[064] To i owo o LED-ach średniej mocy – cz. 1

Żyją z nami mniej więcej pół wieku i większość tego czasu diody świecące, czyli ledy istniały tylko jako małe lampki, nadające się co najwyżej na wskaźniki stanów i to jedynie w trzech kolorach: czerwonym, żółtym i zielonym. Jakaż to była sensacja jeszcze niedawno, gdy pojawiły się diody niebieskie. Wówczas już, gdy zbudowano brakującą składową, można było zestawiać teoretycznie dowolny kolor, mieszając czerwień, zieleń i odcień błękitny. Na początku marnie to wyglądało i nadal niezbyt jasno. Co prawda efektywność świecenia rosła rok po roku, ale wciąż ledowa latarka była bardziej gadżetem niż użytecznym przedmiotem.

W końcu udało się stworzyć struktury radzące sobie z prądem większym niż magiczne 20 mA. Bo należy wiedzieć, że przez 3 dekady było to ograniczenie bezwzględne, w niektórych rozwiązaniach przekraczane o 50%, ale nie więcej. Prądy mocniejsze szybko degradowały struktury ledów, a jasności od tego nie przybywało. Taki szmat czasów sprawił, że zasilanie ledów stało się standardem, a rezystor 220 Ω, który dawano w szereg, gdy ledy były zasilane ze świata cyfrowego, był obowiązujący i nie dyskutowano z tą wartością.

W przedstawionych dotąd przeze mnie projektach, wszędzie gdzie używałem diod standardowych, czy jak się to obecnie mówi, małej mocy, tak właśnie było: źródło napięcia, rezystor ograniczający prąd i dioda. Wartość dobierana była z prawa Ohma, a więc napięcie źródła – w przypadku świata cyfrowego pięć woltów, pomniejszone o spadek napięcie na diodzie (od niecałych dwóch do nieco ponad trzech woltów) dzieliliśmy przez prąd dopuszczalny albo zakładany, bo nowe ledy świecą wystarczająco dobrze przy pojedynczych miliamperach i dostawaliśmy wynik w omach. I tak: dla 20 mA i diody czerwonej o spadku 2 wolty, należy użyć rezystora 150 Ω Nowoczesnym diodom wystarczy miliamper i wtedy potrzeba opornika o wartości 3 kΩ. O ile w pierwszym przypadku trzeba sprawdzić wydajność źródła, 1 mA ofiaruje nam już chyba każde cyfrowe wyjście, więc takie prądy możemy czerpać śmiało.

O diodach świecących małych mocy pisałem już wielokrotnie. Nadmienię tylko, że diody standardowe nie muszą wyglądać tylko tak: obecnie dużo częściej możemy znaleźć te diody w wersji SMD, a ich kolory mogą być dowolne.

W szczególności białe diody o typowych, niewielkich prądach, połączone w długie łańcuchy, są obecnie jednym z głównych źródeł światła. Prądy są co prawda nadal niskie, ale diod takich stosuje się setki i tysiące, dzięki czemu jasność całości jest już znaczna.

I to jest jeden kierunek rozwoju ledów. Do nich jeszcze powrócę, teraz jednak chciałbym przedstawić drugi, wydawałoby się – bardziej naturalny. Z czasem w końcu pokonano barierę prądu, początkowo do 50 mA i przez jakiś czas standardem były diody o prądzie dopuszczalnym 350 mA, zwane jednowatowymi. Rozwój trwał dalej, moc zwiększano, łącząc przede wszystkim struktury w szeregowe łańcuchy siedzące w jednej obudowie albo zwiększając dopuszczalne prądy, a najczęściej robiąc jedno i drugie. I o tych diodach będę chciał opowiedzieć, ale później. Jednowatowce zrobiły i nadal robią karierę z kilku powodów.

Po pierwsze, mają wystarczająco dużą siłę świecenia, by czynić z nich światło punktowe, wspierające. Czy to w gablotach, w kuchni, czy też jako ograniczone powierzchniowo źródło światła w pojazdach, ograniczone dla przestrzeni pasażera. Te wszystkie lampki w autobusach czy w samolotach to właśnie ten standard.

Po drugie, moc ta nie przeraża współczesnych akumulatorów litowych, a nawet baterii alkalicznych. Popularne latarki LED wykorzystują zwykle diody tego typu, umożliwiając co najmniej kilkugodzinne świecenie z pełną mocą.

Po trzecie – rozmiar. Jest na tyle nieduży – wraz z niezbędnym zapleczem chłodzącym – by takie źródło światła stanowiło wygodny moduł w wymienionych zastosowaniach.

No i w końcu standard wymiarów. Diody te zwykło się osadzać na znormalizowanych radiatorach, czy raczej wkładkach radiatorowych, bo same w sobie są zbyt małe, by dobrze wychłodzić strukturę diody. Ale dzięki temu dla modułów tych powstały niezliczone reflektorki, kolimatory i radiatory wraz z mocowaniem. Można więc skompletować sobie źródło światła, źródło kształtowania wiązki, element chłodzący, a także źródło zasilania, uchwyty itd. Przyjrzyjmy się teraz takiej diodzie.

Gwiazdka – tak się popularnie określa jednowatowe diody fabrycznie przylutowane do wkładki radiatorowej. Sama struktura mieści się w okrągłej obudowie nakrytej przezroczystą kopułką. W zależności od potrzeb może świecić wybranym kolorem, dwoma odcieniami bieli albo posiadać trzy struktury typowych barw w standardzie RGB. I tutaj rzecz, która przeczy wspomnianej „jednowatowości”. To, co widzimy tutaj, określane jest jako dioda trzywatowa. A bierze się to z faktu, iż mamy tutaj trzy jednowatowe struktury RGB. Będą tego pewne konsekwencje, o których zaraz sobie powiemy. W każdej sytuacji trzeba dokładnie sprawdzić katalog i zorientować się co do ilości struktur, mocy i pozostałych parametrów.

Diodę właściwą można kupić solo, ale odradzam. Prawidłowe przylutowanie do wkładki radiatorowej jest trudne, a to dlatego, że jest ona wykonana z aluminium, na którym naniesiono izolowane ścieżki z miedzi. Aluminium ma za zadanie jak najlepsze przeniesienie ciepła i o ile jest to korzystne podczas świecenia, wyjątkowo przeszkadza podczas lutowania, grożąc przede wszystkim przegrzaniem struktury. Niech to zrobią w fabryce, gdzie źródło światła zostanie idealnie wycentrowane i nie zostanie przekoszone.

Traktujmy taką blaszkę z diodą jako moduł podstawowy. Czeka nas teraz doprowadzenie przewodów, które musimy – tak, przylutować, ale z tym będzie już znacznie łatwiej, bo operować trzeba będzie na niewielkich padach na obrzeżu wkładki. Gdybyśmy mieli jedną strukturę, należałoby podłączyć dwa przewody: do anody i katody. Tutaj mamy trzy barwy, a każda ma swoją parę wyjść. To miło, bo wspólnym możemy uczynić zarówno katody jak i anody. Z pewnych względów połączmy razem anody i w ten sposób otrzymamy wiązkę czterech przewodów, dla ułatwienia w barwach związanych z kolorem świecenia. Taki moduł można już podłączyć do źródła prądu i cieszyć się światełkiem. Z tym, że nie do końca. Moduł przegrzejemy szybko, a źródło prądu musi być nim dosłownie, inaczej dioda nam wybuchnie radośnie, konsumując ampery.

Zawodowo coś takiego należy podłączyć do specjalnego zasilacza dla ledów, czyli takiego, który ograniczy prąd do 350 mA w każdym kanale, dostarczając kilka woltów napięcia. A ponieważ mamy tutaj diodę RGB, wypadałoby aby każdy z kanałów mógł się kluczować z wystarczającą szybkością, żeby dać efekt ściemniania, co umożliwi otrzymanie dowolnej barwy o dowolnej jasności. Wbrew pozorom zbudowanie takiego zasilacza nie jest proste, a kupienie złożonego w przypadku jednej czy dwóch diod będzie nieopłacalne. Postąpimy inaczej, niezgodnie z nowoczesną sztuką, ale w sposób dopuszczalny. Na czym polega owa niezgodność? Nie będziemy eko. Diody są ekologiczne, choć ja wolę mówić: ekonomiczne, pod warunkiem odpowiedniego zasilania, które nie będzie emitować strat. Stąd to profesjonalne zasilanie źródłem prądowym elektronicznym. Ponieważ jednak znajdujemy się na portalu arduinowym, trzeba do sterowania taką diodą wykorzystać tenże komputerek.

Stare powiedzenie elektroników mówi, że jak coś działa, nie emituje huku i dymu, i będzie działać za rok, to znaczy że tak może być. Zasilimy naszą diodę klasycznie, przez rezystor, a raczej przez trzy rezystory. Dioda mocy i rezystor? Bardzo to nieprofesjonalne. Dopóki jednak nie poznamy parametrów obwodu.

Po pierwsze: użyjemy tego samego napięcia, którym zasilimy Arduino, czyli 5 woltów. Ale już nie z pokładowego zasilacza, znajdującego się na płytce. Potrzebny będzie nam nieco ponad amper. Napięcie takie najłatwiej uzyskać ze stabilizowanego zasilacza impulsowego, który można kupić za grosze, a jeszcze częściej ma się go po jakimś świętej pamięci przydasiu. Gdy będzie to forma ładowarki USB, należy sprawdzić, czy może ona podać amper prądu i ewentualnie poprosić ją o to, zwierając linie danych ze sobą – ale to już zależy od konkretnego modelu. Można także zbudować klasyczny zasilacz szeregowy z układem 7805, lecz to już zdecydowanie eko nie będzie. Będzie za to żyć sto lat. Generalnie jednak nie tędy droga.

Mając już zasilacz, absolutnie go nie podłączajmy do diody. Zbudujmy sobie taki obwód: układ ULN2003, który jest zespołem siedmiu wzmacniaczy tranzystorowych (w zasadzie kluczy) łączymy z katodami, wykorzystując trzy struktury układu. Stąd wcześniejsza uwaga o połączeniu razem anod, ULN2003 „zwiera do masy” wyjścia, więc to co ma świecić, musi być trwale połączone z biegunem dodatnim. O tym układzie pisałem już kiedyś.

Ale nie można sobie tak podłączyć diod wprost. Musimy użyć rezystorów. Jakich? Tu się zacznie problem, który szybciej rozwiążemy empirycznie. Na razie nie będziemy tej płytki podłączać do Arduino, tylko wejścia wzmacniaczy połączymy z biegunem dodatnim. Otworzy nam to obwód w warunkach rzeczywistych. Teoretycznie z prawa Ohma czerwona struktura potrzebuje 7,5 Ω, a pozostałe – niecałych pięciu. Ale zapomnieliśmy o spadku napięcia w strukturze układu, które wynosi mniej więcej 1,3 wolta. I tutaj praktyka wygrywa z teorią. Jeśli zsumujemy spadki napięć na diodzie, układzie i jeszcze przewodach doprowadzających, tak naprawdę dostaniemy jakieś dziwne wartości, które wcale nie dadzą oczekiwanych wyników. Metoda jest inna.

Będzie nam potrzebny zasilacz z miernikiem prądu pobieranego albo amperomierz wpięty przed całym układem i zasilacz, który będzie mieć nieco wyższe napięcie – bo jego część osiądzie na samym amperomierzu i zaburzy pomiary. Teraz kolejno podpinamy wejścia poszczególnych barw i dobieramy rezystory tak, by otrzymać 350 mA płynącego do obwodu prądu. Życie pokazało, że wynik ten uda się uzyskać, gdy rezystory dla struktur niebieskiej i zielonej będą mieć 1 Ω, a dla czerwonej – 4,7 Ω

Trzeba jednak mieć na uwadze, że sama płytka stykowa także ma jakiś opór, więc w warunkach docelowych wartości te mogą ulec zmianie. Trzeba też pamiętać o tym, że jeśli otrzymamy 320 zamiast 350 mA, tragedii nie będzie, bo kompensację barwy wykonamy sobie już programowo. Podsumowując część sterującą: operowania na tak małych wartościach nie jest zbyt eleganckie. Jakakolwiek rezystancja zrobi nam tu ciepło, ale powiedzmy sobie szczerze: całość zjada pięć watów, z czego trzy osadzają się na diodzie. Troszkę koło wata na układzie scalonym, a tyle co nic na rezystorach. Nieelegancko, lecz skutecznie więc czas na program… a, jednak nie. Ale o tym – w kolejnym artykule.