суббота, 1 ноября 2014 г.

Драйверы светодиодов трассерных хоп-апов.

Итак, как я уже угрожал, рассмотрим варианты питания светодиодной подсветки трассерных хоп-апов.


Начнём издалека, поэтому для начала чуть-чуть теории работы светодиодов.

Итак, светодиод - это как понятно из названия светящийся диод. То есть полупроводниковый прибор, который пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом, причем в зависимости от величины тока его светимость изменяется.
Ток через него можно пускать разный, а вот напряжение, которое при этом на нём будет всегда постоянно. Поэтому, если подключить к светодиоду батарею привода напрямую, то он сразу сгорит.

Светодиоды бывают разные, и нас интересуют конкретно один их "вид" - ультрафиолетовые светодиоды диаметром 3мм. Для них напряжение, которое падает на одном светодиоде равно примерно от 3 до 3.2 вольт. Номнальный ток - 20мА, максимальный - 30мА.

Соответственно, во многих случаях можно включать несколько светодиодов последовательно, получая таким образом эквивалент светодиода с бОльшим в несколько раз напряжением и тем же током в 20 мА. Чем-то напоминает последовательное соединение элементов питания в батарею.


Очень надеюсь, понятно объяснил. Осталось подключать светодиоды к батарее.

Токозадающий резистор.

 Для того, чтобы "погасить" или "потратить" разницу между напряжением батареи и напряжением необходимым этому "эквивалентному" светодиоду можно воспользоваться последовательно включенным резистором, номинал которого будет задавать ток через набор последовательно включенных светодиодов. 
Если светодиодов все равно не хватает, то ветки из резистора и диодов можно включать параллельно источнику питания в нужном количестве. Рассматривать в расчётах будем одну ветку.

Величина резистора при этом рассчитывается по закону Ома: R=(Uпит-N*Uдиода)/Iдиода.
Например, если у нас привод с LiFePo4 аккумуляторами из 3 ячеек, то максимальное напряжение на этой батарее 3*3,6в = 10,8в, а номинальное - 3*3,3в = 9,9в.

Если мы подключаем три светодиода с прямым падением напряжения от 3 до 3,2в, то получаем эквивалентное падение от 9 до 9,6в, то есть  нам остаётся погасить максимум (10,8-9)=1,8в и минимум (9,9-9,6)=0,3в... Какой-то большой разброс выходит, и это еще без учета просадки напряжения при стрельбе, падении напряжения при разряде и прочих факторах, так что запас не помешает, поэтому "урезаем осетра" и ставим 2 светодиода.

Итак, падение напряжения на светодиодах у нас теперь 6-6,4в, то есть гасить надо максимум (10,8-6)=4,8 в и минимум (9,9-6,4)=3,5 в. Уже терпимо. 
Определяем номинал резистора для минимального падения: R=U/I=3,5/0,020=175 Ом. Ближайший номинал резистора - 180 Ом, его и выбираем. Ток будет I=U/R=3,5/180=19,4мА
Осталось проверить ток в самом пессимистическом случае: I=U/R=4,8/175 = 26,7 мА. В пределах нормы.

Недостатком такой схемы является полная непригодность для практического использования, так как снижение напряжения на батарее (как постепенное со временем, так и под нагрузкой при стрельбе) будет резко снижать ток подсветки и он будет плавать.

Другая проблема связана с мотором: при отключении питания мотора, эта гадина возмущенно гонит короткую "волну" напряжения обратной полярности. Светодиоды не любят таких сюрпризов и быстро выходят из строя. Как защитная мера поможет установка последовательно со всей "осветительной" схемой защитного диода.  Чтобы он отъедал поменьше напряжения лучше всего поставить диод Шоттки (у него падение всего порядка 0,2 в).


Стабилизированный источник питания.

Есть такой хитры полупроводниковый прибор - стабилитрон. Если его включить последовательно с резистором, то на нем всегда (если включить правильно) будет одно и то же напряжение. Стабилитроны производятся с разными напряжениями, поэтому можно выбрать правильный под конкретное применение.

Схема включения немного преобразуется.

Теперь резистор Rcт задает общий ток схемы, а R1..RN токи цепочек светодиодов.
При расчёте нужно выбрать стабилитрон с подходящим напряжением и резисторы к нему.

Если взять другой распространенный тип аккумулятора - LiPo из двух пластин, то мы имеем от 8,4 в полностью заряженном, до 6,4 в в полностью разряженном состоянии. Выбираем стабилитрон с запасом - на 5,1в (очень распространенный номинал), там ведь еще защитный диод Шоттки стоит.

Тогда светодиоды будут стоять по одному в каждой ветке, и номинал задающего ток резистора будет R=U/I=(5-3,3)/0,02=85 Ом, в самом пессимистичном случае ток через диоды будет I=U/R=(5-3)/85=23мА, то есть вообще всё шикарно.

Резистор при стабилитроне Rст должен обеспечивать падение напряжения с 6,4 до 5в при токе, достаточном для всех цепочек + некоторый запас (возьмем 3%). При бОльшем напряжении стабилитрон "съест" лишний ток.
Считаем, что у нас два светодиода, как на схеме. R=U/I=(6,4-5)/(2*23*1,03)=29,5 Ом. Можно попробовать взять 27 Ом.

У этой схемы также есть потенциал к улучшению. При стрельбе напряжение на аккумуляторе не просто проседает, оно еще и плавает, поэтому в реальности придется не только уменьшить номинал этого резистора в два-три раза (в идеале хорошо бы проконтролировать это дело приборами), но и добавить сглаживающий конденсатор на несколько микрофарад.

Стабилизированный стабилизатором источник.

Стабилитрон можно заменить интегральным стабилизатором. Например, LM7805 или еще лучше - reg1117-5 (оба с выходным напряжением 5в). Расчёт цепочек останется прежним, а вот диапазон входных значений расширится. Без внесения изменений можно будет использовать этот драйвер и с Li-Po из двух банок, и с LiFePo4 из четырех банок.


Защитный диод, кстати сказать, не даст разряжать конденсатор мотору.
Вполне могу рекомендовать данную схему к повторению. Вот фотография модуля на подсветку трех светодиодов. Стоит reg1117-5 (производства ON Semiconductor), керамический конденсатор на 4,7мкФ, резисторы на 85-100 Ом и в качестве защитного - диод 1n4148 в SMD исполнении.


Драйвер с источниками тока.

Не так давно наткнулся у продавца светодиодов на Ростовском радиорынке на интересные источники тока 20мА в корпусе как у мелких SMD диодов. В их случае драйвер "вырождается" вот в такой лаконичный шедевр. Драйверы зовут NSI45020A.

Для драйвера на три светодиода получаем аж целых 4 детали на плате: три драйвера и защитный диод, все размером примерно 1x2 миллиметра. Буду делать плату - добавлю фото процесса.