История развития полупроводниковых источников света показывает, что уже очень скоро наши дома и улицы будет освещать не ионизированный газ и уж точно не вольфрамовая нить. Современные светодиоды – тренд #1 в системах освещения всего и вся. У же лет через десять мы вряд ли сможем объяснить детям смысл загадки: «Висит груша, нельзя скушать». Форма ламп – свод – объяснялась необходимостью обеспечить прочность тонких стенок, подвергающихся давлению со стороны атмосферы. Я в свое время удивлял знакомых фокусом: вставал всем своим весом на «купол» славящейся своей хрупкостью лампы накаливания, и она безропотно это переносила. В самых современных источниках света никакого вакуума нет, в связи с чем форма их может быть любой, что только на радость сторонникам биодизайна.
Но самое главное, ради чего затеяна очередная технологическая революция, – энергоэффективность. В светотехнике она оценивается как частное от деления силы света (в люменах) на потребляемую при этом источником света мощность (в ваттах), то есть, в виде лм/Вт. В канонических лампах накаливания она составляет около 8-10, в самых редких экземплярах доходя до 12 лм/Вт. Чуть улучшает ситуацию подмешивание в колбу химических элементов-галогенов – брома, йода. Получающиеся таким образом «галогеновые» лампы хоть и не перестают относиться к лампам накаливания, но получают ряд преимуществ. За счет более высокой температуры нити имеют эффективность до 15 лм/Вт, получаемый спектр свечения смещается ближе к белому, что хорошо как для глаз, так и для освещения при фотографировании.
И в качестве бонуса у этих ламп – повышенный срок службы. Долговечность любой лампы накаливания – это прежде всего вопрос количества включений. Пока нить накаливания холодная, она имеет очень малое сопротивление, и, когда к ней первоначально подводится напряжение, сила тока через спираль может быть десятикратно больше того, что требуется лампе в номинальном режиме. Рано или поздно нить истончается настолько, что при очередной «перегрузке» просто сгорает. Продлить жизнь «вольфрамовым» источникам света можно применяя устройство плавного пуска: сначала нить накаляется малым током, и только спустя секунду напряжение на ней повышается до рабочего.
Когда встал вопрос сбережения электроэнергии, то есть стали думать, что делать с «лампочками Ильича», на что их менять, экономисты, инженеры и технологи в один голос ответили: на люминесцентные источники света. В них тоже есть спираль, но работает она только в момент пуска лампы – все остальное время «светит» холодный разряд в парах ртути. Причем его излучение – чистый ультрафиолет, а видимый спектр света мы получаем за счет специального напыления на колбе лампы с внутренней стороны. Поскольку оттенок излучения и светоотдача напрямую зависят от свойств люминофора, его состав – запатентованное ноу-хау любой уважающей себя фирмы.
…эволюция полупроводниковых источников света идет по экстенсивному пути – увеличивается светоотдача и параллельно за счет оптимизации производств резко снижается их стоимость.
Косвенно об этом же говорят получаемые параметры: 30-70 лм/Вт у «компактных», вворачиваемых в обычный патрон ламп и до 100 лм/Вт у брендовых линейных люминесценток (взгляните на потолок в своем офисе – это они). В компактных лампах кроме люминофора долговечность и надежность зависят от встроенного ЭПРА – пускорегулирующего устройства, поэтому цифры 50-70 лм/Вт – это скорее показатели, достигаемые дорогими моделями фирменных ламп. Типовые китайские энергосберегайки (имя им – легион) отдают 25-40 лм/Вт с непредсказуемой заранее цветовой температурой, зато благодаря конкуренции цены на компактные лампы стали очень низки.
Почти сто лет движения вперед
Вряд ли британец Генри Раунд в далеком 1907 году или Олег Владимирович Лосев в 1923 году могли предположить, что электролюминесценция в полупроводниках, наблюдаемая ими при опытах с кристаллами, спустя почти сто лет сделает революцию в освещении. Нет, советский физик Лосев как раз понимал важность открытия и даже подал патент на так называемое «световое реле» – отсылаю вас к статье «Свечение Лосева» из журнала «Моделист-конструктор» #11 за 1987 год: там история появления светодиода описана очень подробно и увлекательно – помню до сих пор. Но первые практически применимые светодиоды были изготовлены в 60-х годах «там», за океаном, поэтому флаг победителя технологической гонки не остался в СССР. Да и первые работающие образцы были очень дороги и использовались скорее как доказательство торжества науки. Подешевев впоследствии, они чаще всего исполняли роль экономичных индикаторных устройств.
Последний технологический прорыв 1991 года осуществили компания Nichia Chemical и ее инженер-физик Судзи Накамура – им были разработаны дешевые приборы с синим и ультрафиолетовым спектром. Это позволило уже спустя несколько лет поставить на широкий поток светодиоды с белым свечением. Для смещения диапазона излучения в нужную область обычно применяются люминофоры – они отлично изучены. Интересно, что Судзи Накамура в 2004 году судился с Nichia Chemical – поскольку за свое стратегически важное открытие он не получил никаких лицензионных отчислений от компании, а она заработала сверхприбыли. Вся дальнейшая эволюция полупроводниковых источников света идет по экстенсивному пути – увеличивается светоотдача полупроводников и параллельно за счет оптимизации производств резко снижается их стоимость, так что переход на твердотельные источники света случится достаточно скоро.
Что мы наблюдаем в 2011 году?
Во-первых, конструкция светодиода устоялась: он состоит из подложки с выводами, сложного составного полупроводникового кристалла с внедренным в него проводником анода (катод, как правило, – подложка из окиси алюминия), линзы и, у мощных светодиодов, теплоотвода. Обязательный элемент – оптическая система: у малогабаритных приборов ею является сам корпус, у осветительных – может применяться внешняя оптика. От свойств «стекла» зависит еще один ключевой показатель – угол рассеяния. Чем он меньше, тем меньше диаметр светового пятна, получаемого от одного светодиода.
Во-вторых, изобилие световых оттенков: от канонических красного и зеленого до экзотических пурпурного или ультрафиолетового. Инфракрасные светодиоды, так же как и красные, известны издавна. В-третьих, в нашем распоряжении источники света разных форм, от SMD-приборов размером, например, 1,25 х 1,80 мм (часто встречаются на материнских платах) и светодиодных лент заводского изготовления на их основе, которые очень удобно применять для подсветки корпусов, до светодиодов с диаметром корпуса 10 мм. Самые ходовые типоразмеры в хендмейде – 3 и 5 мм.
В-четвертых, мы имеем потрясающие показатели светоотдачи при копеечной цене светодиодов. Если сравнивать наше время и 1996 год, то единичный прибор белого цвета ныне может выдать и 350-400 лм, а 15 лет назад и 0,5 лм были в диковинку. «Стоимость одного люмена», получаемого со светодиода, упала с €3 в 1996 году до €0,1 и ниже – в 2011-м. Немного конкретики: мощный 3-ваттный светодиод Cree MX6AWT, 350 мА, 120 лм в московской рознице стоит 220 руб. (и это не самая низкая цена!), а на eBay разнообразные 5-7-ваттные китайские фонари на основе подобных мощных светоизлучателей стоят не намного дороже – $10-15.
От теории и истории – к практике
Сразу же рекомендовать заменять светодиодами лампы накаливания не буду – дело это достаточно муторное и затратное, те, кто способен самостоятельно сделать компактный и экономичный светодиодный светильник, в образовательных статьях не нуждаются. Начнем с малого – подсветим компьютерный корпус, сделаем велофару, изготовим местное ночное освещение для клавиатуры или для ридера на электронных чернилах. Впоследствии, «потренировавшись на кошках», можно будет браться за более масштабные инсталляции.
Чтобы заставить светодиод зажечься, нужно на него подать небольшое, 2-4 В, постоянное напряжение в нужной полярности и ограничить силу тока через него. Все светодиоды – низковольтные приборы, и подключение их напрямую, например, к 12-вольтовому источнику – верная гибель. Для того чтобы выполнить все условия, в некоторых случаях достаточно одной детали – токоограничивающего резистора. Чтобы не блуждать в потемках, подбирая его, лучше взять калькулятор и предварительно рассчитать его параметры. Формула проста: R = (Vin – Vled) / I, где Vin – входное напряжение питания, Vled – рабочее напряжение светодиода, I – сила тока через прибор. Второй и третий параметр лучше всего взять из документации производителя: некоторым синим светодиодам и 50 мА мало, а многие красные и от 20 мА могут быстро сгореть.
Предположим, нам надо подключить один красный светодиод с параметрами Vled = 2 В, I = 15 мА к источнику питания 5 В (например, к USB-порту). Обязательно пересчитываем миллиамперы в основные единицы – амперы: 15 мА = 0,015 А – множители системы единиц СИ можно найти в любом справочнике. Формула принимает вид: (5 – 2) / 0,015 = 200 Ом. Если такого резистора нет, можно взять ближайший, но большего сопротивления – 220 Ом, 240 Ом: на яркости это отразится не сильно. Если взять меньший резистор, ток будет больше, и это плохо скажется на долговечности вашей подсветки. Необходимая мощность резистора считается по формуле: P = I х (Vin – Vled), в нашем случае P = 0,015 х (5 – 2) = 0,045 Вт. Это очень малая величина: можно брать практически любое «сопротивление» – сильно нагреваться оно не будет.
Светодиоды можно соединять в гирлянды – последовательно. Допустимое количество их в цепочке определяется суммой рабочих напряжений светодиодов: Vled. Например, к 12-вольтовому источнику можно подключить только 4 светодиода с рабочим напряжением 2,7 В. Суммарное напряжение гирлянды должно составить 10,8 В, а ток – все те же паспортные значения, допустим 20 мА. Считаем R = (12 – 10,8) / 0,02 = 60 Ом. Ближайшее значение из стандартного ряда – 68 Ом, а необходимая мощность этого резистора – P = (12 – 10,8) х 0,02 = 0,024 Вт, опять же, можно о нем не заботиться. Общий совет – стараться не выжимать из светодиодов все. Лучше перестраховаться и взять резистор на 20-25% больше расчетного: снижение тока резко увеличивает продолжительность жизни полупроводникового источника света, также это нивелирует технологический разброс параметров, обусловленный технологиями производства кристаллов.
Если напряжение источника питания невелико, а «светиков» нужно подключить много, так и напрашивается их параллельное включение поодиночке или параллельное включение «гирлянд». Рассчитывается токоограничительный резистор по тем же формулам, что и в случае с одиночным прибором, поскольку существует очень важное правило: при параллельном включении каждому светодиоду нужен свой резистор. Дело все в том, что если к одному токоограничительному резистору подключить несколько светодиодов, то поскольку они неодинаковы, яркость их будет очень сильно отличаться друг от друга. Все дело в том самом технологическом разбросе параметров. Более того, один из светодиодов будет иметь меньшее сопротивление, пропуская через себя больший ток, остальным же приборам достанется меньше, и первый обязательно перегорит.
Сельхозинструмент – грабли
Да-да, те самые, на которые наступать не надо – будет шишка. Все вышеописанные расчеты и простейшие токоограничители из единственного резистора верны в идеальных условиях: постоянное стабильное напряжение, качественные маломощные светодиоды. К счастью, в любом компьютере практически так и есть – источники питания очень жестко стабилизированы. Но случись вам подключить светодиод к источнику переменного напряжения через резистор, не исключено, что он долго не протянет. А все потому, что полярность переменного напряжения постоянно изменяется, и к светодиоду прикладывается так называемое обратное напряжение, предел которого описан в документации. Пользы от него никакой. Чтобы исключить переменную составляющую, нужно подключить еще одну деталь – любой маломощный диод.
Такое подключение называется встречно-параллельным, когда анод светодиода подключается к катоду защитного диода, а катод, соответственно, к аноду диода. Теперь ток через светодиод будет проходить только в одном направлении, а обратная полуволна будет пропускаться через маломощный защитный диод. Свечение светодиода станет пульсирующим – это нормально. Следующий момент – превышение номинального тока. Такая неприятность часто случается у начинающих тюнингеров, превращающих свои ВАЗ-2109 в «новогодние елки». Рассчитывая резистор на 12 В, они не учитывают, что в бортсети автомобиля напряжение может составлять 14,4 В, а также наблюдаются короткие всплески напряжения до 100 В. Светодиоды быстро тускнеют и гаснут навсегда.
Дело в том, что резистор – вещь очень примитивная. Повышение входного напряжение вызывает пропорциональное увеличение силы тока – закон Ома в действии. Светодиод же – сложный полупроводниковый прибор с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Причем потребляемый им ток с увеличением напряжения растет по экспоненте. То есть даже небольшое превышение напряжения на светодиоде вызывает резкое увеличение потребляемого им тока. Так же резко увеличивается нагрев кристалла, и происходит ускоренное старение светодиода. Вообще же, старение твердотельного светоизлучателя – явление неизбежное. Пусть даже в характеристиках заявлен срок службы 50 000 ч. Но, не проработав и половины положенного времени, светодиод может стать заметно тусклее и прожорливее.
Зачем отапливать комнату?
Некоторые трудности создает и сам резистор. Во-первых, на нем бесполезно рассеивается мощность, которая уходит в никому не нужное тепло. Во-вторых, если светодиод сверхъяркий, например как упомянутый выше 350-миллиамперный Cree, который и так горяч, то, чтобы его зажечь, потребуется столь же могучий резистор, на котором будет рассеиваться приличная мощность. Понятно, что для автономных применений (например, фонарики) такой способ ограничения тока неприемлем.
Выходят из положения, применяя специализированные микросхемы-драйверы. Их принцип действия – ШИМ, или широтно-импульсная модуляция. На светодиод ток высокой частоты подается очень короткими импульсами, за счет чего КПД схемы очень велик, 85-97%, а также становится легко регулировать яркость светодиода. Еще один плюс – возможность питания «светиков» от одной пальчиковой батареи с напряжением 1,2-1,5 В, что без применения DC-DC-преобразователя просто нереально. Одна из таких специализированных микросхем – ZXSC300 от Zetex Semiconductors. Ее параметры таковы: КПД – 94%, входное напряжение – 0,8-9 В, частота преобразования – 200 кГц. Для того чтобы ее использовать, потребуются еще несколько деталей: транзистор, дроссель, резистор. А уместится все перечисленное хозяйство на мини-платке 12 х 12 мм. Чудеса, да и только. Заинтересовавшихся отсылаю в Google на поиск дата-шита. Этот чип – далеко не единственное решение: у любой компании-производителя микроэлектроники есть целые линейки драйверов на разные токи и напряжения.
Но применение специализированных драйверов сопряжено с некоторыми трудностями. Далеко не все они продаются в «газетном киоске» – многие еще поискать и заказать «за бугром» придется. Cама по себе микросхема очень мелка, приведенный выше пример – ZXSC300 – имеет корпус типа SOT23-5 с габаритными размерами 2,7 х 1,3 мм, что требует некоторого опыта в изготовлении миниатюрных устройств и плат под них. В целом это несложно даже в домашних условиях, но на первых порах задача «подковать блоху» просто пугает, и для освоения технологии требуется много времени. К сожалению, специализированные драйверы – это единственный способ правильно накормить белые сверхъяркие светодиоды мощностью 3-7 Вт, и, если вы не готовы изучать приемы пайки с обязательным применением мощной лупы и термовоздушной паяльной станции, покупайте готовые изделия со встроенными источниками питания, например китайские фонари, и «выдирайте» начинку оттуда, приспосабливая ее впоследствии для своих задач.
Если светодиодик маломощный, можно обойтись малой кровью, собрав линейный стабилизатор тока. В его составе всего две детали, отнюдь не микроскопических, но с задачей питания светодиода он справится намного лучше, чем одинокий резистор. Повышение или понижение входного напряжения на схеме никак не отразится на светодиоде – проходящий через него ток будет оставаться постоянной величиной, что для полупроводникового источника света великое благо.
Первый элемент – микросхема LM317 или ее «калька» КР142ЕН12. Это несложный регулируемый интегральный стабилизатор напряжения с диапазоном выходных напряжений 1,2-30 В. Дополнив его резистором, можно получить стабилизатор тока. Упрощенный расчет выдаваемого этой схемой тока очень прост: I = 1,25 / R. Интегральные стабилизаторы LM317 выпускаются двух видов: мощные с допустимым током до 1,5 А – им требуется радиатор (снова отапливаем комнату!), и «мелкие» LM317L с допустимым выходным током до 100 мА.
Правила параллельного и последовательного соединения светодиодов остаются теми же, что и в схемах с одиночным резистором, только, делая «гирлянду», необходимо помнить о том, что для нормальной работы LM317 нужно обеспечить разницу напряжений между ее входом и выходом не меньше 1,25 В. То есть, возвращаясь к примеру с четырьмя светодиодами на 2,7 В каждый, с суммарным напряжением цепочки 10,8 В, для ее включения через LM317 потребуется как минимум 10,8 В + 1,25 В = 12,05 В, и это означает, что для питания ее от 12-вольтового источника для надежности придется снизить количество светодиодов в цепочке до трех. А чем меньше разница между входным напряжением и напряжением «гирлянды», тем меньше паразитный нагрев корпуса микросхемы. UP
