Светодиодный аккумуляторный светильник

 Светодиодный аккумуляторный светильник

В рамках работ по освоению микропроцессора STM8S задумал построить светильник на литиевом аккумуляторе. Зачем в таком простом устройстве процессор? Готовых конструкций много, но подходящей мне не нашлось. Вот что я захотел:

• Светильник на одном, двух или трёх одноваттных светодиодах, чтобы было возможно читать книгу или ребёнку учить уроки при отсутствии электричества.
• Регулировка яркости свечения по текущим потребностям
• Источник питания - несколько литиево - полимерных аккумуляторов типа 18650 параллельно, напряжение 3,0-4,2В, или литиево – ионный бескорпусной 1000-3000 ма*ч, напряжение 2,5-4,1В.
• Контроллер зарядки и разрядки аккумулятора чтобы его не загубить.
• Зарядка от 5В USB зарядного устройства, ток зарядки до 1А.

Для этих требований мне были бы нужны три устройства: Импульсный повышающий источник питания, контроллер аккумулятора и управляющий яркостью ШИМ. А также выключатель питания. А применение процессора с парой транзисторов решает все проблемы. В принципе, для этих целей нужен экономичный микроконтроллер с напряжением питания 2,9-5В, режимом засыпания и встроенным источником опорного напряжения. Изучение даташита на STM8S показало, что у него опорным напряжением является напряжение питания. При работе от аккумулятора напряжение плавает, и понадобится внешний источник опорного напряжения. Нужен другой процессор? Постойте, в нашем процессоре есть стабилизатор 1,8В для питания ядра, и ножка выведена. Но о стабильности этого напряжения в даташите не сказано ни слова.

Провёл работу по определению стабильности внутреннего стабилизатора от напряжения источника питания и температуры корпуса.

Полученные результаты:
Зависимость выходного напряжения от напряжения питания
U (Vdd)                               U (Vcap)
3.00                       1.8455
3.30                       1.8457
3.60                       1.8456
4.00                       1.8458
4.50                       1.8459
5.00                       1.8464
5.50                       1.8471
6.00                       1.8483

Зависимость выходного напряжения от экземпляра:
1.760-1.85В

Зависимость выходного напряжения от температуры корпуса:
1,823 - 1,829
1,850 - 1,844
при 3,3В питания и нагреве от 25 до 100 градусов феном.

Точность напряжения внутреннего стабилизатора в диапазоне напряжений 3,0-5,0В 0,048%
В диапазоне 3,0-6,0В 0,15%. Абсолютная точность источника 1,8В +-2,5%.

Калибровать микроконтроллер по напряжению нужно, но после калибровки вполне возможно использовать все 10 значащих бит в АЦП, что соответствует точности 0,1%.

Схема включения довольно простая, один транзистор - на преобразователь напряжения, второй – на ключ зарядки. Яркость и включение светильника регулируются переменным резистором.
Разработка схемы велась в Altium Designer. Схема:

Рисунки разработанной платы прилагаю:

После изготовил тестовую плату:

Программу я разрабатывал довольно долго. Во-первых, работа с режимами засыпания микропроцессора была для меня новой, а во-вторых, я захотел проверить работу ПИД регулятора в этом устройстве. Работа шла неспешно, вечерами, и выяснилось, что быстродействия АЦП недостаточно для устойчивой работы регулятора такого типа. Пришлось выдумать свой вариант интегрирующего регулятора. Но в результате разобрался со всеми фишками и получил вор такие результаты:

Светильник с контролем тока через светодиод, контролем напряжения батареи, управлением зарядкой от USB.

Ток светодиодов (2шт последовательно)                                                    8 - 350мА,

Ток потребления от батареи                                                                              20мА до 1А

Ток от батареи в выключенном состоянии                                                  200мкА

КПД преобразователя                                                                                           60 - 75%.

Частота преобразователя                                                                                    75кГц.

Максимальный ток зарядки                                                                                1,2А

Есть режим калибровки от внешнего источника                                      5,00В.

И какой же фонарик без моргания лампочкой! Прилагаю видео работы:

Подытоживая результаты работы, можно улучшить КПД светильника. Например, ток вывода микропроцессора всего 20мА, чего недостаточно для быстрого открывания и закрывания ключевого транзистора. Можно применить буфер. Схема усложнится на два транзистора, но КПД вырастет. Но в целом результатом доволен, тем более что в плюсе осталось более глубокое понимание работы узлов микропроцессора и готовое устройство.