LED világítás készítése
Frissítés 2012.10.14.
A korábban tervezett LED lámpák már majdnem tökéletesre sikerültek, de tartós működés során jelentős melegedés volt tapasztalható. A keletkezett hőt a panel rézfelülete nem tudta megfelelően elvezetni, így néhány LED melegedés következtében károsodott is, ami a fényerő csökkenésével volt tapasztalható. A beépített lámpák némelyike utólagos mérések szerint több alig több, mint 80C fokos hőmérsékletet is elért 1-2 órás üzemidőt követően.
A melegedés okozta problémát mindenképp meg kellett oldani, mivel ilyen körülmények között a lámpa nem tűnt használhatónak. A keletkező hő elvezetése ilyen kialakításnál nem egyszerű. Több hónapon keresztül kísérleteztem a megfelelő hűtőfelület kialakításával. A hűtés megtervezése során több szempontot is figyelembe vettem.
Az első és legfontosabb szempont a megfelelő mennyiségű hő megfelelő elvezetése, lehetőleg olyan módon, hogy több órányi, de leginkább tartós, folyamatos üzem mellett is biztosított legyen a megfelelő hőelvezetés még olyan esetben is, ha a lámpa kevésbé szellőző, kis helyre kerül beszerelésre, ami álmennyezet esetében nem ritkán még hőszigeteléssel is párosul.
A második fontos szempont a költséghatékonyság. Mivel egy lámpa 3db LED-et tartalmaz, ezek mindegyikétől egyformán kell elvinni a hőt és mindezt aránylag kis területen kell megtenni, ráadásul aránylag olcsón. Ha csak az én esetemet veszem példának, 9 darab lámpánál a túl drága hűtési megoldás már jelentős költségnövekedéssel járna.
Harmadik szempont az olyan megoldás megalkotása, mely bármikor lemásolható és kialakításához lehetőleg nem kell egyedi alkatrészt gyártani. Mivel elsődleges feladatomnak a LED lámpák összeszerelését és elektronikus szempontból történő meghajtását, vezérlését szerettem volna megvalósítani, a mechanikai kialakítás ennyire egyedire szabásával már nem kívántam foglalkozni, így mindenképp valami gyári megoldásra volt szükség.
Negyedik szempontként elmondható még az, hogy olyan mechanikai kialakítást kellett találni, ami továbbra is lehetővé teszi a lámpa bármilyen szabványos szpotlámpa foglalatba történő beszerelését. Sok megoldást végigpróbáltam a rézszalagos összeforrasztott szerkezetektől kezdve a legkülönbözőbb kialakítású alumínium és réz hűtőkig, de vagy bonyolultan előállítható, vagy drága konstrukció lett a végeredmény. Ami leginkább bevált az az alábbi alumínium hűtőborda.
Ez egy Fischer Elektronik gyártmányú hűtőborda, melynek átmérője 20mm, magassága 50mm. Egy darab ára 250-310Ft között mozog. A borda közepébe -ahogy a képen is látható – 3mm átmérőjű menetes furatot készítettem, melybe egy 10mm hosszú kereszthornyos, lapos fejű csavar fog majd kerülni az összeszerelés alkalmával, de előtte azzal még van egy kis teendő.
A lámpák panelje egyoldalas NYÁK-on került kialakításra. Ennél a megoldásnál a NYÁK lemez már csak az elektromos kötések hordozója, hűtőfunkciókat nem lát el. Mivel házilag leginkább egy oldalas panelt lehet jobban készíteni, így némi esztétikai problémája van a dolognak, de igazából nincs sok jelentősége és ahogy a lenti képeken is látható, annyira nem feltűnő a dolog. Íme tehát az előkészített NYÁK lap.
A panel azért csak előkészített, mert felületkezelés gyanánt nem akril lakkot, hanem fehér fehér hőálló festéket kap. Mivel a LED diódákat nem kívántam fehérre festeni, így azokat csak festés után fogom beszerelni. A forrasztási pontok ennél fogva a festés előtt ki lettek maszkolva egyszerű öntapadós matricákkal. A vezeték előre beforrasztásra került, mivel azzal utólag már nem volt szükség foglalkozni, valamint a festéssel így valamennyire el is takarható a két forrasztási pont.
A festés után egy, a fenti képen látható kellemes kinézetű fehér korongot kapunk 10cm vezetékkel és három furattal, valamint a forrpontokkal. Az áramgenerátor elekronikája szándékosan nem lett ráépítve a lámpára, illetve ebben az esetben esély sem volt az összeépítésre hely hiányában, ezért maradt a korábbi konstrukciónál már bevált módon tisztes távolságban a lámpa egységtől.
A LED-ek cserére kerültek, mivel a korábban beszerzett CREE XR-C típusból már nem tudtam jó áron beszerezni. Egyébként a most alkalmazott Huey Jann gyártmányú kínai LED-ek közel kétszer akkora fényerőt produkálnak azonos fogyasztás mellett. igaz, hogy még ezek is drágábbak voltak a korábbi CREE LED-ektől, de a fényerő növekedés némileg kompenzálta ezt a dolgot. Mivel ismételten 9 darab lámpát készítettem, ismét szükség volt pár darab LED-et vásárolnom.
A LED-ek alul hűtőfelülettel rendelkeznek, mely forrasztható. A korábban már említett süllyesztett fejű csavar fejének átmérője közel azonos ennek a felületnek az átmérőjével és ahogyan a LED felülete úgy, a csavar is forrasztható. Ebből adódik, hogy a két alkatrész a legjobb hőátadás elérése érdekében leginkább forrasztással rögzíthető össze. Minden LED-re így egy ilyen csavart forrasztottam fel.
Az új LED-ek színhőmérséklete 6000K fok, ami már kissé hideg. Ebből a típusú LED-ből beszerezhető még 4100K fokos változat is, de az számomra már nagyon sárgának tűnt, így maradtam 6000K fokos változatnál.
Az így előkészített csavaros LED-ek, a lefestett panelek, az előfúrt, menetelt hűtőbordák összeszerelésre kerültek. A forrasztási felületnél a LED lábait a panelhez forrasztottam. Itt volt némi távolság a LED lába és a panel között, mivel a csavar feje kicsit kitartotta a LED-et, de ez kb. 0,5-0,7mm közötti távolságot jelentett és a forrasztást követően nem is látható.
A vezeték végére a már korábbról ismert, de kissé áttervezett PT4115 LED driver került.
Az áramgenerátor felszerelésével gyakorlatilag már kész is az új LED lámpa. Az összeszerelési művelet végén pedig, a már megszokott zsugorcsöves szigeteléssel láttam el a meghajtó áramköröket.
Az új lámpáknak köszönhetően a fény sokkal nagyobb, mint korábban volt, viszont kissé hideg. A továbbiakban még fogok hasonló lápákat készíteni, de azokat 4100K fokos meleg fehér LED-ekből. a 9 lámpából pedig 4 darabot meleg fehérre tervezek cserélni, ezzel némileg csökkenni fog a világítás színhőmérséklete és a fény valamivel melegebbé válik majd.
Egy lámpában kétféle LED nem használható, mert a nyitófeszültségük más, emiatt áramgenerátorral meghajtva nem nyitott ki rendesen az ág. A 9db lámpa 2,3A áramot fogyaszt 14,4V DC feszültségen működve, ami közelítőleg 33W elektromos teljesítményt jelent. A LED-ek darabonként 110 lumen fényáramot adnak a gyári adatlap szerint, de egy 100 lumenes fényárammal számolva is tekintélyes fényerő jön ki 9 lámpa esetén.
***
Eredeti cikk 2011.07.02.
A LED technika fejlettsége ma már olyan szinten áll, hogy kereskedelmi forgalomban is kaphatóak olyan LED lámpák és LED-ek, melyek fénye olyan erős, hogy kiváló alternatívája lehet a jól megszokott izzólámpának, vagy kompakt fénycsőnek. Rengeteg előnye van a hagyományos világítással szemben, hátrányként egyedül talán az említhető meg, hogy jelenleg még drágább a hagyományos izzóknál, fénycsöveknél, viszont tömeges elterjedésével az áruk folyamatosan csökkenni fog. Nem mellesleg, ha kicsit közelebbről megnézzük az előnyöket könnyen rájövünk, hogy hosszabb távon jól járunk, ha ilyen fényforrások vásárlását fontolgatjuk. Ebben a cikkben bemutatom, hogyan készítettem el saját LED lámpáimat alkatrészekből. Persze ma már mindenre van kész megoldás, bárki be tud menni egy üzletbe és meg tudja venni az összes hozzávalót abban nincs semmi érdekes. Nekem viszont a világtáson túl van néhány speciális igényem és későbbi tervem a LED lámpákkal ami miatt úgy döntöttem, hogy egyedit építek. A LED-ek működésének alapjaiba itt nem mennék bele, akit érdekel, annak ajánlom a következő cikket: A LED működése.
Mielőtt rátérnék a lényegre, ismertetnék néhány fontos szempontot, melyeket célszerű átgondolni és figyelembe venni LED világítás építésénél, beszerelésénél.
A rendszer áttekintése, hozzávalók
Akár egy étel elkészítésénél, itt is elsőnek a hozzávalókat kell összegyűjteni, viszont valamivel nagyobb körültekintést igényel ez a része a dolgonak, mint egy gyors bevásárlás. Kezdjük azzal, mi is kell egy jól kialakított LED világítási rendszer kiépítéséhez. Ez elsősorban azoknak szól, akik egy szimpla lámpatest cserénél kicsit komolyabban érdeklődnek a téma iránt.
Ha felújítunk, vagy festünk a lakásban, akkor célszerű szpotlámpás világításban gondolkodni, ugyanis a LED lámpák kis méretben és teljesítményben még kezelhetőek és viszonylag egyszerűen kialakíthatóak, beszerelhetőek. Általánosan elterjedtek a GU10-es halogén izzók. GU10-es méretben izzó, foglalat, tartozék szinte minden villamossági boltba kapható. Ennek a lámpatípusnak a mérete minden tekintetben kedvező LED alternatíva építéséhez. Elegendő a felület több LED elhelyezéséhez, valamint a keletkező hő eldisszipálására. Jelen esetben én ilyen halogéneket váltottam ki LED lámpákra.
Szükségünk lesz több, viszonylag kicsi teljesítményű LED-re, melyek elektromos teljesítménye 1W körüli. A LED-ek táplálását kizárólag áramgenerátorral szabad kialakítani. Erre vannak kész megoldások, de építeni is lehet. A gyári tápegységek már eleve 230V AC bemenettel rendelkeznek, így probléma nélkül beköthetőek az elektromos hálózatban de vannak alacsony feszültségről működő DC-DC, vagy AC-DC konverterek is, melyekhez megfelelő teljesítményű és szekunder oldali feszültségű hálózati transzformátor, ill. kapcsolóüzemű tápegység szükséges.
A képlet aránylag egyszerű: szükséges tehát kívánt mennyiségű LED, ehhez pedig egy megfelelő teljesítményű tápegység, valamint vezetékek és egyéb szerelési anyagok, kapcsolók kötésdobozok, stb. Nézzük meg részletesen a két fő alkatrészt.
A LED
Erről több oldalt lehetne írni, viszont itt nem mennék bele apró részletekbe, így igyekszem röviden összefoglalni a lényeget. Elsősorban 1W-os elektromos teljesítményű LED-ek beszerzését javaslom, természetesen arra az esetre, ha magunk szeretnénk elkészíteni, magát a lámpát is. A LED wattos teljesítménye nem mérhető össze a többi fényforrás wattos teljesítményével, ugyanis a hatásfokokban nagy eltérések vannak.
A hatásfokról
Egy átlag izzólámpa, ha az adott elektromos teljesítményét 100%-nak tekintjük, megállapíthatjuk, hogy az energia 90%-át hővé alakítja és közelítőleg csak a maradék 10%-a hasznosul fény formájában. Ha ide vesszük a halogén izzókat, melyek hatásfoka néhány százalékkal jobb fény-hő arány tekintetében, akkor is arra következtethetünk, hogy a befektetett energiának csak nagyon kis részét kapjuk vissza fény formájában, a többi energia jelen esetben veszteségként értelmezhető.
LED esetében a hatásfok jóval kedvezőbb. A tudomány jelenlegi állása szerint ez a jobb LED-ek esetében 50-70% között mozog. Ez azt jelenti, hogy ugyan akkora mennyiségű elektromos energiából 50-70%-nyi energia hasznosul fény formájában 50-30% veszteség mellett.
A hatásfok ebben az esetben az elektromos energia fényenergiává történő átalakításának hatékonyságát mutatja meg. Ideális esetben a hatásfok 1. Ez azt jelenti, hogy a befektetett energia veszteség nélkül alakul át fényenergiává. Mivel ez fizikailag lehetetlen, így a jó hatásfokkal történő átalakítás általában közelít az 1-hez, de soha nem egyenlő vele. Ezt a jobb érthetőség kedvéért százalékos formában is fel szokták tüntetni. Izzólámpa esetében 1W elektromos teljesítmény után kb. 5-10 lumen fényáramot kapunk, míg LED esetében ugyan ekkora teljesítmény után akár 100 lumen fényáramot is kaphatunk. Tehát a LED fénnyé alakítás tekintetében sokkal hatékonyabb a hagyományos izzóhoz képest.
Fényáram
A fényáram egysége: lumen (lm). A hivatalos definíció szerint 1 lumen az a fényáram, amelyet az 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó, pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe sugároz.
Fényerősség
A kandela az SI mértékegységrendszer független alapegységének a neve, jele: cd. 1 kandela annak az 540×1012 Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrásnak adott irányban kibocsátott fényerőssége, amelynek sugárerőssége ugyanebben az irányban 1/683 Watt/szteradián.
A fényt, vagy más elektromágneses sugárzást akkor nevezünk monokromatikusnak (egyszínűnek), ha minden kvantuma ugyanakkora frekvenciával rendelkezik. Fény esetében ez olyan azonos színű fénysugárzást jelent, melynek csak egyetlen színkomponense van. Ilyen például a lézefény.
Egy átlagos gyertya fényerőssége 1 cd, egy 100 wattos izzólámpáé kb. 120 cd. teljesítmény LED-ek esetében lumenben határozzák meg a fényerőt, ha szabad így fogalmazni. A katalógusokban megadják az üzemi feszültséget és áramot is. Ebből kiszámolható az elektromos teljesítmény. Ha ezt összevetjük a megadott fényáram mennyiségével, megállapítható a hatásfok.
Színhőmérséklet
Fehér LED-ek esetében többféle színhőmérsékletű közül választhatunk. Egy fényforrás színhőmérsékletét az általa okozott színérzet és egy hipotetikus feketetest-sugárzó által létrehozott színérzet alapján határozzák meg. Izzólámpák esetében, lévén, hogy a fény izzásból származik, a színhőmérséklet jól egybe esik az izzószál hőmérsékletével. A nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fényforrások, mint például a fénycsövek, vagy LED esetében közvetlen fizikai jelentése nincsen. Ezért ilyenkor inkább (korrelált színhőmérsékletről) beszélünk. Elterjedt jelölése: CCT (Correlated Color Temperature) Mértékegysége: K Kelvin.
Egy átlag izzó színhőmérséklete 2700K. Ez egy viszonylag alacsony érték, ami azt jelenti, hogy ez a fajta fény inkább a vöröses tartományhoz van közelebb. A színhőmérséklet emelkedésével a fény vörös összetevői csökkennek, míg kék összetevői növekedek, tehát minél magasabb a fény színhőmérséklete, annál “kékebb”, és minél alacsonyabb a fény színhőmérséklete annál “vörösebb” lesz a színe. A napfény színhőmérséklete évszaktól, napszaktól függően folyamatosan változik. Derült időben, átlagos napsütés esetén ez kb. 5600 K. Hajnalban vagy naplementekor a színhőmérséklet 2500 K-re is csökkenhet, viszont borult, párás, ködös időben 6-10000 K-re is növekedhet. Nyílt tengeren, ill. magas hegyekben a színhőmérséklet 10-20000 K-t is elérheti.
Fehér LED esetében háromféle színhőmérsékletű fényforrás közül választhatunk. Alapvetően meleg és hideg színű LED-ek vannak, de létezik egy harmadik színhőmérsékleti intervallumba sorolható csoport is, ez a természetes fehér színű LED, idegen nevén neutral, vagy natural white.
Meleg fehér
A meleg fehér (warm white) LED-ek fényvilága leginkább a megszokott izzólámpa sárgás színére hasonlít, bár véleményem szerint kissé mesterséges sárga hatása van, ami már inkább sárga, mint fehér. Azt tudni kell, hogy az izzó közel a teljes látható spektrumban sugároz különböző hullámhosszúságú fényeket, különböző intenzitással. Az izzásból következően a vörösebb tartomány felé a fénykomponensek intenzitása erősebb, ettől van az izzónak sárgás fénye. A látszólag fehér szín pedig a különböző hullámhosszú komponensek keveréke.
LED esetében a fehér szín egy mesterségesen előállított színkeverék eredménye. Ellentétben az izzóval, a fehér LED nem sugároz fényt a teljes látható spektrumban, a színe mégis fehér, azaz mi annak látjuk. Az emberi szemben található receptorok ugyanis csak háromféle színt és azok keverékét képesek érzékelni. Ez a három szín a zöld, vörös és a kék. Ezért lehetséges az, hogy e három szín felhasználásával gyakorlatilag bármilyen színt képesek legyünk előállítani. Ezeket egyébként a három alapszínnek is hívják. A fehér LED a három alapszín keverésével állít elő fehér fényt. Ha egy izzó által kisugárzott fényt felbontunk, akkor azt láthatjuk, hogy a szivárvány minden színe megjelenik előttünk, ha viszont egy fehér LED fényét bontjuk, akkor azt tapasztaljuk, hogy a fényspektrumnak csak három összetevője látszik. A meleg fehér LED-ek tehát úgy vannak kialakítva, hogy a három alapszín keveredése egy sárgásabb színt adjon. A LED-ek színét a félvezető kristályhoz felhasznált alapanyagok fajtája is befolyásolja.
Hideg fehér
A hideg fehér (cold white) LED-ek színhőmérséklete magas, ezért a színük a fehéren túl már inkább kékes. Leginkább a víz enyhén kékes színéhez tudnám hasonlítani. Ridegebb, hidegebb hatást kelt. Jelenleg a hideg fehér LED-ek rendelkeznek a legjobb hatásfokkal, illetve ezek fénye ad nagyobb fényérzetet.
Természetes fehér
A hideg és meleg színek között található egy köztes színhőmérséklet, ez a természetes fehér (neutral white). Ez a szín inkább tiszta fehér, se nem sárgás, se nem kékes. Én ezt a típust tartom leginkább alkalmazhatónak világtás tekintetében otthonra.
Természetesen mindhárom színhőmérsékletű LED beszerezhető, én természetes fehéret választottam. Aki kedveli a sárgás jól megszokott fényeket, az válasszon valamilyen melegfehér típust, bár a hatás nem egészen izzólámpás, csak olyan szerű. Hidegfehér LED otthoni világításra szerintem nem való, bár kinek mi jön be, mindenesetre az én szememet rendkívül zavarná. Azt hiszem ezzel a legfontosabb paramétereket a LED diódákkal kapcsolatban ki is tárgyaltuk.
Energiaszükséglet meghatározása
Ehhez ismerni kell az alkalmazandó diódák típusát, teljesítményét, fényerejét. Célszerű olyan LED-et választani vásárláskor, melynek gyári adatlapja elérhető az interneten. Nagyon sokféle LED van forgalomban, rengeteg távolkeleti cég gyárt ma már világítás céljára diódákat. Én fontosnak tartom olyan termék vásárlását, aminek legalább márkaneve van, bővebb információ érhető el a technikai paraméterekről, esetleg tervezési, méretezési segédletet is ad a gyártó, valamint később is beszerezhető legyen az adott típus.
LED mennyiség meghatározása
Ha világítást korszerűsítünk, első körben célszerű felmérni az aktuális helyzetet, ami alapján aztán elkezdhetjük a LED lámpás rendszer tervezését. Mindenek előtt végezzünk egy gyors számítást az aktuális teljesítményről és határozzuk meg a jelenleg izzókkal előállított összes fényáramot. Saját példámon szeretném bemutatni ezt a folyamatot. Nálam 9db GU10-es 12V, 20W-os halogén izzó cseréje a cél. Az izzók teljesítménye 9x20W=180W. Ez egy szoba megvilágításánál azért nem kevés. A fényáram meghatározása sem túl bonyolult. Ha szerencsénk van az izzó dobozán rajta van, ha nincs doboz, akkor kis keresgélés után megnézhetjük több webáruház azonos termékét is, ahol viszont fel van tüntetve általában a termékadatok között fényáram adat. Aki tuti pontosra akar menni, de nem találja a saját márkájú izzójának műszaki paramétereit, keres 3 hasonló izzót és átlagol. Annyira nem kell azért erölködni, sacc/kb. alapon ki lehet számolni. Az én esetemben egy ilyen 20W-os 12V-os halogén kb. 260 lumen. Ebből van 9db, az összesen 2340 lumen. Ekkora fényerőt kellene produkálni, csak LED-ből.
Nálam 9 lámpa volt és 9 új lesz. Tehát egy lámpának annyi fényerőt kellene adni, mint egy 20W-os halogénnek, azaz 260 lumen/lámpa. Ez aligha sikerülne egyetlen diódával, így egy lámpa szinte biztos, hogy több LED-ből fog állni. 3 LED/lámpa esetén kb. 86 lument kellene produkálni egy diódával. Szpotlámpák esetében a fény nagyjából irányított, azaz egy adott területre koncentrálódik. LED esetében is bizonyos típusoknál elég kicsi a sugárzási szög. Világításnál igyekezni kell a helységben az egyenletes fényviszonyok kialakítására, így célszerű olyan diódát választani, melynek aránylag nagy a sugárzási szöge. Olyan lámpával, ami csak egy pontba világít, valljuk be nem sokra megyünk akkor, mikor egy szobát kell bevilágítani. Szétnézünk több kereskedőnél, milyen diódákat, milyen áron, szállítási idővel, kedvezménnyel, stb. kínálnak és a fentebb leírtak alapján kiválasztjuk a nekünk megfelelőt színben, méretben, fényerőben…
Én hosszas keresgélés után a Cree XR-C sorozatából választottam egy természetes fehér színű LED-et. Fényárama 67 lumen, nyitófeszültsége 3,5V, áramfelvétele 350mA, max. 500mA, sugárzási szöge 90 fok. Ezzel 3×67=201 lumen fényerőt lehet elérni egy 3 LED-ből lámpával. A 260 lumenes értékhez képes ez kissé kevesebb, viszont itt kell figyelembe venni a sugárzási szöget. Amíg a halogén izzó esetében a fényáram egy 45 fokos szögön belül koncentrálódik, addig a 201 lumen 90 fokban sugárzódik ki. Ez egy lámpa esetén alacsonyabb fényérzetet kelt, mivel fény nagyobb területen szóródik, de 9 lámpa esetén a lámpák sugárzási szögei átfedésben lesznek, így ez a fényáram elegendő ahhoz, hogy a halogénekkel azonos fényviszonyokat érzékeljünk. Erre még rájátszik a természetes fehér világosabb, fehérebb színe, mely tovább növeli a fényérzetünket.
201×9=1809 lumen fényáram a 2340 lumenhez képest már érzékelhetően alacsonyabb érték lenne, ha izzókkal kellene demonstrálni a két értéket. LED esetében én azt tapasztaltam, hogy az alacsonyabb érték ellenére világosabb lett a helységben, mint korábban, nem beszélve a teljesen szórt fényről, ami mindent egyenletesen bevilágít.
A fényáram adatok számolgatásával meghatároztuk a szükséges LED-ek mennyiségét, kiválasztottuk a megfelelő színhőmérsékletű konkrét diódatípust. A fogyasztók minden paramétere tehát ismert. Most a tápegység kialakításának megtervezése következik.
A tápellátás kialakításának megtervezése
A LED-eket áramgenerátorokkal táplálják, teljesítménydiódák esetében ez alapvető követelmény. A legtöbb dióda 350mA áramnál nyit ki teljesen. A Cree XR-C LED is ilyen. Adatlapja szerint maximálisan 500mA-ig működik, de nem célszerű ilyen nagy áramon üzemeltetni. A PN átmenet teljes kinyításakor már közel maximális fényerővel világít. Ebben az esetben a hőveszteség alacsony. Az áram növelésével még elérhető valamekkora fényerő növekedés, de ez már nem jelentős, ellenben a melegedés jelentősen növekszik. Ebből következik, hogy értelmetlen túlhajtani a LED-eket, az csak felesleges hő keletkezésével és az élettartam fokozott csökkenésével jár, jelentéktelen fényerőnövekedés mellett. Az ideális üzemi áramot 350-400mA körül célszerű megválasztani és akkor még bőven a gyári értékek között maradunk.
A diódáknak van egy nyitóirányú ellenállásuk. Optimális áramot áthajtva rajtuk az ellenállás és az áram szorzatából következik a nyitófeszültség. Ezt nem kell stabilizálni, az áram beállításával optimális értékű feszültség fog esni. A feszültséggel csak akkor kell foglalkoznunk, ha több LED-et szeretnénk sorba kapcsolni. Ekkor a diódánként eső feszültségek összeadódnak. Egy áramgenerátorról csak egy LED üzemeltethető, illetve a diódák soros kapcsolása engedélyezett egészen addig, amíg el nem érjük a tápegység maximális feszültségét. Ha áramot szabályozunk, azt áganként kell megtenni, két LED-et, vagy két sorba kapcsolt LED csoportot párhuzamosan kötni és egy áramgenerátorról hajtani lehet, de nem biztonságos. Ha az egyik LED tönkremegy, az áganként folyó áram egy ágra korlátozódik, ami a másik ágon dupla áramot eredményez és az a további LED-ek azonnali tönkremeneteléhez vezet.
Én 9×3 csoportba szerveztem a diódákat. Tehát 9 lámpa, lámpánként 3 db Cree XR-C LED. A tápfeszültségem 12V. Egy LED nyitófeszültsége 3,5V. Ezt veszem 3x, az annyi mint 10,5V. 3 sorba kapcsolt LED-en tehát 10,5V feszültség esik. Áramgenerátorként PT4115-ös LED driver IC-t alkalmazok. Felesleges speckó, sok alkatrészből álló áramgenerátort építeni, ma már rengeteg kész megoldás van egy tokba integrálva. Korábban bepróbáltam egy LM317-es áramgenerátort, de a jó konstans áram biztosítása mellett jelentős hűtésre volt szükség. A kis hely miatt ilyen megoldás nem jöhet itt szóba. A PT4115 ráadásul dimmelhető is, később fényerő szabályozásra is alkalmas lesz.
Maga az áramgenerátor minimális külső alkatrészeket igényel, ezek közül is csak egy lényeges van amivel foglalkozni kell, az pedig az áramfigyelő ellenállás. A gyári adatlap segítséget nyújt ennek optimális méretezéséhez, így erre itt nem térnék ki. A bemeneten adok 12V-ot a kapcsolásnak, a kimeneten beállítottam közelítőleg 380mA-es áramot. Ez 3 LED-en folyik majd át, melyeken 10,5V feszültség esik. Egy lámpa elektromos teljesítménye 0,38A x 10,5V = 3,99 ~4W. Ehhez még hozzájön az áramgenerátor áramkör fogyasztása, bár az olyan alacsony, hogy ilyen értékek mellett elhanyagolható. Az egyenirányító diódák DC táplálás esetén elhagyhatóak, de én javaslom a beépítésüket, mert beszereléskor így nem lehet felcserélni a polaritást, valamint váltakozó feszültségről is működik a táp, viszont ebben az esetben a kapcsolásban található puffer méretét legalább 470uF, de jobb esetben 1000uF-ra kell növelni. Az összes teljesítmény már könnyen meghatározható 9 lámpa esetén, ami 36W! Azért a kezdeti 180W-hoz képest ez elég drasztikus csökkenés. Ha a tápfeszültség 12V és egy lámpa 4W-os, akkor az egy lámpához szükséges áram 333mA. Ha minden lámpát egy tápegységről tervezek működtetni, akkor 333×9=2999,99 ~3000mA = 3A áramigénnyel kell majd számolni. Ez elméleti érték, a gyakorlatban célszerű némi tartalékot is betervezni a rendszerbe. Célszerű ebben az esetben olyan tápegységet választani, ami 3,5-4A áramot képes leadni.
Építés
Vannak diódáink, tudunk róluk minden fontos műszaki adatot, kiszámoltuk milyen elrendezésben szerejük be és hogyan kívánjuk táplálni őket. A rendszerünk teljesítményét is ismerjük, tudjuk azt, hogy milyen tápegységről fog majd működni és be is szereztük az összes hozzávalót. Nincs más hátra, mint elkezdjük megvalósítani a terveket.
NYÁK lemez elkészítése és összeszerelése
A NYÁK lemezek alakja egy 50mm átmérőjű kör, hiszen a GU10-es foglalatokba ilyen fér be. A LED-eket én kör alakban egymástól 120 fokban helyeztem el. A vezetősávokon kívül a többi rézfelület a LED-ek középső, hőelvezető részéhez van forrasztva és a LED-ek alatt több galvanizált furat segítségével könnyű hőátvezetést biztosít a panel másik oldalára is, ami szintén egy összefüggő rézfelület lehet tovább növelve a hűtés hatékonyságát.
Egy rövid videó a beültetés folyamatáról:
Én az elején még a túloldalra terveztem meg az áramgenerátor is, ami annyiból lett vola jó, hogy egy panelen van felszerelve minden alkatrész. Ez utóbb kiderült, hogy nem jó ötlet, mivel az akkor még LM317-es áramgenerátor jelentős hőt termelt, valamint erre még a LED-ek is rádolgoztak és gyakorlatilag az egész lámpa felforrósodott nagyobb hűtőfelület hiányában. Ezt kiküszöbölve alkalmaztam a PT4115-ös LED driver IC-t. Mivel már a kör alakú panelek le voltak gyártva és a LED-eket is szépen felforrasztottam mindegyikre, már nem bontottam szét és gyártattam újat, hanem szétszedtem azt az egy áramgenerátoros példányt amit komplettre szereltem és úgy teszteltem le a PT IC-vel. Ez már abszolút jó volt, így gyártottam 10 db PT IC-vel szerelt áramgenerátor panelt, amit később vezetékkel kötöttem össze a LED panellel.
Végső soron arra jutottam, hogy volt a lehető legjobb választásom mivel így az áramgenerátor sem melegszik, a LED-ek által termelt hő sem fűti a tápegységet. Annyi a hátrány, hogy két modulból áll így egy lámpa, de az állmennyezet felett bőven van hely. Az áramgenerátor olyan pici, hogy zsugorcsőbe csomagolva elég korrekt szigetelést tudtam kialakítani neki. A csatlakozási pontokat sorkapoccsal készítettem el.
A kész lámpákat beszereltem a régi szpotlámpák helyére, valamint az izzók számára kialakított tápegységet teljesen eltávolítottam és egy 60VA teljesítményű toroid transzformátort építettem be egy nagy teljesítményű egyenirányító hiddal és egy 22000uF-os elektrolit kondenzátorral. Jelenleg hagyományos kapcsolókkal kapcsolom a hálózati feszültséget a transzformátorra, ha fel akarom kapcsolni a világítást. A lámpák már a végleges helyükre kerültek, de a tápegység környékén még tervezek nagyobb átalakításokat, így azt nem igazán szereltem még össze. Aki szimpla világítást szeretne, annak itt véget is ér a munka.
Mindez mennyibe kerül?
Egy rövid lista a hozzávalókról és azok árairól:
- LED XR-C neutral white 374+ÁFA/db. Ez összesen 12622,5Ft bruttóban.
- Lámpa NYÁK lemezek 530Ft+ÁFA/db. Összesen 5962,5Ft bruttó a 9 darab.
- PT4115 áramgenerátor minden alkatrésszel együtt 600Ft/db bruttó összeg. Összesen 5400Ft.
- Vezetékek. Az izzólámpákoz használt vezeték maradt, így erre nem volt szükségem.
- Transzformátor. Ezt találtam a lomok között.
- Pufferkonenzátor. Erősítőből kitermelt, így ez is ingyen volt.
- Diódahíd. Ezt egy rossz monitorból szedtem ki.
A rendszerem így közelítőleg 26000Ft-ból épült meg, ha még hozzá számítom a járulékos költségeket, mit szállítási díjak, egyéb apróságok. A szoba méretei 430x450cm, magassága 250cm.
A következő fejezetben ismertetem a LED világítás szabályozásával kapcsolatos tudnivalókat és további lehetőségeket.