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 LED z możliwością pracy awaryjnej i funkcją powerbanku składa się z pięciu zasadniczych bloków: izolowanego zasilacza AC → DC, ładowarki ogniwa Li-Ion (z BMS), przełącznika źródła zasilania, sterownika prądowego LED oraz przetwornicy step-up 5 V dla wyjścia USB.
• Schemat ideowy obejmuje: prostownik i PFC/SMPS (np. flyback 230 V AC → 5-6 V DC), układ ładowania (np. MCP73831 + BMS DW01/FS8205), driver LED (buck CC lub buck-boost), MOSFET-owe „ideal-diode OR” przełączające między linią sieci / akumulatora, step-up (np. MT3608 3,0-4,2 V → 5 V USB), mikro-/komparator wykrywający zanik sieci.

Kluczowe punkty • pełna izolacja galwaniczna między 230 V a obwodami niskonapięciowymi
• profil ładowania CC/CV 1 C z odcięciem 4,20 V i UVLO ≈ 3,0 V
• odprowadzanie ciepła z LED i SMPS w objętości bańki E27/E14
• spełnienie IEC 60598-1 (oprawy), IEC 62368-1 (USB), UN 38.3 (transport Li-Ion)

Szczegółowa analiza problemu

1. Topologia całości (schemat blokowy)

230 V~ ──► SMPS flyback 5 V/1 A ─┬─► Driver LED CC 250 mA → 6-10 V → Moduł LED
                                 │
                                 ├─► Ładowarka Li-Ion CC/CV (MCP73831 1 A)
                                 │             │
                                 │             ▼
                                 │        1× 18650 + BMS
                                 │             │
Detekcja zaniku AC  ─► MCU/komparator ─┬─► MOSFET OR ► Driver LED
                                        └─► Boost 5 V/1 A (MT3608) → USB-A

2. Podstawy teoretyczne i dobór elementów

• SMPS: izolowany flyback (np. PI LNK364), u-wy 5,2 V/1 A, izolacja ≥ 4 kV.
• LED: matryca 6 × (2×) diod 0,5 W; prąd nominalny 250–300 mA; driver buck (AL8860) o sprawności ~90 %.
• Akumulator: 1 × ICR18650-30Q 3000 mAh; energia ≈ 11 Wh ⇒ ~2 h pracy LED 5 W lub 1 pełne ładowanie smartfona 3000 mAh.
• Ładowarka: MCP73831 (prog 1 A, TERM 4,20 V), NTC do kompensacji termicznej.
• BMS: DW01 + FS8205 (OCP 3 A, OVP 4,3 V, UVLO 2,9 V).
• Przełączanie: 2 × N-MOSFET 30 V/10 mΩ (Back-to-Back) w roli ideal-diode; sterowane napięciem po stronie AC.
• Boost USB: MT3608, soft-start, OCP 1,5 A, sprawność 85 %.
• MCU (opcjonalnie): PicoPower ATtiny3217 – mierzy VBAT, LED_TEMP, steruje PWM jasności, pokazuje SoC diodami RGB.

3. Przebieg energii i logika

1. Zasilanie sieciowe obecne → SMPS zasila LED (tryb sieciowy) oraz ładuje akumulator (do 4,20 V).
2. Zanika sieć (komparator zbocza AC OK↓) → MCU wymusza wyłączenie SMPS, MOSFET-OR przełącza linię VBAT na driver LED i/lub BOOST USB (tryb awaryjny).
3. Użytkownik może nacisnąć przycisk, aby wybrać: a) tylko światło, b) tylko powerbank 5 V, c) oba, d) off.

4. Ochrona i kompatybilność

• Bezpiecznik 250 mA T + termistor NTC w AC-in.
• EMC: filtr pie-RC oraz ekranowanie transformatora.
• Creepage/Clearance: min 6 mm (awaryjny 4 mm z potting-compound UL94-V0).
• Czujnik temperatury LED → derating prądu powyżej 90 °C (zapobieganie runaway).

Aktualne informacje i trendy

• Coraz częstsze wykorzystanie sterowników AC-direct LED z GaN (Power Integrations LYTSwitch-6) – mniejsze straty i rozmiar.
• USB-C PD 3.1 (20 W+) w „żarówkach-powerbankach” campingowych 2024; kontrolery buck-boost bidirectional (IP5328, SW6208).
• Pojawiają się pakiety LiFePO₄ 3,2 V/1500 mAh zamiast Li-Ion – większa liczba cykli i bezpieczeństwo ogniowe.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dobór pojemności: t = (E_bat · η) / P_LED → 11 Wh·0,85 / 5 W ≈ 1,9 h.
• LED Driver buck-boost konieczny przy VBAT 3,0-4,2 V i Vf_string 9 V; alternatywa – zastosować 3-diody szeregowo 3 V / diode, wtedy wystarczy step-up.
• Analogia: układ działa jak „UPS w miniaturze” – SMPS + ładowarka + inwerter DC.

Aspekty etyczne i prawne

• Wbudowana bateria wymaga informacji o recyklingu (Dyrektywa WEEE, znak przekreślonego kosza).
• Transport lotniczy – testy UN 38.3, deklaracja MSDS.
• Ryzyko pożaru przy tanich, niecertyfikowanych ogniwach – ważna jest kontrola partii i śledzenie łańcucha dostaw.

Praktyczne wskazówki

1. Prototyp: gotowy SMPS 5 V 5 W (Mean-Well IRM-05-5) + moduł TP4056 + MT3608 + moduł AL8860 na PCB 30 mm.
2. Testy:
   – reflow termiczny: pomiar Tj LED vs. Ta 25-45 °C w komorze.
   – cykle zaniku AC (1000×) – obserwacja braku glitchy.
   – ESD 8 kV kontaktem na obudowie USB.
3. Obudowa: aluminiowa płytka MCPCB + termopad 1 W/mK do gwintu E27 pełniącego radiator.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Pojedyncza 18650 ogranicza czas świecenia przy LED > 7 W – rozważ 2 × 18650 równolegle + wyważenie masy.
• Ładowanie akumulatora z SMPS 5 V przy pełnej mocy LED może przekroczyć budżet 5 W – należy ograniczyć prąd ładowania do 0,5 A (dynamic power sharing).
• Niejawne (chronione) szczegóły topologii producentów – powyższe to projekt referencyjny.

Sugestie dalszych badań

• Integracja z BLE/Matter do powiadamiania o SoC i test „self-check” baterii.
• Zastosowanie półprzezroczystych ceramik (ALON) w bańce dla lepszego transferu ciepła.
• Badania nad półfast-charging Li-S 2,1 V z wysoką liczbą cykli (> 2000) dla dłuższej żywotności.

Krótkie podsumowanie

Żarówka-powerbank łączy w jednej obudowie: izolowany zasilacz impulsowy, ładowarkę/baterię Li-Ion, sterownik LED oraz podwyższającą przetwornicę USB. Kluczem projektowym są: bezpieczeństwo galwaniczne, prawidłowe zarządzanie akumulatorem (BMS), efektywny driver LED i niezawodne przełączanie przy zaniku zasilania. Powyższy schemat referencyjny i wskazówki pozwalają zbudować urządzenie spełniające normy i wymagania użytkowników, a jednocześnie pozostawiają pole do dalszych innowacji (USB-C PD, GaN, komunikacja bezprzewodowa).