Хост Convoy C8+. Расширенное руководство по сборке отличного фонаря

Выбор фонарей на рынке в наши дни огромен, но все же я считаю, что самый лучший и надежный фонарь — тот, который собран или доработан своими руками. Сборка фонаря — это увлекательно и вовсе не так сложно, как кажется на первый взгляд. Я хочу поделиться исчерпывающей инструкцией по изготовлению отличного не убиваемого фонаря, который верой и правдой прослужит десятки лет и может быть сколько угодно раз модернизирован в будущем. Помимо сборки, я научу, как «разгонять» мощность этого творения и заливать сторонние прошивки, а так же поделюсь рядом лайфхаков.

Что есть фонарь

Хоть современные фонари и стали чуть сложнее лампочки с батарейками, далеко от нее они все равно не ушли. Типичные составляющие типичного карманного фонаря на сегодняшний день такие:

• Источник питания — аккумуляторы, батарейки и все в этом роде
• Кнопка — отвечает за включение/отключение фонаря и смену режимов работы, если они есть. Кнопок может быть несколько, они могут быть силовыми — это зависит от конкретной реализации фонаря
• Драйвер — электронная схема, обеспечивающая передачу энергии от источника питания к источнику света. Может в зависимости от крутизны фонаря иметь дополнительные навороты типа контроля за температурой, встроенной зарядки для аккумулятора и т.п.
• Источник света — раньше были лампы накаливания, ксеноновые лампы, в наше время это в основном светодиоды
• Оптическая система — защитное стекло + рефлектор, TIR линза, обычная линза или целый объектив из них — служат для сбора света от источника света в луч
• Корпус — вместилище для всего вышеперечисленного

Собственно говоря, готовый фонарь отличается от т.н. хоста тем, что в фонаре уже установлены светодиод и вся электронная часть. Хост же представляет собой «полуфабрикат» фонаря, в котором обычно отсутствуют драйвер и светодиод, предоставляя тем самым возможность выбора будущему владельцу. Внешне хост практически не отличается от фонаря:


И лишь взгляд на переднюю часть выдает в нем «самозванца»:

Не трудно заметить, что источника света в нем нет, как нет и драйвера внутри, но все остальное — в наличии:

Слева направо: хвост с установленной кнопкой, корпус, головная часть, рефлектор, безель (или «корона») с защитным стеклом. На деталях присутствуют уплотнительные резинки, промазанные с завода силиконовой смазкой: корпус фонаря в собранном виде водонепроницаемый — проверено. В пакетике находятся дополнительные детали, которые идут вместе с хостом:

Это пара винтов для крепления светодиода к корпусу, пара пластиковых шайб для центровки рефлектора под разные размеры светодиодов (5050 и 3535) и пружина для драйвера (на случай, если на вашем драйвере ее не окажется).

В хвосте фонаря находится силовая кнопка:

Извлечь ее достаточно просто, нужно раскрутить прижимную шайбу. Обратите внимание, что резьба здесь левосторонняя, так что крутить нужно против часовой стрелки. Хвост в разобранном виде:

Слева направо: силиконовый толкатель кнопки, шайба, сама кнопка (OMTEN 1288), латунная прижимная шайба.

Центральная часть корпуса представляет собой просто трубку под аккумулятор 18650 и не особо интересна. В головной части находится отсек для драйвера. Драйвер по аналогии с кнопкой фиксируется с помощью латунного кольца, но здесь резьба правосторонняя:

Диаметр необходимого драйвера — 17мм. С противоположной стороны головной части находится площадка для установки светодиода:

В ней 4 отверстия — пара меньших имеет резьбу и, как вы догадываетесь, в них после установки светодиода вкручиваются комплектные винты, которые обеспечивают прижим подложки («звезды») светодиода к корпусу. Вторая пара отверстий имеет больший диаметр и предназначена для проводов питания светодиода. В данный фонарь требуется устанавливать светодиод на подложке диаметром 20мм.

Выбор драйвера и светодиода

Наиболее ответственная часть. От выбора этих двоих будет зависеть практически все: и время работы, и яркость, и дальность, и будет ли вообще фонарь в принципе работать. Для правильного выбора необходимо строго придерживаться определенных правил:

• Драйвер должен подходить по размерам к установочному месту в фонаре — как я уже упоминал ранее, в нашем случае это 17мм
• Подложка светодиода так же должна подходить по размерам — напоминаю, что у нас оно 20мм
• Сам светодиод должен подходить к рефлектору — в C8+ имеет диаметр отверстия 7мм, значит сюда влезут светодиоды не более 5050, а всякие XHP70.2 — мимо (но всегда можно применить напильник и расточить отверстие до нужных размеров). При этом еще следует помнить, что меньший по размерам светодиод с меньшей светоизлучающей поверхностью даст более узкий луч и наоборот, таким образом можно заменой светодиодов менять дальность одного и того же фонаря в широких пределах
• Светодиод так же должен подходить к типу рефлектора. На старых диодах типа XHP50, XHP70 есть видимые невооруженным глазом расстояния между кристаллами, при установке в гладкий (SMO) рефлектор эти светодиоды формируют некрасивый луч в виде бублика, поэтому их лучше ставить в мятый рефлектор (OP, «апельсиновая корка»). С более новыми XHP50.2 и 70.2 такой проблемы нет
• Напряжение аккумуляторов должно быть в диапазоне допустимых напряжений драйвера — в нашем случае 1 аккумулятор, так что драйвер должен уметь работать от 3.7В
• Выходное напряжение драйвера должно совпадать с напряжением работы светодиода. Нельзя ставить повышающий (boost) драйвер с выходом 12В в фонарь с 3В светодиодом, и наоборот
• Максимальный выходной ток драйвера не должен превышать максимальный допустимый ток светодиода. Найти последние можно в даташитах, но здесь есть хитрость: многие светодиоды выдерживают значительно более высокие токи, чем заявляют их производители, и их можно «разгонять», получая большую мощность. Именно этим мы и займемся чуть позже
• Корпус фонаря должен справляться с выделяемой мощностью, иначе светодиод сгорит или быстро деградирует. В фонари типа C8 не стоит ставить светодиоды мощнее 20Вт

По перечисленным правилам можно найти много сочетаний драйвер-диод, в последнее время появились как компактные boost драйверы на любое выходное напряжение, так и 3-вольтовые версии мощных светодиодов (те же XHP50.2). На мой взгляд оптимальным выбором для C8/C8+ является вот эта пара:

Светодиод: XP-L HI — в моем случае это нейтральный белый U6 5A. На медной 20-миллиметровой подложке. На мой взгляд это самый оптимальный выбор, за счет небольших размеров (3535) и отсутствия линзы он дает мощный луч, стоит недорого и продается повсеместно. Выдает в среднем 1000-1200 люмен, но легко разгоняется до 1500, а его холодную версию V6 2C можно разогнать аж до 2000 люмен.
Драйвер: Nanjg 105D или любой его клон. Это линейный драйвер, простой как 2 пальца, практически бессмертный, он как Nokia 3310 от мира драйверов. Он состоит из дешевых доступных компонентов, его схема примитивна, его очень легко починить, в каком бы он состоянии ни был. Меня однажды попросили посмотреть фонарик, внутрь которого попала вода и плескалась там пару недель. Так вот, в обнаруженной мною на месте драйвера куче черных окислов было трудно разглядеть сами компоненты, но он продолжал работать, как ни в чем не бывало, и после промывки спиртом и профилактической пропайки поехал дальше доживать свою вечность. Помимо ремонта эту штуку легко модифицировать под себя: в качестве микроконтроллера тут используется простой в освоении и прошивке Attiny13A, под который написано множество бесплатных открытых прошивок (в том числе и одна моя, расскажу о ней позже). Выходной ток можно широко регулировать удалением и добавлением стабилизаторов AMC7135, по-умолчанию их количество обычно варьируется от 4 (1400мА) до 8 (2800мА). В моем случае версия на 2800мА:


Резистор на 3кОм был добавлен мною, для более стабильной работы вот с этой светящейся кнопкой, которую я установлю чуть позже. Стандартная прошивка имеет 2 группы режимов: в первой группе статичные режимы (минимальный, средний, максимальный), во второй группе — они же + мигалки (стробоскоп, SOS). Переключение режимов осуществляется короткими полунажатиями кнопки питания, есть энергонезависимая память последнего режима. Переключение групп осуществляется через минимальный режим: после его включения спустя 1-2 секунды фонарь гаснет на долю секунды; для переключения группы необходимо в этот момент быстро нажать на кнопку питания — текущая группа режимов сменится на другую. Эта прошивка довольно простая и удобная, но я, как всегда, пошел своим путем и написал собственную.

Заливаем свою прошивку

О процессе прошивки микроконтроллера tiny13 я писал много раз, кому интересны подробности — можете почитать в моем предыдущем посте. Под драйверы фонарей на этом МК написано много открытых прошивок, среди них я не нашел ни одну удобную для себя, поэтому решил написать свою. Исходные коды и скомпилированные бинарники доступны у меня на гитхабе: версия для Nanjg 105D, версия для A17DD-L. Моя прошивка практически полностью копирует поведение стандартной прошивки драйвера и несет в себе пару полезных плюшек:

• Прошивка так же имеет 2 группы режимов, переключение которых осуществляется через минимальный режим — все как в стандартной
• В основной группе 4 режима яркости: минимальный, средний, максимальный и турбо. В исходниках прошивки предусмотрена возможность ограничивать время работы турбо-режима с помощью константы TURBO_TIMEOUT, задающей время работы в секундах. В готовых бинарниках для Nanjg данный таймер отключен, а для A17DD-L — наоборот включен
• Частота ШИМ — 9кГц, никаких мерцаний
• Во второй группе так же добавляются мигающие режимы, причем стробоскоп более «злой» (выше частота вспышек), так же помимо SOS имеется прерывистая «велосипедная» мигалка
• Каждый может при желании модифицировать режимы и группы в исходниках под свои нужды и собрать версию для себя. Всего в прошивку можно добавить до 16 групп по 16 режимов в каждой
• В прошивке предусмотрена возможность узнать текущий уровень заряда аккумулятора: при включенном фонаре нужно выполнить 16 (или больше) быстрых полунажатий на кнопку питания, тогда фонарь сделает серию от 4 до 1 вспышек (соответственно 100-75%, 75-50%, 50-25%, 25-0%). Считать нажатия не обязательно, фонарь сам погаснет и перестанет реагировать, когда наберется нужное их количество.
• При разряде аккумулятора до 2.9В прошивка начинает ступенчато сбрасывать яркость, но в отличие от родной прошивки в мигающий режим не переходит
• Память последнего режима, защита от случайного переключения — все в наличии

Для заливки прошивки необходимо скачать файл quasar.hex, если желаете иметь свои режимы или включить/отключить часть функционала — модифицируете файл quasar.c и компилируете свой собственный hex файл.

Прошиваем следующей командой:

avrdude -p t13 -c usbasp -u -Uflash:w:quasar.hex:a -Ulfuse:w:0x75:m -Uhfuse:w:0xFD:m

В моем случае в качестве программатора неизменно используется прошитая под него Arduino Nano. После прошивки потребуется подпаять драйвер к светодиоду, подать на него питание и проверить корректность работы, если все работает, как и должно — можно переходить к следующему этапу. Последние версии драйверов чаще всего идут с замкнутыми между собой 5 и 6 портами микроконтроллера. Если прошивка упорно не хочет заливаться — стоит взглянуть на плату драйвера и перерезать дорожку, если она имеется:

Разгоняем драйвер

Светодиод XP-L HI можно разгонять по току питания более, чем на 100% (6-7A), получая существенный прирост яркости. Но вместе с током очень сильно растет и тепловыделение. Корпус C8 слишком мал и имеет недостаточно хороший теплоотвод для такого экстрима, поэтому я ограничусь током в 4.2А. Для сборки разогнанного фонаря нам потребуется расширенный набор принадлежностей:

Помимо драйвера и диода нам понадобятся:

• Термопаста — чем выше теплопроводность — тем лучше, желательно не менее 8Вт/мК
• Паяльная паста
• Две пары отрезков проводов: 16-18 AWG и 20-22 AWG, первые будем использовать для подключения драйвера к светодиоду, вторые — для шунтирования пружин драйвера и кнопки
• 4 линейных стабилизатора AMC7135 — каждый добавляет по 350мА к выходному току. В результате, добавив к драйверу на 2800мА (8 стабилизаторов) еще 4, мы получим на выходе 4200мА

Первым делом шунтируем пружины:


Шедшая в комплекте с хостом пружина не нужна, так как у драйвера есть собственная. Заменяем тонкие стандартные выходные провода на более толстые:

Приступаем непосредственно к разгону. Фиксируем драйвер, берем AMC7135, пинцетом аккуратно загибаем ножки под 90 градусов, и накладываем на один из уже расположенных на плате:

Аккуратно спаиваем контакты, удобнее всего делать это с помощью паяльной пасты, нанося ее зубочисткой:

После каждого очередного запаянного стабилизатора желательно контролировать работоспособность драйвера, потому что эти стабилизаторы часто мрут при пайке. Долго греть их ни в коем случае нельзя, паять буквально в одно касание жалом. Шаг за шагом размещаем все 4 дополнительных стаба над имеющимися:

После пайки драйвер необходимо тщательно промыть щеткой в спирте или каком-нибудь растворителе, так как оставшиеся после пасты шарики припоя могут привести к замыканию.
При работе стабилизаторы греются, чтобы не допустить перегрев напаянных сверху стабов, наносим на них теплопроводный клей или герметик:

После высыхания клея драйвер готов к установке и использованию.

Собираем фонарь

На площадку для светодиода в голове фонаря наносим каплю терпомасты и аккуратно размазываем тонким слоем:


На контактные площадки на подложке светодиода наносим по капле припоя (удобнее использовать все ту же пасту):

Откручиваем фиксирующее кольцо для драйвера, вставляем его провода в отверстия:

Припаиваем провода к подложке, соблюдая полярность. Для этого может понадобиться довольно мощный паяльник с плоским жалом. На сам светодиод накидываем комплектную центровочную шайбу:

Вырезы на подложке светодиода не совпадают с отверстиями для его фиксации с помощью комплектных винтов, поэтому они остаются не у дел. Это не страшно, потому что при сборке рефлектор все равно прижмет подложку к корпусу фонаря с достаточной силой. Устанавливаем рефлектор и собираем голову:

Центровочная шайба оказалась немного шире светодиода, и его центровка несколько нарушена. Достичь идеальной центровки сложно, но можно. Еще проще напечатать идеально подходящую по размерам шайбу на 3D принтере, но этим мы займемся в другой раз. Так же заметно, что при сборке отломился уголок у покрытия светодиода — это не страшно.
Несколько советов по поводу обращения с оптикой:

• Избавиться от пыли можно с помощью продувки воздухом. Подойдет любая груша для фототехники
• Если некоторые частички пыли не сдуваются — их можно попробовать смыть струей дистиллированной воды, она не оставляет разводов
• Если отражающую поверхность рефлектора задели пальцем и испачкали — ни в коем случае не нужно пытаться оттереть отпечаток сухой тряпкой, это оставит царапины. Для очистки надеваем резиновую перчатку, наносим на нее моющее средство для посуды и аккуратно чистим загрязнение и промываем дистиллированной водой

Устанавливаем драйвер и зажимаем его кольцом:


Теперь настало время собрать фонарь и проверить его работоспособность. Берем амперметр и измеряем потребляемый ток в максимальном режиме:

Я намерил около 3.9А, что с учетом потерь на проводах вписывается в ожидаемые 4.2А. Режимы переключаются, кнопка светится — все работает, как надо

Последний штрих — наношу теплопроводный клей на видимую сторону драйвера, это даст более равномерное распределение тепла и дополнительную защиту от влаги в случае ее попадания в фонарь:

Опционально еще можно поменять силиконовую смазку на резьбах, например, на такую.

Итог

Вот так можно собрать своими руками хороший мощный фонарь, который будет работать долгие годы. По мере появления новых светодиодов этот фонарь можно апгрейдить бесконечное число раз, поддерживая его в актуальном состоянии.

P.S.
Сравнение старой версии C8 с драйвером на 2800мА и только что собранного C8+ на 4200мА: