О применении мощных ультраярких светодиодов

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Светильники; Опубликовано: 23.03.2017 10:42; Просмотров: 2071

Понравилась статья - поделись с друзьями

А. Зызюк г. Луцк
Ультраяркие светодиоды сегодня становятся все более популярными. К сожалению, в промышленных конструкциях почти всегда применяют самые маломощные ультраяркие светодиоды. Примером тому является повсеместное использование в малогабаритных фонариках и светильниках самых маломощных светодиодов на ток 20 мА. Чтобы получить значительный суммарный световой поток, их включают большим количеством. Однако сейчас наибольший интерес представляют более мощные светодиоды, т.е. рассчитанные на ток 100 мА и больше. Однако посвящаемые им публикации обычно имеют рекламный или ознакомительный характер. В основном, рассматривается теоретическая или справочная информация. Данная статья посвящается практическому опыту использования ультраярких светодиодов.

Чисто теоретической и справочной информации об ультраярких светодиодах (УСД) в разных изданиях опубликовано уже много. Обычно приводятся только справочные таблицы и параметры. Но практические знания для читателя намного интереснее. А такая информация приходит только после ознакомления с УСД.
Поэтому были приобретены разные УСД и проведено немало экспериментов с ними. В итоге обнаружилась интересная информация.
Предприимчивые люди реализуют мощные УСД почтой. Так что дефицита УСД нет. Вот только цены на мощные УСД весьма высокие. Как для современных изделий, цены являются первым фактором, препятствующим широкому применению УСД. Для наглядности, лучше в конкретных примерах. Самые привлекательные по параметрам УСД 5 Вт стоят около 8 USD. А вот 20 Вт УСД - до 37 USD. Ужасающей является цена на 50 Вт УСД. Она превышает 120 USD. Очевидно, что самые мощные УСД приобретать невыгодно. Цены, скажем прямо, «ломовые-антинародные». Вот почему производители фонариков и светильников не используют в своих изделиях мощные УСД. Не будет «навара» и торговцам, если в «конечных» изделиях установят мощные УСД. Но радиолюбителю есть смысл использовать именно мощные УСД. Целесообразно приобретать несколько менее мощных УСД и включать их вместе, образуя групповой излучатель света. Именно по этой причине азиатские производители фонариков и светильников используют самые маломощные типы УСД. Они самые дешевые. Приобретая 20 мА УСД большие партии за копейки, именно их и используют в своих конструкциях эти производители.
Рассмотрим некоторые из мощных УСД, рассчитанных на ток 100 мА и более. Первый тип (условно - №1) УСД типа RL83-WH744D-P4-15. Он имеет исполнение диаметром 10 мм, 4-кристаль-ный, на максимальный ток - 100 мА, 55 кд, 15°. Второй тип (№2) УСД - EDSW-1FA1. Его параметры: 1 Вт, 55 лм; 3,7 В, 0,35 А, 60°, белый, 6000 К, цена 2,5 USD. Третий тип (№3) УСД - EDSW-KLC8-B3. Его параметры: 3 Вт, 160 лм; 3,7 В, 0,7 А; 120°, белый 6000 К, цена 4,3 USD. Оба УСД, №2 и №3 показаны на фото 1.

Из приводимых данных уже можно сделать важные выводы.
Во-первых, корректно сравнивать можно лишь УСД №2 и №3. Они имеют похожее конструктивное исполнение. Но внешность здесь весьма обманчива. УСД №2 имеет угол излучения 60°, а №3 - 120°. Поэтому, во-вторых, если №2 еще можно применять без коллиматора для направленного излучателя (например, фонарика), то №3 без коллиматора уже сюда совсем не подходит. Зато №3 великолепно подходит для настольной лампы ремонтника-радиолюбителя. Как нельзя лучше, такой источник света пригоден для организации дежурного (резервного или аварийного) освещения. Ведь использование УСД для подобных ситуаций весьма выгодно. Как в отношении КПД, так и в более простом включении, если сравнивать УСД с их самыми главными конкурентами лампами дневного света. Нет нитей накала, не нужны цепи запуска или высоковольтные схемы для пуска и питания.
Из приводимых почти везде фотографий мощных УСД трудно судить даже о реальных размерах УСД. Зато это хорошо видно на фото 1. С параметрами и применением мощных УСД также не все столь прекрасно, как обычно пишут.
Тыльная, зеркальная сторона «платы» (позиция 1 на фото 1) обращена к радиатору. Кстати, он обязателен только при большом токе УСД. Удобно значительный разогрев УСД определять экспериментально. Например, используя УСД совместно с импульсным регулятором мощности или блоком питания, оснащенным защитой с ограничением тока в нагрузке. Данная конструкция (плата) не перегревается при «половинном» токе. То есть при токе до 150 мА для УСД на ток 350 мА, как и при токе до 300 мА для 700 мА УСД, радиатор необязателен.
При испытаниях УСД использовали блок питания (БП) с регулировкой и ограничением тока защиты БП. С увеличением тока УСД нагрев платы резко возрастает, что грозит отказом УСД из-за его перегрева. УСД легко повреждается при токовых перегрузках. Дефект УСД происходит очень быстро. Если в БП установлено повышенное напряжение, но нет ограничения тока, то УСД успеет лишь кратко моргнуть - и выходит из строя. Для дефекта хватит напряжения более 4...5 В. При таком напряжении ток УСД резко превышает его максимально допустимое значение.
Путаницы с выводами УСД нет. Выводы («анод» и «катод») УСД обозначены, соответственно, значками «+»и«-». При смене полярности УСД не выходит из строя. Он просто не работает. Так будет, если, конечно, величина обратного напряжения не будет большой. УСД уже ярко светят при напряжении всего лишь 3 В. Такое обстоятельство весьма пригождается для портативных светильников. При двух новых «батарейках» световой поток такой солидный, что при сравнении со многими портативными фонариками, которые продаются на вещевых рынках, данные УСД вне всякой конкуренции. А по току, потребляемому от батареек, налицо выигрыш в КПД. Есть над чем поразмыслить.
В используемых китайских фонариках, которые наводнили наши рынки, применены далеко не самые лучшие типы (в плане светоотдачи) маломощных светодиодов. Они тоже УСД, но обычно на ток всего лишь 20 мА. И проблема в том, что используются они в «запредельных» режимах. Как результат, светоотдача резко падает. Чтобы пустить «пыль в глаза» покупателю, увеличивают суммарный ток через все УСД. Создается значительный ток через УСД. И световой поток тоже увеличивается. Иногда, правда, устанавливают и более мощные УСД. Но это, скорее, исключение из общего правила. Маломощные УСД объединяют в групповые излучатели. Но должного эффекта (уже по современным меркам) часто не получается. Связано это с тем, что использованы устаревшие типы УСД.
Вышеупомянутые «китайские» фонарики и светильники встречаются весьма разных конструкций. По крайней мере, на наших рынках наблюдается очень большое разнообразие этих конструкций.
Изобилие очень даже впечатляет. Следует отметить самое важное. К сожалению, изобилие китайских изделий или комплектующих нередко является настоящим обманом, т.е. за привлекательным дизайном и эргономикой может скрываться неудачная конструкция. Неудачная в отношении экономичности элементов питания. Иначе говоря, подвох среди азиатских изделий, даже здесь частое явление. Приходится самостоятельно переделывать такое заводское изделие.
К примеру, на фото 2 показаны азиатские изделия, составленные по принципу группового излучателя.

В групповом излучателе используют от 2 до 20 экземпляров УСД. На данный момент времени 20 шт. УСД - уже далеко не предел для бытовых переносных аккумуляторных светильников или портативных фонариков. Рассматриваемый групповой излучатель организован пятью УСД (фото 3).

Типичное современное азиатское изделие. Подобных (аналогичных) конструкций сегодня на наших рынках очень много.
Отметим, что конструктивное исполнение на высоком уровне. Кстати, пользоваться данной конструкцией очень удобно. Корпус фонарика легко разбирается на две составные части (позиции 1 и 2 на фото 4).

Кнопочный выключатель находится с тыльной стороны корпуса. Сам фонарик очень удобно лежит в руке. Все бы ничего, да потребляемый ток превышает 0,7 А. Ужасающая цифра, если принять во внимание, что использованы малогабаритные элементы питания типоразмера АА. В итоге, эти батарейки разряжаются очень быстро. Яркость значительно снижается через считанные минуты. Время эксплуатации, конечно, определяется качеством батареек. Пока человек покупает изделие, он подвоха не замечает. И только после очередной замены батареек с последующим измерением потребляемого тока становится ясно, что и к чему... Ситуация исправляется только заменой УСД «правильными» экземплярами УСД. При этом требуется установка и 5 ограничительных резисторов (их номинал - в зависимости от типа УСД). В результате общий ток через УСД можно снизить до 70... 100 мА. Самое интересное, что суммарный световой поток не уменьшается. Конечно, если типы УСД выбраны правильно.
Так что налицо не оптимальность выбора производителем типов УСД.
Среди удачных конструкций можно отметить, например, показанную на фото 5.

Одной из самых удачных является конструкция, показанная на фото 6.

На данной фотографии приведена конструкция лишь группового излучателя, представляющего наибольший интерес. Здесь групповой излучатель выполнен на 19 экземплярах УСД. Уже все чаще встречаются конструкции групповых излучателей, где количество УСД еще большее. Следует отметить одно архиважное обстоятельство. Данный групповой излучатель (фото 6) оказался эффективнее, нежели представленные на фото 1 мощные УСД. Очень редкое явление, но это иногда встречается. Вопрос КПД в наше время едва ли не самый важный. Он четко дает познать, что многие современные УСД и изделия на них весьма сомнительны в отношении КПД (и экономичности потребляемой энергии). Тут все зависит от типа и количества используемых УСД. Конечно, от величины тока через каждый УСД. Естественно, эффективность светильника (как на одиночном УСД, так и группового) определяется током УСД. Все дело вот в чем. Есть оптимальное значение тока УСД, выше которого яркость возрастает незначительно. Имеется значение тока, являющееся самым выгодным в отношении КПД для УСД как источника света. Это значение тока определяется чисто практическим путем. Заводы-производители обычно игнорируют все сказанное.
Поэтому и их удачные конструкции встречаются редко. Лишь в случае использования нормальных УСД при оптимальном токе получается и хороший результат. Такое, к сожалению, в заводских конструкциях наблюдается нечасто.
Рассматриваемые на фото 1 УСД являются уже новыми типами УСД. У них КПД, как минимум, в несколько раз больше, чем в широко используемых китайских фонариках. Вот откуда такая разница в силе света при одном и том же токе через разные УСД. О том, что КПД разных типов УСД отличается не на десятки процентов, а в «разы», доказывают простые сравнительные тесты.
К примеру, УСД типа №1 рассчитан на ток не более 100 мА. Все же, повышение тока более50...60 мА для него уже нецелесообразно. Яркость увеличивается слабо, если сравнивать ее при токе 50 и 100 мА. Преимущество этого УСД заключается в том, что ему не нужны никакие оптические линзы (коллиматоры). Такие УСД изначально предназначены для узкого светового луча. В принципе, именно эти УСД являются новым поколением УСД, которое пришло на смену вышеуказанным УСД китайских фонариков. А УСД типов №2 и №3 смело можно назвать следующим поколением. Они имеют иное конструктивное исполнение. Их КПД еще выше, чем в УСД типов №1.
Подпаивать провода к таким УСД следует, как показано на фото 1. То есть пайка проводится непосредственно вблизи контактов УСД. Так поступают, если УСД не будет эксплуатироваться совместно с коллиматором. Пайка в других местах не даст нормально установить коллиматор на УСД. Как видно на фото 1, использовано шесть контактов. Они здесь не для красоты. Все шесть контактов подпаяны к выводам УСД. По три контакта на каждый вывод УСД. Естественно, удобнее провода подпаять к четырем контактам, что расположены дальше от УСД. Но установка коллиматора предусматривает его плотное прилегание к поверхности «платы». Как раз со стороны, где находятся контакты.
Кое-что о самих коллиматорах
Коллиматоры, к сожалению, часто изготовлены неаккуратно: плохое соответствие размеров коллиматоров и УСД. Нормально, без дополнительной механической обработки, подходили ко всем УСД только линзы на 10°. В распоряжении автора были три вида коллиматоров. Вернее, коллиматоры на 10, 15 и 25°. Они показаны на фото 7 на позициях 4, 5 и 6 соответственно.

С остальными коллиматорами, кроме 10-градусных, довелось постараться, чтобы их можно было установить на УСД. Пришлось заниматься механической обработкой соприкасаемых поверхностей УСД и коллиматоров. Но тут везде требуется осторожность. В плане «нежности» выводов УСД, нужно аккуратно заниматься всем этим. Сами мощные УСД очень маленькие. По объему они меньше, чем отечественные маломощные светодиоды типов АЛ307. Коллиматор может неплотно прилегать как к поверхности платы, так и к УСД. Или же, напротив, будет ложиться непосредственно на УСД. В первых двух случаях часть света УСД рассеивается впустую, в стороны от коллиматора. Теряется КПД, так как не весь поток света УСД попадает в линзу. В третьем случае получается несоответствие светового пятна (луча) от коллиматора заданному значению (в градусах). Поэтому коллиматоры следует устанавливать точнее. Пластмассовые выступы цилиндрической формы, окружающие УСД, образуют крепеж для более точного совмещения (совпадения) при установке линзы над УСД. Однако, ни коллиматоры, ни указанные «пластмасски» не изготовлены с требуемой точностью. В итоге, и тут доводится заниматься «рукоделием», т.е. тщательным подпиливанием (пришлифовыванием) соприкасаемых поверхностей. Осуществляли это с помощью надфиля.
Самые мощные УСД оказались и наиболее эффективными источниками света. То есть в отношении КПД 0,7 А экземпляры УСД солидно превосходят 0,35 А, особенно 100 мА УСД. Под понятием «солидности» подразумевается такая разница, которая диагностируется визуально, легко, без применения каких-либо специальных измерительных приборов (люксметров). Речь идет о сравнении именно при небольшом токе. Например, при токе всего лишь 50 мА. При таком токе даже для 100 мА типов УСД КПД еще высок. Таким образом, мы получаем возможность сравнивать все УСД не в критических режимах, ни для каких типов УСД.
Сказанное в отношении КПД справедливо, если используется одиночный излучатель (УСД). Как правило, более мощный УСД и более эффективен в плане КПД. В случае же с групповым излучателем результат может серьезно измениться не в пользу одиночного экземпляра мощного УСД. Если использовать УСД небольшой мощности, но при оптимальном токе для каждого УСД, то одиночный мощный УСД может существенно уступать групповому излучателю. Поскольку вопрос очень важный, то повторимся, что здесь все определяется типом и количеством использованных в групповом излучателе УСД, естественно, током через каждый УСД. В принципе, выбор величины тока в каждом конкретном случае (типе УСД) строго персональный. В этом убеждаются очень быстро, если эксперименты проводятся корректно. Нужно всегда учитывать угол излучения и мощность, потребляемую УСД. Значение оптимального тока несложно определяется на глаз, даже без применения измерителей силы света. Заметно, когда источник света теряет в плане эффективности. При этом ток через УСД увеличивают, но яркость возрастает далеко непропорционально этому увеличению. При таком токе лучше увеличить число УСД, чем значительно превысить оптимальное значение тока.
О схемах питания УСД
Когда нет свободного времени или нет в наличии нужного блока питания с регулируемой защитой по току, то УСД испытывали посредством схемы рис.1.

На ИМС выполнен генератор стабильного тока, значение которого можно изменять в широких пределах, изменяя сопротивление резистора. Для схемы рис.1 этот ток составляет 25 мА.. .0,7 А. То есть можно испытывать все современные УСД, от маломощных до самых мощных.
О замене ИМС
Выгоднее применять зарубежные ИМС, допускающие входное напряжение до 35 В. Для отечественных КР142ЕН5А напряжение UBX не должно превышать 15 В. Поскольку на мощных светодиодах происходит падение напряжения 3 В и более, а ИМС включена двухполюсником, то 15 В уже не является критической величиной. ИМС с большим выходным напряжением использовать уже нецелесообразно. Потребуется пропорциональное (выходному напряжению ИМС) увеличение сопротивления резистора. В итоге, ИМС и резистор станут усиленно нагреваться, вследствие резкого увеличения рассеиваемой на них мощности.
Схему рис. 1 вполне можно применять и для питания УСД от 12-вольтовых аккумуляторов. Потери мощности на ИМС и резисторе покроются хорошим КПД от УСД. Если сравнивать такой экспромт-источник дежурного (резервного) освещения с лампами дневного света, на случай, когда внезапно и надолго исчезает напряжение в электросети, то налицо простота практического воплощения. Естественно, для питания УСД выгоднее всего применять импульсные регуляторы тока.
РА5'2011