E34 5er - Расчет оптики на светодиодах.

[-КенТ-]

Может кому понадобитсяну или в качестве саморазвития
Накнулся в конфе на тему о поворотниках на светодиодах, и так как сам об этом размышлял, то решил написать небольшую статейку. Сразу скажу, что здесь я коснусь в основном электрики. Механика конструкции на ваш вкус.

Сперва о плюсах и минусах.

Один из таких плюсов, постоянно приводимый в различных печатных издания, это значительно меньшее по сравнению с лампами накаливания, время зажигания светодиода, что повышает безопасность движения. Хотя я считаю, что не так уж и велика эта разница во времени.

Второй плюс, это значительно более высокая надежность. Светодиод может спокойно работать по десять лет и более. Это особенно характерно при большой вибрации.

Третий плюс, меньшее энергопотребление. Поворотник из 30 светодиодов потребляет не более 5 Вт (смотря какие светодиоды).

И четвертый плюс, который должны более всего оценить именно российские мотолюбители – это возможность создавать оптику любой формы. Например можно смонтировать передние поворотники в зеркалах.

Теперь минус - это высокая стоимость.

Кроме этого, если вы будете делать поворотники, то стандартный прерыватель вам скорее всего не подойдет (так как разная мощность), и необходимо будет изготовить специальный. Но, зато вы можете сделать их 4 штуки (я прикидывал, они получаются недорогими) и смонтировать каждый в своем поворотнике. Представляете какая будет надежность.

Также, может возникнуть проблема с передним габаритом, так как белых светодиодов нет. Но HEWLETT-PACKARD выпускает светло-голубые, можно попробывать их.

[-КенТ-]

Теперь о светодиодах.

Прежде всего, яркость обычных светодиодов составляет 20 – 50 мКд (милликанделл). Такие вам не годятся. Необходимы сверхъяркие светодиоды (яркость составляет 1000 – 4000 мКд , такие используются в светофорх).

Кстати, 4000 мКд это очень не хилая яркость, такой светодиод слепит глаза не хуже фонарика.

В России сверхъяркие светодиоды выпускает завод Протон Оптоэлектроника в г. Орел. Из зарубежных известны такие фирмы-производители как KINGBRIGHT ELECTRONIC и HEWLETT-PACKARD ( у HP светодиоды дороже).

Кроме того светодиоды разделяются по диаметру (в основном 5 мм, 8 мм, 10 мм и 20 мм), по форме (круглые, прямоугольные и т.д.), по цвету свечения (обычно,также, указывают длину волны излучения), по цвету рассеивателя (окрашенные или неокрашенные), по типу рассеивателя (диффузионный – когда корпус светодиода матовый и прозрачный – когда , соответственно, корпус прозрачный) и по цене (чем ярче, тем дороже. Красные и желтые дешевле зеленых и синих при одинаковой яркости, так как используется другая технология изготовления кристаллов).

Яркость сильно зависит от рассеивателя. Диффузионные светодиоды имеют больший угол излучения (обычно 45 - 60 град), но меньшую яркость (при одинаковой стоимости). У прозрачных светодиодов угол излучения обычно лежит в пределах 15 – 30 град.

Расчет

Светодиоды рассчитываются на определенный ток. Это значит, что не бывает, например, 5 вольтовых или 12 вольтовых светодиодов. Вместо этого бывают, например, 20 «мАмперные» или 50 «мАмперные» и т.д. Напряжение на светодиоде колеблется от 1,5 В до 2,5 В (в зависимости от марки светодиода, и связано с технологией производства) и слабо зависит от тока. Соответственно, если нужно запитать светодиод от 13,8 В, необходимо задать нужный нам, протекающий через него ток. Проще всего это сделает с помощью резистора R.


[Для просмотра ссылки/изображения нужно войти или зарегистрироваться]
Здесь VD - светодиод, а R – токозадающий резистор.

Для расчета R необходимо знать следующие параметры светодиода:
1. Максимально допустимый прямой ток через светодиод Ivdmax
2. Падение напряжения на на светодиоде Uvd в прямом направлении (обычно в справочниках указывается при каком токе происходило измерение)

При расчетах не обязательно абсолютная точность, так как все электронные компоненты имеют разброс параметров от 5 до 20%.

Теперь пользуясь законами Киргофа находим R:

R=(U-Uvd)/(Ivdmax*0.75), Ом (1)

Где U – напряжни питания,
Uvd - падение напряжения на на светодиоде,
Ivdmax - максимально допустимый прямой ток через светодиод.

Коэффициент 0.75 берем для обеспечения необходимой надежности (обычно в пределах 0.7 – 0.8). Так как, чем ближе заданный нами ток к максимально допустимому, тем меньше надежность.
При этом протекающий через светодиод рабочий ток будет составлять 0.75 от максимально допустимого.
Иногда, в справочных данных указывается рабочий ток Ivd (обозначение может быть другим), тогда коэффициент берем равным 1.

Мощность сопротивления рассчитывается по формуле:

N=R*(Ivdmax*0.75)^2 , Вт. (2)

При этом рабочий ток через светодиоды составит:

Ivd=Ivdmax*0.75 (3)

Так как вам необходимо не один, а штук 10 – 20 светодиодов, то схема включения будет выглядеть так:

[Для просмотра ссылки/изображения нужно войти или зарегистрироваться]
Здесь FU – предохранитель на ток :

Ictmax > Ifu > 1,2*m*Ivd, А (4)

Где, m – число параллельно включенных линеек светодиодов.
Ictmax – максимальный ток стабилизации стабилитрона VD1 (указывается в справочниках).
Uct - напряжение стабилизации стабилитрона VD1, должно быть равен U, при котором через светодиоды будет протекать ток Ivdmax, для того, чтобы при слишком большом напряжении он открылся и сработал предохранитель:

Uct = (R*Ivdmax + n*Uvd), В (5)

По Ictmax и Uct необходимо выбрать стабилитрон из справочника. Стабилитрон и предохранитель защищают схему от перенапряжения.

R находим как:

R = (U – n*Uvd)/(Ivdmax*0,75), Ом (6)

Где n – число светодиодов в одной линейке (подключенных на один резистор),

Мощность сопротивления рассчитывается по формуле:

N=R*(Ivdmax*0.75)^2, Вт. (7)

Эту формулу можно записать в другом виде:

N=(U – n*Uvd)*(Ivdmax*0.75), Вт. (8)

Например:

У нас есть светодиоды с Ivdmax = 70 мА и Uvd = 1,85 В и мы используем 4 линейки по 5 светодиодов (итого 20). Тогда при U = 13,8 B:

R=(13,8 B-5*1,85 B)/(70 мА*0,75)=86,6 Ом.

Такие сопротивления найти трудно, так как все номиналы привязаны к стандартному ряду сопротивлений. Наиболее распространен ряд Е24. Выбираем ближайший из ряда, больше расчетного. Это 91 Ом.

N=91 Oм*(70 мА*0,75)^2=0,251 Вт (берем 0,25 Вт)

Сопротивление берем мощностью не меньше рассчитанной.

Ivd=Ivdmax*0.75 = 52,5 мА

Ictmax > Ifu > 1,2*4*52,5 мА = 252 мА (можно взять 250 мА)

Uct = (91 Ом*70 мА + 5*1,85) = 15,6 В (Можно взять на 15 В).

Из формулы (8) видно, что чем больше светодиодов в линейке, тем меньше рассеиваемая мощность резистора, да и самих резисторов понадобиться меньше. Но увеличивать число светодиодов в линейке до максимально возможного нельзя. Сейчас объясню почему. Дело в том, что напряжение бортовой сети не когда на бывает абсолютно стабильным., а постоянно изменяется, хотя и в небольших пределах, в то время как Udv практически не меняется. Посмотрим как будет изменяться ток через 4, 5 и 6 светодиодов с Ivdmax = 70 мА и Uvd = 1,85 В, при сопротивлении R=86,6 Ом рассчитанном для U = 13,8 B, если бортовое напряжение U изменяется от 12 В до 14,5 В.
Результаты вычеслений я свел в таблицу:

U = 12 B
U = 13,8 B
U = 14,5 B

Ток черз 4 светодиода, мА

37,7 мА
52,5 мА
58,2 мА

Ток черз 5 светодиода, мА

31,7 мА
52,5 мА
60,5 мА

Ток черз 6 светодиода, мА

17,5 мА
52,5 мА
66,1 мА

Из таблицы видно, что чем больше светодиодов в линейке, тем больше колебания тока, а значит и яркость, при изменении бортового напряжения. Так 6 светодиодов при U=12 В будут светить очень слабо, а при U>14,5 В могу и сгореть.

Поэтому здесь необходимо находить компромисс, исходя из того, насколько стабильно у вас напряжение бортовой сети.

Теперь немного о конструкции

Во первых, рассеиватель. Дело в том, что светодиоды излучают свет определенной длинны волны, и если цвет рассеивателя не будет соответствовать цвету излучения, то из-за этого будет уменьшаться яркость. Поэтому рассеиватель лучше использовать белый – прозрачный.

Во вторых о креплении светодиодов. Светодиоды вместе с резисторами можно запаять на печатную плату из стеклотекстолита. Но, для увеличения угла излучения светодиоды должны запаиваться не все вертикально, а под разными углами. Если взять тонкий текстолит, то плату можно изогнуть. Кроме этого, для защиты от вибрации, необходимо устанавливать светодиоды на держатели или залить выводы каким нибудь компаундом. При пайке будьте осторожны, не перегревайте светодиоды и не паяйте слишком близко к корпусу.