Нетривиальный ремонт светодиодного фонаря

Ручной светодиодный фонарь BL-8760 потерял работоспособность. При отсутствии реакции на переключатель режимов работы фонарь хаотично мигал или постоянно светился. Переустановка ак­кумулятора восстанавливала нормальную работу, но вскоре перестала помогать. Как была решена эта задача, описано в данной статье.

Конструкция этого фонаря заметно отличается от многих подобных изделий. Корпус герметичный с резиновыми уплотнителями, привычного выклю­чателя в резьбовой крышке нет, а переключатель режимов выполнен в виде кольца на корпусе, вра­щающегося с фиксацией в шести положениях, со­ответствующих режимам работы. Кольцо не име­ет электрических контактов и не нарушает герметичность корпуса.

На кольце обозначены шесть режимов работы:

• выключен;
• полная яркость;
• средняя яркость;
• малая яркость;
• строб (периодические короткие вспышки);
• SOS (телеграфный сигнал).

Питается фонарь от одного литий-ионного ак­кумулятора типоразмером 18650.

При изучении конструкции этого фонаря было определено, что переключение режимов магнитное. В кольце переключателя режимов под знаком режи­ма «Малая яркость» установлен магнит, а на плате драйвера по периметру размещены магнитоуправ­ляемые ключи на эффекте Холла. В фиксированных положениях кольца магнит подводится к соответст­вующему ключу и включает его. Выход ключа пере­ходит в низкий логический уровень. Выходы ключей подключены к микросхеме, управляющей транзис­тором-драйвером светодиода. Ключи размещены так, что магнитом одновременно включается не бо­лее одного из них, либо все они выключены.

Внешний вид платы драйвера фонаря показан на фото 1, а внешний вид этой платы под микро­скопом — на фото 2.

По печатной плате драйвера воссоздана его электрическая принципиальная схема (рис.1). Замечу, что позиционные обозначения деталей на плате нанесены только для ключей; остальным элементам они присвоены автором статьи.

Элементы С1, VD1 и VT1 были измерены с по­мощью тестера полупроводниковых приборов SC Analyzer 2005 и мультиметра. Для ключей и полу­проводниковых приборов приведена маркировка на корпусах элементов.

Элементы на плате фонаря:

• C1 -SMD керамический конденсатор 10 мкФ;
• Н1, Н2, Н4, Н5 — магнитоуправляемые ключи 4913В;
• R0 — пустое посадочное место под двухвывод­ной SMD-компонент;
• R1 — SMD резистор 10 кОм;
• VD1 — SMD кремниевый диод S4;
• VD2 — ультраяркий светодиод Сгее;
• VT1 — SMD кремниевый PNP транзистор B

Производитель сэкономил один ключ — диаме­трально противоположным на кольце режимам «Малая яркость» и «Выключен» соответствуют положения переключателя, при котором магнит удалён от всех установленных ключей, и все они выключены. Четыре остальных режима соответ­ствуют включению отдельных ключей. По проме­жутку в нумерации ключей видно, что был ещё один – H3, а у микросхемы D1 есть незадействованный вывод, к которому мог быть подключён вы­ход этого ключа.

Для проверки ключей и определения соответ­ствия им режимов был собран стенд. Видеозапись проверки работы конструкции размещена в Интер­нет по адресу [1]. На записи видно, что ключи в ра­бочем состоянии; также видно одинаковое состо­яние ключей в двух вышеупомянутых режимах.

Неопознанной осталась только микросхема D1 в SMD корпусе SO-8. На верхней стороне корпу­са маркировки нет, на нижней — есть маркировка Т1Н2В25САЕ, но поиск в Интернет ничего не дал. Возможно, это заказная микросхема, информация о которой нигде не публиковалась.

Также был безуспешен поиск её функциональ­ных аналогов с аналогичными режимами, спосо­бами управления и цоколёвкой.

Замена платы драйвера на имеющиеся в про­даже драйверы без магнитного управления требо­вала установки выключателя, но приобретение подходящей резьбовой крышки корпуса со встро­енной кнопкой включения делало ремонт экономически нецелесообразным. Причем при такой заме­не нарушалась бы герметичность конструкции.

Обратило на себя внимание расположение вы­водов питания микросхемы D1: положительный полюс напряжения питания подводится к выводу 1, а отрицательный — к выводу 8. Такое располо­жение выводов питания имеют микроконтролле­ры (МК) семейства PIC12 фирмы Microchip. Если предположить применение этих МК в данной схе­ме, то становится понятным назначение пустого посадочного места R0. Оно необходимо для уста­новки внешнего резистора подтяжки (pull-up). У ключей выходы с открытым коллектором и для со­гласования с цифровыми входами необходим резистор между выходом и положительным полюсом питания, а вывод 4 (GP3/MCLR) в режиме входа не имеет такого встроенного резистора в отличие от других выводов порта.

При проектировании драйвера мог быть приме­нён МК из семейства PIC12, при серийном произ­водстве заменённый заказной версией с масоч­ным программированием и встроенным резистором подтяжки на выводе 4.

Остаётся непонятным назначение диода VD1. От неправильной полярности питания он защитит только маломощную часть схемы. Возможно, он способствует защите аккумулятора с помощью де­тектора пониженного напряжения (Brown Out Detector — BOD) в МК. При напряжении питания ни­же 2 В BOD удерживает МК в состоянии сброса. С учётом падения напряжения на диоде около 0,6 В срабатывание BOD произойдёт при снижении напряжения на аккумуляторе до 2,6 В. В состоянии сброса транзистор VT1 закрыт, светодиод VD2 по­гашен, и потребление всей схемы составляет по­рядка 100 мкА, что предотвращает глубокий раз­ряд аккумулятора.

На основании вышеописанных данных было ре­шено заменить микросхему D1 доступным и дешё­вым МК типа PIC12F629 в корпусе SO-8 и написать для него реализующую требуемый функционал программу.

Для программирования МК с такими скромны­ми ресурсами предпочтителен предоставляемый бесплатно ассемблер от производителя.

При написании программы необходимо преду­смотреть использование:

• BOD;
• сторожевого таймера (WDT);
• состояния SLEEP в выключенном режиме;
• внутреннего тактового RC-генератора.

Также надо учитывать одинаковое состоя­ние сигналов от ключей в режимах «Выключен» и «Малая яркость» — для их различения придёт­ся запоминать соседние режимы. Из-за этой особенности при смене аккумулятора или ином прерывании питания в режиме «Малая яр­кость» МК потеряет данные о предыдущих ре­жимах и перейдёт в режим «Выключен». То же произойдёт в случае сбоя программы и перезапуска МК от WDT. Можно запоминать предыду­щие состояния в EEPROM, но это поможет толь­ко при сбое МК, который в такой несложной программе маловероятен, а при замене аккуму­лятора переключатель режимов может оказаться в любом случайном положении, и запоминание в таком случае не имеет смысла, так что использо­вание EEPROM избыточно.

Устранить неоднозначность выбора режимов может только установка ещё одного ключа, под­ключение его выхода к свободному выводу МК и использование его в программе для включения ре­жима «Малая яркость», тогда пять режимов свече­ния будут включаться соответствующими ключа­ми, а режим «Выключен» будет при отсутствии включённых ключей.

Замеры режимов работы драйвера другого фонаря показали, что частота ШИМ равна 2 кГц, а соответствующие средней и малой яркости скважности — 40% и 10%. При написании программы автор ориентировался на эти значения.

Заданный функционал может быть реализован разными алгоритмами. Авторская версия программы управляет состоянием выхода, формиру­ет ШИМ и опрашивает входы без использования таймеров и прерываний. В режиме «Выключен» МК переводится в состояние SLEEP, из которого пе­риодически возвращается срабатыванием сторо­жевого таймера (WDT).

Частота ШИМ 2,315 кГц. Строб-импульсы име­ют длительность 10 мс и частоту следования 1 Гц. Сигнал SOS имеет длительность точки 500 мс. Поддерживаются как изначальный вариант схемы с четырьмя ключами и запоминанием режимов при переключении, так и доработанный с добавленным ключом, выход которого подключён к выводу 2 ми­кросхемы D1.

Исходный текст программы и НЕХ-файл для прошивки МК размещены в Интернете по адре­су [2].

Запрограммировать МК при отсутствии фир­менных программаторов можно простыми само­дельными программаторами, описанными в [3] или [4].

Вместе с заменой микросхемы D1 запрограм­мированным МК надо установить на пустое посадочное место R0 SMD-резистор номиналом 10…22 кОм типоразмера 0805.

Программа была отлажена на макете, но после установки МК на плату обнаружились проблемы: в режиме «Выключен» наблюдались незначитель­ные вспышки и мерцание светодиода VD2, а в ре­жимах пониженной яркости на осциллографе бы­ло видно неполное выключение светодиода VD2, свидетельствующее о работе транзистора VT1 в активном, а не ключевом режиме. Это происходит из-за диода VD1, создающего смещение базы транзистора VT1 относительно эмиттера и не поз­воляющее его полностью закрыть. Неизвестно, проявлялись ли эти проблемы до ремонта.

Для устранения этого недостатка между базой и эмиттером транзистора VT1 был включен рези­стор 2 кОм (на схеме не показан), а резистор R1 был заменён также 2 кОм, что перевело транзис­тор VT1 в ключевой режим и устранило мерцание светодиода VD2.

Ссылки

1. http://youtu.be/n2G-AF2zsVI.
2. https://github.com/o-m-d/fl5mode.
3. http://goo.gl/VhYWpR.
4. http://www.labkit.ru/html/programmators_shm?id=76.
5. http://www.natlinear.com/uploadfiles/2014/LN/pdf.

Автор: Александр Давиденко, г. Киев