Wyszukiwanie informacji

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 10-35°. Diody Flux najczęściej mają szerszy kąt
świecenia - 100-140°. 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
. W najprostszym przykładzie, gdy
odłoŜy się napięcie o przybliŜonej wartości
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
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
zalecane jest połączenie szeregowe. Wyjątkiem będzie
zasilania wyŜszych od
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
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
. Zgodnie z drugim
trzech diodach połączonych równolegle odłoŜy się napięcie
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
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
w przypadku baterii alkalicznych, albo
dysponujemy źródłem napięcia o wartości
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
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
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.
dla kaŜdego modułu
złoŜonego z 7 diod połączonych szeregowo.
Porównanie jasności
Wnioski z przeprowadzonych poniŜej doświadczeń pozwolą na wstępne oszacowanie
zapotrzebowania na odpowiednią liczbę diod mających zapewnić porównywalną jasność z
uŜywanymi Ŝarówkami lub świetlówkami jarzeniowymi.