Светодиоды вместо ламп накаливания
В статье приведены электросхемы светодиодного фонаря, а также рекомендации по выбору светодиодов и их монтажа вместо ламп накаливания
Racer, 06 Июнь 2010, Воскресенье; 16:00

Содержание.

  1. Сравнительные характеристики светодиодов.
  2. Сравнительные характеристики ламп накаливания и светодиодов.
  3. Размещение светодиодов в фонаре. Переделка фонаря.
  4. Особенности электропитания от бортовой сети переменного тока.
  5. Какие светодиоды не следует покупать.
  6. Как сравнить разные светодиоды.
  7. Светодиодный задний фонарь на шести гипер-ярких светодиодах.
  8. Светодиодный задний фонарь с бустерным эффектом.

Сравнительные характеристики светодиодов.


Первый вопрос, которым задается конструктор - как выбрать достаточно мощные и недорогие светодиоды, и сколько их нужно? Казалось бы, выбор несложен - открываем справочник или фирменный каталог, кладем рядом прайс-листы и выбираем наиболее яркие и недорогие светодиоды в соответствующем количестве... Но при внимательном рассмотрении все не так просто. Во всех справочниках вы найдете следующую информацию о светодиодах:

Параметр,обозначениеединицы измерениярус.обознач.иностр. обознач.
Сила света I, Ivкандела (свеча)кдcd
Угол, Viewing angleградус
Длина волны излучениянанометрнмnm
Рабочий токмиллиампермАmA
Рабочее напряжениевольтВV

Сила света ни в коей мере не свидетельствует о величине полного светового потока, излучаемого прибором! Дело в том, что различные светодиоды излучают пучок света разной ширины (раскрыва). Так, прибор без линзы, с одним лишь кристаллом, излучает свет в конусе с углом раскрыва 120 градусов. Прибор, снабженный пластиковой линзой - "пеньком", может собирать свет в меньшем угле - 60, 30, 10 градусов. И тогда сила света в пучке существенно возрастает за счет концентрации светового потока в узком пространстве.

Нас же интересует прежде всего полный СВЕТОВОЙ ПОТОК, создаваемый светодиодом, вне зависимости от того, собран ли свет в узкий или широкий пучок.

Как же в таком случае сравнить светодиоды? В справочных данных у всех них разные углы излучения и разная сила света. Хотелось бы привести светодиоды к некоему "общему знаменателю".

Не вдаваясь в сферическую тригонометрию с ее телесными углами и площадями сферических сегментов, приведу лишь простые КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕСЧЕТА силы света. Умножив теперь силу света светодиода на коэффициент из таблицы, выбранный по углу излучения, мы получим, в сущности, силу света его кристалла без линзы (120 градусов).

Угол101520304050607090100120180360
Коэффициент0,0080,0160,0300,070,120,200,260,400,600,72124

А теперь сравним для примера светодиоды фирмы "KingBright": популярные L-53SRC-F, менее известные L-934SEC-H и очень интересные L-7676CSEC-H:

ТипУголСила света,
мкд (1000 мкд= 1 кд)
Приведенная сила света
(ПСС)
L-53SRC-F304000280
L-934SEC-H503500700
L-7676CSEC-H701800720
повторно-кратковременно70002800

Цифры говорят сами за себя.

(Заметим, что качество светодиода зависит от материала кристалла-излучателя. Светодиоды на материале GaAlP очевидно следует считать устаревшими, в сравнении с современными InGaAlP).

Светодиоды L-7676CSEC-H способны выдерживать большой ток (70 мА против обычных 20 мА), излучая при этом очень много света. Правда, этот режим не рекомендуется для постоянной длительной работы. Очевидно, именно эти светодиоды были созданы фирмой KingBright для стоп-сигналов.

Ориентировочно, количество светодиодов для яркого стоп-сигнала берется из расчета приведенной силы света в 14000 единиц. L-7676CSEC-H понадобилось бы всего 5 штук, L-934SEC-H - 20 штук, L-53SRC-F - 50 штук.

Сравнительные характеристики ламп накаливания и светодиодов.

Световой поток ламп накаливания измеряется в люменах (лм), что соответствует сила света в канделах (свечах) при угле излучения в 65,6 градусов, а поскольку лампы накаливания (кроме специальных конструкций) излучают в угле практически в 360 градусов, то приведенная сила света равна:

ПСС (мкд в 120град) = 1000*<световой поток лампы, лм>/3,14

Ниже приведены известные данные по световому потоку и мощности ламп разных типов: светоотдача (удельный световой поток) составляет: обычная лампа с вольфрамовой нитью в колбе из силикатного стекла - не более 20 лм/Вт, галогеновая - до 35 лм/Вт, ксеноновая газоразрядная - до 90 лм/Вт.

лампамощность,
Вт
световой поток, лмприведенная сила света, ПСС
(см. табл.), мкд в 120 гр.
стоп-сигнал2515046000
поворотник106019000
зад. габарит5309800
галогеновая35900280000
галогеновая652000620000
ксенон3531501000000

В последней колонке - шокирующие цифры, очень большая приведенная сила света. Казалось бы, светодиодами трудно заменить столь яркие источники света... Однако у светодиодов есть еще одна особенность.

Спектр излучения красных светодиодов довольно узок. Они не испускают, в отличие от ламп накаливания, ни зеленого, ни синего, ни желтого света, их световой поток сосредоточен весь в красной области спектра. А свет обычной лампы - бело-желтый, и большая его часть "отрезается" красным светофильтром стекла фонаря. Именно поэтому немного раньше упомянута потребная приведенная сила света для стоп-сигнала в 14000 (мкд*120 град.), в то время как 25- ваттная лампа имеет уровень в 46000 (мкд*120 град.). Значительная часть этих 46000 просто отсекается красным светофильтром.

Размещение светодиодов в фонаре. Переделка фонаря.

Обычно стоп-сигнал имеет вогнутый зеркальный отражатель сзади лампы и рельефное стекло -"рассеиватель" перед ней. Да не обманет вас название "рассеиватель". Это стекло вовсе не рассеивает свет, а тщательно собирает и направляет его каждым своим бугорком в нужную сторону, формируя правильный и эффективный световой поток вместе с отражателем. При большом количестве светодиодов их обычно размещают на одной пластине, в несколько рядов. И это правильно. Но еще одно обстоятельство вызывает сомнения у конструктора, собравшегося переделать фонарь или применить стекло от обычного. Как добиться правильности светового пучка и равномерности свечения поверхности фонаря, не потеряв при этом много света на рассеивание вверх и вниз? Лучшее решение - отдать формирование потока света тем самым рельефным бугоркам на внутренней поверхности стекла фонаря. Они обычно образуют правильную решетку линз с определенной геометрией и как нельзя лучше справляются со своей задачей.

Итак, линзовая система стекла фонаря. Рассмотрим на примере фонарей, где каждая линза имеет фокусное расстояние F=12 мм. Наилучшее размещение излучателя (светодиода) - на расстоянии 2F, то есть 24 мм. Следует учесть, что фокус (центр излучения) светодиода находится на поверхности кристалла для безлинзовых светодиодов, а в случае направленных (линзовых) светодиодов - фокус размещается вне корпуса прибора и называется "мнимым" (при взгляде на такой светодиод кажется, что его кристалл находится где-то ниже основания корпуса). Уточнить фокусное расстояние можно простыми опытами и измерениями с одним светодиодом, а проще сделать все это приблизительно, подобрав потом получше расстояние до стекла фонаря.

Не забудьте направить 2-4 светодиода в боковые стороны.

Не забудьте, что в фонаре может находится непрозрачный световозвращатель (катафот) - не размещайте светодиоды в его зоне.

Часть фонаря с дугами-бороздками линзы Френеля обычно предназначена для лампы заднего габарита. Если хотите разместить там несколько светодиодов - ставьте как можно теснее, в центре, немного развернув их веером в стороны.

Есть ли смысл применять остронаправленные светодиоды, с углом излучения в 30, 20 и даже 10 градусов? - Лишь в том случае, если вы используете гладкое (самодельное) стекло фонаря. Автор предпочитает светодиоды с углом 60..120 градусов, применяя в одних конструкциях штатное рельефное стекло, а иногда вырезая в самодельном стеклянном фонаре так называемые "линзы Френеля". К тому же остронаправленные светодиоды как правило дороже и уступают при этом слабонаправленным по приведенной силе света. И еще: бывают миниатюрные безлинзовые светодиоды для монтажа на поверхность, угол излучения 120 градусов. Они малы (песчинка 1-2 мм), под них не надо сверлить отверстия в монтажной плате, они дешевле.

Особенности электропитания от бортовой сети переменного тока.

Нерегулируемый генератор бортовой сети переменного тока вырабатывает напряжение в широком диапазоне - от 12 до 30 вольт, а на форсированных высокооборотных двигателях и выше. При этом речь идет о так называемом "действующем напряжении", реальное ("амплитудное") напряжение в бортовой сети в 1,47 раза больше "действующего" напряжения в случае обычной синусоидальной формы тока.

Для "ограничения" (стабилизации) напряжения применяются блоки стабилизаторов, коммутатор-стабилизаторов, ограничителей. Как правило во всех них в качестве регулирующего элемента применяется короткозамыкающий симистор. При превышении средним напряжением в бортсети заданного уровня симистор начинает все чаще "открываться", замыкая накоротко на "массу" провод подачи питания с генератора. Это происходит до десятков и сотен раз в секунду, по мере необходимости.

При конструировании электронных бортовых приборов эти схемотехнические особенности надо учитывать. В такой бортовой сети присутствуют мощные короткие импульсы - "пики" напряжения с амплитудой до 1,47 от действующего напряжения генератора без стабилизатора. При этом среднее (точнее, "действующее") напряжение нормальное, лампы освещения и сигнализации горят как положено. Проверить, каково пиковое напряжение в бортсети, довольно просто. Подключите через диод конденсатор емкостью в несколько микрофарад к любой точке бортсети, соблюдая полярность конденсатора и диода. Другой конец конденсатора - на "массу". Далее при работающем в разных режимах генераторе с блоком "коммутатор-стабилизатор" измерьте постоянное напряжение на конденсаторе... Вам будет интересно.

Итак, примем за основу: выпрямленное напряжение бортовой сети (на том самом конденсаторе) - от 18 до 35 вольт, несмотря на наличие штатного исправного блока стабилизатора.

Как же питать в таких условиях светодиодный фонарь?

Задачу несколько облегчает то, что мощность фонаря невысока - 1,8 ватта. Нужен простейший выпрямитель на одном диоде, накопительный конденсатор (470 мкФ 50 В) и стабилизатор напряжения (или стабилизатор тока).

Стабилизатор напряжения прост, буквально одна деталь "о трех ножках". Однако помните о максимальном напряжении на его входе - у типового 12-вольтового стабилизатора К142ЕН8Б входное напряжение не должно превышать 35 вольт. Убедитесь сначала в этом описанным выше способом! Стабилизатор тока более сложен, состоит из пары транзисторов и двух-четырех резисторов, однако при должном выборе элементов работает в более широком диапазоне напряжений - как снизу, так и сверху. Кроме того, не так высоки будут требования к точности поддержания заданного тока, в отличие от стабилизатора напряжения, который обязан с очень малой погрешностью регулировать напряжение питания светодиодов (из-за особенностей питания светодиодов вообще). Стабилизатор тока легко обеспечивает "бустерный" режим - повышенный на 50% в течении 0,2 секунды ток питания фонаря при включении стоп-сигнала. Наконец, питание светодиодов через стабилизатор тока - наиболее естественное схемотехническое решение, учитывающее особенности светодиодов как электронных приборов.

Какие светодиоды не следует покупать.

На радиорынках и в магазинах продаются самые разные светодиоды. Буквально "глаза разбегаются". Как же истратить свои трудовые (надеюсь) сбережения, намереваясь приобрести комплект светодиодов для самодельного стоп-сигнала, так, чтобы не пожалеть о понесенных затратах и, самое главное, достичь хороших технических характеристик устройства?

В статье о применении светодиодов достаточно много сказано о параметрах светодиодов. Здесь же добавим кое-что из собственного опыта. Итак.

Не покупайте светодиоды:

Пренебрегая этими советами, вы рискуете (100%) проиграть по соотношению "цена/качество".

Не поддавайтесь на уговоры продавца "купить вон те наиярчайшие, глаз слепят". Не обращайте ни малейшего внимания на попытки продавца устроить импровизированную иллюминацию, подключая батарейку к разным светодиодам и демострируя вам, "как они слепят". Это все - пустое.

Как же, спросите вы, ведь яркость при работе от одной и той же батарейки можно сравнить? Нет, отвечу вам, нельзя. Поверьте на слово. В конце мы еще вернемся к теме сравнения.

Наиболее выгодные по соотношению цена/качества светодиоды перечислены в той самой статье. Все они в прозрачных бесцветных корпусах, 3-х или 5-ти миллиметровых. L7676CSEC-H - в низком квадратном (7,5х7,5) прозрачном корпусе.

Как сравнить разные светодиоды.

Разумеется, не так, как это делают некоторые продавцы. Если вы приобрели несколько образцов и хотите выбрать наилучшие - это делается так.

  1. Пара сравниваемых светодиодов соединяется последовательно, чтобы по ним протекал одинаковый ток.
  2. Подключается батарейка, или регулируемый источник питания, напряжением 4..5 вольт. Этого напряжения обычно достаточно, чтобы обеспечить нормальное "зажигание" пары светодиодов. Желательно обеспечить ток порядка 20 миллиампер. Ток свыше 50 миллиампер многие светодиоды могут и не выдержать. При некотором опыте напряжение можно отрегулировать "на глазок", по свечению образцов.
  3. Не надо смотреть на светящиеся светодиоды. ( Хотя, понимаю, хочется - они светятся красиво...). Направьте их свет на белый экран (стена, лист бумаги и т.п.).
  4. На экране будут видны два световых пятна. Подвиньте теперь светодиоды так, чтобы яркость в серединах пятен была примерно одинакова. При этом один светодиод окажется дальше, другой ближе к экрану. Световые пятна окажутся, вероятно, разного размера. Измерьте их диаметры (приблизительно).
Вот и все, опыт закончен. Зная диаметры, вычислите площадь каждого пятна. И увидите, от какого светодиода больше света, и во сколько раз.

Собственно, размер пятна можно сравнить и "на глаз", без всяких линеек. То есть сразу видно, какой светодиод дает большее количество света. Но чтобы дать оценку светодиодам с учетом их цены, желательно получить более точные цифры, что вы и сделаете при помощи линейки.

Такой способ позволяет достоверно сравнить световой поток каждой пары образцов. Ведь именно полный световой поток важен для оценки "мощности" светодиода, а вовсе не "сила света" и тем болеее не "яркость"...

Светодиодный задний фонарь на шести гипер-ярких светодиодах.

Электросхема светодиодного заднего фонаря

Особенности работы схемы
Исходя из вышесказанного, автор не рекомендует исключать из схемы элементы VD1...VD4 ни в коем случае.

Также, необходимо обеспечить охлаждение стабилизатора напряжения. Например закрепив его на металлической пластине и не забудьте нанести термопасту для лучшего теплоотвода.

Светодиодный задний фонарь с бустерным эффектом.

Электросхема светодиодного заднего фонаря

Особенности работы схемы
Исходя из вышесказанного, автор не рекомендует исключать из схемы элементы VD1...VD4 ни в коем случае.

Также, необходимо обеспечить охлаждение стабилизатора напряжения. Например закрепив его на металлической пластине и не забудьте нанести термопасту для лучшего теплоотвода.

А. Лашманов, 2003 г.



эти данные от ideal2.info
( http://ideal2.info/plugins/content/content.php?content.34 )