podwodna latarka led - Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni

Transkrypt

Krzysztof Górecki, Paweł Kural
Akademia Morska w Gdyni
PODWODNA LATARKA LED
W artykule przedstawiono podwodną latarkę LED skonstruowaną przez autorów. Opisano konstrukcję
latarki oraz zaprezentowano wybrane wyniki pomiarów jej charakterystyk.
Słowa kluczowe: diody LED, nurkowanie, pomiary.
WPROWADZENIE
Najnowszą generacją sztucznych źródeł światła są diody LED, w których
otrzymanie światła związane jest ze zjawiskiem elektroluminescencji odkrytym na
początku XX wieku [13]. Obecnie technologia LED bardzo szybko się rozwija.
W efekcie tego z roku na rok uzyskuje się coraz lepsze parametry diod LED [1, 3].
Zastosowanie diod LED w oświetleniu zapewnia energooszczędność, wysoką skuteczność świetlną, długi czas użyteczności oraz małe rozmiary, łatwość sterowania,
odporność na wibracje i udary [1, 5, 9].
Wprowadzenie zaawansowanej optyki do obudów diod LED umożliwiło podniesienie skuteczności świetlnej i dowolne kształtowanie wiązki światła [10]. Dziś
najlepsze biało świecące diody mają kilkunastokrotnie większą skuteczność świetlną niż standardowe żarówki [5, 11].
Dzięki swoim zaletom diody LED zdobywają kolejne obszary i znajdują zastosowanie na rynku od oświetlenia ogólnego do oświetleń specjalistycznych [3].
Jedną z takich dziedzin jest specjalistyczne oświetlenie podwodne dla płetwonurków i naukowców prowadzących badania podwodne. Stosowanie sztucznego
oświetlenia, nawet przy nurkowaniu w dzień, jest w naszych warunkach klimatycznych koniecznością. W wodzie zawierającej zawieszone cząsteczki pochodzenia organicznego (np. glony) lub nieorganicznego straty światła mogą sięgać
99%. W polskich wodach śródlądowych powierzchniowa warstwa jezior zawiera
tak dużą ilość drobnych glonów, że nawet w bardzo czystych jeziorach na głębokości 30–40 m jest zupełnie ciemno. W jeziorach o średniej czystości ciemności
zapadają już na 20–25 m, a w zbiornikach powstałych wskutek zalania, np. żwirowniach lub kopalniach, nawet na głębokości 5 m. Również chemicznie czysta
woda, pozbawiona mechanicznych zanieczyszczeń, osłabia strumień światła na
skutek pochłaniania.
K. Górecki, P. Kural, Podwodna latarka LED
53
W starych rozwiązaniach latarek podwodnych stosowano żarówki wolframowe lub halogenowe albo lampy wyładowcze HID. Jednak ze względu na wady
tych lamp oraz rozwój technologii LED wiele firm specjalizujących się w systemach oświetlenia podwodnego wykorzystuje przy budowie swoich urządzeń już
praktycznie tylko diody LED [8]. Zaletami diod LED, które są istotne z punktu
widzenia wykorzystywania ich w latarkach nurkowych są: ściśle określona wiązka
światła, szeroka gama dedykowanych kolimatorów (dzięki którym można uzyskać
pożądany kąt wiązki emitowanego światła), światło białe o regulowanej temperaturze barwowej, odporność na wibracje i udary. Obecnie stosowane są w latarkach
diody LED o mocy 1–3 W ze względu na większą skuteczność świetlną niż moduły LED o wyższej mocy. Aby uzyskać pożądany strumień świetlny, należy połączyć kilka diod LED.
Na rynku dostępne są podwodne latarki LED, ale ich cena jest bardzo wysoka
[15]. Dlatego celem pracy jest opracowanie i wykonanie latarki podwodnej opartej
na diodach LED przeznaczonej dla płetwonurków.
W kolejnych rozdziałach przedstawiono koncepcję budowy urządzenia, rozwiązania układu zasilającego i sterującego, opisano zastosowane diody LED.
W dalszej części scharakteryzowano konstrukcję mechaniczną oraz przedstawiono
wyniki przeprowadzonych badań.
1. KONCEPCJA BUDOWY URZĄDZENIA
Latarki podwodne można podzielić nie tylko ze względu na wykorzystywane
źródło światła, ale również z uwagi na przeznaczenie – na latarki rekreacyjne lub
techniczne. Latarki techniczne mają ściśle określone wymagania, co do budowy,
czasu świecenia oraz mocy i są wykorzystywane przez nurków głębinowych lub
nurków specjalizujących się w penetracjach jaskiń [16].
Oświetlenie w konfiguracji technicznej bazuje na jednym głównym źródle
światła i dwóch zapasowych. W niniejszej pracy zaprezentowano podstawowe
źródło światła, jakim jest tzw. latarka podstawowa. Składa się ona zawsze
z kanistra i głowicy z uchwytem typu Goodman [8]. Preferowana moc takiej latarki
przekracza 50 W w przeliczeniu na światło halogenowe, powinna być jak największa przy czasie świecenia przynajmniej dwukrotnie dłuższym od planowanego
czasu używania (ok. 1 godz.) Kąt świecenia powinien być jak najwęższy
i nie przekraczać ±6°. Zapewnia to lepsze punktowe doświetlenie oglądanego
obiektu, zapobiega oślepieniu partnera podczas nurkowania oraz umożliwia komunikację świetlną.
Na rysunku 1 zamieszczono schemat blokowy opracowanej latarki. Jak widać,
na schemacie można wyróżnić trzy bloki. Pierwszy to kanister latarki, w którego
skład wchodzą dwa podbloki: pakiet bateryjny i układ zabezpieczający. Układ zabezpieczający ma za zadanie chronić pakiet bateryjny przed nadmiernym rozładowaniem. Kolejnym blokiem jest przewód i złącza hermetyczne. W tym bloku znaj-
54
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012
duje się przewód o długości 120 cm zakończony z obu stron wtykami oraz dwa
gniazda – jedno zamontowane na głowicy urządzenia, a drugie – na kanistrze.
Poprzez przewód zapewnia się połączenie elektryczne pomiędzy kanistrem z bateriami a głowicą latarki. Ostatnim blokiem jest głowica latarki, obejmująca włącznik magnetyczny, przetwornicę Hyperboost i diody LED. Włącznik ma za zadanie
uruchomić przetwornicę w momencie przekręcenia przez nurka pierścienia z zamontowanym na obudowie magnesem. Sterownik dostosowuje napięcie i prąd
podawany z baterii do wymaganego napięcia i prądu diod LED.
Diody LED
Rys. 1. Schemat blokowy latarki podwodnej
Fig. 1. The block diagram of the under-water flash-light
Obudowa powinna być wykonana z odpornego na mechaniczne uszkodzenia
materiału. W projekcie zastosowano aluminium. Walcowaty kształt obudowy zapewnia zwiększoną odporność na ciśnienie. Aluminium wykazuje również dobre
przewodnictwo cieplne, co umożliwia odprowadzanie ciepła generowanego wewnątrz diod LED oraz układów sterujących i zasilających. Obudowa pełni tutaj
rolę radiatora, pozwalając na oddanie ciepła do otoczenia – wody. Woda jest jednym z mediów najskuteczniej odbierających ciepło, dodatkowo nurek poruszając
się, zwiększa skuteczność konwekcji ciepła [14]. W naszych warunkach klimatycznych temperatura wody, nawet w okresie letnim, na głębokości 15 m rzadko
przekracza 12°C i maleje wraz z głębokością do 4–6°C już przy 35 m. Stwarza to
wręcz idealne warunki chłodzenia elementów latarki. Obudowa powinna być jak
najbardziej gładka, nie powinna zawierać elementów wystających, którymi można
zahaczyć o różnego rodzaju przeszkody podwodne [12].
Kanister na baterie mocuje się na pasie biodrowym nurka po prawej stronie,
przed spadnięciem chroni go zapięta klamra pasa. Wyporność kanistra powinna
55
być mniejsza niż wyporność wody, aby pełnił on również rolę systemu balastowego, który w razie potrzeby można odrzucić. Długość przewodu jest indywidualną sprawą każdego nurka z założeniem możliwości jego wymiany. Z tego względu
zostały zamontowane gniazda kablowe zarówno na głowicy, jak i na kanistrze
bateryjnym [12].
Całość układu powinna być szczelna i odporna na ciśnienie do głębokości
o 50% większej niż planowana głębokość nurkowania [12]. Omawiana latarka
powinna wykazywać szczelność większą niż ciśnienie 10 barów, co odpowiada
głębokości 90 m.
W kolejnych rozdziałach opisano poszczególne bloki skonstruowanej latarki.
2. GŁOWICA LATARKI
Głowica latarki zawiera 12 diod XPG o mocy 3 W, każda firmy Cree, połączonych ze sobą szeregowo. Przy takiej konfiguracji napięcie, jakie powinno wystąpić na wyjściu sterownika przy prądzie równym 1 A, wynosi około 39,6 V.
Budowa pakietu bateryjnego o tak wysokim napięciu byłaby problemem, dlatego
zastosowano przetwornicę boost podwyższającą napięcie.
2.1. Przetwornica Hyperboost
W opracowanej latarce zastosowano przetwornicę o nazwie Hyperboost
w wersji V1.0, produkowaną przez firmę TaskLed. Zawiera ona przetwornicę
boost. Układ Hyperboost V1.0 obejmuje ograniczenie napięcia wyjściowego do
80 V, szeroki zakres napięć wejściowych od 8 do 50 V oraz maksymalną wartość
prądu wejściowego 5 A. Układ posiada płynną regulację prądu wyjściowego za
pośrednictwem precyzyjnego potencjometru wieloobrotowego. Minimalna wartość
prądu wyjściowego jest równa zeru (wówczas diody LED są wyłączone). Maksymalna wartość prądu zasilającego diody zależy od ich rodzaju i jest ograniczona
do 1,4 A. W skonstruowanej latarce maksymalna wartość prądu wyjściowego wynosi 1,24 A, co odpowiada rezystancji potencjometru równej 16,4 kΩ [17].
Jak pokazano w pracy [8], zależność prądu wyjściowego modułu zasilającego od
rezystancji potencjometru jest funkcją monotonicznie rosnącą o przebiegu prawie
liniowym.
Układ Hyperboost V1.0 posiada także zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem biegunów zasilania. Układ ten zmontowany jest na okrągłej płytce drukowanej na laminacie jednostronnym z rdzeniem metalowym o średnicy 35 mm
i wysokości 9 mm [17].
W omawianej latarce układ został przyklejony klejem termoprzewodzącym do
aluminiowej obudowy. Takie rozwiązanie zapewnia dobre chłodzenie elementów
i pozwala na właściwą pracę całego układu.
56
Najważniejszym elementem układu zasilającego jest układ scalony LT3756
firmy Linear Technology. Jest to sterownik przetwornic DC/DC przeznaczony do
pracy jako źródło prądu stałego do zasilania długich łańcuchów LED-owych połączonych szeregowo (rys. 2).
Układ scalony LT3756 ma szeroki zakres napięcia wejściowego od 6 V do
100 V. Układ ten wykorzystuje zewnętrzny tranzystor M1 i może wysterować do
20 diod LED prądem 1 A przy nominalnym napięciu wejściowym 12 V, dostarczając do nich moc przekraczającą 70 W. Przetwornica boost ze sterownikiem
LT3756 w wykorzystywanym trybie pracy może uzyskać sprawność energetyczną
przekraczającą 94%, jednocześnie eliminując potrzebę korzystania z zewnętrznych
układów chłodzenia [7].
W układzie aplikacyjnym dławik L1 stanowi wysokonapięciowa cewka
HC9-220 firmy Coiltronics o indukcyjności 22 μH i tolerancji ±15%. Zastosowano
tranzystor MOSFET typu IRF 3205 firmy International Rectifier. Cechuje się on
bardzo małą rezystancją włączenia RDS(ON) równą 8 mΩ. Z kolei zastosowane
w układzie diody Schottky'ego V8P10 firmy Vishay General Semiconductor charakteryzują się małą pojemnością złącza, dzięki czemu ich typowy czas przełączania wynosi zaledwie 100 ps.
Rys. 2. Schemat przetwornicy Hyperboost [7]
Fig. 2. The diagram of the Hyperboost converter [7]
57
Przedstawiona wyżej przetwornica Hyperboost jest uruchamiana za pomocą
wyłącznika pokazanego na rysunku 3. Rysunek obrazuje zasadę działania wyłącznika. Podstawowym elementem układu jest hermetyczny łącznik elektroniczny
sterowany polem magnetycznym – kontaktron K1. Składa się on z hermetycznej
bańki szklanej, w której w atmosferze gazu obojętnego zatopione są styki z materiału ferromagnetycznego. Pod wpływem odpowiednio ukierunkowanego zewnętrznego pola magnetycznego w stykach tych indukuje się pole magnetyczne,
powodujące ich przyciąganie i zwieranie. Rolę zewnętrznego pola magnetycznego
pełni niewielki magnes neodymowy zamontowany poza obudową latarki na ruchomym pierścieniu.
Magnes
neodymowy
Rys. 3. Schemat wyłącznika magnetycznego
Fig. 3. The diagram of the magnetic switch
W wyniku przesuwania pierścienia magnes oddala się bądź przybliża od łącznika kontaktronowego, powodując zwieranie lub rozwieranie jego styków.
W ten sposób zostaje podane napięcie na bramkę tranzystora T1 i następuje włączenie napięcia zasilającego przetwornicę Hyperboost. Rezystor R1 o rezystancji
1 MΩ eliminuje problem opóźnionego wyłączania tranzystora T1. Takie rozwiązanie nie uwzględnia również problemu wytrzymałości prądowej wyłącznika. Zastosowany tranzystor T1 typu IRF2804 załącza się już przy napięciu UGS = 2 V i wytrzymuje prądy drenu rzędu kilkudziesięciu amperów.
2.2. Baterie
Zasilanie bateryjne musi spełniać dwa wymagania. Powinno zasilić poprzez
przetwornicę Hyperboost zastosowane diody LED przez okres około dwóch godzin
oraz mieć jak najmniejsze wymiary. W związku z tym zdecydowano się na pakiet
akumulatorów litowo-jonowych zbudowany na zamówienie przez firmę BTO na
bazie 12 ogniw 18650 firmy SANYO o pojemności 2,6 Ah każde. Każde z tych
ogniw posiada nominalne napięcie 3,7 V i może pracować w temperaturach
od –20°C do 45°C, co jest ważne w przypadku nurkowania zimą oraz w bardzo
58
zimnych wodach ze względu na minimalną utratę pojemności akumulatorów.
Napięcie nominalne pakietu wynosi 14,8 V, a jego pojemność – 7,8 Ah.
Cały pakiet ma średnicę zaledwie 56 mm i wysokość 142 mm oraz posiada
wbudowany elektroniczny układ zabezpieczający. Układ ten zabezpiecza akumulatory przed: nadmiernym rozładowaniem, przeładowaniem, zbyt wysokim prądem
wyjściowym itp. Maksymalny prąd, jaki można pobrać z pakietu, wynosi 7 A.
2.3. Diody LED wraz z układem optycznym
Diody LED wykorzystywane w opisywanej latarce powinny cechować się
łączną mocą nie mniejszą niż 30 W i skutecznością świetlną powyżej 120 lm/W,
minimalnymi rozmiarami łącznie z zastosowanym układem optycznym oraz jak
najmniejszym kątem świecenia – poniżej 8°. W związku z takimi wymaganiami
zdecydowano się na najwydajniejsze obecnie diody LED mocy firmy Cree.
Wybrano diody z serii Cree XLamp XPG o mocy 3 W o temperaturze barwowej 6500 K. Taka temperatura jest określana mianem „zimnej bieli” i umożliwia
najwierniejsze odwzorowanie kolorów w środowisku wodnym.
Diody te zawierają cztery struktury półprzewodnikowe w jednej obudowie,
dzięki czemu przy wymiarach 3,45 × 3,45 mm mają zwartą konstrukcję. Nie posiadają żadnych wystających nóżek ani elementów, które mogłyby w jakiś sposób
przeszkadzać przy montażu. Obudowa diod jest mała, bardzo estetyczna
i ergonomiczna. Mają one skuteczność świetlną do 147 lm/W przy prądzie 350 mA,
a przy prądzie maksymalnym 1,5 A można uzyskać strumień świetlny do 490 lm
[17].
Istotne wymaganie stanowi neutralność elektryczna kontaktu termicznego,
który jest ścieżką, przez którą wyprowadzana jest główna część ciepła ze struktury
półprzewodnikowej diody LED mocy. W przypadku diody XPG jest on neutralny
elektrycznie. W konsekwencji pomiędzy kontaktem termicznym a podłożem
(radiatorem MCPCB) nie trzeba stosować izolacji elektrycznej, co uprościło znacznie proces montażu oraz obniżyło koszty połączenia 12 pojedynczych diod LED
zawartych w skonstruowanej lampie [17].
Wykorzystane w opisywanym projekcie diody cechują się bardzo małą
rezystancją termiczną równą 6 K/W. W latarkach przeznaczonych do nurkowania
bardzo ważne jest skuteczne odprowadzenie ciepła ze struktury do obudowy,
ponieważ z braku możliwości zastosowania wentylatorów w grę wchodzi tylko
chłodzenie pasywne. Przy zastosowaniu 12 rozważanych diod położonych bardzo
blisko siebie istnieje potrzeba odprowadzenia 36 W mocy z powierzchni obudowy
równej około 60 cm2.
Aby zrealizować to zadanie, zastosowano podłoża pod diody MCPCB firmy
Cree, pokazane wraz z zalutowaną diodą XPG na rysunku 4.
59
Rys. 4. Dioda Cree XPG o mocy 3 W na podłożu MCPCB typu Star
Fig. 4. The diode Cree XPG of the dissipated power equal 3 W mounted
on the MCPCB of the Star type
Podłoże to jest wykonane z aluminium i dzięki unikatowej technologii izolowania kontaktu termicznego skutecznie odprowadza ciepło ze struktury półprzewodnikowej diody poprzez podłoże MCPCB do radiatora, którym w tym przypadku jest aluminiowa obudowa latarki. Podłoże to umożliwia również znacznie
prostszy montaż przewodów oraz kolimatorów.
Jak wynika z danych katalogowych [17], przy napięciu 3 V przez diodę płynie
prąd równy 350 mA, a przy prądzie 1,5 A napięcie osiąga wartość bliską 3,6 V.
Maksymalna wartość napięcia przewodzenia podawana w karcie katalogowej wynosi 3,75 V.
Wszystkie 12 diod XPG wykorzystanych w konstrukcji latarki umieszczono
na pojedynczych podłożach MCPCB i połączono szeregowo. Każde podłoże zostało starannie dociśnięte do obudowy latarki i przyklejone dwuskładnikowym klejem
termoprzewodzącym Thermopox 85 CT o przewodności cieplnej powyżej 7 W/mK.
Przyklejone do podłoża diody są widoczne na rysunku 5.
Rys. 5. Głowica latarki z zamontowanymi diodami XPG na podłożach z MCPCB
Fig. 5. The cap of the flash-light with installed XPG diodes mounted on MCPCB
60
Dążenie do jak najlepszego odprowadzenia ciepła ze struktury diod LED XPG
jest bardzo ważne, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury maleje emitowany
strumień świetlny [2, 4, 6]. Doprowadzenie do maksymalnej temperatury wnętrza
diody, przy której dioda pracuje poprawnie, skutkuje prawie 30% spadkiem strumienia świetlnego [6], dlatego tak ważne jest zapewnienie skutecznego jej chłodzenia.
Diody XPG cechują się kątem świecenia równym około 135°. W związku
z tym do skupienia światła zastosowano kolimatory skupiające LXP Real Spot
firmy Ledil o kącie rozchodzenia się wiązki świetlnej ±3°. Kolimator został specjalnie zaprojektowany dla diod XPG firmy Cree.
Przy projektowaniu kolimatorów zwrócono szczególną uwagę na to, iż będą
one wykorzystywane do skupienia światła białego. Materiał optyczny, z którego
została wykonana soczewka, jest klasy PMMA, co pozwala na stosowanie jej
w wysokiej temperaturze, przekraczającej 150°C. Ich sprawność optyczna wynosi
ponad 90%, przy czym uzyskują one bardzo dobre skupienie wiązki z minimalną
poświatą boczną. Uproszczony został również proces kalibracji diody z soczewką
poprzez wycięcie specjalnego otworu w dolnej części kolimatora. Mocowanie do
radiatora odbywa się za pomocą taśmy klejącej wykonanej z pianki poliuretanowej,
co znacznie upraszcza prawidłowy i trwały montaż soczewki.
Wiązka świetlna emitowana przez diodę LED XPG po przejściu przez soczewkę kolimatora LPX Real Spot zawęża się do kąta emisji poniżej 10°. Przy
rzeczywistym, prostopadłym oświetlaniu z bliskiej odległości jasnej ściany wyraźnie widać jeden skupiony punkt pośrodku oraz delikatną poświatę boczną. Kąt na
takim poziomie oraz delikatna poświata boczna są odpowiednie do zastosowania
w latarkach przeznaczonych do nurkowania.
3. KONSTRUKCJA MECHANICZNA
3.1. Budowa głowicy latarki
Konstrukcja mechaniczna była jednym z najtrudniejszych elementów do zaprojektowania i wykonania w budowie całego urządzenia ze względu na postawione wymagania. Główne założenia obejmowały obudowę całkowicie wodoszczelną,
odporną na uszkodzenia mechaniczne oraz na ciśnienie powyżej 8 barów. Dlatego
też głowica latarki, jak i kanister na baterie, zostały wykonane ze stopu aluminium
PA 6, który jest domieszkowany miedzią i magnezem. Stop ten jest odporny na
korozję oraz dobrze przewodzi ciepło. Charakteryzuje się dobrymi właściwościami
wytrzymałościowymi, wysoką wytrzymałością na rozciąganie, bardzo dobrą wytrzymałością zmęczeniową, daje się spawać, stosowany jest do produkcji obciążonych elementów konstrukcji samolotów, maszyn, sprzętu wojskowego. Poza tym
jest stosunkowo łatwy w obróbce. Głowica latarki została wytoczona z jednego
wałka o średnicy 100 mm i długości 70 mm tak, aby uniknąć połączeń, które mogłyby być miejscami nieszczelności i większej rezystancji cieplnej.
61
Grubość ścianek w najcieńszym miejscu wynosi 5 mm, co pozwala na wytrzymałość ciśnieniową powyżej 15 barów oraz znaczną odporność mechaniczną.
Do głowicy latarki zostały dotoczone odpowiednich rozmiarów pierścienie, które
spełniają kilka zadań. Pierwsze z nich stanowi zamknięcie latarki od tyłu, gdzie
znajduje się gniazdo przewodu zasilającego. W miejscu styku wykonano połączenie gwintowane i pierścień, po wcześniejszym posmarowaniu silikonem nurkowym, został wkręcony w korpus głowicy. Kolejny pierścień pełni rolę wyłącznika
obrotowego (opisanego w rozdziale 2) i został on dopasowany w taki sposób, aby
obracał się z niewielkim oporem. Ostatni pierścień jest umieszczony z przodu latarki. Wykonano go tak, aby po posmarowaniu jego gwintu silikonem nurkowym
możliwie mocno docisnął znajdującą się w przedniej części latarki szybkę.
Wszystkie połączenia gwintowane posmarowano silikonem nurkowym, który po
związaniu tworzy hermetyczne połączenia.
Pierścienie wykorzystane w głowicy pokazano na rysunkach 6 i 7.
Rys. 6. Korpus latarki wraz z pierścieniami i gniazdem przewodu zasilającego
zamontowane w tylnej części głowicy latarki [8]
Fig. 6. The corps of the flash-light together with rings and the socket of the power supply
connector installed in the afterbody of the cap of the flash-light [8]
Rys. 7. Przedni pierścień wraz z szybką i korpusem głowicy latarki [8]
Fig. 7. The front ring together with quick and with the corps of the cap of the flash-light [8]
62
Szkiełko widoczne na rysunku 7 zostało wykonane ze szkła hartowanego
o grubości 10 mm. Ma ono średnicę 95 mm i odporność na ciśnienie powyżej
10 barów. Jego trzymilimetrowa krawędź opiera się na rancie korpusu widocznego
na rysunku 7, a gwintowane połączenie pomiędzy pierścieniem a korpusem głowicy latarki wystarczająco mocno dociska szybkę.
Przy konstrukcji głowicy ważnym elementem jest także uchwyt latarki, za
który nurek będzie mógł trzymać głowicę. Zdecydowano się na jeden z najpowszechniej używanych przez nurków technicznych uchwytów, tzw. uchwyt
Goodmana [12], zaprezentowany wraz z zamontowaną głowicą na rysunku 8.
Uchwyt ten został zaprojektowany tak, aby zapewnić maksymalny komfort
i łatwość użytkowania. Wykonano go z anodowanego aluminium i przykręcono
nierdzewnymi śrubami do głowicy. Za pomocą śrubek ze stali nierdzewnej możliwe jest dostosowanie uchwytu do indywidualnych potrzeb użytkownika. Uchwyt
ma także otwory, poprzez które można go lustrzanie połączyć z takim samym
uchwytem, na którym będzie zamontowany np. kołowrotek.
Rys. 8. Głowica latarki zamontowana na uchwycie typu Goodman
Fig. 8. The cap of the flash-light installed on the handle of the type Goodman
63
3.2. Przewód zasilający wraz z wtykami i gniazdami
Jednym z głównych miejsc, w których dochodzi do rozszczelnienia konstrukcji latarek nurkowych, jest miejsce złącza zasilającego. Chcąc wyeliminować to
zagrożenie, wykorzystano przewód zasilający o długości 1,2 m, wykonany z dwóch
linek miedzianych o przekroju 2,5 mm2, oplecionych siatką wzmacniającą i izolacją
wykonaną z silikonu. Przewód zakończony jest z każdej strony wtykami typu męskiego, wykonanymi na specjalne zamówienie przez firmę GralMarine.
Wtyk jest 2-pinowy, a przewód zerowy jest odizolowany od obudowy. Złącze
to ma pozłacane końcówki oraz unikatowy system, który odpowiada za całkowitą
szczelność połączenia. Zastosowano w nim dwie uszczelki gumowe typu o-ring,
wciskane razem ze złączem do gniazda oraz nagwintowanego pierścienia zewnętrznego, który poprzez dokręcenie dociska o-ringi, zapewniając szczelność.
Złącze wykonano ze stopu stali nierdzewnej, przez co jest odporne na działanie
wody morskiej.
Gniazdo jest również wykonane ze stali nierdzewnej i posiada gwint na zewnętrznej stronie, na który nachodzi pierścień wtyku. Gniazda wtykowe umieszczone są w kanistrze oraz w głowicy za pomocą połączenia gwintowanego
M16×1,5, które przed dokręceniem posmarowano silikonem nurkowym. Zapewnia
to szczelność połączenia przy jednoczesnej możliwości szybkiego i prostego rozłączenia kanistra i głowicy w celu transportu czy ładowania baterii. Jest to również
dobre rozwiązanie ze względu na to, iż przy uszkodzeniu przewodu bądź wymianie
go na inny nie trzeba ingerować w głowicę latarki ani wnętrze kanistra.
3.3. Budowa kanistra na baterię
Kanister bateryjny ma kształt walca ze względu na lepszą odporność mechaniczną na wysokie ciśnienia niż bryły o płaskich ściankach. Bateria zasilająca głowicę LED ma średnicę 56 mm i długość 142 mm. W związku z tym do projektu
została użyta rura aluminiowa ze stopu PA 6 o średnicy 60 mm i grubości ścianki
2 mm, co daje 56 mm średnicy wewnętrznej. Rurę obcięto na długość 220 mm.
78 mm zapasu z długości wykorzystano na niezbędne podłączenia przewodów oraz
na system zamknięcia kanistra. Do zamknięcia wykorzystane zostały specjalne
„kapsle” [8]. Owe „kapsle” wciśnięto w rurę aż do miejsca, w którym oparły się na
rancie rury. Na ich części, która wsuwa się w rurę kanistra, przetoczono dwa rowki
o szerokości 3 mm i głębokości 2 mm i w tych miejscach umieszczono uszczelki
gumowe typu o-ring o grubości 3 mm i średnicy 54 mm. Uszczelki o–ring
są troszkę mniejsze niż średnica „kapsla” ze względu na lepsze dopasowanie
i zmniejszenie ryzyka przesunięcia się podczas wciskania.
„Kapsle” zostały wciśnięte w rurę kanistra za pomocą wazeliny technicznej,
aby nie uszkodzić uszczelek o-ring. W jednym z „kapsli” nawiercono i nagwintowano otwór M16×1,5, w który wkręcono gniazdo przewodu zasilającego. Dokonano tego po wcześniejszym posmarowaniu gniazda silikonem nurkowym w celu
64
uszczelnienia połączenia. Również w tym „kapslu” zostały umieszczone dwie śruby z uchem po przeciwległych stronach wierzchniej części „kapsla”. Śruby te spełniają dwie funkcje. Pierwsza z nich stanowi system mocowania poprzez karabińczyk do pasa biodrowego nurka. Druga funkcja to system otwierania kanistra.
Wykorzystuje się go tylko w sytuacjach awaryjnych lub w celach serwisowych,
ponieważ ładowanie baterii odbywa się przez złącze zasilające umieszczone na
zewnątrz kanistra bez potrzeby jego otwierania.
4. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH
względna moc promieniowania
W celu weryfikacji poprawności wykonanego projektu wykonano pomiary
skonstruowanej latarki, a ich wyniki przedstawiono w dalszej części rozdziału.
Najpierw zmierzono widmo promieniowania emitowanego przez skonstruowaną latarkę LED. Głowicę latarki umieszczono w tubie o długości 1 m, która
została owinięta kilkukrotnie taśmą montażową w celu całkowitej światłoszczelności. Ze względu na zbyt dużą wartość strumienia świetlnego w odległości 40 cm
od głowicy LED umieszczono przesłonę z jednym otworem o średnicy 3 mm,
znajdującym się dokładnie w osi tuby. Po drugiej stronie również w osi tuby
umieszczono gniazdo światłowodu. Do gniazda przykręcono metrowy odcinek
światłowodu, poprzez który wiązka światła dochodzi do spektrometru Ocean
Optics USB650. Spektrometr poprzez złącze USB łączy się z komputerem PC
z zainstalowanym oprogramowaniem Spectra Suite. Przed włączeniem źródła
światła zarejestrowano prąd ciemny sensora CCD w spektrometrze. Po włączeniu
latarki zmierzono widmo jej promieniowania dla wybranych wartości napięcia
zasilania.
Uzyskane wyniki pomiarów zaprezentowano na rysunku 9.
70000
Uwe = 6,7 V
Uwe = 15,2 V
Uwe = 14,7 V
Uwe = 20 V
Uwe = 25 V
Uwe = 30 V
Uwe = 35 V
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
400
450
500
550
600
650
700
750
800
λ [nm]
Rys. 9. Widmo emitowanego promieniowania latarki LED
dla różnych wartości napięcia zasilania
Fig. 9. The spectrum of emitted radiation of the LED flash-light
for different values of the supply voltage
65
Jak widać na przedstawionym wykresie, wartości względnego natężenia światła dla wartości napięcia zasilającego równego i większego od napięcia zasilającej
baterii w znacznym stopniu pokrywają się. Można więc wnioskować, iż dane katalogowe przetwornicy Hyperboost, dotyczące zakresu napięcia wejściowego
8–50 V, pokrywają się z przeprowadzonymi doświadczeniami. Odstępstwa od
wartości maksymalnej w szczytowej części wykresu mieszczą się w granicach
błędu pomiaru. Napięcie 6,7 V, które jest mniejsze od minimalnej wartości katalogowej napięcia wejściowego dla sterownika Hyperboost, okazało się niewystarczające do zasilenia 12 diod LED, stąd o połowę mniejsza wartość względnego natężenia światła. Kształt wykresu widma jest typowy dla biało świecących diod LED
z luminoforem.
Pomiary natężenia oświetlenia latarki LED zostały wykonane przy użyciu
luksomierza.
Na rysunku 10 pokazano zmierzoną zależność natężenia oświetlenia od napięcia zasilania. Jak można zauważyć, największą wartość natężenia oświetlenia
uzyskano dla napięcia zasilania równego około 15 V, co świadczy o najwyższej
skuteczności świetlnej latarki LED przy zasilaniu bateryjnym wynoszącym 14,8 V.
Natężenie oświetlenia przy wyższym napięciu nieznacznie maleje, co może być
również spowodowane wzrostem temperatury obudowy głowicy latarki. Natężenie
oświetlenia na poziomie 140 klx jest wystarczające i spełnia założenia projektowe.
160
140
E [klx]
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Uwe [V]
Rys. 10. Wykres natężenia oświetlenia w funkcji napięcia zasilania
Fig. 10. The dependence of the illuminance on the supply voltage
Na rysunku 11 przedstawiono zależność prądu zasilania od napięcia zasilania
badanej latarki. Jak widać, największa wartość pobieranego prądu, przekraczająca
3,5 A, występuje przy napięciu zasilającym bliskim 15 V.
66
4
3,5
Iwe [A]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Uwe [V]
Rys. 11. Wykres natężenia prądu wejściowego w funkcji zmian napięcia zasilającego
Fig. 11. The dependence of the input current on the supply voltage
PODSUMOWANIE
W artykule opisano projekt oraz konstrukcję latarki podwodnej opartej na
diodach LED. Przedstawiono zarówno schemat układów elektrycznych, jak i rozwiązanie konstrukcji mechanicznej opracowanej latarki. Wykonane pomiary parametrów optycznych i elektrycznych skonstruowanej latarki potwierdziły poprawność projektu.
Obecnie na rynku latarek do nurkowania jest niewiele urządzeń o podobnych
parametrach, spełniających wszystkie postawione wymagania, a co za tym idzie,
opisana w pracy konstrukcja może konkurować z innymi tego typu latarkami.
Koszty budowy opisanej w pracy latarki nie przekroczyły 2000 zł, co przy cenach
rynkowych tego typu urządzeń na poziomie od 5000 zł jest ważnym atutem przedstawionej konstrukcji.
LITERATURA
1. Craford M.G., Recent progress of LEDs for lighting, Lumileds, 2001.
2. Górecki K., Electrothermal model of a power LED for SPICE, International Journal of Numerical
Modelling Electronic Network, Devices and Fields, Vol. 25, 2012, No. 1, s. 39–45.
3. Górecki K., Półprzewodnikowe źródła światła, Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz 2010.
4. Górecki K., Górecka K., Wpływ zjawisk cieplnych na właściwości diody LED mocy, Przegląd
Elektrotechniczny, Vol. 87, 2011, nr 7, s. 144–147.
67
5. Górecki K., Zarębski J., Wpływ wybranych czynników na właściwości półprzewodnikowych źródeł światła, „Elektronika”, 2008, nr 10, s. 73–77.
6. Karta katalogowa firmy Cree, Cree® XLamp® XP-G LEDs, http://cree.com/products/xlamp.asp.
7. Karta katalogowa firmy Linear Technology, LT3756/LT3756-1/LT3756-2, http://www.linear.
com/product/LT3756.
8. Kural P., Projekt i konstrukcja podwodnej latarki LED, praca dyplomowa inżynierska, Wydział
Elektryczny, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2011.
9. Martin P.S., High power white LED Technology for Solid State Lighting, Lumileds, 2005.
10. Miyawaki Y., Wang Dongxu, Tanaka O., Ooyama N., Okuno A., Unique Transparent Resin and
Vacuum Printing Encapsulation Systems (VPES) Packaging Method for New White LED, 6th
International Conference on Polymers and Adhesives in Microelectronics and Photonics Polytronic 2007, Odaiba, Tokyo 2007, Japan, s. 81–86.
11. Mroziewicz B., Biało-świecące diody LED rewolucjonizują technikę oświetleniową, „Elektronika”,
2010, nr 9, s. 145–154.
12. Poręba P., Nurkowanie techniczne, Wydawnictwo Bell Studio, Warszawa 2010.
13. Schubert E.F., Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, Cambridge 2006.
14. Zarębski J., Właściwości cieplne elementów półprzewodnikowych i układów elektronicznych,
Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz 2010.
Strony internetowe:
15. http://www.gralmarine.com/.
16. http://www.nurkomania.pl/.
17. http://www.taskled.com/hboost.html.
THE UNDER-WATER FLASH-LIGHT LED
Summary
In the paper the under-water flash-light LED constructed by the authors was presented. The construction
of this flash-light was described and selected results of measurement of characterizations of these
flash-light were shown.
Keywords: LEDs, diving, measurements.

podwodna latarka led - Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni

Transkrypt

Podobne dokumenty

żarówka led MR16 3,5W

Latarka ENERGIZER Booklite Led + 2szt. baterii CR2023, czarna

Pasek LED ART IP65 8mm*5m 4.8W/m 60xSMD3528/m DC12V WW