Chiński, 5-funkcyjny driver diody LED Cree XM-L T6

W dzisiejszym wpisie na stół powędruje tani, chiński sterownik diody LED mocy, przystosowany do zasilania z pojedynczego ogniwa li-ion. Sterownik taki, lub podobny, 5-funkcyjny jest często spotykany w budżetowych latarkach. Zachęcony niską ceną, kupiłem zestaw z diodą LED opisaną jako Cree XM-L T6 i kolimatorem. Poniżej wyniki “badań”.

Zestaw driver+dioda+kolimator

Na aliexpress można trafić na wiele aukcji, gdzie do wyboru jest dioda, driver, kolimator (soczewka). Ja kupiłem cały zestaw za 2,84$, który można znaleźć pod nazwą 1set Cree XM-L LED T6 White Light + 3.7V Driver + Lens with Base Holder.

Po zamówieniu trochę było trzeba poczekać (grubo ponad miesiąc) i przyszła paczka, a towar nawet dość dobrze zapakowany, bo w antystatyczny, gruby woreczek żyłkowy. Poniżej krótka charakterystyka części zestawu.

Dioda i kolimator

Dioda, w opisie występuje jako no name, a w tytule oferty jako Cree XM L T6, Sprzedający podał jej parametry:

• maksymalny prąd 3000mA, przy którym dioda osiąga moc 10 W;
• przy 700mA ilość emitowanego światła to 300 lm;
• napięcie zasilania 3,2-3,7V;
• rezystancja termiczna 2.5°C/W;
• maksymalna temperatura złącza 150°C;
• kąt świecenia 125°
• temperatura barwy świecenia 6000K

Nie wiem, czy to oryginalna dioda Cree. Jest ona dostarczona razem z aluminiową płytką PCB, która jest wstępnym radiatorem. Sama dioda jest kwadratowa.

Parametry podane przez sprzedawcę pokrywają się z kartą katalogową producenta. Subiektywnie – dioda świeci bardzo jasno już przy prądzie 1000mA, światło jest trupio-białe. To tyle na oko.

Podłączyłem LEDa bezpośrednio do przetwornicy napięcia z cyfrowo ustawianą stabilizacją napięcia i prądu. Ustawiałem napięcie wyjściowe na 5V, oraz różne wartości ograniczenia prądowego,  i tak (prąd diody / napięcie na diodzie):

• przy 300mA / 2,68V
• przy 500mA / 2,73V
• przy 700mA / 2,77V
• przy 1000mA / 2,82V
• przy 1500mA / 2,9V
• przy 3000mA / 3,04V

Ostatnią próbę, z prądem 3A wykonałem z ciekawością – spali się czy nie. Dioda nie posiadała dodatkowego chłodzenia, po kilku sekundach była bardzo gorąca, ale dała radę. Taki prąd nie spowodował żadnych widocznych zmian – ani fizycznych, ani elektrycznych. Jak widać, napięcia są znacznie niższe od tych z noty katalogowej / opisu oferty.

Jaki jest kolimator każdy widzi. Ten został wykonany z materiału oznaczonego PMMA, czyli ze szkła akrylowego. Wybrałem wersję z kątem 30°, do wyboru jest jeszcze 15°. Prostokątny otwór na diodę posiada wymiary pozwalające na dopasowanie LEDa na wcisk. Na zdjęciach w opisie można zobaczyć mniej więcej jak on wygląda. Generalnie nic ciekawego, cena z oferty to 0,94$.

Sterownik 5-funkcyjny

Sterownik to kilka elementów na okrągłym, dwustronnym laminacie. Spodnia część służy jako pole kontaktowe z baterią, na górze znajdują się elementy SMD i dwa kabelki do których należy przylutować diodę.

Scalak z ośmioma nóżkami to… no właśnie nie wiem. Kiedyś powiedziałbym, że mikrokontroler, ale równie dobrze może to być wyspecjalizowany, chiński sterownik LEDa. Nie wiem, czy mam za słabe szkło powiększające, czy po prostu nie ma na nim opisu. Steruje on z 5 nóżki tranzystorem Q2 (N mosfet XORB48 5,8A), który dalej przez rezytor R2 0,75Ω zasila katodę diody LED. Krótko mówiąc, dioda jest sterowana od strony masy (minusa zasilania). Jest też tranzystor Q1 – A1sHB (P mosfet 2,2A), który jest włączony w układ sterowania plusem zasilania, dzięki któremu, odpowiednia szybko przełączając zasilanie, zmieniamy tryby pracy.

Sprzedawca opisał sterownik tak:

• zasilanie 3,7-4,2V
• napięcie wyjściowe 3,7V
• prąd 0,7-2,5A
• funkcje: otwarty obwód, zwarty obwód, przeciążenie

Te funkcje to takie chyba naciągane. Lepiej było napisać, że układ wysterowuje diodę 100% mocy, 50% mocy, 10% mocy (chociaż jest inaczej), stroboskop i SOS. Te dwie ostatnie przy 100% mocy diody. Napięcie zasilania też słabe, bo przecież rozładowany li-ion może mieć i 3V.

Grubość sterownika to 3,5mm, a średnica płytki wynosi 16mm,

Do 5 nóżki (tej, która za pośrednictwem mosfeta Q2 steruje ledem) i katody diody LED podłączyłem cyfrowy oscyloskop na PC, żeby sprawdzić przebiegi, które idą na diodę LED. W przypadku pierwszego trybu 100% mocy, jest to wysoki stan logiczny, ciekawiej jest dla 50% mocy, przebieg z 5 nóżki (bramka tranzystora Q2) wygląda tak:

Czyli prostokąt z wypełnieniem 50% (bo 50% mocy LEDa), stan wysoki powoduje wysterowanie MOSFETa, częstotliwość przebiegu to ~21 kHz, zasilanie sterownika 3,7V. A na katodzie LEDa wygląda to tak:

Tutaj stan niski to świecenie diody. Nie za ładny ten prostokąt.

To teraz tryb opisany (w innych ofertach tego sterownika) jako 10% mocy diody LED, przebieg z piątej nóżki scalaczka:

Stan wysoki zaświeca diodę LED (otwiera mosfeta). Jak widać częstotliwość to ~21 kHz, ale wypełnienie 20%. No może 10% mocy (świetlnej) diody uzyskuje się przy zasilaniu jej sygnałem PWM o wypełnieniu 20%. I jeszcze do kompletu sygnał z katody diody:

Stan niski to świecenie LEDa.

W trybie stroboskop, LED miga z częstotliwością 7 Hz (7 razy na sekundę). W ostatnim, 5 trybie SOS czasy świecenia wynikają z alfabetu morsa.

Zmianę trybów uzyskuje się przez wyłączenie i włączenie zasilania, przy czym przerwa nie może być dłuższa niż 4 sekundy. Jeśli będzie to trwało dłużej, sterownik uruchomi 1 tryb – 100% mocy. A to dzięki jedynemu na płytce kondensatorowi o pojemności 10µF, który jest w stanie podtrzymać zasilanie właśnie przez te 4 sekundy. To tyle z inżynierii wstecznej.

Napięcia, prądy zasilania sterownika i diody LED

Czas przylutować diodę do kabelków sterownika.

A całość podłączyć do przetwornicy ze stabilizacją prądu i napięcia, chociaż wykorzystamy tą ostatnią funkcjonalność.

Ustawiając napięcie zasilające od 3V do 4,2V (realne dla ogniwa Li-Ion) sprawdziłem jak wygląda pobór prądu przez sterownik, przez diodę LED (mierzyłem spadek napięcia na R2) i napięcie diody.

Zacznę od tego, że układ prawdopodobnie nie mierzy żadnych napięć i prądów. Dioda zaczyna się żarzyć już od 2,3V podanego na sterownik, a takiego napięcia Li-Iony nie lubią. Krótko mówiąc, dioda będzie świecić do upadłego (ogniwa). No szkoda, bo poniżej 3V scalaczek mógłby się odcinać, a ogniwo żyłoby długo i szczęśliwie.

Wyniki dla napięć zasilania podaję w kolejności Moc świecenia  / pobór prądu / napięcie diody:

przy 3V dla:

• 100% / 313mA / 2,70V
• 50% / 140mA / 2,42V
• 10% / 47mA / 2,22V

przy 3,3V dla:

• 100% / 550mA / 2,78V
• 50% / 250mA / 2,44V
• 10% / 83mA / 2,22V

przy 3,6V dla:

• 100% / 810mA / 2,8V
• 50% / 360mA / 2,48V
• 10% / 118mA / 2,28V

przy 3,9V dla:

• 100% / 1060mA / 2,86V
• 50% / 477mA / 2,45V
• 10% / 160mA / 2,30V

przy 4,2V dla:

• 100% / 1300mA / 2,89V
• 50% / 593mA / 2,52V
• 10% / 197mA / 2,28V

Krótko mówiąc, nie ma tu żadnej stabilizacji prądu diody LED, bo ściśle zależy on od napięcia zasilania drivera. Po prostu steruje on mosfetem podającym zasilanie na diodę i tyle.

I jeszcze jeden test (co prawda wyszło omyłkowo, ale niech będzie) – sterownik nie jest odporny na napięcie zasilania 19V. Po podaniu dioda na chwilę błysnęła (ale przeżyła) w scalaczku zrobiła się dziura, podobnie w Q1. Także lepiej pozostać przy napięciach niższych niż 5V.

Podsumowanie

Jak widać, układ jest bardzo prosty i raczej nie przeznaczony dla fanów latarek. Jeśli ktoś planuje zasilać ten zestaw w ogniwa Li-ion i będzie pamiętał o odpowiednio wczesnym doładowywaniu go, to powinien być zadowolony z mocy światła w zwykłym codziennym zastosowaniu. Ja mój driver z diodą chcę umieścić w lampie roweru, gdzie zastąpi zwykłą żarówkę z włóknem. Można też dać drugie życie takiej najprostszej latarce w metalowej obudowie. Właśnie do takiej, zasilanej z 3 baterii AAA dokupiłem tulejkę wydłużającą, pozwalającą na zastosowanie ogniwa 18650, wymieniłem słabą diodę, która była zasilana wprost z baterii i kiepski wyłącznik.

Sumarycznie koszt modernizacji i zakupu latarki zrównał się z ceną nowej, gotowej typu ultrafire z regulacją skupienia światła, ale to DIY i nie zawsze chodzi o koszty, a 10 letnia latarka stała się dużo bardziej funkcjonalna.