Power LED осветително тяло за домашна стая – изпълнение част І

След като обясних в общи линии концепцията на светодиодните осветителни тела и дори публикувах статия по темата, мисля че е време да покажа някакви резултати от своя проект. До този момент съм изработил драйверен модул, токоизправител и осветително тяло (включва светодиодите). Нямам намерение да отделям време на токоизправителя, тъй като в него няма нищо особено (грец схема и кондензатор). Първо да кажа няколко думи за драйвера. Използваният драйвер е ZXLD1360 на фирмата Zetex. Той може да работи със захранващо напрежение до 30V (препоръчително над 16, за да е напълно отпушен ключовия транзистор и да са минимални загубите в него). Номиналният изходен ток може да се избере до 1А. Ефективността достига 95%. Повече подробности за драйвера можете да намерите на сайта на производителя. Следват подробности около реализацията на проекта.

Наситената платка използва като основа схемата от документацията на драйвера след извършени преизчисления. Добавени са елементи за универсализиране на платката, така че тя може да се използва за различни схеми. В това число влизат стандартната схема без възможност за регулиране и схема с ШИМ регулиране от микроконтролер с извод тип отворен дрейн или CMOS/TTL нива. Без особени затруднения може да се свърже и потенциометър за аналогово регулиране. Използването на последния ограничава диапазона на регулиране в границите 25-99%. Регулирането чрез ШИМ генератор става в същите граници ако честотата на сигнала е не по-малка от 10KHz или в граници 1-99% при честоти не по-високи от 500Hz. Това е и ключовият проблем при реализацията на ШИМ регулатор. Използването на висока честота осигурява постоянен във времето изходен ток от драйвера, което означава липса на трептене на светлината (дори с висока честота, като максималните пулсации по документи са до 4%, но реално са много по-малки). Така обаче не може да се получи нисък интензитет. При използване на ниска честота имаме практически пълно регулиране, но изходният ток се накъсва. Тези изводи са направени на база измервания с цифров осцилоскоп при различните ситуации. Имайки предвид, че драйверът работи с честота на импулсния преобразувател по-малка от 1MHz, излъчването на електромагнитни смущения от схемата е изключено. Въпреки това остава недостатъкът трептене на светлина (невидимо при нормални условия). Ако честотата на ШИМ сигнала е около 200Hz осветени бързо движещи се предмети ще изглеждат сякаш се движат на интервали. Това може да е нежелан ефект в някои ситуации, така че ако някой използва този драйвер да го има в предвид. За да намаля този ефект до минимум, смятам да проектирам ШИМ регулатор, чийто изходен сигнал да бъде с променлива честота според коефициента на запълване на импулсите, за да се постигне максимално качество на излъчената светлина. На снимките в края на публикацията се вижда платката с драйвера. Малкият брой компоненти прави впечатление (на платката са монтирани и компонентите за връзка с ШИМ регулатора – транзистор, резистор и конектор). От снимките се вижда и стар предусилвател, чийто трансформатор използвам за първите опити със схемата. За крайния вариант ще използвам друг трансформатор. Пълна принципна схема не смятам да публикувам поне засега. Ако някой има интерес към драйверния модул, нека ми пише по електронната поща.

Една добра идея включена в проекта беше многовариантността на платката във връзка с работните режими. Освен това двете платки (драйверната и тази на токоизправителя) са проектирани с идеята за модулност на цялостна система за осветление на по-голямо помещение. Платката на токоизправителя има два изхода, което позволява лесно разклоняване на захранването в две противоположни посоки. Допълнително драйверната платка има вход и изход за захранващото напрежение, което дава възможност за свързването на няколко драйвера последователно на един кабел. Физическата структура е последователна, но електрическата е паралелна, за да не се понижава захранващото напрежение за отделните драйвери. При тези добавки е възможно една токоизправителна платка да захрани 6-8 драйверни модула. Ограничението в случая идва от факта, че грец изправителят има регламентиран максимален работен ток (избраният от мен е 6-амперов). При свързване на повече от два драйвера при работен ток от 500-700 мА, грец изправителят задължително трябва да се прикрепи към охлаждащ радиатор. Това предполага по-ниска ефективност на захранващия модул спрямо импулсно захранване. Цената на последното обаче е неколкократно по-висока. Реалната разлика в КПД на двата типа захранване (импулсно и тарнсформаторно с тороидален трансформатор) не е особено голяма, поради което е избрано второто за този проект.

Накрая дойде ред и на кратко представяне на осветителното тяло. То също е показано на снимките най-долу. Използван е цокъл за вградено халогенно осветление (“луничка”). Добавен е 4мм-ов плексигласов прозорец пред светодиодите. Премахнати са пружинните механизми за монтаж (за съжаление не се вижда оригиналния цокъл на снимките), като са използвани за прикрепяне на охлаждащия радиатор. Цокълът е перманентно закрепен за плоскостта от окачения таван. Радиаторът е закрепен върху цокъла с помощта на двете пружини. Между радиатора и таванната плоскост има поставени два броя парчета от алуминиеви лайсни за керамични плочки. Те играят ролята на подсилваща конструкция, за да не се огъва плоскостта от тежестта. Увити са с алуминиево фолио, защото са различни по цвят (такива имах под ръка), а се виждат от долната страна. При така сглобената конструкция топлината от светодиодите се предава във въздуха не само от охлаждащия радиатор, но и от двете лайсни, както и от металния цокъл. Самите светодиоди са запоени върху медна пластина, която е прикрепена с помощта на болт към радиатора и допълнително термопредаването е подсигурено със сребърна термо-паста. Радиаторът е от BOX охладител за компютърен процесор (AMD64X2 5000+). Въпреки че той е бил проектиран да охлажда 65-ватов товар, в този проект се използва при различен метод на топлоотдаване. Вентилаторът е премахнат и се разчита на конвекция. Ето защо загряването е съществено въпреки много по-малката мощност на светодиодите в сравнение с компютърния процесор (около 12 вата към 65 вата). Комерсиалните решения често са доста по-ефективни и компактни, но цените им достигат до суми от порядъка на $50 (само за охлаждащ модул).

Все още не мога да представя данни за ефективността, тъй като още нямам на разположение крайния вариант на трансформатора. Предварителните тестове показват около 70% ефективност със сегашния трансформатор и около 91% ефективност за токоизправителя и драйвера заедно.  Повече данни в продължението на проекта в най-скоро време (надявам се). Втората част ще бъде посветена главно на ефективността на отделните модули. Последната трета част ще отделя за ШИМ регулатора, специално проектиран за това приложение. Планирам и допълнителни RGB светодиоди в съседните панела на тавана, но за това повече, когато направя нещо по темата.

Ето че дойде ред и на снимките. Първите две снимки са от уводната част на проекта. Те показват осветеността от един светодиод при работен ток 500 мА. Третата и четвъртата снимки са при осветяване от завършеното осветително тяло, монтирано в тавана. Третата снимка е направена при същите настройки на фотоапарата, както тази с един светодиод. Това е направено с цел да покаже разликата в осветеността и не напълно ясната представа, която дава втората снимка. Разликите в осветеността на самия таван се дължат на факта, че в първия случай (един светодиод) излъчването е в хоризонтална посока срещу стените, а във втория случай (6 светодиода в тавана) то е с посока към пода и таванът е осветен само чрез отражения от предмети. Четвъртата снимка показва приблизително добра представа за осветеността на стаята с 6 светодиода. Силата на светлината (яркостта или интензитета) е близка до тази на 100-ватова крушка като разликите са главно от спектралните характеристики на двата светлинни източника. Иначе казано светлината е достатъчна, за да се чете книга или да се майстори нещо (аз например запоявах използвайки това осветление). Следващите снимки показват тестовата постановка с по-малък охлаждащ радиатор, който се загряваше много бързо и се оказа неподходящ. Снимките на постановката са правени само през деня (дори тези с тъмния фон, показвайки колко са ярки диодите).