Testy taśmy diodowej

[amisiek]

Kilka dni temu kupiłem taśmę diodową - z tej taśmy powstanie oświetlenie poszafkowe, które świeci na blaty. Obecnie w tym miejscu świeci T5 13W de Luxe, docelowo w podobnym miejscu będą właśnie te diody. Parametry deklarowane przez producenta CRI=89, CCT=4200K przy kącie +/- 20 stopni od osi prostopadłej do powierzchni diody. Na boki niestety gorzej, ale i tak do blatu z powodzeniem starczy.
Taśma wygląda tak

Więcej zdjęć jest tu.
Przyszła pora na pomiary strumienia świetlnego zależnie od napięcia. Krótki odcinek taśmy przykleiłem do profilu zawierającego przysłonę rozpraszającą i podłączyłem do zasilacza o regulowanym napięciu. Użyte mierniki - natężenie - UNI-T UT33C, napięcie DT9205A, luksomierz Ju-116 z fotoelementem F55C. Typ zasilacza nie jest istotny dla wyników pomiaru, zasilacz dostarcza prądu stałego o regulowanym napięciu.

po przystawieniu źródła do luksomierza wybrałem odpowiedni zakres pomiarowy i rozpocząłem pomiary od najniższego napięcia aż do maksymalnego, którym te diody zamierzam zasilać (13V). Ponieważ przeliczanie na lumeny byłoby bardzo trudne tutaj (nie są mi znane straty na białym pasku rozpraszającym), postanowiłem podać wszystkie obliczenia w umownych jednostkach, którymi są odczyty luksomierza. Według instrukcji dla tego zakresu należy je przemnożyć przez 100, by uzyskać lx, ale wynik nie będzie miarodajny. Dlatego stwierdziłem, że lepiej będzie liczyć wszystko w jednostkach umownych, po to, by wychwycić zależności.

Oto wyniki pomiarów:
.
I teraz wykresy:
Strumień zależnie od napięcia zasilającego


Sprawność [jedn/W] systemowa oraz samych diod po odliczeniu strat mocy na rezystorze szeregowym w funkcji napięcia:


Straty na rezystorze szeregowym zależnie od napięcia


Do pomiarów wykorzystałem odcinek taśmy diodowej o długości 5cm, zatem na jeden metr przypada moc systemowa równa od 2W (10,2V) do 5,8W (13,1V). W praktyce oznacza to, że taśma powinna być przyklejona do profilu, który usprawni oddawanie ciepła. Tak też zrobiłem. Prawdopodobnie napięcie ustawię na około 11V by osiągnąć oczekiwany strumień ale nadal nie tracić zbyt dużo mocy na rezystorach.

[amisiek]

Wracam po siedmiu latach - tym razem nowa taśma diodowa o sporej mocy, dużo drobnych diodek.


Wziąłem ją na warsztat - odcinek 50cm, zawierający 40 modułów. 1 moduł to standardowo trzy diody LED szeregowo i rezystor 150Ω. Półmetrowy odcinek przy 12V wciąga prawie amper prądu, cała taśma ma deklarowaną moc 120W - dużo!


Cel pomiarów - ustalenie optymalnego napięcia zasilania pod kątem skuteczności świetlnej oraz opłacalności zakupu.
Zestaw pomiarowy - zasilacz regulowany wyposażony w woltoamperomierz, ale pomiary napięcia dokonane multimetrem Hantek 2D72 (jest to przyrząd uniwersalny + prosty cyfrowy oscyloskop do 100MHz w jednym). Dokładność pomiaru napięcia i prądu jest wystarczająca dla potrzeb tego testu.


Siłę światła zmierzyłem w ten sposób, że umocowaną taśmę powiesiłem nad włączonym marketowym luksomierzem. Urządzenie było testowane w warunkach laboratoryjnych i charakteryzowało się odchyłką mniejszą od 15% w zakresie powyżej 100lx do 1000lx i poniżej 10% w zakresie od około 1000 do 8000lx, wyżej nie sprawdzałem.


Elektryczne wartości mierzone - napięcie, prąd zasilania, napięcie na końcu taśmy, by ustalić spadek napięcia na 50cm odcinku, spadek napięcia na rezystorze modułu diodowego. Pomiary siły światła powtórzyłem na stanowisku przy tych samych napięciach zasilających.

Wyniki po uśrednieniu umieściłem w tabelce poniżej. Tutaj ciekawostka - od około 11V zaobserwowałem zmniejszanie się strumienia światła w miarę rozgrzewania diod. Oznacza to, że powyżej tego napięcia dioda pracuje w zakresie powyżej zalecanego prądu eksploatacji przy tym stopniu chłodzenia. Przy 12V wskazanie luksomierza startowało od 6050-6100, by po około minucie świecenia stabilizować się na wartości około 5850-5920. Do tabelki poniżej wziąłem średnią z trzech pomiarów.


Dokonane wyliczenia wskazują na to, że główną przyczyną strat mocy jest spadek na rezystorze modułu. Oznacza to, że wartość tego rezystora oraz napięcia zasilania nie była dobierana optymalnie.

Poszukajmy zatem optymalnego napięcia zasilania pod względem ekonomicznym. Zakładam, że koszt zasilacza jest identyczny w obu przypadkach, koncentruję się na diodach. Jeden kpl, 5m taśmy o deklarowanej mocy 120W to 85zł. Ta taśma zawiera 400modułów po 3 diody każdy. Liczę koszt eksploatacji 10 taśm wysterowywanych napięciem jak w tabelce, czas świecenia 8h, 30 dni miesięcznie, koszt energii elektrycznej w taryfie C11 to 1,12zł/kWh. Jak widać, przy 12V jedna czwarta mocy tracona jest na rezystorach w modułach! Najwyższą sprawność uzyskujemy przy małym prądzie. Dodatkowo zmierzyłem także tryb oświetlenia dyżurnego, gdy diody były zasilane prądem 50µA.

Jak to wygląda od strony ekonomicznej, włącznie z kosztami zakupu?
Im mniejszy prąd, tym więcej takich taśm potrzebujemy, by uzyskać oczekiwaną jednostkę światła. Dla wyliczeń przyjąłem tę wartość jako równoważną 4mln wirtualnych odczytów z luksomierza dla mierzonego odcinka, co odpowiada ok. 10 taśmom ze średnim wysterowaniem.



Jak widać - optymalne napięcie zasilania takiej taśmy to około 10V, wtedy straty energii na rezystorze szeregowym są dwa razy mniejsze, niż przy 12V, dodatkowo diody wysterowywane mniejszym prądem są sprawniejsze, gdyż pracują w lepszym reżimie temperaturowym, niż przy zasileniu napięciem 12V.

Co jeszcze można poprawić?
Gdyby zmniejszyć oporność rezystora szeregowego o połowę i odpowiednio zmniejszyć napięcie zasilania, można byłoby te straty obniżyć o połowę, zachowując lepszą sprawność diodek. Wymagać to będzie jednak precyzyjnej regulacji napięcia zasilania - nie każdy zasilacz to potrafi.

Jak zasilać taką taśmę?
Koniecznie od dwóch stron, w odcinkach nie dłuższych niż 2m, by minimalizować straty związane ze spadkiem napięcia na miedzianych ścieżkach taśmy. Fajnym pomysłem jest podzielenie taśmy na dwie równe połówki i zasilenie z 20V, by zmniejszyć straty na przewodach doprowadzających.

Realizacja praktyczna
Instalacja z taśmą o mniejszej mocy (wyniki pomiarów też będą), pracuje w jednym z warsztatów, gdzie zastąpiła świetlówki T8 36W 865 w rastrach, na statecznikach elektronicznych. Po trzech latach eksploatacji tych opraw padła połowa stateczników. Po wyjęciu rur i odłączeniu zasilania 230V, na odbłyśnik zostały naklejone paski diodowe, łączone po dwa równe odcinki szeregowo. Oprawa zasilana napięciem 22V pochodzącym z zasilacza transformatorowego, pojedynczy zasilacz na pomieszczenie. Celem była trwałość konstrukcji oraz zmniejszenie poboru energii. Użyte diody w takim opakowaniu. Będą mierzone tą samą metodą, później.

[KaszeL]

Ciekawa analiza Marcin. Do głowy tak na szybko przychodzą mi takie oto wnioski.

Po pierwsze, przy tak dużej stracie mocy na rezystorach warto pomyśleć i zmniejszeniu ich ilości. Czy dobrze myślę, że zmiana taśmy na 24V po za zmniejszeniem prądu w obwodzie i w konsekwencji usunięciu połowy rezystorów (moduły będą miały zestaw 6 LED + rezystor) zmniejszy te straty o połowę? Przy znacznej mocy instalacji to może być bardzo prosty sposób, żeby zwiększyć sprawność o 10%. Idąc dalej, można by się pozbyć tych rezystorów w ogóle zastępując je zworami i zasilać całość z zasilacza prądowego a nie napięciowego. To oczywiście musiało by się wiązać z koniecznością podziału całości na poszczególne moduły i połączenia kilku (10?) szeregowo. Dało by to stosunkowo wysokie napięcie zasilania, rzędu 200+V na pakiet 10 modułów ale jest bez problemu do zrobienia. Oczywiście było by z tym kupa roboty, co sprowadza się do tego, że trzeba by poszukać innego rozwiązania niż taśmy -> czyli lądujemy z COB-em. Co prawda nie szukałem, ale nie sądzę żeby ktoś budował taśmy LED do zasilania prądowego, a nie napięciowego - ale może są takie?

Po drugie, wydaje mi się, że kwestia przegrzewania się tego paska wynika raczej z tego że do pomiarów po prostu wisiał w powietrzu. Nie sądzę, żeby ten problem występował po przyklejeniu go w miejsce docelowe. Przy mocy powyżej 20W/m trzeba je koniecznie kleić do czegoś co w jakiś sposób odprowadza ciepło. Szkoda, że nie mamy informacji o tym jakie tam użyto diody. Generalnie można próbować je przelutować na jakieś inne, ale to już hardcore czasowy. Próbowałem to robić prostym hotair'em i generalnie da się, ale potrzeba na to tyle czasu, że w zasadzie praktycznie jest to całkowicie nie opłacalne. Trzeba szukać pasków, których producenci jasno podają jakie diody używają do ich budowy. Swoją droga, ciekawe czy już można dostać na rynku coś bazującego na diodkach ze sprawnością >200lm/W. Niestety biorąc pod uwagę również sprawność zasilacza, może się okazać że sprawność systemu w tym konkretnym przypadku nie jest już jakaś rewelacyjna. Oczywiście nadal będzie po za skalą względem świetlówek które tam były wcześniej. Ostatecznie wydaje mi się, że jeśli szukamy maksymalnej sprawności, to niestety taśmy LED nie są kierunkiem w który należy uderzać. Szczególnie, jeśli powierzchnie do oświetlania są duże, czyli tych pasków trzeba stosunkowo dużo.

PS. 1,12 zł/kWh z C11? Jakoś podejrzanie tanio

[amisiek]

Oczywiście, że tak jest i pracuję nad pomysłami jak niżej. Taśma 24V wg mnie mija się z celem w tej chwili, bo po pierwsze tych taśm jest mało, po drugie mało kto z polskich producentów (czytaj - importerów z Chin) dokładniej pisze jak te tasmy są zrobione. O ile czasami da się coś znaleźć na temat diodek użytych w niektórych tasmach 12V i potem podpasować wyniki pomiarów do zapisów katalogowych diodek, o tyle w taśmach 24V niewiele wiadomo. W sumie i tak niewiele wiadomo. W tej mocnej taśmie można pozwierać rezystory i potraktować to jak wielkiego COBa, zwłaszcza, że oporność miedzi jest niewielka, zatem dystrybucja prądu między modułami jest ok. Przy pełnej mocy jest to 0,05V na pół metra długości, zatem można śmiało łączyć odcinki tej długości, albo wybrać metrowe i zasilać z dwóch stron z szyny. Oczywiście zasilam wtedy zasilaczem o obniżonym napięciu, ustawionym precyzyjnie. Być może jakiś niewielki rezystor szeregowo? Jeszcze nad tym popracuję.

PPrzy znacznej mocy instalacji to może być bardzo prosty sposób, żeby zwiększyć sprawność o 10%. Idąc dalej, można by się pozbyć tych rezystorów w ogóle zastępując je zworami i zasilać całość z zasilacza prądowego a nie napięciowego. To oczywiście musiało by się wiązać z koniecznością podziału całości na poszczególne moduły i połączenia kilku (10?) szeregowo. Dało by to stosunkowo wysokie napięcie zasilania, rzędu 200+V na pakiet 10 modułów ale jest bez problemu do zrobienia. Oczywiście było by z tym kupa roboty, co sprowadza się do tego, że trzeba by poszukać innego rozwiązania niż taśmy -> czyli lądujemy z COB-em. Co prawda nie szukałem, ale nie sądzę żeby ktoś budował taśmy LED do zasilania prądowego, a nie napięciowego - ale może są takie?

I właśnie o tym nie myślałem, założyłem, że skoro w COBach są łańcuchy struktur połączone równolegle, to na taśmie też tak może być. Gdyby pociąć na drobne kawałki i połączyć szeregowo, na pewno by się dalo zrobić zasilanie szeregowe wyższym napięciem. Ale jeśli można użyć czegoś niskonapięciowego, to wolałbym jakieś 12, 24 lub 48V. Bo jest to napięcie bezpieczne, prosto zrobić backup bateryjny, a to ma swoje zalety (w tym miejscu i tak będzie zasilanie SELV do innych celów). Wtedy dam stepdown z ograniczeniem prądu, z tego zasilę taśmy i będzie ładnie świeciło. Dodatkowo w zasilaczu dam rezystor o sporej wartości, by pchnąć kilkadziesiąt mikroamperów - będzie oświetlenie dyżurne.

Po drugie, wydaje mi się, że kwestia przegrzewania się tego paska wynika raczej z tego że do pomiarów po prostu wisiał w powietrzu. Nie sądzę, żeby ten problem występował po przyklejeniu go w miejsce docelowe. Przy mocy powyżej 20W/m trzeba je koniecznie kleić do czegoś co w jakiś sposób odprowadza ciepło.

Spróbuję też. W docelowej instalacji taśmy są lekko ciepłe przy 11V na taśmę, metalowy odbłyśnik nieznacznie się nagrzewa. Odnośnie do przelutowywania diodek - masz rację, szkoda czasu. Nie biorę tego nawet pod uwage. I też bym chciał paski z diodkami 200lm/W.

Niestety biorąc pod uwagę również sprawność zasilacza, może się okazać że sprawność systemu w tym konkretnym przypadku nie jest już jakaś rewelacyjna. Oczywiście nadal będzie po za skalą względem świetlówek które tam były wcześniej.

Dokładnie tak. W drugiej części były oprawy na 2xT8 58W z obsadzonymi rurami 765. W oprawę wchodzi 2A x 22V = 44W. Pod oprawą jest subiektywnie jaśniej niż przy świetlówkach i to sporo. Strumień był z grubsza porównywalny po obniżeniu zasilania do około 19V. Myślę, że taka sprawność jest dostateczna, bo szukam tutaj optymalnej sprawności i naprawdę dobrej długowieczności. Stąd pogonienie diodek mniejszym prądem od znamionowego dla tej taśmy. Koszt taśm jest tu prawie pomijalny w porównaniu do energii elektrycznej. Myślę, że COB umożliwiłby zejście z mocą sporo poniżej 30W na oprawę. Ale całość zajęła mi niewiele czasu, zasilacz obwodu SELV kosztował 0zł, bo już był, leżał i czekał na zastosowanie.

PS. 1,12 zł/kWh z C11? Jakoś podejrzanie tanio

Tyle wychodzi średniorocznie po odjęciu tego, co wygeneruje PV. Jeśli jest drożej, to tym bardziej warto pozbyć się świetlówek.

[amisiek]

Oto wynik pomiarów drugiej taśmy - takiej



To jest taśma o mniejszej mocy, diody mniej sprawne, ale podobno CRI90. Świecą ładnym światłem, powiedziałbym, że naprawdę mogą mieć CRI=90, chociaż do Citizenów im sporo brakuje. Rolka 5m kosztuje 30zł.
Pomiary wykonane identycznie jak poprzednio, ten sam setup, te same nastawy


Jak widać tutaj są dwa rezystory po 18Ω każdy. Oto wyniki testu polegającego na zwarciu jednego z nich i dobraniu takiego napięcia zasilającego, by sumaryczny prąd tej taśmy był identyczny.
Zgodnie z przewidywaniami straty spadły o połowę:

Ale teraz taśma wymaga bardzo precyzyjnego nastawiania napięcia. Niemniej reguła wychodzi taka, że tę taśmę ze zwartym jednym z dwóch rezystorów należy zasilać napięciem 10V i będzie dawać radę przy mniejszych stratach mocy. Taśma ta jest o wiele słabsza od poprzedniej, jest tańsza, ale per jednostka światła wychodzi jednak drożej. Moim zdaniem ma lepszą jakość tego światła. Nawet na starszych aparatach nie ma zielonkawego zafarbu. Jeśli szukasz czegoś, co może na szybko zastąpić stare świetlówki T8, bo musisz zredukować ilość pobieranej energii, to taką taśmę zasiloną obniżonym napięciem z popularnych zasilaczy modułowych (z regulacją) mogę z czystym sumieniem polecić. Daje o 2/3 więcej światła od sprzedawanych pięć lat temu tasiemek Osram za jedną piątą tamtej ceny.