[lux-rc.com]

Классическая компоновка светодиодного фонаря предусматривает кроме элементов питания - отдельную плату драйвера-регулятора с логикой переключения режимов и "стар" со светодиодом. Совмещенные модули "все в одном" несколько упрощают задачу компоновки, исключают проблему выбора подходящего драйвера, что актуально для начинающего "самоделкина" ну и в целом ведут к более компактному и простому, а значит надежному дизайну. Кроме этого, на общей плате оказывается проще реализовать такую полезную функцию как контроль за температурой диода. Как известно, в отличие от ламп накаливания, светодиодам противопоказана высокая температура.

По большому счету для создания фонаря на основе таких модулей ничего не нужно, кроме корпуса и источника питания. Электроника модуля стабилизируют ток диодов. Якрость свечения не зависит от напряжения питания в рабочем диапазоне. Есть как повышающие схемы, так и понижающие преобразователи. Есть модули, в которых реализованы различные режимы пониженной яркости, программирование, и т.п. Разумеется все модули как правило допускают установку диодов различнных оттенков белого или цветных.

Во всех модулях предусмотрена тепловая защита светодиода. В случае перегрева, схема модуля автоматически уменьшает ток или отключает схему.

Итак, по возрастанию, от простого к сложному и мощному:

L303/L304

С этого все начиналась в далеком 2008м. В 304м использовался когда-то популярный светодиод SSC P4, ток 1А. Один режим. Световой поток - 240 люмен при потребляемой мощности до 4.5 ватт. Диаметр 18мм. Напряжение питания от 3.8 до 18В. Импульсный понижающий преобразователь. Модуль пока в строю. Живет надежой на скорый выход с свет Rolta PD, хотя вполне возможно в центре окажется CREE XM-L

L312

Самый миниатюрный, но достаточно мощный источник света на одном светодиоде CREE XP-G R5. Световой поток - до 370 люмен при размере платы всего 14.6мм. Понижающий преобразователь, входное напряжение 3.8-18В. Режим - только один. В схеме испльзуются только низкопрофильные компоненты и тонкая печатная плата на AL основании (1 мм).

L332MC

Повышающий преобразователь, питающий 3 диода XP-G R5 на плате диаметром 20мм. Общий поток - до 1100 люмен. Мощность 11ватт. Напряжение питания от 4 до 9.5В. Кроме основного режима, в модуле реaлизованы два экономичных режима 20% и 2% яркости. Режимы переключаются либо коротким прерыванием питания, либо нажатием на тактовую кнопку. Удержание тактовой кнопки позволяет плавно регулировать уровень яркости в экономичном режиме или переключаться между сингальными режимами (5 паттернов, включая SOS).

L332ZMC

"Разогнанный" вариант 332го, 16 ватт, 1400+ люмен. Три XP-G R5, ток каждого диода - 1.55А.
Принципиальное отличие от 10-ти ваттного модуля - основа платы из чистой меди. Этот материал обладает существенно более низким тепловым сопротивлением, что позволяет более эффективно использовать потенциал XP-G на больших токах. Кроме этого, монтаж модуля на радиатор может осуществляться прямой пайкой низкотемпературным припоем.

* UPDATE 14 Марта 2011 * Как говорится, "концепция меняется"...
...точнее сказать изменилась довольно давно. Вкратце суть в том, что MCPCB (то бишь плата на метал. основании) - это конечно хорошо, но "маловато будет". Маловато, потому что как ни крути, в промышленном исполнении между тепловым терминалом светодиода и металической основой платы всегда оказывается слой изолятора. И пусть основание хоть из меди, а изолятор тонкий 100мк и какой-нибудь патентованный керамический, все-равно на больших токах градиент великоват. Расчитать его несложно, к примеру в случае с XPG на токе 1.5А получается порядка 60 градусов, что совершенейший беспредел. Кроме этого и с медной платой не все так замечательно. Резать медь сложно и дорого, а штамповка лично меня не устраивает из-за допусков. Кроме этого медная основа выявила еще одну проблему - чистая медь в паре с алюминием активно окисляется. Да и без алюминия процесс окисления идет очень бодро. И что спрашивается делать?

Pешение конечно нашлось, суть его очень простая. Берется вот такая основа:

(золотистая бляшка получена методом открытого штампа из чистой меди, с последующией CNC обработкой). Сочетание CNC и штампа позволяет за относительно небольшие деньги получить хорошую точность и повторяемость. Со всех сторон основа защищена золотом, т.е. электрохимия и окисление меди исключены. Такую бляшку совершенно спокойно можно устанавливать в алюминивый корпус фонаря. И самое главное, это видно на картинке, в местах установки светодиодов на бляшке есть "пеньки". Тепловой терминал светодиода будет паяться напрямую на медную основу, таким образом будет обеспечен безупречный тепловой путь почти с нулевым градиентом на любом токе. Электроника платы никуда не денется, она останется на поверхности. Задержки с выходом связаны с патентными заморочками.

L332-RGB
Эксперимент, вместо трех белых в модуле работают три цветных светодида (красный, синий и зеленый) для создания эффекта более высокго CRE. Такой модуль адекватно работает только с frosted оптикой, но эффект очень забавный, думаю может быть интересно декоративщикам а также любителям необычных вещей. В любом случае EDC с таким источником нигде замечен не был.

L333 (New!)

В новом триплете постарался учесть все замечания, недоработки предыдущего и включить максимум хотелок для будущего. Форм-фактор в точности сохранен, влючая расположение паза, хотя модуль стал заметно сложнее. Что нового:

• Улучшен алгоритм переключения режимов, переключение и включение стало мягким (экспонента) и без вспышки на пониженной яркости.
• Добавлена защита от переполюсовки. Хотя большинство фонарей оснащены механической защитой, исключающей неправильную полярность, как показал опыт - это совсем нелишняя функция. Признаюсь честно, пару модулей я спалил сам, случайно перепутав провода. Хотя стараюсь быть предельно внимательным. Итак, проблемы больше нет.
• Появился полноценный stand-by, благодаря чему модуль может быть всегда подключен к питанию. Отпала необходимость использования сильноточных выключателей, кроме этого удалось полностью стабилизировать яркость на пониженных режимах во всем диапазоне входных напряжений (от 3 до 9.6 вольт).
• Благодаря наличию stand-by можно говорить, что у фонарей на базе этого модуля может быть память. Дело в том, что в режиме stand-by несмотря на очень низкое потребление тока (микроамперы) микроконтроллер сохраняет все настройки и помнит последний режим. Сборос памяти произойдет только если "долго" менять батарейки. В течение 20-30 сек модуль помнит настройки даже будучи отключенным от питания.
• Master-Slave интерфес позволяет каскадировать модули. Один мастер может управлять работой нескольких слейвов. Ниже есть пример фонаря с тремя модулями - это как раз этот случай.
• На плате появился мелкий красный светодиод. Просто индикатор. В стенбае он сигнализирует об остаточном заряде аккумуляторов.
• Плату пришлось переразводить практически с нуля, поэтому заодно поработал над уменьшением теплового сопротивления. Площать фольги позволяет надеяться что эффективность будет еще лучше. Сatch диод заменен, теперь вместо шотки работает а-ля МОП-транзистор. Характеристика у него очень интересная - активное сопротивление в прямом смещении сильно падает с ростом температуры - это ну очень хорошо для моего случая. Так что кроме улучшения температурого режима светодиодов я добился чуть более высокого КПД преобразователя.
• Ну и самое пожалуй вкусное для производителей фонарей - у модуля появился ISP интерфейс и программатор-тестер. Теперь можно заливать свой софт, апгрейдить прошивку. Есть мысль сделать это через инет. Модуль мелкий и места для стандартного разъема не нашлось. Поэтому для программирования понадобится специальный холдер. Он же оснащен собственным довольно мощным МК который тоже можно программировать для тестирования плат, есть возможность контролировать ток, яркость светодиодов, наличие замыкания на корпус, симулировать нажатие на кнопку и прерывание питания.

Описание на русском не вполне понятной процедуры оформления заказа на изготовление кастомного модуля.

Ссылка на анимированные бимшоты разных вариантов оптики с разными светодиодами. На фото - тропинка в зимнем партке Тропарево. Ближе к лету добавлю другие серии.

Про надежность... тут в пару предложений не уложишься. Мы стараемся сделать так, чтобы наша электроника не подвела. Даже когда ситуация "за рамками" нормы.
Мы их жарили в печи несколько суток,

мы их морозили,

мы их даже утопили.

Да, утопили голую плату и заставили работать под водой. Мы не хотим, чтобы вы использовали силовые выключатели. Они - слабое звено. Поэтому электронный выключатель уже встроен в плату. Но если все-таки что-то не получилось, не заработало, заглючило - быстро заменим и исправим.

Проектирование фонаря с интегрированным модулем как показала практика - простое и достаточно востребованное занятие. К сожалению лично у меня до этого руки не доходят, да и по большому счету если хочется сделать что-то хорошо, приходится себя ограничивать в разнообразии занятий. Поэтому пока я занимаюсь драйверо-строительством, наши зарубежые товарищи создают корпуса. Очень бы хотелось когда-нибудь скооперироваться с "отечественным" производилем, в вариантах сотрудничества я никак не скован, но пока я работаю почти исключительно "на заграницу".


1. Тактические фонари Oveready, USA (www.oveready.com) уже почти год используют нашу электронику. Очень высокое качество металла, покрытие terakote - у меня есть один такой, действительно покрытие очень твердое. Модули L332/L333 устанавливаются в P60 дропины ($149 за дропин)


2. Модульный фонарь Мoddoolar - это наш совместный продукт с лабораторией www.torchlab.com - понятный и качественный "конструктор" для ценителей хорошего света






2. MC Customs (www.macscustoms.com), производят кастомные EDC с нуля и мощные 30-ти ваттные дропины из трех модулей.



МАG 3300L - кластер из трех модулей, собранных в топологии master-slave. Расчетный поток превышает 3000 люмен, мощность что-то около 35вт

Бимшоты 3300L - http://www.candlepowerforum...



3. Lummi (www.Lummi.co.uk) - "Apple" среди EDC, очень стильно и очень прогрессивно. На видео ниже оригинальный подход к правлению фонарем. Вполне оправдан, кстати. Я бы не хотел чтобы мой ребенок случайно засветил себе в глаза такой игрушкой. К сожалению первая партия была весьма скромной - мне не досталось.

http://vimeo.com/16652434


4. Ну и на дессерт - полуфабрикат от Matthewm CPF, корпус за разумные деньги для пары модулей. Корпус делался универсальным, т.к. допускает установку обычных кластеров и всем известного отдельного драйвера (http://www.candlepowerforum...)


В своем блоге я иногда обновляю что удается найти в инете на эту тему
http://lux-rc.com/view.php?...

[Admin]

Спасибо за интересные разработки.

[lux-rc.com]

не за что. Я обновил топик, медь уже в серии.

[lux-rc.com]

в свободную минутку препарировал 332й. За пару месяцев собрал все замечания в кучу и вот получился такой квазимодо



по картинке и так понятно что новенького, но все же перескажу

1) убрал вспышку между переключениями режимов (если прерывать питание). проблема была все-таки в "железе" и пришлось "лечить" паяльником

2) добавил защиту от "блин, перепутал полярность, че делать???". Конечно не задаром, нo удалось подобрать мелкий MOSFET 0.035 ом, так что потерь что-то около 1% и это терпимо. Но для настоящих маньяков не знающих страха оставлю на плате возможность поставить шорткат дабы не терять драгоценные милливаты мощности на такие глупости, как защита.

3) добавил таки ключ "от перелива". Пробовал ставить ключ в цепь токоизмерительного резистора - в таком раскладе КПД не страдает ни на йоту, т.к. активное сопротивление FET в открытом состоянии становится частью R sense и все вроде бы хорошо. Но есть момент - схемка получается не очень простой из-за необходимости защиты входа SENSE регуля. Внимательно смотрел переходные процессы в цепи обратной связи и нашел одну бяку, которую исправил ценой еще 4 деталей. И вот думаю теперь над дилемой. Либо смириться с 50мв потерь (0.5% от общей мощности), либо ломать голову над тем, как в 20мм запихнуть еще 4 детали. Да, чуть не забыл сказать зачем этот ключ. Теперь в софте можно прописать полноценный stand-by и управлять светом всего одной мелкой кнопкой. Нет теперь нужды коммутировать большие токи, использовать мощные тумблеры, тем паче, что потерь в них все-равно больше, чем в электронном ключе

4) Появится интерфейс master-slave для масштабирования модулей. Без синхронизации нет гарантий, что все модули будут работать в одном режиме.

5) Появился монитор питания. Пока он мне нужен для более надежной коммутации режимов, но в принципе без доработки платы и дописав чуток софт можно будет сделать монитор батареи с защитой от переразряда, автоматичским снижением яркости и т.п.

Обновил сводную табличку по тому что есть что быть может случится

 
Тип   Статус       Размеры,   Мощность,  Напряжение        Тип светодиодов   Тип оптики           Максимальный 
                  мм         ватт       питания и тип                                            теоретический
                                        регулятора, В.                                           поток (без оптики),
                                                                                                 люмен
L30x  Готов        Ø 17.9     4.5        3.8-12 buck       1x SSC P4 U3      20mm коллиматор      240
L31x  Готов        Ø 14.6     4.5        3.6-12 buck       1x XP-G (E)       15мм коллиматор      350
L32x  Октябрь'10   41 x 22    7-11*      2.7-6.6 boost     2x XP-G (E)       19мм рефлектор       930
L33x  Готов        Ø 20       10.5-15.5* 3.5-9.6 boost     3x XP-G (E)       3x 10мм коллиматор   1400
L34x  Октябрь'10   Ø 25.4     13.5-21*   2.7-6.6 boost     4x XP-G (E)       4 x 15мм коллиматор  1860
L37x  Октябрь'10   Ø 39       23.5-33*   11-22 boost       7x XP-G (E)       7 x 15мм коллиматор  3000
L3Dx  Октябрь'10   Ø 65       40-62*     9-18 boost        12x XP-G (E)      12 x 15мм наборный   5500
                                                          коллиматор 
 
* Модули доступны в двух вариантах - стандартной мощности на алюминиевом основании (1А) 
 и повышенной мощности на медной основе (1.4-1.5А)

[MrHot]

Интересует решение на меди.





На каком тепловом сопротивлении вы остановили свой выбор (или проще - какой материал выбран в качестве изолятора) ?
Вы веть не можете технологически припаять подложку LED к медному основанию напрямую. Хотя медь, в отличие от Al позволяет это сделать, и сделать это - прямо аж руки чешутся
Т.е. мне интересно - два тепловых перехода, это проклятие когда-нибудь можно преодолеть, или это навечно ?

[Letchik]

оу... агде купить и сколько стоит?

[lux-rc.com]

 Сообщение от MrHot :

На каком тепловом сопротивлении вы остановили свой выбор (или проще - какой материал выбран в качестве изолятора) ?

материал как в случае с алюминием - полиамидная смола с наполнителем на основе оксидов цинка и алюминия - 150-50 микрон, теплопроводность 1.5-3 W/mK по даташиту, что в общем укладывается в рамки понятия очень хорошей теплопроводности для изоляторов с низкой емкостью. Лучшие показатели у составов на основе суб-микронных частиц серебра (типа Arctic Silver epoxy), но даже в этом случае не превышает 7.5 W/mK, но такой материал нельзя считать изотятором, он не годится даже для монтажа элементов на плате.

 Сообщение от MrHot :

Вы веть не можете технологически припаять подложку LED к медному основанию напрямую. Хотя медь, в отличие от Al позволяет это сделать, и сделать это - прямо аж руки чешутся

 Сообщение от MrHot :

Т.е. мне интересно - два тепловых перехода, это проклятие когда-нибудь можно преодолеть, или это навечно ?

не вижу в этом большой проблемы. Припаять к основанию при желании конечно можно, но это не укладывается в технологию и для серийной сборки не годится. Хороший результат достигается на более толстой фольге (35-70мк) и увеличением площади поверхности фольги, на которую остановлен heat sink диода методом SMT. Есть риск внести паразитную емкость, поэтому лучше изолировать эту поверхнось от электрических цепей.

простой пример. если под светодиодом оставить фольги только на sink, т.е. 4.5 мм^2, то исходя из средней теплопроводности 2.5, толщины изолятора 100мк и тепловой мощности 7ватт мы получим падение около 70 градусов, что конечно совсем плохо. Но если под светодиодом сделать совсем мелкую "гантельку" 5x5мм, то падение окажется уже в пределах 15-20 градусов (теплопроводность меди на 2 порядка больше изолятора, т.е. при малых размерах "гантельки" можно считать, что температура ее примерно одинакова во всех точках). Как всегда важнее оказываются детали. Мало выбрать материал - куда важнее его правильно использовать.

по поводу медного основания, если считать, что тепловой поток равномерно "размазан" по всей площади платы, то эффект меди никакой роли не играет. Расчетное падение что с медью, что с алюминием - в пределах одного градуса. Но на самом деле тепло излучается в трех концентрированных точках платы, в этом случае медь позволяет равномернее распределить поток по объему и это очень хорошо сказывается на том, чтобы потом этот поток передать через границу медь-радиатор. Кроме этого, в перспективных дропинах медь будет наглухо паяться низкотемпературным припоем к корпусу дропина, тут она все конкуренции.

[lux-rc.com]

 Сообщение от Letchik :

оу... агде купить и сколько стоит?

это секретные военные технологии . не продается и стоит как самолет. нет, как два самолета

[MrHot]

 Сообщение от lux-rc.com :

не вижу в этом большой проблемы. Припаять к основанию при желании конечно можно, но это не укладывается в технологию и для серийной сборки не годится.

Так, даже если не серийно делать - как это сделать ?
Делать заказ фрезеровки куска меди ? Делать некий выступ, на котором должен "висеть" LED ?
А то веть получится, если не фрезеровать - то LED какбы ляжет мостиком на фольгу и его Thermal Pad зависнет в воздухе. И обеспечить тепловой контакт уже нормально не удастся. Если только не подсовывать полоску меди под этот самый Thermal Pad или "лить" олово в этот зазор.
Зазор ещё и придётся как-то освобождать от изоляционного материала... В общем - головняка тонна выходит.
Я просто рассматриваю варианты как изготавливать руками единичные теплоотводы для LED. Просто интересно, как можно было бы извратиться.

 Сообщение от lux-rc.com :

в перспективных дропинах медь будет наглухо паяться низкотемпературным припоем к корпусу дропина, тут она все конкуренции.

А корпус дропина будет тоже из меди ? Или будет лужение Al ?

[vaska]

 Сообщение от lux-rc.com :

Есть риск внести паразитную емкость, поэтому лучше изолировать эту поверхнось от электрических цепей.

Чессгря, проблемы не вижу, более того, - это, скорее, возможность добавить "быструю" емкость к выходному фильтру, ведь подложка традиционно сидит на земле.

 Сообщение от lux-rc.com :

Но если под светодиодом сделать совсем мелкую "гантельку" 5x5мм, то падение окажется уже в пределах 15-20 градусов (теплопроводность меди на 2 порядка больше изолятора, т.е. при малых размерах "гантельки" можно считать, что температура ее примерно одинакова во всех точках). Как всегда важнее оказываются детали. Мало выбрать материал - куда важнее его правильно использовать.

Именно поэтому, услышав от технологов про сложности в изготовлении, я не стал заморачиваться на медную основу. Семидесятимикронная фольга, растаскивающая тепло по поверхности, решает проблему и почти сводит на нет преимущества медного основания, а совмещение термопада по печати с одним из электродов избавляет от того, чтобы конфигурить неоптимальные по теплопроводности "гантельки". Ты, кстати, и сам, вроде, не боялся гальванически объединять брюшко с одним из электродов.

[MrHot]

 Сообщение от vaska :

ведь подложка традиционно сидит на земле.

Это в каких диодах она на земле ?
Вроде бы она нейтральна.

 Сообщение от vaska :

Семидесятимикронная фольга, растаскивающая тепло по поверхности, решает проблему

Тогда схему с кучей деталей некуда втыкать. Вот и "гантельки" трэба...

 Сообщение от vaska :

Ты, кстати, и сам, вроде, не боялся гальванически объединять брюшко с одним из электродов.

А вчём была суть боязни ?

[vaska]

 Сообщение от MrHot :

Это в каких диодах она на земле ? Вроде бы она нейтральна.

Я писал про ПП и ее подложку.

 Сообщение от MrHot :

А в чём была суть боязни ?

Я отреагировал на это:

 Сообщение от lux-rc.com :

Есть риск внести паразитную емкость, поэтому лучше изолировать эту поверхнось от электрических цепей.

Ну и на "гантельку", поскольку при совокуплении брюха с одной из ножек "гантелька" уже не получается.

[lux-rc.com]

 Сообщение от vaska :

Именно поэтому, услышав от технологов про сложности в изготовлении, я не стал заморачиваться на медную основу. Семидесятимикронная фольга, растаскивающая тепло по поверхности, решает проблему и почти сводит на нет преимущества медного основания, а совмещение термопада по печати с одним из электродов избавляет от того, чтобы конфигурить неоптимальные по теплопроводности "гантельки". Ты, кстати, и сам, вроде, не боялся гальванически объединять брюшко с одним из электродов.

дык я в том же духе и продолжаю, так что вполне могу расчитывать на от силы 10 градусов падения. Я нашел вариант ламината с более тонким изолятором и с k=2.8-4.5. А медь...она мне больше нужна для пайки на медный корпус дропина, хотя был бы тепловизор - было бы интересно посмотреть картинку распределения тепла на обратной стороне платы в случае с AL и CU. Можно к бабке не ходить - с медью картинка будет куда более равномерной, тут свою лепту добавит существенно большая теплоемкость меди.

[vaska]

 Сообщение от lux-rc.com :

тут свою лепту добавит существенно большая теплоемкость меди.

Вообще-то теплоемкость алюминия в разы больше теплоемкости меди, так что именно по этому параметру она ему проигрывает.

[lux-rc.com]

однако.. я по бытовой привычке связывал этот параметр с удельной плотностью, но нет, ошибался. действительно в 2 с лишним раза...

в общем придется вернуться к исходным требованиям, которые к счатью проще контролировать, чем тепловые процессы в разнородной среде.

цель была - добиться большей эффективности - по этому и будем оценивать целесообразность использования меди и прочих идей.

[vaska]

 Сообщение от lux-rc.com :

действительно в 2 с лишним раза...

Не все так страшно Теплоемкость - величина, завязанная на массу, а в нашем случае "таблетки" разные по массе. Если же перерассчитать удельную теплоемкость на единицу объема, то из двух одинаковых по размеру таблеток медь отберет тепла в полтора раза больше алюминия.

[andory]

 Сообщение от lux-rc.com :

был бы тепловизор - было бы интересно посмотреть картинку распределения тепла на обратной стороне платы в случае с AL и CU

Ну это все косвенные измерения. Почему впрямую не измеряете температуру перехода ? 1-2 град. точность- реально получена почти в домашних условиях. А уж эффективность подложек с СИД сравнить- делать нечего, было-бы что сравнивать. Тепловое сопротивление конструкции в целом (от кристалла до среды) успешно мерял.
Меняю методику на модули!!! Шутка, конечно, методику вышлю всем желающим, если надо, тут лабораторные опыты никому не интересны.

[MrHot]

 Сообщение от andory :

Почему впрямую не измеряете температуру перехода ? 1-2 град. точность- реально получена почти в домашних условиях.

Смело делайте тему на эту тему..(масло-масляное получилось...)
Чего держать это в тайне - не пойму ?!

[MrHot]

Добавил тему, в ней одна из методик. Довольно трудоёмкая...

[andory]

 Сообщение от MrHot :

Чего держать это в тайне - не пойму ?!

Да нет никаких тайн. Напряжение СИД имеет отрицательный температурный коэффициент. Задался вопросом- до какой температуры среды смогу использовать свой сид с радиатором. Получил прямой ответ, в градусах- при 70 коробочка вполне работоспособна... С понятной погрешностью. До этого имелись только приблизительные оценки, вилами на воде. Если lux-rc.com, vaska или кто-либо еще захочет мерять, в сборе, свои конструкции- пожалуйста, а кому не надо, тому и ни к чему.
Еще. Посчитать температуру и посмотреть 3D можно в солиде, но это уж совсем не сюда.