[066] To i owo o LED-ach dużej mocy – cz. 1

Dopóki poruszaliśmy się wśród klasycznych diod świecących, było łatwo. Co prawda w ostatnim artykule zahaczyliśmy już o nieco większe moce, ale można w uproszczeniu powiedzieć, że to co widzieliśmy, było przeskalowaną miniaturową diodą, którą można zasilać wykorzystując jako ogranicznik prądu rezystor. Takie sposoby są praktykowane w dwóch przypadkach: powszechnie wówczas, gdy prąd diody nie przekracza mniej więcej 50 mA i warunkowo, jak w przykładzie z poprzedniego artykułu, gdy co prawda prąd przekracza już 300 mA, ale napięcie pracy jest nieduże i dostępne – jako stabilizowane – gratis, bo i tak musi zasilać część sterującą. Pierwszy przypadek jest bardzo rozpowszechniony w postaci listw led, zasilanych z napięcia stabilizowanego 12 lub 24 wolty.

Diody łączy się tam trójkami lub szóstkami, a rezystor dla takiej grupy ogranicza prąd do 20 czy 50 mA, w zależności od typu elementu świecącego. Nie jest to co prawda tak oszczędne jak byłoby, gdyby użyto źródła prądowego, ale w praktyce straty są niewielkie, a zalet jest mnóstwo. Poza może jedną: by tym sterować, potrzeba dodatkowej elektroniki.

Idźmy jednak dalej. Kilkanaście lat temu moce diod świecących ruszyły ostro i obecnie, przy kilkudziesięciu watach, a nawet wartościach wyższych, stanowią bardzo silne źródło światła i zarazem oszczędne. Plasterek tej wielkości odpowiada klasycznej żarówce setce, a pożera nieco ponad 12 watów. Do tego ma doskonale oddaną biel, więc nic, tylko stosować we własnych rozwiązaniach. Tylko, że… No właśnie, dotąd było miło, teraz będą schody. Jak się można domyślać, większe moce to większe kłopoty. To znaczy zaświecić taką diodę to nie wyzwanie, to stanowi natomiast takie świecenie, które zarazem da z diody wszystko, co zaoferował producent i owo wszystko będzie trwać kilkadziesiąt tysięcy godzin. Innymi słowy, największym problemem jest to, by diody nie usmażyć.

Dioda diodzie nierówna. Przy mocach przekraczających kilka watów rozwiązań jest wiele. Porzućmy te wszystkie, które za kloszem zawierają mnóstwo małych ledów – bo to już znamy choćby z klasycznych żarówek ledowych. Skupmy się dziś na tworach stanowiących całość i przyjmujących formę zwykle żółtego plastra o średnicy proporcjonalnej do mocy – od niecałego centymetra, do pięciu i więcej.

Gdy spojrzymy na ów plaster dokładniej, możemy zauważyć wewnątrz strukturę jakichś elementów, a czasem nawet drutów, które owe elementy łączą. Konstrukcje te bowiem nie stanowią monolitu, lecz są rozdzielone i łączone szeregowo. Po co? By stworzyć szeregowy łańcuch o prądzie odpowiednio niższym, wymagający jednak wyższego napięcia. W tym przypadku elementów mamy najprawdopodobniej dwanaście, co daje 36 woltów i zasilacz powinien oferować napięcie co najmniej takie właśnie. Inaczej, bez względu na wydajność prądową, dioda nie zaświeci.

Ale dzięki temu trickowi prąd zmalał do 350 mA, oferując ponad 12 watów mocy. Gdyby producent nie podzielił struktury na takie grupy, trzeba by wpuścić w diodę ponad 4 ampery. Wymagałoby to grubszych i krótszych kabli, sama struktura cierpiałaby mocno na nierówny rozpływ prądów, a całość – ze względu na straty na okablowaniu, dławikach i w ogóle wszędzie, gdzie istnieje opór, byłaby nieoszczędna.

Tak więc zapamiętajmy rzecz pierwszą: diody mocy stanowią tak naprawdę grupę szeregowo połączonych struktur, ale w obrębie jednej całości, niepodzielnej. Od producenta zależy organizacja tego podziału. Zdarzają się takie, którym wystarczy 12 woltów, ale i te, którym trzeba 60 i więcej. I to jest pierwszy parametr, o którym trzeba wiedzieć przy dobieraniu zasilacza: minimalne napięcie gwarantujące świecenie z pełną dopuszczalną mocą.

Czas zastanowić się nad prądem. 350 mA to nie jakieś cuda wielkie, więc teoretycznie dałoby się zaprojektować zasilacz o napięciu np. 38 woltów i dobrać rezystor tak, by popłynął taki właśnie prąd. Ale nikt tak nie robi. Zasilacz stabilizowany o takim napięciu to już nie rzecz, którą ma się w szufladzie albo w USB. Arduino także mdleje na myśl o takich wartościach, więc o ile można by, nie ma sensu, bo skoro i tak trzeba zastosować dziwny zasilacz, lepiej od razu użyć takiego, który nie będzie stabilizował napięcia, ale prąd.

Czym jest zasilacz prądowy? W uproszczeniu urządzeniem, które oferuje konkretny prąd maksymalny, nie przejmując się nawet zwarciem. Oczywiście nie ma prądu bez napięcia, zatem taki nieobciążony zasilacz ma na wyjściu jakieś ustalone napięcie. Ten na przykład – 54 wolty. Gdy podłączmy doń odbiornik prądu, napięcie to jako tako utrzyma się do czasu, aż prąd zacznie przekraczać 350 mA. Gdy obciążenie będzie rosło, prąd już dalej nie wzrośnie, lecz zacznie maleć napięcie. I tak do zera prawie, przy zwarciu praktycznie napięcie będzie żadne, ale wciąż prąd będzie płynął o takiej właśnie wartości. W praktyce większość zasilaczy obrazi się na takie traktowanie i po prostu odetnie napięcie, ale w przypadku idealnego źródła prądowego będzie tak jak napisałem.

Podsumujmy, bo to ważne i często mamy tutaj nieporozumienia. Klasyczny zasilacz stabilizowany oferuje stałe napięcie w zakresie obciążeń określonych przez producenta. Jak przesadzimy, to go spalimy albo zasilacz aktywuje zabezpieczenia i wyłączy się. Do takiego zasilacza nie wolno podłączać ledów bez opornika. Zasilacz prądowy natomiast oferuje jakiś maksymalny prąd bez względu na rodzaj obciążenia. To znaczy jeśli obciążenie będzie nieduże, to owego limitu nie wykorzystamy. Jednak dioda świecąca bez opornika stanowi obciążenie wręcz nieskończone i taki zasilacz dostarczy prądu tyle, na ile został zbudowany, ani miliampera więcej. Napięcie z takiego zasilacza musi mieć wartość większą od napięcia przewodzenia diody czy raczej struktury połączonych szeregowo diod. O ile większą? Rozsądnie, ale czy to będą trzy wolty więcej czy sześć – to jest bez znaczenia. Największą zaletą zasilacza prądowego jest to, że nie trzeba żadnego rezystora, więc ten nie będzie się grzał. Grzać się będzie oczywiście nadal dioda. Jak to wszystko teraz ze sobą ożenić?

Zacznijmy od wyboru diody. Koniecznie trzeba odwiedzić katalog. Wybraliśmy diodę o prądzie 350 mA i napięciu przewodzenia 36,4 V. No to teraz trzeba dobrać dla niej zasilacz. Ten ze zdjęcia wyżej będzie dobry, ponieważ oferuje taki właśnie prąd i napięcie do 54 woltów. Prądy muszą się zgadzać. Prąd z zasilacza może być mniejszy, ale nie może być większy. Napięcie musi być większe od napięcia przewodzenia diody i jak widać, ten warunek jest spełniony z dużym zapasem.

Niestety to nie koniec pracy. Można oczywiście połączyć przewodami zasilacz z diodą, ale długo by to nie świeciło. Diody mocy trzeba bezwzględnie osadzać na radiatorze, czyli aluminiowym bądź miedzianym bloczku z żeberkami, który może odebrać diodzie ciepło i wypromieniować go niczym mały kaloryfer.

W praktyce należy poszukać jeszcze jakiegoś kształtownika światła, bo goła dioda świeci mało przyjaźnie i takie ustroje często są zintegrowane z radiatorem. Ale to już jakby nie należy do zagadnień związanych z elektroniką, więc pominę ten temat.

Do celów testowych użyłem takiego radiatorka z czasów komputerów Pentium. Trzeba koniecznie zorganizować jakiś sposób mocowania świecącej struktury, która znajduje się na aluminiowej blaszce. Można ją przykleić klejem termoprzewodzącym, jednak ja osobiście przy takich mocach raczej popieram śrubki.

Toteż pomierzyłem wymiary i wywierciłem parę otworów na śruby M3. Teraz możemy już dokręcić blaszkę z diodą, ale nie tak po prostu.

Po pierwsze, należy użyć podkładek. Po drugie – miejsce styku trzeba koniecznie posmarować pastą termiczną.

Spójrzmy: nieposmarowana wersja kiepsko odprowadza ciepło, struktura nagrzewa się mocno. Co prawda specyfikacja dopuszcza temperatury przekraczające 100 stopni, ale starajmy się chłodzić strukturę jak najsprawniej – przedłuży to życie diodzie. Pasta klasyczna wyrówna rozkład ciepła, ale dopiero pasta wysokiej klasy, zawierająca srebro, zrobi to dobrze.

To nie będzie kosztować wiele, ponieważ warstwa i tak ma być jak najcieńsza. Z tego powodu po wywierceniu otworów całość przeszlifowałem drobnym papierem ściernym. Jakiekolwiek zadziory ograniczyłyby przepływ ciepła.

Kamera termowizyjna ujawniła zalety stosowania pasty. Teraz już całość ma podobną temperaturę, więc struktura diody jest prawidłowo połączona termicznie z radiatorem. Problem w tym, że i to może być za mało. Radiatora wszak nie można powiększać w nieskończoność, bo często po prostu nie ma na to miejsca. Czasem też nie ma warunków do chłodzenia za pomocą samej tylko konwekcji. Jak sobie z tym radzić? O tym w kolejnym artykule.