Modificare / upgrade lanterna la LED - cateva consideratii

[Dxxx]

S-a repetat cate un astfel de subiect in aceasta rubrica, si inevitabil initiatorul dorea ceva imposibil... de aceea nici nu am tras vreodata concluzii.

In plus pe privat am fost intrebat despre acest subiect de catre un coleg.

Asa ca deschid o discutie despre ce si cum este de  facut, deci fara referire la un caz concret.

 

1. Simplu, ieftin si rapid - nu exista astfel de solutie

 

Cum spuneam, multi intreaba... si aproape invariabil "se ofilesc" si renunta.

Sa pui un led in lanterna poate fi considerat simplu... dar trebuie ca ledului sa-i asiguri alimentare si racire corecta - simplu de spus, mai greu de facut.

Un led necesita alimentare in curent constant... nu esti in situatia care li s-a fixat unora, cu inlocuirea unui bec, cu altul - pentru ca "are aceeasi tensiune".

 

Deci daca ne apucam de asa  ceva trebuie sa stim ca vom avea nevoie de timp, cunostinte si abilitati practice atat pentru electronica cat si pentru mecanica. In plus nu vom iesi chiar ieftin daca dorim un rezultat bun.

 

2. Baterii

 

Primul aspect practic este legat de bateriile folosite.

Daca asta inseamna si adaptare la alta "incapsulare" a bateriei, deja se pune mult accent pe prelucrarea mecanica.

Daca bateria este pe lista de lucruri "mostenite" de noua lanterna, deja viata ni s-a simplificat considerabil.

 

Oricum o lanterna este utila atat timp cat are o autonomie acoperitoare.

In mare parte, cand dorim autonomie buna cuplata cu greutate si volum reduse, ajungem la solutiile cu densitate energetica mare, iar asta insemna practic chimia litiu-ion.

Mai este si aspectul autodescarcarii reduse, cred ca este mare avantaj sa iei din sertar lanterna incarcata cu un an in urma si inca sa fie utilizabila...

 

Deci, pentru un upgrade cred ca folosirea bateriilor cu litiu este foarte probabila.

 

Concluzie: trebuie ca lanterna sa functioneze cu tensiuni 2,5-4,2V  sau multipli.
 

3. LED

 

In general "lumea" lanternelor a ramas fixata pe ledurile emitter si Cree este cel mai apreciat producator.

O fi din vina marketingului, o fi din vina lipsei de cunostinte - insa in mod clar sunt disponibile si alte variante, cu atractivitate mai mare.

 

Insasi ideea de a folosi curenti mari, de cativa Amperi, pentru ca altfel nu poti sa obtii mai multa lumina... mi se pare o prostie. Curentul mare este incomod de transportat si are pierderi mari... deci ar fi de evitat.

Eu sunt avocatul tensiunilor cat mai mari, asta inseamna jonctiuni inseriate...

 

Mai ar fi de discutat si problema indicelui de incarcare:

- energia din baterie trebuie utilizata cat mai economic, de aceea acceptam numai randamente mari.

- ca sa ai eficente mari, trebuie indice de incarcare mic, oricum sub 30% din maxim, dar in multe cazuri coboram spre 10%.

- da, astfel de indici de incarcare pot depasi sau sunt chiar la limita la care cromaticitatea este afectata, insa in majoritatea cazurilor autonomia primeaza fata de cromatica.

 

4. Driver

4a

Vad o mare tentatie, chiar si de la cei care pricep cum este cu curentul constant de a incerca legarea directa a ledului la baterie.

Da, este superb randamentul de 100%, probabil si costul zero.

Dar este groaznic pretul platit:

- trebuie mare supradimensionare, macar de 10 ori, deci un led emitter de 5W va putea fi folosit la maxim 0,5W... si puteri mai mari nu prea se pot.

- luminozitatea va varia drastic cu starea de incarcare a bateriei.

- conectezi o baterie mai buna decat prevazut = ardere imediata a ledului, pentru ca tot ce limiteaza curentul este rezistenta interna a bateriei, daca restul montajului este corect dimensionat...

Deci asa-ceva nu se face.

 

4b

Driverul trebuie sa fie in comutatie (deci un driver activ care masoara si mentine la fix aceasi valoare curentul).

Asta este clar.

Insa avem o problema:

- la un indice de incarare sub 30% intervalul de tensiune pentru un led alb bun este tipic in jur de 3V.

- orice driver are un drop-out, o pierdere de tensiune.

- daca folosim un singur element litiu, atunci am concluzionat ca utilizam 2,5-4,2V.... insa alocand sa zicem minim 0,3V pentru drop-out inseamna ca intervalul nostru de tensiune pe led este 2,2-3,9V (despre Rs, mai jos).

Din cate vedeti bateria poate sa aiba tensiune si mai mare / si mai mica decat ce trebuie sa dea in sarcina.

Intr-adevar exista si drivere buck-boost... dar ar fi de preferat ca simplitate si randament un driver simplu  buck sau boost.

 

Si mai avem o problema:

- in general ICurile cu care construim driverul in comutatie au o intrare cu un comparator a carui referinta este 1,25V. Sunt insa unele intergrate cu referinta de valoare mai mica, dar nu coboara sub 0,6V.

- nu ne permitem ca rezistenta de sesizare (Rs, amintita mai sus) sa aiba direct o cadere de 1,25V daca sarcina necesita 3V pentru ca pur si simplu ne omoara randamentul... iar daca dorim putere mai mare... rezistenta trebuie sa disipe 40% din ce disipa ledul...

- putem amplifica tensiunea de pe Rs.

- insa mai simplu si mai elegant este sa modificam tensiunea de iesire, in favoarea unor valori mari... eventual conjugat cu o tensiune pe referinta  comparatorului mai mica (vezi concluziile practice)

 

5. Racire

 

Racirea trebuie sa asigure Tj sub 85 grade (tipic).

Daca cu puteri mici ne descurcam usor, atunci cand trecem de 0,5W deja trebuie sa asiguram drenajul caldurii spre carcasa lanternei, si evident ca aceasta trebuie sa fie metalica.... mai ales daca inchiderea este etansa.

 

6. Concluzii practice

 

Si atunci chiar nu avem nici o solutie acceptabila?

Hai sa vedem cateva:

 

Solutia 1

Led emitter 3-5W/ cu o rezistenta serie de limitare de valoare mica (de la 1 Ohm in sus) si cu baterii subdimensionate.

- pentru puteri foarte mici, zeci sau sute de mW.

- nu punem direct fara driver, aia este nerational.

- bateria prea buna si prea incarcata ne arde ledul... insa imediat ce tensiunea scade, scade si luminozitatea.

- insa solutia va da lumina comparabila cu un bec incandescent, va consuma mult mai putin, si este ieftina si usor de realizat.

 

Solutia 2

Folosim un driver boost impreuna cu un led cu doua jonctiuni inseriate sau 2 leduri emitter in serie (circa 6V).

- folosim o singura baterie li-ion

- bucla de masurare a curentului o facem cu scaderea tensiunii unei diode in conductie, incat sa nu ne afecteze randamentul prea mult.

- este o solutie buna, dar tot numai pentru puteri mici, probabil sub 1W.

- practic cu un led Edison de 6V plus un driver cu MT3608 convertim o lanterna veche cu bec cu incandescenta obtinand randament (autonomie) de peste 10 ori mai mare si lumina mai multa. Cost foarte mic.

 

Solutia 3

Folosim mai multi elementi inseriati, iar tensiunea respectiva o marim cu un driver boost.

- cu 2-3 elementi litiu-ion in serie avem deja o tensiune mai mare.

- un driver tot cu MT3608 ne permite sa ridicam tensiunea si pana la 25V.

- ledurile pot fi fie un grup de leduri serie fie un COB de tensiune mai joasa, sau doua COBuri de 9 sau 12V inseriate.

- comparatorul are referinta de  0,6V asa ca in acest caz deja tensiunea respectiva este cu mica importanta.

- putem sa mergem pe puteri de cativa Watti buni.

- costul este mic pentru leduri si driver.

 

Solutia 4

Folosim aceeasi solutie de mai sus insa cu COBuri normale.

- COBurile de ~36V pot fi alimentate cu un driver construit in jurul unui integrat XL6009.

- chiar daca comparatorul are referinta de 1,25V, la tensiunea asta nu prea mai conteaza.

- pentru un randament bun trebuie sa avem cel putin 3 celule li-ion inseriate, dar cu cat mai multe (pana la 8 celule) cu atat mai bine.

- costurile pentru driver si COB sunt in continuare scazute.

- se pot depasi puteri de 10W, mai ales daca bateria depaseste 20V. Asta poate sa insemne peste 1500 lumeni, mai mult decat un bec cu incandescenta de 100W.

Editat Februarie 28, 2019 de Dxxx

[catalin85]

La 28.02.2019 la 1:01, Dxxx a spus:

COBurile de ~36V pot fi alimentate cu un driver construit in jurul unui integrat XL6009.

Cam ce amperaj poate scoate acest integrat XL6009?Avand in vedere faptul ca un led de 36v 50W are un consum de aproximativ 2A (1,6 imi arata mie aparatul de masura) ?Si cam cat ar rezista 2 baterii de 12v 100A inseriate adica alimentand XL6009 la 24 V ce consum as avea din baterii?

[Dxxx]

Eu nu ma refeream la reflectoare... si asa, ce am spus eu, adica 10W este foarte mult...

 

XL 6009 poate fi luat ca modul de la amicii chinezi. Impreuna cu piesele aferente NU reprezinta o solutie peste 500mA, ba as zice ca nu recomand peste cei 10W pentru un COB normal, asta inseamna 275mA (U=~36V).

Vorbesc de curentul debitat pe COB.

Ideal este ca bateria sa fie cu o tensiune cat mai apropiata de a COBului... atunci randamentul este maxim, deci ideal 8 elementi inseriati.

Integratul rezista fara probleme direct cum este el, la ce am spus eu, cu iesire 275 mA.

 

Si asa aveam in vedere o lanterna mare, cu un numar mare de elementi li-ion in serie.

Sa zicem 6 elementi (18-25,2V in functionare) - la 2200mAh ai avea o autonomie de cel putin 4 ore. Daca trebuie mai mult te gandesti la cate 2 elementi in paralel si 8 in serie.

Lanterna ar fi marisoara, dar inca destul de portabila, gandindu-ne cat este de mare si grea o baterie de laptop de 6 elementi.

Insa problema care poate modifica mult greutatea este legata de racire, 10W pe COB necesita probabil racire activa ca sa economiseasca la greutate.

 

Oricum si o lanterna de 10W este marginala, nu vad cine are in mod real nevoie de 1500lm in portabil.

Eu am dat exemplul ca sa acopar un diapazon mare.

Insa realist ceva de 5W efectiv si bine peste 500lm  ar merge pe racire pasiva si nici nu vad la ce trebuie in mod UZUAL mai mult.

 

In plus citeste ce am spus mai sus, la indicele de incarcare: 10-30%

Deci ledul tau de 50W este recomandabil sa fie alimentat la 5W, si atunci probabil ca poti si depasi cei 150lm/W cu tot cu driverul, daca este un COB bun.

Adica la acel COB nu folosesti decat 150mA...

 

Nota: aici vorbesc de valori credibile, fara legatura cu cele din reclamele cu 20.000 lm dintr-o lanterna cu un singur element 18650...

Editat Martie 1, 2019 de Dxxx