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