Prednosti LED rasvjete

•manja potrošnja elektricne energije

•mogucnost preciznog reguliranja svih parametara

•izgled

•cool faktor

Nedostatci LED rasvjete

•relativna skupoca (koja s vremenom postaje sve manji nedostatak)

•relativno komplicirano spajanje

Primjeri LE dioda:

Noname 3mm žuta LED

 Specifikacija:

U = 2.0-2.4V

I = 16-18mA

Imax = 20mA

P = 0.044W

Noname 3W bijela LED

Specifikacija:

U = 3.4-3.6V

Imax = 700mA = 0.7A

P = 3W

Cool white (hladna bijela) 5700K-6300K

170-190 lumena

Noname 460nm plava LED

Specifikacija:

U = 3.0-3.7V

Imax = 300mA = 0.3A

P = 1W

25 lumena

460nm plava

20mm aluminijska podloška

Cree XM-L T6 1A

 Specifikacija:

V = 2.9-3.4V

Imax = 3000mA = 3A

P = 10W

940 lumena

Cool White (hladna bijela) 6800K

16 mm aluminijska podloška

Cree XM-L T4 7C

Specifikacija:

U = 2.9-3.4V

Imax = 3000mA = 3A

P = 10W

870 lumena

Warm White (topla bijela) 3000K

20mm aluminijska podloška

Noname 10W Bijela LED

Specifikacija:

U = 9-12V

Imax = 900mA = 0.9A

P = 10W

900 lumena

Cool White (hladna bijela) 6000K-6500K

Usporedni prikaz

Opaska autora

Ovaj clanak je uvod u spajanje Power ledica u strujni krug. Opisani principi primjenjivi su u raznim okolnostima spajanja ledica. Takoder, primjenjivi su i izvan akvaristike i za spajanje drugih vrsta LE dioda pored onih visoke snage.

1. Definicije

Napon

Elektricni napon je razlika elektricnog potencijala. Napon ima oznaku U ili V i mjeri se u Voltima [V]. Ako povlacimo paralelu sa stvarnim svijetom i fizickim objektima, napon možemo usporediti sa pritiskom vode iz slavine. Pri jednako otvorenoj slavini koja je okrenuta okomito prema gore, “slabi” pritisak ce vodu uvis podignuti “malo”, a “jaki” pritisak “puno”.

Struja

Elektricna struja je gibanje elektrona. Nama je bitno gibanje elektrona kroz bakar, jako dobar metalni provodnik struje. Jakost struje ima oznaku I i mjeri se u Amperima [A]. Jakost struje možemo usporediti sa kolicinom vode koja tece iz slavine. Ako malo otvorimo slavinu, voda ce sporo curiti. Ako slavinu otvorimo puno, voda ce izlaziti brzo i pod velikim pritiskom. Prvo je primjer usporediv sa slabom elektricnom strujom, a drugo je primjer usporediv sa jakom elektricnom strujom.

Otpornik

Otpornik je elektronicka komponenta koja pruža otpor prolasku elektricne struje. Elektricni otpor ima oznaku R i mjeri se u Ohmima [??] (Ohm, om). Otpor možemo usporediti sa slavinom. Ako je slavina više zatvorena, ona pruža veci otpor prolasku vode. Na vrlo slican nacin otpornik sa velikim otporom pruža otpor prolasku struje.

LED

LED ili svjetleca dioda je elektronicka komponenta koja pretvara elektrone u fotone i toplinu. LED ima svoje nominalne karakteristike koje propisuje njezin proizvodac.

Primjer elektricnih karakteristika:

U = 3.0-3.2V

Imax = 900mA

Bitno je reci da zadaca LE diode nije ogranicavanje struje, a isto tako niti smanjivanje napona. Ako LE dioda ogranicava struju napajanja ili smanjuje napon napajanja, to je nuspojava rada te diode i može biti nasumican dogadaj. LE dioda ce sretno raditi na prevelikom naponu i prevelikoj struji dok se ne potroši materijal koji pretvera elektrone u fotone, odnosno dok se ne pregrije dovoljno da izgori. Na suviše malom naponu i/ili suviše maloj struji LE dioda ce svijetliti ili slabije od maksimuma ili nikako, ali to joj nece skratiti vijek trajanja. Karakteristika koju je najbitnije osigurati pri spajanju LE diode u strujni krug je jakost struje. Ako to osiguramo na ispravan nacin, posljedica ce biti i ispravan napon na kojem ce LE dioda raditi.

Napajanje

Najkrace receno, napajanje je izvor elektrona koji se ponaša u skladu s odredenim karakteristikama koje odreduje proizvodac tog napajanja.

Naponsko napajanje

Po definiciji, naponsko napajanje garantira da ce održavati stabilan napon dok god ukupna struja koju vuce potrošac (ili potrošaci) ne prelazi deklariranu struju naponskog napajanja. Ako spojimo potrošac koji je u stanju povuci struju vecu od one na koju je deklarirano napajanje, naponsko napajanje ce isporuciti najvecu struju za koju je sposobno, ali istovremeno zbog preopterecenja može spustiti napon, pregrijati se, ugasiti (zbog ugradenog osiguraca) ili izgoriti. 

Paralela sa vodom i slavinom: ako od slavine okrenute okomito prema gore ocekujemo da vodu izbaci na veliku visinu, moramo podignuti pritisak vode tako da slavina izbacuje vecu kolicinu vode. Ako podignemo pritisak vode više od onoga za što je slavina deklarirana, slavina ce propustiti maksimum za koji je sposobna, ali pri tome se može prošititi otvor slavine (zbog cega ce pasti visina izbacene vode), može se slavina pregrijati, zatvoriti vodu (zbog ugradene zaštite prije slavine), ili puknuti.

Preopterecenje naponskog napajanja

•ako tražimo preveliki napon, trošila ce dobiti napon na koji je deklarirano naponsko napajanje

•ako tražimo preveliku struju, naponsko napajanje je u opasnosti, taj slucaj smo opisali ranije

Strujno napajanje

Po definiciji, strujno napajanje garantira da ce održavati stabilnu struju, bez obzira na ukupni napon koje ocekuju trošila ili struju koju su sposobna povuci trošila spojena na takvo napajanje. Ako spojimo potrošac koji je u stanju povuci vecu struju od one na koju je deklarirano napajanje, strujno napajanje ce isporuciti tocno struju na koju je napajanje deklarirano, pri maksimalnom izlaznom naponu na koje je deklarirano.

Paralela sa strujom i vodom: jednako otvorena slavina ce propustiti jednaku kolicinu vode bez obzira da li na nju spojimo crijevo debljine jednake vodovodnoj cijevi ili crijevo puno deblje od toga. Ispravno i dobro strujno napajanje ce propustiti deklariranu struju cak i ako je na izlazu kratki spoj. Jednako kao što ce i slavina iz prošle analogije, jednako otvorena, propuštati istu kolicinu vode kao u prošlom primjeru cak i ako sa izlaza potpuno skinemo crijevo i pustimo vodu da tece izravno u vrt.

Preopterecenje strujnog napajanja

•ako tražimo preveliki napon, trošila ce dobiti napon na koji je deklarirano strujno napajanje

•ako tražimo preveliku struju, trošila ce dobiti struju na koju je deklarirano strujno napajanje

LED Driver

Ogranicava struju. Više detalja bilo je opisano kada smo opisivali strujno napajanje. LED driver nije ništa drugo do strujno napajanje prilagodeno za rad ordedene LE diode (ili neke kombinacije LE dioda). Struju možemo ogranicavati na razne nacine, ovisno o okolnostima i potrebama.

Paralela sa strujom i vodom: slavina kao jedan primjer i reduktor pritiska vode kao drugi primjer, oboje usporedivo sa driverom, odnosno strujnim napajanjem.

Serijski spoj

Spajanje više trošila u seriju, tako da plus pol jednog trošila bude spojen na minus pol drugog trošila. Serija može imati i više od dva trošila. I u tom slucaju vrijedi isto pravilo. U serijskom spoju trošila: struja kroz sva trošila je jednaka, a zbraja se napon trošila.

 Paralela sa strujom i vodom: nekoliko vrtnih crijeva od 5m da bi vodu na kraju dopremili na udaljenost vecu od 5m od slavine.

Paralelni spoj

Spajanje više trošila u paralelu, tako da svi plus polovi dva ili više trošila budu zajedno spojeni, isto kao i minus polovi. Plus i minus polovi medusobno nisu spojeni. U paralelnom spoju trošila: struja kroz sva trošila se zbraja, a napon je konstantan.

 Paralela sa strujom i vodom: nekoliko slavina na koje je spojeno nekoliko crijeva, da bi vodu prenesli u razlicite krajeve vrta koji navodnjavamo.

2. Idealni uvjeti za LE diodu

Idealni uvjeti za LE diodu su oni koji osiguravaju:

•struju manju ili jednaku onoj na koju je LE dioda deklarirana

•napon na koji je LE dioda deklarirana

Vec je spomenuto da prevelika struja ili napon skracuju vijek trajanja LE diode. Struja manja od deklarirane (pri deklariranom naponu) kao posljedicu ima:

•manju kolicinu isijane svjetlosti

•manje grijanje LE diode

•produžavanje vijeka trajanja LE diode

Napon manji od deklariranog (pri deklariranoj struji) u pravilu nije dovoljan za pravilan rad LE diode. Ako osiguramo napon manji od deklariranog, šanse su da se LE dioda nece upaliti ili ce svijetliti jako slabo.

Spajanje jedne LE diode u strujni krug

Treba osigurati stabilnu struju i napon. Napon u skladu deklariranom naponu diode, a struju manju ili jednaku deklariranoj. Oboje ce osigurati ispravno odabran LED driver. LED drivera ima više vrsta. Svaka vrsta ima svoje prednosti i mane, ovisno o okolnostima strujnog kruga. Najjednostavniji LED driver za spajanje LE diode na naponsko napajanje je otpornik spojen u seriju sa LE diodom. Definicija otpornika nalazi se pri vrhu clanka.

Kako odabrati otpornik

Koraci u odabiru otpornika:

1.odrediti struju koja treba prolaziti kroz otpornik (i LE diodu, serijski spoj vec je opisan)

2.izracunati napon na kojem ce otpornik raditi

3.izracunati otpor otpornika

4.izracunati snagu otpornika

Primjer 1

Ako imamo napajanje od 12V, max snage 15A i LE diodu deklariranu na 3.3V i struju 1A, koji otpornik treba spojiti u seriju da LE dioda radi na deklariranom maksimumu?

Rješenje 1

1.struja kroz otpornik je jednaka struji kroz LE diodu, dakle 1A

2.Uo = napon napajanja - napon LE diode = 12 - 3.3 = 8.7V

3.Ro = Uo / Io = 8.7 / 1 = 8.7Ohm

otpornici se zaokružuju na vece vrijednosti, prva veca standardna vrijednost je 9.1Ohm

4.Po = Uo * Io = 8.7 * 1 = 8.7W

snaga se takoder zaokružuje na vece vrijednosti, treba staviti otpornik od 12 ili 15 ili više Watta

Otpornik snagu pretvara u toplinu! Ako je kolicina topline prevelika za otpornik, otpornik ce izgoriti, zapaliti se, istopiti se ili eksplodirati! U ovom primjeru je snaga koju otpornik pretvara u toplinu (8.7W) puno veca od snage LE diode (P = U * I = 3.3 * 1 = 3.3W). To ovaj spoj cini iznimno neucinkovitim u pogledu trošenja energije. Takoder, kolicina topline koju ce otpornik isijavati je dovoljna da taj otpornik pocnemo promatrati kao grijac. Ovakav otpornik biti ce teško pronaci, i biti ce skup. Ovakav spoj se u praksi rijetko koristi.

Zakljucak: ovaj primjer opisuje grijac koji usput glumi rasvjetu.

Primjer 2

Un = 5V

In = 20A

Uled = 3.3V

Iled = 1A

------------

Ro = ?

Po = ?

Rješenje 2

1.Io = Iled = 1A

2.Uo = Un - Uled = 5 - 3.3 = 1.7V

3.Ro = Uo / Io = 1.7 / 1 = 1.7Ohm, zaokruženo na vecu vrijednost -> 1.8Ohm

4.Po = Uo * Io = 1.7 * 1 = 1.7W, zaokruženo na vecu vrijednost  -> 3W ili još bolje 5W

U ovom primjeru, snaga koju otpornik pretvara u toplinu je malo manja od 2W. Iako je i to znacajna kolicina topline, ovo je puno prihvatljivije od primjera 1.

Zakljucak: ako koristimo otpornik kao driver, što je bliži napon napajanja naponu trošila, to su manji gubici i sklop je ucinkovitiji.

Spajanje nekoliko LE dioda u strujni krug

Vrijede svi opisani principi. 

Spajanje više LE dioda u seriju

U seriji, struja kroz sve LE diode ce biti ista. Ako spajamo jednake LE diode u seriju (što se preporuca), struja kroz seriju treba biti manja ili jednaka deklariranoj struji bilo koje LE diode. Iako ovo što slijedi nije preporucljivo, spomenuti cemo radi potpunosti. Akvaristima svašta padne na um. Ako spajamo razlicite LE diode u seriju, struja kroz seriju treba biti ogranicena na struju manju ili jednaku najmanjoj deklariranoj struji svih LE dioda koje spajamo u (pojedinu) seriju. Idemo pokazati jedan primjer koji se u praksi može bez prevelikih problema i izgraditi:

Primjer 3

Un = 12V

In = 20A

Uled = 3.3V

Iled = 1A

spajamo 3 LE diode u seriju

------------

Ro = ?

Po = ?

Rješenje 3

1.Io = Iled = 1A

2.Uo = Un - 3 * Uled = 12 - 3 * 3.3 = 12 - 9.9 = 2.1V

3.Ro = Uo / Io = 2.1 / 1 = 2.1Ohm, zaokruženo na vecu vrijednost  -> 2.2Ohm

4.Po = Uo * Io = 2.1 * 1 = 2.1W, zaokruženo na vecu vrijednost  -> 3W, 5W ili više

U ovom primjeru, snaga koju otpornik pretvara u toplinu je malo više od 2W. Iako je ovaj sklop do sad najucinkovitiji medu do sad opisanim primjerima (2.1W otpornik : 9.9W LE diode), tih 2.1W nije beznacajna kolicina uzalud potrošene energije, odnosno isijane topline.

Zakljucak: ako imamo naponsko napajanje sa puno vecim deklariranim naponom od pojedine LE diode, povecati cemo ucinkovitost sklopa spajanjem više LE dioda u serijski spoj.

Spajanje više LE dioda paralelno

Ako spajamo pojedine LE diode paralelno, svaku posebno treba tretirati kao posebno trošilo sa svojim zasebnim strujnim regulatorom (driverom, strujnim izvorom). Primjer i rješenje 1, nekoliko puta u paralelnom spoju bi docaralo takav slucaj. Ako spajamo LE diode paralelno, trebamo se potruditi da ucinkovitost bude što bolja. Svim komponentama sustava zbog toga ce biti lakše.

Spajanje više serija LE dioda paralelno

Ovo rješenje bi trebalo biti najucinkovitije u mnogo slucajeva. Ako na raspolaganju imamo napajanje dovoljno velike snage da može pogoniti više paralelno spojenih serija (dati dovoljno struje), i pri tome dati napon malo veci od zbroja napona LE dioda u svakoj pojedinoj seriji, imamo najucinkovitiji spoj. Primjer 3 i rješenje 3 ponovljeno nekoliko puta docarava ovakav spoj.

3. Vrste LED drivera

Vec opisani otpornik dobar je driver ako imamo stabilno naponsko napajanje dovoljne snage, ne smetaju nam gubici energije i ne smeta nas isijavanje topline (koje može biti poprilicno). Osim otpornika postoji još nekoliko vrsta LED drivera. Engleski naziv za strujni izvor je current source ili current sink, za one koji žele pretraživati internet u potrazi za dodatnim informacijama. Ukratko cemo spomenuti i opisati neke od vrsta LED drivera i njihove karakteristike:

Otpornik

Cesto najbrže i najjeftinije rješenje. Ovisno o okolnostima može i ne mora biti najbolje rješenje. Na duge staze nepouzdano. Ima velike gubitke energije. Jako se grije. Otpornici su izuzetno loše rješenje ako imamo nestabilni naponski izvor, kao npr. polu-pokvareno ili nestabilno PC/AT/ATX napajanje ili automobilski akumulator. Otpornici mogu biti dobro rješenje ako imamo stabilno naponsko napajanje kao što je ATX napajanje za racunalo i ukupan napon LE dioda nam je blizak deklariranom naponu ATX napajanja (više detalja na tu temu je u opisanim primjerima).

Linearni regulator

Sklop koji koristi gotov cip/tranzistor koji je primarno namjenjen za regulaciju napona, ali se može konfigurirati kao strujni izvor, ili, cip namjenjen regulaciji struje. Na duge staze puno pouzdanije rješenje od otpornika. Može se jako grijati, ovisno o konfiguraciji.

Driver baziran na FE tranzistoru

Sklop koji koristi FET za regulaciju struje. Sklop je slican linearnom regulatoru po složenosti, nacinu rada i gubicima energije, ali ovisno o okolnostima i konfiguraciji može biti bolji. Jedna okolnost gdje je ovakav sklop bolji od linearnog regulatora je ako nam je potrebna velika struja za power ledice (1A i više).

Switching mode driver

Najucinkovitiji i diskutabilno najbolji LED driver. Gubici energije ovisno o okolnostima mogu biti izuzetno mali, ucinkovitost može porasti i na više od 95%. Rade na principu vrlo brzog propuštanja i blokiranja prolaska struje, uz skladištenje energije u kondenzatorima i zavojnicama. U pravilu se vrlo malo griju. Najbolje rješenje za ogranicavanje struje za LE diode, ali uz znacajno povecanu složenost sklopa.

 IZVORI: http://hr.wikipedia.org