Progettazione strobo LED di notevole potenza

[Flap]

Buona sera a tutti, mi sono iscritto da poco quindi mi presento molto brevemente: sono appassionato di radio e di volo, passioni che esprimo come radioamatore e pilota di ultraleggeri. Proprio la mia passione per il volo mi spinge a voler progettare e costruire luci strobo. Noi voliamo secondo le regole del volo a vista (il cosiddetto VFR) che significa che gli enti di controllo non forniscono alcun servizio di separazione tra i traffici, in parole povere bisogna guardare bene fuori. E' di fondamentale importanza quindi vedere ed essere visti, in questo le luci strobo cercano di aiutare qualcosina ma oltre a costare cifre spropositate per quello che sono, hanno anche una potenza abbastanza modesta. Ecco allora che si fa strada l'autocostruzione che come ben sapete spesso e volentieri produce realizzazioni addirittura superiori ai prodotti commerciali. Vorrei quindi costruire qualcosa di inaudita potenza
Vengo al dunque.
I LED che volevo utilizzare sono questi:
https://pt.mouser.com/ProductDetail/896-32658054AC00F25
dovrebbero essere due per le tip alari e uno in coda.

Siccome l'impianto elettrico è a 12V e i LED alla corrente nominale di 2,64A presentano una V tipica di 54V pensavo a un booster DC-DC sul genere di questo:

https://www.amazon.es/10V-60V-Convertid ... way&sr=8-1

Per quanto riguarda la logica di funzionamento pensavo di utilizzare un ATtiny85 da programmare con un Sparkfun tiny avr programmer, nel caso abbia problemi nel reperirlo o i costi di spedizione siano troppo alti ripiegherò su un Arduino.

Il microcontrollore comanderà un MOSFET per ogni LED quale non ho la minima idea.

Per evitare picchi esagerati dal lato alimentazione che potrebbero creare scompensi all'impianto elettrico del velivolo e la necessità di un DC-DC sovradimensionato, visto che dobbiamo alimentare un dispositivo con un duty cycle del 5%, avevo pensato a una batteria di 30 supercap come questi:
https://pt.mouser.com/ProductDetail/581-SCCS30B106SRB
per un totale di 81V di tensione nominale, 10F di capacità e 9A di corrente nominale. Nella peggiore delle ipotesi in cui comanderei tutti e tre i LED insieme per 50ms (di più in termini di sensibilità dell'occhio umano non serve andare) dovrei far fronte a una corrente di quasi 8A per 50ms. Se assumo che 1F = 1A x 1S, con buona approssimazione dovrei riuscire ad alimentare i LED senza scadere troppo con la tensione per questi 50ms.
La batteria di condensatori verrebbe collegata direttamente all'uscita alta tensione del DCDC e il trimmer della della corrente in uscita verrebbe regolato per caricare i condensatori in circa 800-900ms. Adesso non ho ancora calcolato 1-e alla -t su tau inoltre la resistenza che vedono i condensatori non è costante in quanto i LED sono dei dispositivi non lineari, ma se ragiono in termini di energia media assorbita dai LED grosso modo siamo a poco più di 21w al secondo che a 54v e 0,8s dovrebbe dare 0,5A. Cioè se non ho sbagliato i calcoli (visto che la donna di fianco a me sta guardando dei video disturbando il mio neurone ) impostando il trimmer per 0,5A si dovrebbe riuscire a far fronte alla carica sufficiente per un flash al secondo. Tutto il sistema dovrebbe anche assicurare una forte limitazione in corrente nel caso si impalli qualcosa e i LED restino accesi, come già successo a un amico che ha fatto un sistema molto più modesto funzionante a 12 dove per autooscillazioni del MOSFET o impallamento di Arduino è rimasto acceso friggendo tutto (i LED li aveva survoltati).
Qualche altro condensatore sparso qua e là sul lato bassa tensione, feed trough e cavi twistati dovrebbero scongiurare l'emissione di spurie e armoniche. I cavi per ogni LED sono lunghi circa 5 metri pensavo di non eccedere con la sezione, anzi stare sul lato magro per avere un minimo di resistenza che non fa mai male visto che i LED vengono non proprio correttamente alimentati in tensione.
Non mi viene in mente più niente. Avete idee suggerimenti o migliorie? Il dimensionamento della catena vi sembra corretto? Mi sfugge qualcosa?
Intanto vi ringrazio!

[elfo]

Il tuo progetto - a mio parere - e' piu' complesso di quanto sembra.

Butto sul campo (sul forum ) alcune considerazioni sparse:

1)

le luci strobo [cut] hanno anche una potenza abbastanza modesta

Al di la' del costo (e della complessita' del pilotaggio) sai quantificare la differenza - in resa luminosa - con i LED?

2)

batteria di 30 supercap [cut]per un totale di 81V di tensione nominale, 10F di capacità

Sei sicuro che DC-DC converter "gradisca" una capacita' simile in uscita? (tralasciando altre considerazioni sul montare in serie i supercap)

3)

il trimmer della della corrente in uscita verrebbe regolato per caricare i condensatori in circa 800-900ms[cut] I cavi per ogni LED sono lunghi circa 5 metri pensavo di non eccedere con la sezione, anzi stare sul lato magro per avere un minimo di resistenza

Non mi e' chiaro il meccanismo di limitazione/regolazione della corrente nei LED

4)

Qualche altro condensatore sparso qua e là sul lato bassa tensione, feed trough e cavi twistati dovrebbero scongiurare l'emissione di spurie e armoniche

Cerchi rogne?

5) IMHO:
5.1) piloteri i LED in modo pulsato ad una corrente superiore a quella nominale ottenendo una maggiore efficienza

The relationship between light output and forward current is non-linear, as is the relationship between forward voltage and current.
For example, increasing the drive current to the LED by a factor of two will result in an increase in power greater than a factor of two.

https://www.cree.com/led-components/med ... urrent.pdf

5.2) attuerei un circuito di pilotaggio pulsato / regolazione dei LED "localmente" (vicinissimmo ai LED - senza cavi "lunghi")

5.3) piloterei i vari LED in modo "sfasato" (non in sicncronia) in modo da "distribuire" l'assorbimento medio

5.4) per ora puo' bastare

[Flap]

Ciao Elfo! Grazie per la tua risposta, cerco di risponderti:

Al di la' del costo (e della complessita' del pilotaggio) sai quantificare la differenza - in resa luminosa - con i LED?

Guarda, di preciso non lo so, ma a occhio quelle che ho su di serie utilizzano un LED che stimo essere da 5 a 10W

Sei sicuro che DC-DC converter "gradisca" una capacita' simile in uscita?

In considerazione del limitatore di corrente non vedo problemi di sorta. Se io imposto una corrente massima di 0,5A, anche attaccando un condensatore scarico questo si caricherà con quella corrente finché non raggiungerà la tensione impostata e a tal punto la corrente crollerà a zero. L'unico dubbio è capire se eroga 0,5A anche su un cortocircuito (condensatore scarico) o va in protezione. Nel caso mi devo inventare qualcosa per il primo ciclo perché poi a regime i C si scaricheranno solo parzialmente e il problema non si pone.

(tralasciando altre considerazioni sul montare in serie i supercap)

Su questa cosa hai ragione, non ci avevo proprio pensato! Effettivamente c'è il pericolo che il condensatore più "debole" si carichi a una tensione più alta degli altri e magari superare pericolosamente la nominale, o metto uno zener abbracciato a ciascuno (tanto hanno un costo esiguo) oppure mi prendo ancora più margine sulla tensione operativa magari prendendone qualcuno in più e scartando i più scarsi. Oppure tutte e due le cose.

Non mi e' chiaro il meccanismo di limitazione/regolazione della corrente nei LED

Il meccanismo di limitazione della corrente sul LED....... ........... .....non c'è! (Sacrilegio )
Se guardi il data sheet https://pt.mouser.com/datasheet/2/245/L ... 511750.pdf dà 2,64A di corrente nominale e quasi 4 di massima a cui corrispondono delle tensioni tipiche di 52,5 e 56V. Siccome non gli tirerò il collo (almeno inizialmente lo farò lavorare ai valori nominali), il duty cycle è ridicolo (5%) e di conseguenza anche la temperatura non arriverà mai agli 85°C di riferimento ne tanto meno ai 105 massimi, posso turarmi il naso e alimentarlo in tensione, oltretutto neanche costante perché come attacco i condensatori, questi iniziano a scaricarsi. Per quanto riguarda il filo lascia stare ho fatto un calcolo al volo e finché utilizzo il rame avrò mezzo volt di caduta, come non averlo.

Cerchi rogne?

No perché? a cosa ti riferisci? Devo avere un occhio di riguardo all'emissione di spurie e armoniche da parte del DCDC ed eventualmente dei fronti troppo ripidi ma non ho ancora idea della velocità con cui commuteranno i MOSFET al massimo per questo si possono facilmente prendere provvedimenti.

piloteri i LED in modo pulsato ad una corrente superiore a quella nominale ottenendo una maggiore efficienza

Avevo già in mente, visti i punti di cui prima, di sovrapilotarlo ma sempre stando sotto i 4A più un minimo di tolleranza per ottenere maggiore flusso. Ma attenzione, così facendo l'efficienza diminuisce, non aumenta. Quello che hai quotato dal sito Cree, che avevo già letto attentamente, dice che se aumento del doppio la corrente, aumenta più del doppio la potenza, ma è ovvio, aumentando anche la tensione. L'efficienza diminuisce drasticamente invece, guarda tutti i grafici dove riportano "Efficienza luminosa vs.Corrente diretta" sono tutte curve decrescenti.

attuerei un circuito di pilotaggio pulsato / regolazione dei LED "localmente" (vicinissimmo ai LED - senza cavi "lunghi")

Ero partito con questa idea qui anche io ma poi pensandoci bene non avrei grandi vantaggi, alla fine la corrente di picco volendo tirare il collo al LED mettiamo che sia 4A, con 5 metri andata e ritorno di un filo da 1mm quadro avrei 0,7 volt di caduta di tensione. In cambio volendo portare alcune cose in locale dovrei portare più fili e fare un banco condensatori per ogni LED (però certo, con un terzo dei condensatori) ma non mi darebbe nessun vantaggio.Questa cosa l'avevo fatta invece su consiglio di un amico elettronico audiofilo su un amplificatore car stereo per il subwoofer: un condensatore (il più grosso che riuscivo a farci stare) per ogni MOSFET saldato direttamente sul piedino!

piloterei i vari LED in modo "sfasato" (non in sicncronia) in modo da "distribuire" l'assorbimento medio

E' gia in programma, per questo uso un microcontrollore con un MOSFET per ogni LED, così poi via software posso giocare con tempi e fasi. Di sicuro le tip devono accendersi insieme quindi al massimo ritarderei la coda.

Il tuo progetto - a mio parere - e' piu' complesso di quanto sembra.

Può darsi ma qualcuno l'ha già fatto (non così potente )
http://experimentalavionics.com/led-lig ... ment-19077

per ora puo' bastare

Attendo con impazienza la tua risposta

[elfo]

1) Efficienza: hai perfettamente ragione. Quello che volevo dire (scrivere) e' quello che e' scritto dalla Cree.
L'idea era quella di prendere dei led "meno potenti" (e costosi) e - visto il pilotaggio impulsivo - di pilotarli con una corrente maggiore di quella nominale ottenendo comunque una luminosita' confrontabile a quella di un led "piu' potente" pilotato a corrente nominale.

2) Fai una prova "banale": collega all'uscita del tuo DC/DC converter (terminali del condensatore avvitati direttamente sulla morsettiera di uscita del DC/DC converter) un condensatore elettrolitico da 3300 - 10000 uF 63 V (e nesssun altro carico) e guarda la tensione di uscita con un oscilloscopio.

[Flap]

Guarda, su quella pagina della Cree dicono questo: "For duty cycles less than 10%, do not exceed more than 300% of the maximum rated current." quindi si possono pompare mica male! Solo che questo documento è della Cree, non sono sicuro che valga anche per i dispositivi Luminus. Ma penso che se mi attesto all'incirca sulla massima corrente consentita di 3,96A (che è comunque prevista per un uso continuativo, benché adeguatamente raffreddato) o poco più sono ancora tranquillo. I problemi possono essere altri tipo alimentazione, DCDC ecc.

L'idea era quella di prendere dei led "meno potenti" (e costosi) e - visto il pilotaggio impulsivo - di pilotarli con una corrente maggiore

Sei matto? L'idea è di prendere il LED più potente in assoluto e darci dentro di brutto!
...che è questo https://pt.mouser.com/ProductDetail/Lum ... u9Uw%3D%3D
5,5A nominali ma forse è un po' troppo perché poi devo ridimensionare tutto il resto e, a monte di tutto, il motore dell'aereo non è che abbia sto gran alternatorone...

Fai una prova "banale": collega all'uscita del tuo DC/DC converter (terminali del condensatore avvitati direttamente sulla morsettiera di uscita del DC/DC converter) un condensatore elettrolitico da 3300 - 10000 uF 63 V (e nesssun altro carico) e guarda la tensione di uscita con un oscilloscopio.

La farò non appena mi arriva il DCDC, l'ho ordinato un ora fa

Mi sapresti consigliare un MOSFET? Ce ne sono un milione non saprei da dove iniziare.

[elfo]

Mi sapresti consigliare un MOSFET? Ce ne sono un milione non saprei da dove iniziare.

Prima di risponderti vorrei vedere il risultato della prova DC/DC converter + condensatore.

Nel frattempo vorrei, invece, proporti un altro problemino

Guarda la figura qui sotto, in cui sono rappresentati i principali elementi: Batteria 12 V, DC/DC converter, Arduino, Condensatore, LED, e mosfet.

Dovresti completare la figura:

- disegnando i collegamenti tra i vari elementi
- evidenziando il percorso della corrente impulsiva da (circa) 3 A

P.S il DC/DC converter ha l'uscita isolata o la massa di ingresso e di uscita sono comuni?

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

[Flap]

Ok dammi il tempo tecnico di studiarmi FidoCad perché lo vedo adesso per la prima volta

[Flap]

Sono un po' stanco e assonnato, spero di non aver fatto errori grossolani, è la primissima volta che uso FidoCad.
Con sezione maggiore sono le parti interessate dalla alta corrente, tutto il resto (a valle del converter) è limitato dalla regolazione di un trimmer. Il DCDC dovrebbe avere le masse in comune.

P.S. potrebbero esserci problemi di compatibilità tra versioni di FidoCad perché quando ho aperto il file mancavano tutti i componenti discreti.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

[claudiocedrone]

...potrebbero esserci problemi di compatibilità tra versioni di FidoCad perché quando ho aperto il file mancavano tutti i componenti discreti...

E' un problema di librerie, il forum non contiene tutte la macro possibili; per risolvere è sufficiente aggirarlo copiando il sorgente selezionato con Ctrl+M anziché Ctrl+C

[Toldo]

La domanda principale é questa:

Deve realizzare un pezzo (per uso personale) o produrre una serie di pezzi?

Se é per utilizzo personale non perdere tempo ed acquista prodotti omologati o comunque che possano lavorare sempre e in qualsiasi condizione (sollecitazioni meccaniche, sbalzi termici, etc.. si sta parlando di una segnalazione di sicurezza, incolumità propria e di terzi). Quando un veivolo costa decine di migliaia di euro, non penso serva soffermarci su di uno strobo lampeggiante da un centinaio di euro se questo é affidabile ed omologato.

Se é un progetto da poter immette nel mercato una nuova concezione di strobo LED in veivoli... quindi sono necessari vari test e certificazioni... tieni da parte un 25000 euro per il tutto!

La tua idea dell'auto realizzazione é come quella di un appassionato di sub, che non vuole spendere soldi per il torcia professionale IP6X da 400 euro e se la vuole costruire... tra l'altro acquistando componti di dubbia qualità in Amazon.. e poi lascia la famiglia..

Ps: per un diodo lampeggiante non serve disturbare arduino.