Laivo žiburėlis 2022.05.27 at 11:09

Įprastai nerašau apie komercinius projektus, nes… Jie komerciniai :D. Bet šitą straipsniuką nusprendžiau parašyti, nes projektukas sąlyginai nesudėtingas, bet gali būti plačiai naudojamas. Ir tuo pačiu dėkoju Sigitui už rekomendaciją. Ir tai vis dar nebus reklama 😄 nes man už tai nemokama 😁 . Ok, pradedam. Taigi, ne taip seniai gavau užklausimą iš jachtininkų, kuriems susinorėjo patobulinti jachtose naudojamus indikacinius žiburėlius sumontuojant šviesos diodus (LED), tokie kaip žibintuvėliai, bet nedidelės galios. Išeitiniai duomenys tokie:

  • Maitinimas iš D dydžio baterijos, t.y. maksimaliai 1,5V;
  • Švietimo laikas – nenormuojamas, nes ilginamas tiesiog keičiant išsikrovusias baterijas;
  • Minimalus arba jokio korpuso perdarymas.

O pats žibutėlis atrodo va taip:

Pagal logotipą galima rasti ir gamintoją – TREM ir tuos žibintuvėlius:

Matom standartines „laivines” spalvas – raudoną (kairio borto), baltą (gali būti įvairiai naudojama, pvz., laivo gale) ir žalią (dešinio borto). Ir taip, tame žibintuvėlyje naudojama 1,5V 0,2A (0,3W) kaitrinė lemputė. Sugromuliavus viską, kas jau pasakyta, galima apsirašyti ir suderinti techninę užduotį:

  • Maitinimas iš D dydžio baterijos;
  • Maksimalus švietimo laikas, panaudojant LED šviesos šaltinį;
  • Kuo efektyvesnis baterijos išnaudojimas;
  • Tas pats korpusas ir linzė.

Ir prasideda projektavimas… Visko jau turbūt neaprašysiu, nes gal ne viską atsiminsiu kas buvo daryta, bet pagrindinius momentus paminėsiu.

Visų pirma D dydžio baterija… Ji ir taip nėra maža, todėl turės sąlyginai didelę talpą, bet galima būtų naudoti dar ir skirtingų chemijų baterijas, turint tą pati dydį. Pradžioje renkamės tinkamą bateriją. Skaičiukus rašysiu nuo baterijų, esančių lietuviškų elektronikos pardavėjų kataloguose arba tų, kurias naudoju ir žinau, kad geros, todėl prireikus rasite tuos skaičiukus ir patys.

Chemija:Cinko – angliesŠarminėNi-Cd
Ni-MH
Krūvis:6-8 Ah15 Ah5-6 Ah
Energija:10-12 Wh20-22 Wh3-7 Wh
Įtampa:1,5 V1,5 V1,2 V
Kraunama:Heh, norėtumNeTaip

Yra ir kitokių, egzotiškesnių ir/arba brangesnių baterijų, bet apsiribokim šiomis, nes pigios ir visur yra. Ir manyčiau pasirinksiu šarminę Procell PC1300 bateriją. Nes naudojau – geros. Aprašymas yra čia. O su geru aprašymu ir projektuoti linksmiau. Taigi, bateriją turim, toliau reiktų apsispręsti, kokia srove maitinsim LEDą. Šiaip, lyginant su ta kaitrine 0,3W spingsule, LEDas šviestų stipriau net prie 5 mA, bet papildykime projekto užduotį – turi būti nustatoma LED srovė. Ir ties šita vieta turėtumėte jau pradėti sakyti „pala pala, o LED tai prie 1,5 V net nepradės šviesti”. Žinau 🙂. Tam reikalui naudosime specialų LED valdiklį, kuris paims 1,5V ir padarys taip, kad LEDas žibėtų maitinamas teisinga srove. Ir dar – o kaip bus jei baterija išsikraus ? Reikia numatyti, kad nebus ji visą laiką 1,5V. Kadangi LEDams reikalinga pastovi srovė, žiūrim baterijos aprašymą ir matom:

Tai iškrovimo kreivės esant pastoviai srovei. Panašiai nuo 1,65V iki 0,8V. Iškraunant 100 mA srove užtuks apie 140 valandų, t. y. 5,83 paros. Bet pas mus, manyčiau, maksimali srovė bus kokia 20 mA, ir tai jau LEDas švies per stipriai, nujaučiu, kad 10 mA bus užtektinai. Todėl švietimo laikas būtų 5 ar 10 kartų ilgesnis. Beveik, nes turbūt priklausomybė ne tiesinė. Bet mums tokio tikslumo užtenka. Taigi, švietimo trukmė – 29,15 arba 58,3 paros. Principe galima išplaukti mėnesiui arba dviem ir neišjunginėti žibintuvėlio :D. O štai čia pradėsim apie Sigito rekomenduotą Prema Semiconductor PR4401 valdiklį SOT23 korpuse. Yra visa linija valdiklių:

  • PR4401 iki 20 mA
  • PR4402 iki 40 mA
  • PR4406 iki 50 mA

Kadangi mums užtenka 20 mA renkamės PR4401, tačiau prireikus galima laisvai pakeisti bet kuriuo – išvadų reikšmės vienodos. O prijungus 3,6V LiSOCl2 bateriją iš PR4406 galima išspausti net 80 mA. Ir tuo pačiu šitą mikroschema veiks net iki 0,9V (0,7 V įjungta), t. y. efektyviai iškraus bateriją, ne tai, kad prie 1,3 V tarkim, jau atsijunginės. Maksimali įtampa 1,9 V, kas mums irgi tinka. Schema visiškai paprasta:

Iš išorinių elementų tik srovę nustatantis droseliukas L1. Dabar jau galima pradėti kurti realią schemą.

Štai ir schemutė, visai paprasta, bet ne prasta. Iš kairės į dešinę… Maitinimas tiekiamas per TP1 ir TP2 kontaktus, U1 mūsų geroji PR4401 mikroschema. Prie jos turėtų būti droseliukas, bet šitą vietą nusprendžiau patobulinti – turint tik vieną droseliuką būtų tik viena jo nustatoma srovė, o aš norėčiau turėti universalią plokštę su galimybe reguliuoti srovę, todėl atsiranda jungikliai S1 ir trys droseliukai L1, L2 ir L3. Vėliau apie juos bus plačiau. Toliau vėl standartinė schema su patobulinimu – impulsų išlyginimui naudojamas diodas D1 ir kondensatorius C1. Taip LED srovė bus stabilesnė, su mažesniais pikais – sveikiau LEDui. O toliau būrys LEDų, bet tai nereiškia, kad visi jie veiks, čia irgi dėl to, kad plokštė būtų kuo universalesnė, taigi iš karto galima bus įmontuoti vieną LED, bet užtai neribos kažkoks vienas korpuso tipas. LED4 ir LED5 yra to paties korpuso tipo, bet skirtingo jungimo – nuoseklaus ir lygiagretaus. Ten toks LED kur vienam PLCC6 korpuse trys kristalai su atskirais išvadais, būna RGB, o būna trys vienodi LED.

O dabar apie droseliukus. Droseliukas nustato srovę ir aprašyme yra duota lentelė su srovę atitinkančiais induktyvumais:

Iš jos aišku, kad droselio induktyvumas gali būti nuo 10 μH iki 47 μH. Taigi, turint kelis droseliukus būtų galima turėti ir keletą srovės verčių. Bet lentelėje yra 6 induktyvumų vertės, o tiek droselių ir jungiklių turėti ant mažos plokštės visai neturiu noro, čia prasideda „inžinieriavimas”. O dabar truputis teorijos. Jungiant droseliui nuosekliai bendras induktyvumas didėja, o jungiant lygiagrečiai mažėja. Bendrą induktyvumą galima apskaičiuoti pagal formules:

Nuosekliai sujungus droselius būtų nepatogu komutuoti standartiniais DIP jungikliais, o vat sujungus juo lygiagrečiai, jungikliai puikiausiai atliktų savo darbą. Dėl to schemoje ir matomas lygiagretus droselių jungimas. Beliko tik parinkti pačius droselius ir jų kiekį, norint, kad jų būtų kuo mažiau. Pradžiai, pasibraižome srovės priklausomybės nuo induktyvumo grafiką, pagal aprašyme duotąją lentelę:

Grafikas nėra toks labai jau tolydus, ties 26,7 μH turime didesnę srovę… Taigi, mums reikia parinkti keletą droseliukų, kurių lygiagretaus jungimo įvairiais variantais suminės vertės būtų panašios į šitą grafiką. Tam pasirenkame maksimalaus induktyvumo – 47 μH droseliuką ir pirmasis jau parinktas. Turint du droseliukus būtų galimos tik trys jų vertės:

  • 47 μH
  • X μH
  • 47 μH + X μH (lygiagrečiai)

Kaip ir mažoka, norėtųsi daugiau galimybių srovės nustatymui, todėl pridedame dar vieną droseliuką:

  • 47 μH
  • X μH
  • Y μH
  • 47 μH + X μH
  • 47 μH + Y μH
  • X μH + Y μH
  • 47 μH + X μH + Y μH

Iš karto net septyni galimi variantai. Beliko tik nuspręsti koks tas X ir Y induktyvumas turi būti. O tas irgi nėra sudėtinga – mažiausias galimas induktyvumas yra 10 μH, todėl 47 μH + X μH + Y μH ≥ 10 μH. Toliau nesudėtinga formulė Excel’yje ir standartinių droselių induktyvumų lentelę, ir turime atsakymą:

  • 47 μH
  • 33 μH
  • 22 μH

Jų visų suma lygiagrečiame jungime 10,31 μH, beveik idealu :). Belieka pasitikrinti, ar tarpiniai sumų variantai atitinka mūsų grafiką, jeigu ne – teks keisti induktyvumus. Ant jau turimo grafiko „užmauname” mūsų skaičiavimus:

Ir štai, tarpinės sumos beveik idealiai atkartoja žalią grafiką, todėl galima sakyti, kad droseliai parinkti teisingai, o srovę galima bus nustatyti nuo 6,5 mA iki 21,5 mA net septyniais žingsniais (induktyvumas virš 22 μH nerekomenduojamas, bet… 😁 ).

Kadangi schema kaip ir aiški, braižom plokštę ir priduodam gamybai.

Štai taip viskas turėtų atrodyti, su užrašais ir korpusų pavadinimais kontaktinėms aikštelėms. PR4401 GND kontaktas dar ir su padidintu varinio takelio plotu, kad veiktų kaip papildomas aušinimas (nors kiek ten jo reikės…). Ir štai jau pagamintos plokštelės:

Nekreipkite dėmesio į srovės stiprius – neteisingi, nes schema buvo skaičiuota kitam valdikliui. O apatinė plokštelės pusė tokia, kad teisingai kontaktuotų su žibinto baterijos neigiamu ir teigiamu kontaktais – žiedas skirtas minusui, centrinis blynelis pliusui. Dabar belieka surinkti ir išbandyti.

Štai, ką tik surinkta jau antra PCB, dar net fliuso nespėjau nuplauti. Pirmoji buvo švari ir tvarkinga, bet laivistai iš džiaugsmo ją nukosėjo net nespėjus normaliai išsitestuoti :D. Tik pažiūrėjom, kad veikia, srovė reguliuojasi, LEDas šviečia. Tiesa LED kol kas ėmiau iš likučių, tai net nežinau konkrečių parametrų. Pirmasis buvo šaltai baltas, šitas dabar jau šiltai baltas. O dabar jau galima bandyti kažką testuoti.

Pradžiai, vartojama srovė iš maitinimo šaltinio, esant skirtingiems LED srovės nustatymams:

NustatymasLED srovė (*)Įtampa (**)Mait.
srovė
Mait.
įtampa
Galia
Jungikliai išjungti0 mA0 V3,74 mA1,5 V5,61 mW
36,5 mA2,836 V16,35 mA1,5 V24,53 mW
28,5 mA2,967 V32,6 mA1,5 V48,9 mW
111 mA2,994 V22,67 mA1,5 V34,01 mW
2+312 mA3,065 V18,88 mA1,5 V28,32 mW
1+313,9 mA2,959 V20,53 mA1,5 V30,80 mW
1+216,5 mA2,926 V23,34 mA1,5 V35,01 mW
1+2+321,5 mA2,909 V27,78 mA1,5 V41,67 mW
* – LED srovė teorinė, matavimui nepasilikau kontaktų
** – įtampa ant kondensatoriaus C1

Manyčiau, kad matavimai su 1+3, 1+2 ir 1+2+3 yra neteisingi – matomai testeris jau nesugeba tinkamai pamatuoti tokio dažnio ir formos (o juk ten ne DC), nepadaro to true RMS. Vizualiai 2+3 yra ryškesnis už 2, bet 1+3 ne ryškesnis už 2+3. Gali būti, kad nesugeba sukelti srovės LEDui, nors maitinimo srovė ir padidėja, bet viskas nuvažiuoja į nuotolius. Reikia oscilogramų.

Spėjimas neteisingas, visur beveik idealus DC ir įtampos yra tokios kokios yra. Bet vis tiek įtampa nepakyla virš 3,065 V (2+3) ir tuo pačiu, žinoma, nepakyla ir srovė. Įdomu, kodėl… Maitinimo šaltinis apsiribotų tik prie 20A, droseliukų įsisotinimas dar irgi toli (150 mA berods). Pirma pabandykime užmesti dar kokio 1 μF keraminį kondensatoriuką ant įėjimo. Jeigu nepadės, tuomet pabandysime be diodo ir išėjimo kondensatoriaus. Tuomet oscilograma nebus tokia graži, bet įtampa ir srovė impulsų pikuose turėtų būti žymiai didesnė (gali greitai nusibaigti LEDas…). Stebėtina, bet vizualiai 1 μF kondesatoriukas padėjo – prieš tai jungiant konbinacijas 1+2+3 arba 1+2 LED švietė taip pat arba net tamsiau, o dabar šviečia ryškiau. Teks iš naujo viską matuoti 🙂

NustatymasLED srovė (*)Įtampa (**)Mait.
srovė
Mait.
įtampa
Galia
Jungikliai išjungti0 mA0 V3,74 mA1,5 V5,61 mW
36,5 mA2,830 V14,89 mA1,5 V22,34 mW
28,5 mA2,952 V27,27 mA1,5 V40,91 mW
111 mA2,976 V32,32 mA1,5 V48,48 mW
2+312 mA3,037 V41,93 mA1,5 V62,90 mW
1+313,9 mA3,49 V45,80 mA1,5 V68,7 mW
1+216,5 mA3,122 V60,85 mA1,5 V91,23 mW
1+2+321,5 mA3,179 V77,32 mA1,5 V115,98 mW
* – LED srovė teorinė, matavimui nepasilikau kontaktų
** – įtampa ant kondensatoriaus C1

Va, dabar jau panašiau į teisybę, tiek įtampa ant kondensatoriaus, tiek ir srovės bei galios tolygiai didėja, proporcingai pajungiamam induktyvumui. Kad būtų patogiau grafinis vaizdas:

Mėlyna LED srovė – mūsų teorinė srovė, oranžinė linija – pamatuota maitinimo srovė. Žalia – kondensatoriaus ir tuo pačiu LED, įtampa. Keistas išsišokimas ties 6 punktu (3,49 V) ir sumažėjimas prie 7 punkto (3,122 V), bet čia jau gali būti dėl procesų PN sandūroje, pavyzdžiui, degradacijos, nes srovė jau artėja prie 20 mA, kas LEDui jau gali nepatikti. O geltonasis, naudingumo koeficiento, grafikas yra panašiai toks, kokio reikia tikėtis – aprašymas sako, kad naudingumo koeficientas yra 80 %. Mūsų atveju, bendras visų matavimų vidurkis yra 56,89 %, be pirmojo matavimo, kurio šiaip nereiktų skaičiuoti, nes LED išjungtas, 65,02 %, o vidurkis nenaudojant mazochistinių srovių ir valdikliuko prievartos – 70,41 % (pozicijos 3, 2 ir 1 arba srovės 6,5 mA, 8,5 mA ir 11mA), kas visai netoli aprašyme duotos vertės. Reikia nepamiršti ir galimų paklaidų, matavimo įrangos netikslumų ir panašių dalykų.

Išvada – schemą reikia taisyti, pridedant 1 μF kondensatorių valdiklio įėjime, o šiaip schema veikianti ir galima ją drąsiai naudoti.

Ir paskutinis skaičiavimas – tai kiek gi laikys D tipo baterija prie tokių srovės vartojimų:

SrovėNustatymasTeorinis LED
švietimo laikas (*)
14,89 mA3852 h / 35,5 paros
27,27 mA2465 h / 19,3 paros
32,32 mA1392 h / 16,3 paros
41,93 mA2+3302 h / 12,6 paros
45,80 mA1+3277 h / 11,5 paros
60,85 mA1+2208 h / 8,7 paros
77,32 mA1+2+3164 h / 6,8 paros
* – naudojant straipsnyje rekomenduojamą bateriją, iškrovimas iki 0,8V

2022.06.06

Tolimesni eksperimentai su visokiais diodais parodė, kad PR4401 visgi nėra tokia foolproof arba дуракоустоичивая – su esame schema kartais nepasileisdavo. Bandymai parodė, kad prie 1,5V ir 6,5 mA pasileidžia visais atvejais ir su visais bandytais LED (baltais ir raudonu), su 8,5 mA ir 11 mA pasileidžia tik su baltais, su aukštesnės srovėm pasileido tik su šaltai baltu LED, su šiltai baltu nebe. Spalva ir baltumo temperatūra šiuo atveju ne rodiklis, garantuojantis veikimą ar neveikimą, bet kadangi LEDai šrotiniai neturiu kaip kitaip jų identifikuoti (pavyzdžiui, pagal markę). Pradėjus galimų klaidų ir kitokių neveikimo priežasčių visgi priėjau išvados, kad neveikia dėl:

Ištrauka iš aprašymo

Čia minimas kondensatorius nuo 100 nF iki 1 μF, mūsų schemoje C1 = 1 μF. Talpos sumažinimas iki 470 nF teigiamo rezultato raudonam LEDui nedavė, PR4401 vis dar nenorėjo veikti. Beje, tais atvejais, kai neveikė stipriai sukyla maitinimo šaltinio srovė, net iki 0,2-0,3A, kas šitas schemai yra gerokai per daug. Matyt kažkas užsigeneruoja arba atvirkščiai neužsigeneruoja ir lieka pastrigę ties GND… 100 nF irgi nepadėjo, užtai visiškai be jokio kondensatoriaus užsikūrė ir veikia visais srovės režimais. Todėl schemos universalumui ir tinkamumui visiems LED, kondensatorių C1 pašalinam ir nebemontuojam. Diodas D1 tokiu atveju irgi tampa nereikalingas, bet mūsų schemoje jis liko, sekančiu gamybos etapu bandysim be jo.

Ir pagrindinė tikslinė išvada – net ir siurbiant maksimalią pamatuotą srovę iš baterijos 77,32 mA, ji vis tiek yra ~2,6 karto mažesnė, nei valgytų ta kaitrinė lemputė (200 mA), t. y., baterija gyvens ~2,6 karto ilgiau, plius LED šviesumas nemažės išsikraunant baterijai, kaip būtų su kaitrine lempute.

Leave a Reply

*