Светодиодная лампа своими руками.


Все о светодиодах
Ликбез о питании светодиодов, схемы включения
Электронный балласт для светодиодной лампы
Стабилизатор тока светодиода
Корпуса светодиодов
Надежность белых светодиодов
Эффективное использование светодиодов. Советы конструктору.

Светодиодная лампа

Светодиодные (или LED-) лампы – это, конечно, замечательно: и современно, и экономно, и "линии партии" соответствует. Но очень уж дорого! А главное – нет уверенности (поверьте, её нет и у специалистов!), что они такие уж вечные и полезные для глаз. Единственное, о чем можно сказать точно – это их экологическая чистота в сравнении с "энергосберегающими". И тут еще один интересный момент.

По большому счету, наличие битого стекла и паров ртути там, где вы живёте, зависит как раз не от того, какими лампами вы сами пользуетесь (свою-то в мусорку бросите, да ещё и не ближайшую!), а от окружающих, которые принесут в вашу (а милые детишки расхлопают прямо под дверью). Поэтому, если даже не можете сделать сами, не хотите заказывать умельцам, то хотя бы делитесь ссылкой: чем больше людей откроет для себя ПРАВИЛЬНЫЕ лампочки, тем здоровее будете и вы!

Идея выложить этот текст на всеобщее обозрение возникла после того, как один знакомый пожаловался, как он "кожей спины" ощущает вред энергосберегающих (они же – КЛЛ – компактные люминесцентные лампы), и спросил, советую ли тратиться на светодиодные. Вот, как говорится, «папы этого ответ помещаю в книжке».

Главный совет - не доверять статьям (типа моих), какими бы научными и объективными они ни казались! Всё равно ведь задача продать. Ну, разве что - в википедии... Да и то - видел же заказы на статьи в вики: значит - со скрытой рекламой чего-то!

КЛЛ пугают правильно. Вреднее, разве что - ДРЛ или ДНАТ! (К счастью, хоть их в жилых помещениях никто не использует). И основные факторы - не ВЧ-облучение или ультрафиолет (они сказываются, только если буквально на голове лампочка - настольная или бра над самой книжкой), а пульсации светового потока и плохой индекс цветопередачи.

То, что неестественный спектр неприятен и вреден, думаю, объяснять не надо. Пульсации же светового потока мешают не только фотографированию или рассматриванию быстро движущихся предметов (видели, как снежинки "пунктиром" летят под ртутным фонарём), вызывая стробоскопический эффект, но и крайне негативно сказываются на зрении. Глаз пытается аккомодироваться, но с такой частотой, разумеется, не успевает. Происходит переутомление мышц радужной оболочки и выгорание сетчатки, которую она не успевает диафрагмировать во время пиков яркости, перегрузка аварийными импульсами зрительного нерва. (Не следует путать "нормальные" пульсации промышленно частоты с видимыми мерцаниями ламп дневного света, срок службы которых подходит к концу: видимые как раз не так вредны для глаз и нервной системы).

Пульсаций может не быть и в энергосберегающих лампах, если ХОРОШИЕ. А могут быть и в светодиодных. Более того, на прилавках сейчас в основном светодиодные лампы самой низкой ценовой категории (нужно же как-то конкурировать с КЛЛ), да и сам принцип запитки диодов позволяет сэкономить на электронной схеме. Так что шансов "попасть на пульсации" очень много. Тут и авторитет производителя не поможет, нужно только проверять осциллографом. А цветопередача в светодиодных лампочках тоже неважнецкая. Даже те, что смешением красного, зеленого и синего создают "белый", не сравнятся с накальными источниками, не говоря уж про галогеночки: вроде и похоже, но спектр очень узкополосный. А те, что действительно эффективнее энергосберегающих по световой отдаче (более 100 Лм/Вт), вообще на двухцветной системе: голубой + оранжевый. Тоже кажется белым, но это уж совсем пародия!

Вывод: если важен не эстетический эффект, а жалко глаза свои, любимые, и денежку, то нужно, чтоб какой-то умелец или мастерская сделали по спецзаказу - из кучи РАЗНЫХ светодиодов (чтоб хотя бы десяток полос в спектре был) и с АНАЛОГОВЫМ стабилизатором тока (без пульсаций и ВЧ).

Именно такие использую для себя. А про деньги – в том смысле, что проблемы вредности полностью решают высокотемпературные галогенки, но цена... Даже их начальное устройство (по-настоящему, с постоянным током) обойдётся не дешевле светодиодных, а уж дальнейшая эксплуатация – НА ПОРЯДОК дороже выльется!

Далее будет описан способ и схемное решение, по которому любой телемастер, ремонтник телефонов, компьютеров или даже ЖЕКовский электрик – любой, кто в руках паяльник держать умеет, элементарные схемы читать и закон Ома применять – сделает светодиодную лампу ЛУЧШЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ, причем недорого. Можно еще (при наличии предпринимательских способностей) сыграть на том, что этот мастер взамен получает "ноу-хау" и сможет потом промышлять действительно безвредными, экономными и вечными лампами. Может, первую и бесплатно сделает...

Для начала (и для выбора диодов, и для окончательной приёмки ламп) нужен спектроскоп. Самый примитивный. Спектроскоп - это несложное оптическое устройство, содержащее призму для разложения света. Можно опять же самодельный собрать, купить по дешевке у каких-нибудь старьёвщиков или одолжить в кабинете физики. Даже если до изготовления ламп и не дойдёт, всё равно будет возможность узнать массу интересного – чем мы глаза портим.

Можно также исследовать пульсации осциллографом с фотодиодом, но уже только из научного интереса к другим источникам света. Для контроля наших ламп он не потребуется, так как их схема исключает пульсации в принципе. А вот обучать работе с осциллографом... Это не спектроскоп, в который заглянуть – и всё видно... Но можно и без спектроскопа обойтись: просто купить светодиоды РАЗНЫХ марок.

Кстати! Можно и без прибора пульсации посмотреть. Так же, как работоспособность невидимого цвета – инфракрасных и ультрафиолетовых – диодов проверяют, глядя на них через камеру, точно так любой мобильник с фотоаппаратом покажет пульсации в 100 Гц (в сети 50 Гц, но, поскольку работает и положительный, и отрицательный полупериод, частота удваивается). Для проверки достаточно навести камеру на обычную лампу дневного света – «трубку», растровый светильник на потолке с расстояния 0,5м или ближе. Там пульсации бешеные – процентов 50 – сразу (вернее – через пару секунд, когда аппарат установит яркость) видно на дисплее горизонтальные полосы. Чем они отчетливее, тем хуже. На лампах накаливания большой мощности – почти не заметны: достаточно массивный волосок не успевает остыть/нагреться 100 раз в секунду.

Спектр   Спектр

На рисунках – маломощная лампа дневного света (полосы слабые, поскольку электронная схема питания, как в КЛЛ) и красивый трёхцветный китайский ночник (светодиодный, но ВООБЩЕ без сглаживания пульсаций).

Если полосы совсем не удаётся заметить, источник света очень хороший. Например – галогеночки, запитанные постоянным током. Не просто выпрямленным, а стабилизированным. Но такое почти не используют: очень уж не экономно. Не заметить пульсаций можно и в КЛЛ или LED-лампах хорошего производителя. Но наш «детектор» просто не показывает высокочастотных гармоник, которыми богат любой источник с импульсным питанием. Мы же будем делать аналоговый.

Теперь немного подробнее о спектрах. Они очень разные у различных источников света. Тепловые (планковские) излучатели имеют сплошные широкодиапазонные спектры с распределением  излучаемой энергии по частоте в соответствии с формулой Планка и неярко выраженным максимумом на длине волны, зависимость которой от температуры определяется законом Вина. Это происходит благодаря тепловому движению молекул с огромным разбросом скоростей, а значит – и энергий.

Спектр

Такие спектры наиболее естественны и безвредны для глаз. Но, как видно из графиков, для получения света, наиболее близкого к дневному (с максимумом на волне 555 нм), требуется и температура около 6000 К – как на поверхности Солнца! Нити же накала большинства ламп не нагреваются и до 3000 К. Значит, львиная доля излучаемой ими энергии приходится на невидимую инфракрасную область (тепло), откуда и столь низкая эффективность (КПД ламп накаливания не превышает 5%).

       Солнечный спектр

Спектр солнца

Солнечный спектр испещрён тысячами линий поглощения элементов, присутствующих в его атмосфере: поглощая из проходящего света кванты строго определенной энергии, они затем излучают их в произвольных направлениях (и, как правило, на более низких частотах), лишая земного наблюдателя узкой частички спектра. Например, самая отчетливая (в красной области) – линия кислорода – 759,37 нм.

У свечения газов несколько иная природа. Электромагнитные волны (в том числе и видимые – свет) излучаются не из-за хаотичного движения молекул, а ионизированными атомами при восстановлении электрона на полагающуюся ему орбиту строго определенной энергии – с испусканием соответствующего кванта. Поэтому спектры газов имеют очень узкие полосы излучения. Например, тот же кислород светился бы так:

Спектр газов

Очень похожий спектр имеют всем известные неоновые индикаторы и трубки наружной рекламы.

Люминофор же на осветительных лампах (ДРЛ, КЛЛ, трубках "дневного света") имеет полосы более размытые (поскольку люминофор излучает уже как твёрдое тело) и точнее отвечающие дневному, но всё равно достаточно узкие. Спектр получается рваным и не таким уж близким к солнечному.

Вот диаграммы одних их наиболее популярных сегодня люминофоров, имеющих спектр с номером (по классификации Philips) 754 и – самый качественный – 954:

Спектр люминофора 954

Наконец, во включенном светодиоде, как и в любом кристалле под действием электрического поля, происходит штарковское расщепление возможных энергетических уровней атомов. Это приводит к излучению квантов с некоторым разбросом длины волны, размазыванию спектральных линий. В результате даже у двухцветных белых светодиодов получается не слишком игольчатая цветовая диаграмма.

Спектр белого светодиода  Спектр белого светодиода

Примерно такую же картинку можно наблюдать в свой спектроскоп, только без графиков (они получаются лишь при помощи приборов с высочайшей разрешающей способностью и цифровой обработкой информации). В объективе будет наблюдаться просто размытая радуга (это хорошо) или отдельные полоски на темном фоне (плохо). Вот, как выглядит спектр четырёх разных диодов. Кстати, в данном случае белый – очень неплохого качества. Если попадутся такие, можно смело покупать и комплектовать из них, по крайней мере, половину всех светодиодов нашего светильника.

Спектр белого светодиода 1

Однако ясно, что наиболее близкий к сплошному спектр можно получить, смешав РАЗЛИЧНЫЕ: чтобы провалы в излучении одного источника компенсировались максимумами другого – не совпадающими по длине волны с максимумами третьего и т.д.

Солидные производители и продавцы предоставляют каталоги, в которых указаны основные параметры излучения или даже приведены спектры. В базарном же варианте поможет только спектроскоп (не обязательно ходить с ним по рынку, можно сделать пробную закупку по одному диоду, а затем спокойно исследовать их в затемнённой комнате).

Вольтамперная характеристикаДля объективного сравнения разных светодиодов (не забываем, что нас интересует не только спектр, но и световая отдача) потребуется стабилизатор тока: светодиоды (как и любые диоды) имеют почти вертикальную вольтамперную характеристику, с существенным разбросом от образца к образцу (особенно – для разных типов) и очень сильно зависящую от температуры. Поэтому при одном и том же напряжении ток может отличаться в разы. То есть не только сравнить яркости было бы невозможно, а при питании, например, около 2,5 В синий может вообще не засветиться, а красный – сгореть. СветодиодыПоэтому задаём именно ток. Практически для всех маломощных светодиодов его максимально допустимое значение составляет 20 мА. Мощные бывают на 350 мА, 700 и т.д. В проверочном стабилизаторе (дабы не сжечь еще при выборе) следует сделать 2 фиксированных значения – 15 и 200 мА. Визуально маломощные светодиоды отличаются полностью пластиковым корпусом без каких-либо площадок для теплоотвода и тонкими (круглого или квадратного сечения) выводами, направленными в одну сторону.

Чтобы можно было запитать одновременно два диода (для удобства сравнения), потребуется источник не менее 9 В: компактнее, конечно, «Крона» (для мощных диодов – щелочная), но лучше – набрать батарею из 8-10 «пальчиков» или использовать 12-вольтовый аккумулятор. Конструктивно же клеммы ХТ лучше оформить в виде миниатюрных «крокодилов» носами друг к другу на расстоянии около 10 мм и ходом подвижных «челюстей» в одной плоскости. Дополнительный (пустой) зажим ХТ0 должен составлять с ними примерно равносторонний треугольник: для последовательного включения двух диодов. Можно чтобы они свободно болтались на умеренно мягких проводах длиной (между «крокодилом» и вводом в корпус устройства) буквально 1 см – чтобы не могли коснуться друг друга (впрочем, замыкания схема не боится), а при поднимании носами от корпуса расходились сантиметра на 3 (под самые мощные диоды).

Схема питания светодиода

Выключатель питания SA1 лучше сделать кнопкой (без фиксации): чтобы невозможно было забыть надолго включенным (даже без светодиодов происходит разряд батареи через R1). SA2 – миниатюрный тумблер и т.п. – им и будет переключаться ток 15/200мА. Транзистор VT1 – КТ3102 или любой другой маломощный «супербетта», а VT2 – КТ829 или любой мощный составной (подойдут, разумеется, и импортные аналоги). Резистор R3 можно заменить двумя параллельно соединёнными по 15 Ом, а при помощи R2 (желательно – многооборотного) устанавливают необходимое значение тока, подсоединив вместо светодиода миллиамперметр. Если получится, например, 16 и 180 мА – ничего страшного, главное, что этот ток будет одинаковым для разных испытуемых диодов. В принципе мощность R3 должна быть не менее 0,5 Вт, а транзистору VT2 должен быть обеспечен теплоотвод. Но поскольку мощные светодиоды никто, конечно, при испытаниях на радиаторы ставить не будет, продолжительность включения с большим током всё равно не может превышать нескольких секунд. За такое время элементы схемы также нагреться не успеют.

Поклонники интегральной схемотехники могут собрать аналогичное устройство на основе любых регулируемых стабилизаторов –  LM317, 1083, 1084, 1117, КР142ЕН12, ЕН22 и т.п. – включив их по схеме стабилизации тока. Это сэкономит пару паек, но вряд ли будет дешевле (особенно, если применять микросхемы с низким падением напряжения «low drop» для возможности использования всё-таки одной «кроны»).

Итак, вооружившись стабилизатором, приступаем к выбору. (Повторяю: можно обойтись и без этого, если доверяете продавцам, имеете подробные каталоги или просто не стремитесь к слишком качественному результату).

Сначала проводим предварительный отбор на основании каталога или слов продавца: отсеиваем те, что не подойдут точно. Оставшихся же кандидатов ставим парами в наш стабилизатор и визуально определяем, какие создают больший световой поток. Не путайте с яркостью (какие сильнее режут глаза прямой наводкой) и светосилой (потоком в единице телесного угла). Если направить луч, например, на лист бумаги и рассматривать световое пятно на разном расстоянии, видно, что у диодов бывает различный угол расхождения луча, а также четкость границы этого пятна. Разумеется, узко и четко сфокусированные субъективно кажутся ярче, но это не значит, что они дают БОЛЬШЕ СВЕТА. Объективно оценить именно световой поток можно, например, измеряя освещенность в затемнённой комнате, когда на потолок в ней направляются различные диоды (естественно, из нашего стабилизатора, с одинакового расстояния, под одним и тем же углом и т.д.) – вот тут будет сказываться не направленность, светосила, яркость, а только СВЕТОВАЯ ОТДАЧА, то есть КПД.

Разумеется, можно учитывать соотношение цена/качество. Если, скажем, диод даёт едва заметно большее количество света, а стоит при этом в 10 раз дороже... Хотя это может еще свидетельствовать о более серьёзном производителе, а значит – большем сроке службы, стабильности параметров и т.д.

Лишь определившись с наиболее эффективными, из них уже стоит выбирать по спектру. Заметим, что могут понадобиться не только белые. Но к этому вопросу вернёмся уже при конструировании конкретного светильника. Другими словами, прежде, чем бежать за диодами, дочитайте всё-таки статью: возможно, остановите выбор сразу на более сложном варианте.

И вот – собственно изготовление.

Сразу оговорюсь, что рецепт изготовления рассчитан на человека, имеющего элементарные знания в электротехнике. Если вы, читающий и этими знаниями не обладающий, а собирающийся заказывать изготовление специалисту, встретите незнакомый термин – не волнуйтесь, любой электрик поймёт. И второе: это рецепт ТЕХНИЧЕСКИЙ, за эстетикой – не ко мне.

Можно, конечно, продумать дизайн или скопировать какой-то фирменный светодиодный светильник, заказать токарю некие блюдца алюминиевые, покрывать их хромом, золотом... Это уж дело хозяйское, электрическая схема от этого не меняется (только возникнут дополнительные проблемы с изолированием, если всё будет металлическим). Я же опишу, как сделать на основе китайского светодиодного фонарика – очень дёшево и хоть с каким-то внешним видом (всё-таки не картонная коробка, а какой-никакой промышленный корпус и с готовым отражателем).

Светодиодный фонарик

Более того: фонарик можно использовать негодный. Те, кто, как мы уже договорились, умеет держать паяльник, нередко сами располагают подобным хламом или знают, у кого спросить. У 90% таких фонариков выходит из строя аккумулятор (от неправильного заряда или просто от старости). А если даже и какой из диодов сгорел, так нам и они не нужны (во всяком случае – не все).

Светодиодный фонарик 1    Светодиодный фонарик 3

Итак, разбираем фонарик. Выбрасываем аккумулятор (если негодный) и элементы зарядного устройства. Очевидно, не пригодится и вилка: подсоединяться будем либо просто гибкими проводами, либо можно потом будет попытаться приклеить (вплавить) цоколь от лампочки.

Если не нужен остро направленный луч (для местного освещения, но с большого расстояния), то выбрасываем и отражатель, а вместо него наденем на светодиоды просто кружок белого картона с отверстиями, размеченными через отверстия в отражателе. Но с этой операцией не торопимся: вряд ли количество и расположение диодов не изменится.

Сбоку от диодов пластик корпуса (особенно – черный) тоже желательно прикрыть белой полоской без всякого клея – достаточно упругости бумаги, стремящейся распрямиться. Не нужно брать другие материалы: обычная глянцевая бумага меньше боится нагрева, чем любой пластик, и дольше не выгорает (не желтеет) на свету. А влаги в светильнике у нас не должно быть в принципе (в конце статьи коснёмся уличных и подводных).

Выключатель, скорее всего, также не пригодится: светильник всё-таки обычно включается в более удобном месте, чем на самой лампочке. Но можно и оставить, если эта лампа будет висеть без абажура где-то низко – дело хозяйское. Не следует только забывать, что выключатели в дешевых фонариках обычно очень примитивны, ненадёжны и вообще не рассчитаны на 220 В. Однако в любом случае не стоит его удалять (разве что – откусить выводы для экономии места в корпусе), иначе придётся чем-то закрывать лишнее отверстие.

Теперь – самое, пожалуй, главное: определимся с количеством светодиодов, которые будем использовать. Это зависит от того, для чего мы хотим применять лампу, а также от того, сколько их уже есть в фонарике. Скажем, если хочется сделать достаточно мощную лампу для основной люстры в комнате, потребуется несколько мощных излучателей (возможно – в комбинации с маломощными), о чем речь пойдёт в конце. Скорее всего, фонарик тогда вообще не пригодится.

Если же требуется лишь местное освещение (с чего и советую начать), вполне достаточно одного – двух десятков маломощных. Такое количество может сразу быть в фонарике (не обязательно же он всего на 5 диодов, как наш разобранный). Часть мы всё равно будем заменять, но в любом случае намного проще, когда уже есть готовые отверстия и луженые печатные проводники для монтажа. В наш же точно придётся добавлять. Даже если нужна совсем небольшая мощность (для ночника или, например, подсветки клавиатуры), то хотя бы ради выравнивания спектра нужно (как отмечалось выше) большее количество РАЗНЫХ источников. В частности, в наш 5-диодный я бы советовал добавить три зелёных, пару красных (по кругу между белыми) и один белый с очень хорошей отдачей (но тоже 20-миллиамперный) другого производителя – по центру. Размещать, естественно, надо равномерно, чередуя цвета, чтоб даже на близком расстоянии (пока лучи от каждого диода не успели сильно разойтись и смешаться) всё равно получалось бы ровное – без цветных пятен – освещение. Это касается и многодиодных фонарей, и полностью самодельных светильников, которых коснёмся ниже.

Кстати, перепаивать и резать печатный монтаж (даже если оставить только родные излучатели) нам всё равно придётся: в большинстве фонариков диоды соединены параллельно (или в несколько параллельных групп) – для удобства низковольтного питания без преобразователей. Мы же должны включить их последовательно: ведь боремся за меньший потребляемый ток, а напряжение лишнее всё равно еще придётся гасить балластом (хоть и реактивным). Кроме того, равенства токов через диоды (вспомним их вертикальные характеристики) при параллельном соединении можно достичь только на абсолютно идентичных образцах (одного производителя, марки и даже партии). Разные же можно включать только последовательно.

Тут подходим к важному моменту: светодиоды очень боятся нагрева. Благополучно паять их без специального оборудования весьма непросто. Еще сложнее выпаять старый или подсоединиться к той же заводской пайке: там может быть довольно-таки тугоплавкий бессвинцовый припой, да и сами диоды китайцы впаивают (вопреки ТУ на них и всем правилам монтажа) по "самые уши" – значительно ближе к корпусу, чем это допустимо, и без малейшего зазора для теплоотвода. На конвейере, где пайка занимает меньше секунды, они сгореть не успевают. При работе же обычным паяльником (с длительностью пайки 2-3 секунды) обязательно оставлять зазор хотя бы 3 мм для отвода тепла пинцетом.

Исходя из всего этого, ясно, что лучше лишний раз перерезать монтаж и залудить площадку для новой пайки, чем трогать старую. В частности, в нашем "пятизвёздочном" фонаре диоды впаивались между концентрическими проводниками. Режем их почти радиально (острым монтажным ножом или резаком для пластика), создавая зазор не менее 0,5 мм и снимая фаску с рёбер образовавшейся царапины, чтобы заусеницы или задравшиеся (смятые) края фольги не могли замкнуться, распрямившись. Поперечное сечение паза должно выглядеть примерно так:

Как резать дорожки на плате

Сверлим отверстия под новые диоды, счищаем возле них лак и лудим новые площадки. Затем, соблюдая полярность и оговоренные выше предосторожности – впаиваем. Полярность маломощных светодиодов определяется по ножкам («+» длиннее) или (если ножки уже откушены) – по шлицу на корпусе (он со стороны «минуса»). Если всё правильно, должно получиться последовательно.

Как резать паять

При других конфигурациях монтажа нужно будет приложить смекалку электрика: как при помощи минимального количества резов и перемычек добиться необходимого соединения.

После монтажа следует каждый диод (или по два) проверить нашим же стабилизатором: чтоб потом не было сюрпризов при настройке схемы в виде аварийного режима с перегоранием предохранителя.

Наконец, приступаем к монтажу электронной части (которая не сложней, чем наш испытательный стабилизатор). Вполне возможно обойтись и без печатной платы, особенно – если предохранитель FU заключить в блочный держатель и диодный мост использовать монолитный с отверстием для крепления к корпусу, например, BR36, BR310 и т.п. (100-кратный запас по току еще никому не мешал). На их выводах прекрасно распаяются остальные детали. Если (забегая вперед) реле К1 не удастся достать совсем миниатюрное, его также лучше закрепить "спиной" или боком к корпусу.

Схема

Конденсатор С1 должен обеспечивать реактивный балласт около 10 кОм, что на промышленной частоте достигается при ёмкости около 0,35 мкФ (Rc=1/315C). Лучше (чтобы при испытаниях ток не превысил 20 мА) поставить С1=0,33 мкФ (не менее 400 В), а при необходимости (недостаточном токе) – допаивать ему в параллель значительно меньшую ёмкость. R1 – просто для достаточно быстрого разряда С1 без сколько-нибудь существенной рассеиваемой мощности. Например, 1 МОм. R2 – в пределах 100-150 Ом, 1-2 Вт (можно импортный уменьшенных габаритов: средняя мощность на нём не будет превышать 0,05 Вт, но он должен иметь приличное сечение, чтобы выдерживать импульсную аварийную мощность до 800 Вт). Мосту или дискретным диодам выпрямителя (если абстрагироваться от крепежа)  достаточно выдерживать ток 0,05 А (в импульсе 3 А) и обратное напряжение 600 В. Вполне подойдут копеечные 1N4006. Конденсатор С2 обеспечивает сглаживание вредных пульсаций, а также смягчает режимы светодиодов за счет плавного включения и выключения (включение на глаз трудно отличить от обычного, но для полупроводника в достижении номинального тока, например, за 100 микросекунд или миллисекунд – разница огромная). Так что, его ёмкость – чем больше, тем лучше. Однако, поскольку габариты и цена тоже имеют значение, для 20-миллиамперной лампы достаточно 470 мкФ, а 1000 – было бы вообще превосходно. Разумеется, конденсатор нужен электролитический высокотемпературный (105°С) и с повышенным сроком службы – серий EXR, CD26L и т.п. Его допустимое напряжение должно, по крайней мере, превышать суммарное рабочее напряжение светодиодов. В идеале же – быть не менее 350 В, поскольку в случае обрыва хотя бы одного из диодов или соединительных проводников на этом конденсаторе образуется полное амплитудное напряжение сети. Однако 1000 мкФ * 350 В – это деталька размером с женский кулак, да и цены немалой. Поэтому рациональнее ограничиться всё-таки напряжением излучателей, а на случай их обрыва предусмотреть нехитрую защиту (взрыв от перенапряжения подобного конденсатора – это не просто хлопок с разбрызгиванием электролита, он может представлять определенную опасность для людей и уж точно – для стеклянного светильника).

Рабочее напряжение светодиодов (можно опять взглянуть на их вольтамперные характеристики) составляет приблизительно 1,8 В – красного, 2,9 В – зелёного и 3,2 В – голубого и белого (можно замерить на диодах, подключенных к нашему стабилизатору). То есть в нашем примере (2 зелёных, 2 красных и 6 белых) должно быть около 29 В. Ближайший номинал напряжения в электролитических конденсаторах – 35 В. Но поскольку он довольно редок, а запас не помешает, то 50 В будет в самый раз. 1000 мкФ*50 В – вовсе не большой и не дорогой конденсатор, даже если брать из самых качественных серий. Защиту же на случай обрыва обеспечит стабилитрон VD1 с напряжением стабилизации выше напряжения на диодах, но ниже допустимого у конденсатора. Скажем, 36 В. Мощность от него потребуется 36 В * 20 мА=720 мВт. Вполне справится 1-ваттный импортный стабилитрон в корпусе DO-41, которых сейчас полно – любых номиналов и по смешной цене. А для большей надёжности (или если аналогичный расчет даст большую мощность) можно использовать несколько последовательно соединённых: их напряжения и мощности сложатся. Например, в нашем случае – 2 по 18-20 В.

Заметим, что такая защита не отключает лампу от сети: она не взорвётся и сможет находиться в таком состоянии неограниченное время – не светясь, но потребляя свою обычную мощность, пока её не отключат вручную. Поэтому для более мощных ламп (да и для повышенной безопасности маломощных) имеет смысл ввести в схему реле К1, которое при обрыве светодиодов и появлении тока через стабилитрон (стабилитроны) сработает и замкнёт контактом К1.1 сеть 220 В через R2 и предохранитель FU с номиналом 0,25-1 А. (Именно на этот случай R2 должен быть не совсем маленьким). Плавкая вставка моментально сгорит и полностью обесточит схему.

Схема 12

Напряжение срабатывания реле в сумме с напряжением стабилитронов не должно превышать максимального для конденсатора, а ток срабатывания – не превышать 15 мА (быть, во всяком случае, меньше, чем рабочий ток светодиодов). Контакты же его должны при сетевом напряжении уверенно коммутировать ток хотя бы в 1 А. Малогабаритных реле с такими параметрами не так уж и много. Я, например, остановился на недешевом, зато очень маленьком V23079-A1005-B301 производства “Siemens”, запараллелив в нём для токовой выносливости группы контактов. Поскольку напряжение срабатывания у него около 18 В, стабилитрон в нашем примере должен быть на напряжение 31-36 В (его мощность при наличии реле уже совершенно не важна). Впрочем, как уже сказано, для такого слабого фонарика подобная защита и не обязательна. Это – чтобы не возвращаться к вопросам схемотехники, когда речь пойдёт о мощных лампах.

Схема 13Защитой же самих светодиодов от перегрузки при долговременных (порядка секунд) всплесках сетевого напряжения, а также дополнительным фактором снижения пульсаций при той же ёмкости С2 может стать транзистор VT, образующий для излучателей параллельный стабилизатор тока, величина которого настраивается потенциометром R3 с высокой надёжностью контакта и сопротивлением 100 Ом. Предельно допустимое напряжение транзистора должно раза в полтора превышать суммарное напряжение на светодиодах, а мощность даже при повышенной температуре достигать их суммарной мощности (в лампах на 2 Вт и выше его можно установить на тот же радиатор, что служит теплоотводом излучателей, не забывая об изолировании их друг от друга, если и у транзистора, и у диодов металлическая плоскость для охлаждения имеет связь с одним из выводов). Для снижения мощности, рассеиваемой на транзисторе (но не общей мощности в корпусе лампы), можно в его коллекторную цепь включить резистор R4 с сопротивлением не превышающим эквивалентного сопротивления светодиодной цепочки и такой же мощностью. В нашем случае R4=30 В / 20 мА=1,5 кОм, а его мощность = 30 В * 20 мА = 600 мВт (выбираем 1 Вт). Мощность, рассеиваемая транзистором, в данном случае не превысит половины этого значения, и, например, КТ817 (для нашего напряжения – с буквами В или Г) выдержит такой режим без радиатора. Транзисторы в корпусах TO-220 могут эксплуатироваться без радиаторов до мощностей 0,5 - 1 Вт – в зависимости от близости стенок корпуса и условий для естественной конвекции воздуха (закутанный во что-то теплоизолирующее сгорит, конечно, и при 0,5 Вт). Свыше 1 Вт – только устанавливать на радиатор, не забывая, что без возможности теплообмена с окружающей средой и от него толку немного: необходимо либо предусматривать вентиляционные отверстия, либо делать радиатором металлический корпус (изолируя установленные на него компоненты).

Но это опять было отступление, касающееся мощных ламп. А пока рассмотрим наладку нашего фонарика на примере самой "сложной" схемы – с транзистором и без реле. Кстати, в таком варианте (когда за рассеивание тепла отвечает транзистор) логично и стабилитрон (стабилитроны) соединить не с «минусом», а с его базой: тогда их, как и в случае с реле, можно использовать совсем маломощные.

Схема 14

Установив для начала (как уже говорилось) С1=0,33 мкФ, сразу при включении замеряем ток, который выдаёт наш балласт, присоединив (еще до включения) миллиамперметр прямо к выходу моста (параллельно С2). Он не должен превышать 20 мА.

Внимание! Подключая миллиамперметр к уже заряженному конденсатору, вы рискуете его сжечь. Поэтому – никаких удерживаний щупов руками: только крокодилы, прицепленные к хорошо зачищенному месту, или другое НАДЁЖНОЕ соединение, которое не трогаем, пока не отключим схему от сети! И переключение диапазонов измерения во включенном состоянии не делать: при этом также может прерываться цепь и успеть зарядиться конденсатор!

Если ток не больше, пока оставляем балласт в покое: точнее подгоним потом (ток уменьшится, когда вместо амперметра будут светодиоды, а потом еще – когда заработает транзистор). Теперь переключаем мультиметр на измерение постоянного напряжения и (уже не опасаясь прерывания контакта, но помня, что схема под фазой!) контролируем напряжение на крайних выводах R3: при выведенном транзисторе (левом по схеме положении движка) оно (в вольтах), умноженное на 10 будет равно току через диоды в миллиамперах (предполагается, что ваш прибор достаточно точен, а в резисторе действительно 100 Ом). Проверим, что закрыт транзистор: напряжение на R4 должно быть нулевым или составлять сотые доли вольта.

Вот теперь точнее подбираем балластную ёмкость С1, добавляя в параллель меньшие конденсаторы (но тоже не менее 400 В!), пока не получим ток, скажем, 19 мА (то есть напряжение на R3 1,9 В). Желательно в это же время контролировать напряжение в сети: чтоб оно было действительно 220 В (а если у вас оно ОБЫЧНО существенно повышено или понижено, то и настраивать лучше при обычном, типовом, так сказать). Можно потом (когда закончим и с транзистором) заменить всю эту батарею одним конденсатором, если найдётся необходимой ёмкости (она может быть очень "кривая" – например, 0,41 мкФ). Следует помнить, что погрешности недорогих плёночных конденсаторов сетевого напряжения обычно весьма велики, и изделие с номиналом, скажем, 0,33 может иметь ёмкость 0,3 или 0,37 мкФ (чаще – больше номинала). Поэтому, если нечем достаточно точно измерить ёмкость, испытания с новым конденсатором следует проводить очень внимательно, с готовностью моментально отключить схему, если ток окажется больше 20 мА (кратковременной – на пару секунд, достаточных для измерения – перегрузки на 10-20% светодиоды не боятся).

Транзистор VT начинает открываться, когда напряжение на введённой части R3, определяемое током через светодиоды, превысит определённый уровень, который мы сейчас и выставим, вращая ручку потенциометра. При этом он отбирает у излучателей часть тока: ведь суммарный (повторяю – при стабильном напряжении в сети) ограничен балластом. Контролировать эту часть удобнее всего по напряжению на R4 (опять же – по закону Ома: если R = 1,5 кОм, то каждые 1,5 В будут соответствовать одному миллиамперу). Этот расчет придётся освоить: ведь количество светодиодов (а значит – и R4) у вас, скорее всего, будет другим.

Чем больше ток транзистора, тем больше он принимает участие не только в защите диодов, но и в сглаживании пульсаций. Но при этом рассеивается дополнительная мощность, то есть происходит лишний нагрев изделия и снижение КПД. Тут уж дело хозяйское. В небольшой лампе можно и половину мощности транзистору отдать (увеличив, соответственно, ёмкость балласта, чтобы ток через светодиоды всё-таки не был меньше 15мА). Ведь если речь идёт, скажем, про 1Вт, то это ничто в масштабах квартиры, хоть и 50% составит. Зато режим диодов и гладкость света будут идеальными.

Но с другой стороны – к чему лишний нагрев? При достаточной ёмкости С2 пульсаций и так не будет, а от перегрузки и едва приоткрытый транзистор защитит... Короче, я бы советовал отпустить ему миллиампера три, чтоб светодиодам (без изменения балласта) осталось 16-17 мА: достаточный запас для хорошего срока службы.

Со стабилитроном вообще не должно быть никаких проблем, если он выбран на правильное напряжение, которое, как уже говорилось, должно быть больше суммарного рабочего напряжения излучателей, но меньше допустимого напряжения С2. В конце наладки можно проверить и аварийный режим: разорвать цепь светодиодов (конечно, не выпаивая лишний раз диод, а только какой-нибудь соединительный проводник). Напряжение на С2 должно повыситься, но не превысить номинального. Следует убедиться, что в таком режиме (и с закрытым корпусом) и через минуту, и через час транзистор и стабилитрон не перегреваются. Градусов 70-80 вполне допустимо, а вот 100 – уже нет. (Напомню еще раз, что касаться деталей голой рукой можно только после отсоединения ОБОИХ питающих проводников от сети).

Испытанную схему можно собирать весьма плотно, смело заливать силиконом – за исключением самих излучателей (возможно, когда-то какой-нибудь из них всё же придётся заменять) и нагревающихся элементов. К заднему торцу (если лампа будет использоваться в стандартном светильнике) можно приклеить (вплавить) цоколь Е27 или Е14 – какой нужен. Только их лучше брать не от обычных стеклянных лампочек (очень трудно и очищать, и паять), а от сгоревшей энергосберегашки, например: и медные выводы есть, и закреплено на пластмассе, которую с пластиком же соединять, естественно, проще, чем металл.

Но чаще подобные изделия используются, конечно, нестандартно (смотрите примеры ниже, плюс полностью скрытые в чем-то бескорпусные варианты), и проблемы с цоколем отпадают. Ведь заменять такую лампочку не придётся НИКОГДА.

В принципе – готово. Но не забываем, что это фактически модель. С малой мощностью и совершенно смешной эстетикой. Впрочем, уже долговечная, экономичная и безвредная. И пока недорогая (кроме фонарика – не больше 150 р при самых качественных комплектующих). Если не предъявляются особые требования к внешнему виду (или есть возможность использовать для маскировки какой-то абажур, скрыть в элементах интерьера), её вполне можно использовать для близкого освещения книги при чтении, подсветки клавиатуры и т.п. Компьютерщики-холостяки, например, и не так еще комнату уродуют – и ничего. Зато удобно, выгодно, практично, и глаза не чешутся!

Светодиодный фонарик 4 Светодиодный фонарик 5 Светодиодный фонарик 6 Светодиодный фонарик 7 Светодиодный фонарик 8

Например, ночник «Звезда» – 12 маломощных белых диодов. Возможно, в ночнике интереснее смотрелись бы цветные, зато под этими читать можно! А в направленном для чтения – всего 4 диода –  примерно 0,25 Вт! Правда, С2 маловат: заметны пульсации – горизонтальные полосы.

Для подсветки клавиатуры – с одним мощным, но зато включенным в треть накала – 0,33Вт.

Светодиодный фонарик 9  Светодиодный фонарик 10

Рассмотрим теперь, что можно сделать, вложив несколько большие средства  (или располагая хотя бы более серьёзным негодным фонариком).

Прежде всего, речь идёт о повышении мощности: чтобы перейти уже к освещению целых комнат. Хотя и с точки зрения дизайна, и эргономики, и техники – в связи с изначальной направленностью светодиодов – их рациональнее использовать в качестве местного освещения или точечных маломощных светильников, встроенных в мебель, ступени, потолок и т.д. Малое тепловыделение как раз позволяет устанавливать их даже на легкоплавких или горючих основаниях и полностью заглублять в самые различные материалы. Но всё-таки мощности хотя бы в 3-5 Вт достигать нужно.

Для этого есть два естественно напрашивающихся пути: увеличивать количество светодиодов или повышать мощность каждого. Кстати, переходных, промежуточных вариантов нет: как уже отмечалось, диоды бывают на 20 мА, а далее – сразу на 300, со всеми вытекающими изменениями схемы и проблемами с отводом тепла. Превращать всю лампу в сплошной радиатор (как в промышленных изделиях) при кустарном производстве очень сложно и дорого. Да и хороший спектр из трёх-пяти излучателей составить невозможно (тем более что и выбор-то мощных всегда значительно скромнее).

Светодиодный фонарик 11

Увеличение же количества 20-миллиамперных тоже не беспредельно: для нормальной работы реактивного балласта необходимо, чтоб хотя бы половина питающего напряжения падала на нём. Иначе будет антистабилизация: при незначительных изменениях питания – существенные колебания тока через излучатели. То есть суммарное напряжение на последовательной цепочке светодиодов не должно превышать 100 - 140 В. Значит, имеем технический предел полезной мощности около 2 Вт. При использовании нескольких параллельных цепочек возникают проблемы с выравниванием токов в них, независимой защитой и т. д. Получается всё равно, что собрать несколько отдельных полноценных схем, начиная от балласта. Но в таком случае логичнее уже делать их в раздельных корпусах, то есть просто изготавливать несколько ламп. Ведь в помещении любого стиля и назначения всегда 5, например, одноваттных светильников дают больше возможностей для красивого и удобного освещения, чем один 5-ваттный.

Комбинирование в одном изделии мощных и маленьких светодиодов приводит к тем же проблемам даже в большей степени (кто-нибудь видел хоть один промышленный светильник с разными диодами?) и является нерациональным. Например, в сфотографированном "компютерном" когда-то было 2 мощных диода и 4 двадцатимиллиамперных. В результате, как уж я ни балансировал токи, на сегодняшний день в живых остался только один...

Светодиодный фонарик 12 Светодиодный фонарик 13 Светодиодный фонарик 41 Светодиодный фонарик 15 Светодиодный фонарик 16 Светодиодный фонарик 17

А вот пример почти максимального использования маломощных: 33 диода суммарным напряжением 90 В (потому, что 4 из них зелёных и 10 красных) – этакий односторонний ёжик (полностью самодельный, без основы-фонарика) для эффективного освещения угла примерно в 70°.  Транзистором установлен ток диодов 17 мА, то есть полезная мощность 1,5 Вт, потребляемая – около двух. Фотографировалось в процессе пайки, так что хорошо видна разница в пульсациях совсем без С2 и с ёмкостью 1000 мкФ. При допустимом напряжении 160 В такой конденсатор имеет уже непомерные габариты. Поэтому использован на 100 В. А поскольку запас по отношению к рабочему напряжению получился совсем небольшим, применена качественная защита на том самом сименсовском реле. И кстати, впаивание не "по самые уши", как видите, обеспечивает возможность не только теплоотвода при пайке, но и ориентации диодов в немного разных направлениях.

Исходя из перечисленных сложностей, лично я вижу решение вопроса о повышении мощности самодельных ламп в использовании нескольких 1-ваттных диодов в сильно недогруженном режиме. Конечно, для 5-ваттной лампы их придётся купить штук 15. Но сейчас они уже не очень дороги, а расходы эти окупятся массой преимуществ:

1) продукция даже самого дешевого производителя при трёхкратном, например, "запасе прочности" будет служить действительно ВЕЧНО;

2) совсем не такой острой станет проблема отвода тепла, позволяя, как и для маломощных диодов, использовать пластиковые корпуса и всевозможные упрощения конструкции;

3) достаточно большое количество излучателей позволит (опять же, как для 20-миллиамперных) составить желаемый спектр;

4) ток, потребляемый из сети, остаётся небольшим (а напряжение, как уже говорилось, при длине цепочки до 30 диодов нас практически не волнует);

5) эффективность (световая отдача) диода в недогруженном режиме выше, чем в номинальном, то есть общий КПД устройства возрастёт.

Светодиод 121Рекомендую приобретать не совсем "голые" светодиоды, а уже установленные при помощи заводского оборудования на монтажную пластину «звезда». Цена от этого почти не меняется, а вот обеспечить вручную такой тепловой контакт весьма трудно. Кроме того, эти «звёзды» значительно упрощают дальнейший монтаж, исключают выход диода из строя при пайке и являются уже сами по себе небольшим радиатором. Они представляют собой скорее шестигранники из алюминия с полукружиями по углам для крепежа. Светодиод 122На металл наклеен очень тонкий (проводящий тепло) стеклотекстолит с печатными проводниками. Основание получается полностью изолированным, а выводы подпаиваются не к тем же точкам, что светодиод. То есть такое изделие можно смело паять и крепить к общему радиатору, металлическому корпусу – чему угодно. Только не подвергать особым механическим нагрузкам: тонкий алюминий легко гнётся, а при этом отслаивается текстолит или ломается диод.

Одноваттный излучатель на «звезде» может рассеивать до 0,3 Вт при её установке на пластик и примерно 0,4 Вт в "подвешенном" состоянии – со свободной конвекцией воздуха со всех сторон. Более мощный диод на таком же радиаторе будет не намного выносливее, поэтому нет смысла покупать дорогие. Таким образом, для большинства конструкций можно рекомендовать рабочий ток около 100 мА. Для этого балластная ёмкость С1 должна быть увеличена до 1,5 - 2,2 мкФ (наладка уже не требует той осторожности: можно и на десяток секунд превысить ток втрое!) и уменьшены номиналы R1, R2 – примерно до 510 кОм и 100 Ом соответственно. Допустимый ток перегорания плавкой вставки в релейной схеме будет уже в пределах 0,5 - 1,5 А. Кстати, без релейной защиты в мощных лампах уже никак (не рассеивать же несколько ватт вхолостую на стабилитронах), а вот токостабилизирующий транзистор будет слишком расточительным (да и не таким уж необходимым при трёхкратном запасе). То есть рекомендуется вторая сверху схема.

Для сглаживания пульсаций с тем же качеством ёмкость С2 должна в идеале увеличиваться пропорционально току. Однако ставить 4700 мкФ * 50 В, конечно, слишком. Вполне достаточно и 2200.

R3 и соотношение между номинальными напряжениями С2, VD1, К1 и суммарным рабочим напряжением светодиодов остаются такими же, как описывалось выше. Напряжение на каждом диоде в недогруженном режиме будет меньше (но совсем чуть-чуть, не в 3 раза!) – примерно 3 В на белом.

Светодиод 124Очень удобно остановиться на "чертовой дюжине" диодов (около 4 Вт): и напряжение благоприятное для 50-вольтового конденсатора (39 - 40 В), и диаграммы направленности диодов будут довольно близко соответствовать равномерной полусферической освещенности при размещении их на четырёхгранной усеченной пирамиде. А такую фигуру легко сделать (например, из листового алюминия толщиной 1 - 2 мм): с основанием 65 * 65 мм, высотой граней 50 и верхним сечением 24 * 24 (высота пирамиды при этом будет примерно 45 – не так важно). На каждой грани тогда удобно разместить по 3 диода: например, зелёный и два белых разной "теплоты", а на вершине – еще один белый.

И в заключение – пару слов о герметичных светильниках.

В связи с низковольтным питанием каждого излучателя и отсутствием в них раскалённых элементов светодиоды лучше любого известного источника света подходят для мест влажных, пожаро- и взрывоопасных, чувствительных к электричеству. Благодаря малому нагреву возможна их очень тщательная герметизация.

Но даже при нарушении изоляции, светодиодами можно освещать фонтаны и холодильники, бассейны и аквариумы, использовать в кулинарии, животноводстве, медицине в непосредственном контакте с любыми веществами и живыми организмами. Трёхвольтовое питание единичного диода или их параллельной группы можно ощутить разве что языком. К нему совершенно равнодушны рыбы, не происходит диссоциация воды (с разложением анодных материалов) или окисление молока.

Но это не наш случай! Во-первых, при наличии большой заряженной ёмкости даже трёхвольтовая цепь не является искробезопасной. А во-вторых, в связи с бестрансформаторным питанием любая точка нашей схемы (пусть рабочее напряжение диодов и 30 В) находится относительно заземленных предметов под фазой 220 В! Имейте это в виду и при освещении опасных или чувствительных мест используйте ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НИЗКОВОЛЬТНОЕ питание, получаемое при помощи понижающих трансформаторов с разделенными обмотками, и обязательно заземляйте вторичные цепи. А еще лучше (благо – потребление энергии у светодиодов совсем небольшое) применять в таких местах гальванические источники тока, аккумуляторы: нулевые пульсации и полная безопасность. Стабилизировать же ток в таком случае можно схемой, аналогичной нашему испытательному устройству.

Назад к каталогу статей >>>

Метки: