Postanowiłem zrobić sobie lampy LED, głównie do warsztatu. Dużo, dużo, bardzo dużo światła. Nie jestem fotografem, żeby w ciemni pracować.
Na rynku po prostu nie ma gotowych dobrych lamp LED, przynajmniej nie z tych dostępnych dla przeciętnego człowieka (ceny + wymagana wiedza). "Halogeny LED" czy "żarówki LED" (też oksymoron)można sobie odpuścić od razu. Ilu elektroników do nich zajrzy, tyle przekleństw i "facepalmów". Żeby uzyskać dziesiątki tysięcy godzin trwałości, trzeba zrobić porządne zasilanie i chłodzenie, a tego we wszelkich atrapach żarówek brak, do tego to trupie, tępe albo zimne, męczące światło, Nieeee..
Taśmy LED? Ostatecznie, jako oświetlenie klasy "byle się nie potknąć" gdzieś w przejściu
Taśmy LED są fajne, ale pokutujące w ich konstrukcjach napięcie 12V (bo popularne) wymusza używanie stosunkowo dużych rezystorów, na których odkłada się aż około 1,5V, czyli ponad 12% już za zasilaczem idzie w ciepło nie w diodzie. Przerobiłem dla eksperymentu odcinek pół metra takiej taśmy, lutując rezystory o wartości 1/3 fabrycznych i zasilając z 11V. Prąd ten sam, straty mniejsze. Ale chcąc uzyskac kilkaset lumenów, siedziałbym cały weekend przelutowując rezystory w taśmach. W dodatku to nadal jest sposób z rezystorem szeregowym.
No i trzeba gdzieś kłaść te "kilometry" taśm, nawet jeśli to taśmy po 1200 chipów 3528 albo 5730 na metr. Bo 5050 też należy zostawić w spokoju i nie kupować. 5050 to 3 kryształy w jednym chipie, łatwo się przegrzewają, a że wszystkie 3 kryształy danego chipa są montowane równolegle, to zawsze pierwszy padnie ten najsłabszy, za nim 2 pozostałe z trójki a wraz z nimi przestają świecić 2 pozostałe chipy w szeregu.
Trzeba jednak oddać taśmom, że są w miarę bezpieczne (mała moc pojedyńczego chipa), spalenie jednej diody powoduje nieświecenie tylko 3 diod, a to stanowi jakiś pojedyńczy procent całego oświetlenia, do pewnego momentu pomijalny. I to napięcie - może niezbyt szczęśliwe, ale za to zasilacze 12V można dostać "wszędzie" niemal za darmo albo za darmo.
Trochę o moim wyborze LEDów dużej mocy.
Ewentualne problemy z chłodzeniem oraz niemożność wymiany pojedynczego chipa, wyeliminowały z wyboru wszelkie scalone zestawy-matryce po 10, 30 czy 100W, ściśnięte na aluminiowej płytce wielkości monety albo znaczka pocztowego. W dodatku są to zestawy połączonych równolegle szeregów, bez rozdzielenia ich, bez możliwości spięcia w takie szeregi, jakie mi pasują. Odpada.
RGB też odpada. Widmo takich wynalazków to trzy monochromatyczne górki o róznych wysokościach, mimo iż według producentów, dobierana indywidualnie temperatura barwowa niby powinna się zgadzać ze światłem żarówki, halogena czy księżyca. Temperatura tak, bo temperatura to pochodna widma, jakby jego "uśrednienie". To tak jak tych pięciu głodnych + pięciu przeżartych. W sumie zjedli tyle, ile potrzeba dziesięciu ludziom, ale efekt opłakany. Światło RGB jest przykre, powoduje rozdrażnienie, męczy oczy i oddaje barwy niewiele lepiej niż lampa sodowa.
Białe LED są pod tym względem o wiele lepsze. Praktycznie ciągłe widmo, choć z niedomiarem najniższych częstotoliwości (podczerwień i na granicy z widzialnymi), co jednak łatwo uzupełnić niedowatowaną żarówką. Zimnobiałe mają też widoczny nadmiar niebieskiego i w większości przypadków pewne także, większą niż ciepłobiałe, porcję UV. Jedyną "zaletą" zimnobiałych jest większa wydajność w lm/w ale co z tego, jeśli te dodatkowe lumeny to światło od niebieskiego w górę... Zimnobiałe sobie odpuszczamy, a w pozostałych UV można (a więc należy) odciąć szkłem sodowym.
Zacząłem kombinować z dużymi chipami tzw. 3W. Są dostępne kolory "ciepły biały" (2500-3200K) albo "naturalny biały" (4-5 tysięcy K, rzadko dostępny) ewentualnie "zimny biały" (6000K i wyżej, sporo niebieskiego i UV) na radiatorach typu Star Base albo same chipy. Do tego ucieszył mnie ogromny wybór radiatorów-płytek od Star Base (1 LED) do płytek po 18 i więcej sztuk (w szeregu lub kilku szeregach), które łatwo przykręcić do dużego pasywnego lub aktywnego radiatora.
Piszę "tak zwane 3W", ponieważ ich katalogowe parametry to 3,6V@700mA czyli 2,5W. Są do nich dostępne gotowe przetwornice z wyjściem stałoprądowym 700mA za pół dolara, które możemy w zasadzie traktować jak elementy dyskretne. Jednak zasilanie tych chipów "3W" katalogowym prądem 700mA nie ma sensu. Powyżej 450-500mA (zależy od diod) zmiany jasności są prawie niezauważalne. A to oznacza, że zasilając je znamionowym prądem 0,7A niepotrzebnie wmuszamy w każdą diodę 0,75-0,8 wata, zużywane niemal wyłącznie na psucie struktury, a które potem jeszcze trzeba odprowadzić przez radiator.
Kupowanie samemu kryształów o różnych temperaturach barwowych pozwala skomponować lampę o barwie mniej-więcej lampy halogenowej, plus/minus garść Kelwinów w zależności od naszych preferencji. Nie zapominamy oczywiście o uzupełnieniu widma światłem żarowym.
Parametr $/100lm to najlepsze kryterium cenowe. Oczywiście należy brać pod uwagę również konstrukcję mechaniczną/elektryczną.
Jako źródło tanich ciepłobiałych LED białych ładnie oddających barwę mogę polecić na ebayu sprzedawcę "2012topdeal" . Np. ta nieustająca aukcja http://www.ebay.com/itm/231609103852. Gość ma diody o barwach rzeczywiście ciepło- czy neutralnie białychbiałych a nie tępo-żółtych albo żółto-niebieskich.
Do kolejnego eksperymentu kupiłem 50 kryształów na radiatorach Star Base w matrycach po 5x5 radiatorów (do wyłamania lub montażu razem). Czyli 50 diod po 1,75W, lekko licząc 800 lumenów, za 20$. Nawet przy niezbyt korzystnym kursie, niezła cena zważywszy na to, że już są zlutowane i potraktowane pastą termoprzewodzącą. Chipy tzw. 5W wychodzą znacznie drożej za 100 lumenów.
Złożyłem z nich jedną lampę z 25 sztuk, chwilowo zasilaną z jakiegoś zasilacza niby 17V od laptopa, przez rezystory szeregowe 2,5Ω. Po 480mA na każdy z 5 szeregów. Straty na oporniku są, ale czymś trzeba było świecić zanim wymyśli się lepszą elektronikę. I mam 40W światła o barwie żarówki, wspomagane dla uzupełnienia widma 10-watową żarówką, pięknie się przy tym pracuje. Oczywiście nie jest to jedyne źródło światła. na 20m² warsztatu potrzeba z 1000-1500 lumenów ogólnego i kilkaset lumenów na stanowisko, żeby warsztat nie był ciemnią.
I drugą identycznej konstrukcji lampę z 15 diod do testów. Znalezione gdzieś pudełko po śledziach robi za klosz i matówkę. 15 czy 25 kryształów w matrycy, w odległości około cala jeden od od drugiego, rzuca odpowiednio 15 albo 25 sąsiadujących cieni/poświat, więc matówka obowiązkowo. Do tego 4mm szybka ze szkła sodowego jako filtr na ewentualną pozostałość UV - mimo iż "ciepłe" diody mają grubszą warstwę luminoforu, jakieś UV może się zdarzyć.
Wszędzie pasta termoprzewodząca, do tego radiator z procesora z wiatrakiem na nieco niższym napięciu niż znamionowe. Całość jest supercicha i po kilku godzinach wciąż chłodna. Docelowo lampy będę budował mniej więcej tak jak inspekty ogrodowe, czyli płyta (alu 6mm) wokół niej ramka 15mm z wyfrezowanym rowkiem na wsunięcie szyby. Wewnątrz ramki pod szybą LEDy i elektronika, po drugiej stronie chłodzenie. Jeśli się uda, to pasywne. Radiatorów mam sporo.
A teraz ZASILANIE
Obojętnie czy mamy 50-100 małych szeregów po 3 LED z małymi oporniczkami (np. w taśmach), czy zbudujemy kilka szeregów diod jednowatowych z dużymi opornikami, musimy na oporach odparować ten sam procent energii. Ten sposób na dłuższą metę mnie nie interesuje.
Najprostsze zasilanie, ale wymagające dużo szczęścia w doborze transformatorów (i bogatego ich zbioru), zrobiłem w mieszkaniu rodziców. W kuchni, w okapie, diody na sporym radiatorze z wentylatorem "komputerowym" 12V zasilanym z 5V (zasilacz od telefonu).
2 szeregi po 5 LED "3W", bez żadnego rezystora. Każdy szereg pędzony z transformatora 10VA 18V, przez mostek prostowniczy wspomagany kondensatorem 1500uF. Zupełnie niemrugające światło, przy prądzie 470mA. Tak samo udało się u rodziców w łazience. Szeregi po 3 diody, każdy z transformatora o parametrach nominalnych 6VA 9V, też tylko przez mostek Graetza wspomagany kondensatorami 1000uF, prąd wychodzi niecałe pół ampera. I więcej nie wyjdzie, bo tak działa zasilacz niestabilizowany. Tutaj uwaga dla wszystkich, którzy z entuzjazmem stwierdzą "diodę jednak można podpiąć pod napięcie X woltów". Otóż nie - diody zostały podpięte pod transformator. Nie pod ileś woltów, a pod woltoampery, w szeregu z opornością wewnętrzną transformatora.
Idealne, tanie, trwałe, działa już parę miesięcy. Ale raz, że trudno utrafić akutat taki transformator, a dwa - przy większych mocach musielibyśmy mieć tych transformatorków całą baterię.
Potem eksperymentowałem z taśmami, a teraz te dwie lampy 15 i 25 diod "trzywatowych".
W sieci najpopularniejszą propozycją prostego stabilizatora prądu jest jakaś wariacja na ten temat:
Trzeba dobrać taki rezystor, żeby przy zadanym prądzie odłożyło się na nim jakieś 0,7V. Tranzystor mocy nie pracuje w stanie nasyconym, tylko gdzieś pośrodku, gdzie główna zaleta tranzystorów polowych - bardzo niska Rds(on) - nie jest użyta, bo Rds(on) to rezystancja w stanie nasyconym. Tranzystor musi być na radiatorze, bo grzeje się niemiłosiernie. Równie dobry (równie zły) byłby układ z tranzystorem bipolarnym (jakimś BD2xx) a tak naprawdę nawet rezystory szeregowe. Pod względem bilansu (strat) energii, niczym się ten układ od rezystorów szeregowych nie różni. Zapewnia jednak stały prąd, niezależnie od zmian napięcia zasilania, oraz był inspiracją dla mojego:
Złożony na szybko na płytce stykowej z tego, co było na biurku, stąd mało optymistyczny rezystor pomiarowy (aż 0,27Ω, choć docelowo powinien wystarczyć poniżej 0,1Ω)
Napięcie rzędu 150mV porównywane jest z Uref z prostackiego, ale dla potrzeb eksperymentu wystarczająco stabilnego źródła na elementach R2,D2,R4.
Początkowo zrobiłem go na komparatorze LM311, ale karta katalogowa nie zaleca sygnałów poniżej 0,6V na wyjściu, i w praktyce to się sprawdza - porównując 2 sygnały po 170mV, LM311 się wzbudzał, a dodatnie sprzężenie zwrotne, które likwidowało ten efekt, psuło sterowanie czegokolwiek z wyjścia i musiałbym na jego wyjściu zamontować wzmacniacz z filtrem.
Układ CMOS z wejściem Schmitta zapewnia histerezę, dobre sterowanie tranzystorem polowym mocy (strome zbocza na wyjściu i rozładowanie pojemności bramki) oraz łatwe wprowadzenie stałej czasowej opóźnienia (R1, C3). Bez opóźnienia układ wzbudzał się w okolicę 0,7 mehagerca, która to częstotliwość jest zupełnie przypadkowa i wynika z pasożytniczych pojemności, rezystancji i indukcyjności użytych akurat elementów. W dodatku przy takiej prędkości zbocza nie były już strome i tranzystor zaczynał się robić ciepły, zaś całość pewnie szczodrze "siała" na częstotliwościach radiowych.
Wprowadzenie stałej czasowej ograniczyło częstotliwość do kilkudziesięciu kHz. Konkretnie w zakresie 20-parę do 70 kHz. Przy czym im wypełnienie sygnału dalsze od 50%, tym częstotoliwość niższa. Logiczne, w końcu w takim układzie ani T(on) ani T(off) nie mogą być krótsze niż około połowy T(R1,C3). Ale to jest akceptowalne. Częstotliwość przełączania niewidzialna i niesłyszalna dla człowieka.
Układ jest w porównaniu do rezystorów szeregowych praktycznie bezstratny. Jako amator możesz na nim lampy budować. Wziąć dowolny zasilacz, spiąć LEDy w najdłuższe szeregi, których napięcie będzie niższe od napięcia zasilacza, wyregulować prąd potencjometrem R4 i lampa działa idealnie. Zasilacza z laptopa, drukarki, przemysłowy, transformator z Graetzem ze starego "prostownika" do akumulatorów - dowolny, o ile tylko częstotliwość układu nie zgra się z wewnętrzną częstotliwością, wtedy zmieniasz C3 na nieco inny (np. dokładasz 2,2nF) i wszystko działa.
Niestety - nie ma rózy bez dymu, i to oby nie dosłownie. Otóż po wprowadzeniu stałej czasowej, układ przestał być stabilizatorem prądu. Zmiany napięcia zasilania wprost wpływają na prąd LED-ów, tak jak przy rezystorach szeregowych.
I tutaj nie mam pomysłu jak to skompensować. Całkować sygnał z rezystora pomiarowego, podokładać wzmacniaczy, jeszcze jedno sprzężenie zwrotne, tylko skąd? Może z porównania napięcia zasilania do jakiegoś napięcia referencyjnego? Wyszedłby wtedy "stabilizator mocy".
