Zastosowanie LED w oświetleniu. Rodzaje LED

Transkrypt

1 Zastosowanie LED w oświetleniu Ze względu na swoje liczne zalety, diody elektroluminescencyjne, zwane z ang. LED, zyskują coraz większą popularność w rozwiązaniach oświetleniowych. W sprzedaŝy moŝna juŝ dostać gotowe zestawy pozwalające zastąpić uŝywane dotychczas Ŝarówki ich diodowymi odpowiednikami. Niniejszy podręcznik ma być poradnikiem, jak we własnym zakresie wykonać taki zestaw świecący. MoŜe być takŝe doskonałą powtórką z podstaw elektroniki w zakresie Prawa Ohma, praw Kirchoffa oraz podstaw pracy z diodami półprzewodnikowymi. Rodzaje LED Najczęściej spotykanymi LED-ami są diody okrągłe o średnicy 3, 5, 8 lub 10 mm oraz diody w kwadratowych oprawach o boku ok. 7,6mm, tzw. Flux. Diody okrągłe zazwyczaj są silnie kierunkowe - kąt świecenia wynosi typowo Diody Flux najczęściej mają szerszy kąt świecenia Od kąta świecenia zaleŝy jasność diody - im węŝsza wiązka, tym jaśniejsze światło. Dlatego przy zakupie nie naleŝy kierować się tylko podawaną jasnością, lecz trzeba wybrać diodę o takim kącie, który najlepiej będzie odpowiadał naszym potrzebom. JeŜeli budowany przez nas moduł ma zastąpić typową Ŝarówkę, potrzebujemy diody o jak najszerszym kącie świecenia, a jeśli potrzebujemy wiązki silnie skupionej - o wąskim kącie. MoŜna spotkać białe diody o róŝnej jasności, do kilkudziesięciu kandeli przy nominalnym prądzie. W sprzedaŝy hurtowej diodę 5mm o jasności 55 cd moŝna kupić juŝ za 0,90 PLN brutto za sztukę. LED-y charakteryzują się wyjątkową trwałością sięgającą przy prądzie danych producenta nawet 100 tys. h. Oznacza to ponad 11 lat ciągłego świecenia. wg Pod względem wydajności LED-ów są kilkukrotnie lepsze niŝ Ŝarówki i porównywalne ze świetlówkami kompaktowymi, a najlepsze nawet przewyŝszają je. Jednak sprawność ograniczają częściowo układy zasilania diod, gdzie najczęściej stosowany jest rezystor ograniczający prąd. Dodatkowo, diody LED pracują ze stosunkowo małymi mocami, małe diody do ok. 60mW, Flux do ok. 300mW. MoŜna kupić większe diody LED o mocy do 10W, jednak sa one droŝsze i wymagają skutecznych radiatorów odprowadzających ciepło. Z tego względu, diody LED dobrze sprawdzają się tylko jako oświetlenie dekoracyjne, sygnalizacyjne i w latarkach. Nominalnym prądem pracy diody jest zazwyczaj. PoniewaŜ większość diod LED nie posiada wbudowanego zabezpieczenia, przed nadmiernym prądem, sami musimy zatroszczyć się o dobranie odpowiedniego opornika, którego podłączymy szeregowo z diodą lub układem diod. Przy prądzie nominalnym zgodnie z charakterystyką na diodzie odłoŝy się napięcie o przybliŝonej wartości. W najprostszym przykładzie, gdy jedna dioda połączona jest szeregowo z opornikiem, oznacza to, Ŝe dopełnienie do napięcia zasilania odłoŝy się na oporniku (zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa). To pozwala

2 wyznaczyć wartość opornika wprost z prawa Ohma. Dzięki temu moŝemy dostosować nasz układ świecący praktycznie do kaŝdego napięcia zasilającego. Innym sposobem dostosowania modułu do napięcia zasilania będzie podłączenie w szeregu odpowiedniej liczby diod. Wówczas spadek napięcia na diodach w połączeniu szeregowym jest równy. Analogicznie do poprzedniego przykładu wartość opornika wyznaczymy z podobnego wzoru. Efektem zastosowania wielu diod (LED) w połączeniu szeregowym będzie zminimalizowanie napięcia, jakie odłoŝy się na oporniku, czego konsekwencją będzie mniejszy udział strat w postaci ciepła rozproszonego na oporniku. Rodzaje połączeń Pojedyncza dioda nie daje wystarczającego natęŝenia światła, by mogła znaleźć samodzielnie zastosowanie w oświetleniu. Dlatego, aby osiągnąć wymagany poziom jasności łączymy pojedyncze diody w moduły wielodiodowe. Sposób ich połączenia zadecyduje o pewnych specyficznych cechach uŝytkowych całego układu. W niniejszym rozdziale przedstawiono kilka sposobów wzajemnego połączenia diod. KaŜdy z nich ma swoje wady i zalety, zatem przed wyborem któregokolwiek sposobu połączenia dla własnego projektu warto te cechy rozwaŝyć. Innym zagadnieniem jest sprawność danego układu. Aby zminimalizować straty w postaci ciepła wydzielanego na oporniku, będziemy dąŝyć do zminimalizowania napięcia, jakie odłoŝy się na oporniku przy zachowaniu nominalnego prądu na kaŝdej z diod. Dodatkowo będziemy zwracać uwagę na moc wydzielaną na oporniku, tak aby nie przekroczyć wartości znamionowych opornika Prawidłowa polaryzacja LED w stanie przewodzenia. JeŜeli przystępujemy do pierwszych prac, warto zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację diody. Dioda świeci w stanie przewodzenia. Prawidłową polaryzację popularnej diody o średnicy 5mm przedstawiono na fotografii obok Charakteryzuje się duŝą niezawodnością, gdyŝ uszkodzenie którejkolwiek z diod nie powoduje wyłączenia całego układu świecącego. Im więcej diod pracujących równolegle, tym mniej jest zauwaŝalna awaria którejkolwiek z nich. W przypadku napięcia zasilania znacznie większego od charakteryzuje się znacznymi stratami energii wydzielanej w postaci ciepła na oporniku (opornikach) znajdujących się w obwodzie. Z tego powodu dla napięć zasilania wyŝszych od zalecane jest połączenie szeregowe. Wyjątkiem będzie sytuacja, gdy nie ma moŝliwości zainstalowania więcej niŝ jednej diody. NaleŜy jednak zwrócić uwagę na moc nominalną opornika tak, aby wartość ta była większa od teoretycznej mocy wydzielanej na oporniku w naszym układzie. W przypadku większych napięć zasilania w takiej konfiguracji straty w postaci ciepła na oporniku są najmniejsze, jednak jest to układ o najniŝszym stopniu niezawodności. Uszkodzenie którejkolwiek z diod w obwodzie szeregowym powoduje zazwyczaj przerwanie

3 obwodu, co oznacza wyłączenie całego układu świecącego. W takiej sytuacji pozostaje nam długie i Ŝmudne poszukiwanie uszkodzonej diody, Ŝeby przywrócić układ do działania. Od strony teoretycznej, wartość rezystora ograniczającego napięcie w gałęzi obliczymy ze wzoru, gdzie jest liczbą diod znajdujących się w połączeniu szeregowym. Przykładowo dla napięcia zasilania przy nominalnym prądzie na trzech diodach połączonych równolegle odłoŝy się napięcie. Zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa na szeregowo wpiętym oporniku odłoŝy się napięcie. Dalej otrzymamy, Ŝe w tym konkretnym przypadku sprawność układu wynosi. Dla porównania warto wspomnieć, Ŝe w przypadku szeregowego połączenia tych samych trzech diod spadek napięcia na oporniku będzie miał wartość, co daje sprawność. Zatem zyskaliśmy sprawności poprzez odpowiednie połączenie tych samych diod nie tracąc przy tym na jasności ich świecenia. JeŜeli osobne moduły szeregowe połączymy ze sobą równolegle oraz dodatkowo zmostkujemy połączenia pomiędzy diodami z poszczególnych gałęzi równoległych (rysunek) otrzymamy rozwiązanie będące kompromisem pomiędzy sprawnością a niezawodnością. W przypadku uszkodzenia jednej z diod, cały układ będzie nadal działał, chociaŝ przez diody znajdujące się w tym samym rzędzie, co uszkodzona, będzie przepływał nieco większy prąd (zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa). Przestanie świecić wyłącznie uszkodzona dioda, a nie wszystkie diody znajdujące się razem z nią w połączeniu szeregowym. Zanim przystąpimy do prac montaŝowych, powinniśmy zaopatrzyć się w podstawowe narzędzia potrzebne elektronikowi: lutownicę, cynę, kalafonię, miernik uniwersalny. Przyda się nam równieŝ izolacja termo-kurczliwa. Napięcie sieciowe 230V Napięcie 230V wymaga, aby cały układ umieścić w bezpiecznej izolowanej obudowie. NaleŜy zachować szczególną ostroŝność, aby uniknąć poraŝenia prądem elektrycznym, co moŝe się skończyć nawet śmiercią. Ze względu na przemienny (sinusoidalny) przebieg napięcia sieciowego konieczne będzie zastosowanie elementu prostującego napięcie np. mostka Graetza wraz z prostym stabilizatorem w postaci kondensatora wpiętego równolegle na wyjściu mostka. Moduł LED w oprawce E27 zasilany napięciem 230 V Aby zminimalizować moc wydzielaną na oporniku w postaci ciepła w podstawowej konfiguracji zastosujemy 70 diod połączonych szeregowo. Łączny spadek napięcia na tych

4 diodach będzie miał wartość. Opornik ograniczający natęŝenie prądu powinien mieć zatem wartość. Dobierając odpowiednio większy rezystor moŝemy ograniczyć liczbę diod podłączonych w szeregu. Wadą tego rozwiązania będzie jednak wzrost napięcia na danym rezystorze, czego konsekwencją będzie wzrost mocy wydzielanej w postaci ciepła na tym elemencie. W celu zwiększenia natęŝenia światła moŝemy podobne moduły szeregowe łączyć ze sobą równolegle. Aby uzyskać dodatkowo większy poziom niezawodności powinniśmy gałęzie szeregowe zmostkować ze sobą zgodnie z opisem dotyczącym połączenia mieszanego. GdyŜ w sytuacji zuŝycia jednej z diod cały moduł przestanie świecić, a wtedy pozostaje nam Ŝmudne poszukiwanie uszkodzonej diody. Jeśli zastosujemy mieszane połączenie, zgaśnie tylko uszkodzona dioda, a nie cały szereg. Podręczna latarka Zazwyczaj będzie to latarka zasilana dwoma bateriami typu R6, R14 lub R20. Oznacza to, Ŝe dysponujemy źródłem napięcia o wartości w przypadku baterii alkalicznych, albo w przypadku akumulatorków NiCd lub NiMH. Ze względu na relatywnie niskie napięcie zasilania, w kaŝdym z tych przypadków moŝemy zrezygnować z opornika ograniczającego płynący prąd bez szkody dla diody. Wystarczy wówczas podmienić oryginalną Ŝarówkę układem diod połączonych równolegle i dysponujemy juŝ latarką o znacznie dłuŝszym czasie pracy bez wymiany baterii. Ze względu na niŝsze napięcie akumulatorków NiCd oraz NiMH (1,2V na kaŝde ogniwo), w celu uzyskania nominalnego poziomu jasności zaleca się szeregowe połączenie conajmniej 3 akumulatorków, co daje nam napięcie 3,6 V. Z powodu ograniczonej dostępności pojemnych akumulatorków NiMH w rozmiarze R20 warto rozwaŝyć zrezygnowanie z tej formy zasilania i przystosować latarkę do zasilania za pomocą dwóch zestawów po 4 akumulatorki R6. Wspomniane wyŝej zestawy gabarytowo zbliŝone są do jednej baterii R20. Wszystko połączone szeregowo daje nam napięcie, co pozwala na bezpośrednie zasilanie (z pominięciem opornika) dowolnej liczby szeregowych modułów 3-diodowych przyłączonych równolegle. Uszkodzony telefon komórkowy JeŜeli posiadamy uszkodzony telefon komórkowy ze sprawnym układem ładowania, sprawną ładowarką oraz akumulatorkiem, moŝemy spróbować przerobić go na amatorską podręczną latarkę. Większość akumulatorków stosowanych dziś w telefonach komórkowych jest źródłem napięcia, co stanowi idealne zasilanie diody bez konieczności stosowania opornika i skomplikowanych połączeń szeregowych bądź mieszanych. Wystarczy przerobić obudowę tak, aby moŝna było zainstalować w niej kilka-kilkanaście LED-ów, połączyć je równolegle ze stykami baterii i dodatkowo zainstalować wyłącznik.typowa bateria w telefonie komórkowym posiada nominalną pojemność. A to - przy 5

5 diodach połączonych równolegle - oznacza teoretycznie świecenia na jednym ładowaniu. ciągłego Oświetlenie samochodu Moduł LED i reflektor halogenowy. Ze względu na swoją duŝą sprawność diod elektroluminescencyjnych z powodzeniem mogą zastąpić wiele standardowych Ŝarówek w samochodzie. Napomknąć naleŝy, Ŝe w aucie mogą być stosowane jedynie Ŝarówki posiadające homologację. LED-y spotkać moŝemy w układach świateł postojowych, światła STOP, kierunkowskazów, oświetlenia wnętrza samochodu. Wszystkie te światła moŝna w całości oprzeć na diodach, a dzięki minimalnemu poborowi mocy nie musimy się martwić wyczerpaniem akumulatora, gdy na dłuŝszy czas zostawiamy włączone światła postojowe albo awaryjne. Projektem dla wyjątkowo ambitnych będzie zastąpienie świateł mijania oraz świateł drogowych modułami LED. Istotne wówczas będzie nie tylko uzyskanie odpowiedniej jasności charakterystycznej dla Ŝarówek halogenowych, ale równieŝ odpowiednie ukształtowanie wiązki światła tak, aby nie oślepiać kierowców samochodów nadjeŝdŝających z przeciwka po lewej stronie, oraz Ŝeby odpowiednio oświetlić pobocze po prawej stronie. Większość samochodów posiada moŝliwość regulacji kąta nachylenia wiązki świateł w płaszczyźnie pionowej. Niektóre z najnowszych samochodów posiadają równieŝ system obracania reflektorów w kierunku obrócenia kierownicy. W takich sytuacjach wszelkie przeróbki przednich reflektorów powinny umoŝliwiać bezkolizyjne funkcjonowanie w/w systemów. Instalacja 12V

6 Moduł oświetleniowy złoŝony z 15 diod (5 modułów po 3 diody). W większości przypadków napięcie zasilania będzie miało wartość przy wyłączonym silniku. NaleŜy uwzględnić, Ŝe podczas pracy silnika wartość napięcia w instalacji elektrycznej samochodu wynosi prawie. To oznacza, Ŝe podstawowym modułem świecącym, zapewniającym optymalną sprawność, moŝe być układ 3 diod połączonych szeregowo wraz z odpowiednim rezystorem, którego wartość wyznaczymy ze wzoru przytoczonego powyŝej, tzn. Łącząc równolegle większą liczbę 3-diodowych modułów otrzymamy zespoły oświetleniowe o Ŝądanej jasności. Fotografia obok pokazuje, w jaki sposób moŝemy wykonać taki zespół złoŝony z 5 modułów 3-diodowych. Instalacja 24V W takim przypadku przy wyłączonym silniku instalacja elektryczna samochodu jest źródłem napięcia. Podczas pracy silnika alternator jest źródłem napięcia prawie. Zatem w tej sytuacji podstawowym modułem świecącym, zapewniającym optymalną sprawność, moŝe być układ 7 diod połączonych szeregowo wraz z odpowiednim rezystorem, którego wartość wyznaczymy ze znanego nam wzoru Widzimy z przedstawionych obliczeń, Ŝe dwukrotny wzrost zasilania niekoniecznie musi pociągać za sobą podwojenie liczby diod w połączeniu szeregowym. Z punktu widzenia ograniczenia strat ciepła warto dostawić dodatkową siódmą diodę, aby moc wydzielaną na rezystorze utrzymać na tym samym bezwzględnym poziomie tzn. złoŝonego z 7 diod połączonych szeregowo. Porównanie jasności. dla kaŝdego modułu Wnioski z przeprowadzonych poniŝej doświadczeń pozwolą na wstępne oszacowanie zapotrzebowania na odpowiednią liczbę diod mających zapewnić porównywalną jasność z uŝywanymi Ŝarówkami lub świetlówkami jarzeniowymi.

7