Оригинал инструкции — здесь, опубликован летом 2023. Некоторые ссылки на маркетплейсы могли устареть.
Перед публикацией на Хабре текст прошёл редактуру через Claude: смысл, схемотехника, замеры и все решения — мои, но отдельные абзацы и структура разделов местами переписаны машиной. Считаю правильным сказать об этом прямо.
Матрица лазерных диодов от киношного проектора стоит на Таобао как б/у видеокарта десятилетней давности — 260 юаней за демонтажный экземпляр. Внутри — 14 синих кристаллов Nichia, около семидесяти ватт оптики и собственная линза на каждом диоде. К ней нужны буст-конвертер за пятьсот рублей, процессорный кулер, восемь банок 18650 и вечер с паяльником.
Ниже — полная сборка: расчёт драйвера, настройка тока, борьба с пусковым выбросом, который тихо убивает кристаллы, и честный разбор мест, где моя конструкция кривая.
Сразу дисклеймер, без него никак: это лазер 4 класса опасности. Он не «может повредить глаз при неудачном стечении обстоятельств» — он воспламеняет дерево на дистанции вытянутой руки. Если вы никогда не работали с лазерными диодами, начните с чего-то на порядок дешевле и слабее.
Уровень сложности: начинающий DIY-электронщик.
Что понадобится из приборов:
-
паяльная станция (лучше помощнее — плата драйвера алюминиевая и жадно сосёт тепло);
-
регулируемый лабораторный БП до 30–35 В и 10 А;
-
мультиметр;
-
тепловизор или хотя бы пирометр — не обязательно, но сильно упрощает жизнь;
-
шуруповёрт и сверло 2.5 мм;
-
метчик М3.
Техника безопасности
Этот раздел пропускать не надо. Дальше будет много «ого, ничосе», но начинается всё отсюда.
Отказ от ответственности (юридическая формальность, но прочитайте)
Документ описывает сборку портативного декоративно-осветительного устройства («лазерного фонаря»), базирующегося на лазерном источнике 4 класса опасности.
Материал предоставляется исключительно в информационных и образовательных целях. Автор не несёт ответственности за использование, сборку или применение каких бы то ни было устройств, компонентов и их частей, описанных ниже. Перед использованием ознакомьтесь с местными законами и действуйте в соответствии с ними.
Автор не гарантирует точность или полноту приведённой информации. Любые действия и последствия, возникшие в результате использования этой инструкции, полностью лежат на том, кто принял решение её использовать. Рекомендуется проконсультироваться со специалистами, прежде чем приступать к сборке.
Отдельно про закон. Устройство мощностью в десятки ватт — не игрушка и не сувенир. Правила ввоза, оборота и применения лазерных изделий 4 класса в разных странах различаются очень сильно, а направление луча в сторону транспорта, людей, окон и дорог — отдельный сюжет, который в разных юрисдикциях заканчивается по-разному и обычно плохо. Разберитесь со своим законодательством до, а не после. Соблюдение УК — личная забота гражданина.
Смотреть в луч ни первым, ни вторым, ни даже третьим глазом категорически не рекомендуется.
Что здесь реально опасно
Про опасность синих лазеров написано столько, что пересказывать нет смысла — ссылки ниже. Матрица отличается от одиночного диода ровно одним: диодов четырнадцать, и пучок широкий. Удельная мощность та же, что у отдельного кристалла, а вот вероятность словить в глаз какую-нибудь его часть — кратно выше.
Апертура 15×25 мм, поэтому на ста метрах пятно будет диаметром под полметра и по яркости примерно как хороший фонарь. Вблизи это не имеет никакого значения: зеркальный блик от гайки, стекла или полированного корпуса прилетает в глаз с полной удельной мощностью и работает быстрее, чем моргательный рефлекс.
Читаем в обязательном порядке:
-
Лазерная безопасность наглядно, или почему не стоит смотреть в лазерный луч — здесь же, на Хабре
-
Безопасность лазеров в Википедии
По желанию — разное FAQ:
-
Тред «Hit in eye with 1000mW 445nm blue laser» — отчёт от первого лица, отрезвляет лучше любых нормативов
Проникаемся. Пугаемся. Выбираем очки.
Очки
Кристаллы внутри одной матрицы разбегаются по длине волны на несколько нанометров — это прямо прописано в даташите, а иногда видно и невооружённым глазом. Так что берите очки, перекрывающие весь диапазон 445–465 нм. Стёкла жёлтые или оранжево-красные, диапазон обычно напечатан на оправе.
OD — оптическая плотность, логарифмическая шкала ослабления: OD3 — в тысячу раз, OD6 — в миллион. Брать имеет смысл заявленные как OD6+, например такие. Одна оговорка, которую стоит держать в голове: OD описывает ослабление, но не стойкость — дешёвая крашеная линза от рассеянного света защитит, а под прямым лучом в несколько десятков ватт прогорит.
Отсюда всё практическое правило целиком: не брать самое дешёвое говно и не лезть глазом в луч. Очки — последний рубеж на случай ошибки, а не разрешение подставляться под пучок.
Если денег много, а запасных органов зрения мало — идём на Thorlabs.
Какие использую я? Что-то из советского наследия, маркировка стёрта. Фотография будет ниже, опознавшим — респект в комментарии.
И главное: даже в очках не надо намеренно светить себе в лицо. Основные средства индивидуальной защиты при любом потенциально опасном занятии — здравый смысл, аккуратность и опыт, а вовсе не слабоумие и отвага.
Список деталей
Цены — на момент написания оригинала (лето 2023). За прошедшее время они уехали, так что смотрите на них как на порядок величины, а не как на прайс.
Лазерная матрица
Nichia NUBM35/NUBM38 Laser Diode Array — ~13 500 ₽ на Али.
Она же на Таобао:
-
новая, как запчасть для проектора — 500 юаней;
-
б/у, демонтаж — 260 юаней.
Важно: описанная схема подходит только для NUBM35/38. У более мощных NUBM31T и прочих другое напряжение питания, и без плясок с бубном этот драйвер их не потянет.
Драйвер
Лучший из дешёвых, что мне попадались. Главное — не берите тот, который продавцы предлагают в одном лоте с матрицей: по многочисленным отзывам он ненадёжен и убивает кристаллы.
Заявленные 600 Вт достижимы только в очень частном случае. У буста пропускная мощность зависит от разницы входного и выходного напряжения и упирается в допустимый ток, так что 600 Вт получатся при входе 55–60 В, выходе 60–65 В и токе 10 А. В нашем сценарии — 34 В на входе при 6–7 А, 50 В на выходе при 3.0–3.5 А — плата тянет 150–200 Вт без обдува и 250–300 Вт с обдувом. Нам хватает с запасом.
Радиатор
Подойдёт любой процессорный кулер с рассеиваемой мощностью 120–150 Вт и выше. Проверенные в полевых условиях варианты: Aerocool Mirage 5, ноунейм с Али, Thermaltake Gravity (стоит в моём крайнем билде). Или что понравится с Авито.
Радиатор — самая жёсткая деталь конструкции, поэтому именно он задаёт геометрию финальной сборки. Выбирайте его первым.
Термопаста: стоит взять что-то приличное. КПТ-8 тоже поедет, но зачем.
Термозащита
Нормально замкнутый термостат (размыкается при перегреве) KSD-9700 или KSD-01F на 50–60 °C. Рабочая температура матрицы — не выше 75 °C; из практики, когда на матрице 75, на радиаторе рядом как раз 50–60.
Вентилятор и его питание
Либо идёт в комплекте с радиатором, либо берём 80×80 мм, 12 В, ток от 0.4 А.
Питать — через понижайку: LM2596 или любой аналогичный step-down с входным до 35 В и выходом 12 В.
Аккумуляторы
Литий-ионные 18650, 8 штук (берите десяток, с запасом — вещь полезная).
При токе матрицы 3 А потребление с батареи — 6–7 ампер, и поскольку банки в последовательности, это ток через каждую. Ток умеренный, никакой экзотики он не требует: Samsung 30Q (15 А), Panasonic/Sanyo NCR18650GA (10 А), Molicel P28A (35 А) — любая из них проходит с запасом. Гнаться за high-drain не нужно.
Проблема не в химии, а в маркировке. У приличной 18650 реальная ёмкость лежит в районе 2500–3500 мА·ч; «6800 mAh» и «9900 mAh» на обёртке означают, что внутри может быть что угодно — выбраковка, перепакованный б/у элемент или просто слабая банка. Поэтому: либо честно заявленные 2500 мА·ч / 10 А от вменяемого продавца, либо разбор аккумулятора от электроинструмента, либо б/у LG/Samsung/Sanyo — они зачастую предпочтительнее нового абсолютного ноунейма.
Если банки совсем непонятного происхождения, сделайте входной контроль: зарядите до 4.2 В, нагрузите 7 амперами на десяток-другой секунд и посмотрите на просадку и нагрев. У нормальной банки напряжение не проваливается к трём вольтам и сама она за такой тест заметно не греется. Большое внутреннее сопротивление вылезает сразу.
Ещё проще — взять 21700. Формат крупнее, ёмкость и токовые возможности выше, и вопрос «потянет ли» снимается полностью. Единственное — держатели и габариты другие, так что геометрию сборки придётся прикидывать заново.
Зарядка — желательно на 8 слотов, чтобы все банки заряжались одновременно и поодиночке.
Приборы и разъёмы
Вольтметр контроля заряда батареи — чтобы понимать, когда пора на подзарядку. Есть попроще и совмещённый с амперметром.
Амперметр контроля тока через матрицу. Мы же не хотим по-тупому убить её случайным перетоком выше абсолютного предела в 3.5 А.
Держатели 18650 на 4 слота, 2 штуки. Обязательно с подгибающимися металлическими полосками и выводами под пайку на плату. Те, что с пружинками и проводами — отстой: пружинки греются, провода тоже.
Разъём XT60, пара папа-мама. Авиамодельные XT — самые удобные из низковольтных силовых коннекторов. Бонусом можно будет подключить вместо сборки из 18650 готовый 6S Li-Po.
Силовая кнопка от дверцы микроволновки или подобная, на 7+ А. Есть варианты с удобной нажималкой. Зачем именно кнопка, а не что-то поумнее — будет ниже, это отдельный сюжет.
Тумблер вкл-выкл на 6+ А. Для эстетов — с поворотным ключом.
Защитное выходное окно — чтобы собственные линзы матрицы сохраняли чистоту и свежесть. Подойдёт любая аналогичная стекляха. В идеале с просветлением под синий диапазон, но найти такое в рознице почти нереально.
Силиконовые провода: на 6 А это 16 AWG (диаметр жилы 1.29 мм) — 19 AWG (0.91 мм). Силикон многократно удобнее ПВХ: изоляция не плавится паяльником, жила супермягкая, лудится без матюгов. Стоит сразу взять набор разных сечений.
Плюс расходка: припой, флюс, винты М3×10, двусторонний скотч, суперклей, термоусадка.
Как устроена матрица
Лазерные диоды во многом похожи на обычные светодиоды. Условие долговечной работы у них ровно то же: стабилизированный ток и термоконтроль. При превышении тока или перегреве кристалл стремительно деградирует, поэтому надёжная стабилизация этих двух параметров — главное требование к драйверу.
Матрица — это сборка отдельных лазерных диодов на общей подложке, с собственной линзой над каждым. У NUBM35/38 внутри две цепочки по 7 последовательно соединённых диодов, то есть 7s2p. На каждом диоде падает 4–4.5 В при токе 3.0 А (номинал) — 3.5 А (абсолютный максимум). На всю матрицу по даташиту нужно 52–62 В при 3.0 А.
Обе цепочки мы соединим последовательно, получив 14s. Это самый простой способ гарантированно выровнять ток через каждый кристалл: при параллельном включении цепочки с чуть разным ВАХ разберут ток неравномерно, и одна поедет за пределы допустимого.
Лазерные диоды чувствительны к статике. Если у вас в мастерской её избыток (типичная зимняя история с сухим воздухом), не стоит лишний раз хвататься за выводы матрицы пальцами и металлическим пинцетом — лучше керамический.
NUBM35 или NUBM38, и сколько там ватт
В одинаковом корпусе, с одинаковой разводкой 7s2p, на момент написания выпускались две модели: NUBM35 — 67 Вт типовых по даташиту, NUBM38 — 75 Вт. Номинальный продолжительный ток у обеих 3.0 А, абсолютный максимум 3.5 А.
Различать их на практике почти невозможно: китайцы имеют обыкновение затирать маркировку с демонтажных матриц, и что именно вам приехало — вопрос веры. Меня это устраивает, потому что токовый диапазон перекрывает обе: 3.0 А безопасны в любом случае, а для кратковременных применений в жанре «посветить ночью пыщ-пыщ» NUBM35 нормально живёт и на 3.4–3.45 А, оставаясь в пределах абсолютного максимума.
Так что честный ответ на «сколько ватт» — около семидесяти, плюс-минус пятёрка, в зависимости от того, какая из двух моделей вам досталась и на каком токе вы её держите. Интегрирующей сферы у меня нет, так что своих измерений привести не могу.
Проверить порядок можно арифметикой: 57 В × 3.0 А = 171 Вт электрических, при типичном для синих Nichia КПД около 40 % это как раз 65–70 Вт оптики. Сходится.
И одно замечание про продавцов: цифры в лотах живут своей жизнью. Если видите «74 ватта» — это, скорее всего, чьё-то переписанное объявление, а не паспортное значение какой-либо из моделей.
Драйвер и расчёт
DC-DC буст-конвертер — повышающий преобразователь постоянного тока: получает на входе Vin, отдаёт Vout, причём Vout > Vin. Гальванической развязки у него нет, минус на входе и выходе общий, но для наших целей это неважно.
Конкретно этот выдаёт до 60 В и 10 А с раздельной стабилизацией выходного тока и напряжения. Собран на теплоотводящей алюминиевой плате размером с сигаретную пачку.
Мощность, которую он может переварить, считается как:
Vout · Iout = Vin · Iin · Eff
где Eff — КПД, примем 95 % и дальше про него забудем. При этом входной ток не должен превышать даташитный.
Пример. Хотим Vout = 52 В при Iout = 3.5 А, то есть 182 Вт. Если Vin = 12 В, на вход придётся подать больше 15 А — а плата рассчитана на 5 А без дополнительного теплоотвода и на 10 А, если прикручена к радиатору или обдувается. Не годится. Поднимаем Vin до 30 В — и входной ток падает до 6 А, что уже комфортно.
Отсюда и берётся батарея из восьми последовательно соединённых Li-ion: примерно 30 В номинала. Меньше — драйвер начинает греться. Больше — становится неудобно: разъезжается обвес, растут проблемы с держателями.
На плате два подстроечника (синие параллелепипеды с белым винтом). Тот, что ближе к краю, CC-ADJ — предельный выходной ток. Тот, что ближе к центру, CV-ADJ — выходное напряжение. Подписано и на плате тоже. Резисторы многооборотные, витков на 20, так что точность выставления приличная.
Настройка
Подключаем вход драйвера (IN+ и IN−) к лабораторному БП, мультиметр — на выход (OUT+, OUT−). Подаём 30 В.
Крутим CV-ADJ против часовой, пока напряжение не начнёт расти. Выставляем 52–54 В.
Крутим CC-ADJ по часовой, пока напряжение на вольтметре не начнёт падать и не сядет примерно до уровня Vin = 30 В. Это означает, что ограничение тока выкручено в минимум.
Монтируем матрицу на радиатор через термопасту. Вариантов два: высверлить в радиаторе отверстия и нарезать резьбу М3, либо использовать штатный пластиковый прижим от крепления кулера к сокету.
Лучше винтами. Матрица должна быть прижата плотно и надёжно: перегрев = деградация и быстрая смерть кристаллов.
Соединяем концы двух линеек диодов последовательно. Плюс — со стороны, где на матрице QR-код и маркировка.
Подключаем выход драйвера к оставшимся свободным выводам матрицы, последовательно с амперметром на 10 А. Ещё раз проверьте полярность: OUT(+) идёт к маркированной стороне.
Надеваем защитные очки. Проверяем, что они успешно наделись — для этого следует энергично потрясти головой в разные стороны.
Начинаем плавно крутить CC-ADJ, контролируя ток амперметром.
Где-то в районе 0.3 А начинается генерация, и это ни с чем не спутать: яркость скачком уходит от «севший фонарик» до «ого, ничосе».
На этом моменте стоит поставить на пути луча что-нибудь негорючее и неотражающее. Кирпич. Да, кирпич.
Продолжаем крутить до 2.5–3 А.
Внимание, неочевидное. У лазерных диодов, как и у светодиодов, вольт-амперная характеристика плывёт с температурой кристалла: чем горячее, тем больше тока он берёт при том же напряжении. Если на холодную (25 °C) матрица ест 3.0 А, то на горячую (50–70 °C) легко может уйти за максимально допустимые 3.5 А. Поэтому настраивать потенциометры надо на прогретой матрице, а не на холодной.
Температуру в процессе настройки контролируем обязательно. Идеально — тепловизором, они сильно подешевели: InfiRay P2 Pro стоит около 21 тысячи [а сейчас можно найти ноунеймы и за 10-12к]. Если тепловизора нет — тем важнее термозащита KSD, прикрученная вплотную к матрице, плюс периодическая проверка радиатора рукой: он может быть горячим, но не должен быть обжигающим.
Пусковой выброс, который убивает матрицу
А вот и обещанный сюжет про кнопку от микроволновки.
Если у настроенного драйвера отключить питание и резко подать снова, на выходе будет бросок тока длительностью около 10 мс и амплитудой до 200 % и выше от выставленного ограничения из-за зарядки выходных электролитов. При номинале 3.0 А это 5–6 А — то есть несколько миллисекунд матрица работает на почти удвоенном токе от абсолютного максимума.
Мой NUBM38 отнёсся к этому на удивление толерантно, но на ожидаемый срок службы такое влияет на порядки. Плюс от подобных импульсов в кристаллах отваливаются выходные зеркала. Так делать нельзя.
Я решил вопрос максимально топорно: поставил силовую кнопку в разрыв между выходом драйвера и матрицей. Драйвер выходит на режим при разомкнутом выходе, а нагрузка подключается уже к установившемуся току.
После этого выброс сократился до десятков микросекунд — мой токовый щуп его почти не видит.
Решение рабочее, но некрасивое: механический контакт коммутирует 3 А постоянки, то есть искрит и со временем подгорает. Вся статья написана в жанре «как собрать хайтек пыщ пыщ из говна и палок», и это намеренно — задача была собрать работающее устройство за вечер, а не спроектировать красивое.
Так что элегантные варианты я оставлю комментариям. Уверен, что схемотехнический плавный старт здесь делается несколькими способами и лучше, чем кнопкой от микроволновки, — интересно посмотреть на конкретику. Кто первый предложит поставить мосфет - тот молодец и вообще лучший!
По завершении настройки припаиваем на вход драйвера разъём XT60, а между входом и разъёмом — тумблер на 6+ А.
Батарея
Собираем стек из двух держателей 18650, соединяем контакты так, чтобы все восемь банок оказались в последовательности. На выход — XT60. На все соединения — термоусадку, чтобы ничего случайно не закоротить.
Заряженная сборка 8S даёт 32–33 В, разряжать ниже 27–28 В (это ~3.4 В на банку) не стоит.
Про то, чего здесь нет. BMS в этой сборке нет — на момент сборки я с ними просто не умел работать. Балансировка держится на том, что банки заряжаются поодиночке в восьмислотовой зарядке. Метод рабочий, но дыр в нём две.
Первая: вольтметр показывает только суммарное напряжение пачки. Просевшую банку по нему не видно, а при глубоком разряде её утащит в переполюсовку — и это уже не «испортилась банка», а потенциальный пожар. Вторая: дисциплина «вынул все восемь, зарядил, вставил обратно» соблюдается ровно до первого раза, когда лень.
Сейчас я бы поставил готовую 8S BMS с балансировкой и защитой от переразряда — стоит она копейки, ставится в разрыв между сборкой и XT60, паяется по маркировке B1…B8 на выводы каждой банки плюс общий минус. Единственное, на что смотреть при выборе — разрядный ток не ниже 15–20 А, чтобы плата не резала питание на пиках. Если BMS нет под рукой, минимально приемлемая замена — привычка раз в несколько циклов проверять банки по одной.
Обвес
Важно. На плате драйвера сразу после IN(+) стоит одноразовый предохранитель на 15 А. Весь обвес — вольтметр, амперметр, понижайку вентилятора — крайне рекомендуется подпаивать после него. Это то, что защитит батарею от короткого замыкания и последующего фейерверка, если где-то что-то пойдёт не так.
Поскольку плата алюминиевая и отлично отводит тепло, для пайки к контактным площадкам понадобится мощный паяльник с крупной каплей припоя на жале — либо предварительный прогрев всей платы.
Вольтметр: красный и жёлтый провода вместе на предохранитель, чёрный — на IN(−).
Амперметр: тонкие провода питания туда же, к IN(−) и предохранителю. Толстые измерительные — в разрыв цепи «драйвер — матрица»: чёрный на OUT(−), белый к матрице.
Вентилятор: понижайка с 30 В батареи до 12 В. Казалось бы, можно просто снять 11.1 В с трёх банок и не городить DC-DC. Не надо: это приведёт к неравномерному разряду и износу этих трёх банок относительно остальных пяти, а мы только что обсудили, чем плох дисбаланс в последовательной сборке.
Защита оптики
Линзы матрицы чувствительны к механике, а попавшая на них грязь выгорает и безвозвратно портит поверхность, добавляя к основному лучу рассеянное излучение. Кроме того, с боков, между линзовым слоем и золочением подложки, есть щель, которая, судя по всему, ведёт напрямую к выходным зеркалам диодов.
Поэтому матрицу стоит изолировать от внешнего мира кожухом с посадочным местом под защитное стекло. Проще всего напечатать его на 3D-принтере, стекло вклеить хорошим герметиком или УФ-отверждаемым клеем.
Я его слепила из того что было
А тут, внезапно, ничего толком не будет.
Финальный этап сборки сильно зависит от выбранного радиатора, выраженности личного перфекционизма и доступных технологий обработки материалов. Вариантов — тьма.
Для иллюстраций я намеренно использовал дешёвые и сердитые решения: суперклей, двусторонний скотч и нарезанный ножницами листовой пластик. Если у вас есть подходящий корпус, куда всё удачно влезет — используйте его. А лучше спроектируйте, напечатайте и пришлите мне STL, я себе тоже такой напечатаю.
Что я бы поменял и о чём хочу спросить
Разбор собственных костылей, чтобы вы не наступали на них следом.
-
Кнопка вместо схемотехнического плавного старта. Работает, но подгорает. Красивые варианты — в комментарии, я послушаю. Inb4 "через мосфет".
-
Отсутствие BMS. По незнанию, а не по расчёту. Сейчас поставил бы. Тогда тупо не умел их подключать)
-
Нет точного измерения оптической мощности. Всё, что есть — даташит и арифметика (а также много подпалин на досках). Если у кого-то есть измеритель на десятки ватт, я готов привезти матрицу и померить, для общего блага.
-
Защитное окно без просветления. Френелевские потери на двух границах — около 8 %, плюс обратные отражения летят в линзы матрицы. Хочется просветлённое стекло, но в рознице под этот диапазон я его не нашёл. Может, кто-то знает, где заказывают напыление мелкими партиями?
-
KSD стоит в силовой цепи и сбрасывается сам. Значит, остыв, он снова замкнётся и подаст на матрицу тот самый пусковой выброс. Поэтому правило простое: сработала термозащита — выключаете тумблер и ждёте, пока остынет. Оставлять семидесятиваттный синий лазер включённым и уходить — плохая практика, независимо от того, что там с термостатом.
По пунктам 3 и 4 я реально не знаю ответа. Если знаете — пишите, будет полезно всем.
Бонусные фотки для тех, кто дочитал
Разборы других матриц Nichia, неудачные эксперименты и то, что не влезло в статью, лежат у меня в телеге отдельными постами:
Канал называется Zerg Labs / TeslaCoilPro, там же в чате сидят люди, которые собирали похожее и могут подсказать, если что-то не заводится.
Вопросы и разбор косяков — в комментарии, читаю все (но нерегулярно).
Любые копии или вариации данной инструкции должны содержать явное указание на источник.
Автор: zerglabs
