Самодельная фара на светодиодах Luxeon K2

Технические характеристики


Светодиоды
Количество             3 в ряд, 1 последовательная цепочка
Тип                    Luxeon K2 LXK2-PW-V00
Потребляемый ток       100/1000/1500 mA (мин/норм/макс)
Напряжение             3.03/3.72/4.95 V (мин/норм/макс)
Световой поток (1 led) 18/120/140 lm (мин/норм/макс)
Световой поток (3 leds)54/360/420 lm (мин/норм/макс)
Цветовая температура   4500/6500/10000 K (мин/норм/макс)
Угол освещения         10x30° с оптикой Edison Opto Corporation

Питание
Источник питания       внутренний: 4.8V - 4 аккумулятора АА 2500 mAh
                               или 6.0V - 4 батарейки АА
                          внешний: 6.0V - 5 аккумуляторов D (R20) 8000 mAh
Стабилизатор           Step-up converter по типовой схеме на ADP1111AN, 
                       эффективность около 85%

Фактические показатели
Потребляемый светодиодами ток:
                       ближний свет, внутренний источник питания - 110 mA
                       дальний свет, внутренний источник питания - 350 mA
                       ближний свет, внешний источник питания    - 140 mA
                       дальний свет, внешний источник питания    - 650 mA
Световой поток:        минимум 20 х 3 = 60 lm
                       максимум 84 х 3 = 252 lm

Общие характеристики
Режимы работы:         дальний свет, ближний свет
Охлаждение:            алюминиевый пластинчатый радиатор,
                       охлаждаемый набегаемым потоком воздуха
Фара-донор корпуса:    Weston Pointer RHL-01NC-H

Предыстория


      Задумка сделать велосипедную фару на мощных светодиодах у меня родилась давно, ведь не секрет, что КПД светодиодов гораздо выше, чем у ламп накаливания.
      На момент задумки у меня имелась малоэффективная китайская фара Weston Pointer RHL-01NC-H, имеющая галогеновую лампочку 4.8V 500mA 2.4W. Соответственно, светила она от аккумуляторов 2500 mAh максимум 5 часов. Света этой фары с трудом хватало, чтобы освещать узкую полоску асфальта на несколько метров впереди велосипеда. Максимальная скорость безопасного передвижения с этой фарой была не более 15 км/ч по относительно ровному асфальту.
      В конце 2005 году фара была модифицирована. Первый вариант фары на светодиодах я сделал за несколько часов. Я взял 2 китайских фонарика по 15 светодиодов каждый. Из фонариков были извлечены платы со светодиодами. Обе платы были закреплены на куске текстолита, который был приклеен к корпусу фары "холодной сваркой". Светодиоды имеют параллельную схему подключения без использования каких-либо стабилизаторов или гасящих резисторов. Питается всё это хозяйство либо от 3-х батареек (3х1.5=4.5V), либо от 4 аккумуляторов (4х1.2=4.8V). В результате такой модификации фара стала светить гораздо ярче, давая круглое размытое пятно призрачного голубовато-белого цвета.
      Комфорт передвижения явно увеличился, возросло время работы фары. Однако, достигнутого, как всегда оказалось мало. Фара давала размытое пятно с мягким светом и препятствия на дороге были плохо видны. Кроме того, яркость пятна была неравномерна и плавно снижалась к краям. В результате, если фара была направлена недалеко от велосипеда - всё освещалось более-менее неплохо, но стоило направить фару подальше и она уже ничего не освещала.
      В начале 2006 года на распродаже я купил 20W фару Sigma Mirage-X. Для питания столь мощной фары мне пришлось спаять блок из 5 дорогущих аккумуляторов типоразмера D (R20) 8000 mAh. Фара давала внушительный световой поток. Однако, и тут было не без недостатков. Главный недостаток - малое время работы - максимум 2.5 часа. Следовательно, если планировалось ехать по свету, то брать тяжёлые аккумуляторы "на всякий случай" не хотелось. Если предстоял многодневный поход с переездами по темноте, эта фара тоже не подходила. Поскольку луч фары оказался узким (около 10°), наиболее комфортное передвижение было с максимальной скоростью по относительно ровным дорогам, когда взгляд сфокусирован вдаль. Боковая засветка была недостаточна, также оставалось тёмным пространство прямо перед колесом. Ездить по узким лесным тропинкам было не комфортно.
      Проработала фара, увы, недолго - накрылась лампочка (сама лампа отделилась от зеркала и расфокусировалась), а новая лампочка стоит около $20. Поэтому я снова задумался об идеальной фаре, которая бы давала достаточно мощный световой поток, работала бы экономично, имела бы режим пониженного потребления тока и возможность как использования внешнего источника питания, так и резервный вариант использования встроенных аккумуляторов.
      Результатом моих раздумий на эту тему явилось решение собирать мощную фару на 3-х светодиодах по 5W. Как и для прошлой светодиодной фары, в качестве донора корпуса выступила Weston Pointer RHL-01NC-H, на этот раз это была фара моей жены.

Светодиоды


      Вариантов светодиодов было всего два: Seoul Semiconductor Z-Power и Lumileds Luxeon K2. Оба варианта имели большую светоотдачу и 5-ваттные варианты исполнения. Единственный недостаток Luxeon'а - корпус собственного дизайна, слегка отличный от стандартного Emitter. У светодиодов Seoul недостаток ещё больше - я их не нашёл в наличии :-) Поэтому пришлось брать Luxeon K2 и оптику Edison Opto Corporation, а точнее 10° модель EDOL-AA10-M13, рассчитанную на Emitter, в расчёте на дальнейшую доработку для корпуса K2 Emitter. Вся доработка оптики свелась к рассверливанию отверстия под светодиод на 10 мм. и срезанию лишних нескольких меллиметров корпуса. После такой доработки, линза фокусирует световой поток светодиода очень качественно, луч получается чёткий и узкий, световое пятно - по форме кристалла, квадратное.
      Как следовало из документации по выбранным диодам, для их охлаждения обязательно необходим радиатор. Поскольку изначально я предполагал использовать светодиоды на полную мощность, радиатор был нужен обязательно.

Система охлаждения


      От фары-донора был использован только корпус. Вместо оптического блока, рассчитанного на установку лампы накаливания установлен блок, состоящий из радиатора, светодиодов и оптической системы.
      Я взял ненужный пластинчатый квадратный радиатор от компьютерного процессорного кулера 50х50 мм и уменьшил его габариты до такой степени, чтобы он влез вместо оптичиского блока фары. Пришлось немного отпилить (примерно 1/2) по площади, закруглить углы и укоротить рёбра (примерно на 1/3). Для поступления холодного воздуха в нижней части радиатора сделаны пропилы, образующие внизу радиатора воздуховод 32х7 мм. Для выхода горячего воздуха предполагалось в корпусе фары просверлить ряд отверстий над радиатором, либо сделать сплошное окно, возможно, прикрытое сеткой (на данный момент так и не реализовано).
      Чтобы теплоотводы светодиодов касались радиатора, я сначала предполагал сточить лишний металл с радиатора так, чтобы остались выступы толщиной с текстолит, но вовремя поняв всю трудоёмкость этой операции, я предпочёл сделать радиатор плоским, а в текстолите, к которому припаяны светодиоды, сделать 3 квадратных отверстия размером с корпуса диодов. Для того, что бы теплоотводы диодов касался радиатора, пришлось плоскогубцами выпрямить ножки диодов. При этом ножки стали выше теплоотвода на 1.3 мм, т.е. как раз примерно на толщину текстолита.
      Примечание от января 2008 г. При такой установке светодиодов необходимо на 1.3 мм сточить основание держателей линз, поскольку вся оптика для светодиодов рассчитана на установку на уровне нижней части светодиода.
      Плата со светодиодами крепится к радиатору 4-мя винтами М2,5. К сожалению у меня не было сверла 1,6, тогда бы были винты М2.0. Блок радиатора со светодиодами закреплён к верхней части фары двумя винтами М2,5. Винты расположены в верхней плоской части фары, отверстия под них просверлены овальной формы, что позволяет регулировать угол поворота моего оптического блока относительно корпуса фары.

Оптика


      У меня было несколько вариантов, как закрепить линзы с держателями. Поскольку постройка фары и так заняла целую неделю, в данный момент линзы приклеены клеевым пистолетом (термоклеем). Этот клей при необходимости можно разогреть и удалить. Этот же термоклей прикрывает и защищает открытые части платы со светодиодами от осадков и мусора. Возможно, если будет вдохновение, сделаю крепление линз как-нибудь поприличнее.
      Примечание от января 2008 г. Для формирования более широкого пучка света боковые держатели линз развёрнуты в стороны примерно на 10°.

Питание


      Питание фары осуществляется либо от внутреннего источника (4-х элементов АА), либо от внешнего. Внешний источник в моём случае - блок из 5 аккумуляторов типоразмера D (R20) 8000 mAh.
      Главной и не особенно решённой на данный момент проблемой явился выбор схемы питания. Для питания светодиодов существуют готовые двайвера, но они в основном расчитаны либо на маломощные светодиоды, либо на питание от бортовой сети автомобилей или от электрической сети.
       Питать диоды напрямую с гасящим резистором довольно неэффективно. Тем более, что предполагалось использовать вариант питания от 6V.
       Светодиоды желательно подключать последовательно, в таком случае, для питания на полную мощность мне необходим источник, дающий ток 1500 mA при 12V.
       Пришлось остановится на импульсном повышающем преобразователе. Поскольку из меня электронщик никакой, особенно привлекательным мне показался вариант использования ADP1111, имеющей довольно простую схему подключения.
      В ADP1111 можно задавать необходимое напряжение. Для этого используются два резистора с большим сопротивлением, рассчитываемые по формуле 1.25(1+R2/R1). В моём случае надо было получить около 11.55V. Следовательно, 11.55/1.25-1=8.24 - это соотношение между резисторами. Т.е. если R2 470 килоом, то R1=57K. У меня под рукой оказались 50К и 3К, что дают нам в сочетании с R2 470К 1.25(1+470/53)=12.33V, т.е. примерно то, что мне и надо.
      Для ограничения тока можно поставить опциональный резистор R3. Я поставил 220 Ом. В моём случае он уменьшает ток примерно в 3 раза и используется для ближнего света.
      Элемент не требующий расчётов - диод Шоттке. Подойдёт 1N5818 или более мощный 1N5821. Я использовал последний.
      Также не требует особых расчётов конденсатор. Необходим танталовый конденсатор достаточной ёмкости на напряжение не меньше нашего максимального. Я использовал на 16 V 100 mF. Пробовал ставить меньше или больше - разницы почти нет, а если она и есть, то в худшую сторону.
      Наиболее сложные расчёты нужны для выбора индуктивности. Я не осилил текст документации по ADP1111 в части выбора дросселя, поэтому просто купил несколько разных на максимальный ток 1.2-2.4A. Методом проб был выбран дроссель на 100 mH.
      К сожалению, максимум, что я смог получить от такой схемы питания - 650 mA при 10 V, т.е. 6.5W вместо расчётных 15. Регулируя разницу сопротивлений R1 и R2 я смог получить бОльший ток, но меньшее напряжение, или наоборот, бОльшее напряжение при меньшем токе. Или я чего-то не понял, или ADP1111 просто не может обеспечить больше.
      В любом случае, я решил пока что использовать такую схему, пока не найду более мощный вариант.

Компоновка


      Схему я паял на обычных, не SMD компонентах, поэтому у меня были некоторые проблемы с размещением полученного преобразователя в корпусе фары, однако, всё с трудом, но впихнулось на место штатной платы, пришлось только немного укоротить кожух, прикрывающий плату.
      Ещё в корпус фары пришлось втиснуть разъём для внешнего питания и 2 тумблера - переключение источника питания и переключение режима (ближний/дальный). Тумблеры пришлось использовать самые маленькие ON-ON, что я нашёл, без промежуточного нейтрального положения, пожертвовав возможностью выключения фары при подключённом внешнем питании. Т.е. во время небольших остановок можно переключать свет на ближний, а для полного отключения переводить фару в режим питания от внешнего осточника и отсоединять внешнее питание.

Итоги


      Расчётное время работы от внутреннего источника ближний свет - 12 часов, дальний - 3.5 часа; от внешнего источника питания ближний свет - 37 часов, дальний - 8 часов. Выбор источника питания осуществляется тумлером.
      Испытания фары показали, что она вполне удовлетворяет моим потребностям. Хотя в настоящее время она работает лишь на половину мощности, света она даёт довольно много. Пятно света от светодиода с использованием оптики Edison изначально получается квадратным. Я направил крайние светодиоды под небольшим углом в сторону, так, что бы они формировали прямоугольное пятно. Однако, в реальных условиях пятно вытягивается на дороге и получается почти квадратным. При установки фары так, что ближняя граница светового пятна находится в 5 метрах перед велосипедом, пятно имеет размеры около 3х3 метра. Ближе отметки 5 метров находится неосвещённая зона, за исключением освещённого кольца, освещающего прямо от переднегоо колеса на 1 метр вперёд. Это же кольцо обеспечивает качественную подсветку дорожных знаков и небольшую засветку всего, что находится по бокам.
      Примечание от января 2008 г. Главным недостатком моей конструкции оказались линзы. Как оказалось, при езде, в большинстве случаев, основное зрение сфокусировано как раз где то в 3-5 м. от переднего колеса. А тут у моей фары как раз неосвещённая зона. Если фару опустить так, чтобы она светила ближе, пятно света получается слишком небольшим и не хватает света вперёд для переферийного обзора дороги дальше 5 м. При таком небольшом пятне света его яркость выше необходимой в большинстве случаев. При поездках при практически абсолютной темноте приходилось запитывать фару от внутреннего источника и ставить ближний свет. Кроме того, у фары слишком хорошо сфокусированное пятно, боковая засветка практически отсутствует.
      Если бы я смог запитать фару на 1500 мА, мне бы точно не хватило радиатора. Для мощных фар лучше использовать не столь компактные корпуса.
      Из-за перечисленных недоставтков я сначала сделал простейшую фару-налобник, а затем решил и вовсе сделать новую, более мощную фару, дающую не только много света, но и правильную форму пятна света.

Расходы


Фара Weston Pointer RHL-01NC-H                 ~250 руб. в Сокольниках
Радиатор                                          0 руб. взял у брата
Светодиоды Luxeon K2 LXK2-PW-V00      3 х 167 = 501 руб. Планар
Линзы Edison EDOL-AA10-M13            3 х  37 = 111 руб. Планар
Микросхема ADP1111                              140 руб. Чип и Дип
Резисторы                             4 х  .5 =   2 руб. Чип и Дип
Диод Шоттке 1N5821                                7 руб. Чип и Дип
Танталовый конденсатор                            2 руб. Чип и Дип
Дроссель                                         22 руб. Чип и Дип
Микротумблер                          2 х  10 =  20 руб. Чип и Дип

Итого                                          1055 руб.

Материалы по теме


      • Официальный сайт Luxeon
      • Официальный сайт Lumileds
      • Официальный сайт Edison Opto Corporation
      • Официальный сайт Analog Devices
      • Планар - сайт фирмы, торгующей сверхъяркими светодиодами Luxeon, Edison, Seoul Semiconductor, линзами и драйверами для светодиодов и прочими электронными компонентами. Торгуют в основном оптом, но можно и договориться. Тут я покупал светодиоды и линзы. Цены - весьма гуманные.
      • Чип и Дип - контора, торгующая электронными компонентами и сопутствующими товарами в розницу. Цены довольно высокие. Тут я брал всякую мелочёвку и микросхему стабилизатора.
      • Велофара на светодиоде LUXEON - статья про изготовление самодельной фары на 1W диоде Luxeon. Во многом стимулировала меня к созданию моей фары.
      • Самодельный светодиодный фонарь
      • Статья про изготовления самодельного светодиодного фонаря на сайте Скиталец.
      • Официальный сайт Fraen SRL - производитель широкого ассортимента линз и оптических систем. Компания Fraen выпускает линзы, совместимые со светодиодами Luxeon и Seoul Semiconductor Z-Power
      • Официальный сайт Carclo Technical Plastics - - производитель линз, оптических систем и приборов, стекол для защитных шлемов. Компания Carclo выпускает линзы для суперярких светодиодов Luxeon, Seoul Semiconductor, Cree, Nichia
      
      20/02/2007

Первая версия светодиодной фары - изнутри


Первая версия светодиодной фары - изнутри


Первая версия светодиодной фары - изнутри


Фара Sigma Mirage X


Фара Sigma Mirage X


Схема повышающего конвертера


Чертёж Luxeon K2


Чертёж линз Edison Opto Corporation


Светодиоды. Получилось грубовато, но работает.


Светодиоды с линзами


Теплоотводы намазаны пастой КПТ-8


Радиатор и плата со светодиодами


Первые пробные варианты схемы


Примерка электроники. Всё влезает с трудом.


Преобразователь в фаре


Электроника запихнута в фару


Фара спереди без линз


Форма светового пятна


Фара-донор корпуса Weston Pointer RHL-01NC-H


Окончательный вариант фары


Фара на Luxeon. Вид сбоку.


Фара на Luxeon. Вид сзади.


Фара на Luxeon. Вид сверху.


Фара на Luxeon. Вид снизу.


Фара на Luxeon. Вид спереди.


Фара с блоком аккумуляторов 8000mAh


Освещение фарой. Дальний свет, внутренний источник

Copyright © 2007 Надёжин Юрий