Ripristino della luce solare da giardino alimentata dalla rete: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Questo fa davvero seguito ad alcuni dei miei precedenti progetti alimentati dalla rete, ma è strettamente correlato al LED Teardown precedentemente documentato.

Ora siamo tutti usciti e li abbiamo comprati in estate, quelle piccole luci di confine di fiori che sono alimentate a energia solare e si caricano durante il giorno e una volta che arriva la notte agiscono come una luce di confine del giardino. Naturalmente hanno una vita limitata importazioni a buon mercato che soffrono nel buon vecchio clima britannico con pacchi batteria guasti e talvolta solo pannelli solari guasti.

Normalmente si acquistano queste cose in confezioni da 4 o più e la sorgente luminosa è un singolo led a bassa potenza del tipo economico. Una volta morti li buttiamo nella spazzatura e vanno in discarica. Beh, mi ha fatto pensare, perché non convertirlo in un'unità alimentata da rete con 10W di LED. Dovrebbe essere sicuro e protetto dalle intemperie e deve essere economico. Potrebbe essere fatto, mi chiedevo, e 10W sarebbero troppi? Dalle immagini puoi vedere che la fonte della luce è un design tubolare di circa 60 mm di diametro in acciaio inossidabile e un diffusore in plastica. Più un altro coperchio tubolare che si adatta alla parte superiore con il pannello solare inserito. La prima cosa che ho fatto è stata rimuovere il piccolo led bianco originale e il pannello solare quadrato nel tetto. L'idea è di montare i led su una piastra fissata a un dissipatore di calore rivolto verso l'alto attraverso l'apertura del pannello solare.

Passaggio 1: le specifiche del LED

Avendo recentemente acquistato alcuni LED COB singoli da 10 W, mi chiedevo se fosse possibile utilizzarne uno singolo e utilizzare un alimentatore switching direttamente dalla rete [240 V non isolato] Il candidato era un chip driver di alimentazione buck switch mode FL7701 e un coilcraft induttore da 1,4 mH. Sfortunatamente la conversione da 240 V al FW del blocco COB [12 V] non funziona facilmente poiché la corrente richiesta attraverso il COB è di gran lunga maggiore di quella che il chip del driver può gestire se si desidera 10 W. Il chip può gestire 0,5 A che con una tensione diretta di 12 V ti porterebbe solo a 5 W o giù di lì. Potresti usare una modalità di commutazione del convertitore in avanti con isolamento che farebbe il lavoro, ma il costo inizia a salire, dopo tutto questo avrebbe dovuto essere economico e allegro. Quindi, come potrei ottenere 10 W con solo 0,5 A di corrente. Bene, data la teoria della conservazione dell'energia, l'unico modo per aumentare la potenza è aumentare la tensione, e l'unico modo in cui potrei farlo sarebbe aumentare la tensione diretta dei led utilizzando più di uno di essi. Se guardi il mio istruibile LED Teardown puoi capire perché lo hanno fatto in quel design. Navigando su EBAY ho trovato subito dei led da 1W con una tensione diretta 0f 3V@330mA. Ora, se ho usato 10 e meno li ho eseguiti @ 266 mA, finirei con 10 x 3 x 0,266 A = 8 W … abbastanza vicino. L'underrun ha un approccio a due poli….mantenere il calore basso e quindi preservare o prolungare la vita. Temperatura di giunzione più bassa significa luci felici.

Passaggio 2: la base LED

Guardando le immagini della luce del giardino, ciò che serve è un metodo di montaggio di questi LED e, naturalmente, se stanno affondando di 266 mA, dobbiamo eliminare 8 W di energia attraverso di essi, il che richiederà un dissipatore di calore. Il diametro interno dell'acciaio inossidabile il tubo è poco meno di 57 mm, quindi se potessi montare qualsiasi elettronica in un tubo di plastica sigillato e installarlo all'interno del tubo. Potrei quindi montare la piastra di led rivolta verso il basso sulla parte superiore dell'involucro che illuminerebbe quindi il diffusore. Quindi come disporremmo i led?

Prima di tutto ho tagliato un cerchio di alluminio da 46,5 mm con un foro centrale usando una sega a tazza [vedi foto] e usando del nastro biadesivo per dissipatore di calore coperto da un lato. Puoi trovare questo nastro su ebay ed è abbastanza economico, normalmente usato per il dissipatore di calore allegato vedi foto. L'alluminio era un vecchio contenitore di alimentazione, ma probabilmente puoi acquistarlo su ebay. Ho usato un pezzo di 2 mm di spessore. Devi coprire e isolare il metallo dalla base del led ma avere comunque una buona conducibilità termica. Usa un doppio giro di nastro termico steso ortogonalmente in due strati. Questo cambierà la conduttività termica e perderemo altri 20 gradi c attraverso la giunzione, ma è quello che ci vuole. Lo rivisiterò più avanti e forse esaminerò una soluzione di aqualusion completamente sigillata, ma non per ora.

Passaggio 3: piastra di base

Quindi ho usato Autocad per tracciare dove devono andare i led sulla base. Guarda le immagini di questo allegato come pdf.

Ho stampato il disegno in scala e ho usato un perforatore per creare un modello di montaggio del layout che fungesse da guida approssimativa. Stendendolo sopra la mia base adesiva ho disegnato il contorno dei cerchi sul nastro.

Successivamente ho disposto i led in modo da poter ottenere il posizionamento di del nastro di rame che avrei usato per collegare i led sulla superficie del nastro termico isolante.

Assicurandomi che nessun nastro di rame violasse la parte inferiore della "lumaca" li ho saldati tutti insieme. Ovviamente devi assicurarti che i catodi vadano agli anodi. Potresti semplicemente incollarli e usare un filo di collegamento tra i pin, anche se l'uso di nastro di rame aiuta a dissipare parte del calore nel nastro. A proposito di calore, questi ne generano molto, quindi è necessario un dissipatore di calore abbastanza grande. Ho optato per un dissipatore 40x40x30 H che mantiene la piastra inferiore a circa 58-60 gradi C. Accade che le sue dimensioni si adattino perfettamente al chip solare rimosso Consentendo il calore termico attraverso la giunzione al caso del led a circa 4 gradi c per watt e diciamo 1 grado C per watt dalla piastra al caso questo dovrebbe significare una temperatura di giunzione di (8x1)+4= ca. 60+12 gradi C = 72 gradi C che dovrebbe essere ragionevole.

La tensione totale attraverso i LED sarà di 10 x 3 V o giù di lì, quindi la fase successiva testerà la corrente attraverso di essi.

Il PDF allegato ha uno schema da utilizzare come modello, ma puoi sempre creare il tuo design.

Dai un'occhiata all'allegato easam che puoi scaricare l'eviewer per esaminare

Passaggio 4: assemblaggio superiore

Abbiamo detto prima che avremmo usato un chip driver FL7701 per questo e giocando con il progettista di fogli di calcolo xcel è venuta fuori una serie di cifre che potrebbero funzionare. La chiave per il convertitore buck era ridurre l'ondulazione a qualcosa di ragionevole dato il valore RMS di cui avevamo bisogno. L'ondulazione ha un impatto diretto sulla dimensione dell'induttore e sulla frequenza di funzionamento un effetto indiretto. Quindi, se aumentiamo l'ondulazione, dobbiamo aumentare la dimensione dell'induttore e l'unico modo per ridurre l'induttanza richiesta è aumentare la frequenza. Vedere l'immagine allegata che elenca ciò a cui stavo iterando ed era la chiave per i valori sullo schema.

Ecco i LED saldati disposti sul mio modello prima di attaccarli. Da notare l'utilizzo del dissipatore che ha la piastrina incollata sul fondo con i led montati.

Aumentando la corrente a 266 mA RMS regolando la corrente di picco a 500 mA imposta la tensione a poco più di 30 V attraverso i led, il che implica che la tensione era effettivamente vicina a 3 V in avanti se abbiamo 10 led. Si noti che il calcolo prevedeva 286 mA mentre in realtà siamo riusciti solo a 266. La frequenza avrebbe dovuto essere 101 Khz, tuttavia guardando l'oscilloscopio sembrava un po' al di sotto. Discuterò lo schema, il driver e le forme d'onda nel passaggio successivo.

Quindi collegare la piastra di base ha illuminato come un albero di Natale. Nota rapida qui sulla sicurezza. Questo è un design non isolato, quindi tutto ciò che potrebbe essere elevato a livello di rete necessita di una messa a terra completa. Ciò includerà il dissipatore di calore che, se guardi attentamente, ha un paio di fori che devono essere auto rastremati tramite un'etichetta di terra al dissipatore di calore e alla struttura in metallo inossidabile e alla terra di alimentazione in ingresso. Fare attenzione con il cablaggio dei led che non si verifichino cortocircuiti tra i led e la massa. Se lo fa, una tensione maggiore di quella progettata appare attraverso i LED e li distruggerà rapidamente. Ho una configurazione di prova che ha un trasformatore di isolamento della rete ma quando è collegato direttamente alla rete un lato dell'induttore è al potenziale di rete che se viene collegato a qualsiasi pezzo di metallo isolato sarebbe un pericolo.

Passaggio 5: test e schema

Quindi facciamo un salto indietro e guardiamo a cosa ci serve per pilotare i led. Abbiamo già detto che dobbiamo supportare 266mA o giù di lì, quindi abbiamo già fatto i numeri.

Facendo riferimento allo schema si nota quanto segue:

Entrando attraverso il fusibile 1 al raddrizzatore a ponte, quindi all'induttore del filtro con due c.

D1 è il diodo di recupero e il mezzo per ridurre la corrente sull'induttore. Il gate Q1 è guidato dal pin 2 di FL7701 tramite R3 con D2 che aiuta a spazzare via la carica dal gate sulla corsa negativa dell'FL7701. La frequenza dell'uscita è impostata da R5/R4. La coppia di pin ha un certo disaccoppiamento e il pin CS..pin1 è il senso di corrente che sta monitorando la tensione e quindi la corrente attraverso R6. Fare riferimento alla corrente di picco in R6 di 0,5 A che farà sì che l'IC si reimposti e si abbassi pronto per il successivo sul periodo. Nota cosa manca in questo circuito. Non è necessario un grande condensatore CC del raddrizzatore per l'ingresso. L'FL7701 si occupa abilmente delle variazioni di input internamente. Dato che questa è di solito una parte costosa, aiuta a risparmiare sui costi. Una volta che il PCB è stato popolato, ho controllato l'ondulazione. Utilizzando una sonda di corrente sul catodo del blocco led ha dato ripple di 150 mA e la corrente media utilizzando il misuratore è stata misurata come ca. 260 mA. Questo è 100mA al massimo per i led e li lascia funzionare più freschi, allungando così la loro vita. La frequenza è stata misurata come 81Khz e rampa di 1,71us. Questo è il 13% delle capacità del chip/induttore, quindi dovrebbe andare bene. Il punto di partenza per l'intero progetto è stato l'uso di un induttore coilcraft da 1,4 mH pronto all'uso

Passaggio 6: costruzione PCB

Nota che le immagini sono della scheda prototipo che conteneva alcuni errori che ho corretto sui nuovi layout del pcb caricati. Nota i ponticelli su di esso per aggirare alcuni pin errati … doh. Ciò ha causato alcuni esplosioni prima che mi rendessi conto dell'errore … deve essere stato stanco!

Ci sono un paio della parte superiore e uno della parte inferiore.

Passaggio 7: mettere tutto insieme

Quindi qui è inserito insieme. Allegherò un elenco BOM di tutte le parti necessarie in seguito. Alcune cose a cui prestare attenzione. Ho messo a terra il dissipatore di calore in alto e l'ho alimentato attraverso l'unità a un punto di messa a terra in basso. Questo viene poi collegato a terra all'alimentazione. Diffida di questo. Il catodo del LED finale è 30V circa al di sotto della tensione di rete di picco di 310V. Questo farà male se viene toccato, quindi deve essere tenuto isolato e tutte le parti metalliche che potrebbero entrare in contatto imbullonate a terra per garantire un percorso libero per la corrente di guasto. Notare l'uso di pressacavi in alto e in basso per impedire all'acqua di trovare il suo strada verso l'elettronica. La vite di messa a terra in basso funge da arresto per il "contenitore" di rete ed è presente un foro di drenaggio nel caso in cui l'umidità penetri all'interno. Questo non è un contenitore impermeabile ma la rete è tenuta lontana dalle dita e dal il foro di scarico è ben al di sopra del livello del suolo. Il dissipatore di calore superiore ha bisogno di un po' di sigillatura intorno alla parte superiore e questo deve ancora essere completato. Ho intenzione di metterlo in giardino per l'estate e probabilmente aggiungerne altri in seguito.