Регистрация Забыли пароль?
Объекты Жители Библиотека Блоги
Alai
Укуренный Алхимик написал 21 декабря 2012 в 22:18 [изменен через 2 часа] [ Назад ]

Как работает светодиодный фонарь, или о свете, тепле и балансе белого

Я думаю, что ни для кого здесь не является секретом, что огромное количество школьников, насмотревшись на фотографии из бомбоубежищ и заброшенных заводских цехов думает примерно так: "Найду свежий бомбарь, наделаю там кучу фоток на телефон, вынесу ящик ГП-5, загоню барыге, слеплю на соплях и изоленте невъ*бенный фонарь, вынесу вообще всё что не приварено, загоню, куплю себе зеркалку и буду Мега-ТруЪ-дигг-сталкером".

Кто-то фейлит на самом первом шаге, но некоторые, не успев попасться ЧОПам, идут дальше, и порой 5-й шаг реализуется вот в таких формах:Image

При этом собственная крутость распухает распухает до просто неимоверных размеров, но очень скоро выгоревшие диоды начинают намекать владельцу фаллокомпенсатора на то, что он где-то ошибся.

А происходит так потому, что светодиоды вещь нежная и хамского отношения к себе по типу "смотать 100500 штук вместе и подключить к аккумулятору от дедушкиного Москвича" не приемлют.
Когда-то давным-давно все фонари собирались на пучках мелких диодов вот такого вида:
Image
Конструкция не случайно совпадает с конструкцией индикаторного светодиода - это было сделано для удешевления производства, чтобы переход с одного типа на другой заключался в основном в замене бункера с кристаллами в сборочной линии. Но вместе с большинством элементов новые диоды унаследовали и ограничение максимального рабочего тока, потому что не вся подведенная к ним энергия преобразуется в свет, а отвести тепло через толщу пластмассы через пару проволочек сложно. Поэтому были разработаны новые корпуса, позволяющие быстро отводить тепло от кристалла:
ImageРабочий ток резко рванул вверх - уже не 20 мА, а 40, 60, 100, 150, 350 и 700 мА - в 35 раз больше, чем раньше! Потом появились образцы, рассчитанные на 1, 1,5, 3А и даже больше. Впрочем, предельная мощность быстро уперлась в ограничения источника питания, но это уже тема отдельного разговора.
На самом деле белый светодиод совсем не белый, потому что белый свет представляет собой смесь излучений с различными длинами волн в диапазоне от 400 до 700 нм, а кристалл излучает свет в гораздо более узком диапазоне - глазом это выглядит как ярко выраженный цвет:
Image
Нечто подобное на белый свет можно получить смешением трех основных цветов - красного, синего и зеленого. Результат будет примерно таким:
Image
Это, конечно, лучше, чем линейчатое излучение лампы дневного света:Image
Но даже до уровня лампы накаливания не дотягивает. Особенно плохо получается при таком свете фотографировать, ибо отдельные участки в спектре практически выбиты, из-за чего очень сильно страдает цветопередача и цветовосприятие. Все источники света светят по разному, поэтому для оценки различных источников света была придумана такая вещь как CRI - сокращение от слов colour rendering index, или в переводе на русский - индекс цветопередачи. Это параметр, который показывает уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света.
Сам по себе индекс цветопередачи есть некая заплатка к цветовой температуре, которую можно понимать как температуру, до которой надо нагреть некую болванку для того, чтобы спектр ее излучения соответствовал спектру нашего источника:
Image
Видно, что чем больше цветовая температура источника света, тем больше видимый нам его цвет смещается в сторону синего. На самом деле спектральный максимум излучения может смещаться и дальше, в ультрафиолетовую область, но мы этого уже не увидим.
Шкала цветовых температур для самых распространенных источников света выглядит так:
Image
Обратили внимание, что все лампы светят по-разному? Это имеет самое непосредственное отношение к теме фотографии, а именно - к установке баланса белого.
Цветовая температура сама по себе не зависит от индекса цветопередачи, но для каждого источника света можно определить и то и другое:
ImageОбратите внимание, что индекс цветопередачи и у ламп накаливания, и у неба северного полушария считается очень высоким, притом, что ни один из них не является действительно безупречным (лампы накаливания очень слабы в освещении синих тонов, а северное небо при 7500 К, в свою очередь, слабо при освещении красных тонов).
Различия в величинах CRI меньшие, чем пять единиц, незначительны и невооруженным глазом практически не видны.
В эпоху пленочной фотографии достижение точной передачи цветов при съемке и печати было достаточно сложно, но цифровая фотография эту задачу сильно упростила. Единственное требование к оригиналу для цветокоррекции - формат RAW, потому что сжатие с потерями информации, распаковка, цветокоррекция и обратная упаковка в сжатый формат стремительно гробят качество изображения. Если есть возможность - не жалейте места на карточке памяти. Они сейчас недорогие :)
Трехкристальные белые светодиоды, как показано выше, по своему спектру излучению похожи на лампы дневного света, и индекс цветопередачи у них тоже невысок. Это (и сложности получения чисто белого цвета) привело к тому, что основная масса белых светодиодов делается с применением люминофора - вещества, поглощающего свет и переизлучающего его в другом диапазоне. Выглядит это в простейшем случае примерно так:Image
Чем ниже цветовая температура светодиода, тем тем сильнее люминофор поглощает первичный свет и тем сильнее излучает в желтом участке спектра.
Собственно, здесь и начинается самое интересное. Видите провал в голубой области? В тех случаях, когда требуется повышенная точность цветопередачи, используют люминофор более сложного состава, излучающий не только в желтом участке:
Image В настоящее время основная масса светодиодов выпускается фирмой Cree, всё остальное, похоже - или остатки от старых завозов, или редко встречающаяся экзотика.
Вот такой вот зоопарк:
Image
И все это - от одного производителя. Причем примерно треть наименований из показанных - уже устарели.
На этом графике показаны в одном масштабе вольт-амперные характеристики трех наиболее распространенных в наше время светодиодов:
Image
Вроде как все просто и понятно - чем больше напряжение, тем больше ток через диод, чем свежее батарейки в фонаре - тем ярче свет. Но именно здесь кроется главная засада.
Все проводники электрического тока при работе нагреваются. Для лампочки накаливания это необходимо - она светится исключительно за счет нагрева металлической спирали до высокой температуры, то для светодиода это досадный побочный эффект. Кроме того, проводимость металла с повышением температуры падает - лампочка словно сама защищается от перегрузок, а вот полупроводниковый кристалл ведет себя с точностью до наоборот:
Image
Чем больше рабочий ток диода, тем меньше эффективность преобразования электрической энергии в световую и тем большая доля электрической энергии превращается в тепло, разогревающее кристалл. Поэтому нельзя напрямую пересчитать поданное на светодиод напряжение в световой выход.Image
При этом выделяющееся тепло вносит свой вклад в процесс падения эффективностью - чем выше температура кристалла, тем хуже выделение света.
Image
На этом подлянка не заканчивается - чем сильнее нагрет кристалл, тем лучше он проводит электрический ток и тем сильнее нагревается. Обратите внимание - при определенных условиях уменьшение падения напряжения на кристалле всего на 8% вызывает рост тока более чем в два раза! Если не предпринять меры, светодиод долго не проживет. Практически всегда этим страдают недорогие китайские фонарики, в которых предельное упрощение конструкции вместе с предельным ее удешевлением шанса на долгую и надежную работу просто не оставляет.
Казалось бы, в светодиоде нет спирали, поэтому он не боится ударов, вибрации и перегорания. Однако в нем есть люминофор, который с течением времени все менее эффективно перерабатывает свет, да и сам кристалл со временем начинает светить слабее из-за изменений в его структуре. Обычно срок жизни диода измеряют до момента падения мощности света на 30% от исходной:ImageХорошо видно, что чем хуже охлаждение светодиода, тем меньше срок его жизни.
Все мощные светодиоды рассчитаны на работу со внешним теплоотводом и почти все - на автоматизированную установку. Это значит, что "тепловая подошва" диода обязательно должна быть припаяна к металлическому основанию, на которое он установлен.Image
Такие основания продаются уже готовыми и представляют собой печатную плату на металлической основе. Обычно основа сделана из алюминия, но для особых эстетов, не стесненных в средствах, бывают и медные. Про серебряные я не слышал :)
Image
Для каждого типа диода делается особый тип такой платы:Image
Если вам очень хочется собрать самому светодиодный фонарь, но паяльник в руках вы держите первый раз в жизни - ищите уже напаянные на основание диоды. Сами вы их туда не посадите.
Иногда ради экономии основание делают из покрытого медной фольгой текстолита, в котором сверлят много мелких отверстий и наносят на их стенки тонкий слой металла. В жизни это выглядит примерно вот так:Image
На малой мощности такое решение работает, но хоть это и лучше обычного текстолита, но намного хуже нормальных "звезд".
Если заглянуть в техническое описание диода, то там можно найти табличку примерно такого вида:ImageВ ней много разных цифр, но общий смыл таков: чем лучше цветопередача, тем меньше яркость и тем желтее свет. Конечно, приятно осознавать что в фонаре много люмен и мощный бело-голубой луч круто смотрится даже при взгляде сбоку. Но при попадании в туман или облако пара такой фонарь будет в первую очередь своего владельца, а разницу в световом потоке в 30% человек практически не воспринимает из-за особенностей зрения (именно поэтому противотуманные фары - желтые). Так что уж решайте ,что вам важнее - крутой вид или хороший свет и хорошие фотографии :)
И в заключение - об одной широко распространенной китайской разводке. Очень часто можно встретить в продаже вот такое:
Image
На самом деле 1600 люмен там и близко нет. Откуда же берутся такие цифры?
Всё просто. Заявленную эффективность диода (160 люмен на ватт) просто умножают на максимальную мощность (10 ватт). на самом деле 160 люмен на ватт можно получить только в условиях лаборатории - на предварительно охлажденном диоде, на малом рабочем токе и в коротком импульсе, пока кристалл не успел нагреться (помните графики?).
На деле все будет не так радужно. На токе 3А диод XM-L T6 даст порядка 950-980 люмен света, оптика фонаря тоже внесет свою долю потерь (хороший рефлектор дает 3-8% потерь, хорошая линза с полным внутренним отражением - 10-12%, посредственная - 15-20%, стекло фонаря - 4-15 :) - итого на выходе будет порядка 700 люмен.
Еще хуже обстоит дело в фонарях с регулируемым фокусом. они устроены так, что при полностью сфокусированном луче до 60% света остается внутри фонаря. Кроме того, из-за наличия в нем подвижных частей туда неминуемо попадает влага и пыль, а сам диод перегревается, что не лучшим образом сказывается на его работе.
hemi
Тёма Р hemi написал 21 декабря 2012 в 22:46
нащет последнего обзаца про 1600люмен...

там обычно приписка мелким шрифтом "manufacture rated " или типо того,измерено вощем производителем,дедушкой Ляо. на глаз. это все обьясняет


а теперь можно плавно перейти к тому,почему погоня за люменами бессмысленна и почему Fenix E40 с 200 люменами светит на 260 метров, а Eagletac 780 люм светит максимум на 80
+14
Ссылка | 1 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 21 декабря 2012 в 23:00
hemi:
почему погоня за люменами бессмысленна
Вообще-то бывает осмыслена. Не всегда есть возможность снимать на выдержке.
почему Fenix E40 с 200 люменами светит на 260 метров, а Eagletac 780 люм светит максимум на 80
Разная фокусировка.
inoi
inoi написал 21 декабря 2012 в 22:59
Пилять, и тут напоминают про диплом...
:)
0
Ссылка | 3 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 21 декабря 2012 в 23:07
inoi: А я давно уже сдал : - Р
А за сданные знания специалист ответственности не несет.
Хотя я вообще не понимаю, нафиг вообще на моей должности высшее образование и даже среднее.
+3
Ссылка |  ↑ | 2 отв.
gzbender74
Данил bender gzbender74 написал 22 декабря 2012 в 12:41
Alai: а ты всю жизнь одним и тем же планируешь заниматься?
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 16:58
gzbender74: В зависимости от зарплаты.
Vrem
Алексей Vrem написал 22 декабря 2012 в 01:05
По моему тут не хватает совета для тех, кто ничего не хочет делать сам, а готов купить уже готовое. То есть какие конкретно модели и марки фонарей можно рекомендовать как действительно стоящие и качественные? В идеале представить в диапазоне по типу - назначение-мощность-цена.
+13
Ссылка | 10 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 01:25
Vrem: Рекламой на безвозмездной основе я не занимаюсь. Впрочем, рекламой я не занимаюсь вообще. За обзорами китайских железяк можно обратиться на соответствующие ресурсы.
+9
Ссылка |  ↑ | 8 отв.
Vrem
Алексей Vrem написал 22 декабря 2012 в 01:33
Alai: каково тогда вообще назначение этого поста?
+7
Ссылка |  ↑ | 7 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 02:06
Vrem: Теория для тех, кто будет собирать фонарь сам под свои задачи, а не под то как их видят китайцы.
+3
Ссылка |  ↑ | 5 отв.
Shmit
Котенок Гав Shmit написал 22 декабря 2012 в 02:33
Alai: фонарь = свет = подблог
+10
Ссылка |  ↑ | 3 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 25 декабря 2012 в 20:11
Shmit: баланс белого = фото = ?
+4
Ссылка |  ↑ | 2 отв.
inoi
inoi написал 26 декабря 2012 в 01:09
Alai: Ты упорот? Тот подблог специально создавался для обсуждения фонарей, светодиодов и теплоты света.
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 26 декабря 2012 в 19:37
inoi: Да, я упорот :) Ты считаешь, что это плохо?
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 11:00
Alai: спасибо, но я бы добавил побольше про ток, про токоограничивающие резисторы, стабилизаторы напряжения в режиме тока, источники питания и т.п. Статья сильно поверхностная и размытая, много матана про тепловые характеристики и т.п. и ничего про U=IR :)
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 10:57
Vrem: для таких как я, у кого радиус рук большой и есть некоторое наличие матана в голове и оборудования.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 10:56
Vrem: эти темы уже есть и раскрыты, будь внимательнее!
Insider
Insider написал 22 декабря 2012 в 01:15
помоему этому место в разделе СВЕТ
+17
Ссылка | 3 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 01:23
Insider: здесь света нет.
+3
Ссылка |  ↑ | 2 отв.
Insider
Insider написал 22 декабря 2012 в 03:00
Alai: доброе утро!
urban3p.ru/subblogs/light/ специально для любителей подрочить на фонари и люмены :)
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 16:56
Insider: Заметь, на заводские фонари.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 10:56
Охрененная статья, если сам осилился запилить, то вообще молодец. По поводу баланса белого... именно из-за него я перепаял светодиод в фонарике на много более тёплый.
0
Ссылка | 26 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 16:57
SubSin: Текст мой, три вечера допиливал до такого вида, чтобы материал был понятен не только специалисту по электронике.
0
Ссылка |  ↑ | 25 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:00
Alai: классно, очень доходчиво, но имхо матана бы побольше, и сути, так как представленной инфы для не спецов думаю мало.
0
Ссылка |  ↑ | 24 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:08
SubSin: пусть для начала усвоят эту.
0
Ссылка |  ↑ | 23 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:09
Alai: ты кстати сам, свой фонарь прокачивал?
0
Ссылка |  ↑ | 12 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:12
SubSin: Да.
0
Ссылка |  ↑ | 11 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:24
Alai: поделишься?
0
Ссылка |  ↑ | 10 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:43
SubSin: Один из:
Image
urban3p.ru/blogs/24399
0
Ссылка |  ↑ | 9 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:53
Alai:
модули представляют собой функционально законченное ядро светодиодного фонаря
Халявшик :)
0
Ссылка |  ↑ | 8 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:59 [исправлен через 1 минуту]
SubSin: Так это один из. А еще были буст на 310-й (разобран), буст на 400-й (утрачен при запале), резистивник (отдан бате), сепик на 3454 (подарен), да и сейчас кое-что делается.
0
Ссылка |  ↑ | 7 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 18:03
Alai: мне интересуют более продвинутые схемы управления, с более низкими энергопотерями и прочими свистелками и перделками.
0
Ссылка |  ↑ | 6 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 18:06
SubSin: А управление практически на любом драйвере делается через ШИМ от МК.
0
Ссылка |  ↑ | 5 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 18:13
Alai: а тебе не кажется, что если добавить МК, то чересчур нанофонарик получится? К нему ведь ещё и прогу писать надо, тогда можно и режимов кучу сделать и управление яркостью цифровое.
0
Ссылка |  ↑ | 4 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 18:20
SubSin: хватает уже готовых проектов с уже написанным софтом и отлаженным железом.
0
Ссылка |  ↑ | 3 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 18:24
Alai: Программатор сёравно городить надо будет... Не, я пока похожу не с технологичным фонарём, зато с надёжным :) Хотя я задумался, если всё грамотно сделать, то будет весьма кошерно.
0
Ссылка |  ↑ | 2 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 18:27 [исправлен через 36 секунд]
SubSin: В программаторе - 10 деталей, не считая разъема. Собирается за три минуты.
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 18:33
Alai: да, у меня столько разъёмов дома, прессом прям :) мне только зашить уйдёт день минимум... пока всё до кучи соберу.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:11
Alai: LM317 использовал?
0
Ссылка |  ↑ | 9 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:14
SubSin: Покайся, еретик!
Ибо использование не Low-Drop линейных стабилизаторов мерзость есть пред лицом энергоэффективности!
0
Ссылка |  ↑ | 8 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:24
Alai: я энергоэффективность решаю аккумом от сигналки на 7А в подсумке от ГП-5 :) только анафеме не подвергай за это :)

А ты что посоветуешь?
0
Ссылка |  ↑ | 7 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:44 [исправлен через 54 секунды]
SubSin: Бегать со свинцовым аккумулятором...
Как грубо. Половина энергии улетает на нагрев атмосферы.
Только литий, только высокая плотность энергии!
0
Ссылка |  ↑ | 6 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:51
Alai: эти просто хабарные и их у меня много, а литиевые пока не попадались.

А в качестве стабилизатора?
0
Ссылка |  ↑ | 4 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 17:59
SubSin: Стабилизатор зависит от нагрузки.
0
Ссылка |  ↑ | 3 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 18:04
Alai: КЭП? ну смотри, допустим три диода по 1Вт
0
Ссылка |  ↑ | 2 отв.
Alai
Укуренный Алхимик Alai написал 22 декабря 2012 в 18:05
SubSin: 7135 на каждый.
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 18:17
Alai: спасибо, я подумаю над этим
SubSin
ТоСт SubSin написал 22 декабря 2012 в 17:52
Alai:
Как грубо.
Я быдло, мне можно :)
Simplyman
Денис Simplyman написал 22 декабря 2012 в 13:13
Спасибо за познавательный пост!
Mexanik72
Mexanik72 написал 22 декабря 2012 в 19:00
Познавательно и читается легко, однозначно плюс
Только жители сайта могут оставлять комментарии.