Светодиодный светильник своими руками

Точнее, речь пойдёт о СОВ (Chip-On-Board) матрицах и, соответственно, уже светильниках с незаменяемым (не так просто заменяемым) излучателем. Отбросим, наконец, позапрошлого века эдисоновский (и какой-либо другой) цоколь, бесполезно съедающий массу пространства и ограничивающий возможности теплоотвода и дизайна. Ведь наши "лампочки" менять не придётся НИКОГДА.

COB

Единственным плюсом LED-ламп со стандартным патроном остаётся применение в старых светильниках: экономия на конструкции и моральный фактор для консерваторов – постепенное привыкание. Но при этом теряются многие преимущества светодиодного освещения, да и экономия скорее кажущаяся, если разобраться. Так что будем считать, для привыкания прошло достаточно лет, пора использовать новые технологии в полном объёме.

Содержание. Что здесь будет, а что – нет

Прежде всего, этот материал является продолжением (а также "работой над ошибками") статьи, опубликованной более 5 лет назад. Предварительное ознакомление с ней абсолютно необходимо: данный текст рассчитан на тех, кто уже знает её содержание. Многие советы и выводы, сделанные в ней, будут использованы как известные истины – уже без объяснений и доказательств. Некоторые моменты, наоборот, скорректируются в соответствии с современной техникой и практическим опытом использования предложенных решений.

Например, продолжаем борьбу с пульсациями светового потока (уже без подробностей – почему они вредны или как их измерять в домашних и "полевых" условиях). А вот спектры оставляем в покое: качество цветопередачи LED-источников повысилось (если у самых дешёвых изделий пока и оставляет желать лучшего, то не настолько, чтобы "подкрашивать" белый свет дополнительными цветными излучателями).

В общем же, как и в первой статье, будут рассмотрены все аспекты – электрические, оптические, механические, эргономические, эстетические – конструирования самодельных LED-светильников, но более мощных и на современной элементной базе. (Эстетика, соответственно перечислению, на последнем месте. Тот, для кого она на первом, может отдавать десятки тысяч рублей за промышленные изделия – сверкающие никелем, а то и позолотой, – но по техническим характеристикам, включая срок службы и БЕЗВРЕДНОСТЬ света, уступающие нашим).

Правила обращения с COB модулями

Прежде чем брать в руки современный мощный светодиодный модуль, нужно помнить, что одной из особенностей СОВ-матриц является отсутствие жесткой и химически инертной внешней линзы: оптическая её функция теряется из-за множества источников на достаточно большой площади, а защитная… Просто предполагается использование в пылезащищённых конструкциях. Без специальных мер очень много шансов повредить (не говоря уж испачкать) нежнейший материал с уникальными свойствами. И вспоминать об этом нужно не только при пайке или механическом монтаже, а уже при покупке и транспортировке (обращать внимание на упаковку: если она не "родная", лучше выбрать другого поставщика).

СОВы покрыты очень мягким, нежным силиконом. Совсем не тем, которым защищаются водостойкие LED-ленты (тот не то что растворить, а и разрезать непросто). Покрытие матрицы содержит люминофор – определяющий и энергетические, и спектральные характеристики излучателя и на сегодняшний день его наиболее слабое звено. Скорость деградации люминофора (то есть срок службы матрицы) напрямую связан с температурой. Тепла там предостаточно и от самих полупроводниковых кристаллов. Совершенно лишней была бы добавка из-за разогрева силикона вследствие снижения прозрачности или внешнего загрязнения: ведь интенсивность света в этой зоне колоссальная.

Таким образом:

  1. единичные прилипшие частицы, пылинки лучше удалить механически – медицинской иглой под хорошей лупой (лучше даже царапина, чем грязь);
  2. если уж умудрились забрызгать, например, флюсом или поставить отпечаток пальца (из-за ультрафиолета он со временем потемнеет и сможет поглощать ощутимый процент светового потока и на несколько градусов повысить температуру люминофора), можно попытаться отмыть очень мягким и безворсовым тампоном с РН-нейтральным (и без кремовых добавок!) моющим средством, сполоснуть дистиллированной водой – и всё это очень быстро, за считанные секунды, и ничем не вытирать, а сдуть сильным напором воздуха (не горячим и не прямо изо рта);
  3. лучше всего просто не покупать грязные модули и применять все меры по защите при монтаже – вплоть до установки каких-то временных колпачков;
  4. учитывать фактор чистоты и невозможности очистки при общем проектировании светильника.

Выбор типа конструкции, механические работы.

Абажур

В соответствии с четвёртым пунктом предыдущей главы принимаем аксиому: матрица должна быть защищена если не газо-, то, по крайней мере, пыле-непроницаемым колпаком с высокой прозрачностью (последняя нужна не только чтобы не терять световой поток, но и чтобы не превращать его в дополнительное тепло). Также материал должен многие годы не менять оптических свойств (помутнение, пожелтение) под излучением высокой интенсивности и оказывать как можно меньшее теплоизоляционное действие (последнее решается за счёт минимальной толщины).

Возможны 2 принципиально различных варианта:

  1. небольшие колпачки, прикрывающие непосредственно светодиоды (остальная конструкция открыта для проветривания;
  2. общий абажур, скрывающий весь светильник.

У первого лишь одно преимущество – лучше теплоотвод. Во всём остальном перевешивает второй:

  • периодическая чистка от пыли одного большого колпака куда проще, чем нескольких маленьких (вместе с радиаторами и прочими элементами);
  • колпачок вблизи излучателя пронизан в десятки раз большим световым потоком, следовательно, подвержен усиленному оптическому старению и нагреву, причем практически половина выделившегося тепла возвращается к матрице (собственно, поэтому производители их и не накрывают);
  • в домашних условиях очень непросто достичь такого эстетического совершенства радиаторов, при котором они сами могут быть элементами дизайна, как это практикуется в промышленных изделиях стиля модерн или техно, а под общим (разумеется, рассеивающим) абажуром можно спрятать самую топорную работу!

Светодиодный светильник

Кстати, о рассеивании света. Это не только эстетика, но и эргономика. Храбрецы с девизом "мне яркие точки не мешают!" реально портят зрение. Даже кратковременные, боковые, скользящие взгляды на неприкрытый мощный светодиод не полезнее, чем ловля "зайчиков" от электросварки или лазерной указки: один раз или несколько – вроде ничего страшного, но если регулярно…

А чтобы из-за рассеяния терять поменьше люменов и люксов, следует использовать материалы не матовые по всему объёму и тем более не покрашенные чем-то по сути непрозрачным. Лучший (на мой взгляд, и эстетически более привлекательный) вариант – рассеиватели фактурные, которые свет лишь преломляют и почти не поглощают. Это, например, стекло с разводами (только не цветное), специальный светотехнический полистирол «призма», «колотый лёд» и т.п. Конечно, свойства лучше у поликарбоната или оргстекла (ПММА), но выше и цена.

Какая бы ни была фактура, её лучше направить вовнутрь, чтобы наружная сторона была гладкой: ведь именно её отмывать от пыли. И оптически эффективнее, когда свет падает на неровную поверхность, а выходит через ровную.

По форме рекомендую что-нибудь в виде колпака, прилегающего отсутствующей стороной к потолку. По эстетике, как говорится, на вкус и цвет... А объективные преимущества у такой конструкции есть:

  • максимально свободен объём помещения (без опаски за люстру делаем зарядку, двигаем шкафы, снимаем одежду через голову, бьём комаров подушками…);
  • удобен и надёжен крепёж (описано далее);
  • главное – отсутствуют поверхности, собирающие пыль, ведь она садится в основном сверху, а не на вертикальные или тем более перевёрнутые предметы, то есть мыть такое изделие не только просто, но и значительно реже придётся.

Поскольку конвективный теплообмен между радиаторами светодиодов и окружающей средой отсутствует, всё терло идёт через абажур и потолок. Следовательно есть ограничения по его размерам: не менее 1 дм2 на каждый ватт мощности светильника (считаем внешнюю площадь абажура + площадь, занимаемую им на потолке). Или, кому известен объём используемого колпака – не более 5 Вт на литр. Конечно, следует делать поправку на особо жаркий климат (или размещение на кухне). Бетонный же потолок (ничем не обклеенный), наоборот, улучшает теплоотвод раза в полтора.

Абажуром может быть перевёрнутая полусфера (не обязательно полу-, любой сегмент, но не превышающий значительно половину, чтобы не создавать поверхность для оседания пыли сверху), в разной степени усеченная пирамида или конус (тоже отсутствующим большим основанием – к потолку), цилиндр, призма (включая куб) и т.д. Многие из этих форм существуют готовые (можно не делать, а только подобрать, хотя бы и б/у): сферическими и коническими бывают промышленные абажуры подвесных светильников (только перевернуть при необходимости, а меньшее отверстие закроется крепёжной шайбой). В виде сфер, параллелепипедов и шестигранных призм производят аквариумы – в том числе акриловые (рассеяние можно создать, аккуратно нагрев оргстекло до образования внутренних пузырьков или, скажем, обклеив изнутри бесцветным бисером). Можно самостоятельно склеить любую фигуру из листового материала, набрать тело абажура из стеклянных или пластиковых палочек, навить (плотно, виток к витку) нагретую акриловую трубку на соответствующую основу (например, ведро – усеченный конус). Наконец, можно заказать эксклюзивную конструкцию (многие фирмы, торгующие пластиком, могут его резать, сваривать и гнуть).

Самодельный светодиодный светильник

Пример такого решения из подручных материалов. Ободок из сантехнической (предназначенной для оформления фитингов настенного смесителя) никелированной шайбы с бортиком диаметром 60 мм, в качестве рассеивателя – декоративный винт с головкой из "совершенно бриллиантовой" пуговицы.

Короче, возможностей масса – в соответствии с фантазией и ресурсами мастера. Принципиальные же моменты резюмируем так:

  • герметичный или почти герметичный общий абажур с отсутствующей самой большой стенкой, плотно прилегающий этой стороной к потолку;
  • материал – прозрачный пластик (вес и хрупкость стекла в любом случае не важны) с фактурным рассеиванием и минимальной толщиной – лишь бы не деформировался под собственным весом.

И упомяну – для неленивых и готовых жертвовать уймой времени ради эстетики – вариант комбинированный: совсем прозрачный колпак (не обработанный аквариум, даже упаковка от торта) для герметичности, а красоту наводить уже, обклеивая его стразами, обвешивая бусами (тоже прозрачными, акриловыми). Подобные рассеиватели могут быть не плотными, но вместе с колпаком всё-таки достаточными. Зато, при наличии терпения и определённых художественных талантов, таким способом можно создавать настоящие шедевры наподобие классических хрустальных люстр.

Светодиодная люстра

Но не забывайте: кроме изготовления, эту красоту придётся хотя бы раз в год как-то разбирать и мыть, смахиванием пыли кисточкой тут не отделаться!

Радиатор и остальная механика

Максимально допустимая температура корпуса для большинства светодиодов (люминофорных прежде всего) не превышает 70°C. Это не значит, что при 75° сразу сгорит. Просто резко снижается срок службы. Который, в свою очередь, тоже выражается не в полным отказе, а в снижении светоотдачи, искажении спектра. Но лучше не переваливать и за 60° (особенно с дешёвыми излучателями), иначе теряется смысл нашего основного принципа – эксплуатации LED при пониженном токе.

Причина старения – перегрев. Ток – только один из факторов, влияющих на температуру светодиода. Второй – теплоотвод. Другими словами, светодиод, отдающий, например, 90% мощности при температуре 60° (благодаря хорошему радиатору), прослужит дольше, чем отдающий всего 50%, но при 70°. Но это не умаляет того факта, что 10-ваттный, используемый на 4 Вт, греться будет практически так же, но переживёт (при том же качестве, производителе) 5-ваттного брата, тоже выдающего 4 Вт на таком же радиаторе и прочих равных условиях.

В нашем случае – в небольшом замкнутом пространстве – нет смысла особо усердствовать с повышением как толщины радиаторов, так и их площади: температура в этом "котле" всё равно почти уравняется, важнее площадь самого абажура. Вполне подойдёт доступный и простой в обработке листовой алюминий толщиной 1,5–2 мм или несложный профиль шириной 40–60 мм (не много-рёберный или специальный светодиодный, а максимум П-образный с низкими полками).

По форме лучше всего перевёрнутая усечённая пирамида высотой от 10 см (тогда в качестве абажуров подойдёт много готовых изделий) до полуметра (если что-то сверхмощное) с количеством боковых граней, равным количеству матриц (рекомендую 4 или 6, поскольку 5-гранная очень уж неудобна конструктивно). Наклон граней – около 45° (варьируется в зависимости от желания больше или меньше света направлять на потолок). Но возможна и всего 2-лепестковая конструкция (тоже с различными углами), если не волнует круговая равномерность освещения (для кого-то два противоположно направленных луча вдоль потолка – даже красивее или больше соответствует интерьеру). Естественно, если та же мощность приходится на 2 радиатора, они должны быть посолиднее.

При использовании лепестков неизменной ширины (прямоугольных граней) к потолку они будут расходиться, и это хорошо: без отверстий хуже конвекция и крайне затруднителен монтаж. Выше середины (но не под самым потолком) их можно соединить неширокими полосками для повышения площади и жёсткости. Матрицы же лучше крепить ниже середины (ближе к перевёрнутой вершине): так эффективнее освещение потолка, да и чуть прохладнее им внизу.

Монтировать всю конструкцию можно, конечно, при помощи отверстий по краям лепестков (не обязательно всех, если абажур лёгкий) и соответствующих в потолке. Но если светильник вешается на место бывшей люстры, можно использовать готовый крюк! Это отличное решение не столько для лентяев (повозиться, возможно, придётся даже дольше, только не под потолком, а за столом всё-таки), сколько для тех, у кого бетонные перекрытия, а своего перфоратора нет. Плюс "всё пройдёт без шума и пыли".

Светодиодный светильник

Вот почти сборочный чертёж сего изобретения (не по всем правилам, но sapienti sat). Для наглядности деталей всё раздвинуто, а при сборке стягивается, подтягивается к потолку. Не прорисованы, чтобы не загромождать мелочами (М3, а то и меньше), винты/гайки крепления лепестков и самих матриц.

В связи со слабым разрешением веб-страниц приводим также увеличенное изображение центральной части:

Светодиодный светильник

В центре малого основания (усечённой вершине) делается отверстие с резьбой М4–М6. Если оно для резьбы слабовато (алюминий или пластик тоньше 3 мм, сталь тоньше двух) или нечем нарезать резьбу, можно приклеить (припаять, вплавить) над отверстием готовую гайку – широкую или с шайбой. Но лучше всё-таки основание покрепче.

На расстоянии 10–15 мм с противоположных сторон от центрального – еще 2 отверстия диаметром 3,5–4,5 мм (в зависимости от будущей шпильки) без резьбы. Тоже при необходимости усиливаются шайбами, но уже снизу. (К этим отверстиям прикладывается сила, которая тянет всю конструкцию к потолку, а к центральному – вес и прижим абажура, направленный вниз). Если светильник будет с неравномерной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, а крюк без возможности поворота (или при его повороте есть шанс повредить проводку), следует заранее продумать правильный азимут оси, на которой лежат все три отверстия: радиатор устанавливается только в двух положениях – когда она перпендикулярна плоскости крючка. Ну, может, градусов на 10 можно будет скорректировать и в таком положении подтянуть: трение радиатора о потолок не даст шпильке повернуться в точности так, как требует форма подвеса.

Изготавливается U-образная шпилька под резьбу М3–М4 в зависимости от требующейся прочности: она будет держать вес абажура + силу его прижима к потолку (хотя бы 0,1 кгс) + вес радиатора + силу его прижима к потолку, которая должна немного превышать вес абажура + силу его прижима (если абажур не стеклянный, будет 0,5–1 кгс). Расстояние между ножками шпильки должно точно соответствовать отверстиям без резьбы (чтобы проваливалась в них без усилий, иначе будет очень трудно собрать под потолком), а высота – равняться разнице высоты абажура и длины крючка. Запас по высоте не помешает и в несколько сантиметров: и погрешности будут не страшны, и наживить гайки на шпильку можно будет ещё внизу, до подвешивания (а не попадать в отверстия висящими концами), и электрическое присоединение удобнее производить, когда радиатор уже подвешен, но не подтянут, до потолка есть зазор для пальцев (очень рекомендую пружинные клеммы WAGO 224-101). А если после подтягивания вниз вылезут слишком длинные резьбовые концы, упирающиеся в абажур, их можно просто откусить: эта часть не должна разбираться никогда, но в крайнем случае скрутить гайку можно и через повреждённую резьбу.

Конструкция подтягивается к потолку за шпильку, подвешенную на крюк, с таким усилием, чтобы при последующей подтяжке абажура за центральное отверстие радиатор от потолка не отходил (для этого описанное выше соотношение сил). Винт крепления абажура должен иметь умеренный запас по длине (чтобы не упираться в крюк) и декоративную головку. Можно обычный болт вклеить (вплавить) в какой-нибудь красивый колпачок от косметики и т.п. Затягиваем же всё равно только пальцами, совсем легонько. Но отверстие в абажуре должно быть на всякий случай меньше металлической головки, а не наклеенной шляпки. В качестве гаек на шпильке лучше использовать "барашки" или достаточно высокие цилиндрические – тоже для затягивания без инструмента: тут усилие больше, чем в абажуре, но всё равно незначительное.

Именно U-образная шпилька не позволяет светильнику упасть, вырывая провода, даже если сорвётся резьба на одной из гаек. Он просто чуть просядет и перекосится – безопасно, но сразу заметно, чтобы своевременно поправить. Возможен и более сложный (а для кого-то, может, и простой) крепёж, в котором вместо ножек шпильки используются 2 длинных винта (в самодельных вместо головки можно просто расплескать один конец: видеть никто не будет, и закручивать, скорее всего, один раз), а вместо её центральной части – специальная плоская стальная перемычка с резьбовыми отверстиями на таком же расстоянии, что и не резьбовые в основании. Чтобы не ездить по крючку от винта к винту, этой детали лучше иметь хомутообразную форму. Такой вариант, кроме страховки от срыва одной резьбы, обладает тем преимуществом, что запас длины винта выходит не вниз, а вверх – хоть до самого потолка. Диапазон подтягивания – безо всякого откусывания – достигает длины крючка + глубина хомутика. А те, кто предпочитает простоту перестраховке, могут подтянуть радиатор к крючку просто толстой проволокой или даже леской достаточной прочности (только как-то не перекрывая ею центральное отверстие).

Хомут

Если потолок подвесной или натяжной, такой светильник крепится (уже без шпилек, через отверстия в верхней части лепестков) к подходящему или специальному конструкционному элементу в плоскости каркаса. Отверстие в декоративном листе или полотне должно быть больше радиатора, но меньше абажура. Также можно крепить и к основному потолку (даже логичнее: светильник переживёт все евроремонты) – через соответствующую прокладку или непосредственно, если сразу делать более высокий радиатор, чтобы излучатели получились на несколько сантиметров ниже декоративной поверхности. Абажур всё равно подвешиваем на радиаторе – просто более длинным винтом.

Электрическая часть

Принципиальная схема и расчёт элементов

Хомут

В ходе 5-летней эксплуатации конструкций из первой статьи выяснилось, что параллельный стабилизатор на транзисторе, как и релейная защита, абсолютно себя не оправдали. Так что за основу берём самую первую схему, только вместо стабилитрона VD1, защищающего конденсатор С2 от перенапряжения при обрыве цепи светодиодов, используем динистор с напряжением открывания Uv выше суммарного рабочего на матрицах, но ниже максимально допустимого для конденсатора. Резистор R3 (0,5–1 Вт) ограничивает разрядный ток С2 при срабатывании защиты на уровне максимально допустимого импульсного тока динистора Iv: R3 = Uv/Iv.

В отличие от стабилитрона, динистор при срабатывании не просто начинает проводить ток, а перескакивает в открытое устойчивое состояние с низким прямым напряжением. В результате и сам почти не греется, и вся схема в аварийном режиме практически не потребляет активной энергии: ток прежний, обусловленный емкостным балластом, а напряжение на активной нагрузке близко к нулю.

Ярко выраженный отрицательный ТКН большинства динисторов вынуждает производить отбор по напряжению (его разброс относительно паспортного огромен) при температуре близкой к рабочей – порядка 50°С. Зато он же превращает этот предохранитель напряжения еще и в термопредохранитель: при возрастании температуры до 70° напряжение открывания упадёт на несколько вольт и, если оно было подобрано без большого запаса, произойдёт срабатывание защиты даже без обрыва цепи светодиодов.

Допустимый постоянный ток динистора должен быть не менее номинального для светильника I. С учётом соответствия ещё и напряжения, подходящего может не найтись. В этом случае динистор можно заменить его аналогом из трёхэлектродного тиристора со стабилитроном между управляющим электродом и анодом и резистором между УЭ и катодом, обеспечивающим напряжение не отпирания при обратном токе стабилитрона (обычно порядка 1 кОм). Стабилитрон подходит маломощный, и уж их ассортимент всегда достаточен.

Остальные элементы выбираются из тех же соображений и расчётов, что и в первой статье.  Допустимое напряжение балластного конденсатора С1 должно быть не менее 400 В (кроме случаев использования специальных пусковых, на которых указывается действующее значение переменного напряжения, – тогда от 250 В), а его ёмкость – обеспечивать необходимое для номинального тока емкостное сопротивление:

Rc1 = 1/315С (на практике – примерно 1 мкф на каждые 50 мА, но не забываем, что у дешёвых плёночных конденсаторов большой ёмкости разброс номинала составляет десятки процентов).

С2 – высокотемпературный (не менее 100°С) на напряжение выше суммарного рабочего у светодиодов, а ёмкость – чем больше, тем лучше (для снижения коэффициента пульсаций). Но, учитывая, что все конденсаторы имеют габариты и цену, вполне достаточно 1000 мкф на каждые 100 мА рабочего тока. Под местное особо качественное освещение для чтения, ювелирных работ и т.п. – можно и больше, а для помещений некритичных – коридор, туалет (если там не читают), балкон (если там не мастерская) – значительно меньше.

R1 – порядка 1МОм, 0,25 Вт.

R2 = 300/Iм, где Iм – предельно допустимый импульсный ток диодов моста. Его мощность будет R2*I2 (номинальный ток светильника).

Поэтому мост не помешает помощнее, тем более что при наличии в нём крепёжного отверстия (как в BR-3, KBU) на его достаточно жёстких выводах можно распаять практически всю остальную схему (кроме С1 и R1, которые лучше закрепить непосредственно в клемме подсоединения питания). Но можно обойтись и копеечными 1N4007 с импульсным током 30 А. Тогда (при I, например, 200 мА) R2 будет 10 Ом; 0,5 Вт.

А ещё R2 не должен быть коротким, независимо от мощности: обычные МЛТ-0,5 и даже МЛТ-1 (не говоря уже про МТ, ВС и уменьшенные импортные) в этой схеме нередко пробиваются по поверхности, выгорая потом до обрыва. Во всяком случае, так это потом выглядит, трудно сказать, как и из чего развивался процесс. Поэтому следует использовать как минимум 2-ваттные или какие-то экзотические типы с полностью изолированным корпусом – покрытым не тонкой эмалью, а пластиком или керамикой.

Выбор и крепление матриц

Пожалуй, это главное: ведь сами светодиоды – основа светильника, приобретение неудачных моделей или некорректная установка могут свести на нет все преимущества LED-технологий. Но не забываем и основную идею: эксплуатация в недогруженном режиме делает вечными даже самые дешёвые изделия.

При выборе электрических и оптических характеристик справедливы те же соображения, что подробно расписаны в первой статье относительно маломощных излучателей. Разве что – благодаря существенному снижению цен – исчезла дилемма между облегчением режима светодиодов и расходами на покупку "лишних": просто смешно колебаться между приобретением (для обеспечения с запасом мощности, например, 4 Вт) одной 5-ваттной матрицы или двух 3-ваттных, когда 10-ваттную (зная места и акции) можно заказать за 16 центов!

Резюмируем готовые выводы-советы.

  • Наилучшей является эксплуатация излучателей при мощности около половины паспортной. Выше – снижается эффективность и срок службы, а ниже – не рациональны затраты средств и труда (даже если они копеечные, под каждую ведь нужно сверлить отверстия, шлифовать площадку, каждую смазывать, паять…)
  • Паспортная мощность матриц должна лежать в пределах 3-10 Вт. Это оптимально и экономически, и оптически, и термически, и конструктивно. Даже если нужна мощность более 50 Вт, лучше взять 12 штук 10-ваттных и разместить на шести больших радиаторах (вспоминаем п.3.2 о количестве лепестков). Но вообще такие мощности для LED-светильников – это очень много, всё равно что 500-ваттные лампы накаливания. Для театральной люстры?.. Большие площади экономичнее и эргономичнее освещать с помощью нескольких не столь мощных светильников.
  • В связи с балластным питанием следует стремиться к наименьшему рабочему току – пускай лучше растёт напряжение (но в сумме не превышает 150 В). То есть выбирать матрицы с номинальным током не 1200 мА и даже не 750 мА, а 300 мА, и соединять их последовательно. Так экономятся ёмкости С1 и С2, а значит – цены и габариты.

Установку же излучателей на теплоотвод рассмотрим подробнее: в первой статье это не описано совсем. Прежде всего, необходимо вспомнить из курса физики, что такое тепловое сопротивление и от чего оно зависит. Плюс выделенное в п.3.2. Тогда будет понятно, что термопаста – не панацея от всех бед. Её теплопроводность в разы хуже, чем у металла, сплошной её слой только мешает. Её задача – лишь заполнение царапин или макроскопических неровностей. При идеальной же подгонке поверхностей матрицы и радиатора (когда они слипаются даже сухие) паста вообще не нужна. К тому же она очень густая, подложки матриц (да и тонкие радиаторы) мягкие, выдавить излишки почти невозможно – получается тот самый сплошной слой. Но если уж взялись за это занятие, необходимо помнить о долговременной текучести (свойственной всем аморфным веществам, даже стеклу), затягивать винты крепления поочерёдно и постепенно – в течение нескольких минут, а не секунд, по возможности хотя бы немного двигая (вращая) матрицу в пределах люфта крепления после подтягивания каждого винта.

При затягивании, винты (особенно с отдельной гайкой) выталкиваются из отверстий, не позволяют зажать основательно. Выход – достаточно толстый радиатор, чтобы нарезать резьбу, либо специальная пластина с резьбами под все используемые отверстия матрицы, накладываемая с обратной стороны радиатора. Последняя тоже не даст винтам качаться, как с гайкой, тем более, если отверстия в самом радиаторе сделать "в натяг", с припуском в сторону центра излучателя, но без малейшего наружу.

Ещё одно неудобство в том, что у многих матриц очень близко к отверстиям проходят печатные проводники, покрытые тонкой не особо прочной изоляцией – как слой краски. Следует соблюдать предельную осторожность при затягивании, возможно подложить под винты изолирующие шайбы.

Прижим

Совсем "неудобокрепимые" матрицы можно прижимать консольной (далеко выступающей за центр крепления) пластиной – независимо от отверстий, за любое удобное место поближе к центру (самому чипу, силикону). Прижимающая кромка должна быть не острой и иметь дополнительную изоляцию (если в точке соприкосновения не голая подложка без печатных проводников). Загиб с дальней от светодиодов стороны детали (вместо которого может быть встречный винт – не стягивающий, а упорный) должен быть больше, чем толщина матрицы + изолятор, чтобы был некоторый угол, касание только краем. Материал не мягкий – сталь, бронза толщиной 1–2 мм. Также можно найти готовые изделия. Например, плоские гайки из коробочек УК-2П с тремя резьбами М4 (одну из крайних используем под упорный винт, центральную – под стягивающий) или опять-таки крепёж транзисторов – в этот раз изогнутые ступенькой упругие пластинки с одним отверстием для корпусов ТО-220.

Наконец, излучатели можно просто приклеить. Существует специальный (недешёвый) теплопроводящий силиконовый состав, на котором держатся матрицы во многих промышленных светильниках. Но без механической подстраховки в столь жёстком тепловом режиме… Я бы не рисковал. Не стоит забывать, что даже приличные производители заинтересованы в том, чтобы их изделия выходили из строя на следующий день после истечения гарантийного срока. Мы же делаем для себя, лет на сто! Впрочем, на «Циакрине» (он же Super Glue, «Секунда» и прочие цианоакрилаты) модули одного светильника (п.5.2) у меня держатся уже 5 лет. Как говорилось выше, при сверхтонких слоях теплопроводность не так важна, и усилий там никаких, главное – долговечность клея. Но о ней, к сожалению, даже реклама молчит, и ускоренно её не испытать.

Регулировка яркости

Прежде всего, диммирование далеко не везде необходимо: во всяких коридорах, кладовках вообще достаточна освещенность минимальная – чего уж там регулировать. Вряд ли это имеет смысл и на кухне: хотя там и должно быть светлее, но всегда примерно на одном уровне. В ванной – может быть: режим "попасть ногой в тапок" и режим, скажем, "для бритья" (хотя для последнего логичнее просто добавлять освещение местное и совсем не сверху). В спальнях и гостиной, вероятно, нужно: режим ночника (если опять-таки не используется отдельный) или просмотра телевизора и режим нормальный. То есть, если и требуется регулировка мощности, то не плавная, а ступенчатая, причем максимум 2-3 ступени, кроме выключенного положения.

Промышленные диммеры (независимо от конструкции – с ручкой потенциометра вместо выключателя, кнопками «+» и «-», дистанционным управлением) не всегда благополучно работают с конденсаторным балластом. Тут рекомендации дать сложно, необходимо пробовать, рискуя сжечь сей девайс. Но 3 ступени позволяет получить обычный спаренный выключатель. Со строенным могут быть проблемы, а спаренных полно – любого цвета и дизайна, в том числе моделей с достатком свободного места внутри. Место понадобится, если используется старая проводка, где к светильнику шло только 2 провода: тогда прямо в выключателе располагают 2 комплекта С1, R1 и R2, а общий после них провод уходит к мосту, который уже в светильнике. При трёхпроводной же схеме всё проще разместить в светильнике (в любом случае там места больше, чем в выключателе).

Схема

апример, С1 = 1 мкф, С1’ = 2 мкф, R1 = R1’ = 1 M, R2 = 10 Ом, R2’ = 5 Ом (см. расчёты выше). Тогда при включении С1 будет ток около 50 мА, при включении С1’ – 100 мА, а при совместном – 150 мА. То есть при суммарном рабочем напряжении светодиодов, скажем, 60 В получим мощность 3 Вт, 6 Вт и 9 Вт. (Для режима ночника делаются ступени не одинаковые – первая порядка 0,5 Вт).

Встроенные драйверы

Интегральный светодиодный излучатель

Миниатюризация и интеграция электроники в последние годы привела не только к появлению многоэлементной LED-матрицы на одной плате-подложке (Chip-On-Board), но и к размещению на ней же всех деталей драйвера – Driver-On-Board или DOB. Благодаря использованию ШИМ-стабилизатора всё компактно, дёшево и удобно, плату можно подключать прямо к сети ~220 В, но:

  1. мы возвращаемся к импульсному преобразователю, отсутствие которого так превозносили в первой статье, описывая преимущества балластных схем;
  2. низкочастотные пульсации также никак не подавляются (на этих платах вообще нет существенных емкостей);
  3. как и на всех промышленных изделиях, выставлен максимально допустимый ток светодиодов, а не 50%.

Однако при столь малых размерах и мощностях, а также за счёт очень близкого размещения элементов схемы к массивному металлическому основанию, излучения импульсных помех в эфир практически не будет. В сеть они не проникнут благодаря сглаживающей ёмкости (о ней ниже) и индуктивности самой проводки, а высокочастотных пульсаций светового потока не создадут из-за инерционности люминофора. Побороть же низкочастотные и уменьшить ток можно!

Для этого просто выбираем модели, не залитые крепким компаундом, с мощностью примерно вдвое больше необходимой и производим некоторую модернизацию.

Светодиодный модуль

  1. Устанавливаем (выносим на проводах) на выходе моста (там, где «+» и «-» или соединённые вместе катоды и аноды дискретных диодов) конденсатор с допустимым напряжением не менее 350 В и ёмкостью около 1 мкф на каждый ватт мощности. Если оксидный, то плюсом к «+» моста или катодам. (Сглаживание пульсаций по "высокой" стороне эффективнее: не полные – до нуля – провалы напряжения выровняет стабилизатор). 
  2. Добавляем последовательно с фазой ограничительный резистор, аналогичный R2 из нашей схемы, чтобы уменьшить импульсы тока через мост из-за зарядки конденсатора при включении.
  3. Находим на плате резистор, задающий ток стабилизации. Он почти всегда внешний, но лучше присмотреться еще до приобретения изделия. Иногда возле резистора даже указана мощность, выставленная при данном сопротивлении. Они практически обратно пропорциональны: втрое больше сопротивление – втрое меньше мощность. НО! Кроме этого, мощность возрастёт примерно в 1,4 раза из-за конденсатора. Учитывая всё это, заменяем резистор на соответствующий.

Практические примеры самоделок

Торшер

Именно из последней, изображенной в п.4.4, только 5-ваттной DOB-матрицы, купленной примерно за 20 центов специально "для опытов", была изготовлена переставляемая лампа с цоколем Е27 от сгоревшей "энергосберегашки" для вкручивания в софитообразный торшер, под которым читают, шьют и т.п. То есть для очень эргономичного освещения. Поскольку используется весьма приличный для такой мощности радиатор (обрезанный от видеокарты) и стабилизатор, защищающий от всплесков напряжения, LED эксплуатируются при токе не вдвое, а лишь незначительно меньше номинального – уполовиненном при замене 20-омного задающего резистора на 40-омный, но возросшем благодаря установке конденсатора (от той же КЛЛ) на 10 мкф, 400 В.

Конденсатор и ограничительный резистор (10 Ом, 1 Вт) закреплены (в дополнительной изоляции) хомутами на обратной стороне радиатора и прикрыты задней частью корпуса КЛЛ (в связи с наличием резьбовых стоек он привинчен, но может быть и приклеен). Сама матрица DOB прижата, как на рисунке в конце п.4.2, широкими прямоугольными гайками с изолированными ПХВ-трубкой краями и рёбрами радиатора в качестве наклоняющего упора. Близкие к центру платы точки приложения силы обеспечили мощный и равномерный зажим – тончайший (буквально прозрачный) слой термопасты еще и выдавился.

Прикрыта плата колпачком от светодиодной же китайской лампы, приклеенным по всему периметру. По ощущениям он съедает половину светового потока, но рассеивает очень эффективно и мягко. Меньше эстетики и эргономичности, но значительно больше света будет, если вместо него использовать обрезанное на высоте 1-2 см донышко от одноразового стакана из полистирола, поликарбоната, полипропилена  – любого прозрачного (не рассеивающего) пластика.

Включённая лампы в торшере – на втором сверху рисунке в начале статьи.

Китайским мультиметром подложка с элементами схемы не "звонится" абсолютно, но высоковольтным мегометром не проверял и, поскольку подключение штепсельное, не стационарное (даже выключатель торшера может разрывать не фазу, а нейтраль), при касании к самому радиатору – для выкручивания, вытирания пыли – лучше вынимать вилку из розетки.

Ванная

Здесь тоже конструкция совсем не та, что описана в теоретической части, но продолжу о ней, так как и исторически она делалась раньше, и технически является переходным вариантом между дискретными диодами и СОВ: собрана на модулях из нескольких планарных излучателей – не под общим силиконом, но на одной подложке. Использовано два 5-ваттных линейных (36 В, 120 мА) и два 3-ваттных круглых (9 В, 240 мА).

Анонсируемая мощность не совсем соответствует номиналам тока и напряжения, но это лишь подтверждает то, что в промышленных светильниках китайцы разгоняют свои изделия даже более чем на 100%. Я же в данном случае установил немногим больше половины (около 140 мА, для чего С1 = 3,3 мкф): слабый радиатор, а температура воздуха, когда купаются, может быть очень большой. Поскольку номинальный ток модулей отличается в 2 раза, линейные соединены параллельно (через них идёт по 70 мА), а круглые – последовательно с ними. В сумме на всех LED получается 54 В, что при умножении на 140 мА даёт около 7,5 Вт. Перед зеркалом, над которым светильник расположен, освещенность вполне достаточная для бритья и т.п.

Вообще, для ванной переделка промышленного изделия в виде открытой стеклянной трубы со стальной подставкой была совершенно безобразной в отношении надёжности и безопасности. К столь влажному помещению с проводящими стенами, массой заземлённых предметов и регулярным босикохождением по-хорошему и близко 220 В подводить не следовало бы. Но если уж никак не обойтись, то все электроприборы должны иметь герметичный корпус (и заземлённый, если частично металлический). А тут... Как говорится, зато красиво…

Круглые модули с очень удобным крепежом привинчены прямо к боковым кронштейнам и светят в торцы трубы, а линейные – приклеены тем самым «Циакрином» к алюминиевому уголку между ними. После быстрого схватывания максимально тонкого слоя по всей площади углы между радиатором и подложкой по периметру ещё несколько дней прокапывались/сушились, пока не образовался примерно миллиметровый "плинтус" из клея, значительно упрочняющий соединение.

Полки уголка направлены на 15° вверх и 75° вниз от горизонта. То есть, кроме "среднего" заполнения комнаты, часть света идёт на потолок, а другая (больше) – в зеркало, освещая лицо не только сверху.

С2 выбран на 63 В, 1000 мкф (пульсации не критичны, если в ванной не читают и вообще часами не сидят).

VD1 – тиристор КУ201Д с 1-ваттным импортным стабилитроном (анод – УЭ) на 56 В и резистором (катод – УЭ) 560 Ом 0,25 Вт.

Прихожая

Вот это уже конструкция недавняя и поэтому в полном соответствии с 3.1 и 3.2. Только двулепестковый радиатор почти совсем расплющен, так как на высоту светильника, включая головку винта, накладывалось ограничение в 5 см: чтобы не мешал дверцам антресолей под самым потолком. Использованы 3 квадратные матрицы (10 Вт, 12 В), о плохой изоляции подложек которых говорилось. Поэтому основание между лепестками диэлектрическое (фторопласт – очень легко пилить, сверлить и нарезать резьбу). Поскольку старый светильник крепился без крючка на саморезах, в новом тоже никаких шпилек: прямо в лепестках просверлены отверстия, совпадающие с готовыми в потолке.

Для плафона нашлось подходящее почти плоское стеклянное блюдо с бесцветными разводами. Чтобы совсем не просвечивали детали, можно придать матовость, обработав изнутри плавиковой кислотой, положив рассеивающую плёнку или насыпав тонкий слой прозрачного бисера (даже без клея). Я пока не стал: раз такую эстетику терпят, зачем лишняя работа и потеря люменов?

Отверстие в стекле делается трубчатым алмазным сверлом сквозь слой воды (её можно просто налить в блюдо, если сверлим изнутри) – без давления (особенно – в конце сверления) и максимально лёгкой дрелью (шуруповёртом). Если есть только тяжёлая, нужно хотя бы блюдо поставить на что-то мягкое, чтобы осевое дрожание не создавало ударов. Начать отверстие без рыскания сверла по гладкой поверхности поможет временно наклеенный (например, на двухсторонний скотч) ограничитель из плоского куска металла, пластика или тонкой фанеры с отверстием, в котором сверло свободно проворачивается – без усилий, но и без люфта. Делать его этим же сверлом не стоит: мягкий материал забьёт и сгладит весь алмазный абразив. Каждые 5–10 секунд давать воде промыть отверстие.

Декоративный винт сделан из обычного болта, шляпка которого залита силиконом в нержавеющем колпачке от крепежа для зеркал. Небольшой избыток клея создаёт слегка выпуклый мениск – незаметный, но обеспечивающий мягкий (не металл к стеклу) прижим. Или можно просто добавить резиновую шайбу.

Для уплотнения неровного края блюда хотел надеть на него разрезанную вдоль резиновую или ПВХ-трубку. Но не пригодилось: обои на потолке (или клей под ними) оказались какими-то мягкими и легко поглотили выступы.

Регулирование яркости не требуется, но используется режим ночника: подсветка "перекрёстка дорог" всей квартиры плюс выманивание комаров из спален. В соответствии с 4.3, часть деталей размещена в спаренном выключателе:

С1 = 0,47 мкф, С1’ = 2,2 + 1,5 мкф

R1 = R1’ = 1 M, R2 = 10 Ом 1 Вт, R2’ = 4,7 Ом 2 Вт.

При суммарном напряжении на матрицах 34 В (ток-то меньше номинального вчетверо) получаем мощности 0,8 Вт и 6 Вт.

В связи с очень короткими соединениями и надёжной пайкой удобных выводов матриц защита по напряжению не делалась. Тем более что С2 в коридоре вообще не обязателен. В моём случае установлен всего 470 мкф 50 В (и взрываться-то нечему), чтобы не было пульсаций в ночнике (для тока порядка 25 мА такой ёмкости достаточно).

Кухня

Наиболее мощный и правильный из моих светильников на сегодняшний день. После его завершения и было решено опубликовать свежий материал о подобных самоделках. Теоретическая часть писана практически под него. Соответственно, и инструкцией по изготовлению является почти вся статья. (Фото в начале глав 1 и 3.1 – тоже его).

Центральная деталь – почти готовая, часто применявшаяся в советской мебели и для стяжки двойных деревянных окон: овальная силуминовая пластина толщиной 8 мм с абсолютно подходящими вертикальными отверстиями. Она идеальна для усиления тонких малых оснований (см. п.3.2 ниже сборочного чертежа – о шайбах), а в моём случае вообще заменяет основание. Добавлены лишь два горизонтальных отверстия М3 строго между имеющимися, чтобы не касались их при пересечении (можно и без резьбы – под длинные винты). С их помощью крепятся два узких (зато профильных) лепестка, а еще два – плоских, но широких – образованы при соединении узких листовым алюминием.

Планировалось использовать 4 матрицы с номиналом 5 Вт; 0,3 А; 15-17 В – с отлично изолированными подложками – и потому без изоляции лепестков радиатора. С обратной стороны широких и более тонких лепестков для улучшения растекания тепла у самого излучателя добавлялся отрезок профиля (с совпадающими отверстиями, естественно), а на профильных – наоборот П-образный кусок тонкого листа: всё для выравнивания тепловых режимов. Пришлось повозиться с "самовыталкивающимися" винтами М2,5. Поэтому и придумал потом (п.4.2), как этого избегать в будущем.

Следующая ошибка: каждая матрица при испытании с током 0,2 А (на который рассчитывался светильник, чтобы иметь мощность 12 Вт) показала напряжение 15 В, но оказалось, что 15 х 4 = 64… А уже были куплены (и смонтированы!) конденсаторы С2 на 63 В, отобран (среди десятков!) динистор на 65 В…

Решил вместо одной из матриц установить 6 диодов 2,4-вольтовых (не разламывая заводской блок) – тем более что были в наличии. У них светоотдача значительно больше (подделка под CREE), так что люменов бы меньше и не стало. Но опять оказалось, что 2,4 х 6 = 15,2… Один пришлось отключить – не удаляя, поскольку очень уж удачно закрепились: согласно с рекомендациями п.4.2 – потайными винтами, но с упорами. Только не круговыми, а ровными (гвозди без шляпок, зажатые между коническими головками винтов): выталкиваются крайние винты не от центра, а параллельно. Для обратной стороны нашлись (видны на предыдущем рисунке) многорезьбовые планки, объединяющие по 2 винта крепёжных с одним упорным и не дающие им наклоняться.

Абажур – из полипропиленовой крышки для микроволновки. Но об этом не каждый и догадается, потому что:

  1. добавился декоративный винт (такой же, как в п.5.3),
  2. вместо отверстия для пара вклеен крупный "бриллиант",
  3. внутренняя поверхность приобрела фактуру.

Последнее делалось детской выжигалкой по фанере с загнутой градусов под 45 U-образной проволочкой и на минимальной температуре (думается, около 200°С): секундное касание – и остаётся неглубокий, до 1 мм, след без обугливания и даже пожелтения. И так, располагая "подковки" хаотично, примерно 6000 раз… Ничего страшного, каких-то 2-3 часа! Дым (в нашем случае даже скорее пар) ПП практически не токсичен.

Можно сделать насадку на паяльник – чем крупнее, тем быстрее, но и больше риск прожечь насквозь.

Для тока 0,2 А (12 Вт) детали:

R1 = 1 Мом; 0,25 Вт 
R2 = 4,7 Ом; 2 Вт
R3 = 10 Ом; 1 Вт
VD1 – КН102Г (подбор)
С1 – 2 х 2,2 мкф 400 В
С2 – 2 х 1000 мкф 63 В
(Имеется в виду, разумеется, параллельное соединение конденсаторов).

Метки: