Cos'è ElectroYou | Login Iscriviti

ElectroYou - la comunità dei professionisti del mondo elettrico

Ricerca personalizzata
6
voti

EXTREME DIY: PLAFONIERA A LED parte seconda

PARTE II In questo articolo illustro l'upgrade a LED della plafoniera autocostruita inizialmente con lampadine CFL e descritta qui Il progetto ha attraversato varie fasi prima di giungere alla configurazione definitiva, e per ogni fase vengono descritte brevemente le soluzioni adottate e i rendimenti ottenuti.

Indice

La scelta dei LED

Ho già utilizzato recentemente varie tipologie di LED, dai classici LED singoli in package plastico da 3mm fino a quelli ad alta luminosità ma sempre in package plastico, diametro 5 o 8 mm e lente inclusa. Questi primi esperimenti hanno evidenziato quanto siano poco affidabili, per problemi di smaltimento del calore, LED in package plastico con potenze superiori a 0,3W.

Esistono da tempo LED di elevata potenza (COB) che arrivano anche a diversi W per LED, ma ovviamente anche questi LED necessitano di una struttura idonea a dissipare velocemente il calore prodotto. Non essendo attrezzato per montaggi complessi SMD e volendo contenere i costi ho quindi deciso per un approccio distribuito”: l'utilizzo di un numero sufficiente di LED SMD acquistati in striscia.

Avevo già testato varie lampadine E27 o E14 basate sui LED tipo 5630, un modello di LED più luminosi dei vecchi 5028 ma comunque molto economico rispetto ai LED più performanti. Dai test su queste lampadine avevo anche dedotto che le caratteristiche dichiarate su ebay dai vari venditori sono poco affidabili, ma in linea di massima 60-80 LED 5630 equivalgono approssimativamente come luce emessa a una lampadina a incandescenza da 100W.

Ho deciso quindi di acquistare una striscia LED 5m (300LED) 5630 Epistar bianco caldo (3000K) 120° 24V, con l'intenzione di procedere con un montaggio graduale fino a raggiungere la luminosità desiderata:

http://www.ebay.it/itm/171138971407?ssPageName=STRK:MEWNX:IT&clk_rvr_id=663314201281&_trksid=p3984.m1439.l2649

La scelta di una striscia a 24V era stata dettata dall'idea di realizzare una lunga serie di LED per ridurre al minimo le perdite nel circuito di alimentazione. Col senno di poi, vista la soluzione finale e il layout delle strisce, sarebbe forse stato più semplice usare quelle a 12V. Ecco infatti il layout delle due strisce:


E' evidente che la striscia a 24V è esattamente equivalente a due strisce da 12V in serie; avendo una resistenza serie doppia anche la potenza sprecata in calore è in proporzione uguale nelle due configurazioni.

Misure striscia LED

Alimentando un settore (6LED) @24V ho misurato I= 53mA a freddo, che tendono ad aumentare a57-60mA a caldo. Quindi, dopo pochi secondi dall'accensione le tensioni misurate sono VLED=3,03V; VRs=2,92V.

Si ricava facilmente che circa il 24% della potenza fornita viene dissipata in calore nelle resistenze serie.

Ho quindi deciso di effettuare ulteriori misure per ridurre o eliminare del tutto queste resistenze serie, onde ridurre sia lo spreco energetico che il calore da dissipare.

Inoltre durante le prove ho verificato la relativa facilità ad eliminare la resina siliconica morbida che rende queste strisce impermeabili, anche questa modifica è stata fatta per ridurre l'assorbimento di luce emessa e migliorare il raffreddamento dei LED.

Layout e smaltimento del calore

La tipologia di LED scelti implica ovviamente una soluzione “distribuita” sia riguardo la luce emessa che lo smaltimento del calore.Le strisce LED permettono un discreto smaltimento del calore anche se incollate su superfici termicamente non conduttive, grazie alla limitata potenza dissipata per unità di area ed alla notevole estensione superficiale delle piste conduttrici, che occupano praticamente tutta la superficie della striscia. Considerato il notevole numero di LED previsti per massimizzare lo smaltimento del calore prodotto ho comunque deciso di incollare le strisce su un unico foglio metallico.Un minimo di progettazione ha portato all'ipotesi riportata in figura:


Il fissaggio al soffitto impone al foglio una curvatura che ampia la distribuzione della luce nel senso longitudinale della plafoniera. In questo modo il bagno, avente dimensioni 2,1 x 3,9m, risulta illuminato in maniera uniforme.

Prove di alimentazione con toroidale e ponte diodi

Ormai si trovano in commercio alimentatori PWM con elevata efficienza e prezzi modici, ma io avevo nel cassetto da anni un toroidale RS 2x12V 1,25A (30W nominali totali)... Ho quindi provato a riciclarlo per questa applicazione, collegando in serie i due avvolgimenti secondari e utilizzando un ponte di diodi realizzato con ho ottenuto, dopo il classico ponte di diodi e elettrolitico da 2000uF, tensioni in continua di circa 28,3-27-25,2V per corrente continua in uscita di 1-1,2-1,5A. Da notare che la tensione continua in uscita è inferiore ai 50V, quindi ampiamente nei limiti di sicurezza. Le prove iniziali sono state effettuate con 216 LED, in configurazione 24 settori da 9 LED serie ciascuno.Poiché la corrente nominale totale per 24 serie è pari a 24 x 0,05 = 1,2A, dalle misure effettuate sul toroidale ho subito ricavato che era necessario eliminare del tutto le Rs per ottenere la tensione nominale dei LED pari a circa 27V. Ho quindi deciso di modificare le strisce LED come in figura, per ottenere settori da 9 LED serie senza resistenza serie.

L'eliminazione delle resistenze serie pur permettendo una maggiore efficienza non è ovviamente consigliabile; nel mio caso ho considerato che l'elevato numero di rami paralleli (24) garantisce comunque una sufficiente sicurezza termica. Infatti i LED, provenienti tutti dallo stesso lotto, hanno dimostrato comportamenti molto allineati; inoltre l'eventuale rottura di un ramo causerebbe un aumento limitato (circa 2mA) della corrente negli altri 23 rami e permetterebbe un intervento di riparazione senza ulteriori danni sui rami integri.

Ecco la foto del primo prototipo con ben 288 LED alimentati in serie-parallelo: ben 32 serie da 9 LED ciascuna!

piastra_bagno_rid.jpg

piastra_bagno_rid.jpg

In foto sono visibili piccoli inserti isolanti (banale carta) che ho inserito per prudenza alla fine di ogni striscia e in corrispondenza delle modifiche; infatti il taglio delle strisce, visto lo spessore molto ridotto dello strato isolante, comporta il rischio di provocare dei corto circuiti se le strisce stesse sono incollate a supporti conduttori.

Il toroidale a questo punto si è dimostrato insufficiente, con corrente in uscita superiori a 1,5A la tensione si assesta a valori insufficienti (inferiori ai 27V nominali necessari per 9 LED in serie). La quantità di luce emessa durante le prime prove è risultata inferiore alle aspettative, Infatti la foto mostra come la luminosità è ridotta, e la temperatura di colore risulta alterata per la corrente inferiore a quella nominale.

piastra_bagno_accesa_rid.jpg

piastra_bagno_accesa_rid.jpg

Le misure effettuate hanno rilevato in questa configurazione: Vtot=26,9V; Itot=1,28A; PLED= 34,4W. Da notare anche lo scarso rendimento ottenuto a causa della saturazione del toroidale: la potenza assorbita da rete è risultata pari a 48W, per un rendimento del sistema toroidale + ponte diodi di circa il 72%. Sono quindi arrivato alla conclusione che dovevo utilizzare quasi tutti i 300 LED della striscia.

Prove di alimentazione diretta da rete

ATTENZIONE: questa soluzione circuitale non è isolata dalla rete! Tutte le considerazioni in questo paragrafo sono quindi esclusivamente a scopo divulgativo e non vanno utilizzate per realizzazioni pratiche perchè NON RISPETTANO LE PIU' ELEMENTARI NORME SULLA SICUREZZA ELETTRICA Per una trattazione più approfondita rimando agli ottimi articoli di IsidoroKZ sull'argomento.

In caso di lunghe serie di LED è possibile ottenere rendimenti molto elevati alimentando le serie direttamente dalla tensione di rete raddrizzata con ponte di diodi.Ovviamente nel caso più generale è necessario l'utilizzo di un AC-DC converter che garantisca l'isolamento IN/OUT, una tensione continua di sicurezza (<50V) e rendimenti elevati. Nel caso la luminosità richiesta venga ottenuta con lunghe serie di LED LED è possibile ottenere rendimenti molto elevati anche con l'utilizzo di semplici partitori capacitivi (C1/C2) e/o con opportune resistenze di caduta (Rs1/Rs2) come in figura.

Concettualmente con serie abbastanza lunghe (80-100LED) è possibile ridurre o addirittura eliminare C1 e le resistenze serie; in tal caso restano solo le cadute di tensioni sui diodi, e il rendimento del circuito di alimentazione si avvicina al 100%. Un' evoluzione semplice può essere del tipo riportato in figura. Anche in questo caso viene evitata la complessità di un converter PWM, ma le norme di sicurezza non sono rispettate.

L'affidabilità di questo circuito è tutta da dimostrare, io mi sono limitato a poche prove preliminari e sono poi passato ad una più "salubre" soluzione con alimentatore isolato da rete. Il regolatore lineare permette di ottenere una corrente molto più costante e indipendente dalla tensione di rete; di solito questi regolatori hanno un limite sulla tensione di ingresso di circa 40V, è necessario quindi caratterizzare accuratamente i LED, metterne in serie un numero sufficiente per ottenere pochi V di caduta sul regolatore e dimensionare lo Zener per impedire che all'accensione la tensione ai capi del regolatore superi gli Absolute Maximum Ratings.

Configurazione definitiva: alimentazione isolata da rete

Beh stavolta il mio DIY con riutilizzo di materiale disponibile si è dovuto arrendere ai requisiti di sicurezza... Ho quindi cercato in rete un AC-DC converter a basso costo che potesse fare al caso mio. La scelta disponibile è veramente ampia, con prezzi variabili da pochi euro fino a qualche decina a seconda della tensione e corrente di uscita. La maggior parte degli alimentatori in commercio, specie se dedicati all'alimentazione di LED, sono del tipo controllato in corrente.Questa caratteristica evita le variazioni di corrente assorbita con la temperatura, ma comporta una tensione di uscita non determinabile a priori ma dipendente dal carico collegato. Considerati i LED utilizzati, con tensione di giunzione pari a 3-3,07V circa (I=40-50mA), mi sono orientato su alimentatori con almeno 28V in uscita e corrente maggiore o uguale a 1,5A. L'oggetto prescelto è questo: alimentatore con Vout=25-40V, Iout=1500mA Pmax=50W

fig6_trafo.jpg

fig6_trafo.jpg

Hanno protezione da corto circuito e sovraccarico ed il prezzo è inferiore a 15€, il che rende, purtroppo, inutile e nemmeno economica una autorealizzazione. Avendo già configurato la plafoniera per 32 serie di LED si ricava che la corrente media per ogni serie è pari a circa 47mA, con un buon margine rispetto ai 55-60mA assorbiti dalla striscia originale, a tutto vantaggio della durata dei LED. La prova sul campo ha dato esito soddisfacente, ma ormai ci eravamo abituati alla luce intensa delle 3 lampadine CFL...Quindi, viste le caratteristiche dell'alimentatore, ho deciso di effettuare l'ultima modifica al progetto. Avendo usato l'intera striscia da 300 LED ho quindi utilizzato la rimanenza di una seconda striscia con LED 5630, avente luce leggermente più fredda della prima.Per mantenere il bilanciamento dei 32 rami ho quindi aggiunto in serie a ciascun ramo da 9 LED 3 ulteriori LED della seconda striscia, caratterizzati da una tensione di giunzione leggermente più alta (circa 3,4V @50mA invece di 3,03), ottenendo una tensione totale ai capi dei LED pari a

                           Vtot = (3,03 x 9 + 3,4 x 3) = 37,5V circa

per una potenza totale sui LED pari a

                                 P= 37,5 x 1,5 = 56 W circa

Conclusioni

Nella figura è mostrato il layout definitivo, che mantiene una gradevole simmetria.
plafo_montata_spenta_rid.jpg

plafo_montata_spenta_rid.jpg

La seconda striscia era del tipo impermeabile, e la rimozione della copertura siliconica ha portato all'asportazione della colorazione bianca, effetto comunque non visibile con vetro montato. Il risultato finale è notevole!
effetto_plafo_rid.jpg

effetto_plafo_rid.jpg

La foto mostra una luce più calda e fioca di quanto sia in realtà, e credo sia un effetto dovuto alla risposta del sensore della macchina digitale alla luce dei LED.

L'assorbimento da rete risulta di circa 62 W, con un rendimento dell'alimentatore di circa il 92%. La plafoniera è ormai in funzione da qualche mese e per ora non mostra segni di cedimento, anche se a scanso di equivoci qualche LED di scorta l'ho tenuto...

Ringrazio chi ha avuto la pazienza di leggere fino in fondo questo articolo, e spero sia risultato interessante.

13

Commenti e note

Inserisci un commento

di ,

Si secondo me hai preso proprio il vero problema, ti farò sapere come va a finire :)

Rispondi

di ,

Può essere, ma solo alcuni erano spenti per saldatura fredda o staccata. Gli altri no, e anche quelli "lampeggianti" che hai tu (a me è capitato solo una volta) fanno pensare ai collegamenti interni (bonding) fatti male, che si staccano per temperatura

Rispondi

di ,

Io ho notato che bisogna manegiarle veramente con cura, specialmente nel momento dell'incollaggio. Credo che la fattura sia abbastanza delicata, quindi se ad esempio si cerca di toglierne un pezzo per poi riposizionarlo iniziano i problemai... O per lo meno questo è quello che ho notato...

Rispondi

di ,

bah...visto l'ambiente umido e tutte le modifiche che ho fatto non so se è solo colpa dei cinesi :-) Per ora le tengo e farò qualche riparazione periodica, dovessi cambiarle forse valuterei l'uso di LED più potenti, non in striscia

Rispondi

di ,

Pensa che anche a me qualche LED inizia a lampeggiare, purtroppo cinesate in offertà... Quindi mi sa che le sostituisco prima o poi (:

Rispondi

di ,

aggiornamento! Dopo un anno alcune serie risultavano spente. Ho deciso allora di fare un intervento "manutentivo". In alcuni casi è bastato ravvivare le saldature dei LED SMD, in altri (circa 10 LED) i LED sembravano rotti e li ho sostituiti con R=75 Ohm per permettere l'accensione del resto della serie. Cinesate... comunque il rapporto qualità/prezzo grazie alla manodopera italiana resta ottimo!

Rispondi

di ,

Grazie dei consigli e dei complimenti! Alla prossima LED Extreme!

Rispondi

di ,

Grazie Ale belli anche i tuoi faretti! Se ne farai altri, valuta di usare alimentatori a tensione più elevata, serie di LED più lunghe e qualche R di caduta in meno, il tutto per aumentare l'efficienza e ridurre il surriscaldamento. Ciao!

Rispondi

di ,

Io li avevo fatto per illuminare il mio laboratorio e quindi anche i futuri video che farò.. Qui c'è il link: https://www.youtube.com/watch?v=q5rZ_51pH1M

Rispondi

di ,

certo inserisci, è pur sempre DIY LED!

Rispondi

di ,

Complimenti, ho realizzato una cosa simile anche io. Il mio sistema è un faretto da 50W, e le strisce son montate su una piastra di alluminio. Anche io ho optato per i 5630, bianco naturale ca 4500 K, la mia alla fine è stata anche una scelta economica. Se ti interessa ti condivido il link di un video che ho fatto nel quale li metto in bella vista.

Rispondi

di ,

e pensa che lo avevo pure... se e quando capiterà di tirarla giù (spero mai...) provvederò all'upgrade!

Rispondi

di ,

Wow! Bel lavoro! Un commento sull'isolamento "a carta": consiglio vivamente nastro adesivo di Kapton, caratterizzato da grande rigidità dielettrica e grande conduttività termica.

Rispondi

Inserisci un commento

Per inserire commenti è necessario iscriversi ad ElectroYou. Se sei già iscritto, effettua il login.