Driver Lineal Linterna de buceo DV-S9 Led Open Source Hardware.
Introducción.
En este articulo se va ha mostrar un diseño de un driver para una linterna led comercial tipo Ultrafire DV-S9 diving light, en internet se pueden encontrar muchos clones a precio muy ajustado. Es una linterna muy utilizada en pesca submarina, es funcional pero presenta una serie de problemas que se explicaran más adelante.
Esta linterna se alimenta con una batería de ión de litio 18650 o 2320 y utiliza un led tipo cree cree tipo XM-L2. A partir de las características eléctricas del XM-L2 se puede ver que para intensidades entre 1,5 A y 3 A se necesitan tensiones entre 3 V i 3.4 V este voltage se debe suministrar a partir de las baterías pero el voltage que proporcionan la baterías de ion de litio está entre entre 2,5 V y 4,2 V. Estas linternas utilizan un driver para mantener la corriente constante, normalmente se utiliza un diver reductor que permite disminuir la tensión de la batería hasta el valor necesario para suministrar la corriente necesaria. Al ser un driver reductor hay un pequeño porcentaje de la energía de la batería que no se puede utilizar ya que si la tensión de la batería es inferior a la tensión del LED,éste no pude alumbrar. Estos driver pueden ser del tipo lineal, más sencillos o del tipo conmutado que requiere un circuito más complejo.
La linterna de serie consta de un driver lineal a partir del integrado AMC7136 que controla tres transistores sot23 y consigue el control de corriente a traves de un microcontrolador tipo Attiny13 activando y desactivando el regulador a traves de una señal PWM. Según mis medidas el driver puede dar una intensidad máxima de 1,5 A y en vacío tiene un consumo de 10 mA. Para activar la linterna utiliza un switch de efecto hall. El consumo en vacío debido al switch de efecto hall y al microcontrolador es relativamente alto y provoca que la batería se descargue si no se desconecta cuando no se utiliza. Además en determinadas circunstancias se puede provocar electrolisis en la carcasa de aluminio.
El objetivo es diseñar un driver de bajo coste para sustituir el original que permita regular la corriente entre 1 A y 3 A y que no necesite un microcontrolador para disminuir la corriente de vacío.
Especificaciones Driver.
El diseño driver tiene las siguientes características:
- Regulador de tipo lineal.
- Intensidad regulable de hasta 3 A.
- Tensión de entrada de 3 V a 4,2 V.
- Intensidad en vacío de 4 mA.
Diagrama de bloques.
El diagrama de bloques de diseño propuesto es el siguiente:
Básicamente el diseño del driver utiliza un regulador lineal implementado con un amplificador operacional y un transistor de efecto campo MOSFET para poder suministrar la intensidad al LED requerida. El amplificador operacional se realimenta con un medidor de corriente para poder controlar la intensidad de salida en el LED y se controla a partir de un sensor de efecto Hall.
Esquema.
El esquema que he utilizado para implementar el diseño es el siguiente:
Este esquema se puede descargar aquí: Esquema
Alimentación.
Para alimentar el driver se utiliza una batería tipo LiON 18650 que puede suministrar entre 2,5 V y 4,2 V y el LED XM-L necesita tensiones entre 3V y 3.4 V por tanto el driver se diseñará para una tensión de alimentación de entre 3V y 4.2V.De esta manera los componentes se seleccionarán para un tensión máxima de 4.2 V y para poder poder alimentar de manera estable la parte de control se utiliza un LDO de 3V modelo HT3170.
Sensor de corriente.
Como sensor de corriente se utiliza un resistencia de 10mΩ y un amplificador para elevar la tensión de medida. Se ha utilizado un resistencia pequeña para que su caída de tensión no limite la tensión de alimentación del led, pudiendo alimentar la linterna con una tensión de sólo 3V. Para la implementación del amplificador se ha ha elegido un OPAMP de precisión y de bajo offset como el SGM8511.
Regulador lineal.
El circuito utiliza un típico regulador lineal con un MOSFET y un OPAMP realimentado con el sensor de corriente para poder controlar la intensidad que pasa por el led en función de la tensión de entrada. Para la implementación del regulador se ha elegido el mismo OPAMP que el utilizado para el sensor de corriente, el MOSFET IRLR2905 que con una Ron muy baja y un tensión Vgs baja, para poder utilizar la linterna hasta un tensión de entrada de 3V.
Interruptor.
El interruptor controla la distancia entre un imán y un sensor de efecto hall S49E. Para activar la linterna se compara la salida del sensor de efecto hall con el valor de tensión medido de cuando el interruptor está en posición intermedia del recorrido, este valor es de aprox 1.72V. Para implementar el comparador se utiliza un OPAMP del mismo modelo que el utilizado en el resto del driver y un transistor para eliminar la consigna del regulador lineal.
PCB.
Se ha diseñado una PCB de dos caras que se ajusta al al carcasa de la linterna comercial y que sea fácilmente sustituible. Se ha tenido en cuenta las intensidades admisibles de las pistas y reglas de control de EMIs para que la medida de corriente con una resistencia pequeña sea fiable.
La PCB montada queda de la siguiente manera:
En el repositorio de github se incluyen los archivos Gerber de fabricación generados para le fabricante de PCB JLCPCB, pero que son compatible con al mayoría de casas de fabricación de PCBs.
BOM.
El listado de materiales necesarios es el siguiente, se ha incluido el código LCSC de los componentes.
En el momento de la realización del post el precio de los componentes para la fabricación de 10 unidades en la pagina web de LCSC es de 49,75 $ por tanto el coste de componentes por unidad sería de unos 4,975$/u.
Medidas Realizadas.
Se han hecho las siguientes mediciones:
Primeramente se mide la intensidad en vacío, con el interruptor de efecto hall desactivado.
Se comprueba que la intensidad consumida en vacío es básicamente las del sensor efecto hall dando un total de 4mA.
Después se activa el sensor de efecto hall y se pude medir la corriente con el potenciómetro ajustado a 2 A.
La intensidad medida a partir de la tensión en la resistencia de 10 miliohms con el osciloscopio es la siguiente:
Una intensidad de 2A genera una tensión de aproximadamente 20mV sobre la resistencia, se comprueba que el rizado de la intensidad es pequeño, en ningún caso la intensidad pasa por 0, por tanto no hay flicker.
Medida de eficiencia y tensión de funcionamiento.
Con el objetivo de poder obtener la eficiencia del driver se han hecho medidas variando la tension de entrada entre 2,9 V y 4,2 V, midiendo la tensión e intensidad de entrada y la tensión e intensidad de salida.
La intensidad de salida en función de la intensidad de entrada:
La eficiencia en función de la tensión de entrada:
Se comprueba que la linterna es utilizable de 3 V con una intensidad de 1 A y una eficiencia del 98% hasta 4,2 V con una eficiencia minima del 70%.
Comparación de haces de linternas.
La comparación entre los dos haces de una linterna estándar de 1,5 A. y una linterna con el driver diseñado regulado a 2 A es el siguiente:
Se observa que el driver diseñado alumbra un poco más que el driver original.
Documentación de diseño y Licencia.
Toda la documentación del diseño incluido el proyecto en KICAD de la PCB, los documentos de fabricación, el esquema y el listado de material se encuentra en le siguiente repositorio de Github:
https://github.com/luicer/Linear-Flashlight-DV-S9-Driver
Este diseño es open source hardware según la licencia CERN OHL V2 permisiva.
