Фотогалерея
1. Светодиоды. Теория
| Оглавление |  |
1. Введение
2. Преимущества светодиодов
3. Выбор светодиодов
4. Об измерительных приборах
5. Проверка светодиодов
6. Обработка светодиодов
7. Три варианта подключения
8. Расчёт цепи
9. Проверка тока в цепи с помощью мультиметра
10. Пайка
11. Фиксация светодиодов
12. Светодиоды в архитектуре
13. Особенности применения светодиодов
1. Введение
Светодиоды, или светоизлучающие диоды (в английском варианте LED - light emitting diodes) хорошо известны каждому как миниатюрные индикаторы (обычно к расного или зеленого цвета), применяемые в аудио- и видеоаппаратуре и в бытовой технике. Чтобы понять, почему этим маленьким "огонькам" пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее их устройство, характеристики, принципы работы и историю создания и развития.
Светодиод - далее "СИД" (светоизлучающий диод), представляет собой полупроводниковый прибор, который при определенных условиях начинает светиться. Никакой связи с дедушкиной лампой накаливания он не имеет, в нем нет нити накаливания, нет вакуумной колбы. СИД устроен так: два прижатых друг к другу кристалла с определенными добавками, к ним приделаны две контактные ножки и все это залито оргстеклом. При подаче напряжения на ножки, частицы из двух кристаллов устремляются друг к другу и при соударении выделяют фотоны, т.е. выделяют свет. У современных ярких СИД место вокруг кристалла покрывают люминесцентным веществом, которое тоже добавляет яркости. СИД, прежде всего, является диодом (главное свойство диода - пропускать ток только в одном направлении), поэтому зажигается он только при правильном подключении полярности. При ошибке СИД просто не включится и на его здоровье это не отразится. Чтобы не перепутать полярность, необходимо знать, что ножки у него разной длины. Это сделано специально - самая длинная ножка является плюсом. Если вы вдруг обрезали ножки, то если внимательно вглядеться внутрь конструкции, можно увидеть, что на одной ножке сделано подобие кроватки для кристалла, а от второй ножки к кристаллу подходит лишь тончайший проводок. Так вот, ножка с кроваткой является минусом. Еще один признак полярности - у минусовой ножки немного спилена юбочка.
СИД почти во всех случаях выгодно заменяет лампы накаливания. Основные плюсы - ничтожное потребление тока, более 60.000 часов гарантированной работы, не выделяет тепла, нечувствителен к вибрации, выдерживает небольшие механические повреждения, отсутствует излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом спектре (за исключением специальных).
2. Преимущуства светодиодов
Кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, светодиоды обладают целым рядом других замечательных свойств.
Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает фантастический срок службы. Производители светодиодов декларируют срок службы до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы - срок, сравнимый с жизненным циклом многих осветительных установок. Отсутствие стеклянной к олбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность.
Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безинерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие (например, для стоп-сигналов).
Сверхминиатюрность и встроенное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются неожиданно компактными, плоскими и удобными в установке.
3. Выбор светодиодов
Как показывает практика, десятая часть СИД, что ввозятся в Россию, являются условно бракованными. Возможно, они не прошли их буржуйское ОТК, поэтому были куплены по бросовым ценам, которые значительно вырастают, когда достигают нас - конечных потребителей. Обидно то, что при последовательном включении в цепь бракованного и нормального СИД - сгорает нормальный, потому что через него идет повышенный ток, не погашенный бракованным СИД. Исходя из этого, рекомендуется покупать количество СИД на 30% больше, чем вам нужно для конкретной работы. Выбор СИД громаден. Самый оптимальный СИД - в стандартном корпусе, который потом спиливаю для получения рассеянного излучения. Яркость СИД является давней темой споров специализирующихся на этой теме людей. Заявленная производителем яркость меряется прибором, на который лучом светит СИД, но умалчивается о боковой силе света. С помощью линзы свет СИД фокусируется лучом 30-60 градусов, поэтому при спиливании линзы интенсивность свечения сильно падает. Так что не стоит верить цифрам. Купите по одному светодиоду из понравившихся и экспериментируйте с ними. Если вам удалось найти яркие СИД с рассеянным светом, то предпочтение следует отдать им. Зачастую качество китайских СИД превышает "японские". Иногда продавцы понятия не имеют о свойствах СИД и мне известны уже два случая, когда продавец проверял СИД напрямую батарейкой и покупатель уже дома узнавал, что они были испорчены в момент проверки. Часто в одной партии встречаются СИД с разными оттенками света, поэтому стоит заранее их отсортировать.
4. Об измерительных приборах
Работу с СИД без измерительных приборов можно сравнить с работой слепого окулиста. Поэтому, если у вас нет прибора, необходимо приобрести цифровой "Мультиметр" - прибор, название которого говорит само за себя. В нем скомпонованы все нужные нам измерительные приборы. Покупка быстро себя окупит, если правильно с ней обращаться. Можно купить самый дешевый цифровой мультиметр, необходимо лишь одно условие - у него должна быть возможность прозванивать полупроводники. Эта функция обозначается специальным значком в виде диода на шкале режимов прибора:
5. Проверка светодиодов
После покупки необходимо проверить СИД на работоспособность. Включаем на мультиметре режим прозвонки полупроводников, касаемся щупами прибора ножек светодиода соблюдая полярность (на приборе плюсовой кабель делают красным). Вглядываясь в линзу СИД, можно увидеть слабое, еле заметное глазу свечение. При отсутствии свечения считается, что СИД является условно бракованным и не может быть включен последовательно с другими СИД, так как не будет светиться в последовательной цепи и может спалить здоровые СИД. Как правило, такие СИД светятся только при подключении к нему своего резистора и подачи номинального тока. Такая проверка подходит только для стандартных СИД с током до 20mA, т.к. более мощным СИД необходим больший ток для открытия.
6. Обработка светодиодов
Если вам удалось достать СИД с рассеянным светом, то вам повезло и эту часть можно пропустить.
Для увеличения угла рассеивания, спиливаем часть корпуса СИД и выпиливаем новую линзу, поближе к кристаллу. Таким образом достигается почти 100 градусов рассеивания. Идеальный инструмент для этого - дисковый наждак, а при его отсутствии - напильник. У СИД немного спиливаем боковую юбочку и зажимаем его в маленькие тиски, после чего спиливаем напильником. Даже при небольшом усилии тисков корпус СИД может лопнуть. Спиливаем примерно до 2 мм до кристалла. Далее шкурим линзу крупной шкуркой, потом нулевкой. В завершение процесса шлифуем линзу, усиленно растирая ее об кусок войлока.
7. Три варианта подключения
Последовательное подключение:
На рисунке Q1 и Q2 - светодиоды, R - резистор. Этот вариант имеет самый высокий КПД, т.к. при нем достаточно одного резистора на два-три СИД (меньше инсталляционной работы по пайке). Минусы такого варианта: при сгорании какого-либо СИД, сгорают и все остальные.
Параллельное подключение:
На рисунке Q1 и Q2 - светодиоды, R1 и R2 - резисторы. При таком подключении на каждый СИД приходится паять свое сопротивление. Это самый надежный и безопасный вариант, но требует больше инсталляционной работы и больше резисторов.
Неправильное подключение:
Такая схема недопустима! Два светодиода параллельно включены через один резистор. При таком подключении даже при минимальном разбросе характеристик СИД (а он есть всегда), через них проходит разный ток. Как правило, можно даже увидеть разную яркость свечения. Поэтому для регулирования яркости световых устройств используют не переменное сопротивление (которое регулирует ток), а сложную схему, которая регулирует напряжение.
8. Расчёт цепи
СИД - полупроводниковый прибор, поэтому банальный расчет как для лампы накаливания здесь не подходит. СИД имеет такую характеристику как "Падение Напряжения", ее можно узнать у продавца, если только продавец не слышит такие слова в первый раз в своей жизни. Это значение можно примерно приравнять к двум - трем вольтам. В расчетах цепей с СИД самый главный параметр - сила тока, она не должна превышать номинального тока СИД. Для ограничения тока служит резистор (сопротивление). При правильном подборе сопротивления, СИД можно подключать к любому напряжению.
Примерную величину сопротивления можно рассчитать по формуле, взяв за основу закон Ома.
R - искомое сопротивление в Омах.
Uаккумулятора - напряжение на аккумуляторе в Вольтах. (всегда берем максимум - 14.4 вольта)
Uпадения - падение напряжение на СИД в Вольтах. (если СИД включены последовательно, значит сумма падений на всех СИД).
I - номинальный ток СИД в Амперах.
Произведем примерный расчет для одного моего светодиода, рассчитанного на 20mA (миллиампер) = 0.02A (ампера), с падением напряжения 3 вольта:
Расчеты были сделаны для светодиодов с Uпадения = 3В, сейчас полно СИД, на которых падение напряжения 1.7 - 7 Вольт.
При покупке резисторов покупаются ближайшие по значению. Для таких малоточных СИД подойдут самые маломощные резисторы (0.125 Ватт), отчасти из-за того, что у них удобные по жесткости ножки. Если вам нужна точность, то вот общепринятая формула расчета мощности резистора:
P - искомая мощность в Ваттах.
Uаккумулятора - напряжение на аккумуляторе в вольтах. (всегда берем максимум - 14.4 вольта).
R - сопротивление резистора в Омах.
Рассчёт резистора для светодиода можно произвести здесь.
9. Проверка тока в цепи с помощью мультиметра
В этом процессе необходима предельная аккуратность, т.к. при неправильном подключении можно попалить прибор, светодиоды и блок питания. На данном этапе мы будем использовать "Амперметр". В стандартных мультиметрах, как правило, амперметр разбит на две части: для сильного тока и слабого тока. Соответственно, щуп втыкается в отдельные гнезда на приборе. Необходимо воткнуть в слаботочное гнездо и выставить режим слаботочного амперметра, т.к. показания на нем более точные. Амперметр включается в разрыв цепи, то есть последовательно. При включении амперметра параллельно источнику питания сгорает прибор и источник питания, т.к. амперметр представляет собой короткое замыкание. Необходимо быть предельно внимательным при измерениях: даже если вы чуть-чуть промахнетесь прибором мимо какой-либо ножки и закоротите на другую ножку, то в цепи ток станет большим, в приборе мгновенно сгорит предохранитель, в китайских приборах после этого показания начинают врать. На рисунке изображены светодиод "Q", резистор "R" и показано включение в цепь амперметра "А" и, если потребуется, вольтметра "V".
10. Пайка
Для пайки необходим паяльник с принадлежностями. Обычно, в тех местах, где продают СИД, можно приобрести и паяльник. Лучше всего подойдет маломощный с тонким жалом, не более 60 Ватт. Оптимальным будет 40-ваттный паяльник. Не покупайте толстый прут припоя и кусок канифоли - это прошлый век. Необходимо приобрести припой, который делают тонким как проволока, намотанным на маленькую катушку. Этот припой уже содержит внутри себя флюс (намного лучше, чем канифоль).
Ножки СИД имеют квадратное сечение, как правило 3-х локальных сгибаний достаточно, чтобы она отломилась. Не рекомендуется гнуть ножки около самого корпуса, необходимо сгибать после специальных утолщений на ножке. Перед пайкой надо дождаться полного разогрева паяльника, капелька олова должна растекаться по рабочей поверхности жала. Если этого не происходит, необходимо зачистить жало и снова плавить им олово с флюсом, пока не облудится рабочая поверхность. Перед пайкой элементы необходимо зачистить до блеска металла и облудить их ножки. В момент пайки можно одновременно к спаиваемым ножкам поднести припой или заранее расплавить припой на жале, но здесь нужна быстрота, т.к. флюс испаряется очень быстро. Рекомендуется хорошо прогревать место пайки, чтобы прогрелись все спаиваемые элементы. Пайка без флюса невозможна и только портит нервы. Функции флюса - покрывать поверхность и не давать ей мгновенно окисляться. При правильно поставленном процессе олово мгновенно окутывает место пайки и, остыв, остается красивым и блестящим. Если пайка имеет серый цвет и неравномерную поверхность, значит у вас плохое олово, плохой флюс или перегретый паяльник. Для бытовых целей нет смысла покупать дорогостоящий паяльник с автоматическим поддержанием температуры, поэтому, во избежание перегрева паяльника, включайте его, например, через удлинитель "пилот", в котором есть кнопка выключения, оперируя которой можно поддерживать оптимальную температуру жала. В вашей работе очень помогут маленькие тисочки, ведь у человека всего две руки, а надо держать паяльник, два спаиваемых элемента и пруток припоя.
11. Фиксация светодиодов
После пайки и установки конструкций на основе СИД, необходимо их зафиксировать и защитить от влаги (если требуется). При отсутствии фиксации, если проводники оставлены длинными, то от сильной вибрации они могут переломиться. Влага губительно действует на ножки элементов и места паек. Обычно используют два типа материалов. Поксипол (эпоксидная смола) стоит примерно 200р и всегда пригодится в домашнем хозяйстве. Продается в виде двух маленьких тюбиков, удобен в применении. Смешиваем пару капелек и наносим на нужные места с помощью зубочистки. Термоклей - это полимер, который принимает жидкое состояние при нагревании. Продается в виде цилиндрических палочек, которые заправляются в специальный электрический термопистолет. На рисунке изображены используемые расходные материалы.
12. Светодиоды в архитектуре
Пожалуй, самое интересное - это процесс вторжения светодиодных технологий в "традиционное" освещение. Начался он с установок, где не требуется высокий у ровень освещенности: дежурное и аварийное освещение, ночное интерьерное освещение, знаки и таблички, "маркировочное" освещение. Насыщенный цвет светодиодных "световых маркеров" позволяет использовать светодиоды для цветового зонирования пространства, создания цветовых акцентов. Сочетание светопрозрачных конструкций (окна, стеновые панели, стеклянная мебель) с гибкими линейными светодиодными модулями позволяет создавать светящиеся и меняющие цвет формы. Применение сверхминиатюрных источников света позволяет создать "альтернативные" яркие световые образы для привычных предметов интерьера. С ростом световой отдачи и удешевлением приборов светодиодная "экспансия" распространяется не только на локальное, но и на общее освещение, в котором лидирующее положение пока занимают традиционные и галогенные лампы накаливания (жилые помещения) и люминесцентные лампы (офисные помещения).
То что в ходе реализации идеи художественного освещения фонтана явное предпочтение было отдано именно светодиодам, разработчики-светодизайнеры объясняют целым рядом соображений. Прежде всего, интенсивность цветных световых потоков, излучаемых специально сконструированными для данного проекта светодиодными светильниками, существенно превышает яркость галогенных ламп с цветными фильтрами. К тому же цветовая гамма таких фильтров весьма ограничена, в то время как различные комбинации основных цветов в светодиодной матрице позволяют получить до 16 миллионов всевозможных оттенков. Кроме того, цветные фильтры не выдерживают воздействия мощного излучения галогенных ламп и довольно быстро выцветают. Преимущество также явно на стороне светодиодов и с точки зрения чистоты излучаемого ими света.
Другим аргументом в пользу светодиодов стала их абсолютная устойчивость к многократным включениям и выключениям, за счет которых, собственно, и создается светодинамический эффект.
Аналогичный режим работы галогенных ламп существенно сокращает срок их службы. Да и при постоянной нагрузке эти лампы выходят из строя как минимум в 10 раз быстрее, чем светодиоды.
В отличие от мощных галогенных ламп низковольтные, слаботочные светодиоды (потребляемая мощность - 6 Вт) практически не представляют опасности при эксплуатации в воде.
Вообще, светодиодная система подсветки - достаточно дорогой вариант по сравнению с той же "галогенной" альтернативой. Впрочем, это касается только е диновременных затрат на производство и монтаж. По оценкам специалистов, светодиодный вариант неминуемо оправдает себя в ходе эксплуатации и даст практически пятнадцатикратную экономию.
13. Особенности применения светодиодов
Светодиоды как источник света применяются отдельно (в качестве точечной подсветки) или объединяются в модули самых различных форм и размеров: от линеек до кластеров, встраиваемых в светильники. Отдельное размещение светодиодов обусловлено их использованием в качестве миниатюрных источников света, чаще всего - в декоративных целях. Сейчас это и световое декорирование предметов интерьера - например мебели, зеркальных стен, подвесных потолков; архитектурных элементов из различных материалов, а также рекламной и сувенирной продукции. Отдельное размещение может играть также и глубоко функциональную роль (например, при внутренней подсветке информационных указателей).
Светодиодные модули- это выход из многих проблемных ситуаций, так или иначе связанных с компактностью, нестандартными формами осветительных установок и посадочной глубиной. Под каждую конкретную задачу, практически под любой элемент, требующий подсветки возможно изготовить модуль требуемой определенной формы и размеров, с определенным количеством и типом светодиодов, определенной конфигурацией их размещения на плате. И препятствием для художника по свету уже не станут архитектурные особенности объекта.
Например, габариты светодиодной линейки позволяют встроить ее в любую конструкцию - от металлической трубы - поручня лестницы, до узкой потолочной ниши. А вот габариты лампы нужной мощности зачастую ставят дизайнера перед выбором: кардинально менять конструкцию и размеры подсвечиваемого элемента, или же отказаться от света вообще. Многие предметы интерьера просто получают новую жизнь при грамотной подсветке.
Очень эстетично выглядит такой вариант светового дизайна лестницы в стиле "техно": подсветка ступенек изнутри желтым цветом, поручни из хромированной трубы и исходящий изнутри этой трубы через овальные прорези насыщенный синий свет. В такой конструкции гораздо проще применить узкую линейку, нежели встраивать какой - бы ни было другой источник света, даже самый компактный. Кстати, в Европе обязательное условие при проектировании и строительстве лестниц - световая маркировка ступеней.
Органично вытекающий вопрос замены перегоревших лапм в труднодоступных местах перестает быть проблемой при применении светодиодов: они просто не перегорают.
Например, в Дуйсбурге (Германия), при освещении моста были использованы светодиодные модули, вмонтированные в герметичные металлические столбы ограды.
Игра света и цвета - наиболее эффективный способ создания живой и органичной среды в дизайне жилого пространства и архитектурной подсветке. Для получения цветного света применяются цветные лампы или светофильтры, пленочные и дихроичные. Однако, цветные лампы (а также дихроика) зачастую не обеспечивают нужной передачи цвета, его четкости и насыщенности, а пленочные светофильтры имеют особенность со временем выгорать или мутнеть. Светодиод благодаря насыщенности и четкости цвета решает и эти проблемы. Красный цвет у Вас окажется красным, а зеленый - зеленым. Вы не рискуете после установки светильника получить алый или бледно-салатовый цвет вместо того, что замышлялось при проектировании.
Цифровое же управление световыми установками на базе RGB-диодов позволяет получить до 16 миллионов различных оттенков.
Часть статьи взята с сайта
www.cefiro.ru и www.nightshine.net
| Оглавление | |