Forum Haszysz

LED czyli innowacyjne oświetlenie

Diody led w ciągu kilku ostatnich lat dokonały znaczącego postępu. Dzisiaj możemy powiedzieć że 300 Watowy panel wykonany własnoręcznie z dobrych materiałów oraz z zachowaniem zasad o których dowiecie się z informacji zamieszczonych poniżej z powodzeniem może zastąpić lampę HPS o mocy 600 Wat lub świetlówki o łącznej mocy 900 wat. Oczywiście nie należy mylić i przyrównywać gotowych paneli LED z panelem zbudowanym własnoręcznie na najlepszych binach diod renomowanych firm takich jak Cree. Osram czy Philips. Spora część paneli komercyjnych na rynku nie cechuje się wysoką efektywnością, ponieważ jest budowana z elementów o niskiej jakości. Diody wykorzystywane w komercyjnych panelach są często podkręcane do 700 lub nawet 1050mA co równoznaczne jest ze spadkiem wydajności diod, wystarczy spojrzeć do podpunktu o zasilaniu gdzie można zaobserwować spadek wydajności wraz z podnoszeniem prądu na diodzie.

Porównanie diody XP-G do zapałki Zasady budowy Panelu LED
Dobór odpowiedniego chłodzenia
Jako radiator możemy wykorzystać (do kupienia w internecie) gotowe profile aluminiowe, do których dobrze jest zastosować dodatkowe chłodzenie w postaci wentylatorów. Dla growerów liczy się jak najlepsza sprawność diod LED dlatego warto zadbać o jak najlepsze chłodzenie ponieważ dzięki temu można uzyskać wyższy plon. Im większy i dobrze chłodzony radiator tym lepiej. Podczas budowy należy przyjąć, że do ochłodzenia 1 Wata diody potrzeba minimum 50 centymetrów kwadratowych radiatora (licząc razem z jego ożebrowaniem). Diody wraz ze wzrostem temperatury tracą wydajność co można zaobserwować na poniższym obrazku. Podłoża MCPCB Diody lutowane są do podłoży MCPCB. Możemy kupić gotowy zestaw diody połączonej z podłożem jednak nie zawsze można znaleźć interesującą nas diodę przylutowaną do dobrego MCPCB dlatego, jeśli czujemy się na siłach, możemy kupić te elementy oddzielnie i sami je polutować. Przy kupnie należy zwrócić uwagę na przewodność cieplną podłoża. Dobre miedziane podłoża pod diody Cree z serii XP mają przewodność cieplną na poziomie 3w/m2 jednak ich cena sięga 4zł za sztukę. Mcpcb o przewodności 2w/m2 kosztują już w granicach 2zł. W sprzedaży można znaleźć również tańsze podłoża ale ich przewodność cieplna może być mniejsza niż 1w/m2. Poniżej przedstawiam obrazek zapożyczony z forum http://www.swiatelka.pl gdzie widać jaka jest różnica pomiędzy różnymi typami mcpcb. Zdjęcia wykonane są przy pomocy kamery termowizyjnej. Jakie spektrum?
Jeżeli nie zamierzasz eksperymentować najprostsze spektrum to
70% RED [50% lub 70% 660nm i 50% lub 30% 620-630nm] + 15% Cool White + 15% Royal Blue 450-460nm

Jakie diody?
Jeżeli masz pieniądze i zależy ci wyłącznie na jak najlepszej wydajności jednym z rozwiązań są diody firmy cree, które można dość łatwo dostać w Polsce (na przykład tu http://www.maritex.com.pl/pl/shop/products/ggid/17091). Jedne z najlepszych diod do zastosowania przy budowie panelu to serie XP-E RED, XP-G Cool White i XT-E Royal Blue. Pamiętaj o tym, że każdy kolor diody ma kilka binów. Wyższe biny mają wyższą wydajność. Wszystko o binach i ich wydajności możemy znaleźć w tak zwanych "data sheets". Każda grupa diod, tak jak XP-E, XP-G, XT-E, ma własny data sheet z którego można się dowiedzieć o ilości binów, ich nazwach, wydajności poszczególnego binu oraz wielu innych ciekawych rzeczy jak spadki napięcia, spadki wydajności przy poszczególnych temperaturach i budowa oraz rozmiar diody. Wszystkie data sheet do diod cree możesz znaleść tutaj: http://www.cree.com/products/xlamp.asp (z menu po lewej stronie wystarczy wybrać serię, po otwarciu podstrony przechodzimy do tabelki z PDF'em do data sheet) .

Obrazek wycięty z data sheet diod Cree XP-E przedstawiający Biny M2,M3,N2,N3 i ich wydajności: Jak odczytywać data sheet?
Część opisu została zaczerpnięta z forum z postu RobRoya. Opis na przykładzie data sheet diody XP-G tabela FLUX CHARACTERISTICS
Dla jednego (z bardzo wielu) typu diody np. XP-G, przy 25*C strumienie świetlne bardzo się różnią w zależności jaki to bin produkcyjny (group), barwa, RA.

tabela CHARACTERISTICS
Typowe parametry pracy to prąd 350mA ale producent dopuszcza prawie pięciokrotne "przeciążenie" diody do 1500mA. Za tym idzie wydzielana moc - 350mA to spadek napięcia na diodzie 3V (czyli do odebrania ok. 1W ciepła) ale przy 1000mA (1A) 3,3V tj. 3,3W.

tabela Spectral Power distribution
Zakres spektralny

tabela relative fluX vs. Junction temPerature (if= 350 ma)===
Wykres pokazuje jak spada wydajność poszczególnych kolorów wraz z temperaturą

tabela electrical characteristics (tJ = 25 °c)
Przedstawia wzrost spadku napięcia przy poszczególnym prądzie podanym diodzie

tabela RELATIVE FLUX VS. CURRENT
Diodę można "podkręcać" podając jej wyższy prąd (zachowując dobre chłodzenie) ale strumień świetlny NIE IDZIE LINIOWO ze wzrostem natężenia prądu. Przy 350mA mamy umowne 100%. 200% jest już przy jakichś 780mA, zaś 300% przy prawie 1300mA. Tj. aby dostać 3x większy strumień światła musimy dać 3,7x większy prąd a z tabeli wyżej ELECTRICAL CHARACTERISTICS mamy, że przy 1300mA spadek napięcia na diodzie jest ok.3,4V. Tj. dla umownych 100% światła mamy ok.1W (350mA x 3V), dla 300% światła moc 4,4W (1300mA [1,3A] x 3,4V)

tabela TYPICAL SPATIAL DISTRIBUTION
Po prostu kąt świecenia diody

tabela MECHANICAL DIMENSIONS
Jest to schemat wymiarów diody. Od spodu diody są trzy "pola". Lewe i prawe "pole" to po prostu miejsce do podłączenia "+" i "-" - tzw. pady zasilające. Środkowe "pole" to tak zwany pad termiczny czyli miejsce obojętne elektrycznie służące do odprowadzania ciepła. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie diody mają pad termiczny wyizolowany elektrycznie.

Zasilanie
Są dwa rodzaje zasilaczy do diod: stałonapięciowe i stałoprądowe. W tym przypadku będziemy budować panel na diodach power led więc będziemy potrzebować zasilacza stałoprądowego, który utrzyma natężenie prądu na stałym poziomie.

Ostrożność
Podczas podłączania diod do zasilacza zawsze musi on być odłączony od sieci. Jeśli podłączamy zasilacz do sieci i widzimy, że gdzieś w obwodzie znajduje się przerwa - wówczas NIE USUWAMY TEJ PRZERWY, GDY PRACUJE ZASILACZ!. Należy odłączyć zasilacz od sieci, zewrzeć jego styki wyjściowe ze sobą aby rozładować napięcie elektryczne, które się nagromadziło (może "strzelić" iskra) a następnie dopiero wtedy łączymy przerwę w obwodzie. Jeśli nie wykonamy tej czynności to jest duże prawdopodobieństwo, że zgromadzone napięcie uszkodzi diody przebijając je lub, w najlepszym wypadku, zniszczy elementy zabezpieczające (jeśli istnieją). Wynika to tylko z zasady działania zasilaczy ze stabilizacją prądu - otóż dążą one zawsze do osiągnięcia nominalnego prądu wyjściowego. Jeśli więc jest to np. zasilacz 350mA, będzie on zwiększał napięcie na swym wyjściu dopóty, dopóki nie osiągnie prądu 350mA lub maksymalnego napięcia na zaciskach wyjściowych. To napięcie często może okazać się niszczące dla diod. Możecie w tym momencie zadać pytanie: Dlaczego więc zasilacz zwiększa napięcie wyjściowe do poziomu niebezpiecznego dla diod? Nie jest to absolutnie żaden spisek. Wyobraźmy sobie np. zasilacz o mocy wyjściowej 10,5W i prądzie stabilizowanym na poziomie 350mA. Przy jego maksymalnej mocy na zaciskach wyjściowych wystąpi napięcie 30V (10,5W / 0,35A = 30V). To samo napięcie wystąpi przy braku obciążenia. Jeśli tymże zasilaczem, będącym w stanie nasycenia (czyli przy rozwartych zaciskach wyjściowych i zasileniu z sieci) zasilimy teraz np.3 diody PowerLED 1W połączone szeregowo (o prądzie 350mA i napięciu przewodzenia w okolicy 3 - 3,2V każda, co daje w sumie napięcie ok. 9 - 9,6V) to, jak łatwo spostrzec, napięcie odłożone na diodach będzie ponad 3-krotnie większe od bezpiecznego. Zanim zasilacz zdąży obniżyć napięcie do bezpiecznego poziomu, chwilowy impuls prądu dostarczony do diod momentalnie zniszczy najpierw zabezpieczenie wewnętrzne diody, które jest z reguły skuteczne do ok. 5V, potem samą diodę. Aby taka sytuacja nie występowała w ogóle na każdą diodę musiałby przypadać oddzielny zasilacz co z oczywistych względów jest w większych systemach niewykonalne. Większość zasilaczy, jako zasilacze impulsowe, nie może pracować bez obciążenia, co najczęściej ujrzymy w ich instrukcji. Niniejsze zasady są bardzo prostymi, podstawowymi zasadami elektroinstalatorstwa. Powyższa część tekstu o ostrożności została zapożyczona ze strony http://www.ledownia.pl

Jakie natężenie prądu wybrać
Opiszę dwa typy zasilania diod: 350mA[0.35A] i 700mA[0.7A]. Diody można też zasilać prądem powyżej 700mA jednak takie rozwiązanie jest nieefektywne bo im większe natężenie prądu podamy diodom tym słabszą będą miały wydajność oraz bardziej będą się grzały. Poniżej na obrazku możecie zauważyć spadek wydajności diody XP-E Royal Blue wraz z podnoszeniem natężenia prądu. Przy 350mA jej wydajność to 100% jednak po podniesieniu natężenia prądu 2 krotnie nie uzyskujemy 100% wzrostu wydajności ale jedynie 80%. Jednak po dwukrotnym podniesieniu natężenia pradu dioda i tak z konsumuje 2 krotną ilość prądu, zakładając że przed podkręceniem pobierała 1w i miała wydajność 100% a jej jasność wynosiła 500mW po podkręceniu do 700mA zużyje 2 waty ale jej wydajność będzie tylko o 80% większa czyli jasność wyniesie 900mW. Jej nominalne natężenie wynosi 350mA ale producent pozwala na prawie 3krotne jej przeciążenie. Sporo typów diod jest nominalnie zasilana prądem 700mA jednak i w takim przypadku schodząc z natężeniem prądu do 350mA uzyskamy ich większą wydajność.

Jeżeli będziesz budował swój własny panel i zastanawiasz się czy wybrać zasilanie 350mA czy 700mA, musisz sam zecydować pomiędzy 350mA czyli dobrą wydajnością i większą ceną która wiąże się z dwa razy większa ilością diod a 700mA czyli mniejszą wydajnością i mniejszą ceną czyli prawie dwa razy mniejszą ilością diod.

Nie należy też zapominać że jeżeli będziemy podawać diodzie większe od nominalego natężenie prądu jej czas życia ulega skróceniu.

W komercyjnych panelach można spotkać określenia iż panel jest zbudowany na diodach 1w lub 3w. Diody 1w są wydajniejsze gdyż pracują na niższych prądach tj. 350mA. Diody nazywane 3w tak naprawdę tych 3wat nie pobierają a jedynie 2w lub ciut więcej w zależności od koloru diody. Dlaczego 3w diody nie pobierają 3w? bo są zasilane prądem 700mA lub podobnym aby zaoszczędzić na ilości diod uzyskując ciut mniejszą wydajność jak to zostało opisane wyżej. Jak obliczyć jaki zasilacz potrzebujemy do własnego panelu led
Zasilacze stałoprądowe zazwyczaj mają określoną rozbieżność pracy np. od 15V do 35V lub podaną moc w watach. Aby obliczyć jaki konkretnie zasilacz potrzebujemy wystarczy dodać napięcie wszystkich diod.

Przykład:
dioda pracuje na 350mA przy napięciu 2.1V a my chcemy wykorzystać 10 takich diod więc mnożymy 2.1V x 10 diod. Otrzymujemy wynik w postaci 21V, który przedstawia nam minimalne całkowite napięcie jakie musi podać zasilacz dla naszych 10 diod. Nie jest zasadą że każda dioda puszczona na prądzie 350mA pobiera 1 wat energii - wszystko zależy jeszcze od podanego napięcia. Aby obliczyć moc w watach, którą zużyje 10 diod pobierających 2.1v przy prądzie 350mA[0.35A], wystarczy wszystko przemnożyć np. [10 x 2.1] x 0.35A = 7.35 wat. Realny pobór prądu będzie jednak większy niż obliczone 7.35wat gdyż każdy zasilacz ma określoną sprawność, która zazwyczaj jest w granicach 80%. Należy pamiętać, że każdy kolor diod oraz seria potrzebuje do swojej pracy innego napięcia[V]. Aby dowiedzieć się jakiego napięcia potrzebuje dana dioda przy danym prądzie musimy zerknąć do data sheet diody. Potrzebne dane znajdziemy przy tabelkach Electrical Characteristics. Na poniższym obrazku wyciętym z data sheet diod XP-E koloru czerwonego widać jak wzrasta napięcie wraz z podanym prądem. Lutowanie na MCPCB
Nie zawsze dostaniemy w sklepach lub hurtowniach diody których szukamy polutowane na płytkach Mcpcb, dlatego czasami będziemy zmuszeni do polutowania ich samodzielnie. Wbrew pozorom lutowanie nie jest takie straszne na jakie wygląda.

Lutowanie diod na MCPCB najlepiej wykonać przy użyciu pasty lutowniczej np. EasyPrint. Pastę należy nałożyć na pady MCPCB, na nią położyć diodę przy tym pamiętając o odpowiedniej polaryzacji, następnie lekko docisnąć (tylko nie za soczewkę). Nakładanie pasty nie musi być bardzo precyzyjne, nakładamy jej nie za dużo. Nie należy się obawiać że połączenia elektryczne diody dostaną zwarć, nadmiar pasty po jej roztopieniu wypłynie spod diody. Jeżeli pasta jest za twarda do nakładania wystarczy ją delikatnie podgrzać np. wkładając strzykawkę do ciepłej wody (pamiętaj aby potem ją dokładnie wysuszyć). Po ułożeniu diody na mcpcb włączamy żelazko i ustawiamy na maxymalną temperaturę. Po nagrzaniu kładziemy MCPCB na żelazko. W momencie gdy pasta zacznie się topić musimy poczekać z 2-3 sekundy w tym czasie można jeszcze delikatnie docisnąć diodę do płytki, nie za soczewkę. Zdejmujemy mcpcb z żelazka i odkładamy do wystygnięcia.

Przykładowy filmik na YT Lutowanie diody Cree XT-E

Smarowanie mcpcb Przyklejanie diody Rozgrzewanie mcpcb Gotowe Budowa Panelu

Dalsza część artykułu przedstawia budowę panelu LED 48x1wat [350mA] na diodach cree oraz osram.

Materiały:
3 Zasilacze stało prądowe 9-16 wat DC: 25-62V 320mA [21$(75zł) + darmowa wysyłka z hong kongu] Link
Cyna + kalafonia [miałem nie wliczam]
Pasta/klej termo przewodzący [miałem nie wliczam]
Taśma termo przewodząca [14zł + 6zł wysyłka] [Allegro.pl]
Taśma miedziana [1 metr 6zł + 6zł wysyłka] Link
Taśma kapton [21zł 10mm x 33metry + 7zł wysyłka] [Allegro.pl]
Radiator [50zł + 10zł wysyłka] [Allegro.pl]
Wentylator 20cm [miałem nie wliczam]

- Cena materiałów 195zł

Diody:

7 Cree XP-G R4(130lm/w) Cool-White [119zł(diody z dobrym mcpcb) + 7zł wysyłka = 126zł Link
7 Cree XT-E Royal Blue 500mW 450nm [95zł+7 miedzianych mcpcb 28zł = 123zł] Link
18 Cree XP-E Red N3 620-625nm [187zł polutowane juz na mcpcb] Link
16 Osram Golden Dragon Deep Red 660nm [76 euro + 14 euro cło i vat(400zł) + darmowa wysyłka z usa do polski od zamówienia na 150euro do mnie od zamówienia na 75euro] Link

- Cena diod 836zł

Opcjonalnie jeżeli zamierzamy sami lutować Diody cree na mcpcb - opcja dla osób bardziej doświadczonych

Pasta lutownicza

Obliczenia zużycia energi

Cree XP-E Red

2.1v x 18 sztuk = 37.8v x 0.32A = 12.096w

Osram Golden Dragon Deep Red

2.1v x 16 sztuk = 33.6v x 0.32A = 10.752w

Cree XP-G Cool White i Cree XT-E Royal Blue

[3v x 7] + [2.85v x 7] = 40.95v x 0.32A = 13.104w

12.096w + 10.752w + 13.104w = 35.952 w + około 15%[5w] strat na zasilaczach[licząc że mają efektywność 85%] = 41 wat

Miernik energii wskazał zużycie prądu przez cały panel LED na poziomie 38w!!! więc jednak zasilacze mają efektywność powyżej 91% tak jak opisuje producent. Wcale nie chciało mi się w to wierzyć, a jednak!

Schemat Panelu
Panel dodatkowo będzie zawierał przełącznik, dzięki któremu będzie możliwość wyłączenia diod Osram Deep Red 660nm i uzyskania lepszych efektów podczas wegetacji. Tak wygląda paczka która do mnie przyszła z maritexu Paczka z USA mouser.com Paczka z Hongkongu z zasilaczami Na początku montujemy 4 haki po jednym w każdym rogu radiatora aby móc go na koniec zamontować w boxie. Ja zrobiłem haki z drutu 1,5mm. Mocujemy 4 śruby po jednej w każdym rogu od wewnętrznej strony radiatora gdzie będą przymocowane diody. Śruby posłużą nam jako wsporniki, dzięki nim podczas odwracania panelu na drugą stronę lub jego stawiania nie uszkodzimy soczewek diod które są dość delikatne. Na radiatorze znaczymy linie poziome i pionowe, aby wiedzieć gdzie przymocować diody. Mój radiator jest poczerniany a odrysy robiłem ołówkiem, dlatego linie są słabo widoczne ale po powiększeniu już wszystko można dostrzec. Zaczniemy od zamocowania diod Osrama. Dlatego najpierw naklejamy taśmę kapton. Trzeba ją dobrze docisnąć do radiatora, paznokciem albo kartą aby się nie odkleiła w trakcie uprawy. Teraz wycinamy z kartonika wielkość padu termicznego diody osram + jakieś 2 mm , aby odznaczyć go na taśmie kapton. Ostrym nożem, najlepiej takim jak na zdjęciu aby dokładnie i równo odcinać karton na wielkość padu termicznego +2mm np. od brzegu karty Wycinamy ścieżki z taśmy miedzianej o szerokości około 5 milimetrów. Aby równo je wyciąć, można użyć czegoś twardego i prostego, ja użyłem opakowania po dvd. Docinamy równo i dokładnie wcześniej ucięte scieżki z taśmy miedzianej. Przy docinaniu z obu stron należy zostawić chociaż po pół milimetra luzu żeby miedź nie wychodziła poza kapton i nie dotykała aluminiowego radiatora, jednak nie można przesadzać i robić za dużego odstępu ponieważ pady elektryczne diody nie dosięgną ścieżki. Co jakiś czas przykładaj diodę i przyjrzyj się czy wszystko jest dobrze. Na poniższym zdjęciu zostawiam z jednej strony około 1 i pół milimetra luzu i tnę z drugiej strony równo z kaptonem, dzięki czemu po przyklejeniu miedzianej ścieżki z obu stron zostanie po około 0,7 milimetra luzu, co widać na przyklejonej taśmie po lewej stronie. Wycinamy taśmę termoprzewodzącą o 1 milimetr węższą niż szerokość powycinanych przestrzeni pomiędzy taśmą kapton i tniemy na około 5-6mm wysokości tak aby cały pad termiczny diody ładnie przylegał do taśmy a nawet zostało trochę luzu. Odklejamy folię z jednej strony taśmy i przyklejamy na radiator dobrze dociskając. Po przyklejeniu wszystkich kawałków taśmy termoprzewodzącej zaczynamy po kolei odklejać folię z drugiej strony taśmy i przyklejamy diody przy tym je lutując jedna po drugiej. Za każdym razem dobrze dociskamy diody do taśmy termoprzewodzącej, tylko nie za soczewkę. Jeżeli chcesz możesz pozaklejać ścieżki z taśmy miedzianej kartonem. Nakładamy cienką warstwę kleju termo przewodzącego na tylną część płytki mcpcb i przyklejamy do radiatora mocno dociskając mcpcb. Wszystkie diody już poklejone. Lutujemy wszystko po kolei zwracając szczególną uwagę na polaryzację + i - Wyprowadzanie kabli z 3 szeregów diod led do 3 zasilaczy stało prądowych Byłem zmuszony do pomalowania spodniej części radiatora gdyż jest on poczerniany i jego kolor pochłaniał by część światła.
Miałem na zapasie białą wodną farbę levisa która bardzo dobrze sobie z tym poradziła. W prawdzie można było to wykonać przed łączeniem diod Cree w szeregi no ale wypadło mi to z głowy W między czasie podczas oczekiwania na zasilacze z Hongkongu zmontowałem zasilacz do wentylatora z przyciskiem[w ostatecznej wersji przycisk został zastąpiony innym] który będzie służył dodatkowo do gaszenia i zapalania diod Osram Golden Dragon 660nm, co pozwoli na lepsze efekty podczas fazy vegetatywnej oraz mniejsze zużycie prądu. Cała konstrukcja będzie służyła do połączenia wszystkich zasilaczy w jedną całość. Doczekałem się i paczka z Hongkongu z zasilaczami wreszcie dotarła. Przy zasilaczach były fajne złączki więc je wykorzystałem do panelu, wystarczyło tylko trochę polutować. Tak przedstawia się każdy szereg z osobna
Niebieskie Cree XT-E 450nm i Białe Cree XP-G Cool White Czerwone Cree XP-E 620-625nm Czerwone Osram Golden Dragon 660nm Producent w opisie zasilaczy stwierdza że mają efektywność powyżej 91% w co nawet nie chciałem wierzyć. Spodziewałem się że ich efektywność będzie na poziomie 80-85%. Po podłączeniu wszystkich zasilaczy do szeregów miernik energii wskazywał 38w!!! co mnie kompletnie zaskoczyło bo według obliczeń same diody zużywają prawie 36 wat czyli straty na trzech zasilaczach to tylko 2 waty, tak więc efektywność zasilaczy to blisko 94%. Panel od góry wyłączony i włączony
Panel wyłączony Panel włączony Po krótkich testach panel pracujący 2 godziny bez wentylatora miał temperaturę około 35-40 stopni.
Po włączeniu wentylatora temperatura radiatora spadła do 25 Stopni. Temperatura otoczenia wynosiła jakieś 20 Stopni.

Skunk Special z FemaleSeeds na Vegu pod tym panelem na trybie veg który pobiera około 27w na powierzchni 0.15 m2 Skunk Special z Femaleseeds w 5 tygodniu kwitnienia pod LED 38 wat na powierzchni 0.15m2 bez flesza :) Zdjęcia z ostatniego dnia życia Skunka Special Waga mokrego