kolega ptal na použití bílé LED do stroboskopu a tak nějak vyvstala otázka, jakou mají vlastně bílé LED (využívající ke konverzi světla luminofor) dobu dosvitu. Jak známo u zářivek nebo CRT obrazovek není tato doba úplně zanedbatelná a při stroboskopii rychlých dějů by mohlo docházet k rozmazání obrazu. Ale v případě bílých LED nikdo netušil, ani jsem tento údaj nenalezl nikde v datasheetech, takže jsem to vzal jako zajímavou úlohu na změření. Vybral jsem 3 různé bílé LED: již dříve zmiňovanou Hebei IT LED STAR2,5 WHITE z GM, malou LED 5MM WHITE 13000, studenou bílou asi 1W GS101 a pro porovnání vysokosvítivou červenou čirou 5mm LED a 5mm IR LED z dálkového ovladače. Nakonec jsem ještě změřil klasickou autožárovku 5W / 24 V.
      Měřicí sestava byla jednoduchá: obdélníkovým signálem 10 kHz z DDS generátoru jsem krmil hradlo malého MOSFETu BS170 (Uds = 60 V, Id = 500 mA, Rdson = 2 Ω, Cg = 24 pF), který v drainu přes 22Ω odpor spínal LED. Jako detektor jsem použil fotodiodu ve zdrojovém režimu zatíženou odporem 10 kΩ a průběh měřil na osciloskopu. K mému překvapení jako nejpomalejší dopadla IR LED z dálkového ovladače s dosvitem asi 1,4 µs. Nicméně všechny LED byly schopné přenést i parazitní oscilace cca 24 MHz, ke kterým docházelo při vypínání MOSFETu. Žárovka se svojí setrvačností vlákna samozřejmě nemohla LEDkám konkurovat - při frekvenci 50 Hz během vypnuté půlperiody (10 ms) poklesl jas o 20%. Závěr je tedy takový, že bílé LED mají naprosto zanedbatelnou dobu dosvitu a jsou z tohoto hlediska pro stroboskop vhodné.

Hebei IT LED STAR2,5 WHITE decay 5mm RED LED decay 5mm IR RED decay 5W/24V bulb decay
Hebei IT LED STAR2,5 WHITE decay-zoom 5mm RED LED decay-zoom 5mm IR LED decay-zoom měřené LEDky a žárovka
LED STAR2,5 WHITE LED RED 5mm LED IR 5mm žárovka 5W/24V


Jednoduchý spektroskop s difrakční mřížkou z DVD

      23.5.2009 Abych zjistil, jak moc se podobá světlo bílé LED dennímu světlu nebo světlu žárovky, zkusil jsem si postavit jednoduchý spektroskop a porovnat spektra různých světelných zdrojů. Za zamyšlení stojí i možný vliv různých spektrálních složek světla na lidský organismus. K rozkladu světla do jednotlivých spektrálních složek lze použít optický hranol nebo difrakční mřížku. Čím kratší je vlnová délka, tím se světlo více láme. Já jsem použil jako difrakční mřížku kousek DVD disku, který má mřížkovou konstantu (vzdálenost sousedních stop) 0,8 µm. Inspiroval jsem se zde. Schematický náčrtek:

spektroskop-schematicky

spektroskop štěrbina

Světlo přichází zleva, projde úzkou štěrbinou, dopadá na mřížku, kde se rozkládá a odráží do oka pozorovatele nebo objektivu fotoaparátu. Jako tělo jsem použil 15cm odřezek tenkostěnné PVC roury o průměru 5 cm. Do trubky jsem vyvrtal 4mm díry pro osu nesoucí mřížku a plochým vrtákem jednu 20mm díru pro pozorovatele. Z pokaženého DVD jsem rozpáleným nožem vyřízl asi 2 cm širokou výseč. Za studena se to řezat nedá, protože se DVD rozlepí na 2 půlky, které drží slepené pouze za vnější a vnitřní okraj. Jako osičku jsem použil delší šroub M4, na jehož střední části jsem vybrousil na brusce rovnou plošku na kterou jsem vteřiňákem přilípnul výseč z DVD tak, že světlo dopadá kolmo na stopy. Víčka jsem provizorně vystříhl z tvrdého papíru. Vnitřek by bylo dobré natřít matnou černou barvou, aby se zamezilo nežádoucím odrazům, ale nemám ji zrovna po ruce. Štěrbinu jsem udělal ze dvou půlek žiletky přiložených k sobě břity. Čím je štěrbina užší, tím budou spektrální čáry ostřejší, ale méně jasné. Zvolil jsem na pokus štěrbinu šířky 0,5 mm a s výsledkem jsem celkem spokojen. Pak už jen stačí natočit mřížku pod vhodným úhlem a mělo by se objevit spektrum. Ihned jsem se pustil do zkoumání světelných zdrojů v okolí, fotil jsem Canon PowerShot A95 v makro režimu na manuál s následnou úpravou v PSP (ořez, zmenšení na výšku 1 pixel a roztažení na 80 pixelů, spektra nejsou ve stejném měřítku). Jak je dále vidět, tak bílá LED má krásně spojité spektrum jako denní světlo.

denní světlo
denní světlo

Hebei IT LED Star White 2,5 W S12N3W3C
Hebei IT LED Star White 2,5 W S12N3W3C

Seoul Semiconductors 3,2 W White LED S42182-T1
Seoul Semiconductors 3,2 W White LED S42182-T1

čínská vláknová LED žárovka 6 W
čínská vláknová LED "žárovka" 6 W

žárovka Tesla 60 W
žárovka Tesla 60 W

lineární bílá zářivka Philips TL-D 18W-33-640
lineární bílá zářivka Philips TL-D 18W-33-640

kompaktní zářivka Osram Dulux 24W-827
kompaktní zářivka Osram Dulux 24W-827

kompaktní zářivka BIAX F11BX-SPX27 11 W
kompaktní zářivka BIAX F11BX-SPX27 11 W

rtuťová výbojka bez luminoforu Tesla RVL 70W
rtuťová výbojka bez luminoforu Tesla RVL 70 W

vysokotlaká sodíková výbojka Tesla SHC 250 W
vysokotlaká sodíková výbojka Tesla SHC 250 W

neonová signální výbojka Tesla GR11.1-S
neonová signální výbojka Tesla GR11.1-S



Zpět

Aktualizováno 22.10.2019 v 3:37