Ele-prof.ru

Электро отопление
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Вопросы подключения мощных светодиодов

Вопросы подключения мощных светодиодов

Когда-то давно я писал статью про подключение мощных светодиодов для одного сайта, который так и умер, не родившись — статья осталась лежать в столе. Несколько позже я писал длинный пост на Радиокоте, посвященный этой же теме. А недавно в обсуждении статьи про мой дачный фонарь прозвучала просьба пояснить, для чего все эти пляски с импульсными драйверами и отчего бы не использовать резистор. В ответ я обещал посвятить этому статью. Сим я выполняю это обещание, а заодно и утилизирую накопившийся в столе материал, скомбинировав и переработав его. Dixi.

Идемте верным путем, товарищи!

В наши дни каждый прогрессивный человек знает, что светодиоды — будущее освещения. У них огромный по современным меркам световой КПД, малые габариты, малое рабочее напряжение… Одним словом, идеальный источник света. Единственное, что смущает, это их цены. Однако, уже довольно давно в продаже есть одноваттные светодиоды, которые, на мой взгляд, являют собой оптимальное соотношение цена/характеристики, что позволяет с уверенностью говорить о целесообразности их применения для освещения уже сегодня.

Помимо же осознания важности светодиодов для народного хозяйства, прогрессивного человека сегодняшнего дня также отличает осознание того факта, что светодиод — прибор токовый. А это означает, что перед тем, как наслаждаться осознанием своей прогрессивности, созерцая свет сих приборов будущего, мы неизбежно должны построить стабилизатор тока. Однако перед тем, как заняться этим достойным делом, я хотел бы сделать небольшое отступление, предназначенное для заблудших,
доныне не познавших светодиодное дао, и упорно пытающихся подключать оные кристаллы к разнообразным источникам напряжения.

Почему не батарейка?

В принципе, теоретически, если мы определили напряжение на конкретном светодиоде при нужном токе, и потом поддерживаем его с высокой точностью, все вроде должно быть хорошо, и вроде как светодиод при таких условиях должен нормально работать от источника напряжения. Отлично. А теперь давайте подогреем сей кристалл градусов этак на пятнадцать (а если кристалл мощный, так он и сам нагреется, без нашей помощи). Или охладим. Или просто подождем, пока он постареет. Все эти факторы оказывают влияние на рабочее напряжение. Что будет? Если мы его нагреем, то рабочее напряжение диода упадет (ибо упадет сопротивление, полупроводник все же). Однако источник будет стараться держать напряжение на диоде стабильным, поднимая ток по экспоненциальной ВАХ диода. Очевидно, что в этом случае кристалл будет еще сильнее разогреваться от проходящего тока, его сопротивление будет еще больше падать, ток будет расти еще больше, и светодиод сгорит.

Потому светодиод прежде всего требует поддержания стабильного рабочего тока.

Выбираем источник тока.

Первое, что приходит в голову — включить последовательно со светодиодом резистор. Однако давайте посмотрим, чем нам это грозит.

Да, совсем забыл сказать — если мы хотим подключить несколько светодиодов к одному источнику, разумно включать их последовательно, ибо, как уже говорилось, светодиод — токовый прибор. Поэтому, включая несколько одинаковых светодиодов, мы должны включать их так, чтобы обеспечить одинаковость тока. А это возможно именно при последовательном подключении (при условии, что максимальное напряжение, которое может выдать наш источник, больше суммы падений на диодах). В противном случае нам придется делать отдельный стабилизатор тока для каждого светодиода, поскольку, если запараллелить их напрямую, то из-за разности рабочих сопротивлений токи неизбежно будут отличаться, что в перспективе также может привести к перегреву и выходу из строя сначала одного, а потом и всех диодов по очереди, поскольку с выгоранием очередного диода ток через оставшиеся будет расти, провоцируя еще более скорый выход последующих из строя.

Так вот, давайте посчитаем. Светодиод у нас потребляет ток I при среднем напряжении на нем Uпр. Тогда резистор должен принимать на себя оставшиеся Uпит.-Uпр. вольт (где Uпит. — напряжение питания). Соответственно, сопротивление резистора можно сосчитать по закону Ома:

При этом мощность, на нем рассеиваемая, будет равна

Вроде бы ничего страшного, более того, для маломощных светодиодов такой подход можно считать правильным, поскольку при напряжениях питания, существенно превосходящих среднее прямое падение на диоде и малых токах (20 — 50мА) номинал резистора получается достаточно большим для того, чтобы пристойно стабилизировать ток через диод. Происходит это следующим образом: при нагреве диода ток, как уже было выяснено, пытается вырасти, а вместе с ним растет и напряжение, которое падает на резисторе; т.о., напряжение на диоде опускается до нового, соответствующего новым условям.

Однако давайте попробуем посчитать потери на резисторе исходя из того, что мы собираемся подключать не какой-нибудь 5мм светодиод, а хороший такой одноваттный Luxeon. Обычный рабочий ток одноваттного светодиода — 350мА, среднее падение на нем примем равным 3.5В. Тогда при 12В источнике питания мощность, рассеиваемая на резисторе, составит 3 Ватта! При том, что сам светодиод у нас потребляет один Ватт! Таким образом, почти полностью теряется преимущество светодиода в КПД. Кроме того, это решение страдает еще рядом недостатков. Во-первых, невозможно заранее точно расчитать сопротивление резистора. Говоря про падение напряжения, я не случайно сказал что беру «среднее», ибо, как уже было не раз сказано, нормируется только рабочий ток, а напряжение на каждом отдельном светодиоде свое. При этом во время работы оно может изменяться в довольно широких пределах, в частности, из-за нагрева светодиода, изменения погоды на Марсе и ряду других причин. Однако, оно явно входит в формулу расчета резистора. Поэтому заранее точно рассчитать сопротивление невозможно. Во вторых, при подключении светодиода через резистор ток будет зависить от напряжения на входе. И нам потребуется стабилизировать еще и напряжение, при этом мы будем еще сильнее проигрывать в КПД. И, наконец, в-третьих, очевидно, что, чем мощнее диод, тем меньший номинал резистора для него потребуется. Но из вышесказанного также очевидно, что стабилизирующая способность резистора напрямую зависит от его номинала, причем прямо пропорционально. Одним словом, очевидно, что питать мощные диоды через резистор крайне нежелательно.

Читайте так же:
Таблица для расчетов сечения кабеля по току

Как же быть?

Посмотрим теперь, как можно исправить перечисленные недостатки. Мощность, выделяющуюся на резисторе, можно сократить, уменьшая падение напряжения на нем. Этого можно добиться, подбирая количество включенных последовательно с ним светодиодов таким образом, чтобы максимально приблизить суммарное падение напряжения на них к напряжению источника питания. Тем не менее, ясно, что это пройдет только с маломощными диодами, которые не слишком чувствительны к стабильности тока. А вот от остальных недостатков без изменения схемотехники уйти невозможно.

Идя по пути совершенствования можно использовать микросхему вроде LM317 для стабилизации тока — это позволит не задумываться о значениях прямого напряжения на светодиодах и улучшить стабильность тока по сравнению с резистором, но даже в таком виде стабилизатор будет рассеивать слишком много тепла, так как в лучшем случае на LM317 будет падать где-то 3В. При этом тепловыделение составит как минимум около ватта, что тоже много, учитывая что светодиод, который мы собираемся использовать, тоже потребляет около ватта. То есть, используя линейный стабилизатор, мы теряем возможность подключить еще как минимум один светодиод.

Что же делать?

А есть ли иное решение, свободное и от повышенного тепловыделения? Оказывается, есть! Во всех предыдущих вариантах мы стабилизировали ток, сбрасывая излишек энергии в виде тепла на регулирующем элементе. Между тем существует другой подход к стабилизации: сначала мы берем нужную нам порцию энергии от источника, а потом передаем ее потребителю уже при другом напряжении и токе, сохраняется только количество энергии. При таком подходе КПД часто переваливает за 90%. Этот принцип реализуется в так называемых импульсных стабилизаторах, которыми и являются большинство драйверов мощных светодиодов. По сути это источники напряжения с обратной связью по току — т.е., они сами подстраивают выходное напряжение так, чтобы ток во внешней цепи был постоянен.

Собственно, импульсные драйверы и являются наилучшим выбором. Возможно я напишу о них в одной из следующих статей.

Светоизлучающие диоды

Диоды, как и все полупроводниковые приборы, управляются принципами, описанными в квантовой физике. Одним из этих принципов является излучение лучистой энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Это тот же принцип работы, что и в неоновой лампе, характерно розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за спецефических энергетических переходов его электронов при протекании электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы связан с тем, что внутри трубки находится неоновый газ, а не с величиной тока, протекающего через трубку, и не с напряжением, приложенным к двум электродам. Неоновый газ светится розовато-оранжевым цветом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент обладает своим собственным характерным излучением лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными, квантованными энергетическими уровнями. Газ водорода, например, при ионизации светится красным цветом, а пары ртути светятся синим. Именно это делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.

Электроны, протекающие через PN переход, испытывают аналогичные переходы энергетических уровней и также излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и содержащимися в нем элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из специальных химических соединений, при изменении электронами энергетических уровней излучают лучистую энергию в спектре видимого света. Проще говоря, эти переходы светятся при подаче прямого смещения. Диод, специально разработанный для свечения, как лампа, называется светоизлучающим диодом, или светодиодом, или LED.

Кремниевые диоды с поданным прямым смещением выделяют тепло в виде электронов и дырок из областей N-типа и P-типа, соответственно, рекомбинирующих в переходе. В светодиоде с поданным прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области (рисунок (c) ниже) производит фотоны. Этот процесс известен как электролюминисценция. Чтобы выдать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем у кремниевого диода. Прямое падение напряжения на диоде может варьироваться до нескольких вольт для светодиодов некоторых цветов.

Светодиоды, изготовленные из соединения элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемого арсенид-фосфид галлия), светятся ярко красным цветом и являются самыми распространенными производимыми светодиодами. Изменяя химический состав PN перехода, можно получить различные цвета. Ранние поколения светодиодов были красного, зеленого, желтого, оранжевого и инфракрасного цвета; последующие поколения включают в себя синий и ультрафиолетовый цвета, причем фиолетовый цвет был последним добавленным цветом. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух и более светодиодов основных цветов (красный, зеленый и синий) в один корпус, используя одну общую оптическую линзу. Это позволило создавать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), использующие красный и зеленый цвета (которые могут вместе давать желтый), а затем RGB светодиоды (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь спектр цветов.

Условным обозначением светодиода является обозначение обычного диода внутри круга с двумя маленькими стрелками, направленными от него (указывают на испускание света), показано на рисунке (a) ниже.

Светодиод (LED): (a) Условное графическое обозначение. (b) Срез и короткий вывод прибора соответствуют катоду, а также внутреннему расположению катода. (c) Светодиод в разрезе. Светодиод (LED): (a) Условное графическое обозначение. (b) Срез и короткий вывод прибора соответствуют катоду, а также внутреннему расположению катода. (c) Светодиод в разрезе.

Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, направленных от устройства, является общим для условных графических обозначений всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство активируется светом (что означает, что входящий свет стимулирует его), то условное обозначение будет иметь две маленькие стрелки, направленные на него. Светодиоды могут быть чувствительны к свету. При воздействии света они генерируют небольшое напряжение, подобно солнечному элементу в небольшом масштабе. Это свойство может быть эффективно применено в различных светочувствительных схемах.

Читайте так же:
Расчет сечения кабеля провода по длине

Поскольку светодиоды изготавливаются из различных химических веществ, в отличие от кремниевых диодов, их прямые падения напряжения могут быть разными. Как правило, светодиоды имеют гораздо большее падение прямого напряжения, чем у выпрямительных диодов, от примерно 1,6 вольта до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типовой рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет примерно 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно с светодиодом «понижающий» (токоограничивающий) резистор, чтобы помешать полному напряжению источника вывести светодиод из строя. Рассмотрим пример схемы на рисунке (a) ниже с использованием источника 6 В.

Подключение светодиода с током 20 мА (a) к источнику 6 В, (b) к источнику 24 В. Подключение светодиода с током 20 мА (a) к источнику 6 В, (b) к источнику 24 В.

При падении напряжения на светодиоде 1,6 вольта, на резисторе упадет 4,4 вольта. Определить номинал резистора для тока светодиода 20 мА очень просто, необходимо взять падение напряжения (4,4 вольта) и разделить его на ток в цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R=U/I). Это дает нам значение 220 Ом. Вычисляя рассеиваемую резистором мощность, мы берем падение напряжения на нем и умножаем его на ток (P=IU), и в итоге получаем 88 мВт, что соответствуют резистору мощностью 0,125 Вт. Для более высоких напряжений аккумулятора потребуются более высокоомные токоограничивающие резисторы, и, возможно, с большей номинальной мощностью. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для источника питания 24 вольта.

Здесь понижающий резистор должен быть увеличен до 1,12 кОм, чтобы на нем падало 22,4 вольта при токе 20 мА, чтобы светодиод по-прежнему получал только 1,6 вольта. Это также приводит к большей рассеиваемой на резисторе мощности: 448 мВт, мощность почти полватта! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности 0,125 ватта или даже 0,25 ватт, если будет здесь использоваться, то будет перегреваться.

Номиналы токоограничивающих резисторов не обязательно должны точно соответствовать расчетам светодиодных цепей. Предположим, что мы должны использовать резистор номиналом 1 кОм, вместо 1,12 кОм, в схеме, показанной выше. Результатом будет немного большие ток в цепи и падение напряжения на светодиоде, что приведет к более яркому свету от светодиода и небольшому сокращению его срока службы. Понижающий резистор со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм, вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току в цепи, к меньшему напряжению на светодиоде и к более тусклому свету. Светодиоды довольно терпимы к изменению приложенной мощности, поэтому вам не нужно стремиться к идеально точному подбору номинала токоограничивающего резистора.

Иногда требуется использовать несколько светодиодов, скажем, для подсветки. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой токоограничивающий резистор, как показано на рисунке (a) ниже, чтобы обеспечить более равномерное распределение токов. Тем не менее, более эффективно использовать светодиоды, работающие последовательно (рисунок (b) ниже) с одним понижающим резистором. Поскольку количество светодиодов в последовательной цепи увеличивается, номинал резистора должен быть уменьшен для поддержания тока на определенном значении. Количество светодиодов в последовательной цепи не может превышать возможности источника питания. Можно использовать несколько последовательных цепей, как показано на рисунке (c) ниже.

Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий между отдельными компонентами. Для критически важных применений компоненты могут подобраны для совпадения яркостей.

Несколько светодиодов: (a) параллельно, (b) последовательно, (c) последовательно-параллельно Несколько светодиодов: (a) параллельно, (b) последовательно, (c) последовательно-параллельно

Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкое значение максимального обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды. Типовой светодиод может быть рассчитан только на 5 вольт в режиме обратного смещения. Поэтому при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите параллельно, но в противоположном направлении светодиоду защитный выпрямительный диод, чтобы предотвратить обратный пробой во время отрицательных полупериодов (рисунок ниже).

Управление светодиодом с помощью переменного напряжения Управление светодиодом с помощью переменного напряжения

«Антипараллельный» диод на рисунке выше может быть заменен «антипараллельным» светодиодом. Полученная пара антипараллельных светодиодов будет загораться в чередующихся полупериодах синусоиды переменного напряжения. Эта схема будет потреблять 20 мА, разделяя их поровну между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного напряжения. Благодаря совместному использованию каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое можно сказать об антипараллельном включении светодиода с выпрямительным диодом. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требуется 20 мА, то номинал резистора может быть уменьшен в два раза.

Прямое падение напряжения светодиода обратно пропорционально длине волны (λ). Поскольку длина волны уменьшается от инфракрасного света до видимых цветов и далее до ультрафиолетового света, VF в это же время увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна из спецификаций на различные устройства от одного производителя, диапазон напряжений для конкретного цвета от разных производителей может варьироваться. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.

Оптические и электрические свойства светодиодов

Светодиодλ, нм (= 10 -9 м)VF (от)VF (до)
инфракрасный9401,21,7
красный6601,52,4
оранжевый602–6202,12,2
желтый, зеленый560–5951,72,8
белый, синий, фиолетовый34
ультрафиолетовый3704,24,8

Как осветительные устройства, светодиоды превосходят лампы накаливания во многих отношениях. В первую очередь, это эффективность: светодиоды выдают гораздо больше мощности света на ватт подводимой электрической мощности, чем лампа накаливания. Это является существенным преимуществом, если рассматриваемая схема работает от аккумулятора, а эффективность соответствует большему сроку службы аккумулятора. Во-вторых, тот факт, что светодиоды намного надежнее, имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания со светящейся от накала металлической нитью накаливания, чувствительной к разрыву от механического и температурного шока. В-третьих, высокая скорость, с которой светодиоды могут включаться и выключаться. Это преимущество также связано с «холодной» работой светодиодов: им не приходится преодолевать тепловую инерцию при переходе от режима «выключен» к режиму «включен» и наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл/выкл) информации в виде импульсов света, проводимых в пустом пространстве или через волоконно-оптический кабель, с очень высокими скоростями (миллионы импульсов в секунду).

Светодиоды превосходны в монохроматическом освещении, например, светофоры и автомобильные задние фонари. Лампы накаливания в этом случае ужасны, так как они требую фильтрации цвета, что снижает эффективность. Светодиодам такая фильтрация не требуется.

Эффективность освещения

Тип осветительного устройстваЭффективность, люмен/ваттСрок службы, часПримечания
Белый светодиод35 – 300100 000
Лампа накаливания121000
Галогеновая лампа15 – 172000
Люминисцентная лампа50 – 10010 000
Натриевая газоразрядная лампа70 – 20020 000наружное освещение
Ртутная газоразрядная лампа13 – 4818 000наружное освещение

Белый светодиод – это синий светодиод, возбуждающий люминофор, который излучает желтый свет. Синий плюс желтый дают примерно белый свет. Характер люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтый плюс синий, но при этом уменьшится эффективность. В приведенной выше таблице сравниваются светодиоды с обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах выходного светового потока на ватт входной мощности.

Светодиоды в целом были основным предметом исследований и разработок 1960-х годов. Поэтому нецелесообразно охватывать в этой статье все структуры, химические вещества и характеристики, которые были созданы за эти десятилетия. Ранние устройства были относительно тусклыми и потребляли небольшие токи. Эффективность была улучшена в более поздних поколениях до такой степени, что стало опасно напрямуя смотреть на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз. И светодиоды требовали незначительного увеличения падения напряжения (VF) и тока. Современные высокоинтенсивные устройства достигли 180 люмен, используя 0,7 А (82 люмен/ватт), а модели с более высокой интенсивностью могут использовать даже более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Предметом текущих исследований являются другие разработки, такие как квантовые точки.

Диапазон по току светодиодов

Спасибо, собрал вашу схему на IRLML2502 и КТ3102. Ток задаю резистором=падение напряжения бип-го тр-ра/нужный ток.
Пробовал питать более простой светодиод BL-L102UWC импульсами в 100мА, заработал сразу.

Добавлено after 4 minutes 22 seconds:
Хватит ли такого IRLML2502 полевика для питания током 3А и скважностью 10. Или надо что-то помощней?

_________________
Хоть оптика и увеличивает изображения но, глядя через оптический прицел, все проблемы мельчают.

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

_________________
Иногда мне кажется, что. Тогда я заглядываю в "МЯЯЯУ!" и немедленно убеждаюсь в обратном.

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

На счет быстродействия наверное не соглашусь. Скорость нарастания и спада в даташите указана 10/26 nS, а мне не более 50 надо, так что думаю он подходит по этому параметру.
А вот по мощности скорей всего Вы правы.
Правильно ли я понимаю что транзистор надо подбирать по мощности следующим образом:
макс. среднеквадратичный ток 0,3А умножаем на падение напряжения на диоде при токе 3А предположительно 8В, получим мощность рассеивания транзистора 0,3*8=2,4Вт. Ну и подбираем транзистор с запасом 3 а то и 4Вт?? А у этого всего 1,25Вт.

Добавлено after 6 minutes 40 seconds:

Критически важные распределенные системы требуют синхронного преобразования во всех подсистемах и непрерывного потока данных. Распределенные системы сбора данных могут быть синхронизированы как на основе АЦП последовательного приближения, так и на основе сигма-дельта (∑-Δ)-АЦП. Новый подход, основанный на преобразователе частоты дискретизации (SRC), содержащемся в микросхемах линейки AD7770 производства Analog Devices, позволяет достигать синхронизации в системах на основе сигма-дельта-АЦП без прерывания потока данных.

_________________
Мудрость(Опыт и выдержка) приходит с годами.
Все Ваши беды и проблемы, от недостатка знаний.
Умный и у дурака научится, а дураку и ..
Алберт Ейнштейн не поможет и ВВП не спасет. и МЧС опаздает
и таки теперь Дураки и Толерасты умирают по пятницам!

Специалисты компании Infineon рассказывают о сорокалетней истории технологических инноваций, последовавшей за созданием первого полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET), и на примере последних новшеств, касающихся расположения кристалла относительно печатной платы, показывают, как незначительные на первый взгляд изменения способны кардинально поменять характеристики прибора и разрабатываемых на его основе систем.

_________________
Иногда мне кажется, что. Тогда я заглядываю в "МЯЯЯУ!" и немедленно убеждаюсь в обратном.

_________________
Мудрость приходит вместе с импотенцией.

_________________
Хоть оптика и увеличивает изображения но, глядя через оптический прицел, все проблемы мельчают.

Забудьте уже про 3А. И не называйте 2Вт светодиод мощным. По нынешним временам это совсем не мощный светодиод.

У вас 2Вт светодиод, вот и питайте его так.
Копеечный драйвер типа https://www.fasttech.com/products/1612/ . led-driver уже заточен под димирование.
Кроме него более ничего и не нужно.
Покупайте его, подключайте свою схему управления и регулируйте яркость сколько душе угодно.
Можно и на более дешевом контроллере взять (на CL6807) https://www.fasttech.com/products/1612/ . led-driver
Максимальный ток драйвера (для обоих драйверов) задается резистором на плате, можно купить на любой доступный ток (может где в локальных магазинах есть, что-бы быстрее) и изменить на нужные 700мА.

А яркость, при питании максимально допустимым импульсным током, — ниже. Больше будет идти на нагрев и меньше в свет.
Наиболее эффективно светодиоды светят на постоянном токе в 10-15% от постоянно разрешенного тока.

Заблуждаетесь.
Питание импульсным током гораздо менее эффективно. При питании импульсами на уровне допустимого импульсного тока выхлоп будет в разы меньше (люмен/Ватт).
Вот зависимость уровня светового потока от тока для 6вт светодиодов. 2А постоянного тока, до 10А в импульсе.
При увеличении тока много больше разрешенного постоянного тока, яркость не только перестает расти с увеличением тока, но и даже падает.
И это очень хорошие светодиоды на шикарном теплоотводе (DTP board).
У менее мощных светодиодов-нонеймов на обычном теплоотводе падение светового потока, при увеличении тока выше разрешенного постоянного, куда больше.
Изображение

Впрочем все верно, хочется делать плохо — делайте. Никто не вправе запрещать.

Небольшие рассуждения и расчёты на светодиодную тему.

Последнее время очень активно стала муссироваться тема светодиодного освещения. И как всегда популярные и модные темы обрастают кучей мифов, рождённых маркетологами и нечистыми на руку продавцами с целью погони за прибылью. Я не стану в этой статье развенчивать мифы и ложь про светодиоды, а просто рассмотрю применение этого преобразователя электрической энергии в световую с позиций велотуриста. Это не обзор рынка светодиодов, и я не буду сравнивать разных производителей кристаллов. Если это кому то интересно, то нужную информацию можно легко найти через поисковики. Просто листая форумы на темы построения и практики использования светодиодных фонарей (например Фонарёвка или Веломания) я всё время вижу как народ выжимает из светодиодов максимум фотонов (хотя есть и вменяемые люди, которые весьма профессионально подходят к делу). Идёт постоянная гонка за люменами. С одной стороны это правильно, ведь любой фонарь и создан для производства этих самых фотонов. И если фонарь нужен для ночной покатушки часа на 2. 4, а после его можно дома подзарядить, то «разгон» светодиодов большими токами оправдан. Для велотуриста нет нужды в таком большом количестве люмен, хотя и они не будут лишними. В условиях ограниченного количества энергии большее значение имеет эффективность того или иного источника света. Вот с позиции эффективности я и попытался проанализировать светодиоды. Так как светодиод, как я написал выше, не что иное как преобразователь электрической энергии в световую, то и эффективность данного преобразования вычисляется как количество люменов, произведённое светодиодом при прохождении через него электрического тока определённой мощности. На CandlePowerForums есть ветка, где люди сами измеряют световой поток от светодиода и вычисляют его эффективность. Но одно дело провести какие-либо электротехнические измерения, и совсем другое дело фотометрия. Для неё нужно оборудование совершенно другого класса (и стоимости). Я не силён в английском и весьма приблизительно понимаю, как там ведутся расчёты, но боюсь тот «прибор», что соорудил форумчанин, в лучшем случае имеет огромную погрешность измерения, а в худшем измеряет непонятно что и непонятно как.

Я решил пойти по пути наименьших затрат и просто проанализировать данные из документации на светодиоды. Я уже так делал с аккумуляторами, и методика оцифровки графиков та же самая. Конечно существует определённая доля погрешности при таком методе анализа, и я больше чем уверен, что она немаленькая. Но в оправдание такого подхода хочу заметить следующее: во-первых, светодиоды — это не продукция для широких масс населения (в отличие от аккумуляторов). Это комплектующие для других производств и, следовательно, регламент на техническую документацию здесь более строгий. И во-вторых, анализу подверглись светодиоды одного производителя, поэтому погрешности одинаковые (предположительно) и при сравнении нивелируют друг друга. Этот производитель — Cree, на мой непрофессиональный взгляд самый распространённый в кругах самодельщиков. Про эти светодиоды есть неплохой FAQ, для тех кто не в курсе и только начал осваивать данную тему, а для тех кто вообще не знает что такое светодиод, вот тут неплохо изложено. Так же для сравнения я добавил один светодиод от Seoul Semiconductor, который очень популярен в велосипедном фаростроении.

Итак, наши претенденты: Cree — XR-E, MC-E, XP-C, XP-E, XP-G и SSC P7. Даташиты, которыми я пользовался, можно загрузить с официальных сайтов производителей или единым архивом из моего каталога файлов. Все расчёты построены на результатах обработки трёх графиков: зависимость тока через светодиод от приложенного к нему напряжения, зависимость светового потока от тока через светодиод, и зависимость светового потока от температуры кристалла светодиода. Для начала объединил два первых графика в один и немного подкорректировал величины. Так как подавляющее большинство LED-драйверов являются регуляторами тока, и ток через светодиод — это единственная величина, которая задаётся конечным пользователем этого самого светодиода, то по оси X я оставил значения тока. Значения падения напряжения на светодиоде я заменил на значения рассчитанной электрической мощности в Ваттах (левая шкала, красная линия). На правой шкале отложены значения светового потока в Люменах: две синие линии, тёмная — для самого яркого бина в линейке, светлая — для самого тусклого (некоторые совсем тусклые я не обсчитывал, так как они устарели и купить их — проблема, да и зачем?).

Для MC-E, имеющего в своем составе четыре кристалла, расчёт вёлся на один кристалл. Это связано с тем, что каждый кристалл MC-E имеет независимые от других выводы на корпусе светодиода, в отличие от SSC P7 кристаллы которого соединены параллельно внутри корпуса светодиода, а на корпусе имеются всего два вывода — общий анод и общий катод. Поэтому, если делать какие-то расчёты по диаграмме MC-E, то надо учитывать схему подключения его кристаллов. Если параллельная, то значения по всем шкалам X и Y умножаются на четыре, если последовательное, то умножаются только значения по шкалам Y.

График зависимости эффективности светодиодов от мощности По-сути отношение правой шкалы Y (Световой поток) к левой (Электрическая мощность) это и есть эффективность светодиода. Для этого я для каждого типа светодиода рассчитал эффективность и построил графики зависимости эффективности от мощности, подводимой к светодиоду. Диаграмма получилась немного пересыщенной кривыми, но если разобраться, то видны очень интересные закономерности. Для всех без исключения типов светодиодов наблюдается снижение эффективности светоотдачи при увеличении подводимой электрической мощности (график с растянутой шкалой X). Причём для светодиода от SSC (чёрная линия) это снижение менее выражено, чем для диодов фирмы Cree. Так же бросается в глаза лидер — диод марки XP-G, на мощностях ниже 1 Вт его самый яркий бин R5 выдаёт больше 170 лм/Вт («ксенон» — 93 лм/Вт, 40-ваттная люминесцентная лампа — 62 лм/Вт, 100-ваттная лампа накаливания — 15 лм/Вт). Бин Q5 XR-E тоже имеет высокие показатели на низкой мощности, но его кривая зависимости настолько крутая, что при увеличении мощности от 0,15 Вт до 0,5 Вт он теряет треть своей эффективности и скатывается до довольно стандартных для многих светодиодов 100. 120 лм/Вт. А использовать светодиод на мощностях менее 0,5 Вт крайне нерентабельно из-за высокой стоимости самих светодиодов и оснастки к ним (габаритный и следовательно тяжёлый корпус, большое количество электроники).

Конечно такие цифры могут вскружить голову: 173 лм/Вт при 1 Вт, 153 лм/Вт при 2 Вт, 138 лм/Вт при 3 Вт и даже на максимальной мощности в 5 Вт эффективность XP-G R5 не ниже 115 лм/Вт. Но на грешную землю нас возвращает третий график, данные которого я ещё не применял в расчётах, а именно — зависимость светового потока от температуры кристалла светодиода. Все выше представленные диаграммы справедливы для температуры кристалла 25 град.С. Но как известно чтобы отвести тепло от кристалла, надо преодолеть несколько термобарьеров. Во-первых, переход кристалл-подложка (указывается в документации на светодиод 3. 12 К/Вт). Во-вторых, тепло переходит на алюминиевое основание «звезды» (3,5 К/Вт). В-третьих, тепло через термоинтерфейс (термопаста КПТ-8 0,5 К/Вт) уходит в радиатор (2. 30 и более К/Вт), который отдаёт тепло в окружающую среду. В результате температура окружающей среды должна быть ощутимо ниже 25 град.С, что бы температура кристалла не поднималась выше этого значения, а это не всегда возможно. Поэтому световой поток и эффективность светодиода почти всегда будут ниже, чем представленные на графиках выше. Для расчёта и построения кривых зависимости эффективности и светового потока с учётом температуры кристалла я использовал следующие данные:

Тепловое сопротивление радиатора в 5 К/Вт взято чисто субъективно как среднее значение теплового сопротивления радиатора с пассивным охлаждением. Я исходил из того, что 2 К/Вт — это очень хороший радиатор большого размера и площадью около 260 кв.см., например вот такой. Вряд ли большинство фонарей и велофар дотягивают до таких параметров, поэтому я взял за основу расчёт с менее мощным радиатором с площадью охлаждающей поверхности около 115 кв.см. Эти ссылки даны только для сравнения и анализа и с реальными габаритами и параметрами теплопереноса могут не совпадать. Каждый корпус фонаря или фары имеет свои параметры теплового сопротивления и измерение этих параметров — уже совсем другая история, с другим названием. Сейчас же я хотел просто принять какое-то, на мой взгляд, близкое к реальности и общее для всех анализируемых светодиодов значение, и сделать соответствующие расчёты для выявления каких-либо тенденций и закономерностей. Результаты расчётов представлены ниже в виде графиков. Для лидера — XP-G, я рассчитал дополнительные кривые для радиаторов с тепловым сопротивлением 10 и 30 К/Вт. Во всех легендах графиков указано тепловое сопротивление радиатора, а не суммарное кристалл-окружающая среда.

А закономерность выявляется одна: чем выше мощность светодиода, тем больший радиатор ему нужен, что в принципе логично. Как видно из графиков, радиатор с тепловым сопротивлением 5 К/Вт хорош только до мощности 2. 3 Вт. Если мощность светодиода выше, то 5 К/Вт для него будет мало и при его использовании мы будем терять в эффективности светоотдачи светодиода и к тому же быстрее вырабатывать его ресурс из-за перегрева кристалла. Так что использовать «разогнанные» светодиодные фонари и велофары в туризме не эффективно — много энергии, которую везёшь, как говориться на себе, будет уходить в тепло. С другой стороны нельзя ориентироваться только на эффективность. 190 лм/Вт — это конечно замечательно, но такую эффективность мы имеем при световом потоке 40. 50 лм от одного светодиода XP-G. А это самые яркие из проанализированных мной, то есть для других это число будет меньше. Для освещения палатки этого достаточно, а вот чтобы ехать по просёлочной дороге или искать подходящее место для ночлега этого мало. Можно увеличить световой поток просто подключая нужное количество светодиодов, но тут тоже надо знать меру. Во-первых, светодиоды дороги и большое их количество означает высокую стоимость светового оборудования. Во-вторых, большое количество светодиодов надо где-то поместить, а это влечёт за собой увеличение габаритов корпуса и мы получаем увеличенную эффективность за счёт утяжеления оборудования. Но тяжёлую и очень дорогую фару или фонарь никто не купит, пусть она или он будут хоть сто раз эффективными и двести — экономичными. Получается нужно искать компромисс, между количеством светодиодов, током через них и разумным количеством люменов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector