Schemat elektryczny żarówki LED z powerbankiem, ładowanie Li-Ion, driver AL8860, USB MT3608

Pytanie

schemat elektryczny żarówki z wbudowanym powerbankiem do ponownego ładowania

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Żarówka z wbudowanym power-bankiem składa się z pięciu podstawowych bloków: izolowanego zasilacza AC/DC, ładowarki/BMS ogniwa Li-Ion, sterownika LED, przełącznika źródła zasilania oraz podwyższającej przetwornicy 5 V USB.
• Poniższy uproszczony schemat blokowy przedstawia pełny przepływ energii i sygnałów sterujących:

          230 V AC
             │
   [ EMI / mostek / flyback ]  ← AC/DC 5 V, izolacja
             │──────────────┐
             │              │
             ▼              ▼
        Ładowarka      Przełącznik
       Li-Ion + BMS    źródła VBUS ─┐
             │                     │
             ▼                     │
        Ogniwo Li-Ion              │
        (1×18650)                  │
             │                     │
      ┌──────┴───────┐        Sterownik LED
      │  Boost 5 V   │            (buck/boost)
      │   USB-A/C    │                │
      └──────────────┘                ▼
                                Matryca LED

Kluczowe punkty
• jednoczesne ładowanie ogniwa i świecenie z sieci,
• automatyczne przełączenie na akumulator przy zaniku 230 V,
• wyjście 5 V (1–2,4 A) do ładowania urządzeń mobilnych.

Szczegółowa analiza problemu

1. Zasilacz sieciowy (AC → DC, 230 V/5 V, izolowany)

• Topologia: flyback z układem typu LNK304/TEA1721 lub gotowy moduł HLK-PM01 5 V / 3 W.
• Elementy wejściowe: filtr EMI (C-X2, L-common mode 2×10 mH, C-Y1), warystor 14 mm/ 470 V.
• Mostek Graetza 600 V/1 A; kondensator bulk 4,7–10 µF / 400 V.
• Sprzężenie zwrotne: TL431 + transoptor, Uout = 5,05 V (±3 %).
• Izolacja: clearance ≥ 3 mm, creepage ≥ 4 mm (IEC 62368-1, grupa II).

2. Ładowarka i BMS (Li-Ion 1 S)

• Ładowarka CC/CV: MCP73831, TP4056, lub scalony PMIC IP5306 (0,5–1 A).
• BMS 1 S: DW01 + AO8205 lub gotowa płytka 2 × MOSFET;
  OVP = 4,25 V, UVP = 2,5 V, OCD ≈ 3 A.
• Termistor NTC 10 kΩ do monitorowania temperatury ogniwa (OTP 45–60 °C).

3. Przełącznik źródła zasilania LED

a) Pasorotacyjny (diody „ORing” + P-MOSFET):

Vout_5V ─►|─┐
          |<─ P-MOS   (AO4407A, RDS(on)<10 mΩ)
Bat 3 –4,2 V ─►|─┘

b) Mikro-MCU (ATTiny13 / STM8L) + tranzystor:

• MCU mierzy Vnet > 4,5 V → LED z sieci, + ładowanie.
• Spadek poniżej 4,3 V > 40 ms → MOSFET S1 załącza linię Bat → LED (tryb awaryjny, PWM 30 % jasności).

4. Sterownik LED

• Jeśli matryca 3 × LED szeregowo (≈ 9–10 V/300 mA):
  • Przy zasilaniu z 5 V → boost LED (NPB3006, AL8860 w topologii SEPIC).
  • Przy zasilaniu z Bat 3,7 V → ten sam driver w trybie boost.
• Prąd LED programowany rezystorem \(R_{SET} = 0,1 V/I_{LED}\).
• Wejście DIM sterowane PWM 500 Hz (MCU) – tryb eco, migowe SOS itp.

5. Przetwornica boost 5 V USB

• Układ MT3608 / SY7201: Vin = 2,8–5 V, Vout = 5 V ± 3 %, Iout = 1,2 A.
• Czujnik obciążenia: komp. latched ON powyżej 30 mA, auto-OFF < 5 mA.
• Rozmieszczenie: możliwie daleko od drivera LED, wspólna masa pojedynczą gwiazdą.

6. Interfejs USB

• Złącze USB-A (klasyczny power-bank) lub USB-C 5 V/3 A (PD-Sink only).
• Linia D+ / D–: rezystory 2×56 kΩ do 5 V (zgodnie z BC 1.2, „DCP 1,5 A”).

7. Zarządzanie termiczne

• Metalowa część gwintu E27 jako radiator dla LED i mosfetów (≥ 10 cm² Alu).
• Termiczny podkład silikon-AlN pod PCB LED; pastylka NTC przy ogniwie.
• MCU przy Tbat > 55 °C redukuje prąd LED do 50 % i wyłącza USB.

Aktualne informacje i trendy

• Układy „all-in-one” (SGM4056, IP5306) integrują ładowarkę, boost 5 V oraz wskaźnik LED; minimalizują liczbę elementów SMD.
• USB-C PD 3.0 staje się standardem – w nowych konstrukcjach stosuje się układy HL8152 / SW3516P (15 W @ 5 V / 3 A).
• Małe izolowane zasilacze GaN (5 W, 85 % sprawności) umożliwiają kompaktowy montaż w trzonku E27.
• Coraz częściej stosuje się ogniwa LiFePO₄ 3,2 V/1500 mAh (większe bezpieczeństwo, > 2000 cykli).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Profil ładowania CC/CV:
  \[ I{CHG} = \frac{1\; \text{V}}{R{PROG}},\qquad V_{FLOAT}=4,20\;\text{V} \]
• Szacunkowy bilans mocy: LED 3 W → Bat 0,8 A; USB 5 V × 1 A = 5 W
  → jednoczesne świecenie + ładowanie telefonu wymaga ogniwa ≥ 2600 mAh i wydajnego AC/DC 8 W.
• Energia użytkowa: ogniwo 3,7 V × 2,6 Ah ≈ 9,6 Wh → 2 h świecenia 3 W lub 1 pełne ładowanie smartfona 3000 mAh.

Aspekty etyczne i prawne

• Normy bezpieczeństwa: IEC 60598-1 (oprawy), IEC 62368-1 (AV/ICT), EN 55015/EN 55032 (EMC), IEC 62133-2 (ogniwa Li-Ion).
• Transport akumulatorów – wymóg UN 38.3.
• Ochrona środowiska: zgodność z RoHS 3; projekt ułatwiający demontaż i recykling ogniwa.

Praktyczne wskazówki

• Prototypuj w modułach: gotowy moduł TP4056+BMS, płytka MT3608, płytka LED 9 V/3 W.
• Zacznij od bateryjnej wersji (bez 230 V) – uprości testy i zmniejszy ryzyko porażenia.
• Wersję sieciową uruchamiaj przez izolowany autotransformator i żarówkę szeregową 40 W.
• Sprawdź odstępy izolacyjne na płytce przed lutowaniem – po cynowaniu maleją o ~0,2 mm.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Kompletne wciśnięcie wszystkich modułów w obudowę E27 Ø60 mm wymaga dwuwarstwowej, cienkiej (1 mm) PCB i wydajnego chłodzenia.
• Ogniwo Li-Ion pracujące w wysokiej temperaturze (≥ 45 °C) degraduje się szybciej – realnie 500 cykli.
• Usb + LED jednocześnie obciąża baterię; wskazane sprzętowe ograniczenie łącznego prądu do 2 A.

Sugestie dalszych badań

• Analiza topologii „single inductor dual output” (SIDO) dla wspólnej cewki LED+USB 5 V.
• Implementacja detekcji fazy (QS/ESR) w wyłączniku ściennym do inteligentnego odróżniania awarii od wyłączenia.
• Zastosowanie ogniw solid-state (SSLb) dla temperatur powyżej 70 °C.

Krótkie podsumowanie

Żarówka-powerbank to zintegrowany układ AC/DC → 5 V, ładowarki/BMS Li-Ion, sterownika LED i boosta USB. Kluczowe wyzwania to: izolacja od sieci, zarządzanie termiczne, automatyczne przełączanie źródeł i zgodność z normami bezpieczeństwa. Powyższy opis zawiera konkretne układy (TP4056, IP5306, AL8860, MT3608), połączenia funkcjonalne oraz wskazówki projektowe, które pozwolą zbudować lub przeanalizować pełny schemat elektryczny takiego urządzenia.