Зміст:
- Як працює світлодіод
- Як зробити з світлодіодів джерело світла
- Розрахунки світильника
- Потужність
- Патрони, лампи і вигода
- Економічна доцільність
- Інженерний розрахунок
Ви коли-небудь замислювалися про те, як перевіряють купюри? Є безліч ступенів захисту. Це і перфорація, і водяні знаки, але все було б даремно, якби не спеціальна фарба, яку видно тільки при опроміненні певною довжиною хвилі. Саме на цьому принципі працюють всі касові апарати. Вважається, що якщо опромінити купюри інфрачервоним або ультрафіолетовим світлом, то виявиться картинка. Всі країни світу використовують подібні технології. А тепер давайте поговоримо про те, як зробити світлодіодний світильник своїми руками, і яке це має відношення до банкнот.
Світлодіодний світильник
Як працює світлодіод
Відмінність світлодіодів у вузькому діапазоні випромінювання. Спробуйте виконати простий досвід. Візьміть настільну лампу і запаліть, утримуючи рукою плафон. Випромінювання швидко нагріє сталь. Можна навіть відчути рукою випромінювання, якщо поставити її прямо перед лампочкою розжарювання. Ви не втримаєте скло вже через кілька десятків секунд роботи. Але що це означає?
Левова частка тепла переноситься в інфрачервоному діапазоні. Для Сонця це теж справедливо, але лампочка, температура якої багато нижче, проявляє ці властивість набагато більш красномовно. Ніхто не буде сперечатися, що денне світло набагато більш яскравий. В той же час не всі розуміють, що таке інфрачервоний діапазон. Це довжини хвиль, які лежать нижче видимої ділянки спектру, а саме – червоного. Ці частоти досить високі. (Див. також: Як зробити світильник своїми руками)
Ділянка інфрачервоного діапазону набагато більш широкий у лампочок. Ось приблизний розрахунок: згідно Вікіпедії ширина цій галузі становить близько 429 ТГц. Видиме світло займає близько 400 ТГц. Для Сонця з його високою температурою згідно із законом Вина щільність випромінювання йде далеко в ультрафіолетовий спектр (дуже високі частоти, які простягаються майже до рентгенівських). Однак для лампочки відіграють роль дві поправки:
Графік спектру розжарення лампи
Отже, ми приходимо до висновку, що лампочка є невиразною подобою Сонця. Ось чому так багато енергії витрачається марно. Тобто ККД лампочки розжарення за визначенням не може бути високим. На відміну від цього смуга випромінювання світлодіода порівняно вузька. На їх основі виготовляють навіть промені однієї частоти. В останньому випадку вся потужність випромінювання зосереджується на дуже вузькій смужці спектру. В результаті наше око відчуває досить велику яскравість, але в реальності потужність випромінювання набагато менше.
За рахунок цього світлодіодні лампочки по освітленості аналогічні накальным залишаються холодними, через години роботи. Це і означає ту чудову економію. Якщо зробити самому світильник з світлодіодним стрічки, то можна платити за світло набагато менше. Але і це ще не все! Більшість світлодіодів мають порівняно низька робоча напруга. Подивіться на фото: ми примотали скотчем ніжки ультрафіолетового світлодіода до батарейці на 3, і цього цілком достатньо.
Кріплення світлодіода до батарейці
Як зробити з світлодіодів джерело світла
Дуже важливо провести підключення правильно! Світлодіод легко пробивається зворотною напругою, що може навіть не дотягувати до прямого робітника. Ви ніколи не помилитеся, якщо будете більш довгу ніжку прикладати до позитивної полярності батареї (плоска сторона, на якій стоїть хрест, і проведена маркування). Більшість світлодіодів не допускає роботи при напрузі вище 3 Ст. Щоб зробити світильник з світлодіодної матриці на інтерфейс USB, застосовують обмежувальні резистори. У цьому випадку відразу ж втрачається частина потужності на активному опорі. Підбір ведеться, виходячи з двох суперечностей:
- Якщо номінал опору буде занадто малий, то може згоріти світлодіод. В силу законів фізики напруга буде ділитися пропорційно. Простіше всього використовувати змінний резистор і батарейку на 5, щоб вибрати потрібний номінал для шини USB. Для любителів розрахунків можемо привести і пропорцію, згідно з якою йде розподіл напруги: U1/U2 = R1/R Де R1, наприклад, може бути опором резистора, а R2 – опір постійному струму діода. А U1 + U2 = 5 Ст. Остання величина мінлива і може бути знайдена з вольт-амперної характеристики. Для цього потрібно в робочій точці розділити напруга на струм. Сама характеристика наближено являє собою гілка параболи.
- Занадто великий величини резистор провокує чималі активні втрати. Вони прямо пропорційні величині опору. Ось чому частіше всього декілька світлодіодів включається послідовно, а за ними вже слід резистор. Суть тут у тому, що можна використовувати менший номінал. Опору світлодіодів складаються, і замість U2 на них буде діяти вже сума напруг. При цьому коротке замикання зазвичай виключено в кожному елементі окремо. Тому і немає небезпеки, що де-небудь впаде більше напруги, ніж на початку експлуатації. Якщо горить один світлодіод, то гасне вся гілка. На стрічках це частіше всього три штуки.
Світлодіоди різного кольору
Чому світлодіоди рідко замикає? Справа в тому, що горіння виходить на p-n-переході. Але якщо він знаходиться в товщі напівпровідника, то ніякого в цьому сенсу немає, тому що світіння ніхто не побачить. З цієї причини корисною частиною є лише периметр. У зв’язку з цим кожен світлодіод являє собою наступне:
Саме в силу такого будови світлодіоди погано тримають зворотне напруга. p-n-перехід настільки малий, що легко пробивається. Чому не зробити товщі? Справа не стільки в подорожчанні, скільки в тому, що немає сенсу. Погані умови охолодження просто не дозволяють проходити тут великим прямому струму. Якщо підвищити довжини напівпровідника, це викличе підвищення активного опору, що закономірно підвищить виділення потужності в робочому положенні. У той же час діаметр p-n-переходу збільшити не можна тому, що різко падає ККД. Ну, а нитка не може бути товстою, щоб не загороджувати частину світу. (Див. також: Як зробити подовжувач своїми руками)
У загальному і цілому виходить замкнуте коло. Ось і вибирається золота середина між ефективністю та раціональністю. Якщо експлуатувати світлодіод при підвищеній напрузі, то поступово він стане гаснути і згорить. Розплавиться матеріал p-n-переходу з-за поганих умов охолодження.
Зверніть увагу, що за цієї причини шар напівпровідників і намагаються зробити тонше. Хочете, щоб світлодіод працював довше? Зробіть електроди з платини! Дорого й нераціонально, але коли-то і лампочки розжарення з цього починали (контакти з дорогоцінних металів).
Розрахунки світильника
В першу чергу потрібно знайти джерело живлення. Наприклад, це може бути USB роз’єм або навіть спеціальна китайська розетка з перетворювачем. Але наш погляд, все це застаріло і не може викликати реального інтересу. Набагато ефективніше знайти перетворювач на 12 В і поставити його в розподільний щит на DIN-рейку. Чому саме такий вольтаж?
Потужність
По-перше, в цьому випадку простіше набрати потрібну потужність. З досвіду скажемо, що двокімнатна квартира стандартної планування може споживати для потреб освітлення близько 100 Вт. Причому одночасно світильники все не включаються. Реально вийде максимум 70 Вт. Але навіть при такому розкладі неможливо знайти трансформатор з 220 В на 5 В постійного струму. Для 12 У все простіше. Можна взяти модуль потужністю 120 Вт приблизно за 4000 рублів, і ми впевнені, що ціна буде знижуватися. На перший погляд це дорого, але якщо згадати про те, що за світло треба буде платити приблизно в 10 разів менше, то вигода очевидна: вже за перший рік експлуатації модуль окупиться, а гарантія на нього напевно довше.
Патрони, лампи і вигода
Інше питання, що замість того, щоб ламати голову над тим, як зробити світлодіодний світильник своїми руками, вигідніше купити готові патрони і лампочки. До речі, Е27 також цілком підходять, тому що у продажу можна знайти цоколі на цей типорозмір. У такому разі за кожну лампочку потрібно платити близько 150 рублів і більше. Давайте подумаємо, багато це чи мало. Якщо брати світлодіод на фото, то його світність практично нульова при роздрібній ціні 5 рублів. З таких прилади освітлення не збираються. При покупці від 200 штук магазин Chip&Dip збуває світлодіоди BL-L413UWC по 10 рублів за штуку. Прямо скажемо, це не дуже дорого. При прямій напрузі В 2,7 кожен такий світлодіод дає силу світла в 10 Кд. Нижче ми проведемо розрахунок економічної доцільності.
Саморобний світильник
Економічна доцільність
Великий плюс у тому, що при заміні звичайних лампочок на світлодіодні немає потреби міняти проводку. Більш того, активні втрати в ній тепер знизяться пропорційно споживанню. Тобто, приблизно в 10 разів. Простий аналіз показує, що економічно вигідно самому зробити світлодіодний світильник тільки в тому випадку, коли немає бажання купувати адаптер на 12 Ст. В цьому випадку всередині кожної лампочки є невеликий блок живлення, що займається перетворенням. З одного боку це збільшує ймовірність виходу з ладу, з іншого – простіше заміна. Сенс зробити точкові світлодіодні світильники в тому, що можна використовувати світлодіоди навіть без обмежувальних резисторів (або малим номіналом). Тут не все так просто. Наприклад, магазин Chip&Dip не дає можливості пошуку по напрузі живлення. Світлодіодні лампочки відпадають відразу ж, тому що немає сенсу купувати їх за таку ж ціну, як на 220 В, коли у нас уже придбано адаптер за солідну суму. Ви швидко виявите, що невигідно брати матриці за 550 рублів (на різних сайтах), тому що пропадає весь сенс робіт. Отже, ми повинні взяти звичайні дешеві світлодіоди і зробити з них пристойний світильник. А тепер подивимося, як це реалізувати.
Інженерний розрахунок
Характеризується похибкою до 30%. Тобто будь-які точні формули не дозволяють отримати однозначний результат. Ми сьогодні вирішили випробувати онлайн-калькулятор http://www.dled.ru/sections/ljumeny-v-kandely. Чому? Цей онлайн-калькулятор максимально просто дозволяє здійснити переказ між кд, в яких даються технічні характеристики світлодіодів, Лм. Але при цьому не пояснюється відмінність. Значить, це зробимо ми!
Світлодіодна лампа ОнЛайт
Тобто, наприклад, зрозуміло, що лампочка світить в основному вниз, тому її властивості характеризуються в Лм. Наприклад, 850 Лм приблизно еквівалентні 75 Вт лампочки розжарення. Так ось! Користуючись цим онлайн-калькулятором, ми можемо знайти, скільки нам буде потрібно елементів, щоб зробити світильник з світлодіодним стрічки (маркування включає тип світлодіодів, а значить, можна знайти і технічні характеристики) або будь-якої іншої сировини. Припустимо, показана на фото, лампочка Онлайт має дуже обмежену область. Зрозуміло, немає ніяких шансів виміряти точно, але по відчуттях кут половинної потужності (закладається в калькулятор для розрахунку) лежить десь в районі 120 градусів (при світності в 820 Лм).
Підставляємо… вийшло, що сила світла виходить близько 260 кд. Це означає, що буде потрібно близько 25 світлодіодів BL-L413UWC, щоб забезпечити ті ж характеристики. Причому потрібно буде ще витратитися на підкладку і створення потрібної діаграми спрямованості. Вищесказане означає, що створення в промислових масштабах світильників своїми руками на сьогоднішній день невигідно. З тієї причини, що світлодіоди надто дорогі. В результаті приходимо до того, що вигідно брати лампочки на 220 В з звичним цоколем Е27.
Інша справа, якщо потрібно зробити світлодіодний світильник для акваріума. Вся принадність у тому, що немає потреби його поміщати всередину. Просто візьміть відріз світлодіодної стрічки і наклейте зворотною стороною (діодами до скла) на задню стінку. Джерело майже не гріється, тому небезпека загоряння нульова. А ми на цьому прощаємося. Вважаємо, бра зробити самому тепер під силу кожному читачеві.