Фонарик и питание трехвольтового светодиода от лития

 

На самом деле вопросы подключения мощных белых светодиодов к литиевому аккумулятору давно решены.
Причем способы решения есть разные. Начиная от применения простого гасящего резистора и заканчивая специализированными микросхемами.

Но - специализированную микросхему надо покупать... 

Можно взять гасящий резистор - но возникает проблема обеспечения стабильного тока через диод. Поскольку диапазон напряжений аккумулятора - 4.2 - 3.3 вольта и падения напряжения на светодиоде при номинальном токе около 3 вольт - достаточно близки.

Правда, в дешевых китайских фонариках этими вопросами вообще не парятся. Зачастую там светодиоды просто подключаются к аккумулятору напрямую, а роль балласта играет внутреннее сопротивление аккумулятора.

Еще есть вариант подключить к аккумулятору повышайку до 4.5-5 вольт и просто питать диод от стабильного напряжения через резистор. Но это не совсем правильно, поскольку есть потери на повышайке плюс рассеяние на резисторе до 40% от общей мощности...

Есть достаточно простая схема на транзисторе и операционном усилителе. Последовательно с диодом включается шунт, вместо гасящего резистора ставится транзистор, а ОУ, сравнивая напряжение на шунте с опорным, регулирует ток транзистором. Тут даже не имеет значения, какой транзистор применен - полевой или биполярный. Операционник в любом случае будет стараться поддерживать заданный режим светодиода. 
Единственное, тут нужен низковольтный Rail-To-Rail ОУ, сейчас такие есть даже в SOT23-5...

Вот, например, одна из схем. Опробованная ее автором.

Здесь все достаточно просто - ОУ будет стараться изо всех своих электронных сил поддерживать на шунте R6 напряжение, равное напряжению на делителе R2R3.

Ток через шунт и светодиод будет определяться номиналом шунта и напряжением на делителе.
А вся "лишняя" энергия будет выделяться на транзисторе.
Плюс данной схемы - стабильный ток через диод без всяких пульсаций. 
Минус - рассеяние лишней энергии в  виде тепла на транзисторе.

Есть еще вариант регулирования тока через диод - импульсный, с запасанием энергии в дросселе. Т.е. энергия накачивается ШИМ-сигналом в дроссель, а далее эта энергия уходит в светодиод. В цепи диода можно поставить шунт, с которого снимать напряжение обратной связи для регулировки заполнения ШИМ-сигнала.

Я немножко поэкспериментировал с данной схемой в симуляторе, осталось ее реализовать в железе.
Чем эта схема мне понравилась - она просто просится под цифровое управление. 

Т.е. берется какой то микроконтроллер, у которого есть АЦП и выход ШИМ - и все готово!

Единственный нюанс. Чем меньше шунт, тем лучше. Тогда и потери на шунте меньше, и минимальное напряжение питания будет ниже... Но если оцифровывать напряжение с шунта, то для нормальных результатов оно должно быть одного порядка с напряжением ИОН АЦП. А у большинства недорогих МК встроенный ИОН имеет напряжение порядка 1 - 1.5 вольта. А на шунте хотелось бы иметь падение 50-100 мВ, не больше. 

Отсюда что следует? Правильно, нужно это напряжение усилить тем же операционным усилителем.

А дальше делаем финт ушами и вспоминаем, что некоторые МК на входе уже имеют встроенный усилитель, иногда даже с диф. входами. Например, это Atmel TINY25/45/85 или MEGA32...

ATMEGA32 для такой схемы - это чересчур, а вот 8-ногая TINY85 - в самый раз.

У тиньки встроенный усилитель АЦП с коэффициентом усиления 20х. И ИОН АЦП - 1.1 вольта. Это позволит использовать достаточно низкоомный шунт с падением напряжения всего 1.1/20= 55 мВ. 

Например, 0.33 Ом. 50 мВ на таком шунте будут при токе 150 мА. 
Для тока 330 мА достаточно будет шунта 0.15 Ом.
Для тока в 50 мА можно взять шунт 1 Ом.

В качестве эксперимента было решено сделать фонарик-брелок в корпусе КМ-14

В торце брелка было просверлено отверстие , в которое была вклеена линза с углом рассеяния 15°. Вот такая:

В линзу был вставлен белый светодиод. в качестве теплоотвода был применен кусочек жести, к которому светодиод был просто припаян.

В качестве управляющего элемента будет кнопка, источник - литиевый аккумулятор типоразмера 303030 и емкостью 280 мА*ч. Такой аккумулятор как раз помещается в половинке корпуса.
Заряжаться этот аккумулятор будет от Type-C-разъема при помощи микросхемы LTC4054.

Начинаем раскладывать периферию по выводам МК.

Согласно документации на ATTINY85 встроенный усилитель включается только в дифференциальном режиме АЦП. Т.е. в этом режиме для оцифровки внешних сигналов используется 2 вывода МК, один для положительного диф.входа, второй - для отрицательного.

Казалось бы, это минус - тратится лишний вывод. но есть и плюс - можно светодиод подключить к общему проводу, а шунт включить между светодиодом и дросселем. Дифференциальному усилителю все равно, где брать диф.сигнал, ведь усиливается разность сигналов.

Из 5 доступных к использованию выводов МК 2 уже заняты - диф.входом АЦП. Еще один вывод нужен для выхода ШИМ-сигнала. Еще один вывод используем для кнопки управления. Остается один вывод. Его используем для определения режима заряда аккумулятора.

Ну вот настала пора нарисовать схему.

Схема.

Схема в PDF

Зарядная часть. Типовое включение LTC4054, ток заряда определяется резистором R4 и при указанном на схеме номинале составляет около 100 мА.
Резисторы R2R3 - подтяжка линий СС к земле, необходима для корректной работы с Type-C-зарядными устройствами.
Светодиод сигнализирует о процессе зарядки аккумулятора. Кроме того, сигнальный вывод LTC4054 подключен к МК, для блокировки работы фонаря при заряде аккумулятора.

Управление светодиодом. Питание светодиода осуществляется через транзистор Q2, управляемый ШИМ-сигналом от МК, и LC-фильтр - L1C4C5. Конденсаторы призваны сглаживать пульсации на светодиоде. Диод D1 замыкает ток самоиндукции.

Теоретически, в качестве Q2 можно взять мелкий р-канальный полевик. Например, IRLML5203. Он встанет в схему безо всяких доработок. Возможно, КПД с ним будет даже немножко лучше.

Транзистор Q1 и резистор R6 - предназначены исключительно для блокировки транзистора Q2 при программировании микроконтроллера. Если их не ставить, то в процессе заливки прошивки в МК светодиод может хаотически начать мигать, в т.ч. и с высокой яркостью. В обычном режиме работы Q1R6 не используются.

Измерение тока светодиода. Между дросселем и светодиодом включен шунт. В моем случае это резистор 1 Ом. Т.е. максимальный ток через диод будет в районе 50 мА. Мне для брелка больше не нужно. Абсолютно без изменения схемы и программы можно поставить меньший шунт, тогда ток через диод будет выше.

Тут следует помнить о том, что дроссель так же должен соответствовать максимальному току диода и иметь низкое омическое сопротивление. В противном случае при подсевшей батарее просто не получится продавить через диод нужный ток. Ну и транзистор по характеристикам должен соответствовать току через светодиод. 

Пульсирующее напряжение на шунте сглаживается фильтром C3R9 и подается на дифференциальные входы АЦП.

Управление фонариком осуществляется кнопкой SW1.

Печатная плата.

Плата разведена в одном слое без единой перемычки.

Герберы.

Схема готова, плата готова, осталось самое малое - запрограммировать микроконтроллер.

Фюзы:

Low: 0xE2
High: 0xDF
Extended: 0xFF

Прошивка.

Управление фонариком.

Нажатие и удержание кнопки на время более секунды включает фонарик на максимальной яркости, пока нажата кнопка, но на время не более минуты. При отпускании кнопки фонарик выключается. 

"Дабл-клик" включает фонарик в постоянном режиме на ранее сохраненной яркости.

Короткий клик выключает фонарик.

При включенном фонарике длинное нажатие меняет яркость 100% -> 50% ->20% -> "лунный свет".

За 100% принимается напряжение на шунте в 50 мВ.

При выключении фонарика запоминается последний режим яркости, кроме "лунного режима". Вместо него запоминается режим 20%.

"Лунный свет" - режим минимальной яркости фонарика.

При включенной 100% яркости фонарик через 5 минут после включения автоматически переключается на яркость 50%.

Фонарик автоматически выключается через час после включения во всех режимах, кроме "лунного". В "лунном" режиме фонарик выключается через 12 часов после включения.

Индикация разряда аккумулятора.

Индикация работает только при включенном фонарике. Напряжение аккумулятора проверяется раз в минуту.

При понижении напряжения аккумулятора до 3.4 вольт фонарик мигнет (выключится на 0,15сек) один раз.
При понижении напряжения до 3.3 вольт фонарик мигнет дважды. При этом, если включен 100% режим, он принудительно переключится в 50%.
При понижении напряжения до 3.2 вольт фонарик мигнет трижды, яркость будет принудительно понижаться до более низкого уровня, вплоть до 20%.
При понижении напряжения ниже 3.2 вольт фонарик мигнет четырежды, яркость будет уменьшаться на один шаг вплоть до выключения фонарика.

Фотографии