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Informazioni sui LED per i manichini
Non mi piacciono molto le formule. Come ogni persona normale :) Mi fanno venire il mal di testa e il desiderio di gettare qualcosa nel muro. Per tutta la vita ho cercato di stare lontano da loro. E si è scoperto. Ma ora mi sono interessato ai LED e ho capito: non si arriva da nessuna parte. Per ottenere il risultato desiderato, devi capire come funziona. Lentamente, lungo i gradini, ho iniziato a guadare attraverso la giungla di lume, candela e steradiano. A poco a poco, nella mia testa cominciò a formarsi un'immagine. E allo stesso tempo rimpianto - beh, perché non c'era nessuno che potesse spiegarlo in un linguaggio semplice e accessibile? Così tanto tempo perso ... proverò a salvarti da un mal di testa e spiegherò il più accessibile possibile - cos'è un LED e come funziona. Bene, allo stesso tempo spiegherò un paio di leggi dell'ottica :)
L'articolo è dedicato a coloro che si confondono in watts-candela-lumens-suite. E in effetti nei LED. Scritto da una teiera avanzata per i principianti :)
LED normale
Indipendentemente da come ruoti, dovrai prima toccare le leggi dell'elettricità ordinaria. In esempi illustrativi, ovviamente :) Sappiamo tutti - che cosa è 220 volt - questo è ciò che può colpire correttamente, se non si osservano le precauzioni di sicurezza. Quando si acquista un apparecchio elettrico, ad esempio un ferro da stiro, il passaporto indica per quale tensione è progettato. Di solito questo è di 220 volt. Ma nello stesso passaporto sono indicati anche questi parametri: una tensione alternata con una frequenza di 50 hertz. Perché i produttori indicano testardamente questi parametri per te?
Prendi qualsiasi passaporto tecnico per un apparecchio elettrico e guarda - dice che la tensione di alimentazione dovrebbe essere di ~ 220 volt, 50 Hz. Vediamo di cosa si tratta. Un “~” indica che la tensione deve essere variabile. In un sistema elettrico automobilistico, ad esempio, la tensione è costante. E con una batteria da dito è permanente. La differenza è semplice - una tensione costante ha un positivo e un negativo - una variabile no. Perché no? È tutto molto semplice. Nelle reti CA, i punti più e meno cambiano costantemente. Lo stesso contatto è un segno positivo o negativo. Quanto spesso? Ma per questo, c'è un altro valore: 50 Hz.
Che cos'è Hz? Questo è un dondolio al secondo. Cioè, nella nostra rete domestica, oltre a modifiche meno cinquanta volte al secondo. E ora: qual è l'uso pratico di questa conoscenza, che tipo di cuscinetto ha sul LED?
Facciamolo bene. Supponiamo di avere tra le mani una lampadina da 220 volt da 100 watt. Se lo colleghi a una rete elettrica, si accenderà per tutti i suoi cento watt. E se non avessimo bisogno di questi 100 watt? Hai bisogno, diciamo, 50? Questo ci aiuterà DIODO.
Se rompiamo la parola "LED" nei suoi componenti, otteniamo "luce" e "diodo". Cioè, questo è un diodo normale, che si illumina anche.
Un diodo è un dispositivo che è meglio confrontato, ad esempio, con una valvola o un nipplo in una ruota di automobile. Lì puoi pompare aria e viceversa - il capezzolo non lascia entrare. Un diodo ordinario sembra un barilotto nero con due perni - più e meno. Qui possiamo usarlo per esperimenti pratici che aiutano molti a riparare il materiale. Certo, è pericoloso iniziare immediatamente gli esperimenti con 220 volt, ma con la dovuta cura non accadrà nulla di brutto. Tuttavia, tutti gli esperimenti condotti a proprio rischio e pericolo :)
Guarda l'argomento: Il dispositivo e il principio di funzionamento di un diodo a semiconduttore
Abbiamo bisogno di una lampadina dal frigorifero per 220v, 15 watt. Per lei, devi trovare una cartuccia adatta e rimuovere due fili da essa. Quindi abbiamo bisogno di qualsiasi diodo che può essere ottenuto, ad esempio, da qualsiasi TV o registratore difettoso. Più è grande, meglio è. Non è necessario prenderne molto piccoli, dopo tutto 220 volt. Accanto ad esso c'è di solito una designazione sotto forma di un triangolo.
Quindi abbiamo bisogno di un cavo di alimentazione con una spina, un numero di fili e saldatore. Per iniziare, basta collegare la lampadina alla rete e ricordare come si illumina. Quindi scollegare e assemblare il circuito come mostrato a sinistra.
Non dimenticare di isolare attentamente tutti i giunti con nastro isolante. Plug in. Come puoi vedere, la lampadina brilla molto peggio. Ciò non sorprende - ora riceve solo la metà della tensione di cui ha bisogno - il secondo diodo non si avvia. Se la tua esperienza è stata un successo e il diodo è abbastanza grande, ora puoi rendere praticamente qualsiasi delle tue lampadine eterne.
Ad esempio, una lampada da 50 watt brilla nel tuo corridoio e si brucia costantemente. Prendi 100 watt, accendilo attraverso il diodo: brillerà come 50 watt, ma non si brucerà. Vi è, tuttavia, un avvertimento: il diodo deve essere valutato per 220 V e la corrente è almeno di ampere. È meglio acquistarne uno in un negozio di ricambi radio.
Bene, dal momento che abbiamo capito cos'è un diodo, ha senso andare all'argomento che ci interessa: il LED. Il LED, come è ora chiaro, ha anche un segno più e uno meno. Cioè, per il suo funzionamento, è necessaria una fonte di tensione costante: una batteria, una batteria, un alimentatore. L'alimentatore deve indicare che fornisce tensione costante (CC). Di solito sulla copertina del blocco c'è un adesivo di questo contenuto.
Ingresso - ~ 220 V 50 HZ,
uscita - 12v, 0,5 A DC
Ciò significa che una tale unità può produrre una tensione costante di 12 volt e una corrente di 0,5 ampere.
Si noti che anche il caricabatterie per telefoni cellulari è un alimentatore. Di solito ha parametri di 5-6 volt, 0,2-0,5 A. È spesso molto conveniente usarlo per alimentare i LED, perché caricabatteria stabilizza la corrente. Ma ne parleremo più avanti nei seguenti articoli.
Per noi sono importanti due parametri: la tensione di funzionamento del LED e la corrente. La tensione operativa del LED è anche chiamata "caduta di tensione". In sostanza, questo termine significa che dopo il LED, la tensione nel circuito sarà inferiore delle dimensioni di questa stessa caduta. Cioè, se forniamo energia a un LED che ha una caduta di tensione di 3 volt, allora consumerà questi tre volt e il dispositivo collegato ad esso dopo otterrà 3 volt in meno. Ma la cosa più importante da imparare è che la corrente è importante per il LED, non la tensione. Prenderà la tensione di cui ha bisogno, ma la corrente - quanto dai. Cioè, se la tua fonte di alimentazione può emettere 10 ampere, il LED prenderà corrente fino a quando non si esaurisce. La logica qui è semplice: il LED collegato consuma corrente e inizia a riscaldarsi. Più forte si riscalda - più corrente può attraversarlo - si espande dal riscaldamento. Insieme alla corrente, la caduta di tensione sul diodo aumenta. E così fino a quando non si esaurisce completamente, nessuno ha limitato la corrente. Ma questo deve essere fatto, usando l'elemento limitante.
Se la fonte di alimentazione ha una tensione di uscita uguale alla tensione di funzionamento del LED, non è necessario limitare la corrente. Cioè, se hai, ad esempio, un LED bianco e una batteria da 3,6 volt da un telefono cellulare - puoi collegarlo direttamente a questa batteria - non accadrà nulla al LED. Sarebbe felice di prendere più corrente, ma non c'è abbastanza tensione. Quindi la batteria da 3,6 V è una fonte di alimentazione ideale per sperimentare LED bianchi e blu. Perché solo con loro - su questo in altri articoli.
In generale, in serie con il LED, dobbiamo mettere una specie di rubinetto e avvitarlo al valore di cui abbiamo bisogno. Nel ruolo di tale gru possono essere diversi dispositivi. Il più semplice di questi è un resistore.
Aspetti ottici dell'utilizzo dei LED
Supponiamo di aver imparato come collegare un LED e limitarne la corrente. La domanda sorge spontanea: quanto brilla? Qui dobbiamo tuffarci un po 'nell'ottica.
Tra le proprietà dei LED, in particolare quelli potenti, viene spesso indicato il tipo di distribuzione della luce. Di solito questo è il cosiddetto LED Lambert. Inoltre lo considereremo come il più diffuso. Cosa significa questo termine? Il LED "Lambert" si illumina in tutte le direzioni allo stesso modo, indipendentemente dalla direzione.Se il LED fosse una palla, brillerebbe ugualmente in tutte le direzioni: questa è l'essenza del diagramma di Lambert. Per chiarire, il sole è una fonte lambertiana.
Il design LED standard è un cristallo, un piatto sottile che brilla. Guarda attraverso la finestra trasparente del LED e vedrai questo cristallo. Fili sottili di contatti vengono da lui. Se colleghi la tua immaginazione, puoi immaginare la luce proveniente dal LED come una nuvola a forma di sfera sospesa sopra di essa. Luce: si tratta di piccole particelle chiamate fotoni. Quindi, una palla piena di fotoni pende sopra il LED. E più luce emette il LED, più grande è la palla, più lontano volano le ciambelle di fotoni, spingendosi e affollandosi l'un l'altro. La maggior parte di essi vola verso l'alto perpendicolare al piano del cristallo, quindi l'intensità luminosa massima dei LED è di 90 gradi rispetto al piano del cristallo. Spero che ora i diagrammi forniti dai produttori di LED vi siano diventati più chiari :) Per diventare completamente comprensibili, diamo un'occhiata a un esempio.
Supponiamo che ci sia un LED, nella parte superiore del quale una sfera luminosa emessa da esso pende con un diametro di 1 metro (buon LED! :)).
La scala inferiore è il numero di percento di questo metro, la parte superiore è il grado di radiazione. Secondo questo diagramma, il maggior numero di fotoni si trova nel punto più alto con un grado di 0 e un intervallo di 1 metro. Sembra strano, ma lo è. Meno strano inizia a sembrare, se ricordi che la luce è un'onda, non è per niente che indicano la lunghezza d'onda delle caratteristiche. Di conseguenza, la nostra sfera di luce può essere rappresentata come un campo elettromagnetico con una certa densità. Ma questa è già una giungla - andiamo avanti :)
Mezzo angolo di luminosità
Il produttore di solito indica un parametro come un doppio angolo di metà luminosità. Cosa significa questo termine? Come abbiamo scoperto, il LED fornisce la massima luce al centro e in alto, ovvero l'angolo è zero. Di conseguenza, più lontano dal centro, meno luce. L'angolo di metà luminosità è quando il LED fornisce 100 unità di luce convenzionali a “0” gradi e, ad esempio, a 30 gradi (rispetto all'asse “0”) - 50. L'angolo di metà luminosità Nella figura I è l'intensità della luce, Imax è l'intensità massima della luce. ImaxCos: metà della potenza della luce. Perché "doppio" - moltiplichiamo i gradi per due, il LED si illumina anche simmetricamente. Di conseguenza, otteniamo un bel triangolo di luce isoscele. C'è anche luce al di fuori di questo triangolo, abbiamo una sfera di luce, ma il punto di riferimento per la caratteristica del LED è metà dell'angolo.
Candela
Ora possiamo considerare cos'è Candela. Candela è, alla vecchia maniera, una "candela". Ricorda, dicevano: un lampadario o una lampada con cento candele? Ai vecchi tempi era necessario un punto di riferimento. Abbiamo deciso di prendere una candela dello spessore richiesto, accenderla e considerarla uno standard, proprio questa candela. Oggi, ovviamente, la pensano diversamente. Non spiegherò in dettaglio come, questo va oltre lo scopo dell'articolo. È solo un'unità di misura per l'intensità luminosa e si chiama Candela. La sua caratteristica principale è l'uso di sorgenti direzionali per misurare l'intensità della luce. Ecco perché per i LED da 5 mm i valori sono indicati in candele, più precisamente, millicandel (1 cd = 1000 mcd).
È tempo di capire in che modo i LED da 5 mm o qualsiasi altro in una custodia in plastica differiscono da quelli potenti.
Caratteristiche di progettazione dei LED indicatori da 5 mm
Come accennato in precedenza, un LED è un cristallo che emette luce. Considera il design del LED in una custodia di plastica da 5 mm. Uno sguardo più attento rivela due cose importanti: l'obiettivo e il riflettore. Il cristallo LED è posizionato nel dispositivo riflettore del LED. Questo riflettore imposta l'angolo iniziale di scattering. La luce passa quindi attraverso un involucro epossidico. Si tratta dell'obiettivo - e quindi inizia a dissiparsi sui lati ad un angolo a seconda del design dell'obiettivo. In pratica - da 5 a diagramma LED 160 gradi.
Per indicare l'intensità luminosa di tali LED, viene utilizzata solo la candela.I LED con emissione direzionale emettono luce in un angolo solido. Per capire cos'è un angolo solido, è sufficiente immaginare la seguente immagine. Prendi una torcia, la accendi e la metti nel secchiello del fuoco fino in fondo, poi la chiudi con un coperchio. La luce interna, di conseguenza, ha la forma di un cono a forma di secchio. Questo cono delimitato da un coperchio è un angolo solido.
Proverò a spiegare più semplicemente il significato della distribuzione della luce. Supponiamo che l'intensità luminosa della nostra lanterna sia 1 candela, cioè 1000 microchandel (per essere più figurativi, le micro candelas possono essere considerate fotoni :)) Se andiamo oltre per analogia, abbiamo un secchio pieno di microchandel. Se lo desideri, puoi calcolare il volume del secchio - benvenuto nella geometria :) Di conseguenza, se prendiamo il secchio due volte tanto - i microchandel sono distribuiti uniformemente su di esso, cioè non ci saranno più :) In tutte queste spiegazioni, puoi trovare la risposta alla domanda sacra: quante I LED sono necessari per sostituire una lampadina da 100 watt. A riguardo - oltre.
Caratteristiche di progettazione dei LED ad alta potenza
A differenza dei LED indicatori, quelli potenti non sono solo un dispositivo, ma anche un prodotto di marketing. Oggi, tra i principali produttori, c'è una vera corsa per i lumen - chi è di più? E a nessuno importa che questi lumi debbano ancora essere usati. Andiamo in ordine.
La principale differenza tra un potente LED e un indicatore LED nella sua forma pura è quella di ridurre al minimo gli ostacoli all'uscita della luce dall'alloggiamento del LED. Pertanto, i potenti LED hanno un diagramma di Lambert. Cosa porta in pratica a questo? Accendi il LED e sopra c'è una bella lampadina. E cosa fare dopo? Come possono illuminare la superficie di cui hai bisogno? Devi usare varie ottiche o riflettori, il che porta inevitabilmente a perdite e quindi a una diminuzione del flusso luminoso. Pertanto, se, dopo aver acquistato un potente LED, non hai acquisito una buona ottica e progettato specificamente per il suo design - ti rallegri presto - il mal di testa deve ancora venire.
Fornire i lumi necessari alla superficie che si desidera illuminare non è un compito facile.
lumen
Come hai già capito, le candele per la valutazione dell'intensità luminosa dei LED ad alta potenza non sono adatte. Per fare ciò, ci sono lumen: questa è la quantità totale di luce che il LED può fornire quando è collegato con i valori di corrente e tensione specificati. Ricordi l'analogia del secchio di fuoco? Anche qui si adatta. Partiamo dal presupposto che se il LED ha un'intensità luminosa di 100 lumen, nel nostro secchio ci saranno 100 lumen.
Una normale lampadina da 100 W è anche una fonte Lambert. La potenza luminosa media di questa lampadina è di 10-15 lumen per watt. Cioè, 100 watt di luce a incandescenza ci daranno, diciamo, 1000 lumen. Quindi, per sostituire una lampada da 100 watt con LED, sono necessari 10 pezzi da 100 lumen ciascuno. È così semplice? No, sfortunatamente. Arriviamo a un termine come LUX.
lusso
Il lusso è il rapporto tra il numero di lumen e l'area illuminata. 1 lux è 1 lumen per metro quadrato. Diciamo che abbiamo una superficie quadrata con un'area di un metro. Tutto è uniformemente illuminato da una lampadina situata ad una certa distanza a picco dall'alto. Per questa lampadina, il produttore ha dichiarato un'illuminazione di 100 lux. Prendiamo un dispositivo che misura il potere della luce e lo misuriamo ovunque nel nostro quadrato, dovremmo ottenere 100 lumen. In tal caso, il produttore non ci ha ingannato.
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