Безусловными атрибутами путешествия на автомобиле с ночёвкой на природе являются палатка, тёплые вещи и продукты питания, а также осветительные приборы, без них мы чувствуем себя некомфортно. Производители, конечно, откликнулись на спрос и предлагают различные модели походных ламп с питанием как от встроенного аккумулятора, так и от бортовой сети автомобиля.
Но конструкция таких ламп доверия не вселяет. Большинство их выполнены из недорогого пластика и, несомненно, хрупкие. Даже несмотря на то что излучателем света в них являются надёжные светодиоды, походные условия - это далеко не уютный дом. В темноте легко уронить такую лампу или вообще её раздавить. Светить после этого она, может, и будет, но презентабельный внешний вид, увы, потеряет.
При подготовке к одному из загородных путешествий мне на глаза попалась светодиодная матрица мощностью 10 Вт, некоторое время назад купленная в интернет-магазине за символическую сумму. Она идеально подходит в качестве основы будущей лампы. Её номинальное напряжение питания - 10...12 В, именно то, что нужно. Осталось продумать конструкцию самой лампы. Главная сложность - матовый рассеиватель света. Уж очень концентрированно излучала матрица светодиодов, она слепила глаза даже с расстояния нескольких метров.
К счастью, пришла мысль использовать отражатель, работающий как зеркало, который освещает светодиодная матрица. Изменением положения отражателя можно регулировать ширину и направление излучаемого света. Такая идея применительно к осветительным приборам не нова, похожие уличные фонари с отражателем часто используются для освещения. Огромным плюсом этого технического решения является полное отсутствие необходимости искать подходящий по светопропускной способности материал из пластика.
Рис. 1. Принцип работы рассеивателя и конструкция лампы
Принцип работы рассеивателя и конструкция лампы показаны на рис. 1. Линейный пучок света падает на наклонённую поверхность отражателя-рассеивателя и, отразившись под разными углами, выходит наружу. Меняя угол наклона отражателя, можно (в некоторых пределах) регулировать размер светового пятна. Дополнительным плюсом данного решения является то, что можно осветить лишь нужное пространство, а не всё вокруг. Поэтому при меньшей потребляемой мощности предлагаемая лампа обеспечит лучшее освещение конкретного места, чем лампа с круговым излучением.
В качестве отражателя-рассеивателя применён прямоугольный отрезок от листа оцинкованного кровельного железа, покрашенного в один тонкий слой белой матовой краской из аэрозольного баллончика. Площадь отражения, кратно большая площади излучения, и матирование поверхности - именно такой тандем дали необходимый мягкий и не слепящий свет. При сборке рассматривался вариант без покраски, но отражательная способность голого металла оказалась довольно высока. Свет хоть и рассеивался, но при прямом взгляде на отражатель глаза слепило, пусть и ощутимо меньше.
Несколько слов об использованных материалах. Основанием лампы является алюминиевый Н-образный профиль толщиной 3 мм и размерами 45x45 мм, ещё потребуются шесть винтов М3 и отрезок листа кровельного железа размерами 55x80 мм. Для крепления лампы использована ещё одна полоса кровельного железа шириной 10 мм и длиной 90 мм, изогнутая в виде буквы П так, чтобы её основание имело длину 45 мм - по ширине алюминиевого профиля. В центре полосы высверлено отверстие диаметром 4 мм. В автомобиле всегда есть отвёртка. И с помощью винта-самореза лампу можно надёжно закрепить на любом шесте из сухой ветки. Благодаря шарнирной конструкции лампу можно наклонять так, как вам потребуется. Внешний вид лампы показан на рис. 2 и рис. 3.
Рис. 2. Внешний вид лампы
Рис. 3. Внешний вид лампы
Крепёжные отверстия на подложке светодиодной матрицы были диаметром 2,5 мм. Рекомендуется нарезать в них резьбу М3 и использовать винты, у которых длина будет такой, чтобы они выступали над поверхностью светодиодной матрицы на несколько миллиметров. Светодиод надёжно притянется к теплоотводу - отражателю-рассеивателю, при этом, если вы нечаянно уроните лампу или наступите на неё, выступающие части винтов сыграют роль ограничителей и не дадут отражателю изогнуться вовнутрь. Поэтому светодиодная матрица будет защищена. Если у используемой матрицы толщина подложки будет недостаточной для нарезания резьбы, крепить её к основанию можно с помощью винтов и гаек. Само собой разумеется, что эту лампу теперь можно безбоязненно ронять, поскольку она изготовлена из металла. Умеренные ударные нагрузки ей совершенно не страшны.
Электрическая схема лампы также предельно проста. Тестирование светодиода показало, что уже при напряжении 9,5 В ток через светодиодную матрицу достигает 0,4...0,5 А. Мне показа лось это достаточным. Итоговая потребляемая мощность - 4...5 Вт - обеспечит необходимую освещённость (особенно с учётом направленности светового потока).
При напряжении более 10 В ток светодиодной матрицы был 800 мА, световая отдача при этом возросла не столь значительно, зато проявлялся очень сильный нагрев. При решении задачи изготовления драйвера для светодиода можно пойти двумя путями. Собрать стабилизатор напряжения или стабилизатор тока, например, на микросхеме LM317. Более простым решением конкретно для этой задачи лично мне показалась установка стабилизатора напряжения, схема которого показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема стабилизатора напряжения
В этом случае не надо подбирать резисторы. Достаточно микросхемного стабилизатора на напряжение 9 В, например серии LM7809хх. Его общий вывод (вывод 2) соединён с общим проводом через диод Шоттки или любой кремниевый диод. Это добавит от 0,3 В до 0,7 В к выходному напряжению. Либо можно взять более распространённую микросхему серии LM7805, а вместо диода применить стабилитроны с напряжением стабилизации 4,3...4,7 В (подобрать так, чтобы на выходе микросхемы получилось требуемое напряжение). Учитывая, что матрица светодиодов изначально работает в режиме половинной мощности, небольшое увеличение протекающего тока из-за нагрева полупроводниковых кристаллов светодиодов в любом возможном режиме работы не приведёт к их тепловому пробою.
Плюс такого решения и в том, что требуемая площадь теплоотвода оказывается достаточно малой. Если бы светодиодная матрица рассеивала мощность 10 Вт, о компактности лампы можно было бы забыть. То, как производители экономят на размерах теплоотводов в лампах и заставляют светодиоды работать при температуре на десятки градусов больше рекомендованной, - не лучший пример для радиолюбителей.
Микросхема стабилизатора напряжения закреплена на том же основании-теплоотводе через изолирующую теплопроводящую прокладку и на возможно большем расстоянии от светодиодной матрицы.
Включают лампу в прикуриватель с помощью стандартного автомобильного штекера, имеющегося в широкой продаже. Длина соединяющих проводов - на ваше усмотрение. На этапе проектирования мне показалось достаточным 4 м. Однако позже пришлось всё же нарастить длину проводов до 5...6 м. Можно и ещё её увеличить, но при этом следует помнить, что на проводах падает напряжение, поэтому их сопротивление должно быть малым, и при длине 10 м площадь сечения провода должна быть не менее 3 мм2.
Не стоит забывать, что автомобильный аккумулятор не следует разряжать до напряжения менее 11 В. Вычитая минимальное падение напряжения на микросхеме стабилизатора 2 В, даже при глубоко разряженной батарее мы всё ещё сможем получить не менее 9 В. От полностью заряженного аккумулятора лампа в состоянии работать непрерывно не менее 100 ч.
Настройка электронной части лампы сводится к установке тока через светодиодную матрицу в интервале 0,4...0,5 А подбором диода с нужным прямым падением напряжения на нём. Напомню, что в моём варианте выбран ток 0,4 А. При таком токе, даже в жаркую погоду, теплоотвод не нагревался до температуры более 65 оС. В полевых условиях при наличии ветра устройство чувствует себя ещё более комфортно.
Объём лампы мал - всего 50 см3, что сопоставимо с двумя коробками спичек. Такими параметрами может похвастать не каждый промышленный образец. Благодаря предельной простоте конструкции и отсутствию необходимости в специальной механической обработке деталей время на её изготовление заняло у меня около двух часов.
Учитывая, что светодиодная матрица и интегральный стабилизатор, как зонтом, закрыты светоотражающей крышкой, никаких дополнительных мер по влагозащите не предпринималось. Конечно, места паек можно залить силиконовым герметиком. Но каков в этом реальный смысл? Напряжение 12 В для человека абсолютно безопасно, корпус лампы полностью изолирован от токоведущих проводников и контактов благодаря применению термоусаживаемых трубок. Заливка компаундами лишь затруднит доступ к деталям в случае ремонта. От короткого замыкания в лампе и соединительных проводах аккумулятор защищает штатный предохранитель, встроенный в автомобильный штекер.
При налаживании лампы, пожалуйста, не смотрите прямо на светодиодную матрицу. Она хоть и не лазер и не травмирует орган зрения, но глазу потребуется от одной до нескольких минут для восстановления чёткости изображения. Поэтому при установке рабочего тока разворачивайте лампу так, чтобы на вас попадало минимум излучаемого света. В полностью готовом виде лампа уже не оказывает такого ослепляющего воздействия.
Лампа проверена в реальных условиях, на которые и проектировалась. Вот уже более полутора лет служит автору верой и правдой.
Примечание:Для повышения устойчивости работы микросхемы стабилизатора напряжения на его входе надо установить конденсатор ёмкостью 0,33...1 мкФ (серии К73, К10-17).
Автор: Д. Захаров, г. Оренбург