Česká zemědělská universita v Praze LED svítilna s 1W LED LuxeonStar/O Fakulta: Technická Vypracoval: Kotek Petr Semestr: Letní 2008
Cíl projektu: Tento dokument slouží jako tecnicá dokumentace k stavbě praktického projektu LED svítilny. Tuto úlohu jsem si vybral z důvodu, jelikož podobné LED svítilny se v ČR moc často neprodávají a pokud ano jejich cena je velice vysoká. Mým cílem bylo vytvořit efektivní řízení LED diody s co nejizšimi ztrátami a vysokou účinností. Dále s vestavěnými akumulátory s možností dobíjení. Z tohotu důvodu jsem vloil pro řízení procesor PIC12F675 a Step-Down měnič. Schémata a další informace budou popsány dále v projektu. Pouzdro pro baterie bylo vytvořeno z běžně dostupných materiélů (hliník/ dural) zakoupen ve www.ferona.cz a opracován doma na soustruhu, který vlastním. Jelikož nevlastním frézku, snažil jsem se vystačit jen se soustruhem a stojanovou vrtačkou. Nakonec bylo pouzdro opatřeno vrstvou modrého eloxu. Vlastní konstrukční řešení: Zdroj je sestaven ze zdroje referenčního napětí, step-down měniče a řídícího procesoru. Step-down měnič dodává výstupní proud 350mA. Referenční napětí je použito v měniči a k napájení procesoru, který řídí měnič a hlídá napětí zdroje napájení. Zdroj se zapíná dlouhým stiskem tlačítka +, vypíná dlouhým stiskem tlačítka -. Režimy svícení se mění krátkými stisky tlačítek, případně jejich současným stiskem. Stav baterie je indikován LED diodou skrz světlovod na zadním víčku. Vstupní veličiny: Zdroj napájení: 4x AA akumulátory 1,2V nebo 1,5V alkalické baterie Odběr ve vypnutém stavu: max. 10µA Nouzový režim: 3,8V / max. 50mA Vypínací napětí: 3,5V (ochrana před vybitím akumulátoru) Výstupní veličiny: Výstupní proud: 350mA +- 10mA Účinnost: min. 80% Doba nabíjení: 4h Doba svícení: min.7h (max. intenzita) + 0,5h (nouzový režim)
Provedení: Přední a zadní víčko LED svítilna před povrchovou úpravou
LED - Luxeon na chladiči, pouzdro pro baterie a dvě desky plošných spojů s elektronikou Provedení v AutoCAD
Schéma zapojení Z důvodu omezeného místa v pouzdře pro světelný zdroj bylo nutné rozdělit zapojení na dvě části (desky plošných spojů). Desky jsou mezi sebou propojeny šesti spoji. Obrázek 1: deska A
Obrázek 2: deska B
Obrázek 3: Schéma zapojení programovacíhop kabelu Popis funkce Zdroj pro LED Luxeon se skládá z několika funkčních bloků. Na desce A se nachází řídící procesor a ovládací tlačítka. Na desce B je zdroj referenčního napětí 2,5V a step-down měnič, který se skládá z komparátoru, tranzistoru FET, budiče tranzistoru, LC filtru a bočníku pro měření proudu diodou. Řídící procesor U1 je napájen z referenčního napětí 2,5V. Na pinu 3 snímá napětí baterie a porovnává jej s referenčním napětím. Dělič R6 R7 přizpůsobuje napětí baterie (4x alkalická 1,5V => max. 6,6V) na 2,5V. Kondenzátor C2 filtruje zvlnění, ke kterému dochází na tranzistoru T1 v důsledku různého odběru proudu na Ucc. Tlačítko SW1 přivádí napájení na Ucc, po jeho uvolnění již řídí napájení na Ucc procesor prostřednictvím T1. Tranzistor T2 odděluje procesor od napájecího napětí a zabraňuje zapnutí zdroje při programování procesoru. Rezistor R5 nahrazuje chybějící pull-up rezistor v procesoru, který se na portu GP3 (pin 4) nenachází. LED D1 slouží jako kontrolka stavu baterie. Rezistor R8 omezuje proud diodou přibližně na 2mA. Kondenzátor C1 filtruje napájecí napětí procesoru. Zdroj referenčního napětí je řízen obvodem U2, který je napájen přes R9, který zároveň budí bázi T3. Rezistor R10 a dioda D2 mají ochranou funkci při programování mikroprocesoru, kdy rezistor omezuje proud do reference U2 (programovací napětí procesoru je 5V) a dioda zabraňuje napájení komparátoru z programovacího napětí. Děličem R11 R12 R13 se nastavuje proud, který má téct diodou Luxeon. Jeho dělící poměr spočítáme z požadovaného proudu diodou a odporu bočníku, který je složen z paralelní kombinace R21-R28. Bočník má tedy odpor 1Ω/8 = 0,125Ω. Napětí na bočníku při proudu 350mA je 0,125Ω * 0,35A = 43,75mV. R11 R12 = [2,5V/(0,125Ω*I)-1]*R13 = 4800/I-240. Rezistory R11 a R12 jsou paralelně z důvodu možnosti přesnějšího nastavení požadované hodnoty. Pokud diodou Luxeon teče méně proudu než je nastavená hodnota, je na výstupu komparátoru log. 0 a T4 T5 T7 jsou sepnuty. Při překročení nastaveného proudu komparátor překlopí výstup do vysoké impedance a tím dojde k vypnutí T4 T5 a sepnutí T6, který urychluje vypnutí T7. Rezistor R19 udržuje T7 zavřený, když je zdroj vypnutý. Filtr R20 C5 odstraňuje špičky vznikající při spínání a rozpínání T7. Zapnutí měniče se povoluje log. 1 na emitoru T4. Pokud je na emitoru log. 0, je T4 T5 vždy uzavřený, T6 otevřený a T7 uzavřený. Změnou střídy signálu na emitoru T4 lze řídit jas diody Luxeon. Aby při programování nedošlo k nekontrolovanému zapnutí diody Luxeon, je jasový signál veden přes programovací konektor a při programování je tento signál od tranzistoru odpojen. Po naprogramování se spojí piny 5 a 7 na programovacím konektoru zkratovací propojkou. Obvod není odolný proti přepólování baterie!! Na ochranném obvodu by vznikal zbytečně úbytek napětí. Při přepólování by došlo ke zničení D4 T7 C6 a pravděpodobně i C8 a diody Luxeon, protože má malé závěrné napětí. Maximální napájecí napětí je 10V. Toto omezení je dáno kondenzátorem C6, který se v použitém pouzdře a dané kapacitě s větším napětím nevyrábí. Větší pouzdro by se nevešlo na plošný spoj. Nabíjení akumulátorů probíhá přes konektor na desce A. Aby nedošlo k záměně konektorů a připojení adaptéru nabíječky do nabíjecího konektoru, má nabíjecí konektor větší průměr středního kolíku a adaptér nelze připojit. Při připojení nabíječky je zapnutí zdroje pro Luxeon blokováno kontaktem v nabíjecím konektoru, který odpojí řídící procesor od napájení. Tím je zabráněno odběru proudu z baterií a ovlivnění nabíjecího cyklu, kdy průběžně dochází k měření napětí a při zatížení baterií by došlo k ovlivnění tohoto měření. Nabíjení je prováděno pomocí procesoru MC33340 a jeho doporučeném katalogovém zapojení. Tato nabíječka není předmětem této práce.
Seznam součástek Reference Hodnota Pouzdro Označení GM electronic R1 R2 R3 R4 R5 R19 47kΩ SMD 0805 R0805 47K R6 18kΩ SMD 0805 R0805 18K R7 10kΩ SMD 0805 R0805 10K R8 R9 300Ω SMD 0805 R0805 300R R10 1kΩ SMD 0805 R0805 1K R11 130kΩ SMD 0805 R0805 130K R12 15kΩ SMD 0805 R0805 15K R13 240Ω SMD 0805 R0805 240R R14 R15 R16 R17 1,6kΩ SMD 0805 R0805 1K6 R18 2,2kΩ SMD 0805 R0805 2K2 R20 100Ω SMD 0805 R0805 100R C1 C3 C4 10nF SMD 0805 CK0805 10N C2 10µF/16V SMD A CTS 10M/16V A C5 100pF SMD 0805 CK0805 100P C6 100µF/10V SMD C CTS 100M/10V C C7 C9 100nF SMD 0805 CK0805 100N C8 22µF/16V SMD B CTS 22M/16V B L1 100µF TL.SC75F 100uH D1 LED 3mm LED 3MM RED 3000/20 D2 D3 BAT54 SOT23 BAT54 SMD D4 SK24A SMA SK24A SMD D5 Luxeon Star/O L-LXHL-NWE8 T1 T4 BC857C SOT23 BC857C T2 T3 T5 T6 BC847C SOT23 BC847C T7 IRF7304 SO8 IRF7304 SMD U1 PIC12F675 SO8 PIC12F675-I/SN U2 TL431 SO8 TL431 SMD U3 LM393 SO8 LM393 SMD SW1 SW2 2x přepínací P-TURBO CN1 Zásuvka 2,5mm HEBG25 CN2 CN4 Konektorové kolíky S1G20 +Ub Ub Ucc 2.5V GND Konektorové kolíky 90 jen piny bez plastu S1G20S Obrazce plošných spojů
Rozmístění součástek Detaily plošných spojů Vyhodnocení stavu baterie: 1. úroveň upozornění (1 bliknutí kontrolní LED): 4,2V 2. úroveň upozornění (2 bliknutí kontrolní LED): 4,0V Nouzový režim (stálé svícení kontrolní LED): 3,8V Vypnutí: 3,5V
Výpočet tuhosti postavené baterky Pouzdro tvaru trubky D := 0.045m d := 0.039m Z materiálového listu σ := 110000000Pa ( ) π S := D 2 d 2 = 3.958 10 4 m 2 4 F := σ S = 4.354 10 4 m kg s 2 g = 9.807 m s 2 m slona := F g = 4.44 10 3 kg Závěr Při konstrukci této svítilny jsem vycházal z běžně dostupných materiálů a to jak pro stavbu pouzdra tak pro stavbu zdroje pro LED Luxeon. Při vizualizaci v AutoCAD programu jsem si mohl nejdříve ověřit zda bude možná konsrukce a koncepce, kterou jsem navrhl a poté v praxi vytvořil jako projekt. Doufám, že svým projektem jsem Vás zaujal a v příloze ještě uvádím výpis souboru intel hex pro případné nahraní firmware do procesoru pic.
Přílohy: Program pro procesor ve formátu Intel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
:1003900027020318CD29A70ACF292614A7019330D5 :1003A0003A020318DC290330A5000530260503199D :1003B0008516031D851208009A303A020318E929B0 :1003C0000130A5000130260503198516031D85128D :0A03D00008008516A501A60108002B :02400E00C43FAD :00000001FF