Ontwerp en bouw je eigen led-lamp - Jet-Net

Ontwerp en bouw je eigen led-lamp
In deze praktijkles ga je zelf een led-lamp maken met losse onderdelen. Je krijgt:
 een printplaatje met
mini-usb-aansluiting,
 een lensje om een wijdere
lichtbundel te maken,
 een led-chip gemonteerd op een
printplaatje, een zogenaamde
starboard,
 weerstanden die de stroom door
de led moeten regelen.
 een plastic boutje om de
starboard te bevestigen.
Verder is er warmtegeleidende pasta
voor de thermische verbinding met een metalen koelplaatje dat je zelf gaat maken.
Werken met technische specificaties
Ontwerpers werken met gegevens van de producent, dat geldt voor alle technische
producten, van pompen tot staalbalken en chemicalien en
dus ook voor leds. In zogenaamde product specification
sheets kunnen de ontwerpers zien aan welke technische
specifiaties het product voldoet. Aan de hand van de
klantenwensen kunnen ze zo de juiste led selecteren voor
een lichtarmatuur. De fabrikant moet er natuurlijk voor
zorgen dat hij de hele productieperiode van het armatuur
exact dezelfde led levert.
Op het starboard dat we gebruiken, zit een LUXEON®A
gemonteerd. Deze led-cel heeft een product specifications
sheet van 26 kantjes met informatie over afmetingen,
lichtopbrengst, montageregels enzovoort. Voor het gemak
hebben we de belangrijkste eigenschappen die je als
ontwerper van je eigen led-lamp nodig hebt, hier voor je
overgenomen.
Tabel 1
Deze tabel geeft de stroom- en spanningswaarden van de led-chip, het afgegeven licht en
de kleurgetrouwheid (CRI). In onze led-cel is de LXH8-PW30 toegepast. Welke gegevens
herken je uit de theorie?
1
De kleur en verdeling van het licht
De product specification sheet geeft ook informatie over de kleur en de verdeling van het
licht uit de led-cel. Welke conclusie kun je trekken uit de grafiek hieronder?
Figuur 1: Het lichtspectrum van de led-cel
De led-cel straalt niet naar alle kanten evenveel licht uit. De grafiek hieronder geeft de
sterkte bij de verschillende hoeken waaronder het licht straalt:
Figuur 2: links: de LUXEON®A
boven: verdeling van de lichtintensiteit
onder: zijaanzicht van de LUXEON®A
Wat zijn je plannen met je eigen led-lamp? Is deze lichtverdeling voldoende voor jouw
toepassing? Of wil je het licht verdelen door het indirect via een reflectieplaatje te leiden?
Of samen met een andere leerling een turbolamp maken om een bredere bundel te
krijgen? Of een lens ervoor plaatsen?
2
Je eigen lamp ontwerpen
De onderdelen die je krijgt, geven je volop ontwerpvrijheid, maar er zijn ook beperkingen
waar je rekening mee moet houden.
Voeding en lamp apart
De printplaat heeft een breuklijn zodat je het
lamp- en voedinggedeelte van elkaar kunt
scheiden. Zo kun je bijvoorbeeld een hoge of
lange lamp maken met de aansluiting in de
voet. Via twee draden verbind je de voeding
met de lamp. Dit geeft je dus veel
ontwerpvrijheid, maak daar gebruik van.
Warmte afvoeren
Als de led-cel te warm wordt, gaat hij kapot. Hij moet daarom gekoeld worden met een
metalen koelplaatje dat je zelf gaat maken. Neem dit koelplaatje op in je ontwerp. Het
koelplaatje komt tegen de starboard. Met een speciale, warmtegeleidende pasta maak je
straks een thermische verbinding die de warmte goed transporteert. Let op dat je
koelplaatje voldoende ruimte heeft om zelf zijn warmte kwijt te raken!
Hoe groot moet je koelplaatje zijn? Met een flinke koelplaat zit je altijd goed. As je een
klein ontwerp wilt, moet je gaan rekenenen. Hoeveel warmte produceren de led-cel en de
weerstanden? Je moet dus eerst meer over de weerstanden weten.
Welke weerstanden heb je nodig en waarom?
De led-cel krijgt stroom via een usb-voedingsadapter. Deze levert bij 5 V maximaal 1 A.
We kiezen ervoor om ongeveer 350 mA door de led te sturen. Meer mag volgens de
specificatie maar dan moet je er een grotere koelplaat aan vastmaken en heb je ook
weerstanden nodig die meer vermogen kunnen verdragen. Dit mag alleen bij
experimenten die door een TOA begeleid worden.
In tabel 1 zie je dat bij een stroom van 350 mA de led 97 lumen licht geeft. De spanning
over de led is dan 2,72V.
De voeding die we gebruiken heeft een spanning
van 5 Volt. Dit is ongeveer 2,3 V te veel. We
moeten daarom extra weerstand toevoegen.
Hoe groot moet die weerstand zijn? Je kunt dit
berekenen met de wet van Ohm: U = I ∙ R. De
weerstand die je nodig hebt is dus
2,3V / 350 mA ≈ 6,5 Ohm.
We schakelen hiervoor vier goedkope,
commercieel verkrijgbare weerstanden parallel van
27 Ohm en 600 mW. Op het kladblok van de ingenieur ziet
dat er zo uit:
3
Getest in het lab
Onderdelen hebben niet altijd precies dezelfde eigenschappen, er is altijd een afwijking
van enkele procenten. In de praktijk meten ingenieurs daarom eerst een testversie van
een schakeling door: meten =weten. De schakeling die jij met je led gaat bouwen is ook
eerst in een labopstelling doorgemeten. Daarbij zijn de volgende waarden gemeten:
gemeten waarde
4 paralelle weerstanden van 27 Ohm
6,75 ohm
Stroom
320 mA
lichtuitstroom
76 lumen
temperatuur van de weerstanden
60 oC
temperatuur led zonder koeling
65 oC
temperatuur led met koelplaatje van 16 cm2
45 oC
temperatuur led met koelplaatje van 81 cm2
42 oC
Hoeveel vermogen dissiperen de weerstanden?
Een paar laatste (ontwerp)tips
Door met de lengte van de verbindingsdraden te
spelen, krijg je extra ontwerpvrijheid. Maak daar
gebruik van!
De testmetingen laten zien dat een koelplaatje van 16
cm2 voldoende warmte van de led-cel afvoert. Je kunt
hiervoor bijvoorbeeld een stukje aluminium L-profiel
gebruiken. Hiermee kun je meteen de led-cel aan je
armatuur bevestigen. Breng voor een goede thermische
verbinding warmtegeleidende pasta aan tussen de starboard en de koelplaat. Let op: de
pasta is geen lijm! Je moet de starboard met een kunststof(!) schroefje of op een andere,
niet geleidende manier aan het koelplaatje vastmaken. Je koelplaatje kan natuurlijk
allerlei andere vormen hebben en zelfs (onderdeel van) je armatuur zijn. Alles is goed
zolang het koeloppervlak maar groot genoeg is.
Je lamp bouwen
Heb je een mooi ontwerp? Dan kun je gaan bouwen. Lees eerst nog de informatie
hieronder en dan aan de slag. Veel plezier en succes!
Let op!
Kijk niet van dichtbij (dichterbij dan 50 cm) in de led!! De led-cellen waar je mee
werkt, zijn puntlichtbronnen. Het licht dat de cel uitzendt, is erg fel. Pas op dat de
ledcel niet van dichbij iemands ogen schijnt. Je loopt dan het risico op oogletsel.
Zorg ervoor dat je de led-cel in de juiste stroomrichting aansluit. Als je de cel in de
verkeerde richting aansluit, werkt het niet . Bij een te hoge spanning kan hij kapot
gaan.
Ook warmte is funest voor een led-cel. Verwarm niet te lang bij het solderen en
monteer een metalen koelplaatje dat de warmte afvoert als de led-cel brandt.
Deze praktijkles is ontworpen door Patrick van Stijn, Philips Lighting, Eindhoven.
4