Eще раз о подсветке из светодиодной ленты

Всем привет! Скоро начинается новый сезон, хотя (посмотрел за окно) на первый взгляд вроде и не скажешь, и в его преддверии хочу поделиться тем, как последние несколько месяцев я следовал пословице про "телегу зимой")
Подготовка "телеги" заключалась в поиске новых возможностей ставить на ролики красивую и надежную подсветку. Думаю, каждый, кто так или иначе занимался этим вопросом, обращал своё внимание на светодиодные ленты.

На первый взгляд, это идеальный вариант: все уже собрано, спаяно и защищено влаго- и пылеустойчивым покрытием (кому интересно, оно характеризуется двумя цифрами, например IP65; "6" означает полную пыленепроницаемость, "5" — защиту аж от соленых морских волн, и такие показатели для светодиодных лент — не редкость), и даже имеет клеевую основу для быстрого и удобного монтажа. Ленту можно резать на сегменты необходимой длины (как правило, с шагом по 3 светодиода) по предназначенным для этого линиям. Недостаток у них один — для их питания нужен 12-вольтовый источник напряжения. Можно, конечно, подключить 9-вольтовую "крону", но:
— у "кроны" очень маленькая емкость, и одной батарейки едва хватит на полноценную ночную покатушку;
— светиться лента будет не  на 25% слабее (казалось бы, 9/12=0,75), а хорошо если вполовину своей нормальной яркости, так как у светодиодов нелинейная характеристика ток-напряжение.

Как же можно получить нужные 12 вольт?

• Собрать батарею из восьми пальчиковых (АА) или "мизинчиковых" (ААА) батареек. 8х1,5В=12В. Насколько это дико, судите сами :) А факты вот. Масса АА батарейки 23 грамма, ААА - 12 грамм. Батарея из первых будет весить 184 грамм без учета корпуса, из вторых — 96 грамм (для сравнения: Nokia 3303i весит 98 грамм). По мере разряда напряжение батареек будет снижаться, а вместе с ним и яркость.
  Это решение — "в лоб" и особых сложностей вызвать не должно. Единственное, что потребуется — это все-таки припаять провода к самой ленте. Все материалы добываются в магазинах радиодеталей (только не ходите в "Чип и Дип", там дерут совершенно бессовестно) и на "Юноне" (недалеко от входа есть крытая "радиолюбительская" площадка). Батарейки в таких количествах обойдутся от 100 до 300 на один 12-вольтовый блок. Хватить их должно надолго: один сегмент ленты (те самые 3 светодиода) потребляет примерно 20 мА. Емкость батареи выйдет порядка 2000 мАч, то есть  один сегмент ленты будет работать 100 часов, два сегмента — 50 часов, и т. д.
  Личное мнение: плохо себе представляю, как возить все это на ногах, но для рюкзака — почему бы и нет.
• Полноценный свинцово-кислотный аккумулятор небольшой емкости. Например, Delta DTM 12008. 800 мАч хватит на ночь (есть еще 1200 мАч, но он за полкило весит, так что это уже для велосипеда, наверное). Вес у него 340 грамм, что минимум в этой линейке. Только в рюкзак, без вариантов. Для зарядки подойдет устройство для автомобильного аккумулятора. По массе чуть  тяжелее, чем первый вариант, но аккумулятор, обеспечивающий до тысячи циклов заряда-разряда, очень быстро себя окупит.
• Некоторые предлагают использовать 12-вольтовые батарейки от автобрелока. Мизерная емкость, высокая цена. Не вариант.

Собственно, все вышесказанное является лишь подготовкой к основной идее этой статьи.
Идея такова: использовать светодиодную ленту, но с небольшим количеством (2..4) пальчиковых аккумуляторов или батареек.
Напрямую лента от такого источника (2,4..4,8 вольт) работать, разумеется не станет,  для этого нужен импульсный повышающий преобразователь напряжения (DC/DC voltage converter). Принцип его работы я не смогу объяснить лучше, чем это сделано вот на этой замечательной странице

Кратко повторю изложенное по ссылке здесь.
Управляющий маломощный сигнал открывает ключ (его функцию выполняет транзистор). Ток начинает идти от "+" батареи через индуктивность и ключ на "–" батареи (на землю). Сопротивление индуктивности и открытого ключа мало, поэтому этот ток большой. Затем тот же сигнал закрывает ключ, и ток не может ни уйти на землю, ни прекратиться, так как индуктивность стремится его поддерживать. Поэтому ток идет в выходной конденсатор, заряжая его до нужного напряжения. После того, как конденсатор подразрядится, цикл повторится. Заряду выйти из конденсатора через ключ, когда тот снова откроется, не дает диод, пропускающий ток только в одном направлении.
Основой преобразователя, как и сказано на странице по ссылке, является микросхема. Выбор был остановлен на линейке MAX1522/MAX1523/MAX1524 американской компании Maxim Integrated. Она очень проста для монтажа (корпус SOT-23) и подключения и требует всего 7 дополнительных элементов.
Рассмотрим контакты микросхемы.

GND Земля. Подключаем к "минусу" батареек.
FB (FeedBack) Обратная связь с выходом преобразователя; с помощью этого контакта микросхема "наблюдает" за получаемым напряжением, соответствует ли оно требуемому значению.
EXT Управляющий сигнал, который открывает и закрывает ключ в схеме. Равен либо входному напряжению (сколько предоставят батарейки), либо нулю (земля).
SET Подключая к "плюсу" или "минусу" батареек, выбираем форму управляющего сигнала, а именно его скважность,  50% или 85%. В первом случае ключ будет открыт половину времени, во втором — 85% периода открыт и 15% периода закрыт.
SHDN Сигнал, включающий и выключающий микросхему. В нашем случае не используется и просто подключен к "плюсу".
Vcc Питание микросхемы. Микросхема работает при входном напряжении от 2,5 до 5,5 вольт. Будет меньше — не сможет выдать нужное напряжение на выходе, будет больше — сгорит.
Как видите, ни с большим током, ни с высоким напряжением микросхема дела не имеет, что хорошо: меньше риск повредить ее внутренние цепи.

Что же конкретно делает эта микросхема?
Прежде всего, она измеряет напряжение на выходе нашего устройства. Внутри нее есть точный источник опорного напряжения — 1,25 вольт. Выходное напряжение микросхема, регулируя частоту управляющего сигнала, старается сделать таким, чтобы небольшая его часть была равна опорному напряжению.

По схеме: на последовательно включенных резисторах R1 и R2 падает полное напряжение UВЫХ. Падение напряжения на резисторах R1 и R2:

U_R1=(U_ВЫХ х R1) / (R1+R2);

U_R2=(U_ВЫХ х R2) / (R1+R2).

Короче, обычный делитель напряжения (кто в школе прогуливал физику — читайте Википедию). Номиналы резисторов R1 и R2 подобраны таким образом, что в рабочем режиме (U_ВЫХ=12В) напряжение на R2 равно опорному напряжению. Если падение напряжения на резисторе R2 больше опорного, это означает, что и выходное напряжение выше необходимого. Тогда микросхема уменьшает частоту импульсов, выходной конденсатор начинает разряжаться чуть быстрее, чем получает новые порции энергии, и выходное напряжение снижается. И наоборот: если U_R2<1,25, то выходное напряжение нужно повысить: микросхема увеличивает частоту импульсов, а с ней — количество энергии, поступающей в конденсатор.

На схеме есть еще один конденсатор, меньшей емкости. Он служит для стабилизации напряжения, питающего микросхему; помехи через него уходят сразу на землю.
На основе схемы нужно было создать печатную плату. Размеры всех элементов позволили втиснуть всё на квадратик со стороной 20 мм, и еще осталось место для 4 проводов: два от батареек и два — к ленте.

После сборки плата выглядит так:

Работа с нагрузкой, ток 140 мА:

Использовались следующие компоненты:

•     микросхема MAX1523;
•     индуктивность CDRH104NP-330MC;
•     полевой транзистор IRLML0030TRPbF;
•     диод MBRX120;
•     керамический конденсатор 22 мкФ (выходной);
•     керамический конденсатор 10 мкФ;
•     резистор 51 кОм;
•     резистор 430 кОм

Теперь можно немного посчитать и убедиться, что мы не пытаемся обмануть закон сохранения энергии.
В одном NiMH аккумуляторе заключена энергия, равная:
2700 мАч х 1,2 В = 3,24 Втч
В трех аккумуляторах:
3,24 х 3 = 9,72 Втч
Для светодиодной ленты с 60 светодиодами на метр производителем заявлена мощность 4,8 Вт/м,  это 0,08 Вт на один светодиод.  Лента из двенадцати таких светодиодов потребляет:
0,08 х 12 = 0,96 Вт
Потребляемый ток:
0,96 Вт / 12 В = 0,08 А
КПД схемы, по данным производителя чипа, составляет примерно 85% (при первичном питании 4,5..5 В — 90%).
Прикинем время:
9,72 Втч х 0,85 / 0,96 Вт = 8,6 часов
На ночь должно хватить.
(Собственно, бокса с тремя аккумуляторами мне и раньше хватало на ночь для работы подсветки на обычных, колбовых светодиодах.)

Кстати, почему именно 4,8 Вт/м? Дело в том, что ленты отличаются еще и по внутренней схеме. В основном, используются светодиоды типоразмера 3528 и 5050 (размером 3,5х2,8 мм и 5х5 мм соответственно). Второй тип почти всегда содержит в себе ТРИ излучающих кристалла, и ленты на их основе потребляют 0,24 Вт на светодиод (на первой картинке именно такая лента). Выбирая количество сегментов ленты для подсветки, об этом нужно помнить и быть уверенным, что емкости батарей хватит, чтобы их прокормить.
А схемы выглядят так:

Это схема одного сегмента ленты, с которой изначально предполагалось использовать преобразователь.

А вот так выглядит схема для сегмента более мощной ленты. Как видите, в каждом сером прямоугольнике-светодиоде размещены три кристалла. Да-да, они могут быть разных цветов, и тогда это уже RGB лента, цвет которой можно менять, подключая к источнику напряжения разные каналы; например, если запитать синий и зеленый, а красный оставить, то свет будет голубым. Это сделано для универсальности: во время производства на одну и ту же ленту можно напаять как одноцветные диоды с тремя одинаковыми кристаллами, так и RGB-светодиоды.

Понятно, что схему не всегда можно разглядеть, да и ленты часто выпускаются с непрозрачным покрытием медных дорожек. Так что смотрите на количество резисторов: если на одном сегменте ленты  их установлено три — это лента с потреблением 0,24 Вт на диод (если лента одноцветная), если один — то 0,08 Вт.

____________
Автор: TeCHno
2013 г

Еще по теме:

• Обсуждение на форуме: Подсветка роликов
• статья: Светодиоды и подсветка роликов
• статья:  Подсветка из светодиодной ленты.