O diodach LED słów kilka...

Filtry, oświetlenie, grzałki i inne sprzęty akwarystyczne

Moderatorzy: krzych_100, BARA, grzesi3k, wojtass9, michelle1992, chemik4

ODPOWIEDZ
Awatar użytkownika
krzych_100
Moderator
Moderator
Posty: 3937
Rejestracja: 11 lut 2014 12:16
Lokalizacja: Bytom

O diodach LED słów kilka...

Post autor: krzych_100 »

O diodach LED słów kilka...
Ponieważ diody LED stają się ostatnio modne w akwarystyce, kilka słów o
nich oraz o technicznej realizacji oświetlenia. Oczywiście w ogólnym skrócie, nie wdając się w naukowe rozważania...

Dioda LED to element półprzewodnikowy, w którym wykorzystuje się zjawisko przepływu prądu przez złącze półprzewodnikowe p-n, zwane elektroluminescencją. Czyli w skrócie, przepływający przez złącze p-n elektron (prąd), z wyższego poziomu energetycznego na niższy, oddaje część energii w postaci światła.
Zjawisko to jest trochę inne, niż te wykorzystywane w świetlówkach (fluorescencja). W świetlówkach "świecenie" wywołuje płynący w gazie prąd, bombardując powierzchnię wewnętrzną rury szklanej pokrytej luminoforem. Także w świetlówce widmo światła zależy m.in. od składu chemicznego luminoforu, natomiast w diodzie "świecenie" zależy m.in. od natężenia prądu płynącego przez złącze oraz użytych do budowy złącza pierwiastków (np. arsenu, galu) oraz składu chemicznego soczewki diody.

O strumieniu świetlnym słów kilka...
Strumień świetlny, podawany jako jeden z parametrów źródeł światła, to całkowita moc światła emitowanego przez dane źródło światła, wywołujące określone wrażenie wzrokowe. Najprościej mówiąc światło o dwukrotnie większym strumieniu rejestrowane jest przez oko ludzkie jako dwukrotnie jaśniejsze. Tyle mówi nam encyklopedia, chcąc analizować to dokładniej musielibyśmy to zmierzyć, uwzględnić prawo Webera-Fechnera (o reakcjach zmysłów ludzkich na bodźce) i policzyć, tylko co nam powiedzą wartości liczbowe?
Można przyjąć, że dla przeciętnego "zjadacza chleba" jest to miara subiektywna, ponieważ to, że żarówka świeci słabiej nie oznacza, że nie emituje promieniowania świetlnego - my go po prostu nie musimy widzieć. Część literatury akwarystycznej podaje natężenie światła potrzebnego do rozwoju roślin w luksach, ale to trzeba zmierzyć w danych warunkach.

O widmie emisyjnym...
Wielokrotnie w literaturze akwarystycznej, która porusza temat oświetlenie akwarium, używa się pojęcia "widmo". Nie tyle liczy się natężenie światła, ile jego widmo (jakość). Najprościej można wytłumaczyć to tak, że nierozczepione światło białe składa się z poszczególnych barw. Każda z tych barw posiada swoje natężenie, co poniekąd przekłada się na "odcień" nierozczepionego światła barwy białej. Każda z barwy białej (ciepła, neutralna, zimna), posiada inne proporcje barw składowych, widma świetlówki i diody różnią się między sobą.
Obrazek
(pobrano z: https://www.wykop.pl/link/2808677/zrob- ... opach-eng/)

Widać na powyższym rysunku, że widma emitowanego światła różnią się. Źródła światła, w których następuje reakcja termiczna emitują światło o widmie ciągłym i wskaźnik oddawania barw przyjmuje się 100 (daylight - światło naturalne/słoneczne, halogen, incandescent - żarówka żarowa). Pozostałe źródła światła to oświetlenie "sztuczne", gdzie źródłem emitowanego światła nie jest reakcja termiczna (elektroluminescencja, fluorescencja). W takich źródłach światła, poprzez różne inne procesy, dąży się do wartości wskaźnika oddawania barw 100.
Widmo samego światła słonecznego zmienia się w zależności od pory dnia i roku, co ma wpływ na zachowanie się i rozwój roślin (J. Pilarski, K. Tokarz, M. Kocurek, Adaptacja roślin do składu spektralnego i intensywności promieniowania).

Jeśli wykorzystujemy diody LED do oświetlenia akwarium, warto zwracać uwagę na widmo emitowanego światła porównując je z widmem słońca, aby dostarczyć odpowiedniej jakości światła.

O fotosyntezie...
O fotosyntezie wiemy wszystko, ale...
Większość wiedzy na temat fotosyntezy w odniesieniu do światła brzmi tak: fotosynteza to proces biochemiczny wytwarzania związków organicznych z materii nieorganicznej, zachodzących w komórkach zawierających chlorofil (...), przy udziale światła.
www.wikipedia.pl

Proces wyznaczania maksimum absorpcji chlorofili opiera się na prześwietlaniu przefiltrowanego roztworu chlorofilu wiązką światła o odpowiedniej długości fali. Następnie bada się absorpcję światła po przejściu przez próbkę i porównuje się obie wartości. Ustalono, że najbardziej pochłaniane są barwy o długości fali 430 i 662 nm dla chlorofilu a oraz 453 i 642 nm dla chlorofilu b. Tyle tylko, że w naturze nie ma przefiltrowanych roztworów chlorofili, a światło pada na rośliny nierozczepione (przypadek rozczepienia światła w naturze to tęcza).
Cytat: "(...) fotosynteza następuje w wyniku transmisji prawie całego spektrum światła białego słonecznego i takie promieniowanie jest najkorzystniejsze! (...)Światło słoneczne oświetla rośliny jako całe –nie rozszczepione!"
Źródło: J. Łyszkiewicz, http://www.realcolortheory.pl/kolortrawy-colorgrass.pdf

Z innych źródeł dowiadujemy się (D. Walstad "Rośliny w akwarium. Ekologia roślin wodnych dla akwarystów"), że część widma światła białego (barwa czerwona) ulega w wodzie rozproszeniu, a część pochłonięciu przez materią organiczną (barwa niebieska).
Cytat, str. 169: "(...) Światło w wodzie jest czymś innym niż światło na lądzie, gdzie dominują fale niebieskie i czerwone. Promieniowanie pod wodą ma szczególne właściwości. Dzieje się tak, ponieważ sama woda (H2O) pochłania światło czerwone, a DOC niebieskie. Roślinom pozostaje do fotosyntezy głównie zielonożółte. (...)"
Ciekawa rzecz to widmo słońca, które zawiera dużo więcej barw niebiesko-zielonej, zielonej i zielono-żółtej.

Więc jaka barwa światła jest wykorzystywana w procesie fotosyntezy roślin wodnych?

Na to pytanie nie znam odpowiedzi, ale temat jest ciekawy i warty poeksperymentowania właśnie na diodach, ponieważ można zastosować diody świecące światłem o określonej długości fali.
Warto także zauważyć, że wspomniana już książka D. Walstad opisuje dużo dokładniej procesy chemiczne zachodzące w akwarium, natomiast kwestię fotosyntezy i samego oświetlenia już mniej.

To tyle teorii...
W praktyce mamy do czynienia z kilkoma typami diod pod względem konstrukcyjnym:
- diody mocowane powierzchniowo do płytki (SMD),
- diody przewlekane przez płytkę (THT),
- diody COB (Chip On Board),
- diody power LED.

SMD
Cyfry przy symbolu SMD oznaczają wymiary diody. Np. dioda SMD 3528 to dioda o wymiarach 3,5mm x 2,8mm, a dioda o symbolu SMD 5050 to dioda o wymiarach 5 mm x 5mm. Diody SMD najczęściej łączone w są zespoły z opornikiem (np. po trzy diody) i umieszczane są na taśmach.
Im Więcej takich zespołów, tym dłuższa taśma i większa moc pobierana, która nie przekłada się na strumień świetlny z powodu stosowanego w obwodzie opornika. I tutaj jest jeszcze jedna rzecz, na którą warto zwrócić uwagę, otóż czasem te same diody mają w obwodzie oporniki o różnej wartości, więc pobierana moc będzie różna i różny będzie strumień emitowanego światła. Jest to kompromis, pomiędzy pobieraną mocą a wydzielanym ciepłem.
Wiąże się to też z odpowiednim zasilaniem układu zasilaczem stałonapięciowym, dającym na wyjściu stałe napięcie i różny prąd, zależny od ilości zespołów diod, co przekłada się na długość taśmy.
Wydajność jednostkowa takiej diody wynosi przykładowo:
- dioda SMD 3014 emituje strumień świetlny <25lm przy pobieranej mocy 0,1W,
- dioda SMD 2835 emituje strumień świetlny <24lm przy pobieranej mocy 0,2W.
Powyższe dane to dane "katalogowe" diody, podawane przez producenta, ale odnoszą się do zasilania diody odpowiednimi wartościami napięcia i prądu (wspomniany wyżej opornik czasem ogranicza wartość prądu).

Wadą taśmy jest wrażliwość na warunki panujące w akwarium, więc dobrze jest taką taśmę zabezpieczyć głównie przed wilgocią. Stosuje się także taśmy powlekane żelem (silikonem), ale z czasem, na skutek panujących w akwarium warunków, silikon taki ulega zżółknięciu lub zmatowieniu.Dobrym rozwiązaniem jest umieszczenie taśm z diodami SMD w dedykowanych profilach z kloszem transparentnym.

COB
COB to zespół diod/chipów w jednej strukturze, zasilany dedykowanym zasilaczem o określonej mocy. Dioda COB jest mniej wrażliwa na zmiany parametrów (np. wahania zasilania), emituje więcej skupionego światła i cechuje ją większa niezawodność. Często stosowana w naświetlaczach co też jest pewnym rozwiązaniem oświetlenia akwarium (obudowa naświetlacza zapewnia stopień ochrony IP).

Power LED
Tej diodzie chciałbym poświęcić więcej uwagi, ponieważ jest tego warta.
Diody power LED są różne pod względem napięcia i prądu zasilania, natomiast z reguły takie same pod względem konstrukcyjnym. Najczęściej ich konstrukcja składa się z chipa przymocowanego (przylutowanego) do radiatora aluminiowego MCPCB, który posiada pola lutownicze do dołączenia zasilania. Całość mocuje się do profilu lub radiatora mechanicznie: przykręca się lub przykleja. Pomiędzy radiator diody a profil umieszcza się pastę termoprzewodzącą jeśli diodę do profilu przykręca się śrubkami lub całość przykleja się do profilu klejem temoprzewodzącym. Dioda podczas pracy nagrzewa się i zarówno pasta jak i klej zapewniają odpowiednie odprowadzeni ciepła na stykach radiator diody - profil. Do diod power LED są dedykowane profile o odpowiednich wymiarach oraz pozostałe akcesoria (zaślepki, klosze),
co ułatwia budowę oświetlenia.

Dioda power LED jest jednym z najwydajniejszych jednostkowych źródeł światła, emitujących strumień świetlny powyżej 100lm/W. Strumień świetlny jest jednak zależny od temperatury pracy diody, więc odprowadzenie ciepła z takiego elementu jest dosyć ważne (im wyższa temperatura pracy złącza diody, tym mniejsza sprawność). Oczywiście można stosować bardziej, lub mniej wymyślne systemy chłodzenia, ale zasilanie diody tak, aby pobierała 1W mocy jest najbardziej ekonomiczne.
Jak napisałem, sprawność diody maleje wraz ze wzrostem temperatury i zależność strumienia świetlnego od pobieranej mocy nie jest liniowa. Oznacza to, że o ile przy 1W dostarczanej mocy dioda wyemituje strumień świetlny o wartości 100lm, to przy dostarczeniu 5W mocy nie będzie emitowała pięciokrotnie większego strumienia (500lm) - wynika to z charakterystyki diody dostarczanej przez producenta.
Poza tym zasilenie diody 1W powoduje, że złącze diody nie nagrzewa się zbytnio oraz nie ma potrzeby budowania dodatkowych radiatorów odprowadzających ciepło, co przekłada się na mniejszą wagę i koszt całego układu.

Diody power LED najlepiej zasilać zasilaczem stałoprądowym - nie ma wówczas potrzeby jak przypadku taśm i diod SMD - stosowania w obwodzie z diodą oporników (one również będą się grzały).
Zasilacze stałoprądowe dostarczają stałego prądu wyjściowego w określonym zakresie napięcia wyjściowego. Zasilacz zamienia napięcie przemienne z sieci w ciąg impulsów prostokątnych, wygładzanych na wyjściu przez kondensator o dużej pojemności. Takie rozwiązanie zasilania to kompromis pomiędzy kosztami i rozmiarami - wyprodukowanie zasilacza z transformatorem to większe koszty i gabaryty. Należy pamiętać, że każda dioda może posiadać inne napięcie zasilania, zależne od koloru emitowanego światła i producenta - to najlepiej sprawdzić aby móc dobrać odpowiedni zasilacz.
Typowym napięciem zasilania diody emitującej światło o barwie białej jest wartość ok. 3V, prądu 300-350mA i chcąc zwiększyć moc zasilania diody, zwielokrotniamy prąd zasilania do wartości określonej przez producenta. Typowymi wartościami prądu odpowiadającymi wartościom mocy 1,2,3 i 5W, są wielokrotności 300-350mA (300, 350, 600, 700, 1050, 1500mA). Jeśli producent określa maksymalną moc zasilania diody, to określa również maksymalne wartości napięcia i prądu
zasilania (diody 3W nie możemy zasilić prądem 1500mA, ulegnie ona uszkodzeniu, ponieważ moc zasilania to iloczyn napięcia i prądu, więc 3[V]*1,5[A] daje nam 4,5W mocy).
Diody power LED można łączyć szeregowo i równolegle:
- przy połączeniu szeregowym prąd pozostaje bez zmian, zwiększa się napięcie zasilania,
- przy połączeniu równoległym napięcie pozostaje bez zmian, zwięszka się prąd zasilania.
Przy połączeniu mieszanym szeregowo-równoległym, należy policzyć sobie napięcia i prądy zgodnie z prawem Kirchhoffa (sumy napięć i prądów).

O sterowaniu diodami power LED...
Dioda LED jest elementem półprzewodnikowym sterowanym prądem. Dioda LED posiada jeszcze jedną właściwość w przeciwieństwie do żarówki, czy świetlówki: może być wyłączana i włączana w krótkich odstępach czasu, co przy pewnej częstotliwości takich cykli włącz-wyłącz, oko ludzkie rejestruje to jako ciągłe świecenie. Tą właściwość wykorzystuje się przy sterowaniu i zasilaniu diodami. Należy rozgraniczyć dwa pojęcia: sterownik i zasilacz, pomimo, że wykorzystują podobną zasadę. Sterownik steruje diodą impulsami prostokątnym o różnym czasie trwania tych impulsów (sterowanie PWM Pulse Widh Modulation). Najczęściej sterownik jest zasilany dodatkowym zasilaczem. W rzeczywistości wygląda to tak, że częstotliwość takich impulsów jest stała i tak dobrana, że oko rejestruje to jako ciągłe świecenie, natomiast czas trwania impulsów jest regulowany. Im dłuższy czas trwania impulsów, tym dioda dłużej świeci co jest rejestrowane przez nasze oko jako jaśniejsze świecenie.

Przykład układu do sterowania diodami power LED, opartym o popularny układ stabilizatora LM317T (nie jest to sterowanie PWM). Potencjometr P1 służy do regulacji jasności świecenia diod LED, rezystor o wartości 3R3 wyznacza maksymalny prąd wyjściowy, jego wartość 3.3 ohma ustala górną granicę prądu na poziomie ok. 380mA. Rezystor R2 (szeregowo wpięty z potencjometrem), wyznacza dolną granicę "jasności świecenia", co spowoduje, że przy skrajnej pozycji potencjometru diody nie zgasną całkowicie.
Obrazek

Podany powyżej przykład oparty o stabilizator LM317T jest takim "układem wykonawczym", który należy zasilić zasilaczem. W zależności od ilość diod power LED, należy cały układ zasilić zasilaczem o napięciu wyjściowym:
2 diody power LED -> zasilacz 12V,
3 diody power LED -> zasilacz 15V,
4 diody power LED -> zasilacz 19V.
Jak widać z napięć zasilających, do zasilania całości nadają się zasilacze z laptopów, które mają dodatkową zaletę: przy małych i zgrabnych gabarytach, są w stanie zasilić kilka - kilkanaście takich "zespołów wykonawczych" zbudowanych na LM317T (stosunkowa duża wydajność prądowa takich zasilaczy).

Drugi schemat przedstawia rozbudowany "układ wykonawczy" o dodatkową część opartą na tranzystorze MOSFET, która steruje "świtem" i "zmierzchem".
Obrazek
Za czas opóźnienia włączenia diod LED odpowiadają elementy R i C w obwodzie bramki tranzystora, ich wartości można zmieniać, co spowoduje szybsze zapalanie się i gaśnięcie diod. Wyłącznik S1 służy do "zmierzchu" i "świtu" - jego rozwarcie spowoduje łagodne wygaszenie diod, a ponowne zwarcie łagodne rozświetlenie diod. Jeśli nie chcemy używać włącznika, wówczas podanie napięcia zasilania do układu spowoduje powolne rozjaśnianie diod, a wyłączenie napięcia zasilania zgasi diody natychmiast.
Zastosowanie rozwiązania z wyłącznikiem podyktowane zostało pewnymi technicznymi problemami - aby układ analogowy mógł samodzielnie realizować "zmierzch" i "świt", należy zastosować w układzie elementy gromadzące energię, co przy prądach zasilania diod, rzędu 300[mA] nie jest takie proste. W grę wchodzą praktycznie superkondensatory, ale należy je bocznikować ze względu na prądy upływu ich pojemności. Drugi problem to dobór napięć - superkondensatory dostępne na rynku mają napięcie pracy 5,5V, należy zastosować ich kilka łącząc np. szeregowo, zbocznikować każdy rezystorem i uwzględnić prądy ładowania (warunkiem początkowym kondensatora dla prądu stałego jest zwarcie, więc początkowy prąd ładowania byłby bardzo duży). Prościej jest wykonać układ, który będzie się ładował i rozładowywał małym prądem, a sterowane będzie to zewnętrznym układem (przyciskiem/ wyłącznikiem, przekaźnikiem z innego układu sterującego).
Wyłącznik pełni tutaj funkcję sterowania "świtem" i "zmierzchem", można w jego miejsce zastosować przekaźnik i sterować nim np. z mokrokontrolera ATmega, Arduino lub innego układu czasowego.

Dobór diod i granica "0,5W/l"...
Uważam, że przyjmowanie "przelicznika 0,5W/l" przy zastosowaniu diod nie sprawdza się z dwóch co najmniej powodów.
Pierwszy powód to emitowany strumień świetlny na jednostkę mocy - dobre świetlówki emitują 80-90 lm na 1W dostarczonej mocy, dobre diody power LED powyżej 100lm na 1W.
Powód drugi to kąt emitowania światła, tzw. kąt świecenia. Świetlówka świeci dookólnie (360*) i nawet po zastosowaniu odbłyśników nie mamy wiedzy, ile światła uległo rozproszeniu, absorpcji i odbiciu, a ile trafia w toń wody. W przypadku diody mamy do czynienia ze skupionym strumieniem światła (najczęściej jest to 120*) i mamy prawie pewność, że całe emitowane światło trafia w toń. Nasuwa się więc wniosek, że świetlówka musi świecić z czterokrotnie większą mocą, aby nadrobić braki w emitowaniu światła w sensie kąta oraz natężenia.
Powód trzeci to widmo diody.

Wnioski...
W oparciu o diody LED można budować bardziej, lub mniej zaawansowane oświetlenie akwarium.
Nie należy jednak kierować się zasadą przeliczana watów na litry, ponieważ przelicznik taki może zdawać egzamin przy oświetleniu świetlówkami, natomiast diodami już niekoniecznie. Jeżeli już bardzo chcemy posiłkować się jakimś przelicznikiem, to uważam, że bardziej adekwatnym przelicznikiem jest wat/litr/strumień świetlny świetlówki, gdzie wartość strumienia świetlnego świetlówki jest wartością wyjściową.
Najlepiej jest przyjąć sobie 1W / 10 litrów i używać diod 5W, aby móc w razie potrzeby zwiększać lub zmniejszać zasilanie. Niestety, ale prawie wszystkie zasilacze (nie sterowniki), nie są regulowane więc w takim wypadku należy instalować inne zasilacze. Dobór takiego oświetlenia powinien być jednak dokonywany indywidualnie.
Pozdrawiam
Krzysztof
------------------------------
Nigdy nie dyskutuj z idiotą, najpierw sprowadzi cię do swojego poziomu, a potem pokona doświadczeniem :)
Prowadź dyskusję na Forum, nie na PW.
lukasz133
Posty: 54
Rejestracja: 25 lut 2018 12:14

Post autor: lukasz133 »

Dzięki za info
Awatar użytkownika
mark_farina
Akwarysta
Posty: 2008
Rejestracja: 08 wrz 2016 12:36
Lokalizacja: Wrocław

Post autor: mark_farina »

Krzysztofie, byłem w Namysłowie podzielam twoje zdanie aczkolwiek co do barwy będę polemizował.
RadoslawKamil
Posty: 8
Rejestracja: 20 maja 2020 15:43
Lokalizacja: Olsztyn

Re: O diodach LED słów kilka...

Post autor: RadoslawKamil »

Kupiłem nie dawno ledy ale nic drogiego tj. raczej paski led 5050 wewnątrz plastikowej obudowy. Ich moc wynosiła max 24W jedna miała diody czerwone i niebieskie a druga białe. Generalnie emitowały światło tak słabe ze może służyć max jako nocne. Aquael ma całkiem mocne ledy ale ceny wciąż 2x większe niż tradycyjne świetlówki a światło niby niebiesko czerwone to raczej 1/2 tego co tradycyjna świetlówka. Jako bajer. światło dodatkowe lub nocne ledy jak najbardziej ale jako oświetlenie główne raczej tylko do akwariów z niewymagającymi roślinami lub bez roślin. Taka jest moja opinia. Często są stosowane w sklepach bo mają niski pobór mocy i nie trzeba ich wymieniać co roku.
Awatar użytkownika
chemik4
Moderator
Moderator
Posty: 8009
Rejestracja: 04 maja 2006 14:57
Lokalizacja: Tworóg / Jemielnica

Re: O diodach LED słów kilka...

Post autor: chemik4 »

Ale tu mowa o PowerLED a nie o paskach ledowych...

Jesienią 2019 kupiłem takie lampy do warsztatu i jedna sztuka daje zdecydowanie więcej światła niż 2 nowe świetlówki T5 28W każda.

Miałem też "halogen LED" o mocy 10W (900lm) w akwarium 30l i było aż za dużo światła. Tak więc LED LEDowi nie równy.
Pozdrawiam,
Kamil

Dziwne... U mnie działa :mrgreen:
wężowakolumna
Posty: 204
Rejestracja: 12 kwie 2019 15:45
Lokalizacja: jarosław

Re: O diodach LED słów kilka...

Post autor: wężowakolumna »

Paski led 5050 służą do podświetlenia schodów czy blatu w kuchni, a do akwarystki mogą być wykorzystane jedynie jako oświetlenie nocne, rośliny na tym rosły nie będą. Natomiast paski led w formie sztywnych listew na diodach np. 5730 czy 8520 są całkiem przyzwoite i spokojnie można na nich prowadzić zbiorniki roślinne.
ODPOWIEDZ