Хочете вічних світлодіодів? Расчехляйте паяльники і напилки

43

Дізнаємося конструкцію лэд-ламп, ситуацію на ринку світлодіодів і як зробити лампу своїми руками.

Колись давним давно, коли я ще навчався у школі, а на дворі був кінець перебудови, мій дядько (котрий заронив у мене інтерес до електроніки) припер додому сумку винесеного через прохідну заводу добра. Власне, такі сумки він приносив додому цілком регулярно, поповнюючи запаси, що зберігалися в дивані. Диван цей, як ви здогадуєтеся, вабив, і іноді у відсутності дядька я в нього заглядав з захопленням. Але дещо з цієї сумки в диван не потрапило, а потрапила в мої руки.
Поговоримо про світлодіодах
Чому світлодіодні лампочки не вічні?
Що робити?
Ринок
Саморобний світильник: проектування
Конструкція
Результати
Дядько мені вручив пачку — штук десять — макетних плат, і новеньку нераспечатанную коробку дефіцитних, так і не найдешевших в той час світлодіодів. Причому світлодіоди були не прості: замість звичної маркування АЛ-щось там на коробці стояв код з чотирьох цифр, як я зрозумів — вони були експериментальні. І вони були яскраві. У порівнянні зі звичними АЛ307 або АЛ310 — просто сліпучі. І до того ж було багато — штук 50.
Ідея «куди це багатство застосувати» виникла миттєво: світлодіоди були розпаяні на одній з макетниц — скільки влізло (влізли не всі), і з них вийшов чудовий червоний ліхтар для друку фотографій, який абсолютно не засвічував фотопапір навіть в упор. Правда, тут же я дізнався про те, що «світлодіоди не гріються» — це брехня, тому що струм довелося знизити вдвічі, з 10 мА на світлодіод до 5. А ще через півроку успішної експлуатації дізнався і про те, що «світлодіоди не перегорають» — це теж неправда: перший світлодіод в збірці згасло, виявився пробитий. А згодом і весь ліхтар прийшов в непридатність.
І ось зараз я знову чую з кожного праски про «вічні» світлодіодні лампочки, а вдома за неповний рік переходу на світлодіодні лампи перегоріла вже третя за рахунком.
Чому світлодіодні лампочки не вічні?
Та тому що нічого немає вічного. Світлодіод, до того ж — штука тонка. Буквально. В його структурі є шари товщиною в лічені нанометры, утворюють квантові ями. Дифузія і электромиграция до таких верств безжальні — вони розмивають їх, створюють дефекти, поступово знижуючи световыход і збільшуючи ймовірність катастрофи в масштабах крихітного кристала, в якому, до речі, виділяється світлова та теплова енергія, питоме значення якої в розрахунку на кубічний сантиметр p-n переходу можна порівняти хіба що з ядерним вибухом (трохи перебільшено, але самі прикиньте щільність енерговиділення).
Чим світлодіод гаряче, тим всі ці негативні процеси будуть йти швидше. А він, як ми вже в курсі, гріється. Гріється навіть тоді, коли через нього йде струм в 10 міліампер. А тим більше — коли це потужний прилад, струм через який як мінімум 100 мА, а буває — і ампер, і навіть три ампера. І тепло, не дивлячись на всю енергетичну ефективність світлодіодів, переходить значна частка від підведеної до світлодіоду електроенергії. Від двох третин до трьох чвертей.
А куди охолоджуватися світлодіодам у світлодіодним лампочки? А нікуди, за великим рахунком. Світлодіод сам по собі спроектований, щоб його можна було охолоджувати. Кристал припаяний до масивного підстави з міді або високотеплопровідною кераміки, у цього підстави є спеціальний майданчик для пайки до зовнішнього тепловідводу, в ролі якої плата з алюмінієвої або мідної підкладкою.
А підкладка ця, по ідеї, повинна бути через термопасту прикручена до гарного радіатора з великою площею. А прикручена вона в кращому випадку до металевого корпусу світлодіодної лампи, площа якого абсолютно недостатня для розсіювання більш ніж декількох ватів тепла, та ще й у закритому плафоні.
У гіршому — корпус взагалі пластмасовий, і в цей корпус ще потрапляє тепло від драйвера і від не вийшов назовні і загубився в надрах лампочки світла. Ось і смажаться світлодіоди при температурі, що перевищує 100, а то і 130°С. І, до речі, не лише світлодіоди, але і драйвер, який теж нерідко виходить з ладу.
Що робити?
Одне з трьох. Або ми, залишивши на місці стару люстру, ставимо в неї лампочки меншої потужності. Вони менше будуть грітися і в них більше шансів прожити довго. Зрозуміло, в кімнаті стане темно: ми повернемося у часи, коли в люстрі з економії і пожежобезпеки стояли лампочки по 25 ват, від яких пішли, поставивши на їх місце пятнадцативаттные энергосберегайки, зробили з темною барлогу світле приміщення, в якому приємно знаходитися.
Або ми купуємо нову люстру, в яку можна вкрутити більше лампочок. Так ми залишимося зі світлою кімнатою і отримаємо (можливо) більш довге життя лампочок. Тільки на люстру, як і на лампочки, доведеться витратитися.
І, нарешті, третій варіант: ми забуваємо саме поняття «світлодіодна лампа», як страшний сон і ставимо на місце люстри спеціально спроектований світлодіодний світильник. Продуманий і в плані хорошого використання світлового потоку (у світлодіодних ламп типу «висить груша — не можна з’їсти» з цим в приладах, розрахованих на лампи розжарювання, не завжди добре — вони погано світять вбік і назад), і в плані якісного охолодження.
Ринок
На ринку є такі світильники. Але здебільшого вони по-перше, дорогі, а по друге — страшні. Отакі промислові штуковини, які доречні в гаражі, цеху, у торговому залі гіпермаркету, в офісі, нарешті але не в квартирі. Ні, є й гарні, і дизайнерські дуже ефектно виглядають світильники. Але — по-перше, знову ж таки, ціна, а по-друге, в жертву дизайну принесено охолодження.
Так, класична китайська світлодіодна люстра-блін — це п’ятдесят ват світлодіодів, що сидять на алюмінієвій платі у вигляді кільця діаметром 45 см і шириною сантиметрів 8. І — все. Ніякого тобі корпусу з ребрами, нічого. І знову-таки, плата майже наглухо закритому корпусі. Ну хоч драйвер трохи назовні винесено. Вердикт: жити буде, як світлодіодна лампочка. Тільки коли здохне, міняти доведеться не лампочку за 150 рублів, а люстру за п’ять-десять тисяч.
Загалом, вихід, здається, один: умілі руки.
Саморобний світильник: проектування
Відразу скажу: світильник буде не на світлодіодним стрічці та без блютус.
Для початку, оцінимо, скільки нам потрібно світла. Тут справа смаку, але я люблю, коли в помешканні світло. Всякий інтимний напівтемряву я люблю в особливих випадках, в романтичній обстановці, але в звичайному житті він навіває тугу. Рахувати можна по-всякому, але я скористаюся тим фактом, що з люстрою з п’ятьма энергосберегайками по 15 ватт, давали кожна по 950 лм, в кімнаті було добре. Тобто 5 килолюмен нам буде достатньо.
Тепер йдемо на сайт Cree, знаходимо там Datasheet на модулі CXA2530. Чому саме на них? Та тому що у мене є кілька штук таких модулів, і з ними зручно працювати: до них просто припаюються дроти, а самі модулі садять прямо на радіатор з допомогою додається фланця. А ще їх нескладно купити — відомий китайський інтернет-магазин на допомогу.
У наявних у мене модулів бін світлового потоку Т4, це відповідає номінальному світловому потоку 3440-3680 лм. Відразу 20% від цієї цифри віднімаємо — вони загубляться на рассеивателе. Отримуємо світловий потік 2750-2950 лм, а враховуючи, що виходить цей потік при потужності близько 30 Вт, отримуємо потрібну для освітлення потужність (підведену до світлодіодів) близько 50 Вт. Оскільки кімната у нас довга, ми приберемо люстру з центру і зробимо два однакових світильника по 25 ват.
Прийнявши ККД світлодіодів за 25% (досить консервативна оцінка — швидше за все, краще, але вже точно не гірше), з’ясовуємо, що в кожному світильнику виділяється 18,75 Вт тепла. І наше завдання — вибрати під це тепловиділення радіатор. Ось як ми це зробимо.
Будемо виходити з максимальної температури кристала Tj = 85°C і температури навколишнього середовища Ta = 35°C. тобто T=Tj−Ta = 50°C. Перепад температури пропорційний потужності, що розсіюється, а коефіцієнт пропорційності називається тепловим опором: R=ΔTP, і воно вимірюється в кельвінах (або градусах цельсія) на ват. У нашому випадку тепловий опір кристал-навколишнє середовище повинне бути дорівнює 2 °С/Вт.
З чого ж складається тепловий опір? Перший його компонент — це тепловий опір, властиве самому корпусу світлодіода. Фірма Cree не дає цю величину в даташіте напряму, пропонуючи скористатися дивним графіком, але в попередніх публікаціях в журналах про випуск нових світлодіодних матриць вказувалося значення 0,8 °С/Вт.
Другий компонент загальної величини теплового опору — це опір, що створюється шаром термопасти між корпусом і радіатором. Як термопасти ми візьмемо старий-добрий Алсил-3, з теплопровідністю λ = 1,7-2 Вт/м*К. При шарі пасти товщиною 50 мкм і площі поверхні, що розсіює тепло 2,8 смсм2 (площа кола діаметром 19 мм під випромінюючою поверхнею матриці) отримуємо мВтмКмR=hλS=5⋅10−5м1,7Вт/(м⋅К)⋅2,8⋅10−4м2 = 0,105 °С/Вт.
Отже, на радіатор у нас залишається 1,1 °С/Вт. Виходячи з цієї цифри, вибираємо радіатор, накинувши 30 відсотків «на брехню», на розтікання тепла від маленької матриці і на те, що радіатор буде неоптимально орієнтований в просторі. Наприклад, нам підійде профіль АВМ-076 розміром перерізу 176х40 мм з тепловим опором шматки завдовжки 100 мм 0,5 °С/Вт. Нам вистачить шматка цього профілю довжиною 80-100 мм. 100 мм — це стандартні шматки, наявні в продажі, 80 потрібно замовляти у виробника (Віртуальна механіка, virtumech.ru), такий варіант виглядає дещо більш естетичним за рахунок меншої ширини.
Залишилося вибрати драйвер. Критерії для його вибору — це струм і робочі межі вихідної напруги. Потужність 25 Вт виходить при струмі близько 0,7 А, напруга на матриці при цьому складе близько 35-36 Ст.
Конструкція
Перебравши кілька варіантів конструкції світильника, я зупинився на рассеивателе з напівпрозорого матового пластика, що має вигляд напівциліндра. Форма ця виходить найпростішим способом — за рахунок кріплення зігнутої пластини до бічних сторін радіатора. Спосіб кріплення досить довільний — на гвинтах з притискними пластинами, на клеї — я скористався червоним двостороннім скотчем «Момент».
Як розсіювача я застосував розсіювальна плівку з підсвічування розбитого ЖКмонитора — вона має дуже гарне світлопропускання. Можна також заматировать абразивом плівку для друку на лазерному принтері або будь-яку іншу щільну пластикову плівку.
Матриця з попередньо припаяними проводами встановлюється з допомогою комплектного фланця в центрі радіатора за допомогою двох гвинтів М3 (гайки використовувати незручно, так що доведеться попрацювати мітчиком). Перед приклеюванням розсіювача вільну від матриці плоску поверхню радіатора рекомендується обклеїти алюмінієвим скотчем або пофарбувати білою фарбою — це знизить втрати світла.
Хотите вечных светодиодов? Расчехляйте паяльники и напильники гаджеты
З приводу термопасти — хотілося б зауважити, що використання темної термопасти не рекомендується: вона відсотків на 10 знизить світловий потік. Я це добре помітив на двох примірниках, один з яких я зробив з Алсилом-3, а на другий алсила не вистачило і я скористався пастою з комплекту кулера фірми Scythe, яка мала темно-сірий колір. Різниця при вимірюванні люксметром очевидна.
Також немає сенсу використовувати більш дорогі, ніж алсил, термопасти з більшою теплопровідністю: і на алсиле падає в гіршому випадку пара-трійка градусів, погоди вони не зроблять.
Після складання першого світильника (в якому я використовував радіатор від процесора Pentium II і який оселився в кухні, у нього трохи менша потужність в районі 15 Вт), я прийняв рішення ставити в світильники для кімнати не одну матрицю, а дві — це «розмазало» пляма світла на рассеивателе і зробила світ більш комфортним.
Більш розумно було б у такому випадку ставити менш потужні модулі, скажімо, CXA1820. Модулі поєднав паралельно, небажаних наслідків у вигляді нерівномірного розподілу струму між ними це не викликало — обидві матриці світяться на око однаково. Але довжину підвідних проводів я на всяк випадок вирівняв.
Кріплення до стелі у мене — з допомогою коромисла з жорсткою сталевого дроту діаметром 2 мм, кінці якого просмикнуті в отвори в крайніх ребрах радіатора і загнуті. За центр коромисла зачеплений гачок, прикріплений до стелі — такої довжини, щоб між натяжною стелею і радіатором виявилося відстань у кілька сантиметрів. Драйвер захований за натяжною стелею. Якби світильники робилися до стелі, можна було б у нього заховати і радіатори.
Поверхня радіатора можна пофарбувати в чорний колір перманентним маркером або тонким шаром з балончика (товстим не треба — теплоізоляція). А можна і не фарбувати, очі він особливо не муляє.
Результати
Хотите вечных светодиодов? Расчехляйте паяльники и напильники гаджеты
Світло. Під лампами на висоті стільниці — 450 лк, в середині кімнати 380 лк. Світло комфортний, кольору — цілком (правда, на кухні виявилося, що сире м’ясо під цим світлом виглядає, наче його трохи підфарбували чорничним соком). Радіатори після багатогодинної роботи теплі, але не гарячі. Мерехтіння дорівнює нулю (заслуга якісних драйверів).
І за цінами: матриці обійшлися в 550 рублів кожна (курс з тих пір, звичайно, змінився), радіатори — по 600 рублів, драйвера — по 250 рублів, плівка дісталася безкоштовно. Разом— 2200+1200+500 = 3900 рублів. Плюс дві-три години роботи.