luni, 12 aprilie 2010

Bec cu LED-uri

Cum se mai poate lumina o casă?

La un bec incandescent aproximativ 70% din energia consumată se transformă în căldură. Tuburile fluorescente sunt mai eficiente, dar sunt de destul de voluminoase. Becurile economice care au apărut pe piaţă recent sunt foarte eficiente, dar sunt încă destul de scumpe şi sunt sensibile la opriri şi porniri dese. Au început să apară şi becuri cu Led-uri, dar preţul lor e deocamdată cam prohibitiv.

Ce cerinţe am avut?

Pentru a asigura iluminarea unei căsuţe de la ţară, am avut nevoie de o sursă de lumină care să se încadreze în următoarele limitări:

  • să consume cât mai puţină energie electrică
  • să poată fi alimentată de la 12V cât mai simplu
  • să fie ieftină
  • să aibă o durată mare de viaţă

Pe piaţă nu am găsit ceva care să se încadreze în cele de mai sus, aşa că mi-am propus să construiesc o sursă de lumină care să se potrivească cerinţelor de mai sus. Am ales să folosesc LED-uri (Light Emitting Diode) deoarece eficienţa lor este mare, lucrează în curent continuu, au o durată de viaţă foarte mare şi sunt foarte robuste. Nu e vorba de Led-uri obişnuite, ci de Led-uri de putere, adică pot disipa o putere de peste 1W.

Înafară de faptul că sunt (foarte) scumpe, Led-urile se potrivesc celorlalte trei cerinţe. Cum nu sunt expert în electronică am început cu o schemă foarte simplă: un Led şi un rezistor de limitare al curentului.

Led-ul l-am montat pe un radiator de CPU ce nu-l mai foloseam şi l-am încercat. Pentru a mă asigura că transferul termic dintre led şi radiator e optim, am folosit pastă termoconductoare. E vorba de acea pastă care se foloseste atunci când montezi un radiator pe un CPU. Am văzut că "becul" merge şi că luminează chiar foarte bine. A fost suficient pentru a mă lămuri că ledurile astea au un potenţial ce trebuie folosit. N-am făcut nici un calcul înainte să testez "becul", ci doar l-am alimentat şi m-am uitat cât de tare luminează. Rezistenţa am ales-o la nimereală (22Ω). Ce nu prea mi-a plăcut a fost că rezistorul se încălzise destul de tare. Asta e din cauză că, fiind un singur led, o mare parte din tensiunea de 12V cade pe rezistor, deci, cea mai mare parte din puterea consumată se disipă pe rezistor sub formă de căldură.

Ca să reduc tensiunea ce cade pe rezistenţă (şi totodată puterea disipată) am adaugat încă trei Led-uri pe lângă cel existent. Astfel pe cele patru led-uri va cădea cea mai mare parte a tensiunii de 12V, rezistenţei rămânându-i restul de tensiune. Trebuie să menţionez că led-urile astea au tensiunea ce cade pe ele direct proporţională cu valoarea curentului ce trece prin ele. Adică, la un curent mic tensiunea o să fie mică, aceasta crescând odată cu curentul prin led-uri, şi mergând până la 4V şi ceva. De data asta am făcut şi nişte măsurători:

Led-urile astea le-am folosit cu succes timp de câteva luni pentru a lumina o cameră şi o bucătarie. Lumina e suficient de puternică, pentru a putea citi, dar nu are un unghi dedispersie  suficient de mare. Adică dacă montez becul ăsta pe tavan la o înălţime de aproximativ 2 m, el o să cu lumineze o zonă din podea cu diametru de cca 4 m. Restul încăperii nefiind luminată foarte bine. Eficienţa "becului" e foarte mare dacă ne uităm la raportul între puterea consumată la bornele "becului", şi cea disipată pe rezistor (adică facem abstracţie de pierderile interne ale diodelor). Becul a funcţionat mai bine de o lună cu o baterie de maşină aproape descărcată (avea doar 11.8 V când am montat becul) asigurând un minim necesar de lumină.

Următorul pas a fost să măresc iluminarea, aşa că am dublat circuitul anterior. L-aş fi triplat dar nu am avut un radiator suficient de mare pentru asta aşa că m-am oprit la opt leduri.

Schema electrică e similară cu cele de mai sus, dar becul propriuzis pare mai spectaculos. În realitate e doar un radiator de procesor, pe care nu-l mai foloseam. Radiatorul era suficient de mare ca să poată fi montate pe el 8 leduri. De o parte şi de alta am montat rezistenţele de limitare a curentului. Am folosit rezistenţe de 0.47Ω.

Partea cea mai dificilă a fost găurirea radiatorului care era din aluminiu. Pentru asta am avut nevoie de ajutor, prilej cu care îi mulţumesc unui bun coleg şi prieten. Ştie el cine...

Am făcut un mic test acasă, în camera mare, noaptea, cu luminile stinse. Am legat "becul" la o sursă de calculator care scotea 11.8V şi lumina a fost suficient de mare pentru a putea citi. Becul a fost montat la o casă sub streaşină pentru a lumina curtea. Din păcate nu am stat destul de mult pentru a vedea cum luminează noaptea.

Concluzii

E greu de spus dacă merită sau nu să investeşti în aşa ceva. Din punct de vedere financiar nu se prea merită deoarece, preţul ledurilor de putere este foarte mare. Din perspectiva economiei de energie, se merită, deoarece aproape toată puterea consumată se transformă în lumină, deci pierderile sunt minime. Din punct de vedere al fiabilităţii, nu pot să mă pronunţ. Producătorul ledurilor spune că ledurile au o viaţă foarte lungă, dacă sunt folosite corespunzător. Deocamdată pot spune doar că nu s-a stricat nici un led din cele folosite.

În cazul în care energia electrică e accesibilă şi din belşug, nu se merită să foloseşti aşa ceva. În schimb, dacă energia electrică e limitată şi dacă orice Watt consumat contează, atunci poate trebuie considerată şi variantă folosirii ledurilor pentru iluminare.

13 comentarii:

  1. Foarte interesant !
    Poti preciza te rog si caracteristicile sau tipul de LED-uri utilizate ?...ms.

    RăspundeţiȘtergere
  2. Salut,

    Am uitat să trec şi ceva date tehnice... :P

    curent continuu maxim = 700 mA
    curent pulsatoriu maxim = 1000 mA
    tensiune maximă (la 700mA) = 4.2 V
    intensitate luminoasă (la 700mA) = 180 lm

    Numai bine!

    RăspundeţiȘtergere
  3. Cam ne-ok alimentarea a 4 LED-uri in serie la 12V, tensiunea e mult prea apropiata de cea a sursei, si rezistenta nu-si face efectul de a limita in curent. Daca stam si analizam, cele doua rezistente (mult prea mici ca valoare) au mai degraba rolul de a egaliza caracteristicile inegale ale celor doua siruri de LED-uri; limitarea in curent o face intrucatva rezistentele insumate ale firelor de la baterie pana la LED-uri + rezistenta interna a bateriei - care e mare in acest caz deoarece bateriile sunt aproape moarte - + rezistenta interna a led-urilor. Daca intr-adevar LED-urile au 4.2V la curent maxim, el vor supravietui cu succes in acest regim, deoarece tensiunea lor totala este mult peste cea de 14.4V a bateriei.. in acelasi timp insa, dezavantajul ar fi ca LED-urile vor fi exploatate mult sub puterea lor reala - ceea ce le va face sa tina mult mai mult decat specificatiile producatorului - dar daca vreodata bateria nu face contact corect, si sunt aprinse ziua, cand panourile fotovoltaice sunt la soare... e cam naspa.
    Sfat: rezistenta de 6.8 ohmi pe sir de 3 LED-uri - din cate stiu eu, LED-urile bune au 3.7V, dar ma rog......sfat si mai bun: circuit integrat in comutatie folosit ca sursa de curent constant pentru 3 led-uri (sau 2 in caz ca sunt intr-adevar de 4.2V pe masuratelea). Sunt extrem de ieftine si se merita. De exemplu 34063 (atentie, el e folosit in principiu ca sursa de tensiune, dar poate fi modificata un pic schema) - costa cam 0.5 euro si necesita doar o bobina, o dioda schottky si 3-4 rezistente.. in total vreo 2 euro. De fapt, schema ar putea fi aranjata astfel incat sa livreze tensiune pentru 4 LED-uri, in montaj boost-flyback - va livra tensiunea negativa, tot cu o singura bobina. Schemele le gasiti pe datasheetul lui 34063.

    In rest, toata stima pentru ce ati realizat, zau! Putini oameni sunt capabili sa faca ceva atat de bine si estetic ca dvs - ma refer si la panouri - si mai putini sunt doritori de a-si impartasi experienta pe net pentru a profita si altii.\

    un ecologist convins
    Adrian

    RăspundeţiȘtergere
  4. Multumesc mult pentru sfaturi! Sunt foarte bine-venite!
    Nu-mi puteam expica de ce de la o anumită valoare a rezistenţei în jos curentul prin LED-uri nu se mai modifică.
    Întradevăr în cazul decuplării bateriilor, LED-urile se vor arde. La asta nu m-am gândit până acum... O să fie o temă pentru mine, pe perioada următoare, rezolvarea acestei probleme.
    Legat de datele tehnice ale LED-urilor, am uitat să scriu că valoare tipică a tensiunii e de 3.8V, maxim 4.2V, la un curent de 700 mA.
    O să trebuiască să mai fac pentru cineva un astfel de "bec", tot pentru iluminatul curţii, şi acolo o încerc să folosesc o sursă de curent constant.

    Numai bine,
    Mihai

    RăspundeţiȘtergere
  5. Salut

    Daca totusi poti face ceva electronic - am citit mai sus ca nu esti chiar "expert", dar poti apela la vreun prieten eventual - iti voi trimite un link spre un subiect pe un forum de electronica, ca sa-l urmaresti. Corespondez acolo si am postat o schema "ieftina si buna" dar e pentru 220V. Inca nu am facut surse pentru LED-uri la joasa tensiune - adica 12V - dar am de gand in viitorul foarte apropiat. Nu e prea greu, as putea s-o fac doar teoretic, dar eu prefer intai sa fac respectiva schema si apoi postez... ca sa fie o treaba sigura. Peste cateva zile intru in vacanta si o sa am timp de un pic de electronica...
    Subiectul este la http://elforum.ro/viewtopic.php?f=209&t=55557 si este despre drivere de LED-uri.
    Sa nu te apuci sa faci chestia aia cu LM317. E o simpla sursa liniara modificata ptr a merge ca generator de curent constant. Functioneaza dar are randament scazut. La fel de bine se poate utiliza si o simpla rezistenta. De asemenea, o sa citesti diverse chestii inspaimantatoare pe acolo.. dar nu te lua dupa tot ce auzi. Cate capete atatea pareri :)

    RăspundeţiȘtergere
  6. Am tot scotocit si n-am gasit ceva "eficient" (a se citi "ieftin") in configuratie buck-boost, adica ceva care sa permita o tensiune de intrare care sa poata fi cand mai mica, cand mai mare decat cea a LED-urilor. Circuitele ieftine nu permit decat ori configuratie buck, ori configuratie boost. Adica ori tensiuni strict mai mici decat a sarcinii, ori strict mai mari. Am gasit bineinteles si ceea ce scriam mai sus, (LTM4607) buck/boost, dar costa cateva zeci de dolari bucata - asa ca e strict nerentabil. Exista si o varianta mai ieftina, cca 4 dolari, dar acesta "vrea" si 4 tranzistoare MOSFET - ceea ce urca pretul final si complica "chestiunea", iar noi vrem ceva simplu...

    Asa ca, in principiu, va trebui sa alegem: configuratie buck, sau boost?
    Boost ar fi avantajos pentru ca e "autoprotejat" in caz de scurcircuit al elementului de comutare, iar LED-urile se pot conecta TOATE 5-10 buc in serie, intr-un singur sir. Dezavantaj ar fi randamentul mai scazut (cca 80%)

    Buck permite maxim Vccmin - N x Vled - pierdere, deci n nu poate fi mai mare de 2 LED-uri in serie, pentru ca la tensiunea de 10V nu ar mai asigura functionarea corecta. Dar daca este folosit doar de la 11.5V in sus este ok si pentru 3 LED-uri.

    In consecinta as recomanda buck pe 2 LED-uri in serie. Eventual se pot pune 2 sau 3 siruri de cate 2 LED-uri in paralel, dar trebuie introdusa si o rezistenta serie cu fiecare ramura (foarte mica, pentru cca 0.2V cadere) pentru echilibrarea ramurilor.

    34063 s-ar potrivi cel mai bine la chestiunea asta, pentru un string de numai 2 LED-uri insa (are curentul maxim de 1.5A, si in comutatie la un curent mediu de iesire de 0.7A tranzistorul de iesire lucreaza in pulsuri de 1-1.5A in regim). Randamentul ar fi cca 95%.

    Nici un boost nu ar fi de lepadat, avantajul ar fi un singur dispozitiv pentru alimentarea intregului string.

    Un boost s-ar face foarte simplu cu un MOSFET IRF640 si inca 2-3 tranzistoare si un transformator mic, in comutatie. (In privinta asta, 34063 era mai simplu, necesita doar o bobina care se gaseste de cumparat la cca 50 de centi.) De asemenea s-ar putea face tot doar cu o bobina, un MOSFET si un integrat UC3843 (neaparat 3843, nu 3842).

    ce zici, care varianta sa fie? eu as inclina spre boost...

    RăspundeţiȘtergere
  7. Ca să înţeleg mai bine... Să zicem că am o configuraţie boost cu 4 led-uri în serie, ce dă un curent de 300mA, şi o configuraţie buck tot cu 4 led-uri (câte două în paralel), ce dă un curent de 300mA per total.
    În situaţia asta, la un consum pe baterie de 300mA + 20% în configuraţie boost o să obţin o iluminare mai bună, decât în configuraţia buck la un consum de 300mA + 5%. Dacă e aşa, atunci pentru a egala iluminarea din configuraţia boost, ar trebui ca în configuraţia buck să cresc curentul consumat la 600mA + 5%. Sau am înţeles greşit şi vorbesc prostii?
    Dacă e bine ce zic atunci aş merge pe varianta boost, adică să am un raport cât mai bun iluminare/consum.

    RăspundeţiȘtergere
  8. Ai inteles binisor dar ai luat-o cam prea pe ocolite. La buck trebuia sa consideri de prima data 600mA pentru ca cele doua situatii sa fie echivalente.
    Ideea ar fi ca boost are un randament electric mai scazut. Dar are avantajul simplitatii (in cazul nostru). Dealtfel, la buck s-ar mai pierde ceva (10%) pe rezistentele de egalizare ale grupuletelor, asa ca pana la urma am iesi tot pe-acolo cu randamentul. Mai bine boost cu un singur sir.
    Ca sa-ti faci idee cum arata configuratia boost, imagineaza-ti un integrat 3842 ce debiteaza in poarta MosFet-ului. Acesta are o bobina in drena, si tot din drena pleaca si o dioda rapida, iar un condensator filtreaza rezultatul. Cam asta e tot, simplificand bineinteles. Mai sunt cateva piese pe bucla de control curent si tensiune, si cateva pe 3842

    RăspundeţiȘtergere
  9. de fapt cred ca acum n-am inteles eu exact ceea ce ai spus, pentru ca nu se potriveste cu ceea ce gandeam eu in creierasul meu. Curios si creierul asta..cum ne joaca feste. Credem ca intelegem, dar de fapt intelegem ceea ce e deja inradacinat acolo, si citim cuvintele fara a le patrunde sensul complet

    Ca sa fie treaba clara, trebuie sa nu ne mai gandim la miliamperi ci la WATTI. Asadar avem de alimentat 4 led-uri. Fiecare inghite pentru lumina maxima 3.6V la 700mA adica 3.6*0.7=2.5W
    Per total 10W

    In ambele situatii, consumul din baterie este de cca 12W: cei 10W de la iesire + cei 2W pierderi (pierderi pe tranz mosfet+pierderi pe dioda+pierderi pe bobina)
    Diferentele sunt de ordinul a 0.5W intre cele doua configuratii (buck va consuma probabil 11.8W, boost cca 12.5W)

    RăspundeţiȘtergere
    Răspunsuri
    1. Acum inteleg ca aveti invertor pentru 220V, ca atare puteti confectiona becoleduri foarte economice si de foarte buna intensitate luminoasa pentru aceasta tensiune! Eu mi-am "decorat" atat casa de la tara, cat si apartamentul cu asemenea becoleduri si sunt foarte multumit de consum, lumona si anduranta! Acum am trecut la lucrari mai mari, in sensul in care lucrez la iluminatul unor institutii de la tara (scoli, gradinite, primarie si dispensar)iar urmatorul proiect, iluminat stradal pe ulitele satului. Becoled cu 100 de lduri, consuma din retea doar 8 mA. Puteti face un calcul..
      Poze:
      http://i40.tinypic.com/347ac82.jpg
      http://i41.tinypic.com/5nw5qw.jpg

      Ștergere
  10. LM317 este cel mai simplu generatpr de curent constant.
    Vezi http://www.azp.ro/scheme-electronice/3-alimentatoare/67-lm317-generator-de-curent-constant
    Am cumparat 10 buc cu 7lei pe eBay.
    Numai bine!

    RăspundeţiȘtergere
  11. Salut Misha. In urma cu vreo doi ani iti scriam cele de mai sus. Intre timp lucrurile bineintelse au evoluat, preturile au nscazut, si avem solutii mai bune disponibile pe piata. Cauta CXA2011 la Comet, iti va place ce vei gasi. Ai sa vezi imediat potentialul. De cca 2 zile am terminat si o sursa garantata pentru acestea, iti pot trimite ori schema ori sursa ca atare (nu chiar imediat), deocamdata pentru 220V, in viitorul apropiat voi face si pentru 12 sau 24V alimentare. Raspunde-mi la email addysoftware@gmail.com sau @yahoo.com sau pe mess sau skype acelasi id. Sursele le fac potrivit a 2 principii de baza : ieftin si bun. Atat de ieftin incat sa descurajez orice concurenta , si atat de bun incat sa tina cat LED-ul: suta de mii de ore.

    RăspundeţiȘtergere
  12. merci de info, voi incerca si eu cu un lm317

    RăspundeţiȘtergere