Тюнинг и ремонт LED фонарей. Часть 1 (теория).

Первая часть про тюнинг и ремонт фонаря, вводная. Тут будут рассмотрены общее устройство среднестатистического фонаря, параметры мощных светодиодов и чуток нудной математики с ними связанные.

Итак, у вас есть светодиодный фонарик, но он сгорел или не устраивает по якости, или вы хотите его переделать в оружейный. Какие у вас есть варианты? Давайте разберёмся. 

Конструкция сферического фонаря в вакууме.

Подавляющее большинство фонарей состоят из следующих частей:

1. корпус - обычная трубка с резьбой на концах;
2. батарейка - живёт внутри корпуса;
3. торцевая кнопка - вкручивается в корпус на резьбе служит для включения фонаря. Иногда фонарь может комплектоваться вторым задником с выносной кнопкой;
4. головка фонаря - вкручивается в корпус, имеет защитное стекло впереди. Иногда эта деталь бывает разборной (как на фото, из двух частей), иногда нет;
5. светоизлучающий элемент - объединенный в один блок светодиод, формирователь пучка света, теплоотвод светодиода и драйвер светодиода. Иногда выпускается зацело с головкой фонаря.

Светоизлучающй элемент.

Эта самая сборка может быть разного исполнения. Очень распространены головки для фонаря Ultrafire WF-502B, они даже продаются разных видов, разной мощности, с кучей функций и т.п.
Например, на fasttech.com. Фонари с элементом этого типа хороши тем, что можно купить несколько модулей для разных задач и просто менять их.

Светодиод пока что оставим в покое, он заслуживает отдельного рассмотрения ниже, драйвер в принципе тоже, а вот оставшиеся детальки мы сейчас рассмотрим.

Формирователь пучка света бывает трех видов:

1. линза - самый простой и наименее эффективный вариант, так как в световой пучок собираются не всё излучение кристалла. Очень часто линзу можно перемещать, изменяя фокусировку пучка света, что является единственным плюсом данного решения.

2. коллиматор - деталь из прозрачного пластика, выполненная для получения пучка с заданными параметрами. Для этого коллиматор делается так, чтобы соответствовать определенной конструкцией линзы на светодиоде, поэтому поставить коллиматор от одного светодиода на светодиод другой конструкции не получится - параметры светового пучка будут другие.

3. отражатель - пришедшая от ламп накаливания конструкция, адаптированная под светодиод. Простая, надёжная и проверенная временем конструкция. Вообще, отражатель как и коллиматор оптимизируется под опреледенный светодиод, но с меньшей критичностью. На правом фото видно, что кристалл светодиода отражается всей площадью отражателя.

На практике замена светодиода вполне возможна, как и замена отражателя. Бывают как с гладкой поверхностью, дающей более жесткий луч, так и с бугристой, мне последний в помещениях понравился больше.

Теплоотвод, он же корпус,  к которому зачастую прикручивается отражатель и в который монтируется драйвер светодиода. Обычно, рассчитан на установку светодиода на подложке - алюминиевой пластине, к которой припаивается светодиод. На фото показаны все механические компоненты модуля. Слева направо: отражатель, теплоотвод, пружина для отрицательного вывода (контачит с корпусом фонарика) и пружинка для положительного вывода (контачит с плюсом батарейки). Последняя пружинка припаивается к плате драйвера светодиода.

Параметры светодиодов.

Главным параметром с точки зрения качества освещения являются спектр излучения и яркость. Как уже говорилось, конструктивно это определяется качеством и хитростями люминофора. Увы, этот параметр может очень сильно отличаться даже для разных серий одного производителя. А уж что там намазывает дядюшка Ляо в своём подвале не знает даже сам Ляо. Дешевенькие фонари на сотню с гаком люмен уверенно проигрывают по качеству освещения (тому, насколько хорошо видно детали освещаемого объекта и насколько вообще эти детали разборчивы глазом) даже не очень мощным фонарям с галогенками.

Серьезные дядьки в лице компании Cree приводят следующий график для излучения их светодиодов серии XM-L. Увы, это усреднённые значения, насколько он равномерный, есть ли там провалы, нам не очень известно. По горизонтали длина волны, по вертикали относительная мощность излучения.

На графике приводятся три кривые - для разных цветовых температур. Видно, что светодиоды с меньшей температурой (красный) залезают в инфракрасную область (длина волны больше 740 нм), однако очень-очень мало и недалеко - там реально единицы процента мощности излучаются. Это причина того, что получить из любого белого светодиодного фонаря пристойный ИК фонарь простым добавлением ИК фильтра (как это легко делается с фонарем с лампой накаливания) невозможно. Светить он формально будет, но КПД - никакущий.

Цветовая температура это параметр-компаньон, напрямую связанный со спектром. Цветовая температура определяется как температура абсолютно чёрного тела (такой хитрый фетиш физиков), при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Для дневного света это 6500К, для ламп накаливания 2700-4000К. Чем меньше цветовая температура, тем боее желтый оттенок у света.

По личным наблюдениям, со светодиодами с меньшей цветовой температурой лучше видно детали освещаемых объектов. По крайней мере для меня. Недостатком светодиодов тёплого белого света является их меньшая отдача света - они менее яркие, чем более "знойные" собратья.

Второе, что нас интересует - это яркость светодиода. Указывается в документации как яркость при каком-то определенном токе через светодиод. К примеру, для уже упомянутого XM-L указана яркость разных токах. К примеру, XM-L T6 при 700мА (2Вт) имеет световой поток 280 люмен (400 лм/А), при 1А имеет 388 лм (388 лм/А), при 1,5А - 551 лм (367 лм/А), при 2А - 682 лм (341 лм/А). В скобочках указана удельная яркость в зависимости от тока. Она падает на 17% при повышении тока с 700мА до 2А. То есть чем выше ток, тем меньше эта удельная яркость, то есть ниже КПД. По графику, кстати, честно видно.

Еще один важный параметр светодиода - его мощность. Это максимальная мощность, которую можно в него "вдуть". Разумеется, на максимуме он будет жить меньше, чем на меньшей мощности, поэтому лучше его немного "недокормить". В свою очередь мощность определяет максимальный ток через светодиод. Как правило, мощность и ток через светодиод связаны нелинейной зависимостью, так как зависят еще и от падения напряжения на диоде. Вот для XM-L: по горизонтали прямое падение напряжения, по вертикали ток через диод.

Падение напряжения на светодиоде типично порядка 3 вольт для белого светодиода и зависит от тока через светодиод. Смотрим на график: при 200мА имеем падение в 2,7в, при 700мА - 2,9В, при 1А - 2,97В, при 1,5А - 3,1В, при 2А - 3,18В.


Если взять хитрые светодиоды типа MC-E с четыремя кристаллами это будет 350мА - 3,1В, 700мА - 3,5В. Совсем мощные кристаллы на 10-20 Вт будут иметь падение напряжения около 10В, а еще более мощные... ну, могут и еще больше.

Кстати, если перевести удельную светимость в зависимости от тока этих XM-L в светимость в зависимости от мощности, то получим, что у нас при токе I=700мА и падении напряжения U=2,9В потребляется мощность  2,03 Вт, а световой поток 280лм, то есть  138 лм/Вт. Продолжаем дальше и полчаем для 1, 1,5 и 2 А тока соответственно 130, 118,5 и 107 лм/Вт. Разница в 29%. Вот и ломай голову, какой режим выбирать.

Что же нам дают знания? Хотя бы понимание того, какое именно питание должно быть у того или иного светодиода, что от него можно получить, на какой другой светодиод можно заменить сгоревший светодиод фонаря. Но картинка не будет полной без знаний о питании светодиодов.

Питание фонаря.

Как правило, в фонарях используют либо литиевые батареи (номинальное напряжение 3В, совпадает с максимальным и при разряде несколько падает), либо литиевые аккумуляторы (номинальное напряжение  3,7 В, а минимальное и максимальное - приблизительно 3,2 и 4,2 В, про аккумуляторы можно почитать вот тут, там есть про типы и их отличия).

Кстати, аккумуляторы как на фото выше я бы по возможности избегал. Невысокое качество и сильно завышенная емкость (из заявленных 2500мА/ч там хорошо если 1800 будет). Лучше брать фирменные ячейки Samsung и прочих. Неплохие аккумуляторные ячейки можно добыть из их батарей для ноутбуков - даже замучанные нарзаном они получше китайчатских будут. Хотя, даже у китайских бывают "внутри" нормальные ячейки.

Иногда в светодиодных фонарях используют пальчиковые батарейки, но у них плохо с отдачей токов, необходимых для питания мощных светодиодов. То есть если в фонаре все-таки пальчиковые батарейки, то исправить проблему с низкой яркостью особенно не получится.

Драйверы.

Подавляющее большинство фонарей имеют на борту один светодиод мощностью порядка 3 Вт. То есть он имеет падение напряжения около 3 В и ток около 1 А. Для питания таких фонарей вполне достаточно одного Li-Ion (или Li-Po) аккумулятора. В таких фонарях могут стоять любые драйверные схемы, хоть обычные гасящие напряжения источники тока. При установке литиевых батареек их понадобится аж две штуки, причём КПД упадёт катастрофически. Хорошо, что нормальные импульсные драйверы светодиодов уже почти полностью вытеснили дешевенькие источники тока. В фонарях, использующих несколько элементов или аккумуляторов обязательно стоит импульсный драйвер. 

Определить, какой драйвер перед вами можно по наличию катушки. Если она есть - наверняка это импульсный драйвер. Насколько он хорош и какие диапазоны входных напряжений терпит? Тут придётся искать документацию на применённую в нём микросхему. Например, для среднего драйвера на фото выше (жаль, плохо вышло) под лупой можно увидеть маркировку микросхемы 2541B и для неё удалось найти документацию (на китайском), у неё входное напряжение от 5 до 40 вольт, но КПД не указан.  Итого, если взять топовый светодиод с КПД 30-40% и хороший импульсный драйвер (КПД будет около 90% в идеальном случае)  получим КПД фонаря в 27-36 %. Не так уж и плохо.

А пример линейного драйвера на том же фото в правом нижнем углу. Вся электронная начинка сводится к защитному диоду и нескольким параллельно работающим линейным источникам тока. Можно прикинуть его КПД, как отношение напряжения на выходе к напряжению на входе. Если запитать схему от аккумулятора, то получаем максимальное напряжение в 4.2в, номинальное в 3,7в. До минимального скорее всего дело не дойдёт - драйверу нужно минимальное падение напряжения в пол вольта чтобы работать. Итак, считаем 3/4,2=70%. Однако, так как заткнётся он так и не использовав аккумулятор, то применять его надо с парой литиевых батарей (2 по 3В). Тогда КПД будет 3/6=50%. Не очень кучеряво, учитывая КПД кристалла в 20-30% и, как следствие, КПД всего фонаря в 10-15%. Надеюсь, понятно, что линейных драйверов надо избегать?...

Частенько в фонари ставятся драйверы, поддерживающие несколько режимов работы - полная мощность, средняя, пониженная и всякие моргалки. На фото такой драйвер внизу слева. Причём переключаются у дешевых моделей эти режимы кратковременным размыканием цепи. То есть слегка нажали на кнопку - фонарь гаснет и по отпусканию работает в новом режиме. Терпеть их не могу, по мне так лучше никакого переключателя режимов, чем такой.

Не всегда, но в некоторых моделях удаётся отучить фонарь от такого поведения и переделать под работу с выносной кнопкой (в виде оружейного фонаря). Но это уже отдельная тема.