Собрание полезных заметок Shirrma: Включение-выключение фонарика одной кнопкой без фиксации

Есть у меня один очень удобный налобный фонарик со сверх ярким светодиодом. Но вот незадача после непродолжительной работы всего около нескольких месяцев он перестал включаться. Точнее поведение было такое: пока держишь кнопку вкл он горит, отпускаешь он гаснет. Естественно все режимы (максимум, эконом, стробоскоп и SOS) тоже перестали работать. Жалко было хорошую вещь выкидывать и захотелось его реанимировать.  Для поиска неисправности я разобрал фонарик, он состоит из двух блоков: в первом располагается линза, светодиод и кнопка вкл/выкл без фиксации. Во втором блок батареек, а под ним печатная плата, драйвер, который носит гордое название B28280 и имеет дату выпуска 14.09.2011. На ней располагается контроллер CX2812 китайского производства,  пара транзисторов Y2, конденсатор 10мкф и резисторы 3, 2х10, 2х100 кОм и еще есть переменный резистор для ручной регулировки яркости. В интернете нашел его описание: рабочее напряжение 2.5V-5.5V, ток тепмература ≤85℃, максимальная статическая мощность 0.5UA, максимальный выходной ток 10mA.  1: LED1 signal output 2: LED2 signal output 3: LED3 signal output 4: GND 5: MOD1: modes selection 6: MOD2: modes selection 7: KEY: switch 8: VDD После проверки всех компонентов оказалось, что все такие вышел из строя сам контроллер. Подходящей замены в ближайших магазинах не оказалось. Поэтому было принято решение сделать совсем просто. Оставить только два режима вкл и выкл по кнопке. Для этих целей было решено использовать триггер. Поэтому печатную плату драйвера убираем и собираем новую схему на микросхеме CD4013, у нее в корпусе 2 D-триггера. В ближайшем радиомагазине были куплены необходимые компоненты: микросхема HCF4013M013TR в корпусе SO14, она работает с напряжениями от 2 до 12V, стоит всего 10 руб., электролит на 1 мкФ и резистор на 100К. Мосфет APM3055L был выпаян с нерабочей материнской платы компьютера. В качестве силового ключа в этой схеме можно использовать любой мощный полевик. Но сначала я пробовал брать миниатюрный n-канальный мосфет K72 в SOT-корпусе, но он очень сильно грелся, поэтому пришлось взять что-то по мощнее.  Для стабильной работы D-триггера и исключения дребезга кнопки на входе микросхемы подключен фильтр резистор и конденсатор. В режиме «выкл» ток потребления схемы — абсолютный 0!Как проверить полевой транзистор? Перед использованием все б/у мосфеты лучше проверить. Делается это так. Для начала их нужно аккуратно выпаять. Используйте паяльник с заземлением или разогретый паяльник отключенный от сети. Иначе можете сжечь их при выпаивании. Еще нужно знать распиновку. APM3055L: K72: где G — затвор, D — сток, а S — исток. Мультиметр переводится в режим проверки диодов и к стоку (D) подключается щуп с минусом, а к истоку (S) с плюсом, мультиметр показывает около 400…700mV, это падение напряжения на внутреннем диоде. Затем плюс к стоку (D), а минус к истоку (S). На дисплее бесконечность, обычно обозначается как 1. Удерживая щуп минус на истоке (S), плюсом коснуться затвора (G), а потом стока (D). Мультиметр показывает 0…800mV. Это значит, что открыт канал сток-исток (D-S). Теперь удерживая щуп плюс на стоке (D), минусом коснуться затвора (G), затем вернуть его на исток (S). Теперь канал снова закрылся и мультиметр показывает бесконечность. Если все правильно, смело приступаем к сборке. Я все сделал навесным монтажом. Проверил, все работает, дальше нужно все это уложить в корпус. Все компоненты достаточно компактные и без труда помещаются на том месте, где находилась плата драйвера. И чтобы ничего не болталось лучше все заклеить изолентой. Ура! Фонарик стал светить еще ярче! Фотография сделана при дневном освещении у окна, правда в зимний пасмурный день.

Фонарь не включается

Поработав около года, мой налобный фонарь LED Headlight XM-L T6 стал включаться через раз, а то и вообще отключаться без команды. Вскоре перестал включаться совсем.

Первым делом я подумал, что отходит аккумулятор в батарейном отсеке.

Сам бокс рассчитан на литий-ионные аккумуляторы типоразмера 18650 с платой защиты. А я использовал аккумуляторы без защиты и заряжал их универсальной зарядкой Turnigy Accucell 6 (аналог IMAX B6).

Поэтому пришлось нарастить контакты каплей припоя. Как известно, припой сплав мягкий и со временем напайка на контакте могла поистереться, а соединение с аккумулятором нарушиться.

Но, после проверки выяснилось, что причина неисправности кроется вовсе не в плохом контакте, а электронной начинке фонаря.

Любой ремонт начинается с диагностики и разборки. Разбирается фонарь легко. Вынимаем литиевый аккумулятор из батарейного отсека. Далее выкручиваем четыре шурупа.

Под поддоном для аккумуляторов смонтирована небольшая печатная плата.

На печатке всего десять элементов. Функцию управления выполняет миниатюрная микросхема в корпусе SOT-23-6 с маркировкой 819L 24 (U1). Как оказалось, это микросхема FM2819 — специализированный контроллер (не драйвер!) для светодиодов. Называть эту микросхему драйвером как-то язык не поворачивается.

Данная микросхема поддерживает четыре режима управления светодиодом, в том числе строб, от которого все хотят избавиться. Режимы переключаются циклически по команде с тактовой кнопки без фиксации.

Если бы мой фонарь не сломался, то о четвёртом режиме SOS, который активируется долгим нажатием кнопки (около 3 секунд), я бы и не узнал. Когда покупал, на странице продажи упоминалось только три режима.

Когда же стал изучать даташит на FM2819, то оказалось, что эта микросхема поддерживает четыре режима.

О микросхеме FM2819 я расскажу чуть позднее, а пока разберёмся, за что отвечают остальные элементы схемы.

Жёлтый керамический конденсатор запаян вместо родного, который отвалился, когда я разбирал корпус батарейного отсека. Судя по фото аналогичных фонарей ёмкость конденсатора, который установлен между выводом KEY и минусом «-» питания, может быть в довольно больших пределах. В моём был установлен чип-конденсатор на 10pF (100), а в других фонарях могут быть запаяны и на 10nF (103), и на 100nF (104), а то и вовсе отсутствовать.

Функцию силового ключа, который подаёт напряжение питания от литиевого аккумулятора на мощный светодиод, выполняет P-канальный MOSFET транзистор FDS9435A в корпусе SO-8. На фото видно, что на его корпусе указана сокращённая маркировка 9435A.

Плюс питания со стока транзистора FDS9435A подаётся на мощный светодиод не напрямую, а через три токоограничивающих резистора (R200 — 0,2 Ом; R500 — 0,5 Ом; 2R0 — 2 Ом). Они соединены параллельно. Их общее сопротивление меньше наименьшего сопротивления в цепи (т.е. меньше 0,2 Ом). Если посчитать, то оно равно 0,13 Ом.

О том, как соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление я рассказывал тут.

Для подсветки тылового индикатора LED HEADLIGHT используется обычный SMD-светодиод красного цвета свечения. На плате обозначен, как LED. Он подсвечивает пластину из белого пластика.

Так как батарейный отсек находится с тыльной части головы, то в ночное время суток такой индикатор хорошо заметен.

Явно не помешает при велопрогулках и ходьбе вдоль дорожных трасс.

Через резистор в 100 Ом плюсовой вывод красного SMD-светодиода подключается к стоку MOSFET-транзистора FDS9435A. Таким образом, при включении фонаря напряжение поступает и на основной светодиод Cree XM-L T6 XLamp, и на маломощный SMD-светодиод красного цвета свечения.

С основными детальками разобрались. Теперь расскажу, что же сломалось.

При нажатии на кнопку включения фонаря было видно, что красный SMD светодиод начинает светить, но очень тускло. Работа светодиода соответствовала штатным режимам работы фонаря (максимальная яркость, низкая яркость и стробоскоп). Стало ясно, что управляющая микросхема U1 (FM2819) скорее всего исправна.

Раз она штатно реагирует на нажатие кнопки, то, возможно, проблема кроется в самой нагрузке – мощном белом светодиоде. Отпаяв провода, идущие на светодиод Cree XM-L T6, и подключив его к самодельному блоку питания, я убедился в его исправности.

Далее решил замерить напряжение на самой плате, чтобы узнать, где потерялись драгоценные вольты от аккумулятора.

При замерах оказалось, что в режиме максимальной яркости, на стоке транзистора FDS9435A всего 1,2V. Естественно, этого напряжения не хватало для питания мощного светодиода Cree XM-L T6, а вот красному SMD-светодиоду его было достаточно, чтобы его кристалл начал тускло светиться.

Стало ясно, что неисправен транзистор FDS9435A, который задействован в схеме как электронный ключ.

В замену транзистору ничего подбирать не стал, а купил оригинальный P-канальный PowerTrench MOSFET FDS9435A фирмы Fairchild. Вот его внешний вид.

Как видим, на этом транзисторе присутствует полная маркировка и отличительный знак фирмы Fairchild (F), выпустившей данный транзистор.

Сравнив оригинальный транзистор с тем, что установлен на плате, мне в голову закралась мысль о том, что в фонаре установлена подделка или менее мощный транзистор. Возможно, даже брак. Всё-таки фонарь не успел отслужить и года, а силовой элемент уже «отбросил копыта».

Цоколёвка транзистора FDS9435A выглядит следующим образом.

Как видим, внутри корпуса SO-8 находится всего лишь один транзистор. Выводы 5, 6, 7, 8 объединены и являются выводом стока (Drain). Выводы 1, 2, 3 также соединены вместе и являются истоком (Source). 4-ый вывод – это затвор (Gate). Именно на него приходит сигнал с управляющей микросхемы FM2819 (U1).

В качестве замены транзистору FDS9435A можно использовать APM9435, AO9435, SI9435. Всё это аналоги.

Выпаять транзистор можно как привычными методами, так и более экзотическими, например, сплавом Розе. Также можно применить метод грубой силы – подрезать ножом выводы, демонтировать корпус, а затем отпаять оставшиеся на плате выводы.

После замены транзистора FDS9435A налобный фонарь стал работать исправно.

На этом рассказ о ремонте закончен. Но, не будь я любопытным радиомехаником, то так и оставил бы всё, как есть. Работает и ладно. Но мне не давали покоя некоторые моменты.

Так как изначально я не знал, что микросхема с маркировкой 819L (24) это FM2819, то вооружившись осциллографом, я решил посмотреть, какой сигнал подаёт микросхема на затвор транзистора при разных режимах работы. Интересно же.

При включении первого режима на затвор транзистора FDS9435A с микросхемы FM2819 подаётся -3,4…3,8V, которое практически соответствует напряжению на аккумуляторе (3,75…3,8V). Естественно, на затвор транзистора подаётся отрицательное напряжение, так как он P-канальный.

При этом транзистор полностью открывается и напряжение на светодиоде Cree XM-L T6 достигает 3,4…3,5V.

В режиме минимального свечения (1/4 яркости) на транзистор FDS9435A с микросхемы U1 приходит около 0,97V. Это если проводить замеры рядовым мультиметром без наворотов.

На самом же деле в этом режиме на транзистор приходит сигнал ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Подключив щупы осциллографа между «+» питания и выводом затвора транзистора FDS9435A, я увидел вот такую картину.

Картинка ШИМ-сигнала на экране осциллографа (время/деление — 0,5; V/деление — 0,5). Время развёртки — mS (миллисекунды).

Так как на затвор поступает отрицательное напряжение, то «картинка» на экране осциллографа переворачивается. То есть сейчас на фото в центре экрана показан не импульс, а пауза между ними!

Сама пауза длится около 2,25 миллисекунд (mS) (4,5 деления по 0,5mS). В этот момент транзистор закрыт.

Затем транзистор открывается на 0,75 mS. При этом на светодиод XM-L T6 поступает напряжение. Амплитуда каждого импульса составляет 3V. А, как мы помним, мультиметром я намерил всего лишь 0,97V. В этом нет ничего удивительного, так как мультиметром я мерил постоянное напряжение.

Вот этот момент на экране осциллографа. Переключатель время/деление установил на 0,1, чтобы лучше определить длительность импульса. Транзистор открыт. Не забываем про то, что на затвор приходит минус «-«. Импульс перевёрнут.

Теперь можно посчитать скважность импульсов (S).

S = (2,25mS + 0,75mS) / 0,75mS = 3mS / 0,75mS = 4. Где,

• S — скважность (безразмерная величина);

• Τ — период следования (миллисекунды, mS). В нашем случае период равен сумме включения (0,75 mS) и паузы (2,25 mS);

• τ- длительность импульса (миллисекунды, mS). У нас это 0,75mS.

Также можно определить коэффициент заполнения (D), который в англоязычной среде называют Duty Cycle (часто встречается во всяких даташитах на электронные компоненты). Обычно он указывается в процентах %.

D = τ/Τ = 0,75/3 = 0,25 (25%). Таким образом, в режиме пониженной яркости светодиод включен лишь на четверть периода.

Когда делал подсчёты первый раз, то коэффициент заполнения у меня вышел 75%. Но потом, увидев в даташите на FM2819 строчку про режим 1/4 яркости, понял, что где-то облажался. Я просто перепутал паузу и длительность импульса местами, поскольку по привычке принял минус «-» на затворе за плюс «+». Поэтому и вышло всё наоборот.

В режиме «STROBE» мне не удалось посмотреть ШИМ сигнал, так как осциллограф аналоговый и довольно старый. Синхронизировать сигнал на экране и получить чёткое изображение импульсов мне не удалось, хотя было видно его наличие.

Типовая схема включения и цоколёвка микросхемы FM2819. Может, кому пригодится.

Не давали мне покоя и некоторые моменты, связанные с работой светодиода. Со светодиодными фонарями я раньше, как-то не имел дела, а тут захотелось разобраться.

Когда я полистал даташит на светодиод Cree XM-L T6, который установлен в фонаре, то понял, что номинал токоограничительного резистора маловат (0,13 Ом). Да, и на плате одно посадочное место под резистор было свободно.

Когда шерстил по интернетам в поисках информации о микросхеме FM2819, то видел фото нескольких печатных плат аналогичных фонарей. На одних были запаяны четыре резистора по 1 Ому, а на некоторых вообще SMD-резистор с маркировкой «0» (перемычка), что, на мой взгляд, вообще является преступлением.

Светодиод – это нелинейный элемент, и, поэтому, последовательно с ним необходимо включать токоограничивающий резистор.

Если заглянуть в даташит на светодиоды серии Cree XLamp XM-L, то можно обнаружить, что их максимальное напряжение питания составляет 3,5V, а номинальное 2,9V. При этом ток через светодиод может достигать величины в 3А. Вот график из даташита.

Номинальным током для таких светодиодов считается ток в 700 mA при напряжении в 2,9V.

Конкретно в моём фонаре ток через светодиод составил 1,2 A при напряжении на нём в 3,4…3,5V, что явно многовато.

Чтобы уменьшить прямой ток через светодиод я запаял вместо прежних резисторов четыре новых номиналом в 2,4 Ом (типоразмер 1206). Получил общее сопротивление в 0,6 Ом (мощность рассеивания 0,125W * 4 = 0,5W).

После замены резисторов прямой ток через светодиод составил 800 mA при напряжении в 3,15V. Так светодиод будет работать при более мягком тепловом режиме, и, надеюсь, прослужит долго.

Поскольку резисторы типоразмера 1206 рассчитаны на мощность рассеивания в 1/8W (0,125 Вт), а в режиме максимальной яркости на четырёх токоограничивающих резисторах рассеивается мощность около 0,5Вт, то от них желательно отвести излишнее тепло.

Для этого зачистил от зелёного лака медный полигон рядом с резисторами и напаял на него каплю припоя. Такой приём частенько применяется на печатных платах бытовой электронной аппаратуры.

После доработки электронной начинки фонаря покрыл печатную плату лаком PLASTIK-71 (электроизоляционный акриловый лак) для защиты от конденсата и влаги.

При расчётах токоограничительного резистора я столкнулся с некоторыми тонкостями. За напряжение питания светодиода стоит принимать напряжение на стоке MOSFET транзистора. Дело в том, что на открытом канале MOSFET-транзистора теряется часть напряжения из-за сопротивления канала (R_(ds)on).

Чем выше ток, тем большее напряжение «оседает» по пути Исток-Сток транзистора. У меня при токе в 1,2А оно составило 0,33V, а при 0,8А – 0,08V. Также часть напряжения падает на соединительных проводах, которые идут с клемм аккумулятора на плату (0,04V). Казалось бы, такая мелочь, а в сумме набегает 0,12V. Так как под нагрузкой напряжение на Li-ion аккумуляторе проседает до 3,67…3,75V, то на стоке MOSFET’а уже 3,55…3,63V.

Ещё 0,5…0,52V гасит цепь из четырёх параллельных резисторов. В итоге на светодиод приходит напряжение в районе 3-ёх с небольшим вольт.

На момент написания этой статьи в продаже появилась обновлённая версия рассмотренного налобного фонаря. В нём уже встроена плата контроля заряда/разряда Li-ion аккумулятора, а также добавлен оптический датчик, который позволяет включать фонарь жестом ладони.

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Что такое резистор? Основные параметры резисторов.

• Как паять правильно?

• Контроллер литий-ионного аккумулятора. Схема и принцип работы.

• Цена: $18.94US (сейчас $ 16.86) за 10шт.

Здравствуйте читатели Муськи. Решил поведать Вам свою небольшую историю о доработке китайского налобного фонарика с выносным отсеком питания на 1-2 литиевых аккумуляторах 18650. В принципе данная тема уже обсмактывалась в некоторых постах и обзоры данных плат были неоднократно, поэтому справочной информации будет не много, но возможно и тут будет полезная информация. Кому интересно, прошу под cut И так. Имею в пользовании широко распространенный дешевый китайский фонарь-налобник с выносным блоком аккукмуляторов расположенном на затылке. (головы фонарей могут разниться но отсеки у многих идентичны) Явный недостаток такой конструкции, это необходимость вынимать аккумулятор из отсека при необходимости его заряда, и так же нужно еще иметь под рукой зарядку для 18650 литиевого аккумулятора. Так как этот фонарик прописался в бардачке автомобиля, то мобильной зарядки для него нет и при необходимости зарядки нужно вынимать аккум и нести его домой для процесса заряда. Когда-то прикупил себе лот из 10шт. плат контроллеров MP1405 Краткие Технические характеристики: модель: MP1405 Входное напряжение — 5V Напряжение окончания заряда: 4,2 в ± 1% Максимум зарядный ток: 1000mA Напряжение контроля разряда аккумулятора: 2,5 в Порог срабатывания защиты по перегрузке: 3A Вес:7,30 г Отличие этой платы от неоднократно обозреваемых более дешевых плат типа таких: mysku.ru/blog/aliexpress/27752.html В том, что плата контролирует не только заряд, но умеет следить и за разрядом аккумулятора. А это как нельзя к стати при использовании не защищенных литиевых банок аккумуляторов в устройстве которое не снабжено драйвером с функцией контроля разряда. Так как взглянув на плату с «драйвером» фонарика, было ясно, что там не пахнет не только контроллером уровня разряда, но и самим драйвером хоть с какой бы то ни было стабилизацией. Все мозги фонаря, это микросхема выбора режимов на чипе CX2812 и транзистор A1SHB ( P-Channel 1.25-W, 2.5-V MOSFET ) Поэтому решено было внедрять плату с контролем как заряда так и разряда аккумулятора. Собственно сделать это не сложно. Сначала вытянул плату с фонарика. Соединил выход платы контроллера с входом питания платы драйвера фонаря и на клеммы B+ и B- подпаял клеммы батарейного отсека. Вот так выглядела проверка включения до сборки: Межмодульные соединения производил проводом МГТФ. За одно в таком распотрашенном виде сделал замеры токов идущих в аккумулятор в процессе заряда и в процессе питания фонаря на макс. яркости (Установленный диод cree Q5)Замер тока заряда идущего в аккумулятор (Показания амперметра не совсем точные т.к. при замере обнаружил что горит индикатор севшей батарейки в тестере поэтому показания могут плавать но обычно погрешность не очень большая, порядок цифр понять можно) Замер потребления тока фонарем в процессе работы на макс. яркости Замеры показали вполне удовлетворительные цифры. Ток заряда как и обещано спецификацией платы- 1А. Напряжение отсечки не тестировал (не было времени ждать полного разряда аккумулятора) но думаю плата должна отрабатывать алгоритм своей работы корректно. Далее пошел процесс запихивания обеих плат в корпус батарейного отсека, выпиливание аккуратного отверстия под microUSB разъем и организация индикации процесса заряда. Изначально я был уверен что места в отсеке полно и плату расположу без проблем, но при более полном анализе ситуации и прикидочных примерках понял что не все так просто. Пришлось сдвинуть плату драйвера фонарика вбок, чтоб плата зарядки легла по соседству. Финал сих манипуляций таков:

плата контроллера плотно вставляется а отверстие выпиленное под microUSB, дополнительно фиксировалось «жидкой резиной» (не знаю как называются трубки для клеевых пистолетов), и дополнительно обе платы зажимаются верхней пластиковой накладкой. Вообщем все держится очень хорошо. Вопрос индикации я решил организовать следующим образом: Зеленый индикаторный диод, который сигнализирует об окончании процесса заряда, я решил выпаять и прикрепить по соседству со светодиодом распаянным на плате контроллера фонарика (дублирующий свет который горит на затылке при включении фонаря) Таким образом при окончании зарядки фонарика за белым рассеивателем будет гореть зеленый свет. Вот так: А индикатор процесса зарядки я решил не трогать и оставил на своем месте. Его можно увидеть в щель между корпусом и microUSB портом. вот так это выглядит: Считаю такого индикатора вполне достаточно. Вот в принципе и ВСЁ. Хотя нет,вот еще несколько фоток общего вида фонаря и порта зарядки крупным планом: Теперь точно все. По данной схеме я еще модифицировал похожий фонарь только с отсеком на 2 параллельных аккумулятора 18650 и на кристалле XML-T6, но сути дела это не меняет. Теперь данный девайс можно смело заряжать от любого USB порта которые сейчас есть даже в автомобилях или любой телефонной зарядки имеющей microUSB конец. Всем спасибо за внимание. С удовольствием отвечу на вопросы. Если найдете к чему прицепиться, не стесняйтесь, тыкайте носом. По традиции моя зверушка, не котэ:Дополнительная информацияИспользуемые источники:

• http://www.shirrma.ru/2014/01/blog-post.html
• https://go-radio.ru/remont-nalobnogo-fonarya.html
• https://mysku.ru/blog/aliexpress/28477.html