Цели работы
Изучить поведение светодиодов при ультра низкой мощности питания.
Существует ли пресловутый «линейный режим» светодиода, и если да, то где он находится. Существует ли оптимальная мощность, в том смысле, что отклонение от неё и вверх и вниз приводит к ухудшению световой отдачи светодиода, или светодиод сразу, со старта непрерывно теряет кпд.
Поведение на низкой мощности интересно с двух точек зрения: ультра глубокое диммирование и построение светильников с максимальным возможным кпд.
В сети есть два великолепных видео о кпд светодиодов:
От Александра Гурьянова
youtu.be/ovecS8z8TFw и от Тимура Гаранина
youtu.be/uEy-1gSwOXI
Собственно после их(и не только их) просмотра и возникли вопросы, ответы на которые будут получены в ходе данной работы.
Под термином
световая отдача в данной заметке будет пониматься отношение
светового потока (точнее освещённости датчика в люксах (lx)) к
мощности подаваемой на светодиод в ваттах.
При рассмотрении вопроса эффективности часто утверждается, что, чем меньше ток через светодиод, тем лучше, это мы и проверим.
Обычно, при исследовании светодиодов нам предлагаются графики типа таких:
Здесь видно что любая из этих кривых выпукла вверх, вторая производная отрицательна. И в основном всех интересует как ведёт себя диод в правой части графика, т.е. когда мы хотим выжать максимум света из диода наплевав на кпд, нагрев и расход аккумулятора. Но что там слева, около нуля, всегда ли там отрицательная вторая производная?
Дизайн эксперимента
В качестве подопытного использован неизвестный 5мм белый светодиод, добытый из лампы на батарейках из фикспрайса. Характеристики неизвестны, в интернетах ходят данные, что рабочим током такого светодиода является 20 мА.
Питание
Попытка провести эту лабораторную работу используя ЛБП Riden RD6006 была полностью провалена, на столь малых токах регулировка в миллиамперах слишком груба, но что ещё хуже, напряжение плавает, от чего ток плавает ещё больше. Было принято решение собрать самый линейный из всех линейных источников питания. Был взят аккумулятор 18650, разряжен до напряжения 3.7 вольта, и последовательно включены: аккумулятор, резистор 56 Ом, переменный резистор 10 кОм, мультиметр измеряющий ток, измеряемый светодиод.
Измерительные приборы
Мультиметр ZOYI ZT-225 — измерял падение напряжения на светодиоде в режиме измерения напряжения.
Мультиметр Aneng AN870 — измерял ток, сначала в режиме микроАмпер, со значения 200 микроАмпер переключен на миллиАмперы
Люксметр UNI-T UT383S — с дополнительным отражателем измерял освещённость.
Способ измерения
Для того чтобы жестко закрепить светодиод напротив датчика люксметра, а также чтобы собрать весь возможный свет со светодиода, был использован отражатель от фонарика типа апельсиновая корка, куда при помощи термоклея был приделан светодиод. Диод имеет весьма узкий луч, так что он прямо светил в приёмник люксметра, часть бокового света также в какой-то мере попадала на датчик. Вся конструкция с отражателем и светодиодом была закреплена над датчиком при помощи малярного скотча.
Безусловно данная конструкция не является интегрирующей сферой и выяснить настоящий световой поток в люменах исходящий из этого светодиода не представляется возможным. Однако мы точно можем сказать что световой поток в люменах и создаваемая им освещённость в люксах связаны линейно, поэтому нам неизвестен только линейный коэффициент пересчёта люксов в люмены. Для качественного анализа он нам и не нужен.
Измерения проводились по, так называемой, четырёхпроводной схеме. Мультиметр измеряющий ток включен последовательно с измеряемым диодом, а падение напряжения измеряется прямо с ножек диода, вплотную к корпусу. Таким образом мы получаем полную независимость данного эксперимента от сопротивлений проводов и контактов.
Температура в помещении во время эксперимента составляла 26 градусов цельсия. Общий вид приборов в процессе измерения:
Методика
Измерения производились следующим образом:
Начиная от крайнего правого положения ручки потенциометра (максимального сопротивления) я вращал потенциометр наблюдая за ростом освещённости, и, пока это было возможно, делал замеры примерно с равным шагом по освещённости. После каждого поднятия мощности выжидал небольшой период до стабилизации показаний. Чем больше был ток, тем дольше происходила стабилизация(думаю что это то самое падение сопротивления диода от нагрева). После чего в таблицу заносился ток, падение напряжения и освещённость датчика.
Было проведено 104 замера, полные результаты представлены в таблице
docs.google.com/spreadsheets/d/1r5sNFxPyn_-x2hJ7rNDFmasOstj1KiZoPlGf3K2CdFE
Красной точкой отмечена точка максимума светоотдачи.
Всем понятный и ожидаемый график освещённости датчика от мощности светодиода, но самое интересное получилось на графике световой отдачи (отношение светового потока к мощности) к подаваемой мощности:
Здесь хорошо видны ошибки измерения в виде скачков на графике, они помечены в таблице серым, но в целом, качественно всё понятно. С минимальной мощности светодиод плавно разгорается, при этом световая отдача растёт, достигает максимума и далее начинает падать.
Ну и куда же без вольт-амперной характеристики
Выводы
Существует точка максимальной световой отдачи, для данного светодиода в данной установке это 479423.2846 люкс на ватт, при мощности 0.0034103475 Вт которая достигнута при токе 1.2845 мА и напряжении 2.655 В. Именно в окрестности этой точки светодиод ведёт себя линейно и яркость растёт линейно от мощности. Точка максимальной светоотдачи достигнута при токе в 15 раз ниже предполагаемого номинального. Это означает что просто запаивать излишне огромное количество светодиодов параллельно для получения максимальной светоотдачи не имеет смысла, где-то наступает предел. В погоне за максимальной светоотдачей, например для кемпингового фонаря-лампы нужно испытать подобным образом светодиоды и по совокупности характеристик определить, какой же ток и количество светодиодов оптимальны, особенно если мы хотим получить регулируемую лампу.
Побочные выводы
Мультиметры на 20000 отсчётов нашли применение. ZOYI ZT-225 после Aneng AN870 ощущается как тормозной неудобный монстр. Дисплей лучше читается у Aneng AN870. ZOYI ZT-225 имеет больший таймаут автоотключения. При прочих равных, и если не нужны именно 25000 отсчётов рекомендую Aneng AN870. Хотя и предельные значения под 25000 не проверял. Также я понял зачем существуют линейные ЛБП. Но батарейка, как самый ровный из всех источников тока выручила.
Вопросы на будущее
Повторить эксперимент для известного брендового светодиода, купленного в надёжном месте, предназначенного для освещения, при этом термостабилизировать его и провести эксперимент для разных температур подложки. Видимо для этого придётся городить линейный источник без обратной связи на биполярном транзисторе от аккумуляторов.
P.S. все 1200 светодиодов упомянутые в статье
mySKU.me/blog/russia-stores/85237.html на текущий момент отработали 26 месяцев по 15 часов в день, что составляет 11700 часов. Ни один диод или драйвер не вышел из строя, существенного падения яркости не наблюдается. Точный замер деградации по яркости, к сожалению, произвести не представляется возможным.
UPD 2023-04-26: добавлена вольт-амперная характеристика, красной точкой на всех графиках отмечена искомая точка максимальной яркости.
Поскольку коэффициент пропорциональности не знаем, заботиться о сборе всего светового потока нужды нет. А вот на что действительно стоило обратить внимание, так это на паразитную засветку датчика освещённости (а она есть — на фото видно свечение тестируемого диода, а значит и внешний свет проникает внутрь) и выбор рабочего диапазона люксметра. Есть подозрение, что на верхнем пределе точность измерения падает и, возможно, стоило немного снизить световой поток к датчику. Раза в 2, например (получили бы освещённость в пределах 60-11000 лк)
Люксы — это освещение в конкретной точке пространства. Канделы — это сила света в данном направлении. И уже интеграл от кандел по сфере — это люмены. Поскольку померить люмены посложнее люкс, ТС мерит люксы и получает некую неточность, поскольку, если от тока меняется распределение света в пространстве, то все его измерения ложны.
Скорее всего не меняется распределение света, но если уж решил идти научным методом, так до конца надо идти и подтвердить независимость КСС от тока.
Меняются какие-то оптические свойства линзы? Если даже так, то вероятно эти изменения пренебрежимо малы и заниматься подтверждением этого — практически бесполезная трата времени.
Подтверждение этому можете привести?
Зато, зная спектр светового прибора, уже можно было точно вычислить освещенность.
Поскольку померить люмены посложнее люкс, ТС мерит люксы и получает некую неточность, поскольку, если от тока меняется распределение света в пространстве, то все его измерения ложны. "
так там вся статья примерно такая.
Получены полезные практические результаты и автор ими поделился.
Более того, в самом начале статьи есть видео где человек так делает и получает хороший результат.
Второе что меня интересует это глубокое диммирование и то какие токи нужны чтобы сделать moonlight. Оказалось что токи нужны очень маленькие. На часть тех вопросов, ответы на которые гуглением сходу не находились, я ответ нашёл.
Вы можете в меню Файл выбрать пункт сделать копию, и получить в своё распоряжение таблицу с правом редактирования. Ну или в эксель экспортнуть если вам так удобнее.
То, что приведено в статье, с огромным числом знаков после запятой, на несколько порядков больше теоретической точности измерений… это вызывает улыбку.
При том, что нормальной сферы не было вообще, те. практическая точность ещё ниже.
«Мне вот интересно было бы глянуть такую табличку, где по оси Х ток, а не мощность.»
таких много, например на BLF
ну если соблюдать одинаковые условия эксперимента, можно получить относительные данные
помнишь, сколько липовых результатов было получено, когда внутр. сопротивление аккумов меряли встроенными средствами зарядок?
при том, что они что-то там меряют, и даже способны вполне достоверно отличать убитые и полу-убитые от нормальных.
А вот мерять нормальные между собой — увы, там погрешность больше выдаваемых цифр.
С другой стороны, можно просто оставит 3 значящих цифры во всех результатах — на формы кривых и выводы это никак не повлияет.
То есть просто решили что этот будет 20Вт, только получили из-за перегрева сокращение срока службы, но и освещение как при 14Вт. Это помимо отсутствия сглаживающего конденсатора. К покупающим прожекторы на заметку.
P.S. А на полиграфии решили что вообще будет как 30Вт :)
Всё ставят. Если не покупать гуано, конечно.
А бывает и так, что 95%.
Кстати нередко к таким компаниям стоит соваться с реквизитами любого левого ИП. Может оказаться что им на деле всё равно кому продавать, лишь бы не потребителю.
А за подобное умение пользоваться калькулятором без понимания реальной точности измерений нас, помнится, больно били на сдачах лабораторных по физике еще на первом курсе института.
И совершенно правильно делали, тк. если вовремя не научить, потом такие таланты будут так же делать промышленные расчёты.
у меня — нет.
То, что Вы пишете, мягко говоря, не соответствует правилам.
И вот эта фраза, «вы что, боитесь этих знаков» говорит о том, что Вы банально не понимаете, как проводить корректные измерения.
понятно.
Вы написали величины, которые очень мало друг от друга отличаются. А вопрос — они отличаются в пределах погрешности или нет? В одном измерении вы увидели 1.4351, а в другом — 1.4398. Это один и тот же результат. Да, прибор показал большее значение. Да, оно стабильное. Но с этим прибором у Вас нет возможности утверждать, что это различные величины.
У меня вот ut71c. Я могу сколько угодно говорить, что он имеет 40000 отсчетов. Но открываем инструкцию и видим, что по напряжению у него точность +-(0.05%+5) т.е. 5 отсчетов — сразу в помойку. А если измеряем напряжение в районе максимума, то еще и предпоследней цифре нельзя доверять. Условно 3.8888В имеют допустимую ошибку 0,002 + 0,0005
Итого реальное напряжение находится в диапазоне 3,8868 до 3,8907.
Указание лишних цифр просто вводит в заблуждение.
А по току там порядка +-(0.15%+15) — т.е. все еще в три (!) раза хуже.
При измеренном 3.8888мА там по факту от 3.882 до 3,894. Т.е. ошибка уже больше третьего знака! А прибор показывает 5 знаков.
Записать в этой ситуации все пять знаков с прибора — значит дать понимание, что вы за все эти цифры отвечаете. А по факту — вы отвечаете всего за три.
Я по роду своей работы занимаюсь немного другим. И там туча различных ситуаций, когда люди видят различие в данных, которых на самом деле нет. Условно — измерили продажи до и после рекламной кампании. После — продаж стало на 8 больше. Есть толк? Да, вроде больше же! Ну вот надо понять точность измерений. И если на самом деле статистически важное различие — 20, то 3 или 10 — это в пределах погрешности. Мы ничего не можем сказать об этой величине. Больше она или меньше. И при сравнении надо указывать последнюю цифру — ноль, чтобы не вводить в заблуждение, что числа отличаются.
Представьте, что Вам докладывают — продажи благодаря рекламной компании увеличились с 135 до 142 штук.
Но статистически важное различие, условно — 20 штук. Это означает, что рекламная кампания не показала измеримого роста. Надо либо продолжить эксперимент, чтобы измерить результат, либо прекратить тратить деньги. А значит числа 135 -> 142 вводят в заблуждение. Либо надо писать 135+-20 -> 142 +-20, либо просто — с учетом погрешности продажи остались примерно на уровне 140.
В целом — Вы получили результат и прямо очень ровный график. Может быть так, что на самом деле пик графика световой отдачи не на 1/5, а условно в промежутке между 1/8 и 1/3? — да, может быть такое. Вам это не особо важно.
Главное, чтобы не получилось, что на самом деле пик на полной яркости. И чтобы это оценить, неплохо бы примерно оценить погрешности измерения, вдруг вся разница окажется в пределах этой самой погрешности?
Правда, сомневаюсь, что автор поймёт, но всё же.
Видимо, и не поймёт.
что-то мне подсказывает что сьем данных был отнюдь не ручной, и заниматься тут округлением это мартышкин труд.
Если начинать плясать от цифр и правил измерений, то также встанет и вопрос о корректности измерений малых токов.
Вот когда выдается некий параметр на индикацию и по ее результатам принимается решение, тогда и важно оставлять лишь значащие цифры.
это инструмент, и не более того.
Которым надо уметь пользоваться.
То бишь применительно к сабжу — будут все те же длинные числа, но добавить в конце запись (+-0.55%).
Бывает.
Можно отметить, что для многих светодиодов максимум кпд ( lm/W), получается на токах примерно в 15....20 раз меньше, чем номинальная мощность… То есть для светодиода 1 Ватт оптимальный ток — около 15.....30 мА. Отсюда следует, что ставить в параллель можно ( и имеет смысл ) где-то от 1… до ~ 5 светодиодов., если цена не критична. Дальше там начинается «купол» максимума кривой, ступенечки сокращаются и при большем количестве светодиодов прирост люменов замедляется.
«Эффективнее» всего ( цена/результат) подключение первого параллельного диода.
Так что вряд ли можно просто «по бухгалтерски» заменить несколько дорогих светодиодов на много дешёвых.
А на фото Aneng AN870.
А глубокое диммирование удобнее шимом делать высокочастотным.Диапазон регулировки выше, цветовые характеристики стабильнее. Да и далеко не каждый драйвер устойчив и линеен в диапазоне токов больше 1:50. Если подобного диапазона достаточно, то часто током действительно проще и полезнее работать. Но когда 1:200...1:1000 и более, то уже ШИМ рулит.
А вот для кемпингового фонаря, чтобы он и не грелся и хорошо работал, было интересно разведать поляну, в каких пределах вообще осмысленна регулировка. Понятно что итоговый фонарь собирается и совокупности противоречивых требований. Но теперь можно выбирать менее наугад.
Спасибо, сами этим пользуйтесь.
Я как-то лучше током.
«цветовые характеристики стабильнее.»
на 1й взгляд да, а когда начинаем копать и измерять, то уже не так всё просто.
Практически всегда даже там, где критичны спектр и ЦТ, разница при смене тока в несколько раз некритична, она мизерная.
А когда снизили в 100 и более раз, так там обычно эта разница всё равно неважна.
«Но когда 1:200...1:1000 и более, то уже ШИМ рулит. „
И 1:1000, и 1:10000 с токовым регулированием, без ШИМ.
При этом сверхмалые всё равно на порядки меньше потребляют, тк. даже при кпд в 30% 1мА на диод означают ~3мА от питания.
И на сверхмалых 30% это, в общем, очень хорошо.
". Обратная связь по току на сверхмалых токах отваливается, по уму городить отдельные цепи, что удорожает драйвер в серии. "
не так уж сильно и удорожает. Если оно вообще нужно.
Опять же, берём десяток известных драйверов и смотрим результаты.
И там нет мунлатов либо вообще, либо вменяемых :)
Допустим, варианты с хорошими драйверами есть и за ~30-40, но не за 10-ку.
могу взять сейчас любой из полудюжины фонарей, в каждом из которых есть мунлайты, и ещё пара, где минимальный режим также может быть назван мунлайтом с некоторой натяжкой.
Часть заводские, часть кастомные.
У Зебралайтов это порядка 0.01% от максимума, у других побольше.
Самые малые не использую, а чуть побольше — вполне.
Далее, по лампам,
минимальное диммирование лампочек philips expert color mr5.3 менее 1% от максимума,
минимальное диммирование светильников Xiaomi xeiling light (моделей там много, я про ту, которую сам использую) порядка 0.02% от максимума,
минимальное диммирование моих кастомных светильников, вытекающее из возможностей драйвера, порядка 0.5% от максимума.
пищит каждые 15 минут но не выключается
Читал про LED авто-лампа «ретро-фит» (типа H4 LED) — упоминали, что яркость падает по мере нагрева… но там температуры страшные указывали — 50-70-80 градусов. Впрочем — для тех сверх-мощных светодиодов, может, это и норма.
Но интересно — как обычные «бытовые» светодиоды себяведут по мере нагревания.
Какая ещё термостабилизация в лампе?
— излишне — это сколько, каков предел, и какое разумное количество?
По поводу «излишне», способ определить дан буквально в следующем предложении:
Кроме меня ещё один человек указал максимум светоотдачи бывает при токе примерно в 15-20 раз меньше чем номинального. Когда будет следующий эксперимент с другим светодиодом, тогда и будет понятно, является это число условно универсальным или нет.
Обошлись в среднем по 250 рублей, диаметр 26см, обычно цены заметно больше, но удалось взять со скидкой, доставка из России была.
Комплектация конечно самая простая, лампа, миништатив и держать для телефона.
Жду с нетерпением вторую часть, со светодиодами с высоким кпд (советую поэкспериментировать с Cree XHP35.2 или XHP50.2 12V c бином P4).
Для сравнения можете глянуть на фонарёвке: ledcalc.fonarevka.ru/?pct=&mobile=1
1. Максимально изолировать от внешней среды (не малярный скотч, а зеркальный, или что то более плотное, не дающее проникнуть свету снаружи).
2. Максимально уменьшить расстояние между излучателем и приёмником
3. Снять со светодиода рассеивающую оптику («дедом»), тогда большая часть излучения кристалла будет направлена прямолинейно + можно почти вплотную приложить кристалл к фотодиоду (на малых токах теплообменом можно пренебречь).
По поводу покупки — энергоэффективных бинов светодиодов на али не замечал.
Тут надо искать зарубежные площадки присылающие в ваш регион.
Советую брать сразу на «звезде», чтобы не париться с теплоотводом и с проставочной прокладкой специальной (ставится между светодиодом и оптикой) — с помощью неё «герметизировать» стенд.