Что такое драйвер в фонарике
Простой драйвер светодиода для фонаря на микроконтроллере
Хочу поделиться решением для питания светодиода типа XM-L, XM-L2, XP-L, XP-G, XP-G2, Nichia 219 от одной литиевой батареи. Такие драйверы я давно применяю в фонарях с питанием от одного элемента 18650 и управлением силовой кнопкой. При разработке ставились задачи: простота, малые габариты, богатая функциональность.
Драйвер имеет 4 режима – слабый, средний, мощный и мунлайт. Три основных режима вынесены в основную линию и переключаются коротким отключением питания, мунлайт скрыт. Переключение от слабого к мощному.
Драйвер без памяти в основной линейке, т.е. всегда стартует со слабого режима. Время сброса состояния перебора режимов
1 секунда. Из включенного состояния при коротком прерывании питания фонарь переходит на следующий режим.
Скрытый мунлайт активируется при 3 коротких (менее 0.25 сек) кликах из включенного состояния (или четырех из выключенного). Мунлайт запоминается, после выключения при следующем включении фонарь стартует именно в этом режиме. Для выход из режима осуществляется коротким кликом (точно так, как для переключения режима). Выходит всегда в слабый режим.
Существует возможность настройки яркости мунлайта, рампинг осуществляется при 11 коротких кликах. Фонарь начнет перебирать возможные варианты яркости, в нужный момент для сохранения текущей яркости следует сделать короткий клик (как при переключении режимов), длинный клик — отключение, будет загрузена настройка по умолчанию. Индикация фиксации новых настроек – 1 вспышка, загрузки настройки по умолчанию – 3 вспышки.
Система индивидуальных порогов обеспечивает ступенчатый переход на слабые режимы при разряде батареи. Полностью драйвер выключается при 2,75V.
Система индикации заряда батареи включается при 5 коротких кликах (шести из выключенного положения). Индикация осуществляется вспышками СИД от 1 до 6. Чем больше вспышек – тем больше заряд АКБ.
Присутствует двухуровневый термоконтроль (ТК). Режим калибровки ТК включается 13 прерываниями из включенного состояния. После этого фонарь после серии вспышек для индикации включения режима ТК перейдет с режим нагрева. Как только температура корпуса фонаря достигнет нужного значения, следует сделать короткий клик. Успешная запись нового значения осуществляется 1 вспышкой. Длинное отключение в режиме ТК сбрасывает настройку на значение по умолчанию, индикация – 3 вспышки.
Максимальный возможный ток при указанных на схеме номиналах 2.0А. Уменьшив сопротивление шунта можно поднять максимальный ток до 3-х ампер.
В драйвере имеются хорошо спрятанные стробы. 7 короткий прерываний и включенного состояния или 8 из выключенного включат быстрый строб, коротким прерыванием можно переключать быстрый-медленный-быстрый-медленный. Выход из этого режима — длительное нажатие кнопки.
Драйвер обеспечивает плавное включение и переключение всех основных режимов, что позволяет уменьшить нагрузку на контакты кнопки, т.к. ток достигает своего максимального значения после установления надежного соединения контактов кнопки.
Напряжение питания драйвера от 2.75В до 4.35В. В архиве прошивки для ATTiny45 и ATTiny85 (прошивка для 45-ой не тестировалась) и батник для прошивки. В батнике указаны фусы.
За стабилизацию тока отвечает программный ПИД регулятор. Для контроля температуры и напряжения питания используются встроенные в МК датчики. Частота работы понижающего преобразователя 250 килогерц. Транзистор CSD13202Q2 обладает довольно легким затвором, что позволяет управлять им напрямую с лапы МК. Заменить его с некоторым ухудшением параметров драйвера можно только на IRLHS6242. R3 — токовый датчик, при максимальном токе падение напряжения на нем 50mV. Все конденсаторы только керамика не ниже X5R.
На фото собранный драйвер:
Все детали драйвера установлены с одной стороны. Диаметр драйвера 17мм, кроме того драйвер можно обточить до 15мм диаметра. Толщина текстолита 1,5мм, полная толщина драйвера – 3,5мм.
Как выбрать драйвер для фонарика
Одним из важных факторов работоспособности и долговечности в работе фонарика, является источник тока или драйвер. Многие пользователи светодиодных фонариков сталкиваются с тем, что в какой-то момент устройство перестает работать. Причиной этого может быть качество комплектующих элементов, или плохая сборка самого изделия. В случае поломки светодиодного фонарика, не нужно расстраиваться, так как он вполне ремонтопригодный.
Чтобы выполнить ремонт фонарика, первым делом, необходимо проверить питание. Часто бывает, что причина именно в севших аккумуляторах. Далее проверяем сам источник свечения – светодиод. Для этого необходимо подать на него кратковременное напряжение с аккумулятора.
Если все предыдущие проверки показали, что в аккумуляторе и светодиоде поломок нет, то веной неработоспособности является сам драйвер.
Что же такое драйвер, и какие функции он выполняет в конструкции фонарика? Светодиодный драйвер представляет собой небольшую плату с радиоэлементами. В фонариках он зачастую установлен круглой формы. Так как он является источником тока, соответственно его функция в нагрузке источника свечение необходимыми токовыми нагрузками. Драйвер может насчитывать как один режим работы, так и несколько.
Проверить работоспособность драйвера в фонарике можно только под нагрузкой. Проверка без нагрузки самого выходного напряжения может показать рабочие показатели, но устройство может попросту не иметь токовых нагрузок. Соответственно, такой драйвер не в силе запустить светодиод.
Неисправный драйвер для фонарика отремонтировать можно, но для многих потребителей, быстрее и эффективнее будет приобрести новый. Подходящий светодиодный драйвер купить можно в любом специализированном магазине. По хорошей цене драйвера для фонариков также представлены на сайте Foton.ua.
Для того чтобы подобрать подходящий драйвер, визуально его видеть не достаточно. Некоторые покупатели ищут легкий путь, переслав фото драйвера специалисту, чтобы он мог подобрать. Это сделать можно, но есть опасение, что после такого выбора источник тока, не только выйдет из строя при первом же включении, но и испортит имеющейся светодиод. Поэтому, чтобы верно подойти к поиску и покупке драйвера для ремонта фонарика необходимо:
Спрашивается для чего вся та информация, ведь поиск по фото гораздо быстрее. Но, даже если попадется вариант, идентичен по фото с испорченным образцом, не факт, что его характеристики будут пропорциональные. Платы зачастую идентичны, но вот наполнение радиоэлементами может кардинально отличаться. В таком случае, можно сравнить свои характеристики драйвера с информацией на сайте магазина.
Наиболее популярными портативными осветительными устройствами на данный момент, являются фонарики на сверхярких светодиодах Cree. Под данные светодиоды разработаны драйвера с максимальными токовыми характеристиками. К примеру, популярный светодиод Cree XM-L2 T6 имеет максимальный рабочий ток 3000 мА. Ошибочно будет искать драйвер под этот светодиод с таким же выходным током. Для данного светодиода достаточна нагрузка 2700-2800 мА. Предельная нагрузка позволит выжать со светодиода максимум, при этом он будет нагреваться. Вывод тепловой массы в фонарике происходит с помощью металлического корпуса, объем которого не достаточен для эффективного теплоотвода. Высокий нагрев светодиода, а также драйвера приведет к потере КПД. Это, в свою очередь, через некоторое время приведет к потере яркости и деградации кристалла светодиода. Поэтому, для фонариков не рекомендуются драйвера с предельными выходными токовыми характеристиками.
FAQ. Ночное освещение.
Белый_Сокол
последнее обновление 2011.11.04
Конструктивные дополнения/обсуждения приветствуются в форуме
Результаты обсуждения выносятся в основную статью (соответственно она постоянно меняется).
1. Какой оптимальный фонарик на сегодня?
2. Что делать с фонариками на SSC P7 или Cree MC-E?
3. Какие фонарики НЕ стоит покупать?
4. Стоит ли покупать фонарики Fenix?
5. Какие выбрать элементы питания?
6. Сколько нужно света на покатушке?
7. Как рассчитывается время светимости в разных режимах потребления?
8. Что произойдет, если фонарик уронить?
9. Что произойдет, если не герметичный фонарик погрузить в воду?
10. Почему НЕ важен срок службы диода?
11. Какова оптимальная температура света?
12. Что такое драйвер, зачем он нужен фонарику и чем они отличаются друг от друга?
13. Как влияет форма рефлекторов и линз на световое пятно?
1.Какой оптимальный фонарик на сегодня(2011.11.04)?
Текущим оптимальным решением являются фонарики на XM-L T6 с элементами питания 18650.
Где купить:
Описание как покупать:
Теоретически возможно апгрейдить существующие корпуса, если туда влезет готовый блок.
Или перепаять диоды, если под них подойдет существующая оптика.
ПРИМЕРНЫЕ эффективности существующих диодов, при оценке эффективности фонаря следует также учитывать потери в драйвере:
5MM Generic LEDs (0.5-5 Lumens ea)
5MM Nichia LEDs (5-10 Lumens ea)
Any Generic «High Power» LED (10-70 Lumens, varies wildly)
2.Что делать с фонариками на SSC P7 или Cree MC-E?
По состоянию на 2011.10.26 в данной категории лидирует XM-L T6 (или U2)
и то и другое не способствует комфорту на дороге.
5.Какие выбрать элементы питания?
Ответ: Красные UltraFire. Они действительно того стоят и работают дольше (в режимах когда вся емкость расходуется не быстрее чем за час).
С защитой:
11 часов в режиме 1 Вт и
7. Как рассчитывается время светимости в разных режимах потребления?
SSC P4
= Cree Q5 (кристаллы одинаковые, люминофор разный)
На 1 Вт. отдают
100 лм.
На 3 Вт. отдают
225 лм. (эффективность очевидно падает с ростом мощности)
SSC P7 = SSC P4*4 (все то же самое, только 4 штуки в одном флаконе)
Получаем:
На 4 Вт. отдают
=100*4=400 лм.
На 12 Вт. отдают
=225*4=900 лм.
Далее нам нужен запас батарейки, он считается так.
Среднее напряжение (3.7В для Li-Ion) умножается на среднюю емкость указанную на упаковке. (допустим 2600 mAh):
3.7*2.6=9.62 Вт*ч (от этой величины можно отнять потери на драйверах, допустим 15% останется 8.18)
Все остальное уходит в диод и превращается в свет, согласно указанной зависимости.
Получаем:
На 1 Вт. время работы
=8.18/1=8.18 ч. (100 лм)
На 4 Вт. время работы
=8.18/4=2.09 ч. (400 лм)
На 12 Вт.время работы
6500К), вполне терпимый свет(следует учитывать настройки баланса белого у фотоаппарата, для сравнения он ближе к синему чем Cree Q5):
=90%. Замеренный энтузиастами график зависимости КПД драйвера от входного напряжения:
Также драйверы могут брать на себя функции защиты от установки батареи неправильной полярностью, индикации разряда и защиты от переразряда.
С точки зрения пользователя, драйверы можно разделить на 2 группы:
a)Драйверы с которыми безопасно использовать аккумуляторы без защиты от переразряда (если фонарь выключать, когда свет тускнеет).***
Напряжение на выходе таких драйверов, и соответственно диоде, меняется вместе с напряжением элементов питания. Свет фонарика на таком драйвере вначале ярче обычного, а к концу заряда плавно тускнеет.
К этой группе относятся линейные и импульсные понижающие (Buck) стабилизаторы тока.
b)Драйверы с которыми опасно(!) использовать аккумуляторы без защиты от переразряда.
Умеют повышать напряжение, получаемое от элементов питания, так чтобы на диоде оно оставалось постоянным, в результате высасывают из элементов все, что те могут отдать, без существенного падения яркости т.е. быстро и не заметно.
К этой группе относятся импульсные повышающие (Boost) и импульсные понижающе-повышающие (Buck-Boost) стабилизаторы тока.
***В фонарях, у которых общее напряжение глубокого разряда батарей больше, чем падение напряжения на диоде(
3.2В), опасно использовать аккумуляторы без защиты вне зависимости от типа драйвера! (например при последовательном включении 2 и более Li-Ion аккумуляторов, 4-х и более Ni-Mh и т.д.)
Итого:
Если фонарик питается от 1-го Li-Ion аккумулятора и НЕ принимает обычную батарейку 1.5В того же формата (диапазон напряжений 3.7V
4.2V), он, вероятнее всего, относится к группе a) и в нем можно использовать аккумуляторы без защиты от переразряда.
Если фонарик питается от 1-го 18650 Li-Ion аккумулятора и как альтернативу принимает 2*CR123A (диапазон напряжений 3.7V
8.4V), он, вероятнее всего, относится к группе a)и в нем можно использовать один аккумулятор 18650 без защиты от переразряда, однако комбинация 2*CR123A может быть доведена до глубокого разряда!
13. Как влияет форма рефлекторов и линз на световое пятно?
Для предотвращения ослепления встречных, можно применять нечто вроде козырька, отражающего лучи идущие вверх и влево. Однако в продаже такого не встречал. Козырьки хорошо работают с рефлекторами и плохо работают с линзами из-за преломлений на внешней поверхности стекла лучей, исходящих не из фокуса.
TinyFL — драйвер фонарика на микроконтроллере
Хочу рассказать историю о том, как мне в руки попал китайский налобный фонарик на светодиоде Cree XM-L и что дальше с ним стало.
Предыстория
Когда-то давно я заказал с одного китайского сайта фонарик с ярким светодиодом. Фонарик оказался довольно эргономичным (хотя он мог быть и полегче), но вот его драйвер оставлял желать лучшего.
Светил он достаточно ярко, но у драйвера было только 3 режима — очень яркий, яркий и стробоскоп, переключение между которыми производилось нажатием кнопки. Для того, чтобы просто включить и выключить фонарь, требовалось каждый раз перебирать эти 3 режима. Вдобавок, этот фонарик, будучи включенным, разряжал батарею до последнего – так пара моих банок 18650 ушли в глубокий разряд.
Все это было неудобно и надоедало, поэтому в какой-то момент я решил сделать для него свой драйвер, о чем и будет дальнейшее повествование.
Вот такой фонарик, наверняка многие имели дело с подобными 
Так выглядит оригинальный драйвер 
Техническое задание
Как известно, для достижения хорошего результата любая разработка должна иметь хорошее ТЗ, поэтому постараюсь сформулировать его для себя. Итак, драйвер должен:
Ну и если фонарик подвергается моддингу, почему бы не встроить в него зарядное устройство с micro-USB разъемом? У меня под рукой всегда есть такой кабель и USB зарядка, а родной блок питания приходится искать.
Железо
У меня есть кое-какой опыт работы с Arduino, поэтому было решено делать драйвер на МК семейства AVR. Они широко доступны, легко программируются и имеют режимы пониженного энергопотребления (сна).
В качестве «мозга» драйвера был выбран микроконтроллер Attiny13a — это один из самых дешевых МК фирмы Atmel (ныне поглощенной компанией Microchip), он имеет на борту все необходимое — GPIO для подключения кнопки и светодиода, таймер для генерации ШИМ-сигнала, АЦП для измерения напряжения и EEPROM для сохранения параметров. Доступно всего 1 КБ флеш-памяти (но много ли надо для фонарика), а так же 64 Б RAM и столько же EEPROM.
Attiny13 выпускается в нескольких вариантах корпуса, в частности в DIP-8, который можно воткнуть прямо в обычную макетную плату с шагом 2.54мм.
Поскольку от задней части к голове фонаря идет всего 3 провода, кнопка вынуждена замыкаться на землю (о невозможности замыкать на плюс — позже), придется коммутировать светодиод по плюсу — а значит, нужен P-канальный полевик. В качестве такого транзистора я взял AO3401, но можно взять SI2323, он дороже, но имеет меньшее сопротивление открытого канала (40 мОм, тогда как у AO3401 60 мОм, при 4.5 В), следовательно драйвер будет меньше греться.
От слов к делу, собираю на макетке предварительную версию 
Питается оно пока что напрямую от программатора, напряжением 5 В (на самом деле меньше из-за потерь в кабеле USB). Вместо светодиода XM-L пока воткнул обычный светодиод на ножках и поставил слабый транзистор с высоким пороговым напряжением.
Затем в программе Altium Designer была начерчена схема, которую я дополнил защитой от переполюсовки и ESD.
Обязательные компоненты:
U1 – микроконтроллер Attiny13a в корпусе 8S1 (индекс SSU)
С1 — развязывающий конденсатор по питанию микроконтроллера, должен быть в районе 0.1 мкф, корпус 1206 или 0805, температурный коэффициент X7R
R3 — защита вывода порта микроконтроллера от замыкания (если вдруг PB1 окажется притянуто к VCC, через пин потечет большой ток и МК может сгореть)
R4 — подтяжка RESET МК к питанию, без него возможны перезагрузки от наводок.
Q1 — P-канальный полевой транзистор в корпусе SOT-23, я поставил AO3401, но можно и любой другой с подходящей распиновкой (например SI2323)
R7 — токоограничительный резистор затвора. Поскольку затвор транзистора имеет некоторую емкость, при зарядке этой емкости через пин может проходить большой ток и пин может выйти из строя. Можно ставить в районе 100-220 Ом (больше не следует, транзистор начнет долго находиться в полузакрытом состоянии, и, как следствие, будет сильнее греться).
R6 — резистор подтяжки затвора к питанию. На случай, если PB0 перейдет в высокоимпедансное состояние, через этот резистор на затворе Q1 установится логическая 1 и транзистор будет закрыт. Такое может произойти из-за ошибки в коде или в режиме программирования.
D2 — «запирающий» диод — позволяет при «проседании» напряжения (когда светодиод включается на короткий период на полную яркость) питаться МК от конденсатора какое-то время, так же защищает от переполюсовки.
Можно ставить любой диод шоттки в корпусе SOD323 с минимальным падением напряжения, я поставил BAT60.
Изначально, защита от неправильной полярности питания была сделана на полевом транзисторе (это можно увидеть на платах, изготовленных лутом). После распайки вылезла неприятная особенность — при включении нагрузки возникала просадка напряжения и МК перезагружался, поскольку полевик не ограничивает ток в обратном направлении. Сначала я припаял между VCC и GND электролитический конденсатор на 200 мкФ, но мне не понравилось такое решение из-за его размеров. Пришлось отпаивать транзистор и на его место ставить диод, благо SOT-23 и SOD-323 имеют похожие размеры.
Итого, в схеме всего 10 компонентов, обязательных для установки.
Необязательные компоненты:
R5 и D1 отвечают за заднюю подсветку (LED2). Минимальный номинал R5 — 100 Ом. Чем больше номинал, тем слабее светится задний светодиод (он включается в постоянном режиме, без ШИМ). D1 — любой светодиод в корпусе 1206, я поставил зеленый, т.к. визуально они ярче при тех же токах, чем прочие.
D3 и D4 — защитные диоды (TVS), я использовал PESD5V0 (5.0В) в корпусе SOD323. D3 защищает от перенапряжения по питанию, D4 — по кнопке. Если кнопка закрыта мембраной, то в нем нету особого смысла. Защитные диоды наверное имеет смысл использовать двунаправленные, иначе при переполюсовке через них пойдет ток и они выгорят (см. ВАХ двунаправленного защитного диода).
C2 — танталовый конденсатор в корпусе А (похож на 1206), имеет смысл ставить при нестабильной работе драйвера (напряжение питания мк может просаживаться при больших токах коммутации светодиода)
Все резисторы типоразмера 0603 (для меня это адекватный предел для пайки вручную)
С компонентами все ясно, можно делать печатную плату по вышеприведенной схеме.
Первым делом для этого нужно построить 3D модель будущей платы, вместе с отверстиями — имхо, в Altium Designer это самый удобный способ определить геометрию ПП.
Измерил размеры старого драйвера и его посадочных отверстий — плата должна крепиться к ним же, но иметь меньшие габариты (для универсальности, вдруг куда-то еще придется встроить).
Разумный минимум здесь получился где-то 25х12.5мм (соотношение сторон 2:1) с двумя отверстиями диаметром 2мм для крепления к корпусу фонаря родными винтами.
3D-модель я сделал в SolidWorks, затем экспортировал в Altium Designer как STEP.
Затем я разместил компоненты по плате, контакты сделал по углам (так паять удобнее и проще разводить землю), Attiny13 поставил по центру, транзистор поближе к контактам LED.
Развел силовые дорожки, разместил остальные компоненты как получится и развел сигнальные дорожки. Для удобства подключения ЗУ я вывел под него отдельные контакты, которые дублируют контакты батареи.
Всю разводку (за исключением одной перемычки) я сделал на верхнем слое — для того, чтобы была возможность изготовить плату в домашних условиях ЛУТом.
Минимальная ширина сигнальных дорожек — 0.254 мм / 10 mil, силовые имеют максимальную ширину там, где это возможно.
Так выглядит разведенная плата в Altium Designer
В Altium Designer есть возможность посмотреть, как будет выглядеть плата в 3D (для этого необходимо наличие моделей для всех компонентов, некоторые пришлось строить самому).
Возможно, кто-то тут скажет, что 3D режим для трассировщика не нужен, но лично для меня это удобная функция, которая облегчает размещение компонентов для удобства пайки.
На момент написания статьи было сделано 3 версии платы — первая под ЛУТ, вторая для промышленного изготовления и 3-я, финальная с некоторыми исправлениями.
Изготовление плат
Самодельный способ
ЛУТ — лазерно-утюжная технология, способ производства плат при помощи травления по маске, полученной переводом тонера с бумаги на медь. Этот способ отлично подходит для несложных односторонних плат — таких как этот драйвер.
В сети достаточно много статей по этой технологии, поэтому я не буду углубляться в подробности, а лишь расскажу вкратце про то, как это делаю я.
Для начала нужно подготовить шаблон, который будет распечатан на термобумаге. Экспортирую в PDF слой top_layer, получаю векторное изображение.
Поскольку плата маленькая, есть смысл брать кусок текстолита с габаритами в несколько раз больше и делать то, что в промышленности называют панелизацией.
Для этих целей весьма удобен CorelDraw, но можно пользоваться и любым другим векторным редактором.
Размещаю копии шаблонов на документе, между платами делаю промежутки в 0.5-1мм (зависит от способа разделения, об этом позже), платы должны быть расположены симметрично — иначе будет сложно их разделить.
Подбираю кусок одностороннего текстолита размерами чуть больше, чем скомпонованная панель, зачищаю и обезжириваю (предпочитаю тереть ластиком и потом спиртом). Печатаю на термобумаге шаблон для травления (тут важно не забыть отзеркалить шаблон).
При помощи утюга и терпения, аккуратно поглаживая по бумаге, перевожу на текстолит. Жду пока остынет и осторожно отдираю бумагу.
Свободные участки меди (не покрытые тонером) можно покрыть лаком или заклеить скотчем (чем меньше площадь меди, тем быстрее идет реакция травления).
Такая вот домашняя панелизация — большое количество плат позволяет компенсировать брак производства 
Я травлю платы лимонной кислотой в растворе перекиси водорода, это самый доступный способ, хотя и довольно медленный.
Пропорции такие: на 100мл перекиси 3% идет 30г лимонной кислоты и примерно 5г соли, это все перемешивается и выливается в емкость с текстолитом.
Подогревание раствора ускорит реакцию, но может привести к отслаиванию тонера.
Начинается неведомая химическая магия: медь покрывается пузырями, а раствор приобретает синий оттенок 
Через какое-то время достаю протравленую плату, очищаю от тонера. У меня его не получается смывать какими-либо растворителями, поэтому я удаляю его механически — мелкозернистой наждачной бумагой.
Теперь остается залудить плату — это поможет при пайке и защитит медь от окисления и облегчит пайку. Лудить я предпочитаю сплавом Розе — этот сплав плавится при температуре около 95 градусов, что позволяет лудить им в кипящей воде (да, возможно не самый надежный состав для лужения, но для самодельных плат годится).
После лужения я сверлю плату (для контактов использую твердосплавные сверла ф1.0, для перемычек — ф0.7), сверлю дремелем за неимением другого инструмента. Пилить текстолит я не люблю из-за пыли, поэтому после сверления разрезаю платы канцелярским ножом — с двух сторон делаю несколько надрезов по одной линии, затем разламываю по надрезу. Это напоминает метод V-cut, используемый в промышленности, только там надрез делается фрезой.
Так выглядит плата, готовая к пайке 
Когда плата готова, можно приступать к распайке компонентов. Сначала я запаиваю мелочь (резисторы 0603), затем все остальное. Резисторы примыкают вплотную к МК, поэтому в обратной последовательности запаять может быть проблематично. После пайки я проверяю, нет ли КЗ по питанию драйвера, после чего уже можно приступать к прошивке МК.
Драйверы, готовые к загрузке прошивки 
Промышленный способ
ЛУТ — это быстро и доступно, но технология имеет свои недостатки (как и почти все «домашние» методы изготовления ПП). Проблематично сделать двухсторонную плату, дорожки могут быть перетравлены, а о металлизации отверстий остается только мечтать.
Благо, предприимчивые китайцы давно предлагают услуги изготовления печатных плат промышленным способом.
Как ни странно, однослойная плата у китайцев будет стоить дороже, чем двухслойная, поэтому я решил добавить второй (нижний) слой к печатной плате. На этом слое продублированы силовые дорожки и земля. Так же, появилась возможность сделать теплоотвод от транзистора (медные полигоны на нижнем слое), что позволит драйверу работать на более высоких токах.
Нижний слой платы в Altium Designer
Для этого проекта я решил заказать печатную плату на сайте PcbWay. На сайте есть удобный калькулятор расчета стоимости плат в зависимости от их параметров, размеров и количества. После расчета стоимости я загрузил gerber-файл, созданный ранее в Altium Designer, китайцы его проверили и плата отправилась на производство.
Спустя пару-тройку недель мне пришли те же самые платы, только красивенькие изготовленные промышленным способом. Их остается только распаять и залить в них прошивку.
Программа (прошивка)
Основная трудность, которая возникла при написании прошивки драйвера, связана она с крайне малым размером flash-памяти — у Attiny13 ее всего-навсего 1024 байта.
Так же, поскольку изменение яркости плавное, нетривиальной задачей оказалось равномерное ее изменение — для этого пришлось делать гамма-коррекцию.
Алгоритм управления драйвером
Драйвер включается по короткому нажатию на кнопку, выключается по нему же.
Выбранный режим яркости сохраняется на время выключения.
Если во время работы сделать двойное короткое нажатие кнопки (двойной клик), будет включен/выключен дополнительный светодиод.
При длинном нажатии во время работы начнет плавно изменяться яркость фонаря. Повторное длинное нажатие изменяет направление (сильнее/слабее).
Драйвер периодически проверяет напряжение батареи, и если оно ниже установленных значений, предупреждает пользователя о разряде, а затем отключается во избежание глубокого разряда.
Управление яркостью светодиода
Как известно, самый простой способ управлять яркостью — изменять скважность ШИМ, при этом светодиод на какое-то время включается на полную яркость, затем выключается. Из-за особенностей человеческого глаза кажется, что светодиод светит менее ярко, чем если бы он был включен постоянно. Поскольку светодиод подключен через P-канальный полевой транзистор, для его открытия необходимо притянуть затвор к земле, а для закрытия — наоборот, к питанию. Время открытия транзистора по отношению ко времени его закрытого состояния будет коррелировать с заполнением ШИМ.
За скважность шим отвечает переменная rate, 255 rate = 100% ШИМ.
При частоте тактирования 1.2 МГц и предделителе таймера в 1, частота ШИМ будет равна 1200000/256 = 4.7 КГц. Поскольку это частота звуковая (воспринимаемая человеческим ухом), на некоторой скважности ШИМ драйвер может начать пищать (точнее, пищит не драйвер, а провода, либо элементы питания). Если мешает, можно увеличить рабочую частоту до 9.6 (CKSEL[1:0]=10, CKDIV8=1) или 4.8 МГц (CKSEL[1:0]=01, CKDIV8=1), тогда частота ШИМ будет в 8 или в 4 раза больше, но энергопотребление МК так же вырастет пропорционально.
Считается, что диод нужно питать путем стабилизации тока через него, а в таком режиме он быстро выйдет из строя. Тут я соглашусь и скажу, что у меня в фонаре (да и во многих налобниках аналогичной конструкции) светодиод не подключается напрямую к драйверу, а до него идут достаточно длинные и тонкие провода, сопротивление которых, а так же внутреннее сопротивление батареи и сопротивление драйвера ограничивают максимальный ток в районе 1.5 А, что в 2 раза меньше максимального тока для данного светодиода (максимальный ток для Cree XM-L согласно документации — 3 А).
Если у Вас драйвер подключен к светодиоду короткими проводами и у держателя батареи хорошие контакты, ток при максимальной яркости (rate=255) может превышать значение в 3А. В этом случае данный драйвер Вам скорее всего не подойдет, так как есть риск выхода светодиода из строя. Тем не менее, можно скорректировать параметр RATE_MAX до получения приемлемых значений тока. К тому же, хоть по спецификации транзистора SI2323DS его максимальный ток и превышает 4 А, лучше выставить порог в 2 А, иначе драйверу может потребоваться охлаждение.
Гамма-коррекция
Человеческий глаз воспринимает яркость объектов нелинейно. В случае с этим драйвером, разница между 5-10% ШИМ будет восприниматься как многократное увеличение яркости, тогда как разница между 75-100% будет практически не будет заметна глазу. Если увеличивать яркость светодиода равномерно, со скоростью n процентов в секунду, будет казаться, что в начале яркость очень быстро растет от нуля до среднего значения, затем очень медленно увеличивается от середины до максимума.
Это весьма неудобно, и для компенсации этого эффекта пришлось сделать упрощенный алгоритм гамма-коррекции. Его суть в том, что шаг изменения яркости увеличивается от 1 при минимальных значениях ШИМ до 12 при максимальных значениях. В графическом представлении это выглядит как кривая, точки которой сохранены в массиве rate_step_array. Таким образом, кажется, что яркость изменяется равномерно на всем диапазоне.
Контроль напряжения батареи
Каждые n-секунд (за интервал в миллисекундах отвечает параметр BAT_PERIOD) происходит замер напряжения батареи. Положительный контакт батареи, который подключается к VIN и попадает на резисторный делитель R1-R2, к средней точке которого подключен пин PB4 (он же ADC2 у мультиплексора АЦП).
Поскольку напряжение питания изменяется вместе с измеряемым напряжением, не получится измерить его, использовав в качестве опорного напряжения Vref, поэтому в качестве ИОН я применил внутренний источник на 1.1 В. Как раз для этого и нужен делитель — МК не может измерить напряжение, большее чем напряжение опорного источника (так, напряжению 1.1 В будет соответствовать значение АЦП в 1023 или 255, если использовать 8-битное разрешение). Проходя через делитель, напряжение в средней его точке будет в 6 раз меньше входного, значению 255 будет соответствовать уже не 1.1 В, а целых 4.33 В (делитель на 4.03), что с запасом покрывает диапазон измерений.
В итоге получается некоторое значение, которое дальше сравнивается с предустановленными значениями минимальных напряжений. При достижении значения BAT_WARNING светодиод начинает мигать некоторое количество раз (чем сильнее разряжено, тем больше мигает — за это отвечает BAT_INFO_STEP, подробнее в коде), а при достижении BAT_SHUTDOWN драйвер отключается.
Значение АЦП переводить в милливольты я не вижу смысла, т.к. это тратит лишную память, которой в тиньке и так мало.
Кстати, делитель является основным потребителем питания, когда МК находится в режиме сна. Так, делитель на 4.03 с R1 = 1M и R2 = 330К, будет иметь общее R = 1330K и ток утечки при 4 В = 3 мкА.
На время измерения напряжения нагрузка (светодиод) отключается примерно на 1 мс. Это почти не заметно для глаз, но помогает стабилизировать напряжение, иначе измерения будут некорректные (а делать какие-либо поправки на скважности шим и прочее — слишком сложно).
Внесение изменений в прошивку
Это нетрудно сделать, особенно если был опыт работы с Arduino или просто с C/C++.
Даже если такого опыта не было, можно настроить почти все рабочие параметры путем редактирования определений (defines) заголовочного файла flashlight.h.
Для редактирования исходного кода нужно будет поставить Arduino IDE с поддержкой Attiny13(a) или Atmel Studio – оно не сложнее, чем Arduino IDE, но гораздо удобнее.
Проект для этого IDE содержится в файле flashlight.atsln, а исходники — в файлах flashlight.h содержит определения (настройки) и flashlight.cpp содержит собственно код.
Расписывать более подробно содержимое исходников не вижу смысла — в коде полно комментариев.
После внесения изменений в код надо нажать F7, прошивка скомпилируется (или нет, тогда компилятор укажет, где ошибка). В папке debug появляется flashlight.hex, который можно загрузить в микроконтроллер по инструкции ниже.
Для загрузки прошивки и настройки фьюзов я использую программатор USBASP в сочетании с программой AVRDUDEPROG. Программа представляет из себя подобие GUI для программы avrdude, есть удобный встроенный калькулятор фьюзов — достаточно поставить галочки возле нужных битов. В списке контроллеров нужно выбрать подходящий (в данном случае Attiny13(a), зайти на вкладку Fuses и нажать кнопку read. Только после того, как значения фьюзов считаны из МК, можно их изменять. После изменения нужно нажать programm, новые фьюзы будут записаны в МК. Подходящие значения фьюзов записаны в файле flashlight.h
Для заливки прошивки надо перейти на вкладку Program, в строке Flash выбрать скомпилированный файл прошивки в формате HEX (flashlight.hex) и нажать Program. Статус прошивки будет отображаться в окне снизу. Если загрузка неудачна, возможно дело в плохом контакте, так бывает — стоит попробовать еще раз. Кстати, именно для этого был сделан параметр STARTBLINKS — однократное мигание LED2 в момент подачи питания на драйвер служит индикацией контакта драйвера с программатором.
Вместо USBASP для загрузки прошивки можно использовать Arduino, подробнее тут и тут
Программатор USBASP, подключенный к драйверу через клипсу со шлейфом 
Для подключения USBASP к тиньке я использую клипсу под 8-контактный SOIC. Не очень удобное приспособление, приходится помучаться минут 10, прежде чем поймаешь контакт (возможно, мне просто попалась бракованная клипса). Бывают так же адаптеры SOIC-DIP, куда вставляется микросхема до пайки и в нее заливается прошивка — этот вариант удобнее, но теряется возможность программировать драйвер внутрисхемно (то есть обновлять прошивку после пайки МК на плату).
Если всего этого нет, то можно просто припаять проводки к выводам МК, которые затем прикрепить к Arduino.
Калибровка
Токи, проходящие через драйвер и светодиод, не должны превышать максимальных значений. Для светодиода XM-L это 3 А, для драйвера оно зависит от используемого транзистора, например для SI2323 максимальный ток около 4 А, но лучше гонять на меньших токах из-за чрезмерного нагрева. Для уменьшения тока на максимальной яркости используется параметр RATE_MAX (#define RATE_MAX xx, где xx — максимальная яркость от 0 до 255).
Калибровка АЦП не является обязательной процедурой, но если хочется, чтобы драйвер точно отслеживал пороговое напряжение, то придется с этим повозиться.
Расчеты не дадут высокой точности измерений, т. к. во-первых, номиналы резисторов могут варьироваться в пределах допуска (обычно 1-5%), а во-вторых, внутренний ИОН может иметь разброс от 1.0 до 1.2 В.
Поэтому, единственный приемлемый способ — выставить значение в единицах АЦП (BAT_WARNING и BAT_SHUTDOWN), экспериментально подбирая его под нужное. Для этого понадобится терпение, программатор и регулируемый источник питания.
Я выставлял в прошивке значение BAT_PERIOD в 1000 (проверка напряжения раз в секунду) и постепенно снижал напряжение питания. Когда драйвер начинал предупреждать о разряде, я оставлял текущее значение BAT_WARNING как нужное.
Это не самый удобный способ, возможно в будущем надо сделать процедуру автоматической калибровки с сохранением значений в EEPROM.
Сборка фонарика
Когда плата была готова и прошивка была залита, можно было наконец ставить ее на место старого драйвера. Я выпаял старый драйвер и припаял на его место новый.
Проверив, нет ли короткого замыкания по питанию, подключил питание и проверил работоспособность. Затем смонтировал плату зарядки (TP4056), для этого пришлось немного дремелем рассверлить отверстие разъема зарядки, и зафиксировал ее термоклеем (тут важно было, чтобы клей не затек в разъем, достать его оттуда будет сложно).
Я не стал прикручивать плату винтами, т. к. резьба в корпусе сорвалась от многократных закручиваний, а просто залил ее клеем, провода тоже заклеил в местах пайки, дабы они не перетирались. Драйвер и ЗУ я решил покрыть акриловым бесцветным лаком, это должно помочь от коррозии.
Тестирование и расчет стоимости изготовления
После всех операций можно было приступать к тестированию драйверов. Ток измерял обычным мультиметром, подключив его в разрыв цепи питания.
Энергопотребление старого драйвера (измерялось при 4.04 В):
Энергопотребление нового драйвера (измерялось при 4.0 В):
Цена вопроса
Если покупать компоненты в Чип и Дипе, выйдет около 100р (60р Attiny13,
40р остальная рассыпуха). С китая заказывать имеет смысл, если делается несколько штук — тогда в пересчете на штуку выйдет дешевле, китайцы продают как правило партиями от 10 штук.
Платы выйдут по цене в районе 300р за 10 штук (без доставки), если заказывать их в Китае.
Распайка и прошивка одного драйвера у меня занимает где-то час.
Заключение
Китайский фонарик стал гораздо удобнее, хотя теперь у меня появились претензии к его механике — передняя часть слишком тяжелая, да и фокусировка не особо нужна.
В будущем планирую сделать версию этого драйвера для фонарей с кнопкой по питанию (с фиксацией). Правда, меня смущает обилие подобных проектов. Как вы считаете, стоит ли делать еще один такой?
Драйвер крупным планом (версия 2_t) 
UPD: Добавлена поддержка Arduino IDE.