01.04.21

[Домашняя]

Несколько лет назад возникла необходимость в специализированном светодиодном фонаре для велосипеда — велофаре. Изучив рынок велофар и протестировав несколько из них, я пришёл к неутешительному выводу, что эффективность доступных решений невысока, а про надёжность даже упоминать не стоит. Поэтому встала задача создания альтернативной конструкции, в которой будут устранены все указанные недостатки и повышена её надёжность. В приобретённой велофаре китайского производства светодиод запитан максимальным током от понижающего импульсного стабилизатора напряжения, а регулировка яркости осуществлялась с помощью ШИ-модуляции в силовой цепи. Недостатками этого устройства были невысокий КПД (не более 80 %) и визуально заметное раздражающее мерцание светодиода при ШИ-модуляции. Было решено использовать, как и в оригинале, распространённый светодиод CREE XML Т6, поскольку при прямом напряжении 2,9...3 В, токе до 3 А и эффективном теплоотводе этот светодиод показывал очень хорошие результаты как по световому потоку, так и по надёжности эксплуатации. Вопрос с мерцанием от ШИ-модуляции также был актуален, поскольку знакомые автолюбители жаловались, что велосипедисты с велофарами, едущие навстречу, мало того, что слепят ярким светом, так ещё фара зачастую заметно мерцает, нагружая и без того уставшие глаза. Поэтому при разработке схемы учитывались следующие условия: высокая эффективность преобразования напряжения с регулировкой по постоянному току вместо ШИ-модуляции и общая простота решения. Схема такого устройства показана на рис. 1.

В качестве преобразователя был выбран высокоэффективный синхронный понижающий стабилизатор серии NCP3170 (DA1). Включение микросхемы — стандартное. Она показала очень высокие результаты на стендовых испытаниях, поэтому выбор пал именно на неё. Для использования этого преобразователя в режиме стабилизации тока последовательно с нагрузкой установлен датчик тока — низкоомный резистор R2, падение напряжения на котором является управляющим сигналом. Для усиления этого сигнала был применён ОУ DA2 в неинвертирующем включении, увеличивающий величину управляющего напряжения до значения, необходимого для нормальной работы входа управления FB микросхемы DA1. Поэтому стало возможным, изменяя коэффициент усиления ОУ с помощью резистора R3, управлять током, протекающим через светодиод HL1. Резистор R5 необходим, чтобы при обрыве или очень высоком сопротивлении резистора R2 не вышел из строя светодиод от чрезмерного протекающего тока. При указанных номиналах ток через светодиод HL1 при изменении сопротивления резистора R3 от 0 до 100 кОм пропорционально меняется от 0 до 2 А. При испытании был получен КПД преобразователя около 92 %. Нагрев элементов, кроме светодиода, практически отсутствует, поэтому печатная плата может быть простой и односторонней. Светодиод размещён на специальной алюминиевой плате, установленной на теплоотводе достаточной площади через любую доступную теплопроводящую прокладку. Микросхему NCP3170 можно заменить на любую другую (понижающий преобразователь напряжения), имеющую вход обратной связи. Предпочтение следует отдавать синхронным преобразователям, как наиболее эффективным с точки зрения КПД. ОУ МСР601 может быть заменён любым другим структуры "rail-to-rail" ОУ с минимальным напряжением питания 2 В. Сопротивление резистора R2 может варьироваться от 27 до 50 мОм включительно, но следует отметить, что меньший номинал обеспечит лучшую эффективность за счёт меньшего падения напряжения в цепи нагрузки при больших токах. Такой резистор можно составить из нескольких параллельно соединённых большего номинала или выпаять резистор требуемого сопротивления из узла управления и зарядки старого аккумулятора от ноутбука. Нужный номинал встречается и на самих платах старых ноутбуков. Остальные резисторы — типоразмера 0805. Конденсаторы применены керамические типоразмера 0805, при отсутствии нужного номинала можно соединить требуемое число конденсаторов параллельно. Дроссель L1 должен быть рассчитан на ток не менее 2...3 А. При самостоятельной разработке печатной платы следует обратить внимание на расположение силовых полигонов для микросхемы NCP3170, приведённое в справочных данных на эту микросхему. Силовые дорожки должны быть как можно шире и короче, чтобы избежать ненужных потерь. Если заменить резистор R3 фоторезистором с большим темновым сопротивлением (например, фоторезистором 5516), поместив его в небольшую трубку и сориентировав соосно световому потоку велофары, можно решить проблему ослепления водителей встречного автотранспорта. Свет фар автомобиля, вызывая засветку фоторезистора, автоматически понизит коэффициент усиления ОУ, и ток в цепи светодиода снизится, уменьшив яркость велофары. Когда засветка от фар автомобиля исчезнет, фоторезистор вновь увеличит сопротивление и ток через светодиод возрастёт — яркость велофары нормализуется. Если этот фоторезистор сориентировать вверх и (или) убрать из трубки, можно получить привязку яркости фары к внешней освещённости — чем светлее на улице, тем меньше яркость фары, и наоборот. В одном из авторских вариантов велофары применён именно этот способ регулировки. Ну и, наконец, заменив резистор R3 переменным резистором, можно получить плавную регулировку яркости велофары или любого светодиодного фонаря с таким узлом управления. Вход разрешения работы преобразователя EN микросхемы DA1 можно отключить от линии питания и управлять с его помощью включением— выключением преобразователя, подключая этот вывод на плюс или минус источника питания. В этом случае вход EN можно "подтянуть" на общий провод через резистор сопротивлением 100...470 кОм, а между этим входом и плюсовой линией питания установить слаботочный выключатель. Положительный момент в таком управлении в том, что отпадает необходимость коммутации силовых цепей. Если подать на вход EN сигнал с какого-либо управляющего устройства, можно получить импульсный режим работы фары, например, формирование сигнала SOS в коде Морзе, и т. д. Печатная плата устройства изготовлена из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, её чертёж показан на рис. 2.

Круглая форма платы и её малый размер обусловлены особенностями корпуса и оптической системы с коллиматором, имевшимся в распоряжении автора. Схема размещения элементов на плате показана на рис. 3.

Велофара в сборе представляет собой неразборную конструкцию, заполненную изнутри термопроводящим клеем "Радиал". Так был достигнут эффективный отвод тепла на корпус фонаря с ребристым теплоотводом в задней части и побочно получена полная влагозащита. Дальнейшее развитие конструкции было поэтапным, и в одном из вариантов выразилось как раз в добавлении фоторезистора взамен резистора R3 в переднюю часть велофары для более эффективного регулирования яркости и экономии энергии источника питания. Фото готового экземпляра велофары показано на рис. 4.

Её с помощью хомута крепят на выносе руля — детали велосипеда, которая соединяет руль с вертикальным рулевым штырём или штоком вилки. Ещё его называют рулевым кронштейном. При таком креплении фара не загромождает руль и не мешает управлению. Единственная имеющаяся степень свободы поворота велофары — в вертикальной плоскости, что позволяет выбрать нужное расстояние освещения дороги, что очень удобно и практично. Авторский вариант велофары работает всесезонно с 2013 г. по сей день без замены светодиода и видимой его деградации.

Радио №11 2019г стр. 48