[hempfield]

Salutare !

Din ce in ce mai multi groweri vor sa migreze spre lumini de crestere bazate pe leduri, din cauza avantajelor pe care le aduc acestea, dintre care amintim :
- eficienta energetica net superioara surselor de lumina deja consacrate ( MH, HPS, CFL, etc) ;
- caldura degajata mult redusa ;
- usurinta exploatarii ;
- durata de viata foarte mare (>50.000h).
- posibilitatea adaptarii spectrului ;
- iluminarea mult mai uniforma a spatiului de crestere ;

Totusi, preturile dispozitivelor comerciale este in mare masura exagerat si neaccesibil, iar pe langa asta importul lor poate ridica probleme de securitate.

Din fericire exista alternativa construirii chiar de catre grower, in regim DIY , a unor surse performante de iluminat.

In acest tutorial voi descrie pasii necesari construirii unei astfel de surse, cu o putere maxim consumata de 50W, necesara acoperirii unei suprafete de crestere de 1sqft (adica un patrat cu latura de aproximatic 30cm). Experimental s-a constatat ca se obtin rezultate bune cu o iluminare de 30W/sqft, iar cu 50W/sqft rezultatele sunt mai mult decat multumitoate. Evident acest modul poate acoperii o suprafata de pana la 0.25mp (50x50cm) insa cantitatea de lumina incidenta pe unitatea e suprafata va fi considerabil mai mica.

O data realizat acest tip de modul, el poate fi replicat/multiplicat pentru a acoperii suprafete mult mai mari.

In prima parte a tutorialului voi incerca sa acopar considerentele teoretice, urmand ca apoi sa trecem in evidenta necesarul de materiale si fiecare pas din procesul de constructie.


Am optat pentru realizarea unui modul care foloseste doar leduri care emit lumina alba, intrucat voi folosi leduri CREE XM-L, a caror eficienta este net superioara celorlalte tipuri de leduri de pe piata.

Pentru a obtine maximul de lumina dintr-un LED, acesta trebuie sa functioneze in parametrii specificati de producator :
1) sa nu fie depasit curentul maxim ;
2) sa se asigure o disipare rapida si eficienta a caldurii emise .

Respectarea acestor 2 conditii se face prin utilizarea unor surse de curent (a caror nume comercial este "driver") si utilizarea de radiatoare adecvate.

In principal un driver este compus din parti : o sursa de tensiune in comutatie si un circuit limitator de curent (cel mai des in configuratie buck sau step down) . Circuitele in comutatie asigura o eficienta energetica mare >90% si reduc foarte mult pierderile.

In acest proiect tensiunea de alimentare va fi asigurata de o sursa ATX (sau orice sursa capabila sa livreze o tensiune de 12V si un curent de maxim 6A).

Circuitul limitator de curent va fi construit dintr-un tranzistor MOSFET (N Channel) si un numar minim de componente aditionale, asa cum se poate observa in figura urmatoare :



In momentul in care se aplica tensiunea de alimentare la bornele acestui circuit, prin intermediul rezistentei R1 se va aplica o tensiune pe poarta G a tranzistorului MOSFET T1, care se va deschide permitand curentului sa circule de la borna V+, prin leduri, apoi prin rezistenta R2 catre borna negativa (GND).

Rezistenta R2 si tranzistorul bipolar NPN T2 au rolul de bucla de feedback : cand curentul prin rezistenta R2 creste, caderea de tensiune pe aceasta va creste proportional (Vs=I*R2, unde I este curentul care trece prin leduri). Cand tensiunea Vs (egala cu tensiunea Vec) ajunge la 0.6V , tranzistorul T2 va intra in saturatie, comportandu-se ca comutator, conectand poarta G a tranzistorului T1 la masa, ducand la inchiderea acestuia si implicit la scaderea valorii curentului I care stabate tot lantul "leduri-T1-R2". Se realizeaza astfel o bucla inchisa care asigura o valoare constanta a curentului I.

Intrucat tensiunea baza-emitor a unui tranzistor generic NPN este intotdeauna aproximativ 0.6V (variind o data cu temperatura) , pentru a obtine o anumita valoare a curentului I trebuie sa alegem o valoare adecvata pentru rezistenta R2 cu ajutorul formulei :

R2=Vs/I

Pentru ledurile CREE XM-L, alegem o valoare maxima a curentului de 2500mA (valoarea maxima specificata de producator este de 3000mA), iar valoarea lui R2 va fi :

R2=0.6(V)/2.5(A) = 0.24 Ohm

Intrucat valoarea curentului I este foarte mare, in rezistenta R2 va fi pierduta destul de multa putere, calculata cu formula :

P=I*Vs = 2.5*0.6 = 1.5W

Valoarea de 0.24 Ohm nu este uzuala, pe piata gasindu-se rexistente de 0.22 Ohm, ceea ce va asigura un curent maxim de 2700mA si o putere disipata de 1.63W. Pentru a evita arderea acestei rezistente putem folosi o rezistenta de 0.22Ohm 3W (metalica, cu eroare de 1%) sau doua rezistente de 0.47 sau 0.56Ohm de 2W conectate in paralel (curentul maxim scazand in acest caz la 2553mA pt cele de 0.47Ohm sau 2142mA pentru cele de 0.56Ohm).

Intrucat in acest circuit tranzistorul MOSFET T1 joaca rolul unei rezistente variabile, inseamna ca surplusul de curent va fi disipat de acesta sub forma de caldura, asadar trebuie acordata o atentie sporita disiparii acestei calduri, prin montarea tranzistorului pe un radiator adecvat. In cazul acest proiect, tranzistorul va fi montat pe radiatorul ledurilor.

Pentru a limita puterea disipata in tranzistorul T1, tensiunea de alimentare a circuitului trebuie aleasa in asa fel incat sa nu depaseasca cu mult suma tensiunilor la bornele ledurilor .

V=n*Vled+Vs+Vds, unde :
-n = numarul de leduri ;
-Vled = tensiunea maxima la bornele unui led;
-Vs = tensiunea de feedback = 0.6V ;
-Vds = caderea de tensiune pe tranzistorul T1 ;

Intrucat tensiunea de alimentare aleasa este de 12V, asta inseamna ca vom putea conecta cel mult 3 leduri in serie, iar puterea disipata de T1 va fi caculata cu formula :

Pt= Imax * (V-Vs-n*Vled) =2.7 * (12-0.6-3*3.3) = 4W

Puterea totala consumata de circuit va fi P=V*Imax = 12*2.7 = 32.4W, iar randamentul e dat de raportul Q=(P-Pt-Ps)/P=(32.4-4-1.5)/32.4=0.83

Randamentul creste cu cat numarul de leduri este mai mare si tensiunea de alimentare e mai apropiata de caderea de tensiune totala la bornele acestora.

Rezistenta R1 se alege in asa fel incat curentul care trece prin aceasta si prin tranzistorul T2 sa nu depaseasca curentul de saturatie Icmax. Pentru o valoare de 1mA, R1=V/Ic = 12/0.005 = 12kOhm.

Atunci cand tensiunea de alimentare este mult mai mare (ex 24, 36 sau 48V) trebuie avut grija ca tensiunea Vgs la borna G a tranzistorului T1 sa nu atinga valori prea mari (lucru care ar putea duce la defectarea iremediabila a acestuia). Tensiunea Vgs la care T1 se deschide total este in jur de 4.5V. Conectand dioda Zenner D1 de 5V polarizata invers intre poarta G si masa, tensiunea Vgs nu va depasi niciodata valoarea de 4.4V :




Acest circuit simplu ofera si posibilitatea reglarii intensitatii luminoase prin aplicarea unui semnal PWM direct pe poarta G a tranzistorului T1 si renuntarea la rezistenta de polarizare R1, dupa cum se poate vedea in imaginea de mai jos :



Semnalul PWM (Pulse Width Modulation) este un semnal dreptunghiular cu factor de umplere variabil. Cand semnalul este in starea 'HIGH', circuitul functioneaza normal; cand semnalul trece in starea 'LOW' circuitul este inchis. Variind factorul de umplere (dutty cycle) a semnalului PWM se obtine o iluminare mai slaba sau mai intensa :



Semnalul PWM poate avea o frecventa de 1kHz pentru a evita palpairea ledurilor si pentru a exploata inertia vizuala a ochiului uman (precum si cea a plantelor) dar poate fi urcata fara nici o problema spre 20kHz (caz in care circuitul poate fi folosit pentru reglarea turatiei unui motor de curent continuu). Ca sursa de semnal PWM vom folosi un generator de semnal dreptunghiular bazat pe circuitul integrat IC555, foarte accesibil ca pret. Schema generatorului este foarte simpla :




Va urma ...

[hempfield]

Astazi mi-am facut un pic de timp sa asamblez modulul de leduri. Lista de materiale :
- 6 leduri CREE XM-L ( 1xCW, 2xNW, 3xWW) ;
- 2 transzistori MOSFET BUZ 11 ;
- 2 tranzistori BC 546 ;
- 2 rezistente 0.1Ohm/3W ;
- 2 rezistente 0.15Ohm/3W ;
- 2 rezistente 22KOhm/124mW ;
- 1 radiator cu ventilator Deep Cool;
- 2 izolatori de cauciuc siliconic pentru carcasa TO22 ;
- 2 bucse izolatoare din plastic de 3mm pt carcasa TO22;


Ca rezistenta limitatoare de curent am folosit o rezistenta de 0.1Ohmi inseriata cu una de 0.15Ohmi, pentru o rezistenta totala de 0.25Ohmi.

Teoretic, valoarea maxima a curentului prin rezistenta (si leduri) va fi : 0.6/0.25= 2.4A , adica fiecare led va consuma aproximativ 8W.

Am inceput prin a marca pozitia ledurilor pe radiator , optand pentru amplasarea lor intercalata (astfel incat 2 leduri WW sa nu fie unul langa celalalt). Totodata am dat si doua gauri de 3mm necesare fixarii tranzistorilor MOSFET pe radiator.



Am lipit ledurile de radiator cu adeziv termoconductor si am fixat tranzistorii MOSFET folosind izolatorii din cauciuc siliconic (radiatorul acestor tranzistori este legat la una din borne iar montarea lor fara radiator ar fi dus la scurtcircuitarea rezistentelor de limitare).



https://www.icmag.com/ic/picture.php?albumid=40244&pict ureid=1083820

https://www.icmag.com/ic/picture.php?albumid=40244&pict ureid=1083821

Dupa ce am montat tranzistorii pe radiator am inceput constructia montajului, "in aer", toate componentele fiind atasate de piciorusele tranzistorilor :



O data montate toate componentele a venit si momentul primei probe. Ledurile s-au aprins fara nici o problema iar KWatt-meterul arata un consum instantaneu de 62-63W. Dupa 15 minute de functionare continua puterea instantanee s-a stabilizat la 61 de Watti iar temperatura radiatorului a urcat la 42-43 grade Celsius, cu o temperatura a mediului ambiant de 25C.

https://www.icmag.com/ic/picture.php?albumid=40244&pict ureid=1083824

https://www.icmag.com/ic/picture.php?albumid=40244&pict ureid=1083825

https://www.icmag.com/ic/picture.php?albumid=40244&pict ureid=1083826

[Loky]

Super! Esti cel mai tare ! Multam pentru tutorial.
Acum dupa lauda.. si intrebarile.
- La driverul care se poate regla intensitatea luminoasa, atunci cand scazi intensitatea luminoasa, scade si consumul automat, nu ?(automat si caldura generata scade? )
- Daca amperajul sursei este mai mare , putem face 2 3 montaje ca cel de mai sus, si sa le legam in paralel pe sursa fara probleme?
Multam inca odata si asteptam continuarea!

[hempfield]

Originally Posted by Loky

- La driverul care se poate regla intensitatea luminoasa, atunci cand scazi intensitatea luminoasa, scade si consumul automat, nu ?(automat si caldura generata scade? )

Intensitatea instantanee a curentului prin sirul de leduri este aceeasi (ele comportandu-se ca o sarcina pur rezistiva), insa cantitatea de energie consumata in unitatea de timp este proportionala cu factorul de umplere. Asta inseamna ca ledurile vor lumina la fel de puternic pe durata cat semnalul PWM este 'HIGH' , insa media pe unitatea de timp (o secunda) este variabila.

Originally Posted by Loky

- Daca amperajul sursei este mai mare , putem face 2 3 montaje ca cel de mai sus, si sa le legam in paralel pe sursa fara probleme?

Atata timp cat sursa de alimentare suporta un curent mai mare (fara a varia tensiunea de iesire) multiplu de 3A (curentul maxim consumat de un lant de leduri) , se pot conecta mai multe astfel de circuite in paralel. Suma curentilor prin circuitele conectate in paralel trebuie sa fie mai mica sau cel mult egala cu curentul maxim suportat de sursa. In general e bine ca sursa de alimentare sa fie explotata la cel mult 95% din capacitate pentru a evita intrarea in protectie termica sau activarea protectiei impotriva scurt circuitului.

Exemplu: Daca rezistenta R2 se alege in asa fel incat curentul maxim prin leduri sa fie de 2.5A, pe o sursa ce poate da 5A se pot conecta 2 circuite in paralel.

Trebuie precizat ca intrucat se lucreaza cu curenti mari, firele care alimenteaza circuitul trebuiesc alese cu atentie , de preferabil din cupru litat de inalta calitate, cu sectiunea de cel putin 1.5mm2 iar lungimea lor sa fie cat mai mica (fiind vorba de curent continuu de joasa tensiune pierderile sunt destul de mari). Toate impinarile se cositoresc pentru a evita contacte imperfecte.

[Loky]

Si intrebarile curg garla...
De ce ai zis sursa de maxim 6 amperi, daca livreaza 12 v si 10 amperi care este problema?

[Loky]

Te intreb pentru ca se gasesc desul de usor surse de calculator la 12 volti si 300 400 de w asta inseamna 25 - 33 Amperi..

[exploziv]

dar nu toata puterea sursei vine pe 12V..

[hempfield]

Originally Posted by Loky

Te intreb pentru ca se gasesc desul de usor surse de calculator la 12 volti si 300 400 de w asta inseamna 25 - 33 Amperi..

Asa cum a precizat si Explo, in cazul surselor de PC, nu toata puterea este disponibila pe iesirile de 12V. Din cate surse am vazut, cea mai mare parte a puterii disponibile este pe iesirea de 5V (20-40A) si mult mai putin pe 12V.

Nu este nici o problema daca sursa poate livra un curent mult mai mare decat este necesar. Totusi, folosirea unei surse supradimensionate scade randamentul, intrucat sursele de alimentare in comutatie au randament maxim cand sunt folosite la capacitate maxima (lucru care le poate scurta insa viata daca racirea nu este corespunzatoare).

O sursa de PC nu este tocmai potrivita pentru acest proiect, mai ales pe termen lung. Mult mai potrivita ar fi o sursa dedicata de 12V sau 24V (disponibile pe Ebay la preturi accesibile - se gasesc de cumparat si prin magazinele noastre dar la preturi mult mai mari).

Exemlu : https://www.ebay.com/itm/New-AC-DC-24...-/170855720740

[para7]

nu e mai ieftin un driver dedicat pt leduri?
plus ca e si gata facut, nu mai trebuie sa faci circuit limitator de curent.

[hempfield]

Originally Posted by para7

nu e mai ieftin un driver dedicat pt leduri?
plus ca e si gata facut, nu mai trebuie sa faci circuit limitator de curent.

Idea era de a oferi o alternativa accesibila celor care vor sa experimenteze. In ceea ce priveste driverele 'de-a gata', e foarte greu sa gasesti pe piata drivere care sa asigure un curent de peste 2500mA la o tensiune joasa (eu unul nu am gasit nimic accesibil ca pret).

Asa cum am spus si in primul post, un driver este compus dintr-o sursa de alimentare si un circuit limitator de curent. Cum sursele de alimentare se gasesc pe toate drumurile, am prezentat partea 'lipsa', adica limitatorul de curent.

De-a lungul tutorialului voi prezenta si modele de drivere DIY construite cu componente specializate si cu randament mare, de peste 90-95%, insa complexitatea acestora este evident mai ridicata.