Zastosowanie LED w oświetleniu

Ze względu na swoje liczne zalety diody elektroluminescencyjne, zwane z ang. LED, zyskują coraz większą popularność w rozwiązaniach oświetleniowych. W sprzedaży można już dostać gotowe zestawy pozwalające zastąpić używane dotychczas żarówki ich diodowymi odpowiednikami. Niniejszy podręcznik ma być poradnikiem, jak we własnym zakresie wykonać taki zestaw świecący. Może być także doskonałą powtórką z podstaw elektroniki w zakresie prawa Ohma, praw Kirchhoffa oraz podstaw pracy z diodami półprzewodnikowymi.

Rodzaje LED

Porównanie diod o różnych średnicach

Typowa dioda jest kierunkowym źródłem światła

Najczęściej spotykanymi LED-ami są diody okrągłe o średnicy 3, 5, 8 lub 10 mm oraz diody w kwadratowych oprawach o boku ok. 7,6 mm, tzw. Flux. Diody okrągłe zazwyczaj są silnie kierunkowe – kąt świecenia wynosi typowo 10–35°. Diody Flux najczęściej mają szerszy kąt świecenia – 100–140°. Od kąta świecenia zależy jasność diody – im węższa wiązka, tym jaśniejsze światło. Dlatego przy zakupie nie należy kierować się tylko podawaną jasnością, lecz trzeba wybrać diodę o takim kącie, który najlepiej będzie odpowiadał naszym potrzebom. Jeżeli budowany przez nas moduł ma zastąpić typową żarówkę, potrzebujemy diody o jak najszerszym kącie świecenia, a jeśli potrzebujemy wiązki silnie skupionej – o wąskim kącie. Można spotkać białe diody o różnej jasności, do kilkudziesięciu kandeli przy nominalnym prądzie $I_{d}=20mA\;$.

W sprzedaży hurtowej diodę 5 mm o jasności 55 cd można kupić już za 0,90 PLN brutto za sztukę.

LED-y charakteryzują się wyjątkową trwałością sięgającą przy prądzie $I_{d}=20mA\;$ wg danych producenta nawet 100 tys. h. Oznacza to ponad 11 lat ciągłego świecenia.

Pod względem wydajności LED-ów są kilkukrotnie lepsze niż żarówki i porównywalne ze świetlówkami kompaktowymi, a najlepsze nawet przewyższają je. Jednak sprawność ograniczają częściowo układy zasilania diod, gdzie najczęściej stosowany jest rezystor ograniczający prąd. Dodatkowo diody LED pracują ze stosunkowo małymi mocami, małe diody do ok. 60 mW, Flux do ok. 300 mW. Można kupić większe diody LED o mocy do 10 W, jednak są one droższe i wymagają skutecznych radiatorów odprowadzających ciepło. Z tego względu diody LED dobrze sprawdzają się tylko jako oświetlenie dekoracyjne, sygnalizacyjne i w latarkach.

Trochę teorii

Nominalnym prądem pracy diody jest zazwyczaj $I_{d}=20mA\;$. Ponieważ większość diod LED nie posiada wbudowanego zabezpieczenia przed nadmiernym prądem, sami musimy zatroszczyć się o dobranie odpowiedniego opornika, który podłączymy szeregowo z diodą lub układem diod. Przy prądzie nominalnym $I_{d}\;$ zgodnie z charakterystyką $I_{d}(U)\;$ na diodzie odłoży się napięcie o przybliżonej wartości $U_{d}=3V\;$. W najprostszym przykładzie, gdy jedna dioda połączona jest szeregowo z opornikiem, oznacza to, że dopełnienie do napięcia zasilania odłoży się na oporniku (zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa). To pozwala wyznaczyć wartość opornika wprost z prawa Ohma $R={\frac {U-U_{d}}{I_{d}}}\;$. Dzięki temu możemy dostosować nasz układ świecący praktycznie do każdego napięcia zasilającego.

Innym sposobem dostosowania modułu do napięcia zasilania będzie podłączenie w szeregu odpowiedniej liczby diod. Wówczas spadek napięcia na diodach w połączeniu szeregowym jest równy $nU_{d}\;$. Analogicznie do poprzedniego przykładu wartość opornika wyznaczymy z podobnego wzoru $R={\frac {U-nU_{d}}{I_{d}}}\;$. Efektem zastosowania wielu diod (LED) w połączeniu szeregowym będzie zminimalizowanie napięcia, jakie odłoży się na oporniku, czego konsekwencją będzie mniejszy udział strat w postaci ciepła rozproszonego na oporniku.

Rodzaje połączeń

Profesjonalny moduł oświetleniowy LED zainstalowany na lokomotywie jako źródło świateł sygnałowych (diody LED w kolorach białym i czerwonym)

Pojedyncza dioda nie daje wystarczającego natężenia światła, by mogła znaleźć samodzielnie zastosowanie w oświetleniu. Dlatego, aby osiągnąć wymagany poziom jasności łączymy pojedyncze diody w moduły wielodiodowe. Sposób ich połączenia zadecyduje o pewnych specyficznych cechach użytkowych całego układu. W niniejszym rozdziale przedstawiono kilka sposobów wzajemnego połączenia diod. Każdy z nich ma swoje wady i zalety, zatem przed wyborem któregokolwiek sposobu połączenia dla własnego projektu warto te cechy rozważyć.

Innym zagadnieniem jest sprawność danego układu. Aby zminimalizować straty w postaci ciepła wydzielanego na oporniku, będziemy dążyć do zminimalizowania napięcia, jakie odłoży się na oporniku przy zachowaniu nominalnego prądu na każdej z diod. Dodatkowo będziemy zwracać uwagę na moc wydzielaną na oporniku, tak aby nie przekroczyć wartości znamionowych opornika.

Prawidłowa polaryzacja LED w stanie przewodzenia

Jeżeli przystępujemy do pierwszych prac, warto zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację diody. Dioda świeci w stanie przewodzenia. Prawidłową polaryzację popularnej diody o średnicy 5 mm przedstawiono na fotografii obok.

Połączenie równoległe

Charakteryzuje się dużą niezawodnością, gdyż uszkodzenie którejkolwiek z diod nie powoduje wyłączenia całego układu świecącego. Im więcej diod pracujących równolegle, tym mniej jest zauważalna awaria którejkolwiek z nich. W przypadku napięcia zasilania znacznie większego od $U=3V\;$ charakteryzuje się znacznymi stratami energii wydzielanej w postaci ciepła na oporniku (opornikach) znajdujących się w obwodzie. Z tego powodu dla napięć zasilania wyższych od $U=6V\;$ zalecane jest połączenie szeregowe. Wyjątkiem będzie sytuacja, gdy nie ma możliwości zainstalowania więcej niż jednej diody. Należy jednak zwrócić uwagę na moc nominalną opornika tak, aby wartość ta była większa od teoretycznej mocy wydzielanej na oporniku w naszym układzie.

Połączenie szeregowe

W przypadku większych napięć zasilania w takiej konfiguracji straty w postaci ciepła na oporniku są najmniejsze, jednak jest to układ o najniższym stopniu niezawodności. Uszkodzenie którejkolwiek z diod w obwodzie szeregowym powoduje zazwyczaj przerwanie obwodu, co oznacza wyłączenie całego układu świecącego. W takiej sytuacji pozostaje nam długie i żmudne poszukiwanie uszkodzonej diody, żeby przywrócić układ do działania.

Od strony teoretycznej wartość rezystora ograniczającego napięcie w gałęzi obliczymy ze wzoru: $R={\frac {U-nU_{d}}{I_{d}}}\;$, gdzie $n\;$ jest liczbą diod znajdujących się w połączeniu szeregowym.

Przykładowo dla napięcia zasilania $U=12V\;$ przy nominalnym prądzie $I_{d}=20mA\;$ na trzech diodach połączonych równolegle odłoży się napięcie $U_{d}=3V\;$. Zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa na szeregowo wpiętym oporniku odłoży się napięcie $U_{R}=U-U_{d}=9V\;$. Dalej otrzymamy, że w tym konkretnym przypadku sprawność układu wynosi $25\%\;$. Dla porównania warto wspomnieć, że w przypadku szeregowego połączenia tych samych trzech diod spadek napięcia na oporniku będzie miał wartość $U_{R}=U-3U_{d}=3V\;$, co daje sprawność $75\%\;$. Zatem zyskaliśmy $50\%\;$ sprawności poprzez odpowiednie połączenie tych samych diod nie tracąc przy tym na jasności ich świecenia.

Połączenie mieszane

Przykład, gdzie warto zastosować połączenie mieszane przy zasilaniu samochodowym 12 V / 24 V

Jeżeli osobne moduły szeregowe połączymy ze sobą równolegle oraz dodatkowo zmostkujemy połączenia pomiędzy diodami z poszczególnych gałęzi równoległych (rysunek), otrzymamy rozwiązanie będące kompromisem pomiędzy sprawnością a niezawodnością. W przypadku uszkodzenia jednej z diod cały układ będzie nadal działał, chociaż przez diody znajdujące się w tym samym rzędzie, co uszkodzona, będzie przepływał nieco większy prąd (zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa). Przestanie świecić wyłącznie uszkodzona dioda, a nie wszystkie diody znajdujące się razem z nią w połączeniu szeregowym.

Zastosowanie

Zanim przystąpimy do prac montażowych, powinniśmy zaopatrzyć się w podstawowe narzędzia potrzebne elektronikowi:

• lutownicę,
• cynę,
• kalafonię,
• miernik uniwersalny.

Przyda się nam również izolacja termo-kurczliwa.

Napięcie sieciowe 230 V

Napięcie 230 V wymaga, aby cały układ umieścić w bezpiecznej izolowanej obudowie. Należy zachować szczególną ostrożność, aby uniknąć porażenia prądem elektrycznym, co może się skończyć nawet śmiercią.

Ze względu na przemienny (sinusoidalny) przebieg napięcia sieciowego konieczne będzie zastosowanie elementu prostującego napięcie np. mostka Graetza wraz z kondensatorem wpiętym równolegle na wyjściu mostka.

Moduł LED w oprawce E27 zasilany napięciem 230 V

Aby zminimalizować moc wydzielaną na oporniku w postaci ciepła w podstawowej konfiguracji, zastosujemy 70 diod połączonych szeregowo. Łączny spadek napięcia na tych diodach będzie miał wartość $nU_{d}=70\cdot 3V=210V\;$. Opornik ograniczający natężenie prądu powinien mieć zatem wartość $R={\frac {U-nU_{d}}{I_{d}}}={\frac {230V-70\cdot 3V}{0,020A}}=1000\Omega \;$.

Dobierając odpowiednio większy rezystor, możemy ograniczyć liczbę diod podłączonych w szeregu. Wadą tego rozwiązania będzie jednak wzrost napięcia na danym rezystorze, czego konsekwencją będzie wzrost mocy wydzielanej w postaci ciepła na tym elemencie.

W celu zwiększenia natężenia światła możemy podobne moduły szeregowe łączyć ze sobą równolegle. Aby uzyskać dodatkowo większy poziom niezawodności, powinniśmy gałęzie szeregowe zmostkować ze sobą zgodnie z opisem dotyczącym połączenia mieszanego, gdyż w sytuacji uszkodzenia jednej z diod cały moduł przestanie świecić, a wtedy pozostaje nam żmudne poszukiwanie niesprawnej diody. Jeśli zastosujemy mieszane połączenie, zgaśnie tylko uszkodzona dioda, a nie cały szereg.

Podręczna latarka

Zazwyczaj będzie to latarka zasilana dwoma bateriami typu R6, R14 lub R20. Oznacza to, że dysponujemy źródłem napięcia o wartości $U=3V\;$, w przypadku baterii alkalicznych, albo $U=2,4V\;$ w przypadku akumulatorków NiCd lub NiMH. Ze względu na relatywnie niskie napięcie zasilania w każdym z tych przypadków możemy zrezygnować z opornika ograniczającego płynący prąd bez szkody dla diody. Wystarczy wówczas podmienić oryginalną żarówkę układem diod połączonych równolegle i dysponujemy już latarką o znacznie dłuższym czasie pracy bez wymiany baterii.

Ze względu na niższe napięcie akumulatorków NiCd oraz NiMH (1,2 V na każde ogniwo), w celu uzyskania nominalnego poziomu jasności zaleca się szeregowe połączenie co najmniej 3 akumulatorków, co daje nam napięcie 3,6 V.

Z powodu ograniczonej dostępności pojemnych akumulatorków NiMH w rozmiarze R20 warto rozważyć zrezygnowanie z tej formy zasilania i przystosować latarkę do zasilania za pomocą dwóch zestawów po 4 akumulatorki R6. Wspomniane wyżej zestawy gabarytowo zbliżone są do jednej baterii R20. Wszystko połączone szeregowo daje nam napięcie $U=9,6V\;$, co pozwala na bezpośrednie zasilanie (z pominięciem opornika) dowolnej liczby szeregowych modułów 3-diodowych przyłączonych równolegle.

Uszkodzony telefon komórkowy

Jeżeli posiadamy uszkodzony telefon komórkowy ze sprawnym układem ładowania, sprawną ładowarką oraz akumulatorkiem, możemy spróbować przerobić go na amatorską podręczną latarkę. Większość akumulatorków stosowanych dziś w telefonach komórkowych jest źródłem napięcia $U=3,6V\;$, co stanowi idealne zasilanie diody bez konieczności stosowania opornika i skomplikowanych połączeń szeregowych bądź mieszanych. Wystarczy przerobić obudowę tak, aby można było zainstalować w niej kilka-kilkanaście LED-ów, połączyć je równolegle ze stykami baterii i dodatkowo zainstalować wyłącznik.

Typowa bateria w telefonie komórkowym posiada nominalną pojemność $1000mAh\;$, a to – przy 5 diodach połączonych równolegle – oznacza teoretycznie $t={\frac {1000mAh}{5\cdot 20mA}}=10h\;$ ciągłego świecenia na jednym ładowaniu.

Oświetlenie samochodu

Moduł LED i reflektor halogenowy

Ze względu na swoją dużą sprawność diod elektroluminescencyjnych z powodzeniem mogą zastąpić wiele standardowych żarówek w samochodzie. Wspomnieć należy, że w aucie mogą być stosowane jedynie żarówki posiadające homologację. LED-y spotkać możemy w układach świateł postojowych, świateł STOP, kierunkowskazów, oświetlenia wnętrza samochodu. Wszystkie te światła można w całości oprzeć na diodach, a dzięki minimalnemu poborowi mocy nie musimy się martwić wyczerpaniem akumulatora, gdy na dłuższy czas zostawiamy włączone światła postojowe albo awaryjne.

Projektem dla wyjątkowo ambitnych będzie zastąpienie świateł mijania oraz świateł drogowych modułami LED. Istotne wówczas będzie nie tylko uzyskanie odpowiedniej jasności charakterystycznej dla żarówek halogenowych, ale również odpowiednie ukształtowanie wiązki światła tak, aby nie oślepiać kierowców samochodów nadjeżdżających z przeciwka po lewej stronie oraz żeby odpowiednio oświetlić pobocze po prawej stronie. Większość samochodów posiada możliwość regulacji kąta nachylenia wiązki świateł w płaszczyźnie pionowej. Niektóre z najnowszych samochodów posiadają również system obracania reflektorów w kierunku obrócenia kierownicy. W takich sytuacjach wszelkie przeróbki przednich reflektorów powinny umożliwiać bezkolizyjne funkcjonowanie w/w systemów.

Instalacja 12 V

Moduł oświetleniowy złożony z 15 diod (5 modułów po 3 diody)

W większości przypadków napięcie zasilania będzie miało wartość $U=12V\;$ przy wyłączonym silniku. Należy uwzględnić, że podczas pracy silnika wartość napięcia w instalacji elektrycznej samochodu wynosi prawie $U=15V\;$. To oznacza, że podstawowym modułem świecącym, zapewniającym optymalną sprawność, może być układ 3 diod połączonych szeregowo wraz z odpowiednim rezystorem, którego wartość wyznaczymy ze wzoru przytoczonego powyżej, tzn. $R={\frac {U-nU_{d}}{I_{d}}}={\frac {12V-3\cdot 3V}{0,020A}}=150\Omega \;$

Łącząc równolegle większą liczbę 3-diodowych modułów, otrzymamy zespoły oświetleniowe o żądanej jasności. Fotografia obok pokazuje, w jaki sposób możemy wykonać taki zespół złożony z 5 modułów 3-diodowych.

Instalacja 24 V

W takim przypadku przy wyłączonym silniku instalacja elektryczna samochodu jest źródłem napięcia $U=24V\;$. Podczas pracy silnika alternator jest źródłem napięcia prawie $U=30V\;$. Zatem w tej sytuacji podstawowym modułem świecącym, zapewniającym optymalną sprawność, może być układ 7 diod połączonych szeregowo wraz z odpowiednim rezystorem, którego wartość wyznaczymy ze znanego nam wzoru $R={\frac {U-nU_{d}}{I_{d}}}={\frac {24V-7\cdot 3V}{0,020A}}=150\Omega \;$.

Widzimy z przedstawionych obliczeń, że dwukrotny wzrost zasilania niekoniecznie musi pociągać za sobą podwojenie liczby diod w połączeniu szeregowym. Z punktu widzenia ograniczenia strat ciepła warto dostawić dodatkową siódmą diodę, aby moc wydzielaną na rezystorze utrzymać na tym samym bezwzględnym poziomie tzn. $P_{R}=U_{R}I_{d}=(U-nU_{d})I_{d}=3V\cdot 0,020A=60mW\;$ dla każdego modułu złożonego z 7 diod połączonych szeregowo.

Porównanie jasności

Wnioski z przeprowadzonych poniżej doświadczeń pozwolą na wstępne oszacowanie zapotrzebowania na odpowiednią liczbę diod mających zapewnić porównywalną jasność z używanymi żarówkami lub świetlówkami jarzeniowymi.

Żarówka samochodowa 12 V / 5 W

Szeregowy moduł złożony z trzech diod 5 mm/55 cd daje porównywalną jasność do standardowej żarówki 5 W. Porównanie wykonano na zasadzie podmiany jednej z żarówek przednich lamp postojowych samochodu. Ze względu na kierunkowość światła pochodzącego od diod zauważalny jest efekt „niewypełnienia” reflektora skupiającego w takim stopniu, jak ma to miejsce przy zastosowaniu żarówki, która równomiernie emituje światło we wszystkich kierunkach. W przypadku diody zastosowanie reflektora w zasadzie można uznać za zbędne. W odległości kilku metrów światła tego modułu diodowego oraz żarówki wraz z reflektorem mają porównywalną jasność, przy czym dla w/w modułu diodowego zużycie energii elektrycznej jest równe w przybliżeniu $P=12V\cdot 0,020A=0,24W\;$.