Двухрежимный стабилизатор тока стоп/габарит для светодиодных автомобильных ламп

Автор: KomSoft, kom_soft@ukr.net
Опубликовано 13.04.2017
Создано при помощи КотоРед.

Довольно часто приносят автомобильные светодиодные лампы, которые изготовлены красиво, но радостно сгорают. Их потроха состоят из собственно светодиодов, резистора (типа светит "габарит") и диода (типа светит "стоп"). Это из дешевых - а дорогие мне в руки не попадали, возможно сделаны качественней.

Следовательно, хочется их по возможности малой кровью улучшить. В интернете гуляет масса схем, подобных вот этим:

Эти схемы без стабилизации тока. Первая стабилизирует напряжение, вторая на "стоп" тоже стабилизирует напряжение, а на "габарит" добавляет к нему ШИМ. Неплохо, но LD1084 дороговат, а вторая содержит многовато деталей.

Существует простой линейный стабилизатор тока

Вот от него мы и оттолкнемся и попробуем запихнуть это в цоколь лампы P21/5W, не забыв про нагрев элементов стабилизатора. Рисуем схему:

Диоды VD1, VD2 развязывают сигналы "стоп" и "габарит", транзисторы Q1 и Q3 образуют стабилизатор тока, транзистор Q2 переключапет режимы.

Минимальное напряжение бортовой сети принимаем 12В. Светодиоды собираем в матрицу (кластер) с напряжением как можно ближе к 10В, чтобы меньше уходило на нагрев схемы. 2 вольта оставляем на цепочку VD1/VD2+Q1+R5/R4.

При подаче напряжения на B(Break/Тормоз) транзистор Q2 открыт, напряжение канала близко к 0 и ток стабилизации определяется резистором R5.

При подаче напряжения на T(Tail/габарит) Q2 закрыт и - ток стабилизации определяется суммой резисторов R4+R5.

Самый тяжелый с точки зрения нагрева режим будет "стоп", когда стабилизируется максимальный ток. Особенно, если это летом по жаре в пробке. Габарит светит неярко, а поворотник мигает - поэтому в этих режимах будет полегче.

О выборе деталей:

Диоды шоттки должны выдерживить максимальный ток светодиодов (до 1А) и напряжение 20-40В.

Резистор R5 выбирается по формуле R5 = 0.7 / I_B, т.к. при нажатии на тормоз Q2 открывается и почти все напряжение (0,7В) падает на R5, а еще немного на Q2 (зависит от сопротивления канала, см. ниже). Его мощность на токах до 1А достаточно 1Вт или 0,5Вт на токах до 0,6А. I_B - желаемый ток в режиме стоп.

Резистор R4 выбирается по формуле R4 = 0.7 / IB - R5, по желаемой яркости всетодиодов для габаритов. Скорее всего подобрать опытным путем. Его мощность достаточно 0,125Вт.

Транзистор Q2 работает в ключевом режиме, поэтому рассеивает малую мощность 0,05Вт, сопротивление канала в открытом состоянии должно быть как можно меньше. Должны подойти IRML0030, IRML2030, IRML6344.

Транзистор Q1 должен рассеивать относительно большую мощность 1-2Вт, сопротивление канала в открытом состоянии не столь актуально, поскольку за счет него все и работает. Должны подойти IRFL014, IRFL110, IRFL410, IRFL4105, IRFL4310, IRFR320, IRLL2703, IRLL2705, IRLR024, IRFU310. Корпус SOT-223, мощность 1Вт, Rds = 0.16.

Транзисторы выбирались по этим критериям и минимальной цене.

В целях минимизации цены и места можно попробовать сборки IRF7301, IRF7303 и IRF7341 - мощность 2Вт, Rds = 0.05, корпус SO-8.

Схема моделировалась в Протеусе - LED-IStab.DSN. Ниже приведена таблица токов, напряжений и мощности при напряжении бортовой сети 16В, падении на светодиодах 9В и разном токе через светодиоды. Результаты приблизительные, но дают понятие о порядке величин для выбора элементов.

Это все была теория, которая прикидывалась давно, а практика как всегда внесла свои коррективы.

 Практическая реализация.

С известных торговых площадок заказано по сотне светодиодов (на одну лампу нужно до 40 шт в зависимости от цвета/тока/напряжения). Заказаны белые 5630, желтые 5050 и красные 5050.

Параметры у них заявлены такие:

 Или по другой табличке:

К сожалению желтые и красные светодиоды разочаровали - обладают намного меньшей яркостью, чем белые. Но у них меньше рабочее напряжение, поэтому их можно поставить больше.

При разводке платы пришлось пойти на компромис и немного упростить схему, а именно - убрань стабилизацию на габариты (на односторонней плате не помещалась в габариты цоколя, а двухстороннюю плату делать не хочется, так как стоит задача сделать максимально просто). Такой компромис приводит к тому, что при изменении напряжения (оборотов двигателя) будет немного меняться яркость, но максимальный ток превышен не будет, что отвечает поставленым требованиям. При этом экономятся 2 элемента (убираются два резистора и транзистор, а добавляется один резистор). Если делать только одноконтактные "лампочки", то можно собирать на той же плате, не впаивая D1, R6, R7, а D2 заменить перемычкой. А можно еще сэкономить, разведя плату только под нужные детали. Резисторы R6-R7, R9-R10 стоят парами, чтобы не превышать рассеиваемую мощность. В расчетке дается общее сопротивление (т.е. при установке двух резисторов параллельно его нужно умножить на 2).

Вот расчет (скриншот) для 8 столбцов по 5 красных светодиодов 5050 с заявленым потоком 10-15лм при токе 60мА (20 на каждый светодиод) и падением напряжения 2,1В. Резистор 1R58 (просто таких было много - спаяны с плат жестких дисков) дает расчетный ток 380мА на все, т.е. 47,5мА на столбец или 16мА на диод. Ток стабилизации выбран таким, чтобы при перегорании (или потере контакта) одной линейки он не превысил максимальный ток светодиодов. Т.е. при сборке из 8 линеек выбирает рабочий ток чуть меньше 7/8 от максимального. Мощность на транзисторе стабилизатора - 0,8Вт, перегрев транзистора стабилизатора - 50°.

Ток начинает стабилизироваться от 13,4В. Реально при включении (прогреве) снижается от 400мА до 360мА.

В габариты установлены резисторы R6, R7 по 62 Ом. При габаритах ток меняется от 80мА (при 13В) до 120мА при 15В, соответственно меняется и яркость, но не сильно.

Визуально при установке в фару яркость габарита примерно соответствует, а яркость в режиме стоп/поворот немного меньше, чем у желтого поворотника 21Вт.

После 20 мин. непрерывной работы при 15В греется до горячего (светодиоды и транзистор), при напряжении 14,5В - светодиоды горячее, чем транзистор (на транзисторе палец держать можно).

Второй вариант собран со светодиодами 5630 (150мА/55лм). По даташиту зависимость линейная, т.е. при токе 75мА будет около 27лм. Падение напряжения: 20мА - 3,08В, 50мА - 3,4В, 100мА - 3,9В. При 3*8=24 светодиода будет ок. 650 лм - очень даже неплохо.

Теория почти воплощена в практику, начинаем колхозить!

Плата стабилизатора имеет такой вид, размеры 1300*500 mils, т.е примерно 32,5*12,5мм

Платки для светодиодов приведены в конце статьи в формате .lay. При сборке светодиоды нужно устанавливать плюсом к цоколю, тогда плату драйвера можно будет впаять штырьком вверх в плату светодиодов. Так выглядят спаяные платы - 8 линеек, торец и плата стабилизатора. Последовательно со светодиодами я впаял резисторы ом по 10, чтобы немного балансировать токи. Для светодиодов 5050 резисторы впаяны на торцевой плате.

Прямоугольная (а не трепецивидная) форма линеек (лепестков) обеспечит вентиляцию элементов стабилизатора. Для сборки применяется высокотехнологичное вспомогательное устройство, изготовленное из картона, диаметр тонкой части - 14мм. Это диаметр верхней (развернутой) части цоколя, при этом платы становятся на горизонтальную часть цоколя. Толстая часть бумажной гильзы служит для упора, она на 2-3 мм больше. Дополнительным элементом является резинка.

Теперь закрепляем платы по окружности резинкой и по очереди отводя, вставляем торцевую часть. Не с первого раза получается, но достаточно просто. Затем (не снимая резинку) выравниваем. 

Запаиваем г-образными скобами (создавая электрический переход) и пропаиваем аноды (резисторы) по окружности, создавая общий плюсовой контакт и закрепляя другой конец конструкции. Нижние площадки не трогаем! Они служат для припаивания к цоколю, а это минус! Получается достаточно жестко. Спокойно снимаем с оправки и нижний торец ровняем об наждачку.

Предварительно проверив, подпаиваем плату стабилизатора, ее нижний конец одеваем в термоусадку, чтобы он не коротил о цоколь.

Следует заметить, что вид цоколя сбоку везде нарисован неправильно! Правильный вид цоколя соответствует картинке, где лампа с колбой и выступ направлен к нам (второй слева). На соседнем рисунке (нижнем) - уже неправильно, а на верхем - верно! Т.е. если смотреть на лампу так, что левый боковой выступ выше, а правый - ниже, то на дне нет правого и левого контакта, а есть ближний и дальний. Ближний (верхний) - СТОП, дальний (нижний) - ГАБАРИТ.

Подпаиваем "анод" лампы (провод по окружности) к стабилизатору, еще раз проверяем, впаиваем стабилизатор в верхний торец лампы (катоды светодиодов). Теперь 4-мя U-образными скобами припаиваем нижние площадки (через одну) к цоколю, не замыкая цоколь с "анодом"!

Результат изготовления приведен в таблице.

*При нагреве конструкции (светодиодов и стабилизатора) ток стабилизации уменьшается.

Размеры ламп получились чуть болше стандартных (по диаметру - на 4 мм), а на светодиодах 5050 длинее на 6 мм, но у меня встали без проблем. 

При установке в автомобиль видно, что WarmWhite 5630 габарит-поворот в режиме габарита светит ярче, а в режиме поворотника - нормально. Т.е нужно увеличивать резистор R6-R7, чтобы была более заметна разница при переключении (на фото вверху - режим габарит, внизу - поворот/аварийка).

Задние габариты/стопы не фотографировал, но могу сказать, что мне субъективно у собраной на красных светодиодах лампе яркости не хватает. Но у красных светодиодов приятнее свечение, что на мой взгляд лучше, чем ставить белые и надеяться на светофильтр.

P.S. Светодиодные лампы отходили с весны до осени (в смысле, что летом по жаре) без приключений. Машинку не ругайте, она свое отъездила честно, но к сожалению осенью улетела в лучший мир..., оставив лампочки на память.

Собственно "колхозить" конструкцию из светодиодов не обязательно, вставить такой стабилизатор в уже готовые светодиодные лампы, чтобы стабилизировать ток и продлить им срок жизни, если конечно сама конструкция (сборка) светодиодов сделана качественно.

Ни гвоздя, ни жезла!

Файлы:
Платы (.lay) и симуляция в Proteus
Расчетка (формат Excel)

Все вопросы в Форум.