Фары на светодиодах исключительно надёжны, светят намного ярче в сравнении со стандартными велосипедными фарами. В этой статье поэтапно описаны все способы подключения фар на светодиодах к динамо-машинам, даны различные варианты схем драйверов светодиодных фар, которые могут быть собраны своими руками в домашних условиях.
- Введение.
- Увеличиваем безопасность — схема заднего фонаря.
- Увеличивает эффективность — схема «усилителя».
- Увеличиваем мощность — добавляем светодиоды.
- Улучшаем производительность на низких скоростях — схема с удвоителем напряжения.
- Повышаем комфорт — схема с автоматическим выбором режима.
Введение.
Несколько слов о мощных светодиодах и люменах.
В приведённых схемах используются только мощные светодиоды, которые выпускаются такими производителями как Philips-Lumileds, Cree, Seoul Semiconductor. Мощные светодиоды быстро усовершенствуются. Новые модели мощных светодиодов, которые ещё шесть месяцев назад были наиболее совершенными светодиодами, сейчас выглядят тусклыми. Скоро на рынке может появится в свою очередь ещё более яркое поколение светодиодов. Поэтому нельзя порекомендовать конкретную модель светодиодов. Электронные схемы не зависят от типа используемых светодиодов при условии, что у них типичное прямое напряжение белого светодиода.
Чтобы рассчитать светоотдачу схем, представленных на этой странице, необходимо только знать мощность светодиодов. В спецификации светодиода указано сколько люменов на ватт он даёт.
Чтобы собрать максимально яркую фару необходимо обратить внимание на:
- электронную схему — чем больше она выдаёт мощность, тем лучше;
- светодиоды — чем больше люменов на ватт, тем лучше;
- оптику, отражатели, линзы — их эффективность должна стремится к 100%.
Схема 1 — самая простая схема питания светодиодной фары.
| Наименование | Значение | Альтернативное значение |
|---|---|---|
| D1 | 1N4007 | 1N5818 |
| D2 | 1N4007 | 1N5818 |
| D3 | 1N4007 | 1N5818 |
| D4 | 1N4007 | 1N5818 |
| LED1 | Белый мощный светодиод (Luxeon, Cree… ) | |
Динамо, мостовой выпрямитель и один мощный светодиод — это всё что нужно для светодиодной фары с питанием от динамо-машины!
Как она работает.
Переменный ток из динамо-генератора проходит двухполупериодный выпрямитель и питает один мощный светодиод фары. Ток светодиода жестко ограничен динамо-генератором до 500..600 мА. Можете убедится сами, что светодиод будет светить. Диоды Шоттки (1N5818) сводят к минимуму потери в цепи. Эта схема работает как для бутылочных динамо-машин так и для динамо-втулок. Она выдаёт чуть более 1.5 Вт мощности.
Вышеприведённая схема имеет одну проблему — мерцание света на низких скоростях, особенно если питание поступает от динамо-втулки. С этим недостатком можно легко справится:
Схема 2 — уменьшаем мерцание на низкой скорости.
| Наименование | Значение | Альтернативное значение |
|---|---|---|
| D1 | 1N4007 | 1N5818 |
| D2 | 1N4007 | 1N5818 |
| D3 | 1N4007 | 1N5818 |
| D4 | 1N4007 | 1N5818 |
| C1 | 1,000 .. 10,000uF @ min.4V | |
| LED1 | Белый мощный светодиод (Luxeon, Cree…) | |
Сглаживающий конденсатор снижает мерцание на низкой скорости и даёт небольшую прибавку яркости. Чем больше ёмкость конденсатора C1, тем меньше мерцание. C1 требует не менее 4 В, а ёмкость не ограничена. Поэтому единственными небольшими ограничительными факторами остаются только стоимость и размер конденсатора. Схемы работают как с динамо-втулками так и с бутылочными динамо-машинами. Для более эффективного снижения мерцания динамо-втулкам требуется более крупный конденсатор.
Несколько советов:
Конденсатор C1 может быть установлен внутри корпуса фары, где должен правильно присоединён к светодиоду. В случае отсоединения светодиода от схемы, конденсатор заряжается до достаточно высокого напряжения (до 100 В при быстрой езде). Это не только опасно для жизни, но и переподключение светодиода вызывает запредельный ток, который может даже испортить светодиод. Это справедливо для большинства схем на этой странице.
Схема с задним фонарём.
Если вы используете задний фонарь на аккумуляторах, то можете пропустить этот раздел.
Схема 3 — добавляем задний фонарь.
| Наименование | Значение | Альтернативное значение |
|---|---|---|
| D1 | 1N4007 | 1N5818 |
| D2 | 1N4007 | 1N5818 |
| D3 | 1N4007 | 1N5818 |
| C1 | 1,000 .. 10,000uF @ min.4V | |
| LED1 | Белый мощный светодиод (Luxeon, Cree…) | |
| LED2 | Красный мощный LED или не менее 15 SMD-светодиодов | |
Светодиод заднего фонаря устанавливается на место одного из выпрямительных диодов и поэтому он работает в половину тока по сравнению со светодиодной фарой. Напряжение на красных светодиодах составляет половину напряжения белых светодиодов. Мощность заднего фонаря составляет 25% мощности фары. В качестве альтернативы мощному светодиоду можно испльзовать несколько маломощных светодиодов подключенных параллельно (к примеру 15 Osram LS T676). Светодиод заднего фонаря должен выдерживать 5 В обратного напряжения. Задний фонарь выключается с помощью шунтирования его выпрямительным диодом.
Схема 4 — альтернативный вариант подключения заднего фонаря.
| Наименование | Значение |
|---|---|
| D1 | 1N4007 |
| D2 | 1N4007 |
| D3 | 1N4007 |
| D4 | 1N4007 |
| C1 | 1,000 .. 10,000uF @ min.4V |
| R1 | 47R 0.25W |
| LED1 | Белый мощный светодиод (Luxeon, Cree…) |
| LED2..5 | Красные SMD-светодиоды (Osram LS T676) |
В отличии от схемы 3, где мощность заднего фонаря составляет 25% от мощности фары, при данном способе подключения он регулируется резистором R1. Задний фонарь можно отрегулировать под низкий ток, чтобы достаточно было всего несколько SMD-светодиодов.
В этой схеме есть интересная особенность: задний фонарь подключён непосредственно к клеммам динамо-машины, так что кабель велосипедной фары может оставаться присоединённым к динамо-машине.
Недостаток этой схемы заключатся в необходимости определения значение резистора, снижении яркости заднего фонаря и возможности его повреждения в случае отключения фары.
Для вышеприведённой схемы значение R1 равно примерно 47 Ом. Реальное значение зависит от используемых светодиодов. Схему легко собрать: необходимо измерять ток заднего фонаря, корректируя значение R1 в зависимости от тока светодиодов. Обратное напряжение светодиодов некритично в данной схеме. Для выключения заднего фонаря необходимо просто отсоединить его.
Повышаем «напряжение».
Схема 5 и 6 — увеличиваем мощность на средней скорости с помощью регулирующего конденсатора.
Схема 2 для сравнения.
Схема 5.
Cхемы 2 и 5 отличаются конденсатором C2, который находится между динамо-машиной и выпрямителем. Как это повлияло на мощность светодиодов в зависимости от скорости при различных значениях C2 можно увидеть на данном графике:
Несмотря на отсутствие ощутимой разницы на очень низкой и очень высокой скорости, на средней скорости мы всё же получаем дополнительную мощность. К сожалению эта прибавка достигается дорогой ценой: C2 должен быть не поляризированным и его значение весьма критично. С обычной бутылочной динамо-машиной конденсатор C2 на 220uF справляется отлично, а вот для работы с динамо-втулкой его ёмкость должна достигать чудовищных 1500uF. Требуемый неполяризованный конденсатор тяжёло найти, он очень большой и дорогой. Схема 6 позволяет обойти эти трудности, используя два стандартных поляризованных конденсатора. Они дают двойную ёмкость и подходят конденсаторы со сверхнизким эквивалентным последовательным сопротивлением, которые используются в многорежимных блоках питания. Резистор R1 некритичен, зависит только от C2 и C3.
Схема 6.
| Наименование | Значение для бутылочной динамо-машины | Значение для динамо-втулки |
|---|---|---|
| D1 | 1N5818 | 1N5818 |
| D2 | 1N5818 | 1N5818 |
| D3 | 1N5818 | 1N5818 |
| D4 | 1N5818 | 1N5818 |
| C1 | 2,200uF @ min.4V | 10,000uF @ min.4V |
| C2 | 470uF 63V low-ESR | 3300uF 35V low-ESR |
| C3 | 470uF 63V low-ESR | 3300uF 35V low-ESR |
| R1 | 47K 0.25W | 47K 0.25W |
| LED1 | Белый мощный светодиод (Luxeon, Cree …) | |
Повышаем мощность за счёт увеличение количества светодиодов.
Схема 7 — установка нескольких светодиодов.
Динамо-машина является более менее стабильным источником постоянного тока, поэтому при подключении последовательно двух светодиодов общая выходная мощность системы приблизительно удваивается. Почему б не соединить три, четыре или ещё больше светодиодов последовательно? Для получения дополнительной мощности нужно установить регулирующие конденсаторы из схемы 6.
В зависимости от количества светодиодов и типа динамо-машины очень различаются и используемые компоненты:
| Бутылочная динамо-машина | ||||
|---|---|---|---|---|
| 1 светодиод | 2 светодиода | 3 светодиода | 4 светодиода | |
| Общая мощность | 1.6 W | 3.0 W | 4.6 W | 5.8 W |
| D1..D4 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 |
| C1 | 2200uF 4V | 2200uF 10V | 2200uF 16V | 2200uF 16V |
| C2, C3 | 470uF 50V | 220uF 63V | 100uF 100V | 47uF 100V |
| R1 | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W |
| LED1 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED2 | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED3 | Не нужен | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED |
| LED4 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
| Динамо-втулка | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 светодиод | 2 светодиода | 3 светодиода | 4 светодиода | 6 светодиодов | |
| Общая мощность | 1.6 W | 3.4 W | 5.2 W | 6.7 W | 10.5 W |
| D1..D4 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 |
| C1 | 10,000uF 4V | 4700uF 10V | 4700uF 16V | 4700uF 16V | 2200uF 25V |
| C2, C3 | 3300uF 35V | 1500uF 35V | 1000uF 63V | 470uF 100V | 220uF 100V |
| R1 | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W |
| LED1 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED2 | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED3 | Не нужен | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED4 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED |
| LED5 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
| LED6 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
При получении данных значений использованы бутылочная динамо-машина Busch & Muller Dymotec6 (8 магнитных полюсов) и динамо-втулка Shimano DH-3D71 (28 магнитных полюсов). Вероятно различные динамо-машины одного типа будут работать аналогично. Проверьте содержит ли ВАША динамо-машина опорный диод, предназначенный для ограничения выходного напряжения при использовании с электрическими лампочками. Его нужно удалить.
Теперь посмотрим на кривые мощности. Поражает, что 3-ваттная динамо-втулка обеспечивает более 10 Вт мощности в цепи светодиодов! Конечно это не даётся просто так — получая больше мощности, прилагается и больше усилий на педалирование.
Обратите внимание: на кривых с большой отдаваемой мощностью требуется прилагать больше усилий, а на маленькой скорости фара почти не светит. Например, система из шести светодиодов вообще не даёт света на скорости 8 км/ч. Поэтому такая схема для многих не приемлема. Почему б не решить эту проблему, перейдя к другой кривой на маленькой скорости? Читайте далее.
Схемы с большой мощностью и хорошей производительностью на низкой скорости.
Схема 8 — добавляем удвоитель напряжения.
Схема 7, использующая много светодиодов, на низкой скорости выдаёт маленькую мощность, что видно на кривых мощности выше. Существует несколько способов решения данной проблемы:
- Шунтировать несколько светодиодов, подключить конденсаторы и таким образом изменить схему с включением меньшего количества светодиодов, что улучшит её на низкой скорости.
- Параллельная сборка скажем 6-ти светодиодной и 3-х светодиодной версий. Переключателем подбираем более подходящую. 6-ти светодиодная версия может давать узкий пучок дальнего света, 3-светодиодная — широкий пучок на низкой скорости.
- Подключение мостового выпрямителя к удвоителю напряжения. Такая схема будет работать так, если бы она имела только половину светодиодов.
Первое решение нуждается в сложном переключении и неработоспособно при отключении хоть одного светодиода. Второе решение лучше первого, несложно в построении, но требует дополнительных светодиодов и оптики. Третье решение недорогое и простое, независимо от режима работают все светодиоды. Его и будем рассматривать далее.
Немного изменённая схема 7. Справа удвоитель напряжения Гриначера. Ниже представлена схема 8, включающая обе схемы. Два режима чередуем обычным переключателем.
Эта схема (без R1, C2, C3) пользуется популярностью в компьютерных блоках питания. Основное её предназначение — выбор режима 115/230 В.
Режимы не перекрывают друг друга и следовательно гарантируют хорошую производительность на низкой скорости. Схема 7 обоснована! Далее приведён список компонентов для различных конфигураций схемы 8.
| Бутылочная динамо-машина | Динамо-втулка | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 светодиода | 4 светодиода | 3 светодиода | 4 светодиода | 6 светодиодов | |
| Общая мощность | 4.6 W | 5.7 W | 5.2 W | 6.7 W | 10.5 W |
| D1..D4 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 |
| C1 | 2200uF 16V | 2200uF 16V | 4700uF 16V | 4700uF 16V | 2200uF 25V |
| C2, C3 | 100uF 100V | 47uF 100V | 1000uF 63V | 470uF 100V | 220uF 100V |
| C4, C5 | 100uF 63V | 47uF 63V | 470uF 35V | 470uF 35V | 220uF 63V |
| R1 | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W |
| SW1 | 120VAC 2A | 120VAC 2A | 120VAC 2A | 120VAC 2A | 120VAC 2A |
| LED1 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED2 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED3 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED4 | Не нужен | Мощный LED | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED |
| LED5 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
| LED6 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
Рассмотрим кривые производительности. Нижняя кривая каждого цвета показывает мощность светодиодов в режиме удвоителя напряжения. Обратите внимание, что этот режим работает лучше только на низкой скорости, а выше определённой скорости выигрывает режим мостового выпрямителя. Второй график показывает момент, когда необходимо переключаться на другой режим.
Давайте рассмотрим ещё один интересный вариант схемы 8:
Схема 9 — вариант схемы 8.
Схема выше имеет практически такую же мощность и почти те же самые компоненты что и схема 8. Главное отличие в переключателе: он не только выбирает режим низкой скорости (удвоитель) и режим высокой скорости (мостовой выпрямитель), но имеет положение ВЫКЛЮЧЕНО, которое используется при подаче питания от динамо-втулки. SW1 — это переключатель 1P2T с изолированным центральным положением. Эти переключатели широко доступны.
Другая особенность схемы 9 — задний фонарь. В отличие от схемы 8 светодиод 1 красный.
Схема 10 — ещё один вариант схемы 8.
| Бутылочная динамо-машина | Динамо-втулка | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 светодиода | 4 светодиода | 3 светодиода | 4 светодиода | 6 светодиодов | |
| Общая мощность | 4.6 W | 5.7 W | 5.2 W | 6.7 W | 10.5 W |
| D1..D4 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 | 1N5818 |
| C1 | 2200uF 16V | 2200uF 16V | 4700uF 16V | 4700uF 16V | 2200uF 25V |
| C2, C3 | 100uF 100V | 47uF 100V | 1000uF 63V | 470uF 100V | 220uF 100V |
| R1 | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W | 47K 0.25W |
| SW1 | 120VAC 2A | 120VAC 2A | 120VAC 2A | 120VAC 2A | 120VAC 2A |
| LED1 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED2 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED3 | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED | Мощный LED |
| LED4 | Не нужен | Мощный LED | Не нужен | Мощный LED | Мощный LED |
| LED5 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
| LED6 | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Не нужен | Мощный LED |
В схеме 10 исключены два из четырёх конденсаторов, но вместо них добавлены сложные переключатели. Теперь не нужны большие конденсаторы в компактной схеме. Как и в схеме 9 для выключения света может использоваться переключатель с изолированной центральной позицией.
Схема 11 — учетверитель напряжения.
Если вы хотите серьёзно взяться за концепцию умножения напряжения, посмотрите мой черновик комбинированного удвоителя/учетверителя/мостового выпрямителя.
Автоматический выбор режима.
В схемах 8-10 можно высокая мощность достигается до тех пор, пока поддерживается допустимая яркость на низкой скорости путём переключением с мостового выпрямителя на удвоитель напряжения. Требуется непосредственное постоянное участие велосипедиста. Некоторым это даже нравится, так как на высокой скорости можно переключать фару на маленькую яркость. Несмотря на это большинство велосипедистов хотят как можно больше света, не заморачиваясья с режимами во время езды. Поэтому требуется автоматический переключатель. Есть два способа его реализации:
- Механическое соединение кабеля в переключателе передач. В зависимости от выбранной передачи, фара работает или в режиме удвоения на низкой передачи или в режиме мостового выпрямителя на высокой передаче.
- Переключатель считывает частоту динамо-машины и выбирает режим удвоения на низкой скорости, что и реализовано в схеме 12.
Схема 12 — автоматический выбор режима.
Схема 12 обеспечивает автоматическое переключение между двумя режимами. Она состоит из трёх основных частей:
- Силовой каскад: динамо-машина, выпрямитель/удвоитель, регулирующие конденсаторы, светодиоды, канальный полевой униполярный МОП-транзистор переключающий Q1 & Q2 с их подмодуляторами Q3 & Q4.
- Схема автоматического шунтирования выхода источника питания при превышении максимально допустимого уровня напряжения - T1, D5, R17.
- Переключатель IC1 (LM2907) с индикатором режима LD11 и гистерезисный переключатель Q5.
Силовой каскад переключается между мостовым выпрямителем и удвоителем напряжения также как и в схеме 8. Из-за специфических требований переключателей на канальных полевых униполярных МОП-транзисторах это не в точности такая же схема, но она работает также и с тем же результатом. Цепь светодиодов увеличивает устойчивость напряжения для переключателя IC1 и при превышении максимально допустимого уровня напряжения схема автоматического шунтирования выхода источника питания замыкается, таким образом защищая схему от случайного отключения светодиодов. Переключатель IC1 содержит преобразователь частота-напряжение (f2V) и компаратор. На вход блока f2V подаётся переменный сигнал из динамо-машины. Переключение частоты устанавливается резистором R15. Выходной транзистор IC1 контролирует ток базы канальных полевых униполярных МОП-транзисторов Q3 и Q4 также как индикатор LD11. Q5 незначительно изменяет опорное напряжение компаратора для индуцирования гистерезиса. Это нужно чтобы избежать нестабильности возле точки коммутации.
Схема 12 обеспечивает такие же кривые мощности как схема 8. Она может питать от 3 до 8 мощных светодиодов в цепи, совместима с бутылочными динамо-машинами и динамо-втулками.
Учитывая сложность схемы, я сделал простую печатную плату для неё. Она оптимизирована под ручную сборку, не нужно использовать устройство монтажа. Механически помещается в 1.125" рулевую трубу с вынесенными за пределы платы регулирующими конденсаторами C1-C4 (сначала помещаются внутрь трубы). Сглаживающий конденсатор C5 предназначен для установки в блок фары.
Для получения дополнительной информации скачайте CAD файлы (в формате CadSoft Eagle) и полную техническую документацию.
Есть ещё два варианта схемы 12, также считывающие частоту динамо-втулки для переключения режимов удвоителя напряжения и мостового. Они разработаны с целью избежать скачка тока, происходящего в схеме 12 при переключении из одного режима на другой. Схемы существуют только на бумаге, они ещё не собраны, не в каждом компоненте я уверен или ещё непонятно какие использовать. Я могу предложить две отличных идеи управления канальным полевым униполярным МОП-транзистором, когда его истоковый потенциал постоянно чередуется с подмодулирующим потенциалом (переключение переменной нагрузки).
Альтернативный вариант №1 автоматического выбора режимов удвоителя напряжения/мостовой выпрямитель. Не тестировался. Компоненты не определены. Рассчитан на профессионалов.
Альтернативный вариант №2 автоматического выбора режимов удвоителя напряжения/мостовой выпрямитель. Не тестировался, компоненты не определены. Рассчитан на профессионалов.
Давайте рассмотрим раннюю конструкцию с другой реализацией автоматического выбора режима (только для бутылочных динамо-машин).
Схема 13 — альтернативный подход к автоматическому выбору режима.
В отличие от схемы 12, эта схема измеряет не частоту (скорость), а ток идущий через светодиоды:
Стандартный двойной операционный усилитель используется для измерения тока светодиодов. Вторая часть двойного операционного усилителя выполняет роль стабилизатора с малым падением напряжения заднего фонаря (опционально).
Переменным резистором 470R устанавливается оптимальный проходящий ток, который точно ниже порога, когда ток двойного операционного усилителя остаётся постоянным несмотря увеличение скорости. Теоретически это выравнивание происходит во время нахождения динамо-машины на рабочей температуре (она даёт немного меньше тока по сравнению с более низкой температурой). В точке перехода схема периодически чередует оба режима. При её правильном выборе в этой точке оба режима дают одинаковое количество энергии и их смена проходит плавно.
Силовой каскад 13-ой схемы в отличие от схемы 12 использует удвоитель напряжения Вилларда, а не Гриначера. Наряду c уменьшением числа компонентов и упрощением схемы возрастает мерцание на низкой скорости. С бутылочными динамо-машинами (схема 13 как раз и разработана для них) мерцание не составляет проблемы, но для динамо-втулок она всё-таки неприемлема. Сейчас преимущественно распространены динамо-втулки и данная схема мало кому пригодится.
Но если вы заинтересовались схемой — можете её собрать.
Фото конструкции:
Принципиальная схема в хорошем качестве:
Схема размещения компонентов:
Печатная плата — скачать.
Она оптимизирована под ручную сборку, нет необходимости использовать устройство монтажа. В этой версии C07 припаян прямо к штырьку IC1. Компоненты выбраны для трёх белых светодиодов фары и 4 красных светодиодов заднего фонаря, которые питаются от генератора Dymotec6.
Механическая сторона вопроса: фара с одним светодиодом, фара с тремя светодиодами и задний фонарь. Все они собраны из распространённых деталей.