Переделка велофары MagicShine MJ-816.

Я всё пытался изобрести свою велофару на светодиодах, пока не увидел чудо китайской промышленности под названием MagicShine MJ-816. Не знаю почему, но мне этот фонарик понравился и я сразу его купил. Конечно же я осознавал, что без какой-либо доработки не обойдётся, но не думал что переделывать придётся абсолютно всё.

Первое, что удивило, это размер фары. На картинках она выглядит больше и массивнее. Полную разборку этого девайса с подробными фотографиями можно посмотреть на форуме mtbr.com. Как только я её увидел, то сразу понял что заявленные 16 Вт энергии этому корпусу не рассеять. И действительно, включив её дома на столе уже через пару минут стало ясно, что тепловой режим светодиодов очень напряжённый, говоря проще: перегреваются они. Судя по сообщениям форумов, при движении на ощупь она чуть теплая, то есть примерно 25 - 30 °С. А у меня на столе корпус фары разогревался так, что обжигал руки, то есть до 50 - 55 °С. Думаю это из-за довольно значительного теплового сопротивления между светодиодами и корпусом велофары, иными словами обдув и охлаждение корпуса не сильно уменьшают температуру кристалла светодиода. Это конечно всё мои рассуждения, но строение корпуса полностью подтверждает мои размышления. Достаточно взглянуть на теплоотводы, на которых закреплены "звёзды" со светодиодами. У центрального SSC P7 это латунная деталька хитрой конструкции (см. на картинках ниже). Мало того, что теплообмен происходит только по поверхности небольшого выступа этой детали, так ещё и через слой краски на корпусе. Зазор между корпусом и боковой цилиндрической поверхностью около 0,3 мм, так что говорить о каком-либо тепловом контакте не приходиться. Выбор материала теплоотвода тоже удивляет. Теплопроводность латуни 110 Вт/(м*К), а у алюминия 237 Вт/(м*К) что в два раза выше латуни. У сателлитов ситуация не лучше. Теплоотвод Cree XP-E хоть и алюминиевый, но он полностью покрашен. Это значит теплу от "звезды" светодиода надо сначала пройти через слой краски в теплоотвод, затем через два слоя краски (теплоотвод и корпус) в корпус. Боковая поверхность теплоотвода тоже не способствует плотному контакту, на ней даже через покрытие проступают следы металлообработки.

Смысла в оребрении задних крышек я вообще не вижу. Глядя на фотографии перед покупкой я думал, что они - неотделимая часть корпуса. А тут такой конфуз, мало того что резьбовое соединение, так ещё эта резьба вдобавок покрашена. В целом фара светила неплохо, центр был сделан как дальний свет, так как бил узким лучом, а сателлиты - как ближний, их коллиматорные линзы давали два овала уходящих довольно далеко в стороны и пересекающихся посередине. Но использовать фару в таком исполнении означало садистское издевательство над установленными в ней светодиодами, поэтому я сразу решил её переделать на свой лад.

Но сначала надо было удовлетворить своё природное любопытство и измерить некоторые параметры велофары: потребляемую электрическую мощность при разных режимах работы и максимальный КПД драйверов питающих светодиоды.

Данные из первой таблицы говорят о том, что китайцы опять "не доложили", ну да ладно, вероятнее всего это погрешность измерения. Данные из второй таблицы выявляют весьма неплохие показатели используемых драйверов. Очень высокий КПД драйвера сателлитов обусловлен высоким выходным напряжением (светодиоды сателлитов соединены последовательно), а чем меньше разница между входным и выходным напряжениями драйвера, тем выше его КПД. Эта закономерность видна, если взглянуть на показатели драйвера центрального светодиода. Большие токи и значительная разница между входным и выходным напряжениями не способствуют рациональному преобразованию электрической энергии.

В этом аспекте мне не понятен выбор светодиодов в этой фаре. Зачем производитель в центр установил светодиод другого производителя, хотя у CREE есть MC-E кристаллы которого, в отличие от SSC P7 можно распаять как параллельно, так и последовательно. Если кристаллы MC-E соединить попарно параллельно и эти параллели соединить последовательно, то выходной ток драйвера уменьшился бы в 2 раза, во столько же увеличилось выходное напряжение. Одно это привело бы к увеличению КПД процентов на 10, а если учесть что драйвер центрального луча потребляет 3/4 всей энергии, подаваемой на фару, то сэкономленные 10 % превращаются в отнюдь не малые 1,2 Вт.

При виде этой цифры многие снисходительно улыбнуться. В наше время один, полтора или даже два ватта - это карманный фонарик для того, чтобы подсветить лестницу в тёмном подъезде или сходить в подвал за картошкой. Что эти жалкие один-два ватта по сравнению с 10-, 15- и даже 20-ваттными монстрами. Поэтому хочу сразу объяснить ход моих мыслей и логику моих рассуждений. Дело в том, что подавляющее большинство представленных на рынке фар (если не абсолютно все) предназначены для недолгих покатушек, следовательно время их непрерывной работы ограничено 2...5 часами (если использовать в экономичном режиме, то можно растянуть на 10...12 часов). Этого вполне достаточно не только для вечерней покатушки, но и для двухдневного ПВД (например в августе-сентябре, когда ещё тепло, но дни уже короткие).

Я же задался целью сделать универсальную фару, некий компромисс между количеством излучаемых люменов (которых, как правило, не бывает слишком много) и потребляемой мощностью (которой бывает что не хватает). В многодневном походе довольно сложно найти розетку для подзарядки, даже если он проходит по населённым местам. Днём надо ехать, а зарядка занимает минимум часа полтора-два. На ночлег становятся как правило подальше от людей и, следовательно, от розеток. Кто-то может предложить использовать обычные АА батарейки. Согласен, с первого взгляда это не так дорого (около 10 рублей за 1 Вт*ч) и везде доступно. Но дешевизна мнимая, так как использовать батарейки для покатушек и поездок на работу уже неоправданно дорого, как и дорого иметь большой ассортимент велофар на все случаи жизни. Доступность батареек тоже весьма преувеличена. Да, живя в областном центре со всеми его круглосуточными универмагами в голове даже мысли не возникает, что купить пальчиковую батарейку - проблема. Но я сам иногда поражаюсь как часто мы с компанией приезжали в очередную деревню с закрытым магазином, и это в достаточно плотно населённой калужской области. А играть в эту лотерею в дальнем многодневном походе нет никакого желания.

Поэтому остаётся вырабатывать энергию самому либо механическим путём, либо фотоэлектрическим, либо термоэлектрическим или ещё какими-либо способами. Получить большое её количество не получиться, именно поэтому я сделал упор на максимальную энергоэкономичность и энергоэффективность. Исходя из моих теоретических расчётов и рассуждений, чтобы получить максимум света от светодиода его надо питать небольшим током и хорошо охлаждать. А чтобы сохранить прежний световой поток при пониженном энергопотреблении надо увеличить количество светодиодов. По совету не помню уже какого форума, я зарегистрировался на Cutter Electronics и заказал от туда 10 светодиодов XP-G (бин R4 Neutral White), плату на алюминиевой подложке диаметром 32 мм для 4-х светодиодов и коллиматорную линзу для этой платы LEDIL GT4-XPM (13°), две платы диаметром 20 мм и две коллиматорные линзы Carclo Triple Optics с углом 16,4°.

На первый взгляд может показаться что я переборщил с количеством светодиодов: 10 штук вместо трёх от производителя. Но если считать не корпуса светодиодов а количество кристаллов, то в стоковой комплектации их 6 штук (два XP-G и четыре P7), я же добавил ещё 4 кристалла. Поэтому фактически я всего навсего добавил по два светодиода в каждый сателлит, а кристаллы центра раздвинул в пространстве.

Плата центрального луча встала в корпус как-будто под неё сделано, а вот платы и линзы сателлитов пришлось уменьшать в диаметре. Точнее только плату, у линзы достаточно было подточить ножки с краёв. Дальше пришлось разрисовать всю фару в 3D чтобы начертить пару необходимых деталек. Это три небольших алюминиевых цилиндра: один теплоотвод центрального луча и два теплоотвода сателлитов. На них возложена двойная функция: во-первых, они являются основаниями, на которые опираются платы со светодиодами, во-вторых, они отводят тепло от плат в корпус. В связи с этим, теплоотводы должны быть максимально плотно установлены в корпусе фары, а плоскость контактирующая с платой - максимально ровной, а лучше полированной. Я специально заказал у токаря заготовки чуть большего диаметра, а потом сам вручную подгонял их под корпус. В корпусе бормашиной я удалил краску в местах контакта теплоотводов с корпусом.

 Отдельно надо упомянуть о креплении корпуса сателлита в свою нишу корпуса фары. Проблема в том, что корпус сателлита заметно меньше того кольца, куда он устанавливается и для его фиксации в кольцах корпуса фары, снизу предусмотрены прижимные винты. Но стенка корпуса во-первых - тонкая, во-вторых - сделана из мягкого алюминия. Из-за этого у меня один из сателлитов толком не фиксировался, резьба была сорвана. Да и с охлаждением в таком конструкторском решении было всё плохо. Меня это не устраивало, поэтому я той же самой бормашиной содрал всю краску с корпуса сателлита с внешней стороны и с корпуса фары с внутренней, как раз в месте теплового контакта. И вклеил сателлит в нишу фары термокомпаундом Arctic Silver. Не понимаю, почему китайцы так не сделали, ведь это проще, чем сверлить отверстия, нарезать в них резьбу, а ещё эти малюсенькие винтики под внутренний шестигранник.

 Можно было также вклеить и теплоотводы, но это вариант "на всегда", а я возможно ещё в будущем чего-нибудь придумаю и это решение мне не подходило. Я поставил теплоотводы на термопасту Arctic Silver 5. Этот же термоинтерфейс и между "звёздами" и теплотводами. Очень хорошая термопаста, но не из дешёвых. На картинках с продольными разрезами чётко видны все препятствия на пути тепла от "звезды" наружу. Первое: "звезда" - теплоотвод, второе: теплоотвод - корпус (сателлита или центрального луча). Здесь надо кое что уточнить. Дело в том, что и сателлиты и центральный луч сделаны одинаково: корпус вставлен в своего рода держатель, представляющий из себя три кольца сваренных между собой. Вот только корпус центрального луча вклеен в своё кольцо (что разумно), а корпуса сателлитов, как я указывал раньше, фиксируются винтами. Корпус центра так хорошо вклеен в своё кольцо, что достать его от туда я так и не смог, поэтому нарисовал их в 3D как единое целое. Но если рассматривать движение тепла, то не учитывать это сочленение не разумно. Может он и вклеен намертво, но адгезия и теплопроводность это разные показатели и отождествлять их не следует. Идём дальше, третий термобарьер: корпус (сателлита или центра) - корпус фары, и четвёртый: корпус фары - воздух. Для проверки величины термобарьеров я решил провести небольшой эксперимент. Я просто-напросто подключил плату со светодиодами центра к стационарному блоку питания, подал на неё определённую мощность и, по прошествии полутора часов, измерил температуры отдельных зон. Данные в таблице ниже.

Эх, как же я жалею, что не провёл такой же эксперимент сразу после покупки фары. Очень интересно какое тепловое сопротивление имел бы переход латунный держатель - корпус. Теперь уже не узнаю - P7 работает в другом месте, а где валяется латунный держатель одному всевышнему известно, весьма вероятно что он погребён на городской свалке. Кстати, забыл упомянуть что на этом латунном переходнике была закреплена и плата драйверов, которая тоже вносила свои ватты в общую копилку. Одним словом P7 был обречён. Что двигало китайскими инженерами при разработке этой конструкции мне не понятно, вероятно какие-то иррациональные демоны, столько сложных в изготовлении и абсолютно бесполезных, я бы даже сказал вредных деталей.

С первого взгляда может показаться что перегрев почти 30 °С довольно значительный. Но здесь надо учесть одно важное обстоятельство: фара при тестировании преспокойно лежала на столе. То есть эти значения теплового сопротивления можно назвать максимальными для данной конструкции. Эта велофара будет использоваться и в велотуризме, а здесь случается что надо подсветить место стоянки вечером. Именно поэтому я использовал центральный коллиматор с большим углом рассеяния (а возможно куплю и ещё больше). Ну и если грубо прикинуть, при максимальной яркости центрального луча на его четыре светодиода подаётся 6 Вт энергии. Тепловое сопротивление кристалл - окружающая среда складывается из нескольких тепловых барьеров. Первый (с конца) тепловое сопротивление "звезда" - окружающая среда, в случае неподвижности фары это 5 °/Вт, и при рассеивании 6 Вт в воздухе температурой допустим 20 °С имеем температуру "звезды" 50 °С. Дальше тепловое сопротивление самой "звезды" - 3,5 °/Вт и подложка каждого светодиода прогреется до 56 °С. Здесь и далее расчёт надо вести не на общие 6 Вт, а на 1,5 Вт которые рассеивает каждый светодиод в отдельности (я округлил значение в бóльшую сторону). Ну и после теплового сопротивления подложка - кристалл, для XP-G это 6 °/Вт, получаем температуру кристалла 65 °С, а это светимость от номинала больше 90% (92% если быть точным).

И если уж на то пошло, то большой перегрев обусловлен небольшими размерами гладкого корпуса (задние крышки не в счёт, я сильно удивлюсь, если они хотя бы четверть всего производимого тепла рассеивают), то есть при переходе тепла с поверхности корпуса в воздух. При движении фара будет обдуваться и тепловое сопротивление "звезда" - воздух будет ну не как не выше 2 °/Вт. Летом, при 17...18 °С и полной мощности на ощупь фара еле тёплая (35 °С), а зимой теплоту не удаётся уловить, холодная как окружающий воздух. Правда зимой я её на полную не включаю, и половины достаточно, кругом и так всё белым-бело.

Световое пятно фары не отличается оригинальностью, по-сути все три световых луча идут параллельно друг другу. А так как источники этих лучей располагаются практически рядом друг с другом, то кажется, что все лучи бьют в одну точку. Это, на мой взгляд, самый значительный минус всей моей переделки, но я тут бессилен. Можно было бы направить центральный луч чуть вниз и слегка расширить его, а боковые лучи наоборот пустить чуть выше, в даль и сузить их. Развести лучи в пространстве не удастся из-за того, что корпуса сателлитов и центра жёстко соединены между собой. Сузить боковые лучи тоже проблема, так как я использовал самую фокусирующую линзу, у́же нет. Ниже приведены пару видеороликов для того, чтобы получить хоть какое-то представление о работе получившегося велосвета. Первый ролик снят на нормальную камеру, первое включение - центр на минимуме, второе включение - сателлиты на минимуме, затем к ним подключается центр и всё это выводиться на максимум. Второй ролик - нарезка с видеорегистратора, не совсем объективно показывает, видимо не хватает динамического диапазона или чувствительности матрицы. Так как зимой езжу по городу, да и светло из-за снега, то фара работает примерно на половине мощности.

 Ну чтож, про оптику всё что можно было написать, написал, теперь пришло время поговорить об электрической начинке. Уже ясно, что исходный драйвер, хоть и имел очень хорошие показатели по КПД, но не подходил по электрическим параметрам. Если придерживаться конструктива производителя и использовать на сателлиты один драйвер, то надо либо соединять их параллельно, что по сути не допустимо для светодиодов, либо использовать повышающий драйвер, так как напряжения моей батареи (12...16,8 В) не хватит для включения шести светодиодов (18 В). Пришлось на каждый сателлит использовать свой драйвер. Я решил использовать проверенный TR-0021B, а точнее развести свой на микросхеме AX2002. Единственное, что мне не нравилось, так это невозможность плавной регулировки яркости, как у MagicShine MJ-816, которую я переделываю. Я предположил, что у AX2002 для регулировки выходящего тока можно использовать вывод "Comp", подключив его через высокоомный резистор на "землю". Я был в этом так уверен, что уже нарисовал схему и развёл платы всех трёх драйверов когда решил всё проверить. Оказалось что с помощью этого вывода можно корректировать выходной ток, но эта настройка очень сильно зависит от входного напряжения, а так как у меня аккумуляторная батарея выдаёт достаточно широкий интервал рабочего напряжения, то от этого варианта мне пришлось отказаться. Из-за того, что платы были уже готовы, мне пришлось выходить из ситуации нестандартным способом: я решил отказаться от плавной регулировки в пользу двух режимов яркости, задающихся включением токоизмерительных резисторов различного номинала с помощью полевых транзисторов. Схема получилась ещё более сложной, а исполнение просто кошмарное (фото), но самое страшное заключалось в том, что все эти доработки снизили КПД драйверов до 50...60 %. Это был удар ниже пояса, деньги, а самое главное - куча времени, потрачены впустую.

 Но тут я натыкаюсь в инете на ещё один драйвер на микросхеме PT4115 и покупаю его для опытов. Плата драйвера очень маленькая, а если выпаять ненужные мне выпрямительные диоды, то плату можно ещё уменьшить в размерах процентов на 20. Огромным плюсом этого драйвера (для меня) было то, что у микросхемы PT4115 есть вывод для плавной регулировки выходного тока, причём эта регулировка допускает как цифровое управление (ШИМ) так и аналоговое (с помощью высокоомного резистора). Полная электрическая схема фары приведена на рисунке. Максимальная яркость задаётся токоограничительными резисторами R1, R2 и R3, а резисторами R4-R7 задаётся уровень напряжения на выводе "DIM" микросхемы в интервале 0,5...2,5 В. От уровня этого напряжения зависит выходной ток драйвера, который меняется соответственно от 0 до максимального значения, заданного токоограничительным резистором. Если вывод "DIM" замкнуть на "землю", то выходной ток драйвера будет равен нулю, именно так я и выключаю фару, в этом режиме драйвер (по заверениям производителя) потребляет менее 1 мА.

 Вот как это выглядит в объективной реальности. После проверки я покрыл платы полиуретановым лаком, поэтому даже если внутрь попадёт вода, электроника останется живой, да и между собой они не перемкнуться.

 Новый кабель, который идёт на блок управления (о нём буду писать отдельно), я сделал сам. Можно конечно использовать готовый, но я ничего подходящего не нашёл. Всего надо пять жил, причём две толстые - для питания, и три тонкие - для управления яркостью и включения/выключения. Такого днём с огнём не сыщешь. Можно подобрать что-нибудь с одинаковыми жилами, но я так ничего не нашёл, если что и попадалось более-менее подходящее, так белого цвета. Поэтому я нашёл подходящий по диаметру, но неподходящий по строению кабель, стянул с него "шкуру" и набил эту "шкуру" своими "потрохами" (ну не своими конечно, это я так, фигурально выражаясь). Я прикинул что в эту трубку поместятся 6 жил МГТФ-0,35 и 4 жилы МГТФ-0,12, затем отрезал три куска 0,35-го и два куска 0,12-го МГТФа длинной в 2,2...2,5 раза большей длинны трубки. Протянул сквозь трубку одножильный провод, согнутый вдвое (какой-нибудь типа ПЭВ диаметром 0,5...0,7 мм). Когда сгиб показался с противоположенного края трубки, я вдел в петлю заготовленные МГТФы, перегнул их пополам и начал протягивать их в трубку, обильно смачивая силиконовым маслом ПМС-200 пока не вытянул их с другого края. Так у меня получился довольно тонкий кабель, но с достаточным сечением жил. К блоку управления фара подключается посредством малогабаритного разъёма Y4M-5TJ. Конечно было бы совсем хорошо, если вместо 5-штыревого разъёма использовать 7-штыревой, тем более они одного размера. Так можно было бы под питание фары использовать не по одному штырю, а по два. Но по непонятным мне причинам в магазине, где я покупал эти разъёмы, были абсолютно все их комбинации кроме одной - розетка на блок, семёрка. Был огромный соблазн поставить на блок вилку, а на провод - розетку, но это не по правилам. Да и производитель разъёмов утверждает что максимальный ток через пин - 3 А, а у меня даже при самых неблагоприятных условиях (низкое напряжение батареи и максимальная мощность потребления) больше 1,5 А не потребляет.

И последнее испытание - измерить КПД получившейся фары. Для этого я промерил один из сателлитов и центр на разных входных напряжениях и при разных выходных токах. Результаты в виде графиков:

В принципе, результаты ожидаемые. При низких токах потребления в обоих случаях наблюдается значительная зависимость КПД от входного напряжения. Коэффициент полезного действия драйвера на PT4115 не может не радовать, при самом неблагоприятном режиме работы он не опускался ниже 80%. Как я и предполагал, работа на четыре светодиода получается более экономная даже на высоких токах отдачи. Для третьего графика я усреднил значения КПД для интервала входных напряжений 12...18 В и вывел только зависимость от выходной мощности. Как видно, максимально выгодно её эксплуатировать при мощности сателлитов от 1,5 Вт до 3 Вт, а для центра от 1 Вт и выше. Хотя если учесть масштаб оси Y, то не важно какой на данный момент КПД 87% или 90%, эту разницу не почувствуешь, так что можно не заморачиваться с режимами и использовать фару как глазу приятно, что собственно я и делаю.

Итак, подведу итог.

Что я имел до переделки? На коробке написано: "16 Вт", "1400 лм". Смелые заявления, тем более проверить нельзя. Поэтому я немного посчитал:
SSC P7 потребляет 8,8 Вт и светит на 416 лм без учёта температуры и на 344 лм при тепловом сопротивлении "звезда" - воздух 5 °/Вт (вряд ли конструкция от производителя так хорошо передавала тепло, но поскольку других данных у меня нет, буду пользоваться этими)
XP-E (будем считать самый яркий бин R3) потребляют 4 Вт на двоих и светят на 380 лм без учёта температуры и на 340 лм при 5 °/Вт
В результате имеем около 800 лм без учёта температуры и 684 лм при тепловом сопротивлении "звезда" - воздух 5 °/Вт. Откуда взялась цифра "1400" неясно, даже при хорошем отведении тепла от светодиодов и половины заявленных люменов получить не удастся. А реально их там наверное не больше трети от указанных на коробке. И время жизни светодиодов тоже, мягко говоря преувеличено. За 50000 часов в этой фаре сменилось бы несколько десятков поколений светодиодов, так как жизнь бы их была трудной, но короткой. Я прикинул что при тепловом сопротивлении 10 °/Вт (это всего в 2 раза больше чем у моей конструкции) кристалл P7 нагрелся бы до 170 °С! Это при абсолютном максимуме, заявленном производителем светодиодов в 140 °С! Поэтому я и жалею, что не измерил эти параметры на купленной фаре. Только потребляемая мощность соответствует действительности.

Ну а что же после переделки?
Каждый сателлит потребляет по 5,1 Вт, это 1,7 Вт на светодиод и 250 лм при тепловом сопротивлении "звезда" - воздух 5 °/Вт (по графику 260 лм, но там расчёт на бин R5, а мой R4 выдаёт на 10 лм меньше).
Центр потребляет 6,2 Вт или 1,55 Вт на светодиод, который при такой мощности излучает 230 лм.
В результате имеем при почти той же мощности (16,4 Вт)  более 3,5-кратное (250 х 6 + 230 х 4 = 2420 лм) превышение по количеству света. С трудом в это вериться, но в целом расчёт верный. Единственное, что стало хуже, это световое пятно. В "китайском" варианте оно лучше, но здесь я бессилен что-либо изменить.