|
Żarówka z diodami LED - nowy standard oświetlenia energooszczędnego... Na stronie pana Dariusz Flagi http://home.elka.pw.edu.pl/~dflaga/led_lamp znaleźliśmy opis jak przerobić zwykłą latarkę na energooszczędną z żarówką LED, która zużywa 10 razy mniej energii dając
podobną ilość światła. Układ może wykonać każdy, gdyż jest banalnie
prosty. Jest to znakomity przykład zastosowania nowych technologii oszczędzających
środowisko naturalne. Układ taki dobrze współpracuje z fotoogniwem. Przed
LED-ami rysuje się świetlana przyszłość. Żarówki taki zużywają 10 razy
mniej energii i świecą 100 razy dłużej niż zwykłe żarówki.
W sprzedaży pojawiły się już profesjonalne źródła światła oparte na
układach z diodami LED. Oferta jest dość bogata. Znamienne jest to, że żarówki
LED w ciągu ostatnich 12 miesięcy potaniały pięciokrotnie. Jeszcze nie tak
dawno żarówka oparta na diodach LED o mocy 20W kosztowała 400 złotych a
obecnie 20 zł! Więcej informacji na stronie led.ekologika.com.pl">led. Jest to chyba jeden z niewielu powalających swą prostotą układów, który
pod względem stosunku złożoności do uzyskanego efektu znajduje się w ścisłej
czołówce. Dodatkowo nie zawiera on żadnych niestandardowych, czy
specjalizowanych układów elektronicznych - jedynie zwykły bipolarny
tranzystor, rezystor, kawałek magnetyka, kilkanaście cm cienkiego drucika, no
i oczywiście LED.
Schemat ten w/g licznych internetowych źródeł został po raz pierwszy
opublikowany przez Z. Kaparnik`a w "Everyday Practical Electronics" w
listopadzie 1999r. Aż dziw, że nikt na to nie wpadł wcześniej, aaaaach... że
też ja na to nie padłem wcześniej ;-)
Ponieważ układ mówiąc łagodnie jest nieco "banalny" pozwoliłem
sobie go przedstawić możliwie prostym słowno-muzycznym a miejscami nawet wręcz
poetyckim językiem, tym razem bez żadnych zbędnych technikaliów.
Po co?
- 1,5V czyli jedna bateria
- małe rozmiary
- lekka waga
- niski koszt (zawsze wychodzi taniej niż 3 lub więcej)
- LED zamiast żarówki
- podobny strumień światła za niecałe 50mA zamiast 0,5A (czyli żywotność
baterii jest ~10x większa)
- niezależnie od stanu baterii (napięcie ok. 0,8-1,5V) mamy zawsze
"zimne" śnieżno-białe światło, a nie żółte... pomarańczowe...
brązowe
- LED pracujący w prawidłowych warunkach powinien działać non-stop
min. 100`000 godzin, żarówka od kilkunastu do kilkudziesięciu
- Dla zabawy
- jest to układ z kategorii "małe a cieszy"
- Dla nauki
- nie ma to jak na własne oczy ;-) doświadczać różnych ciekawych
zjawisk zachodzących w świecie półprzewodników, elektronów i
innych takich tam...
Konstrukcja:
Cały układ składa się z 4 elementów.
- led.ekologika.com.pl" target="_blank">Dioda LED (D)
Praktycznie dowolna (pod względem koloru, budowy, czy technologii).
LEDy klasyczne IR, czerwone, żółte, zielone mają zwykle napięcie pracy
1,7-1,9V.
LEDy o krótszej długości fali tj. niebieskie, czy UV pracują przy nieco
wyższych napięciach 3,2-4V
Podobnie diody białe (np. te produkowane na bazie diod niebieskich z
fosforowym luminoforem) będą miały ok. 3,6V.
Ale jeśli chodzi o LEDy, to ważniejszym od napięcia parametrem pracy jest
prąd.
Zwykle większość typowych diod pracuje przy prądach do 20mA i takie
generalnie można przyjąć jako bezpieczne, chociaż są i takie, co ciągną
nominalnie ponad 0,5A (np. luxeon).
Jaką diodę wybrać? - Najjaśniejszą!
Wielu sprzedawców prześciga się w zachwalaniu swoich diod. Jedni twierdzą,
że mają super-jasne, inni super-hiper jasne, a jeszcze inni jeszcze coś
innego.
Co więc opisuje jasność LEDów? - jednosta Kandela [cd].
Ale uwaga - kandela kandeli nie równa. Kandela jest jednostką światłości
(w układzie SI), mówiąc prościej dioda posiadająca 12`000 mcd może nie
wydawać się tak jasna jak dioda 5`000 mcd. Bo tę "światłość"
można różnie skupić. Jedne diody mają kąt świecenia 8° (te bliżej
10cd) a inne np. 30° (2-5cd).
Byćmoże bardziej właściwciwy i mniej "marketingowy" byłby tu
lumen [lm] - jednostka także z układu SI określająca strumień swietlny,
czyli ową światłość "emitowaną" w dany kąt bryłowy.
Jakkolwiek by to nie było, to nawet obecne pojedyńcze kandele to i tak
wielki przełom w stosunku do LEDów produkowanych wcale nie tak dawno, bo
kilka-kilkanaście lat temu, które miały średnio 0,3-5 mcd, czyli ponad
tysiąc razy mnieszą jasność. Niesamowite jest także to, że zamykając
obwód ręką widać w dziennym świetle, jak nieznacznie zapala się taki
jasny LED, a płynący przez niego prąd ma mocno poniżej 100 nA!
Ja użyłem tu białej 5mm led.ekologika.com.pl" target="_blank">diody LED o kącie 8° i światłości (podobno)
12cd.
- Tranzystor (Q)
Dowolny bipolarny. Może być zarówno NPN jak i PNP (co najwyżej będziesz
musiał zamienić bieguny zasilania).
Mówiąc bardziej precyzyjnie to taki, który ma raczej większy niż
mniejszy prąd kolektora (100-300mA wystarczy), do tego taki, który ma
wzmocnienie hfe (h21, czy tzw. beta) raczej większe i jeszcze fajnie jakby
miał niskie napięcie nasycenia (Vsat) oraz duże napięcie przebicia Vce.
Nie przejmuj się... może nie rozwinie pełni skrzydeł, ale na pewno
zadziała każdy krzemowy tranzystor małej mocy.
Ja użyłem do tego celu tranzystora BC
337, który sprawdza się w tym układzie doskonale i do tego jest mały.
- Rezystor (R)
Jego wartość ustala prawidłowy punkt pracy tranzystora zapewniając
odpowiedni prąd podkładu polaryzujący tranzystor.
Im mniejsza jego wartość, tym większym prądem wysterowywany jest
tranzystor i większa energia magazynowana jest w rdzeniu transformatorka,
tym dioda jaśniej świeci.
Jednakże zbyt mała jego wartość może spowodować wyjście układu poza
zakres generacji, co doprowadzi tranzystor do trwałego wejścia w stan
nasycenia, co przy tak niskim obiążeniu (kilka zwoi uzwojenia) może
spowodać jego termicznego uszkodzenie.
Za wartość bezpieczną można uznać rezystancję od kilkuset do 1k oma -
najlepiej dobrać ją doświadczalnie.
Może się też tak, zdarzyć, że ilość energii dostarczanej ze rdzenia w
postaci prądu "dla diody" LED będzie większa od jej wartości
dopuszczalnych. Łatwiej jest wtedy zwiększyć wartość tego oporu do
kilku, czy kilkunastu kilo omów niż np. odwijać zwoje.
- Transformator (T)
Jest to najbadziej kluczowy element tego układu.
Od niego zależy jak mocno będzie nasz LED świecił, jaką uzyskamy
sprawność układu (ilość energii skierowanej na diodę w stosunku do ilości
energii pobranej ze źródła - np. z baterii) i czy w ogóle nasz układ
zadziała.
Wielu elektroników (w tym także ja) z pewnym dystansem podchodzi do
wszelkiego rodzaju cewek, transformatorów (no, może poza sieciowymi) byćmoże
ze względu na ich niezbyt łatwy do wyobrażenia, czy przewidzenia oraz dość
mocno złożony charakter. Nie chciałbym w tym miejscu wchocić w szczegóły
zjawisk fizycznych zachodzących w "tym czymś" oraz modeli, ani
przytaczać szeregu wzorów przybliżających jego zachowanie, nie dlatego,
że są one mało ciekawe, ale dlatego, że ich znajomość nie jest
konieczna do wykonania tego jakże prostego układu.
Jaki rdzeń? - Najlepiej toroidalny. Figura ta nazywana jest przez matematyków
torusem, ale mówiąc prościej jest to zbudowany z odpowiedniego materiału
pączek z dziurką, precelek, obważanek, pierściąnek, oponka, czy
jakkolwiek inaczej to nazwiesz ;-) A materiałem tym powinien być ferryt
lub inny materiał o podobnych magnetycznych właściwościach np. rdzeń żelazny
proszkowy.
Zamiast toroidu może być rdzeń otwarty, ale z uwagi na relatywnie mniejszą
indukcję będzie dawał gorsze rezultaty (gorsza sprawność, mniejsza
jasność). Jakby się ktoś uparł to i mógłby go od biedy nawinąć na
stalowej nakrętce fi.4-6 (o! i jeżeli miałeś wątpliwości jak "to
ciastko" wygląda, to już pewnie wiesz, a jak nie, to za kilka chwil
zobaczysz na zdjęciu ;-) Działać to będzie, ale nie spodziewaj się wówczas
żadnych "kosmiczych" osiągów.
Ja do tego celu użyłem kilku różnych rdzeni ferrytowych od miniatórki
mniejszej od łebka zapałki o średnicy 2,5mm (ale ten akurat mi nie zadziałał),
przez 4mm do 10mm i o wysokości od 1 do ok. 4mm.
Toroidy ferrytowe fi.2,5mm oraz fi.5mm
Mówiąc bardziej technicznie potrzebujemy rdzeń, który da nam indukcyjność
rzędu 1uH/zwój (czyli AL~800-1000n, gdzie L=N^2*AL) i będzie pracował
przy częstotliwości do min. kilkuset kHz.
Skoro mamy rdzeń "z dziurką", to nawijać będzie go trzeba bawiąc
się "w haftowanie", czyli przewlekając.
Kształt rdzenia w sposób bardzo bezpośreni wyznacza nam grubość
przewodu uzwojenia jakie musimy wykręcić - mówiąc prosto trzeba zrobić
tak, żeby się zmieściło.
Ja użyłem drutu emaliowanego o średnicy 0,15mm.
No właśnie... nawinąć, ale ile?
I tu zaczyna się... może nie kanał, ale raczej pole do popisu.
Jeżeli co najmniej 3 razy zgubiłeś się czytając ten opis sugeruję
nawinąć 2x 10 zwojów.
Ja robiąc pomiary, co nie ukrywam trochę mi czasu zajęło, dla kilku zbliżonych
pod względem parametrów rdzeni określiłem optimum na 10zw. sterującego
(od strony bazy szeregowo z R) + 30zw. głównego (tego od strony kolektora
przy D).
Optimum to dawało mi, przy zasilaniu z nisko impedancyjnego źródła 1,5V
(czyli to co mogę uzyskać z najlepszej typowej baterii 1,5V) średni prąd
LED`a na poziomie 20mA przy zachowaniu całkiem wysokiej sprawności układu.
To jak nawinięte są uzwojenia (w lewo, w prawo, zwój przy zwoju, obok
siebie, jedno na drugim, jak wyjdzie, ...) nie ma większego znaczenia, ważne
aby początek i koniec nawijanych w tym samym kierunku obydwu uzwojeń były
znane (na schemacie początki uzwojeń oznaczone są kropką).
Jeżeli uporasz się z tą jedną częścią, to cała reszta, to bułka z
masłem ;-)
Zasada działania:
Układ jest w rzeczywistości generatorem samowzbudnym, w najbradziej klasycznej
i prostej postaci.
Bardzo przypomina dość popularny generator WN do zasilania "turystycznej
świetlówki". Główną różnicą między nimi, to brak uzwojenia WN. W
obecnym układzie napięcie zasilające diodę LED nie musi być aż tak wysokie
(1,8 - 3,8V), jak w przypadku jonizacji gazu w lampie próżniowej (90V w górę).
Nie ma więc potrzeby powielania go na osobnym uzwojeniu transformatora,
wystarczy indukcja na uzwojeniu głównym.
OK, na moment spójrzmy na temat z innej peryspektywy... dlaczego w układach
sterowania elementami o charakterze indukcyjnym (przekaźniki, silniki itp.)
stosuje się równolegle blokujące diody?
Otóż dlatego, że przy zmianie napięcia (zwłaszcza skokowej) indukuje się w
nich czasem bardzo duża siłą elektromotoryczna, czyli mówiąc prościej
pojawia się w bardzo ostrym piku napięcie mogące zakłucić bądź uszkodzić
otaczający go układ. Z tego samego powodu włączany z niskiego napięcia
przekaźnik potrafi nieźle "kopnąć".
Taką samą zasadę wykorzystuje opisany tu układ.
Jak duże napięcie da się w ten sposób uzyskać?
Wystarczająco duże by zasilić szeregowo nie jedną, ale nawet kilka diod LED.
Wszystko zależy od transformatorka.
Sprawdziłem kilka miniaturowych rdzeni z różnymi kombinacjami liczby uzwojeń
i bez led.ekologika.com.pl" target="_blank">diody LED uzyskałem od 20 do ok. 60V z 1,5V źródła.
Oczywiście jest to napięcie maksymalne w impulsie.
Oznacza, to że przedstawiony układ nie dostarcza stałego napięcia do diody
LED, ale robi to w przerywanych cyklach.
W opisanym przypadku (zależnie od użytego transformatora) uzyskano częstotliwości
ok. 60k - 200kHz, przy współczynniku wypełnienia 1:10 - 3:10.
Czyli mamy dość szybki stroboskop, ale tak duże częstotliwości są przez
ludzkie oko odbierane jak światło o strumieniu ciągłym.
Co więcej praca impulsowa jest w tym przypadku korzystniejsza pod względem
energetycznym (lepsza sprawność układu), ponadto wiele źródeł poświęconych
fizjologii wzroku twierdzi, że oko bardziej "odbiera" wartości
szczytowe niż uśrenione, więc taki tryb chociażby pod tym względem może być
przynajmniej pozornie lepszy.
led.ekologika.com.pl" target="_blank">Dioda LED zasilana jest więc prądem impulsowym rzędu 100 - 200 mA w impulsie,
co przy uzyskiwanym wypełnieniu ok. 1:10 daje wartość śrenią mieszczącą
się w dopuszczalnych granicach (przeważnie do 20mA).
Można oczywiście rozbudować ten układ o szybką diodę (ale tym razem już
nie LED) i kondensator uzyskując w ten sposób praktycznie stałe napięcie, można
dodać drugi tranzystor i dodatkowy rezystor stabilizując wyjściowy prąd lub
napięcie - możliwości rozszerzeń jest wiele (propozycje takich układów
przedstawione są na innych stronach, których linki znajdują się poniżej).
Oczywiście można, tylko po co?
Przeróbka latarki kryptonowej na LED:
Po długich poszukiwaniach udało mi się kupić małą żarówkową latarkę
zasilaną z jednej baterii R6 - 1,5V (AA).
W środku znajdowała się malutka żarówka kryptonowa o średnicy bańki ok. 5
mm.
I więcej nie trzeba, bo na jej miejsce za moment trafi bardzo ładnie pasujący
5mm LED.
Zdjęcie led.ekologika.com.pl" target="_blank">diody LED oraz oryginalnej żarówki / LED na swoim nowym miejscu
Niestety tak mała żarówka nie dawała zbyt wielkiego pola manewru, aby na jej
miejscu oprócz samej diody zmieścić także pozostałe elementy układu.
Znalazły one miejsce na korpusie reflektora, gdzie zostały przyklejone i
zlutowane.
Wszystkie zastosowane elementy okazały się wystarczająco małe, aby zmieściły
się pod metalową tarcza będącą pierwotnie częścią oprawki żarówki i
kontaktem dla blaszki włącznika.
W miejscu cokołu żarówki, tam gdzie występował jej styk z dodatnim biegunem
baterii zrobiony został specjalny kontakt z miniaturowej śróbki odsepatowanej
od tarczy z jednej strony podkładką izolazyjną a z drugiej tulejką o średnicy
cokołu żarówki. Dzięki temu wyprowadzony został jeden z pukntów zasilania
(+), a z drugiej metalowa tarczka trzyma się centralnie w swojej oryginalnej
pozycji. Drugi biegun (-) został przylutowany od środka bezpośrenio do żelaznej
tarczki.
Widok zmontowanej przetwornicy oraz zbliżenie na użyty w niej transformator
W układzie tym zastosowałem ferrytowy rdzeń toroidalny o średnicy 4mm i
przekroju 2mm2 z nawiniętym drutem w emalii fi.0,15mm uzwojeniem
sterującym 10zw. oraz roboczym 30zw. Elementem kluczującym jest tranzystor
impulsowy BC
337, a rezystor ma wartość 1k oma.
Wszystko to zostało zoptymalizowane tak, aby dla pełnej baterii 1,5V, uzyskać
średni prąd diody ~18mA przy możliwie wysokiej efektywności.
W takich warunkach układ pobiera ze źródła ok. 55 mA, co daje całkiem niezłą
sprawność na poziomie 83%. Sprawność ta niestety spada do ok. 70% wraz ze
spadkiem napięcia baterii do 1,0V.
Drugim warunkiem była poprawna praca do możliwie najniższego napięcia, które
wynosi 0,73V, czyli ledwo ponad próg wymagany do wstępnej polaryzacji
tranzystora. W tak szerokim zakresie można więc swobodnie stosować zarówno
baterie alkaliczne (1,5V) uzyskująć pełnię mocy, jak również akumulatorki
NiCd lub NiMH (1,2V) tracąc na oko nie więcej niż 10% jasności. I z jednych
i drugich zostanie "wyciśnięte" tyle energii ile się tylko da ;-)
Zbudowana przetwornica pracuje z częstotliwością ok. 100kHz z wypełnieniem
1:5 (~8us ładowanie rdzenia i 2us zasilanie diody).
Zatem prąd diody w impulsie wynosi ok. 90 mA, co daje wartość śrenią ok. 18
mA.
Widok promienia światła rzucanego na płaszczyznę pod kątem prostym oraz równolegle
Jak widać na załączonych zdjęciach, światło jest dość mocno skupione, głównie
przez soczewkę diody (kąt świecenia 8°) i praktycznie rzecz biorąc sam odbłyśnik
jakże istotny w przypadku żarówki, tutaj wnosi raczej niewiele. Na rzucie
prostopadłym promień tworzy bardzo ładny okrąg o jednolitym, białym wypełnieniu.
Porównanie:
Porównanie identycznych latarek: pierwsza z oryginalną żarówką, a druga
zmodyfikowana z LED.
Obie zasilane są z nowych baterii 1,5V i znajdują się w jednakowej odległości
ok.1m od ekranu.
| Porównanie |
Żarówka |
LED |
| Pobór prądu [mA] |
580 |
55 |
Czas pracy na standardowej baterii R6 [h]
|
4,3 |
45,5 |
Jasność
|
duża |
wystarczająco duża |
Barwa
|
żółta, mocno zależna od napięcia |
śnieżno biała - zawsze |
Jakość wiązki
|
nierówna i niesymetryczna |
jednolita |
Skupienie / kierunkowość
|
znaczne rozproszenie |
duże skupienie |
źródło: http://home.elka.pw.edu.pl/~dflaga/led_lamp/
Promocje:
|
|
