How a flashlight works, Case of the OLIGHT S1R Baton II

 How a flashlight works,

Case of the OLIGHT S1R Baton II

1.Aim

The aim of this document is to understand how a flashlight works and the interactions between the different constituents, taking the particular case of the OLIGHT. S1R Baton 2.

Many of you are wondering about thermal, battery, "Turbo" mode, etc ... And I will try to provide some answers.

I chose the S1RII model because I appreciate this model, I have models in aluminum, copper and titanium which will allow us to see the difference in thermal.

As you will have understood, the rest of this document will be rather technical, and focus on electronics and thermal. I am not proficient enough in optics and do not have suitable equipment.

2.Electronic part

Electronics is my favorite field, so I'll try not to get carried away and be accessible to anyone who wants to know a little more.

Basically a flashlight is made up of two main elements, battery and LED, from these will result an electronics.

We will ignore the choice of these elements, because it could take a lot of time, and consider that at the time of design it was the optimum choice.

We will therefore do a paragraph on the LED, the battery, the different power topologies, and the electronics chosen for the S1RII.

2.1.LED

The LED is the XM-L2 from the manufacturer CREE.

I have already written an article on this element, it is available Here.

My conclusion was as follows:

We have therefore seen that the current flowing through a power LED creates a consequent luminous flux. This current also causes a potential difference (or voltage) at the terminals of the LED which depends on various parameters such as temperature, the production batch, etc. This voltage and this current induce a power (Power = Voltage x Current). This power will cause a rise in temperature which will depend essentially on the care that the lamp manufacturer will take in the assembly to ensure the thermal resistance between the junction of the LED and the external environment as low as possible. Because the higher the temperature of the junction of the LED, the more the luminous flux will decrease.

For the design of the flashlight, the important characteristic to remember is that of the maximum operating point. For the model I have on hand I measured 3.45V of LED voltage for a current of 3A at a 25°C flashlight temperature.

2.2.Battery

This is the IMR16340 model with reference 16C05-10C, a proprietary battery from Olight (there is no equivalent in other brands). Indeed on the standard 16340 we do not find the 2 poles on the same side (see photo above.)

It is therefore a lithium ion battery with a capacity of 550mAh. This roughly means that once charged we will be able to draw a current of 550mA for 1 hour before being totally discharged.

This is a "high drain" battery and 10C refers to the maximum discharge current, 10 x the nominal discharge current of 550mA, so 5.5A max.

We could take a shortcut by saying that if the accumulator can output 550mA for 1 hour, it can output 5.5A for 6 min. Hey no, the chemistry, the internal resistance and the internal thermal will severely limit the thing. The most telling is to draw a response curve of the accumulator I have (which is not new).

From this fully charged battery (with a voltage of 4.2V) and I will draw a current of 3A (maximum allowable current in our LED):

We can see very clearly on this curve the effect of the internal resistance of the accumulator. As soon as the current is applied the voltage drops 520mV (12.4%) which gives an internal resistance of about 170mΩ (0.52V / 3A).

We also see that in just under a minute and thirty seconds the voltage reaches 2.8V (I do not recommend going lower) at this time I stop drawing 3A (the current goes back to 0A).

A 2nd test at a current of 1.67A (corresponds to 600lm for our LED).

The shape is different, the time is much longer (timebase x5) and I stopped the current after 443s arbitrarily.

What is impressive is that for a current 1.8x smaller we take 12x longer to reach the same voltage. This is due to internal resistance and also to internal heating. In conclusion, the size of the battery and its capacity in mAh are far from sufficient to anticipate the behavior of an accumulator, what happens internally is difficult to predict unless specified by the manufacturer.

If you are interested in information on specific battery models, I recommend this Website.

We can find there 16340 of 750mAh with a series resistance almost 3x greater. I'm not talking about the effective duration of Turbo mode (knowing the safety of the S1RII stops it at 3V) and the risk of overheating (see more) of the battery.

This is one of the reasons for using a proprietary battery, although from a practical point of view I am not in favor. A bad battery can give the impression of a low-end flashlight or even injure the user.

2.3.Electronic choice

This is the most important element after the choice of the LED and the battery. This is the interface between these two elements and which will make the final nature of the flashlight. This electronic has an impact on:

• autonomy, indeed if the electronic losses are important, it will be the same for the consumption at the level of the battery

• The duration of ″ high power ″ modes, the S1RII is a very good example and we will see this aspect right after.

• The final temperature, in fact the losses of the electronics are added to the power sent to the LED to turn into heat

2.3.1.Specifications

We will start from the curve of the accumulator and the voltage of the LED measured for Turbo mode (worst case). 

The red horizontal line represents the LED voltage in turbo mode. We realize that during 25s (30 to 40s for a new battery) the voltage of the accumulator is higher than the voltage of the LED and the rest of the time (70%) lower. Moreover, even if after one minute and 30 seconds we reach the end of turbo mode, we see that the output voltage rises high (> 3.8V) and therefore that the accumulator is far from empty.

For all other lighting modes, the voltage will be lower:

• 1000lm 3A 3.45V

• 600lm 1.65A 3.22V

• 300lm 0.75A 3V

• 60lm 0.184A 2.74V

• 12lm 0.026A 2.6V

We need to choose a power electronics topologie between the battery and the LED, before making this choice we will take stock of different topologies that exist.

2.3.2.Power Electronic Topologies

The subject is vast and complex for those who want more information you will find it Here.

To summarize here is a short synthesis:

2.3.2.a.Linear regulator

In ″ conventional ″ electronics the only assembly which allows to make a voltage adaptation is the linear regulator, one of the basic schematic of which is as follows: 

This circuit can only reduce the voltage (step-down). The only power component is the transistor (Top, middle).

To put it simply, the transistor will absorb the voltage difference between the input voltage (Uin) and the output voltage (Uout). This voltage difference multiplied by the current drawn by the output will give the power lost in the transistor.

It is therefore easy to understand that the more there is of difference between the input and output voltage, the more there are losses and the less the efficiency is good.

To improve this efficiency, there are switching topologies (see following paragraphs) which can also provide an output voltage greater than the input voltage. Their only weak point is reliability as they use a lot of component (especially for control) and switching transistors. It is only relative, the MTBF (mean time between 2 failures) remains in the order of several million hours if done well.

2.3.2.b.BUCK (Step-down converter)

This circuit makes it possible to have an output voltage lower than the input voltage (like the linear regulator), but with a much higher efficiency. The schematic of the power part is as follows:

2.3.2.c.BOOST (Step-up converter)

This circuit gives an output voltage higher than the input voltage, with high efficiency. The schematic of the power part is as follows:

2.3.2.d.BUCK-BOOST (Step-ud and Step-down converter)

As the name suggests, it lowers or raises the input voltage, it is no more and no less than a BUCK followed by a BOOST. Its major drawback is that it has a lot of components so it has a lower efficiency than a BUCK or a BOOST, and its schematic is as follows.

2.3.3.Topologie choice

So if we analyze the data, we see that the ″ step-up ″ solution is not viable because if the accumulator is charged we ″ destroy ″ the LED (too much voltage → too much current → destruction).

If we choose a "step-down" topology, the turbo mode will be rather short while the battery is far from being discharged, but it is perfectly suitable and the autonomy will be very important.

If we want a longer turbo mode, we must move towards a “step-down / step-up” solution, but knowing that the space available for the electronics is low, we will certainly have to make compromises.

Here is a photo of the electronics of the S1RII, for the size we see in the photo on the left that it is identical to a 1 cent french coin (0,64 inch). The diagram I have drawn up is the following I think is close to reality, but doing reverse-engineering is not easy:

Extremely simple schematic (in view of the functions implemented) but effective:

• L1, IC1, R1 and R2 are a Boost. IC1 integrates control and switching components.

• Q1 is a MOSFET used as linear regulator.

• IC4 which is a precision amplifier, which regulates the current in the LED. It measures the current through the SHUNT and arranges for it to be the image of the setpoint sent by the micro-controller. To do this, he drives Q1 and if it is necessary, it drives the Boost.

• IC2 is the micro-controller which coordinates everything, and is powered by the regulator IC3.

Olight therefore turned to an unconventional Buck-Boost, a Boost followed by a linear regulator. The components used are components from very reputable manufacturers (Texas Instrument, Microchip) or even high-end (IC4). It only remains to measure the performance.

2.3.4.Electronics performance

As in most fields the performance index measurement is done by an efficiency measurement. In our particular case, the efficiency is therefore the power sent to the LED divided by the power extracted from the battery.

On a red background, the area that the accumulator cannot reach.

 

The red numbers in bold represent the operation of the Boost (with a more than correct result).

The zone on a blue background is the nominal zone, in which we have the most chance of being with mixed use (a little of each power) and that we will use the entire battery.

The output at 12lm may seem low but the 52% at 4.2V corresponds to 65mW of losses knowing that the consumption of the micro-controller and the battery status LED are part of these losses.

This is why I prefer to also look at losses in electronics, I find that complementary.

I find that rather not bad, we have a little high losses when the accumulator is well charged and that we are not in Boost, but this is the price to pay for a longer turbo mode, a lack space, and increased reliability. It seems like a good choice to reach as many users as possible.

3.Thermal

I wanted to make a little point on the thermal side, because I think that it can interest people.

I am sorry but some values are in °C and not in °F, I have changed all values I can.

On the other hand, we will see that in the first order that is enough to get an idea, no need for simulation by finite element.

We can consider that the losses in the electronics and the power injected into the LED will turn into heat. To have an idea of what that represents, we will make approximations then compare to measurements.

If we inject energy into a material and we consider that it does not transmit any to its environment (which is obviously false) we can make a simple calculation from the heat capacity of this material, from its weight and the energy injected.

In order not to make too big mistake, you have to take a rather short time with a strong energy. We are therefore going to do a test with the turbo mode for 45 seconds. I measured an average of 11W supplied by the battery in this case. This gives the following table:

ΔT therefore represents the temperature rise of the material if an energy corresponding to 11W is injected into it for 45 seconds. The weight is that measured by the mechanics of the 3 lamps in my possession. You just have to pay attention to the fact that the lamps are made on an alloy whereas the data in the table are for pure materials.

We can see that copper is the material that will have the lowest temperature rise, then comes aluminum and then titanium which is relatively close to aluminum.

Since the exchange of the material with its environment has been neglected, the measurement will necessarily be lower.

Before doing a real test we will look at another important characteristic of these materials, it is thermal conductivity. The stronger it is, the more the heat "travels" and is distributed well in the material.

We can see here that copper still comes first, then aluminum and titanium are far behind.

In the following test, the lamps are covered with a tape with a known emissivity to make the most accurate measurements possible. The test is carried out in an air-conditioned room at 64°F. each sample is turned on in turbo mode and a reading is taken every 15 seconds. 

We can therefore see that the temperature in:

• copper remains homogeneous and achieves 88°F

• aluminum is a little less homogeneous and achieves 102°F

• the titanium is not homogeneous at all and its hot spot a achieves 126°F

We also see that with simple 1st order calculations, we were not that far for copper and aluminum, for titanium its low thermal conductivity has too great an impact.

4.Assembly

For the LED to heat as little as possible, the assembly between the LED and the box must be as efficient as possible from a thermal point of view. Everything happens in the "head" of the S1R2.

To achieve this The LED is mounted on an IMS, which is postponed to the housing using a good dose of thermal grease, we can still see the traces of this grease on the photo below (gray residue).

IMS details

An IMS means Insulated Metal Substrate, it is a metal plate on which is fixed an electrical insulator (very thin and rather good thermal conductor) on which is fixed a sheet of copper which is etched like a printed circuit classic.

Most often in industry the metal plate is made of aluminum but when we want maximum thermal performance we choose it in copper which is the case in our S1RII.

If you have read the article on LED, you must have noticed that the heat exchange is done by a surface of 0,11inch x 0,19inch. This IMS makes it possible to make the electrical (printed circuit) and thermal connection, it increases the exchange surface while minimizing the thermal rise between it and that of the LED.

To prevent the electronics from overheating, components L1, IC1 and Q1 are thermally transferred to the housing using a "Gappad". Its texture resembles Patafix and its thermal conduction is good. This is more than enough to keep these components at an acceptable temperature.

So Olight also took care of the blend for the best possible results.

5.Conclusion

With its S1R baton II, Olight has chosen to please the greatest number with a rather long Turbo mode, good autonomy, reliable electronics in a small footprint, while doing with the constraints governed by the physics and economic laws.

For the different materials offered, we have seen the impact on the thermal, aluminum is good, copper will offer a significant gain and titanium is not made for that, but it is not for this criterion that we choose it.

To make big shortcuts the copper will be heavier but will light more strongly in Turbo mode (the hotter the LED is internally the less it lights). We should be able to observe it between copper and titanium but we should be able to test with the same battery, the same LED and the same electronics.

We have also seen that what limits the duration of the turbo is the accumulator for this model, but for other more powerful it will surely be the thermal. Indeed, for humans, the burning sensation is from 131°F and apart from large and high-end models where effective thermal safety is possible, limiting the time in turbo mode is the only way to protect the user.

SOMMAIRE

Bonjour à tous, j'ai rédigé un petit blog pour les personnes qui se posent des questions sur leur lampe torche en particulier les lampes du fabricant OLIGHT. Ce blog est technique, mais j'essaie de rester accessible à tous ceux qui veulent en savoir plus.

Bonne lecture

Infos d'ordre général

• La LED, son fonctionnement et ses contraintes
• Topologies de conversion de tension pour alimenter des LEDs
• Choix du Bloc alimentation ou "chargeur"
  

 Évaluations

• Fonctionnement d'une lampe, cas de la S1R Baton 2 de OLIGHT
• OLIGHT MCC 1A Review
• Évaluation du chargeur MCC3 de OLIGHT
• Analyse et observation d'une I5R de OLIGHT
• Essai de conception alternative d'une Olight I5R
  
• I3T et I5T avec une batterie 3.6V 

Choix du Bloc alimentation ou "chargeur"

 

Choix du Bloc d'alimentation ou "chargeur"

1.Introduction

Nous en avons tous un chez nous et nous l'appelons tous chargeur. Cependant ce que la plupart d'entre nous appelle "chargeur" n'est en fait qu'un simple bloc l'alimentation.

Ce bloc a pour but de délivrer une tension qui va permettre à de réels chargeurs de remplir leur rôles.

Cependant le choix de ce bloc est très important, car fournir une tension à partir du réseau électrique (EDF) est simple, mais la fournir de façon totalement sécuritaire en est une autre, c'est pourquoi il doit correspondre à des normes.

Ces normes sont faites pour nous protéger de 3 choses importantes:

• L'électrocution

• l'incendie

• la perturbation électromagnétique

Pour ceux que ça intéresse voici un lien vers un article de l'UFC-Que choisir qui a testé pas mal de blocs alimentation et le résultat peu faire peur.

Il est donc aisé de comprendre que comme il n'est pas facile de bien réaliser (à prix correct) ce genre de fonction, les fabricants d'appareils ayant besoin d'une source de tension délivrant une petite puissance considèrent que vous en avez déjà une chez vous.

2.Tension de sortie des blocs alimentation

Les fabricants de téléphone portable se sont dirigés vers ce type de chargeur il y a quelques années en passant par une prise de format USB, importée du monde informatique.

Pour des raisons de compatibilité, le monde informatique est régit aussi par des normes et l'USB est donc définie initialement (à partir de l'USB 2.0) comme délivrant une tension de 5V avec un courant maximum de 2A.

Cependant nous sommes dans un mode "pressé"(on veut charger tout de plus en plus vite😁) et cette norme a évolué avec l'ajout de nouveau profil allant jusqu'à 20V et 5A.

Mais pour changer la tension (et son courant maximum) il faut passer par un protocole de communication entre le bloc d'alimentation et le matériel qui y est connecté. En absence de cet échange de communication, la tension de sortie sera 5V avec un courant maximum de 2A.

On peut avoir 2 différentes prises USB sur les blocs alimentation:

• Prise USB Type A

• Prise USB Type C

  
  
  

3.Fonction chargeur "proprement dite"

Le modèle d'accumulateur en vogue est le Li-Ion qui nécessite une mesure de tension à ces bornes ultra-précise, c'est pourquoi la fonction de chargeur est rempli par une électronique précise et proche de l'accumulateur.

Dans le cas d'un téléphone, cette électronique est embarquée dans le téléphone.

4.Cas concrêt

Si on prend celui-ci en exemple on voit indiqué: OUTPUT 5V "symbole courant continu" 2,1A.

Ce qui veut dire que la tension fourni est de 5V DC et que l'on peut tirer entre 0 et 2,1A.

La courbe d'une alimentation est la suivante.

Dans notre cas Uonom=5V et Iomax=2,1A

La zone normale d'utilisation (verte) est pour un courant situé entre 0A et Iomax (courant indiqué sur le bloc alim.).

Puis vient la zone de surcharge avec Iocp (Over Current Protection) au delà duquel la tension devient inférieur à 5V jusqu'au courant de court-circuit Icc. Dans cette zone le fabricant se doit de protéger l'utilisateur (brulure,feu,...) mais si l'utilisateur rencontre des problèmes de fonctionnement électrique...ce n'est plus la responsabilité du fabricant.

5.Choix du bloc alimentation

Pour votre sécurité, choisissez un modèle respectant les normes (voir paragraphe 1).

Dans le cas des chargeur MCC de OLIGHT, on peut considérer que le pire cas est à la fin de la première phase (charge à courant constant).

Pour le cas du MCC-1A une tension de 4.2V et un courant de 1A.

Pour le cas du MCC3 une tension de 4.2V et un courant de 2A.

Au vu de électronique embarquée et des pertes qui lui sont dues, on peut considérer que si on à 4.2V et un certain courant à la sortie du chargeur, on aura à son entrée pour une tension de 5V un courant légèrement inférieur.

Donc il faudra choisir un bloc alimentation avec un courant maximum:

• d'au moins 1A pour un MCC-1A
• d'au moins 2A pour un MCC3
  

 

Evaluation du chargeur MCC3 de OLIGHT

 

Évaluation du chargeur MCC3 de OLIGHT

Je vais vous faire ici l'évaluation du chargeur MCC3 qui est l'évolution du MCC-1A. 

Pour rappel l'évaluation du MCC-1A se trouve ICI.

Je vais essayer de rester accessible à tout le monde tout en approfondissant les aspects techniques pour ceux que ça intéresse.

Le plan du document va être le suivant:

• les entrailles de la bête (photo + rapide descriptif)

• choix du courant de charge (évolution majeure de ce chargeur)

• autres évolutions (liste des évolutions dont je me suis rendu compte)

• Inconvénients

• Conclusion

1.Les entrailles de la bête.

D’un point de vue design pur, on trouve 2 circuits intégrés vraisemblablement un microcontrôleur et un buck-contrôleur donc un vrai design signé Olight.

Pour la suite,vu que les accumulateur et le chargeur sont propriétaire, on peut considérer que les profils de charge sont optimums (courant constant-tension constante-courant d’arrêt de charge) je ne vais pas vous les présenter c’est du même ordre que sur le MCC-1A. Nous allons plutôt non concentrer sur les différences entre le MCC-1A et le MCC3. 

2.Choix du courant de charge 

Si on voulait reconnaître un type d’accumulateur avec 2 connexions électriques (charge comprise), le seul moyen serait une mesure de résistance interne, mais quelques manipulations m’ont montrées que ce n’était pas viable comme solution.

Donc la solution qu’Olight a trouvé est de reconnaître la lampe et donc l’accumulateur qui s’y trouve pour envoyer le bon courant de charge. En fait les deux connexions électriques que l’on trouve sur les culots magnétiques ne sont pas directement les pôles de l’accumulateur (heureusement on risquerait le court circuit au moindre trombone qui passe). Olight a donc adapté l’électronique qui se trouve entre l’accumulateur et les connexions extérieures pour que le chargeur reconnaisse la lampe.

Donc comme vous l’avez compris toutes les modèles conçus avant le MCC3 ne sont pas équipés de cette astuce et donc ils chargeront au courant minimum de 1A (comme le MCC-1A).

2.1.Electronique dans une lampe

2.1.1.Protection contre les court-circuits 

Si on voulais protéger l’accumulateur des court-circuit tout en voulant le recharger, le schéma serait le suivant :

La diode D1 permet de faire passer du courant des connecteurs (X+ X-) vers l’accumulateur. Donc de charger celui-ci, et comme elle empêche le courant d’aller dans le sens inverse, on ne peut pas le décharger (par un court-circuit par exemple).

Le seul problème est que la diode n’est pas parfaite et quand un courant la traverse on retrouve une tension à ces bornes (qui varie en fonction de plusieurs paramètres). C’est donc gênant car le chargeur qui se branche sur S+ et S- va voir la tension de l’accumulateur + tension de la diode. Or on a vu que la tension de fin de charge doit être très précise (voir MCC-1A).

2.1.2.Une solution existe

Un transistor piloté par un contrôleur O-Ring permet de créer une diode parfaite (ou presque).

Avec ce schéma, le chargeur MCC peut voir la tension réelle de l’accumulateur et l’accumulateur est protégé de la décharge au niveau des connecteurs externes (X+ X-)

2.1.3.La solution certainement mise en œuvre depuis le MCC3

Il suffit donc pendant un temps très courts (pour ne pas gêner un MCC-1A) de ne plus rendre la diode idéale.

La tension aux bornes des connecteurs va donc pendant ce temps présenter une surtension d’environ 0,6V (tension d’une diode). Le plus simple est donc de se servir du microcontrôleur déjà présent pour générer ce phénomène.

2.2.Signaux aux bornes du chargeur

2.2.1Charge à 1A

Sur un modèle de lampe ancien où un modèle qu’il faut charger à 1A (Olantern mini ici).

Dans les faits, à partir du moment ou l’on pose le chargeur sur la lampe, le microcontrôleur recherche un "signal" de la lampe pendant 90 secondes. Pendant cette recherche il injecte un courant de 90mA (pour faire fonctionner la diode idéale). Une fois passé cette période sans signal de la lampe, le chargeur lance une charge à 1A.

2.2.2.Charge à 2A

C’est le cas pour les accumulateurs 21700 (Warrior X pro – Perun 2 – Freyr - etc)

Découverte du signal:

On voit clairement les 5 impulsions d’environ 600mV sur la courbe orange ci-dessus

Une fois les 2 trames de 5 impulsions passées, le chargeur débute la charge à 2A en augmentant par palier de 0,5A.

2.2.3.Charge à 1,5A

C’est le cas pour les accumulateurs 18500 (Warrior mini – Perun 2 – Freyr - etc).

Pour une charge à 1,5A c’est 2 trames de 3 impulsions.

2.2.4Charge d'une OBULB 

Et la charge d'une Obulb, il est indiqué dessus 0.65A et il n'y a pas de palier à 0.65A???

Effectivement on part sur une charge classique de 1A, mais l'électronique interne d'une Obulb est différente. Il y a une électronique plus complexe entre le connecteur et l'accumulateur qui oblige le chargeur MCC à entrer dans la 2e phase de charge (tension constante) ce qui permet de charger à un courant de 0.65A.

Belle astuce de la part de OLIGHT😉.

3.Autres évolutions

3.1.Amélioration de la durée de vie de l’accumulateur

Les accumulateurs Li-ion sont un vaste sujet et trouver des données exacte n’est pas si facile. N’étant pas expert en chimie, je laisse ceux qui veulent avoir des données plus précises aller les chercher su internet.

Les infos que j’ai pu croiser de plusieurs source sont :

• Garder un accumulateur complètement chargé (ou presque) en permanence réduit sa durée de vie

• Des constructeurs d’accumulateur (Samsung par exemple) annoncent sur certains modèles que de passer d’une tension de 4,2V à 4,1V (-2,4%) peut doubler sa durée de vie

• Les courants de décharges élevés réduisent la durée de vie.

3.1.1Ajout d’un seuil de début de charge

Pour améliorer la durée de vie des accumulateur, Olight a ajouté dans ce chargeur un seuil de début de charge à 4,1V, ce qui fait que si la tension de l’accumulateur est au dessus de cette tension, le voyant reste au vert et la charge ne démarre pas.

Concrètement une fois votre lampe chargée vous vous en servez un peu dans la journée et le soir quand vous voulez la recharger, le voyant reste au vert. C’est normal servez-vous en encore le lendemain la batterie n’est que très peu déchargée.

Oui mais demain je pars en randonnée nocturne et j’ai besoin de l’autonomie maximum...L’astuce de certains est de d’allumer la lampe en mode turbo jusqu’à ce que le voyant passe au rouge.(Là c’est la double peine mais dans ce cas...).

3.1.2.Le voyant passe au vert à 95 % de la charge totale

Le voyant passe au vert quand la tension de l’accumulateur (quand le courant est nul) atteint 4,16V cependant la charge continue jusqu’à la charge complète de l’accumulateur. En gros, environ 1H30 après que le voyant soit passé au vert, la charge est vraiment complète (plus qu’avec un MCC-1A) mais aucun indicateur pour le montrer.

Pour y arriver, sur la 2^e partie de la charge (tension constante – voir la review du MCC-1A) le chargeur produit toutes les 3 minutes une variation de courant pour mesurer la tension exacte de la batterie (permet de soustraire la partie de la tension due à la résistance interne de l’accumulateur et aux résistances d’accès à l’accumulateur).

On voit que le courant passe pratiquement à 0 puis revient à son courant de charge précédent, la mesure de la tension réelle de l’accumulateur est donc dans ce cas de 4,2V-0,154V=4,046V.

3.2.Amélioration de la fin de charge

Olight conscient du problème des résistances parasites dues à la nature de la liaison électrique (voir le paragraphe Inconvénient) et tous les essais que j’ai pu réalisés on conduit à des accumulateurs complètement chargé ce qui n’est pas le cas pour le MCC-1A chose que je n’avais pas vu car je n’avais pas creusé cet axe dans ma review précédente).

3.3.Adaptation aux blocs alimentation

J’ai fait un point détaillé sur le choix du bloc alimentation, vous pouvez le trouver ICI.

Sur ce point il y a encore eu une amélioration. On a vu sur la courbe de la charge à 2A que le chargeur fait des paliers de 0,5A (qui durent 1s chacun) jusqu’à arriver au courant final.

Pendant cette phase le chargeur observe le bloc d’alimentation, si il observe une faiblesse (tension qui baisse légèrement), il relance une observation et s’arrête au courant que ce dernier peut fournir.

Tout cela est transparent pour l’utilisateur pendant cette phase le voyant reste rouge.

Cela permet même de charger avec des blocs alimentations pas terrible et même j’ai fait des essais avec un panneau solaire mal orienté et cela permettait une charge certes faible mais sur une journée ce n’est pas négligeable.

Par contre avec des blocs alimentation limites, on peut charger plus vite dans certains cas avec le MCC-1A car on peut utiliser dans ce cas le bloc alimentation dans sa zone de surcharge (chose que je déconseille).

4.Inconvénients

Faut bien qu’il y en ait.

Le seul inconvénient que je trouve provient de l’atout principal de ce chargeur qui est la facilité d’emploi. En effet le fait de pouvoir lâcher le chargeur et qu’il se mette en place tout seul grâce aux aimants (dans la lampe et dans le chargeur) est top.

Cependant les liaisons électriques sont réalisés par contacts entre 2 éléments qui peuvent présenter des imperfections.

Les lampes Olight sont robustes et prévues pour être utilisées dans des condition extrême. Il peut donc y avoir des résidus ou des impacts au niveau des contacts sur la lampe qui introduisent une une résistance parasite supplémentaire.

Il est donc judicieux de nettoyer les contacts avant la recharge. Un peu d’eau et chiffon suffisent, je déconseille tous nettoyage à base d’élément abrasif. La charge n’en sera que plus rapide.

Pour anecdote, j’ai analysé sur une lampe en cuivre une charge avec et sans patine et on voit réellement une différence mais cela n’impacte que le temps en fin de charge.

Si votre voyant reste vert une fois le MCC3 "plugger" sur votre lampe vérifiez bien ce point. 

5.Conclusion

Même si ce nouveau chargeur ressemble fortement à l'ancien il y a énormément d'évolution face au MCC-1A.

Il n'est pas parfait mais nettement mieux que le MCC-1A qui reste un excellent chargeur.

Fonctionnement d'une lampe, cas de la S1R Baton 2 de OLIGHT

Fonctionnement d'une lampe,

Cas de la S1R Baton II de OLIGHT

1.But

Le but de ce document est de comprendre le fonctionnement d'une lampe torche et les interactions entre les différents constituants, en prenant le cas particulier de la S1R Bâton 2 de OLIGHT.

Beaucoup d'entre vous se posent des questions sur la thermique, les accumulateurs, le mode "Turbo", etc... Et je vais essayer d'y apporter quelques réponses.

J'ai choisi le modèle de la S1RII car j'apprécie ce modèle, je dispose des modèles en aluminium, cuivre et titane ce qui va nous permettre de voir la différence en thermique.

Vous l'aurez donc compris, le reste de ce document va être plutôt technique, et s'orienter vers l'électronique et la thermique. Je ne suis pas assez compétent en optique et je n'ai pas de matériel approprié.

2.La partie électronique

L'électronique est mon domaine de prédilection, je vais donc essayer de ne pas m’emballer et de rester accessible à tous ceux qui voudront en savoir un peu plus.

A la base une lampe torche se compose des deux éléments principaux, un accumulateur et une LED, de ceux-ci va en découler une électronique.

On va passer outre le choix de ces éléments, car ça pourrait prendre beaucoup de temps, et considérer qu'au moment du design c'était le choix optimum.

On va donc faire un paragraphe sur la LED, l'accumulateur, les topologies de conversion d'énergie possibles, et sur l'électronique choisie pour la S1RII.

2.1.La LED

Le modèle choisi est la XM-L2 du fabricant CREE.

J'ai déjà rédigé un article sur cet élément, il est disponible ICI.

La conclusion que j'en avais tirée est la suivante:

On a donc vu que le courant qui traverse une LED de puissance crée un flux lumineux conséquent. Ce courant entraine aussi une différence de potentiel (ou tension) aux bornes de la LED qui dépend de divers paramètres comme la température, le lot de fabrication, etc… Cette tension et ce courant induise une puissance (Puissance=Tension x Courant). Cette puissance va provoquer une hausse de température qui va dépendre essentiellement du soin que le fabricant de lampe va apporter à l’assemblage pour assurer la résistance thermique entre la jonction de la LED et l’environnement extérieur la plus faible possible. Car plus la température de la jonction de la LED sera haute et plus le flux lumineux diminuera.

Pour la conception de la lampe torche, la caractéristique importante à retenir est celle du point de fonctionnement maximum. Pour le modèle que j'ai sous la main j'ai mesuré 3.45V de tension de LED pour un courant de 3A à une température du boiter de la lampe de 25°C.

2.2.L'accumulateur

C'est le modèle IMR16340 de référence 16C05-10C un accumulateur propriétaire d'Olight (on ne trouve pas d'équivalent dans d'autres marques). En effet sur les 16340 standards on ne retrouve pas les 2 pôles sur la même face (voir photo ci-dessus.)

C'est donc un accumulateur lithium ion d'une capacité de 550mAh. Ce qui veut dire grossièrement qu'une fois chargé on va pouvoir tirer un courant de 550mA pendant 1 heure avant d'être totalement déchargé.

C’est un accumulateur "high drain" (fort courant) et 10C fait référence au courant maximal de décharge, 10 x le courant nominal de décharge de 550mA, donc 5,5A max.

On pourrait faire un raccourci en disant que si l'accumulateur peut sortie 550mA pendant 1 heure, il peut sortir 5,5A pendant 6 min. Hé ben non, la chimie, la résistance interne et la thermique interne vont fortement limiter la chose. Le plus parlant est de tracer une courbe de réponse de l'accumulateur dont je dispose (qui n'est pas neuf).

A partir de cet accumulateur complètement chargé (d'une tension de 4.2V) et je vais tirer un courant de 3A (courant maximum admissible dans notre LED):

On voit très clairement sur cette courbe l'effet de la résistance interne de l’accumulateur. Dès que l'on applique le courant la tension chute de 520mV (12.4%)  ce qui donne une résistance interne d’environ 170mΩ (0.52V/3A).

On voit aussi qu'en un peu moins d'une minute et trente secondes la tension atteint 2.8V (je déconseille d'aller plus bas) à ce moment j’arrête de tirer 3A (le courant repasse à 0A).

Un 2^e essai à un courant de 1.67A (correspond à 600lm pour notre LED)

La forme est différente, le temps est beaucoup plus long (base de temps x5) et j’ai arrêté le courant au bout de 443s arbitrairement.

Ce qui est impressionnant c'est que pour un courant 1.8x plus petit on tient 12x plus de temps pour arriver à la même tension. Cela est dû à la résistance interne et aussi à l’échauffement interne. En conclusion, la taille de l'accu et sa capacité en mAh sont loin de suffire pour anticiper le comportement d'un accumulateur, ce qui se passe en interne est difficilement prévisible à moins d’être spécifié par le fabricant.

Si des infos sur certains modèles particuliers de batterie vous intéressent je vous conseille ce SITE.

On peut y trouver des 16340 de 750mAh avec une résistance série quasiment 3x plus grande. Je ne vous parle pas de la durée effective du mode Turbo (sachant la sécurité de la S1RII l'arrête à 3V) et du risque de surchauffe (voir plus) de l'accumulateur.

C'est une des raisons qui justifie l'utilisation d'accumulateur propriétaire, même si je ne suis pas pour, d'un point de vue pratique. Un mauvais accumulateur peut donner une impression d'une lampe bas de gamme voir même blesser l'utilisateur. 

2.3.Choix de l'électronique

C’est l’élément le plus important après le choix de la LED et de l’accumulateur. C’est elle qui fait la liaison entre ces deux éléments et qui va faire la nature finale de la lampe. Cette électronique impacte sur :

• l’autonomie, en effet si les pertes de cette dernières sont importantes, il en sera de même pour la consommation au niveau de l’accumulateur

• La durée des modes ″haute puissance″, la S1RII est un très bon exemple et nous allons voir cet aspect juste après

• La température finale, en effet les pertes de l’électronique s’ajoutent à la puissance envoyée dans la LED pour se transformer en chaleur

2.3.1.Cahier des charges

Nous allons partir de la courbe de l'accumulateur et de la tension de la LED mesurée pour le mode Turbo (pire cas).

La ligne horizontale rouge représente la tension de la LED en mode turbo. On se rend compte que pendant 25s (30 à 40s pour une batterie neuve) la tension de l'accumulateur se trouve supérieure à la tension de la LED et le reste du temps (70%) inférieure. De plus même si au bout d'1'30 on arrive en fin de mode turbo, on voit que la tension de sortie remonte haut (>3.8V) et donc que l'accumulateur est loin d'être vide.

Pour tous les autres modes d’éclairage la tension sera plus faible :

• 1000lm 3A 3.45V

• 600lm 1.65A 3.22V

• 300lm 0.75A 3V

• 60lm 0.184A 2.74V

• 12lm 0.026A 2.6V

On a besoin de choisir une électronique de conversion d’énergie entre l’accumulateur et la LED avant de faite ce choix on va faire un point sur les différentes topologies qui existent.

2.3.2.Topologies de conversion d'énergie

Le sujet étant vaste et complexe pour ceux qui désirent de plus amples informations vous les trouverez ICI.

Pour résumer voici une courte synthèse :

2.3.2.a.Le régulateur linéaire

En électronique ″conventionnelle″ le seul montage qui permet de faire une adaptation de tension est le régulateur linéaire dont un des schémas basiques est le suivant : 

Ce montage ne peut que diminuer la tension (donc abaisseur). Le seul composant de puissance est le transistor (En haut, au milieu).

Pour faire simple, le transistor va absorber la différence de tension, entre la tension d'entrée (Uin) et la tension de sortie (Uout). Cette différence de tension multipliée par le courant que demande la sortie va donner la puissance perdue dans le transistor.

 

On a donc la puissance fournie par la source qui est égale à la puissance que consomme la sortie + la puissance perdue dans le transistor. D'un point de vue conversion d'énergie, le rendement sera le rapport de la puissance en sortie sur la puissance d'entrée.

 

Il est donc facile de comprendre que plus il y a de différence entre la tension d'entrée et de sortie, plus il y a de pertes et moins le rendement est bon.

Pour améliorer ce rendement il existe les topologies à découpage (vois paragraphes suivants) qui peuvent permettent, en plus, de fournir une tension de sortie supérieure à la tension d’entrée. Leur seul point faible est la fiabilité car elles utilisent beaucoup de composant (surtout pour le contrôle) et des transistors de découpage. Ce n’est que relatif les MTBF(temps moyen entre 2 pannes) reste de l’ordre de plusieurs millions d’heure si c'est bien fait.

2.3.2.b.Le BUCK (ou montage abaisseur)

Ce montage permet d’avoir une tension de sortie plus faible que la tension d’entrée (comme le régulateur linéaire), mais avec un rendement bien plus élevé. Le schéma de la partie puissance est le suivant : 

2.3.2.c.Le BOOST (ou montage élévateur)

Ce montage donne une tension de sortie plus forte que la tension d’entrée, avec un rendement élevé. Le schéma de la partie puissance est le suivant :

2.3.2.d.Le BUCK-BOOST (ou montage abaisseur-élévateur)

Comme son nom l’indique il permet d’abaisser ou d’élever la tension d’entrée, ce n’est ni plus ni moins qu’un BUCK suivit d’un BOOST. Son inconvénient majeur est qu’il a beaucoup de composants donc un rendement plus faible qu’un BUCK ou qu’un BOOST, et son schéma est le suivant.

2.3.3.Choix de la topologie

Donc si on analyse les données, on voit que la solution ″élévateur″ n'est pas viable car si l'accumulateur est chargé on ″détruit″ la LED (trop de tension → trop de courant → destruction).

Si on choisit une topologie "abaisseur",  le mode turbo va être plutôt court alors que l’accumulateur est loin d’être déchargé, mais elle convient parfaitement et l’autonomie sera très importante.

Si on veut un mode turbo plus long, il faut s'orienter vers une solution ″abaisseur/ élévateur″, mais sachant que la place disponible pour l'électronique est faible il va certainement falloir faire des compromis. 

Voici une photo de l'électronique de la S1RII, pour la taille on voit sur la photo de gauche qu'elle est identique à une pièce de 1 centime. Le schéma que j'ai établi est le suivant je pense être proche de la réalité, mais faire du reverse-engineering n’est pas évident:

Schéma extrêmement simple (au vu des fonctions implémentées) mais efficace:

• Le couple L1, IC1, R1 et R2 forment un Boost. IC1 intègre le contrôle et les éléments de découpage.

• Q1 est un MOSFET piloté en régulateur linéaire.

• IC4 qui est un amplificateur de précision, qui régule le courant dans la LED. Il mesure le courant dans celle-ci au travers du SHUNT et s'arrange pour qu’il soit l'image de la consigne envoyée par le microcontrôleur. Pour cela il pilote Q1, puis quand celui-ci arrive en butée il pilote le Boost.

• IC2 est le microcontrôleur qui coordonne tout, et est alimenté par le régulateur IC3.

 Olight s'est donc orienté vers un Buck-Boost non conventionnel, un Boost suivit d'un régulateur linéaire. Les composants utilisés sont des composants de fabricants très réputés (Texas Instrument, Microchip) voir même haut de gamme (IC4). Il ne reste plus qu'à mesurer les performances.

2.3.4.Performance de l'électronique

Comme dans la plupart des domaines la mesure d'indice de performance se fait par une mesure de rendement. Dans notre cas particulier le rendement est donc la puissance envoyée dans la LED divisée par la puissance extraite de la batterie.

Sur fond rouge la zone que l'accumulateur ne permet pas d'atteindre.

Les chiffres rouges en gras représentent le fonctionnement du Boost (avec un rendement plus que correct).

La zone sur fond bleu est la zone nominale, dans laquelle on a le plus de chance d'être avec une utilisation mixte (un peu de chaque puissance) et que l'on va utiliser la totalité de la batterie.

Le rendement à 12lm peut paraitre faible mais les 52% à 4.2V correspondent à 65mW de pertes sachant que la consommation du microcontrôleur et de la LED d’état de la batterie font partie ces pertes.

C’est pourquoi je préfère regarder aussi les pertes dans l'électronique, je trouve ça complémentaire.

Je trouve ça plutôt pas mal, on a des pertes un peu fortes quand l'accumulateur est bien chargé et que l’on n’est pas en Boost, mais c'est le prix à payer pour un mode turbo plus long, un manque de place, et une fiabilité accrue. Ça semble être un bon choix pour toucher le plus d'utilisateurs possible.

3.Thermique

Je voulais faire un petit point sur le côté thermique, car je pense que cela peut intéresser du monde.

Par contre, on va voir ça au premier ordre cela suffit pour se faire une idée, pas besoin de simulation par élément fini. 😁

On peut considérer que les pertes dans l'électronique et la puissance injectée dans la LED vont se transformer en chaleur. Pour avoir une vague idée de ce que ça représente on va faire des approximations puis comparer à des mesures.

Si on injecte une énergie dans un matériau et que l'on considère qu'il n'en transmet pas à son environnement (ce qui est faux bien évidemment) on peut faire un calcul simple à partir de la capacité calorifique de ce matériau, de son poids et de l'énergie injectée.

Pour ne pas faire une erreur trop importante, il faut prendre un temps plutôt court avec une énergie forte. On va donc faire un essai avec le mode turbo pendant 45 secondes. J'ai mesuré en moyenne 11W fournis par la batterie dans ce cas. Cela donne le tableau suivant:

ΔT représente donc l'élévation de température du matériau si on lui injecte une énergie correspondant à 11W pendant 45 secondes. Le poids est celui mesuré de la mécanique des 3 lampes en ma possession. Il faut juste faire attention au fait que les lampes sont réalisées à base d'alliage alors que les données dans le tableau sont pour des matériaux purs.

On voit donc que le cuivre est le matériau qui va avoir une élévation de température la plus faible, puis viens l’aluminium et ensuite le titane qui est relativement proche de l'aluminium.

Comme on a négligé l’échange du matériau avec son environnement, la mesure sera obligatoirement plus faible.

 Avant de faire un essai réel on va regarder une autre caractéristique importante de ces matériaux, c'est la conductivité thermique. Plus elle est forte, plus la chaleur "voyage" et se réparti bien dans le matériau.

On voit ici que le cuivre arrive toujours en tête, puis l'aluminium et le titane est loin derrière.

 Dans l'essai suivant les lampes sont recouvert un scotch avec une émissivité connue pour faire des mesures les plus justes possible. L'essai est réalisé dans une pièce climatisée à 18°C chaque échantillon est allumé en mode turbo et on fait un relevé toutes les 15 secondes.

On voit donc que la température dans:

• le cuivre reste homogène et présente une élévation de 13°C

• l'aluminium est un petit peu moins homogène et présente une élévation de 21°C

• le titane n'est pas homogène du tout et son point chaud au niveau du boitier voit une élévation de 34°C

On voit aussi que le scotch de l'aluminium n'est pas bien collé sur le corps de la S1RII en aluminium on aperçoit donc une sorte de triangle sur le bas de la lampe. (J’ai eu la flemme de refaire la manip😓)

On voit aussi, qu'avec des calculs simples au 1er ordre, on n’était pas si loin que ça pour le cuivre et l'aluminium, pour le titane sa faible conductivité thermique a un impact trop important.

4.Assemblage

Pour que la LED chauffe le moins possible il faut que l'assemblage entre la LED et le boitier soit le plus efficace possible d'un point de vu thermique. Tout se passe dans la "tête" de la S1R2.

Pour y parvenir La LED est monté sur un SMI, qui est reporté sur le boîtier à l'aide d'une bonne dose de graisse thermique, on voit encore les traces de cette graisse sur la photo ci-dessous (résidus gris).

Détail d’un SMI

Un SMI (en français) veut dire Substrat Métallique Isolé, c'est une plaque de métal sur laquelle est fixé un isolant électrique(très mince et plutôt bon conducteur thermique) sur lequel est fixé une feuille de cuivre qui se grave comme un circuit imprimé classique.

Le plus souvent dans l’industrie la plaque de métal est en aluminium mais quand on veut des performances thermiques maximale on la choisi en cuivre ce qui est le cas dans notre S1RII.

 

Si vous avez lu l'article sur la LED, vous avez du noter que l'échange thermique se fait par une surface de 2.8mm x 4.8mm. Ce SMI permet de faire la liaison électrique (circuit imprimé) et thermique, il augmente la surface d'échange tout en minimisant l'élévation thermique entre celle-ci et celle de la LED.

Pour éviter que l’électronique ne chauffe trop, les composants L1, IC1 et Q1 sont reportés thermiquement au boîtier à l’aide d’un "Gappad". Sa texture ressemble à de la Patafix et sa conduction thermique est bonne. Ça suffit amplement pour maintenir ces composants à une température acceptable.

Olight a donc aussi soigné l’assemblage pour obtenir les meilleurs résultats possible.

5.Conclusion

Avec sa S1R bâton II, Olight a fait le choix de plaire au plus grand nombre avec un mode Turbo plutôt long, une bonne autonomie, une électronique fiable dans un faible encombrement, tout en faisant avec les contraintes régies par les lois de la physique et celles économiques.

Pour les différent matériaux proposés, on a vu l'impact sur la thermique, l'aluminium est bon, le cuivre va offrir un gain non négligeable et le titane n'est pas fait pour ça, mais ce n'est pas pour ce critère qu'on le choisi😉. 

Pour faire de gros raccourcis le cuivre sera plus lourd mais éclairera plus fort en mode Turbo (plus la LED est chaude en interne moins elle éclaire). On devrait pouvoir l'observer entre le cuivre et le titane mais il faudrait pouvoir faire l'essai avec la même batterie, la même LED et la même électronique.

On a aussi vu, que ce qui limite la durée du turbo est l’accumulateur pour ce modèle, mais pour d'autre plus puissant ce sera surement la thermique. En effet, pour l'homme, la sensation de brulure est à partir de 55°C et hormis les modèles gros et haut de gamme où une sécurité thermique efficace est envisageable, limiter le temps en mode turbo est le seul moyen de protéger l'utilisateur.