Latarka LED

ZAGADNIENIE:

Chcemy się oświecić...
Zbudowałem już kilka latarek opartych na diodach elektrolumiscencyjnych (LED), pierwsza była zbudowana w 2004 roku, jeszcze na zwykłych diodach 5mm małej mocy. Najważniejszym elementem, który zadecydował o funkcjonalności latarki, było zastosowanie soczewek skupiających wiązkę diody. Do zasilania użyłem cylindrycznych ogniw li-ion (18650) ze względu na napięcie bliskie temu, które wymaga dioda. Zmniejszenie mocy świecenia odbywało się przez dołączenie w obwód opornika - rozwiązanie bardzo mało efektywne.
Kolejne latarki zaczęły powstawać w 2009 roku, za namową brata ciotecznego, któremu marzyła się lampka LEDowa na rower, jednak ceny produktów skutecznie go odstraszały. Do budowy tych latarek użyłem mocnych diód o mocy 1W i 3W. Najpierw powstały trzy prototypy, a wersja którą tu przedstawię mogę nazwać pierwszym dopracowanym egzemplarzem. Dwie pierwsze latarki były zbudowane na bazie mosiężnej rurki, dopiero do budowy dwóch kolejnych egzemplarzy zastosowałem kompozyty.
Wszystkie latarki, jakie wykonałem do tej pory powstały hobbistycznie (łącząc hobby modelarskie, z elektronicznym i rowerowym). W planach mam jeszcze jedną latarkę - na module diód 3x3W, do zasilania tej bestii planuję użyć już 4 celowego pakietu li-pol.

Prawdę mówiąc budowa latarki ma dość mało wspólnego z modelarstwem lotniczym, ale i tak zachęcam do lektury! Zawsze mogę dodać, że jako obudowę diody możemy użyć kadłub samolotu i wtedy oświetlenie wykonane w ten sposób stanie się światłem do lądowania naszego modelu.

KILKA SŁÓW O ELEKTRONICE:

Podstawą każdej latarki jest źródło światła - w latarkach LED z definicji będzie to dioda wraz z kolimatorem. Równie ważne jest źródło prądu, w moim przypadku będą to akumulatory. Ostatnim ważnym elementem, na początku nie docenianym przeze mnie, jest układ zasilający diodę, łączący baterię z LEDem.
Białe diody do pracy potrzebują napięcie około 3,0-3,6 V. Jak widać te napięcia są bliskie tym, które oferują pojedyńcze ogniwa li-ion i li-pol, dlatego w swoich pierwszych latarkach do sterowania jasnością świecenia używałem oporników, o opornościach od 1 ohm'a do 20 ohm. Pozwalało to na uzyskanie dwóch jasności (przy użyciu jednego przełącznika). użycie opornika ma kilka wad: duży spadek sprawności przy większych opornościach, brak reakcji na spadek napięcia akumulatora i brak zabezpieczenia akumulatora przed rozładowaniem poniżej bezpiecznego progu (dla akumulatorów litowych jest to około 2,7V).
Dopiero w trzeciej latarce zastosowałem driver LED (utrzymujący stały prąd) do zasilania diody o mocy 1W. Potem znalazłem w przystępnej cenie moduły z przetwornicami i zacząłem je stosować - był to wielki krok do przodu. I tu właśnie zaczynają się problemy gdy do zasilania wykorzystuję się jedno ogniwo li-ion lub li-pol - aby zapewnić stabilność oświetlania konieczny jest moduł z przetwornicą zwiększającą i zmniejszającą napięcie. Wadą takiego modułu jest wyższy koszt i niższa sprawność niż w układzie, który tylko obniża napięcie. Do zasilania jednej z latarek użyłem dwóch ogniw Ni-Cd wielkości SC i przetwornicę Step-up. Jej sprawność nie rzuca na kolana, ale przy zbudowaniu przejściówki akumulatory można ładować w zwyczajnej domowej ładowarce. Jednak jeżeli ktoś ma możliwość ładowania ogniw li-ion lub li-pol, to polecam ich stosowanie.
Przy wyborze diody zwracam szczególną uwagę na barwę światła, nie podobają mi się latarki, które świecą zimnym światłem (wysoka temperatura barwowa - około 7000K), osobiście preferuję barwę neutralną (około 4500-5000K).

Czas świecenia naszej latarki będzie uzależniony od poboru prądu diody wraz z układem zasilającym (wyrażamy w Amperach lub miliAmperach) i pojemności akumulatora (wyrażona w mAh). Po podzieleniu pojemności akumulatora przez pobierany prąd, otrzymamy czas świecenia w godzinach.
Maksymalny pobór prądu możemy wprost odczytać z danych diody lub wyciągnąć z maksymalnej mocy i napięciu przy którym jest ona rozwijana. Pobór prądu (w Amperach) otrzymamy po podzieleniu mocy (wyrażonej w Watach) przez napięcie (wyrażone w Voltach). Jak podzielimy ten wynik przez sprawność układu otrzymamy prąd pobierany przez naszą latarkę.
Oczywiście takie wyliczenia są bardzo przybliżone - aby dokładnie móc określić prąd pobierany przez diodę, musimy go zmierzyć. Ponaddto pobierany prąd będzie się zmieniał w trakcie rozładowania akumulatora, będzie zależał od stopnia jego naładowania (a w zasadzie napięcia).
Jednak na początek takie teoretyczne obliczenia pomogą nam wybrać pojemność akumulatora.

BĘDĄ NAM POTRZEBNE:

Zacznijmy od zebrania potrzebnych elementów:

• Dioda LED - polecam użycie diody o mocy około 3W (jasność takiej diody będzie wynosić około 110 lumenów), barwę wybieramy według własnych upodobań. Im zimniejsza barwa tym większa jasność.
• Kolimator - czyli soczewka, która zamieni rozproszone światło diody w uporządkowaną wiązkę.
• Moduł zasilający - może to być driver do diód, dedykowany moduł z przetwornicą lub oporniki redukujące napięcie
• Akumulator - Polecam wybrać markowy produkt, który będzie trzymać deklarowaną pojemność. Nadziałem się na chińskie ogniwa Ultra-fire, które trzymały około 60% pojemności - nie polecam.
• Włącznik - Odraczam przełączniki dźwigienkowe, łatwo o przypadkowe włączenie latarki.
• Gniazdo do ładowania - konieczne jeśli obudowa będzie nieotwieralna.
• Trochę przewodów - zastosowałem przewody silikonowe o przekroju żyły 0,75mm².
• Obudowa - Użyłem rurki będącej kiedyś wędką (kupiona w serwisie wędkarskim) i laminat szklano-epoksydowy na ściankę do mocowania diody i dekielek.
• Smycz - przyda się do zawieszenia latarki na szyi lub zawinięcia na ręce.
• Kleje - żywica epoksydowa (np. Distal) i ewentualnie klej termoprzewodzący.
• Uchwyt montażowy - w przypadku lampki na rower niezbędne. Całkiem przyzwoite uchwyty dostępne są w Deal Extreme - Azjatyckim sklepie internetowym (dużą zachętę stanowi bezpłatna przesyłka!) - szukamy pod hasłem: "bicycle mount".

ILE WAŻY I ILE KOSZTUJE?

Poniżej umieszczam tabelę z wybranymi przeze mnie elementami do budowy opisywanej latarki. Oprócz nazwy w tabeli znajduje się ich masa i orientacyjna cena. Cena rurki węglowej (*) dotyczy kawałka, którego długość wystarcza na 3 latarki.

Element	Masa [g]	Cena
Dioda CREE XR-E Q3 Neutral na podłożu	2,1	26 zł
Układ zasilający LEDIM UUD357 (napięcie zasilania 3-5,5V)	1,4	47 zł
Soczewka Ledil Rocket Oval +/- 3 +/- 20o	5	10 zł
Akumulator li-ion 18650 Batimex 2600mAh	46,2	32 zł
Włącznik kołyskowy dwupozycyjny	2,8	2 zł
Gniazdo do ładowania - wtyczka komputerowa dwupinowa	0,2	0,5 zł
Rurka (fi. 26x0,6mm) z włókna węglowego	9,7	20 zł *
Ściana z laminatu na mocowanie diody i dekielek	3,0	-
Reszta (przewody, klej, uchwyt na smycz, taśma izolacyjna...)	-	-
Razem	74	ok. 130 zł

Jak widać z powyższej kalkulacji latarka wcale nie jest tania, ale i tak lepsza od lampek dostępnych w tych cenach. Przede wszystkim robimy taką lampkę jaką potrzebujemy: możemy manipulować różnymi źródłami zasilania (czas świecenia), diodami i soczewkami. Masa lampki (nie liczę uchwytu na rower) również jest niższa od większości lampek - że chyba użyjemy mosiężnej obudowy, ale wtedy w zamian otrzymujemy lampkę do zadań specjalnych.
Jeżeli chcemy zredukować cenę lampki, możemy kupić tańszą diodę (np. tu) za ok. 16zł i kolimator za 7zł - miałem podobne diody w poprzednich lampkach i sprawują się bez zarzutu. Możemy również zrezygnować z układu zasilającego diodę i ograniczać prąd rezystorami. Na koniec możemy jeszcze raz zajrzeć do Deal Extreme i znaleźć tańszy akumulator. Można również poszukać jakiegoś akumulatora z baterii laptopowej, te z odzysku można czasem kupić za grosze.
W ten sposób możemy spokojnie zejść do połowy wyjściowej ceny i cieszyć się tanią lampką.

Grzechem byłoby nie wspomnieć jak duża jest satysfakcja z możliwości używania wybudowanego przez siebie światełka!

OPIS BUDOWY

Po dość obszernym wstępnie przechodzę już do opisu budowy latarki.
Budowę każdej z latarek zaczynam od wycięcia z laminatu ścianki, do której jest przymocowana dioda. Grubość zastosowanego laminatu szklano-epoksydowego wynosi 2mm. Można użyć laminatu bez miedzi, ja Użyłem z miedzią, gdyż uznałem, że w ten sposób poprawię odprowadzanie ciepła z diody do otoczenia. Wycinamy ściankę (średnica rurki + niewielki naddatek), wiercimy w niej otwory na przewody. Jeśli kolimator ma możliwość montażu za pomocą śrub, to wiercimy również otwory na śruby. Na koniec powierzchnię laminatu należy zmatowić papierem ściernym.
Poniżej zdjęcia z przykładową ścianką (obudowa była lutowana, więc z montażem elementów musiałem poczekać do momentu jej wykonania, bo inaczej bym wszystko usmażył) i kolimatorem z otworami na śruby:

Po wykonaniu otworów lutujemy przewody do diody, przewlekamy je na drugą stronę ścianki i skracamy do takiej długości, aby możliwe było przylutowanie modułu zasilającego z drugiej strony. Dolutowujemy przewody od diody do modułu i luźne przewody zasilające moduł - za chwilę podłączymy baterię i zobaczymy czy wszystko działa.

Jeszcze zanim przykleimy diodę, wykonajmy gniazdo do ładowania baterii - w moim przypadku jest to taka sama wtyczka jak przy serwach modelarskich, tylko że dwupinowa. Można ją kupić w każdym sklepie elektronicznym, jako wtyczkę komputerowa.
Zawsze lutuję przewody do metalowych złączy i dopiero potem zaciskam (używam dedykowanej zaciskarki, ale równie dobrze można użyć małych kombinerek). Przewody wsuwam do plastikowej obudowy i gniazdo jest gotowe. Na koniec warto zmatowić dolną powierzchnię obudowy, aby po przyklejeniu lepiej trzymała się ścianki.
Kable należy poprowadzić według poniższego schematu:

Podczas lutowania przewodów do akumulatora należy uważać, aby nie przegrzać ogniwa! Włącznika na razie nie lutujemy, przylutujemy go na samym końcu.
Sprawdzamy czy po zwarciu przewodów biegnących do włącznika dioda świeci, jeśli tak, to przyklejamy ją do ścianki. Swoją diodę przykleiłem klejem termoprzewodzącym, jednak żywica epoksydowa również będzie się nadawać do tego celu. Ważne jest, aby podczas klejenia docisnąć mocno diodę do ścianki i włączyć diodę ma maksymalną moc świecenia - wytworzona temperatura poprawi własności kleju i przyśpieszy czas jego utwardzania.
Jeśli dioda z kolimatorem będzie przykręcana, między diodę a ściankę wystarczy nałożyć pastę przewodzącą ciepło (taką jak przy radiatorach komputerowych). Jak widać na zdjęciach baterię ułożyłem odwrotnie niż na rysunku - nie ma żadnego znaczenia - po prostu miałem więcej przewodu koloru czerwonego niż czarnego... Przewody mogą być krótkie - obudowa zostanie nałożona na akumulator.

Teraz zabieramy się za obudowę naszej latarki - na początek przód, czyli obudowa diody i soczewki. Sprawdzamy czy nasz kolimator na pewno się mieści w rurce. Moja soczewka była trochę za duża, więc konieczne było jej oszlifowanie - po oszlifowaniu soczewka wchodzi z lekkim wciskiem i o to chodzi!
Należy pamiętać o tym, aby przednia część obudowy była dłuższa od kolimatora, w przeciwnym wypadku soczewka i dioda będą bardzo narażone na uszkodzenia mechaniczne! Jeżeli mamy obudowę z kompozytu węglowego, z wkłóknami zewnętrznymi ułożonymi wzdłuż rurki, to taką rurkę trzeba ciąć bardzo ostrożnie i powoli, aby nie nastąpiło rozwarstwienie kompozytu. Jeśli rurka jest okopertowana cienką tkaniną szklaną, to cięcie będzie łatwiejsze. Po obcięciu szlifujemy końce rurki na płasko, najlepiej użyć papieru ściernego o dużej i płaskiej powierzchni.
Obudowę przyklejamy do ścianki za pomocą żywicy epoksydowej i podobnie jak wcześniej zapalamy diodę, aby przyśpieszyć utwardzanie żywicy. Przed przyklejeniem obudowy powinniśmy nałożyć soczewkę na diodę, aby mieć pewność, że obudowa zostanie przyklejona równo i później nie będzie problemu z nałożeniem soczewki na diodę.

Czekamy na zaschniecie kleju, a potem zabezpieczamy przewody, baterię i nowo przyklejoną obudowę taśmą maskującą i szlifujemy zgrubnie ściankę, tak aby była około 0,3mm większa od przyklejonej obudowy.
Odklejamy taśmę i do ścianki przyklejamy (znowu zapalamy latarkę) przygotowane wcześniej gniazdo do ładowania. Przy swoich pierwszych latarkach bałem się, że temperatura wytworzona przez diodę może doprowadzić do stopnienia gniazda i zwarcia. Aby uniknąć zwarcia montowałem między wtyczką, a baterią bezpiecznik 2A. Jednak jak do tej pory bezpiecznik nigdy nie był potrzebny i zrezygnowałem z niego - w przypadku jego przepalenia (np. za duży prąd ładowania) wymiana byłaby bardzo kłopotliwa.
Dodatkowo metalowe fragmenty gniazda do ładowania i oba końce baterii oklejamy taśmą izolacyjną, żeby uniknąć zwarcia.

Teraz wykonujemy drugą część obudowy, jej długość dopasowujemy do użytej baterii, modułu i włącznika. Warto dodać ok. 2mm zapasu, gdyby się okazało, że przewody wykazują tendencję do sprężynowania i wypychania wyłącznika.
W obciętej i wyszlifowanej obudowie szlifujemy wycięcie na gniazdo do ładowania akumulatora. Warto wykonać je trochę szersze, aby była możliwość precyzyjnego ustawienia obudowy podczas klejenia. Tak przygotowaną obudowę nakładamy na baterię i elektronikę i przyklejamy do ścianki. Podczas klejenia należy precyzyjnie ustawić rurkę, aby znalazła się w jednej osi z wcześniej przyklejonym fragmentem obudowy. Tradycyjnie włączamy latarkę, aby przyśpieszyć proces klejenia. Po zaschnięciu kleju obcinamy nożykiem wystający fragment gniazda.
Ostatnim elementem naszej latarki jest dekielek zamykający latarkę z tyłu. Wycinamy go z laminatu epoksydowo-szklanego, o grubości około 2mm. Wycinamy otwór na wyłącznik, dokładnie odzwierciedlając jego kształt - ważne, żeby wchodził do dekielka na wcisk. Póki dekielek nie jest przyklejony możemy dopasowywać go do woli - nie będzie problemów z wyjęciem.
Wykonujemy jeszcze dwa otworki, przez które przeprowadzimy sznurek do uchwytu - np. zaczepu na smycz. Otwory musimy dokładnie oszlifować, gdyż ostre krawędzie szybko by przetarły włożony sznurek. Na koniec należy zmatowić papierem ściernym dolną powierzchnię dekielka i przyklejamy go do węglowej rurki.
Po przyklejeniu dekielka znowu zabezpieczamy latarkę wszystkie nieszlifowane miejsca taśmą malarską, a resztę szlifujemy.
Wszystkie szlifowane powierzchnie będą matowe, aby ponownie nadać im błysk wystarczy pokryć matowe miejsca cienką warstwą przezroczystej żywicy epoksydowej.
Na sam koniec prowadzimy sznurek przez wywiercone otwory i sięgamy jeszcze raz po lutownicę, by przylutować przewody do wyłącznika. Wkładamy włącznik na miejsce i zakładamy kolimator.

Większość kolimatorów wymaga przyklejenia do diody, można go przykleić do podstawki diody taśmą dwustronną lub żywicą epoksydową. Żywicę można również nałożyć na wewnętrzne ścianki obudowy, aby zabiezpieczyć diodę przed ewentualnym dostępem wody od strony soczewki.
Jeżeli chcemy mieć możliwość wymiany soczewki (np. nie wiemy jaki kąt świecenia będzie dla nad najlepszy), to możemy ją przykleić taśmą klejącą. Właśnie na poniższym zdjęciu widać sposób zamocowania soczewki z możliwością demontażu. Dwa wystające "wąsy", to kawałki taśmy klejącej przyklejonej do bocznej ściany kolimatora. Po wywleczeniu ich na zewnątrz obudowy i naklejeniu po obwodzie taśmy klejącej mamy pewność, że nie zgubimy soczewki. A jak się upewnimy, że kąty świecenia są dobre, możemy wyjąć soczewkę i wkleić ją na stałe.

PODSUMOWANIE

Przy zastosowanej diodzie, przetwornicy i akumulatorze czas świecenia lampki zawiera się w granicach od ok. 2,5 - 30 godzin, w zależności od mocy świecenia. Masa latarki (74 gramy) pozwala na dużą mobilność, a po zastosowaniu specjalnego uchwytu jest możliwe zamocowanie jej do roweru. Nietypowa owalna soczewka mimo wielu moich obaw okazała się praktycznym rozwiązaniem. Latarka trochę się grzeje, jednak nie powoduje to żadnych dodatkowych problemów.

Prezentuję również obiektywne zdjęcie wiązki światła mojej latarki, zdjęcie wykonane przy następujących ustawieniach:
Przesłona: 1/3,6, czas naświetlania: 1/80 sec., ISO: 100, temperatura barwowa: 4100K, odległość latarki od ściany: 50cm, szerokość linijki widocznej na zdjęciu: 29mm.