LED

LED (Light Emitting Diode)

LED er en ny lyskilde, som spås en stor fremtid. LED er mere energieffektiv end både lysstofrør og HQI.

TEKNIK FOR BYG-SELV'ere

Grundlæggende

LED er ikke en pære.

En almindelig pære - eller glødelampe - er konstrueret med en glødetråd, som opvarmes af den strøm, der løber igennem den. Når glødetråden opvarmes, stiger dens modstand. Derved begrænses strømmen således, at glødetråden ikke brænder over. En pære er påtrykt en spænding (f.eks. 12V) og en effekt (f.eks. 50W). Dvs. når spændingen over den er 12V, trækkes en strøm svarende til en effekt på 50W.

Sammenhængen mellem strøm og spænding er lineær. Dvs. hvis spændingen stiger, stiger strømmen. Derfor kan en glødelampe dæmpes ved, at spændingen sænkes.

For at drive en LED, kræves en specielt konstrueret strømforsyning. Denne kaldes ofte en DRIVER. En LED styres på strømmen (Ampere) og ikke spændingen (Volt).

En LED er en halvleder. Den leder kun strøm den ene vej og sammenhængen mellem strøm og spænding er IKKE lineær. Altså gælder almindelige lineære regneregler, som Ohms lov og spændings- og strømdeling, ikke.

Eksempel på strøm-spænding sammenhæng for LED:

En LED begynder først at lede strøm, når dens forward-spænding (spændingen over LED'en i den "rigtige" retning) er påtrykt. Når denne spænding nås, optræder den som en regulær kortslutning - den leder alt det strøm, der kan trækkes fra forsyningen og spændingen over den er tilnærmelsesvis konstant, uanset strømmen. Det er netop på dette punkt, at LED afviger fra almindelige glødelamper.

Derfor SKAL STRØMMEN BEGRÆNSES, for ikke at brænde LED'en af og det er den opgave driveren har.

Et eksempel:

En Cree 3W LED har følgende karakteristik:

Forward-spændingen opgives altid, som et cirka-tal. Her er den angivet til en typisk værdi på 3,3V ved 1000mA og en maksimal værdi på 3,75V. Det skyldes, at produktionsforskelle påvirker denne og man derfor ikke kan garantere, at tallet er nøjagtigt.

Driveren skal derfor levere en maksimal strøm på 1A, uanset spændingen.

Der er ingen lette måder, at konstruere en driver på. Det drejer sig om et stykke højfrekvens switch-mode elektronik, som kræver en del indsigt at konstruere korrekt. Skulle du besidde et "gu ka' jeg så"-gen, er der en designguide her: [1]

Mange byg-selv'ere benytter færdige Meanwell drivere, da de kan fås med 0-10V indgang til dæmpning af LED.

Bemærkning:

Det kan lade sig gøre, at lave en simpel "driver" med en almindelig serie-modstand. Problemet er, at strømmen gennem denne er den samme, som gennem LED'en og derfor brændes en hel del effekt af i den som varme. Varme er spild og med denne metode går strøm-spare-effekten fløjten. Ydermere skal serie-modstanden kunne tåle en del effekt og dermed er det ikke bare lige en modstand "fra skuffen".

Seriekobling

Skal der drives mange LEDs, vælges ofte at serie-koble flere LEDs og dermed kan én driver forsyne mange LEDs. En seriekobling er, når + fra en LED kobles til - på den næste og så fremdeles. Driveren kobles til hhv. + og - på de "yderste" LEDs. Strømmen gennem alle LEDs er den samme i hele seriekoblingen.

Driveren skal kunne levere MINDST den summerede forward-spænding for alle LEDs i seriekoblingen. Tages Cree 3W LED som eksempel igen, kræver en seriekobling på 10 stk LEDs altså mindst 33V af driveren. Oftest vælges en lidt højere spænding, for at sikre spænding "nok".

Parallelkobling

En parallelkobling er når + fra alle LEDs er forbundet og - fra alle LEDs er forbundet.

Denne løsning er ikke god og bør derfor ikke benyttes. Problemet er, at forward-spændingen sjældent er ens for de enkelte LEDs. Når de kobles parallelt bliver de tvunget til, at køre med samme spænding og deles om den tilgængelige strøm. Hvis en enkelt LED har en lavere, nødvendig forward-spænding vil denne altså forbruge alt tilgængeligt strøm. Dette kan føre til, at den brænder af og dermed stiger spændingen og den LED med den næst laveste forward-spænding tager over. Der er altså chance for, at man står med en hel række LED, som er brændt af.

Det skal lige indskydes, at man godt kan slippe afsted med at parallelkoble LEDs. Ved at indsætte en modstand i serie med hver LED, kan der opnås den "elastik", der udjævner forskellen mellem de enkelte LEDs. Denne løsning kan benyttes, når et stort antal LEDs kobles på en kraftig driver. Der vil oftest være tale om en kombination af serie- og parallelkobling således, at serier af LEDs parallelkobles. Koblet på denne måde, deles de parallelle serier ligeligt om strømmen og spændingen over alle serierne er den samme. En driver, som giver 3 ampere, vil kunne drive 3 serier parallelt, som så får 1 ampere hver.

Modstandene er her på 1 ohm, hvilket gør det let at måle strømmen i hver serie - 1V over modstanden svarer til 1A. Modstanden skal kunne tåle effekten - 1 ampere over 1 ohm giver 1 watt. Det er tilrådeligt, at vælge en modstand, der kan tåle det dobbelte (2W). Det kunne desuden være en god idé med en fin-sikring i hver serie, for at beskytte mod overstrøm, i det tilfælde, at en LED skulle gå i stykker eller en ledning knække.

Driveren til denne kobling - 5 LED i serie, 3 serier i parallel - skal have omtrent følgende specifikationer:

Spænding: 5 * 3,3V = 16,5V

Strøm: 3 * 1A = 3,0A

Køling

En kraftig LED skal køles. Jo varmere selve LED-chippen er, jo mindre strøm kan den holde til og jo mindre er den udstrålede lysstyrke. Samtidig skal temperaturen holdes under et bestemt niveau, for at levetiden ikke skal blive påvirket.

Køling kan ske med en køleplade, som oftest er støbt i aluminium. Kobber er en bedre varmeleder og ville derfor være mere egnet men kobber er en del dyrere end aluminium.

Hvis du er ligeglad med teorien og bare vil have resultatet, kan du finde det nederst på siden.

En køleplades evne til at køle, opgives ved et tal, der angiver grader pr. watt - K/W.

For at beregne den nødvendige køleplade, tager vi lige fat i LED karakteristikken igen:

De interessante værdier er "Thermal resistance, junction to solder point" og "LED junction temperature". "solder point" er det sted varmen skal ledes væk fra og "junction" er den mekaniske overgang mellem selve LED-chippen og de "ledninger", der forbinder den med omverdenen. Bemærk at dette datablad refererer til LED uden det meget benyttede star-print. Med star-print skal 2 K/W lægges til.

Thermal resistance er her opgivet til 6 grader pr. Watt. Dvs. for hver watt modvirker "solder point" afledning af varme med 6 grader. "Junction temperature" må maksimalt være 150 grader celsius men som det ses af grafen ovenover, er det mere optimalt, at maksimum er omkring 80 grader. Alt herover skal derfor afledes med en køleplade.

Nedenfor introduceres et par begreber - "ambient" og "ambient temperature" - der dækker over omgivelserne. I dette tilfælde luften omkring kølepladen og dennes temperatur.

Forkortelser

j - junction

s - solder point

a - ambient

T - temperatur

P - effekt (watt)

R - thermisk modstand

Regnes på en køleplade til en enkelt LED, kan denne beregnes via simple formler:

T(j-a) = P * R(j-a)

Hvor (j-a) angiver, at det drejer sig om den samlede værdi fra junction til ambient - altså helt inde fra LED-chippen og ud til omgivelserne. Dvs. temperaturstigningen er lig med effekten gange den termiske modstand.

OG

T(j) = T(j-a) + T(a)

Dvs. junction temperaturen er lig med temperaturstigningen (fra formlen ovenfor) plus omgivelsernes temperatur.

Det siger sig selv, at der skal en større køleplade til, hvis omgivelsernes temperatur er 40 grader end hvis den er 20 grader.

R(j-a) består af flere termiske modstande:

Junction to solder point (den har vi berørt tidligere - det er denne værdi, der fremgår af databladet)

Solder point to heat-sink (forbindelsen mellem LED-chippen og kølepladen - her vil star-printets termiske modstand indgå)

Heat-sink to ambient (det er denne værdi, der er opgivet for en given køleplade og altså den værdi vi vil finde frem til)

Bemærkning

Hvis du sidder og tænker; "hvis R(j-s) kun er 6 K/W, hvorfor så overhovedet bruge en køleplade ? Det er jo kun 18 grader ved 3W."

Det hænger sammen med, at varmen skal ledes væk til omgivelserne. Fra solder-point (uden køleplade) er den eneste vej, at udstråle varmen eller via konvektion til luften. Da den direkte termiske modstand mellem solder-point og omgivelserne er meget høj - måske 100 K/W - vil junction temperaturen være givet ved T(a) + T(s-a) + T(j-s) eller 25+300+18 grader ved 3W og en omgivelsestemperatur på 25 grader. Det er et godt stykke over den maksimale junction-temperatur på 150 grader, som er opgivet i databladet og resultatet vil være en LED, der brænder af efter meget kort tid.

En beregning på ovennævnte LED med star-print med en omgivelsestemperatur på 25 grader og en LED-chip temperatur på 80 grader, vil se således ud:

R(j-a) = T(j-a) / P (almindelig omskrivning af den første formel) og T(j-a) = T(j) - T(a), får vi:

R(j-a) = 80-25 grader / 3 watt = 18,33 K/W

Da R(j-a) er givet ved R(j-s) + R(s-h) + R(h-a) og vi kender R(j-s) (6 K/W) og R(s-h) (2 K/W), kan R(h-a) regnes ud:

R(h-a) = 18,33 K/W - R(j-s) - R(s-h) = 18 - 6 - 2 = 10 K/W.

Det vil sige, at én LED skal monteres med en køleplade med en termisk modstand på maksimum 10 K/W

Der skal altid vælges en køleplade med en termisk modstand, der er LAVERE end den beregnede.

Et eksempel er en lille rund køleplade fra Fisher: [2].

Den har en termisk modstand på 9,41 K/W.

Skal flere LEDs køles af samme køleplade kan den samlede termiske modstand for hele kølepladen beregnes således:

R(h-a) = 10 / antal LED

En køleplade for 10 LEDs skal derfor have en termisk modstand, der er lavere end 1 K/W.

Disse beregninger tager udgangspunkt i passiv køling uden nogen form for blæsere eller andet, der forcerer køling til omgivelserne.

Afkølingen stiger voldsomt, hvis der introduceres en form for aktiv køling men det er ikke umiddelbart muligt at beregne, uden at kende til en masse parametre omkring den valgte metode.

Sådan sættes det sammen

Indtil videre henvises bare til JMax's byggetråd på saltvandsforum: [3]