Проект представлял собой создание мощного светодиодного фонарика с рядом уникальных характеристик:

- В основе лежит светодиод Cree X-lamp высокой мощности;
- Питание светодиода осуществляется на двух уровнях мощности;
- Ток светодиода регулируется с помощью специальной схемы;
- Используются перезаряжаемые аккумуляторы формата AA;
- Фонарик обеспечивает широкий и равномерный луч света, что делает его отличным выбором для работы, чтения или прогулок;
- Цвет освещения — нейтральный белый, отличающийся от голубоватого оттенка большинства «белых» светодиодов и желтовато-оранжевого света ламп накаливания или «теплых белых» светодиодов;
- Управление осуществляется одной кнопкой через электронную схему;
- Эргономичный дизайн позволяет удобно держать фонарик в руке.
На максимальной мощности (чуть более 3 Вт) время работы составляет около 2 часов на одном заряде, а на минимальной (0,3 Вт) — более 20 часов.
Теперь о схеме. Управляющая электроника постоянно подключена к аккумуляторам, но в режиме ожидания потребляет ничтожно малый ток. Она построена на микросхеме с двумя триггерами и несколькими временными цепями, которые управляют регулятором тока с двумя уровнями.
При установке аккумуляторов схема задержки на первом выводе триггерной микросхемы фиксирует его в определенном состоянии, что приводит верхний триггер в исходное положение с логическим нулем на выводе 5. Это подает сигнал сброса на нижний триггер, переводя и его в начальное состояние. МОП-транзисторы остаются без смещения. Конденсатор на первом выводе вскоре заряжается, и ток перестает течь, пока не будет нажата кнопка. В статическом состоянии потребление CMOS-микросхемы минимально.
При первом нажатии кнопки схема задержки устраняет дребезг контактов, после чего верхний триггер реагирует на восходящий сигнал на входе и меняет состояние. Это подает напряжение Vcc через резистор 10 кОм на верхний МОП-транзистор, который начинает проводить. Вместе с резистором 5,6 Ом и биполярным транзистором он формирует регулятор тока. Смещение биполярного транзистора поддерживается на уровне около 0,56 В, что обеспечивает ток светодиода в 100 мА. Резистор 1 кОм защищает транзистор от перегрузки по току базы при переходных процессах.
Если кнопку отпустить менее чем через 0,5 секунды, фонарик останется в режиме низкой мощности. Но если удерживать кнопку дольше, то через полсекунды напряжение на выводе 11 превысит порог, и нижний триггер изменит состояние, полностью активируя нижний МОП-транзистор. Это подключит резистор 0,56 Ом и сопротивление RdsON транзистора параллельно резистору 5,6 Ом, что увеличит ток светодиода до 1 А с высокой точностью.
Отпускание кнопки возвращает входы CLK к нулю, не влияя на триггеры. Повторное нажатие кнопки при включенном свете (в любом режиме) изменяет состояние верхнего триггера, выключая фонарик и сбрасывая нижний триггер в исходное состояние. Диод быстро разряжает конденсатор на выводе 11, обеспечивая надежную работу даже при быстрых нажатиях.
Важно: схема требует триггеров CMOS с триггерами Шмитта на входах синхронизации (например, NXP74HC74D), так как обычные триггеры не справятся с медленным нарастанием сигнала от RC-цепей. Цепь задержки между выводами 6 и 2 также помогает стабилизировать работу.
Почему не импульсный регулятор? Эффективность линейного регулятора в данном случае достаточна: при свежезаряженных аккумуляторах (5 В) на светодиод идет 3,2 В, на резистор тока — 0,6 В, а потери составляют лишь около 20%, которые уменьшаются по мере разряда батарей. Импульсный регулятор добавил бы сложности и потерь из-за индуктора, не дав значительного выигрыша.
МОП-транзисторы — мощные, с низким RdsON, взяты из старой материнской платы. Это делает их избыточными, но полезными для минимизации потерь.
Печатная плата выполнена в технологии поверхностного монтажа, круглой формы, почти полностью занимает диаметр корпуса (из-за размера аккумуляторов AA). Контакты батарей интегрированы в плату, что сокращает количество проводов. Кнопка — сквозного монтажа, но ее выводы загнуты для поверхностной установки. Светодиод монтируется отдельно для лучшего теплоотвода. На плате три отверстия: два для винтов (одно также для минуса светодиода) и одно центральное для провода к плюсу светодиода — единственного провода в конструкции.
Шасси кнопки соединено с контактами батарей для упрощения сборки, но изолировано от остальной схемы. С обратной стороны платы пластиковые втулки на плюсовых клеммах предотвращают контакт при обратной полярности аккумуляторов и служат визуальным ориентиром. Один из МОП-транзисторов соединен широкой дорожкой с винтом для теплоотвода, так как при максимальной мощности он рассеивает до 2 Вт. Второй транзистор работает в насыщении и в теплоотводе не нуждается.
Диаметр платы — 38 мм. Вместо резистора 0,56 Ом (1 Вт) использованы три резистора по 0,2 Ом последовательно.
Светодиод Cree Xlamp XP-G (3,5 мм²) монтируется на медную пластину 1 мм, вырезанную вручную. Отрицательная и тепловая площадки припаиваются к пластине, плюс остается свободным для провода. Использована паяльная паста и нагрев феном с алюминиевым стопором для точности. Цвет — нейтральный белый (4000–4500 К), приятный и естественный.
Линза из акрила, выточенная на станке, собирает свет в равномерный луч 45–60°, идеальный для практического использования, в отличие от узких лучей большинства фонариков. Cree Xlamp без линзы дает слишком широкий угол.
Корпус: передняя часть — алюминиевая (для теплоотвода светодиода), задняя — пластиковая (полиэтилен), легкая и простая в обработке. Передняя часть — трубка с утолщением, коническим отражателем и резьбой для кольца линзы. Задняя — цилиндр с четырьмя отверстиями для аккумуляторов, просверленными с использованием токарного станка как фрезера. Задняя крышка с резьбой несет вращающуюся контактную пластину с пружинами для соединения батарей. Болт выравнивает контакты, исключая короткое замыкание.
Фонарик протестирован в походах, как рабочий свет и для освещения помещений. Его широкий, равномерный луч и нейтральный цвет превосходят узкие голубоватые лучи коммерческих моделей. На максимальной мощности он сравним с автомобильной фарой, но немного уступает галогену.