Самодельная светодиодная фара от VORON, вариант 2

После нескольких поездок с самодельным освещением (см. предыдущую статью) и использования его в различных условиях, вплоть до зимнего ПВД, стало ясно, что первоначальную схему освещения необходимо усовершенствовать. Выявился ряд нюансов эксплуатации, незаметных с первого взгляда:

Пытаться удовлетворить изменившимся требованиям путем модернизации существующей фары оказалось невозможно, поэтому было принято решение создавать новую конструкцию с нуля.

Изначально эта статья планировалась, как обычное описание процесса сборки фары, но в процессе работы обнаружилось, что использование регулируемого драйвера имеет свои нюансы, исследованию которых и оказалась в основном посвящена эта статья. Кроме того, здесь проводится анализ эффективности фар с разным количеством светодиодов и ведутся размышления о целесообразности использования в фаре тех или иных светодиодов. За пошаговым описанием процесса сборки отсылаю к предыдущей статье, а здесь я буду лишь отмечать нюансы, отличающие новые фары от предыдущих.

Блок управления

Собирается на основе двух драйверов Luxdrive 3021-D-E-1000 со следующими параметрами:

В качестве корпуса используется готовая пластиковая коробочка из "Чип-и-Дипа". Входной разъем - 2,5х5,5 мм, выходные - 3,5 мм моно. Для фильтрации возможных наводок и исключения "дребезга" входного разъема на вход установлен электролитический конденсатор 220 мкФ/50 В. Отдельного выключателя нет - можно или отключить питание на самом аккумуляторе, или установить нулевой ток на диодах. Установлен тумблер, позволяющий подать 1000 мА в одну из фар независимо от текущего положения регулятора - это позволит "мигать" дальним светом. Выключателя на самом блоке не имеется, т.к. предполагается использование выключателя на аккумуляторе.

При тестировании собранного блока управления оказалось, что заявленная производителем регулировочная характеристика вида I(R)=R/5 - принципиально неверна. Уже на половине хода реостата достигалась максимальная яркость, а регулировка тока в районе 100-200 мА оказалась затрудненной - поворот движка на считанные градусы вызывал изменение тока в 2 раза. Поскольку многодиодные фары работают именно в области малых токов, эти особенности заметно осложняли использование фары.

Путем несложных расчетов по тем же спецификациям производителя (конкретно - по графикам зависимости тока от напряжения на входе CTRL) была выведена и экспериментально подтверждена другая формула, с точностью от 2% до 8% аппроксимирующая уровень выходного тока:

I(R)=-0,35*(5*1000/(R+1000))+1,35,

где 5 В - напряжение на выходе REF, 1000 Ом - импеданс входа CTRL, I - выходной ток в амперах, R - регулировочное сопротивление в омах.

Как видно по графику, заявленная регулировочная характеристика действительно отличается от реальной и непонятно, что заставило производители внести в спецификацию настолько упрощенную формулу. Также видно, что для полноценной регулировки требуется использовать реостат на 3-4 кОм с логарифмической характеристикой.

По результатам теста в домашних условиях был сделан вывод о том, что плавная регулировка тока для 4-диодной фары не требуется, т.к. ступенчатая регулировка позволяет более точно контролировать потребляемую мощность. В связи с этим, схема блока управления была переработана с тем, чтобы обеспечить 4-ступенчатое регулирование мощности.

SW3=0 SW3=1
SW1=1 1000 мА 345 мА
SW1=2 475 мА 165 мА
Для экономии количества тумблеров было решено использовать переключатель с 2 контактными группами (SW3), который подключает параллельное сопротивление (напомню, R1||R2=R1*R2/(R1+R2)) и таким образом одновременно переключает обе фары между режимами высокой и низкой мощности. SW1 и SW2 переключают уровни мощности в рамках каждого режима. В таблице приведены расчетные уровни тока при использовании различных сочетаний переключателей для верхнего драйвера. Для нижнего драйвера значения аналогичные.

Таким образом, нам доступны следующие значения суммарного тока фар: 165, 330, 510, 690, 950, 1480 и 2000 мА - что дает практически линейную по яркости регулировочную характеристику. Результаты анализа эффективности фары приведены в таблице:

Примечания:
1 - с учетом КПД драйвера;
2 - для диодов c бином W;
3 - относительно фары на 4 диодах со сходным световым потоком;
4 - для фары на 1 диодe;
5 - для фары на 2 диодах;
6 - ориентировочное, с использованием аккумулятора ~25 Вт*ч (8хАА по 2700 мАч или 3 Li-Pol банки по 2200 мАч).

На рисунке представлена зависимость эффективности фар от светового потока для различного количества используемых диодов. Как видно по графику, увеличение количества диодов позволяет значительно повысить КПД фары - в 1,5 раза для двух диодов и в 2 раза для четырех. Фактически, мы вплотную приблизились к эффективности ламп "дневного света" и ксеноновых фар, при этом оставив далеко позади лампы накаливания. Очевидно, переход к еще большему количеству диодов (6-8) позволит повысить КПД до еще больших величин, но при этом придется использовать источники питания с большим напряжением, что ощутимо увеличит себестоимость фары (ориентировочно, изготовление фары на шести диодах обойдется в 2000 руб. + 5000 руб. за аккумулятор и ЗУ). Кроме того, значительно возрастут габаритные размеры излучателя.

В процессе закупки компонентов пришлось поменять схему уже во второй раз. Переключателей с двумя группами контактов не было, но зато были трехпозиционные. В результате недолгих раздумий родилась схема, представленная на рисунке. Как видно, каждая фара имеет по три различных уровня мощности (предполагается, что дальний свет должен светить мощнее, но можно и наоборот. Кроме того, третий переключатель позволяет включить обе фары одновременно или же только одну из них - эта возможность отсутствовала в предыдущей версии.

Фара с развернутыми диодами

Используется уже привычная для меня схема с двумя последовательно включенными диодами Edixeon EDSW-KLC8, коллиматорами EDOL-AA15-M14 и входным разъемом типа 3,5 мм моно. Отвод тепла осуществляется радиатором высотой 30 мм (заштрихован на чертеже), при этом 5 мм отрезаются ножовкой (что требует определенной внимательности). Для увеличения эффективности к основному радиатору приклеивается еще 2 маленьких (на чертеже не показаны). Корпус выпиливается из алюминиевого проката квадратного сечения 25х25х1,6 мм, при этом требуется сделать всего 3 пропила ножовкой.

Для расширения светового пучка диоды разворачиваются относительно продольной оси: в горизонтальной и в вертикальной плоскостях для ближнего и дальнего света соответственно. Как видно на чертеже (приведен для фары ближнего света), алюминиевые проставки клиновидной формы приподнимают край диода на 2 мм, что дает его отклонение от продольной оси на 5°. Суммарное расхождение пучков получается около 10°, что позволяет получить диаграмму направленности овальной формы 15х25°.

При работе выяснилось, что сделать клин площадью с весь диод (20х20 мм) практически невозможно, поэтому пришлось вытачивать напильником клин 10х20 мм, а зазор между подложкой и радиатором - компенсировать увеличенным количеством термоклея.

Определенные проблемы вызвало размещение коллиматоров в корпусе - они банально не помещались внутри отрезков профиля. Пришлось приклеивать диоды максимально близко к внутренней стенке корпуса, а держатели коллиматоров - сильно стачивать напильником. Еще одна особенность процесса изготовления - проточку в профилях для размещения головки винта следует делать до момента склеивания профилей между собой. В противном случае придется работать дрелью вместо простого круглого напильника. Однако в целом, фара получилась весьма простой в изготовлении по сравнению с предыдущими вариантами - при желании, ее можно сделать за 4 часа.

Фара дальнего света имеет ту же самую конструкцию корпуса, но для нее было решено использовать два коллиматора на 15° и 10° (EDOL-AA10-M13), причем более узконаправленный излучатель направлен чуть выше (использован один 2 мм клин - дает расхождение в 5°) - он подсвечивает "дальнюю" часть светового пятна 15° коллиматора и обеспечивает более равномерный пучок света, менее подверженный тускнению с увеличением расстояния. На рисунке представлены ненормированные диаграммы направленности при различных углах расхождения пучков, толстыми линиями выделены используемые варианты.

Держатель на руль

Предыдущая версия держателя оказалась весьма сложной как в изготовлении, так и в эксплуатации. На изготовление одного держателя уходило 4 часа, что совершенно неприемлемо. Новая конструкция держателя использует другой принцип - на руль устанавливается готовый хомут для дюймовых труб (покупается в "Метизах"), к нему приклеивается эпоксидным клеем пластина из 3-мм алюминия, к которой привинчивается сама фара. Резиновая прокладка только одна - между хомутом и рулем, причем для ее изготовления нужно просто отрезать 1,5-см кусок от велокамеры и разрезать его поперек. Таким образом, крепление изготавливается всего за полчаса, выглядит элегантно, закрепляется на руле максимально просто. В то же время, фару в любой момент можно снять, открутив 1 барашек.

Пути улучшения конструкции

Среди фароделателей бытует миф о том, что светодиоды Edixeon EDSW-KLC8-B3, продаваемые в "Планаре", имеют бин "W", что соответствует световому потоку в 160 лм при 700 мА. Это можно предположить из маркировки диодов в прайс-листе: "EDSW-KLC8-B3-W1W3V03/ star, W". Но, скорей всего, это не так: буква W - это не бин, а сокращение от "white". Точно так же буквы WW в обозначении диодов EDSX - сокращение от "warm white". Таким образом, нам остается только доверять спецификациям на KLC8, в которых указано, что типичное значение светового потока - 80 лм при 350 мА.

Если рассчитать зависимость светового потока от потребляемой мощности для различных типов диодов, то получится график, представленный на рисунке. Точки соответствуют значениям при 200, 350, 500, 700 и 1000 мА. Видно, что хотя "холодный" EDSW-KLC8 и выигрывает у "натурально-белого" Seoul, но последний может оказаться и более эффективным за счет своего спектра, в большей степени соответствующего возможностям глаза (глаз в лучше воспринимает "теплый" белый цвет, чем "холодный").

Таким образом, на момент написания статьи наиболее высокую эффективность показывают диоды Seoul P4. Причем вопрос выбора между "холодным" pure white и "теплым" natural white остается открытым, учитывая различие в их яркости. Можно предположить, что зимой и на асфальте более эффективны "холодные" диоды, а летом - "теплые". Это можно объяснить тем, что зимой чаще приходится освещать снежно-ледяное покрытие, которое лучше отражает "холодную" часть спектра, а летом - грунт, хорошо отражающий "теплые" компоненты.

Еще один способ увеличения эффективности фар - переход с линз диаметром 20 мм на 26,5-миллиметровые. Это немного увеличит габариты и стоимость фар, но, по отзывам, такие линзы имеют меньшие потери и, кроме того, имеется вариант с диаграммой направленности в 5,2° (зато нет 15-градусных). Причем для перехода на такие линзы потребуется всего лишь купить 30-мм профиль, а конструкция фары останется неизменной (даже упростится, т.к. не потребуется укорачивать радиаторы на 5 мм).

Hosted by uCoz