Päris pikk aeg on mööda läinud viimasest postitusest. Et uuesti ree peale saada teen ühe lihtsama ja praktilisema postituse. Räägin kuidas valgusdioodidest lampi ehitada.

Valgusdiood

Valgusdiood ehk LED(Light Emitting Diode) sai tutvustatud PWM-generaatori postituses. See väga populaarne valgusallikas on kõrge töökindluse ja suure efektiivsuse tõttu leidnud järjest enam kasutust kõikvõimalikes valgustuslahendustes. Ning seda hoolimata vajadusest võrgupinget alaldada.

Lambi puhul huvitavad meid parameetrid päripingelang, nominaalvool ja valgusnurk. Tegelikult võiks huvitada ka valgustugevus, aga mind praegu ei huvita. Ma ei taha siin postituses pead vaevata optika mõõtühikute lux-id ja candeladega. Seega ignoreerime momendil ühte lambi puhul justkui kõige olulisemat – kui palju valgust see annab. Aga ära heida meelt. Elektroonika mida ma siin näitan töötab igasuguste LED-idega. Samuti on nominaalvool valgustugevusega üsna tihedalt seotud.

Ning siis veel värv. Minul on vaja sinist, täpsemalt midagi mille lainepikkus oleks võimalikult lähedal 480 nm-le.

Et asi puust ja punaseks teha võtame praktilise näite. Ma ehitan lambi dioodidest OSUB5131A-PQ. Link Oomipoodi ja andmelehele. Kaks minu jaoks olulist parameetrit on päripingelang ja nominaalvool. Leian need allolevast, andmelehest kopeeritud tabelist.

Päripingelang inglise keeles on DC Forward Voltage ja selle väärtuseks on tüüpiliselt 3,1V. Pane tähele tulpa Condition. See tähendab eesti keeles tingimus. Päripinge on tüüpiliselt 3,1V kui pärivool on 20mA. Paned kindlasti tähele, et päripingelang on antud üsna suures vahemikus.

Rohkem kui üks LED

Oletame, et tahame valgustugevuse kasvatamiseks kasutada mitut dioodi. PWM-generaatori postituses näitasin kuidas dioodid järjestiku ühendada. Järjestiku ühendamisel dioodide päripingelangud liidetakse. PWM-generaatori postituses näitasin kuidas sedasi LED-id otse 9V patarei külge ühendada. Sedasi saame 9V pingeallika puhul kasvatada LED-ide arvu kolmeni. Vastasel juhul läheks jadamisi ühendatud LED-ide päripingepang sedavõrd suureks, et valguse saamiseks piisavat voolu ei teki. Loomulikult võib pinget kasvatada. 12 V lubaks nelja dioodi ja 24 V kaheksat.

Õige pea tuleb hakata dioode aga paralleelselt ühendama. Siin komistame probleemi otsa. Juhtisin eelmises peatükis tähelepanu asjaolule, et dioodi päripingelang võib küllalt suures vahemikus varieeruda. Teiste sõnadega: kahel ühe tootekoodiga dioodil võib sama voolu ja temperatuuri juures olla küllalt erinev päripingelang. See tähendab ka seda, et ühel ja samal pingel juhivad erinevad dioodid erineva koguse voolu. Kopeerin siia pildi PWM-generaatori postitusest. See on valgusdioodi pinge-voolu karakteristik. See on teine LED-i tüüp, kuid illustratsiooniks sobib.

Siit on näha, et päripingelang sõltub dioodi läbivast voolust. Kui need graafikud ei ole kahel paralleelselt ühendatud dioodil kokkulangevad juhtub, et ühte dioodi läbib rohkem voolu kui teist. Ja kui voolud on erinevad on ka valgustugevus erinev. Tegin paar katset kodus vedelevate ultravioletdioodidega.

Ühendasin 4 dioodi paralleelselt ja andsin neile pinge 2,8V. Parempoolsed dioodid on selgelt eredamad kui vasakpoolsed. Ma panin dioodide keskele tüki pappi. Vastasel juhul võiks jääda mulje, et vasakpoolsetes peegeldub lihtsalt parempoolsete valgus. Nüüd on aga selge, et need põlevad samuti. Lihtsalt palju nõrgemini.

Seega on paralleelset ühendatud dioodidega see probleem, et vooluhulk ei jaotu ühtlaselt. Mitte ainult ei ole su lambis tuhme dioode, vaid eredad dioodid vananevad kiiremini ja võivad liigse voolu tõttu läbi põleda.

Vooluallikas

Vooluallikas, nagu nimi ütleb, annab voolu. Tahame vooluallikat mis annaks alati ühe palju voolu sõltumata sellest milline pingelang jääb koormusele. Ilmselt tuleb toitepinge piirina ette. Ehk siis kui pinge koormusel hakkab lähenema toitepingele ei saa voolu kasvatamiseks enam pinget kasvatada.

Mulle teadaolevalt saab lihtsaimal viisil heade omadustega vooluallika kasutades lineaarset pingeregulaatorit. On odavamaid meetodeid aga kui tarvis kiiresti toimiv lahendus saada on allolev minu lemmik. See koosneb ühest programeeritavast lineaarsest pingeregulaatorist LM317 ja ühest takistist. Skeem, mille kopeerisin LM317 andmelehest on selline

Mina ei kavatse kasutada potentsiomeetrit vaid tavalist püsitakistit. LM371 sisemine skeem, mille kopeerisin samuti andmelehest, on selline.

Võrdluseks on huvitav vaadata varasemas postituses loodud pingeregulaatori skeemi.

Erinevus on selles, et minu ehitatud pingeregulaatori puhul toimub tagasiside inverteeriva sisendi kaudu. Tugipinge on muutumatu. LM317 puhul on inverteeriv sisend otse väljundiga ühendatud. Tagasiside toimub referentspinge muutmise abil. Pingeregulaatori vaates on tulemus üsna sarnane. Küll aga pakub LM317 lahendus võimaluse luua just meile vajalik vooluallikas.

Analüüsime LM317 sisemist skeemi ja kujutame väljundi, Output, ja tagasiside sisendi, Adjust, vahele ette ühte takistit. Kujutame ette, et takisti Adjust sisendi poole on ühendatud veel mingi täiendav koormus. Meil on vaja, et koormusele jääks mingi kindel vool I.

LM317 sisemine operatsioonvõimendi üritab muuta väljundtransistori voolu nii, et pinge Output terminalil oleks sama suur kui Adjust terminali pinge pluss 1,25V. 1,25V on LM317 sisemine referentspinge. Minu pingeallikas oli see ühendatud GND-ga. Siin aga liitub see misiganes pingele Adjust sisendile antakse. Referentspinge on LM317-s ühendatud opvõimendi positiivse sisendi külge. Opvõimendi negatiivne sisend on ühendatud otse Output pin-iga.

Opvõimendi üritab väljundtransistori tüürida alati nii, et tema sisenditel oleks võrdne pinge. Seega: tänu vahepealsele referentspinge allikale, üritab ta alati hoida Output terminalil 1,25V kõrgemat pinget kui Adjust terminalil.

LM317 väljundtransistor üritab alati juhtida nii palju voolu kui on vaja 1,25V pingelangu tekitamiseks takistil R1. Siit hakkab kooruma kuidas me saame endale vajaliku voolu tekitada. Meil oli vaja LED-ide juhtimiseks 20mA. Kui suur peab olema R1, et vool 20 mA tekitaks sellel pingelangu 1,25V?

Tegelikult lisandub voolule I ka Adjust terminalist välja voolav umbes 50 μA aga see huvitab mind vähe. Viga mis ma põhjustan takisti valikuga on palju suurem. Nimelt ei ole mõistlikus tavaseerias olemas takistit nominaaliga 62,5Ω. Seega valin küllalt sarnase 56Ω. Selle takistiga tekib vool 22,3 mA.

Enne kui ma seadme tööd demonstreerin teeme veel kiirelt mõned arvutused veendumaks, et me oma regulaatori või takisti nominaalvõimsust ei ületa.

Takistiga on lihtne. Vool on 0,02A ja pinge 1,25V. Võimsus seega 25 mW. Tavaline läbi plaadi joodetav takisti on nominaalvõimsusega 250 mW. Seega on takisti osas asi muretu.

Regulaatori toitepingeks saab 12V. Kõige suurem võimsus jääb regulaatorile kui vooluallikas lühistada. Vool on ikkagi ainult 0,02A aga pinge on 12V- 1.25V = 10,75V. Võimsus seega 215mW. Kahjuks ei ole LM317 andmelehest võtta ühtegi lihtsat numbrit millega tulemust võrrelda. On aga järgmine tabel

Junction-to-Ambient. See number näitab mitu kraadi kristalli temperatuur tõuseb kui ilma radikata vabas õhus olevale seadmele jääb 1W. Korrutades 38ºC/W võimsusega 0,215W saame, et kristalli temperatuur tõuseb kõige hullemal juhul natuke üle 8ºC kõrgemaks kui ümbritsev keskkond. Seadme soovituslik maksimaalne töötemperatuur on 125ºC. Seega ei teki probleemi isegi eriti palava ilma korral.

Eksperiment

Ladusin skeemi maketeerimislauale ja salvestasin paar demonstratsiooni. Esimene näitab seda kuidas dioode läbiv vool ei sõltu dioodide arvust.

Teine näitab kuidas meie konstantse voolu allikas oma väljundpinget muudab, et koormuses vajalik vool tekiks.

Pane tähele, et enne koormuse ühendamist on pinge võrdne toitepingega. Vooluallikas üritab oma väljundpinget kasvatada kuni piisav vool tekib. Praktikas aga tuleb toitepinge laena ette. Siin on näha ka erinevad päripingelangud. Seda, et vool on konstantne näitab esimene liikuv pilt. Pane tähele kuidas pinge kasvab. 3,27V – 6,40V – 9,82V. Päripingelangud vastavalt siis 3,27V, 3,13V ja 3,42V. Pea-aegu 300 mV vahe.

Teine asi mida võibolla tähele panid: kui esimese dioodi ahelasse lülitad hakkab selle päripingelang langema. Langeb 3,273V -lt 3,265V-le. Kui dioodist vool läbi hakkab voolama tekib soojus, ning soojus ja päripingelang on seotud pöördvõrdeliselt.

Mina otsustasin ehitada nelja paralleelahelaga lambi. Igas paralleelis on kolm dioodi.

Vooluallikaks kasutan ühte kodus vedelenud 12V impulstoiteplokki.

Kokkuvõte

Kuigi ma olen seda skeemi varem kasutanud laserdioodi toitevoolu seadmiseks ei olnud ma kunagi varem lõpuni läbi mõelnud kuidas see täpselt töötab. Seda ennekõike siis pingeregulaatori sisemise ehituse seisukohst. Seega kui seda lampi ehitama hakkasin läksin oomipoodi ja haarasin sisuliselt esimesed ettejuhtuvad pingeregulaatorid. Need juhtusid olema fikseeritud väljundpingega 9V. Hiljem ehitades ja arvutades taipasin, et 9V regulaatoriga peab 9V minu 12V toitepingest jääma shunttakistile. Ehk siis pinget poleks päriselt jätkunud isegi ühe dioodi jaoks.

Pingeregulaatoreid kulub sellises lambis palju. Saab küll üsna töökindla lahenduse, kuid hind on kõrge. Võibolla saad kasutada mõnda lihtsamat vooluallikat näiteks voolupeegel?

LM317 sisendpinge maksimum on 37V. Seega võibolla on hea mõte seada järjestiku 9 või 10 dioodi, ning kasutada 32V või 35V toitepinget. Ehk siis võimalikult suur pinge lubab sul seada järjestiku suurema hulga dioode. See omakorda viib regulaatorite arvu dioodi kohta alla.

Igatahes siin on näha 12 dioodiga lambi valguslaik umbes 3,5m kauguselt paistes valgele kummutile ja rohelisele seinale.