Я люблю выращивать всякую экзотику и долго не мог решиться на организацию нормального освещения. Какое-то время у меня висели старые люминесцентные лампы, но света они давали немного, и вот, с приобретением венериной мухоловки я понял, что дальше оттягивать нельзя, сформулировал критерии и начал искать реализации.
В результате длительных сессий по курению мануалов и древних форумов, экспериментов и медитаций удалось создать светильник, ровно с теми характеристиками которые мне были нужны.
В посте приводится относительно длинный текст про причины, выбор, технологию производства, слегка разбавленный фотографиями того, что там растёт.
Требования:
-
Белый свет 4000K.
-
Освещённость на уровне 10 тысяч люкс на уровне земли.
-
Долговечность.
-
Относительная простота производства/покупки.
-
Электробезопасность.
-
Эстетичность и компактность.
Пункты пронумерованы примерно в порядке их осознания, их приоритетность одинакова. Собственно пока я не придумал, как их все соблюсти, за дело я не брался. В целом почитывал я давно, диоды заказал где-то в октябре-ноябре, собрал первую полку в конце января.
Задача была не сделать самым дешёвым способом, а удовлетворить все вышеперечисленные критерии и не переплатить лишнего.
Отказ от ответственности: Автор материала не является электриком, не несёт ответственности за любой прямой или косвенный ущерб причинённый в результате следования рекомендациям или при построении описанных электроустановок. ЭТО ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ. ВОЗМОЖНО ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ. СМЕРТЕЛЬНОЕ В ТОМ ЧИСЛЕ. НЕКОРРЕКТНО СОБРАННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ МОГУТ ПРИВЕСТИ К ПОЖАРУ. Также в кадре мелькают волосатые мужские ноги.
Что получилось
Жёсткие светодиодные линейки 15x497мм на диодах типоразмера 2835, 40 led, 28-34V, 10W, 300mA, day white, вклеенные на герметик в отрезки П образного профиля 20x20x1,5 мм, соединение параллельное по 5 линеек на драйвер, мощность 2/3 от номинальной. Итоговый вклад в освещённость примерно 1000 люкс с одной линейки. Напряжение во всей сети после драйверов 30 вольт. Драйверы вынесены наверх. Вся сборка защищена электромеханическим УЗО. Вообще не греется.
Уведомление
Полоски — просто параллельно-последовательная сборка диодов. Их нельзя включать просто в блок питания и тем более в розетку. Описание того, как правильно питать и подключать светодиоды выходит за рамки этой статьи, изучите это отдельно, желательно прочитав несколько статей, чтобы всесторонне понять, что такое нелинейность вольт-амперной характеристики диода, зависимость сопротивления от температуры, неодинаковость диодов, зачем нужен драйвер, какие они бывают, как их подбирать и прочие тонкости. Это критически важно для производства описанных ниже работ. Не пытайтесь повторить описанное без полного понимания того, что вы делаете. Ещё раз повторю: ЭТО ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ. ВОЗМОЖНО ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ. СМЕРТЕЛЬНОЕ В ТОМ ЧИСЛЕ. НЕКОРРЕКТНО СОБРАННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ МОГУТ ПРИВЕСТИ К ПОЖАРУ.
1. Белый свет
Выбран по нескольким причинам.
Субъективная причина: свет сине-красных фитоламп мне визуально неприятен, белые 4000K оптимальны для меня лично. Стеллаж с растениями установлен в жилом помещении и мне важна эстетика как самого стеллажа, так и растений за которыми я наблюдаю, фотографирую и обслуживаю. В принципе этого уже достаточно, но хотелось бы чтобы растениям тоже было хорошо.
Биологическая причина: Белый свет таки лучше чем фито. Эта тема уже неплохо раскрыта на в других постах, там же можно найти всевозможные комментарии и миллион разных мнений.
Экономическая причина: вопреки всем разумным соображениям фитолампы сильно дороже белых. Вероятно это следствие распространённых мифов о том, что фитолампы сильно лучше для растений, хотя изначальная задача удаления зелёной части спектра была экономическая, зачем нам излучать зелёный свет, если растение его отразит. Также белые лампы производятся несравненно бОльшими тиражами, и цена на единицу падает. Просто один пост из тысяч про качество фитоламп.
Таким образом я полностью утвердился в том, что мне нужен просто белый светодиодный свет. Может быть, в будущем, я захочу добавить красного, но пока этого достаточно.
По факту все растения очень круто откликнулись на это освещение, мухоловки зацвели, мхи заколосились, кислица разрослась так, как никогда у меня не разрасталась.
Отдельно хочу сказать что я конечно же был впечатлён статьёй уважаемого @BarsMonster habr.com/ru/post/144514/ но такие лампы применять не захотел. Если полить такую лампочку водичкой бахнет так, что возможно и видеть цветочки потом нечем будет.
2. Освещённость
Большая освещённость требует большого количества диодов и большой мощности. Эффективный размер полки моего стеллажа 80*50 см. Под растения используется 5 полок. Одна полка нужна под хищные растения, на ней требуется создать освещённость в 10 тыс люкс. На остальных полках менее требовательные к освещённости растения, там будет достаточно 5 тыс люкс. Это всё ещё очень ярко. Для сравнения, по СанПин, наивысшие нормы освещённости установлены для проектных залов и чертежных бюро в 500 люкс искусственного освещения. Прямое солнце даёт примерно 125 тыс. люкс. Всего в 10 раз менее ярко чем на прямом солнце, и в 10 раз более ярко чем требуется в чертёжных бюро. Экспериментальным путём было установлено что мощность в 30 ватт достаточна чтобы создать освещённость в 5 тыс. люкс и 60 ватт создают 10 тыс. люкс. В моём случае получилось 4 полки по 30 ватт и 1 полка на 60 ватт. Естественно диоды открыты, нет никакого рассеивателя, который сильно снижает эффективность. Соответственно нужен отражатель-радиатор, который бы максимально эффективно направил свет вниз, и эффективно охлаждал диоды. Примерно тут я начал подозревать что никакие готовые светильники мне не помогут. Открытые диоды на полке с растениями которые я поливаю, иногда водой с удобрениями(т.е. высоко проводящей) вызывают повышенные требования к безопасности. Тут я осознал, что не хочу видеть ни 150 вольт которые бы потребовалось подвести к диодам при последовательном подключении линеек, ни тем более 220 и сам драйвер в районе диодов.
3. Долговечность
Основным определившим моё мнение на счёт диодов оказалось вот это шикарное, но почему-то не популярное видео:
Считаю это видео достойным вставки не просто ссылкой. Там человек на самом деле измеряет и тепловую мощность, и яркость и электрическую мощность, зависимость между этими величинами. Делает выводы о режимах эксплуатации светодиодов и даёт рекомендации. И тут я окончательно и бесповоротно понял что мои хотелки готовые лампы не удовлетворяют совсем, никакие, никак, вообще. До этого у меня была надежда, но теперь только путь самурая диайвая. Если что, сдайте меня доктору Дью на опыты.
Мне было необходимо качественное крепление диодов к радиатору. Также радиатор обязательно должен быть пассивным. Первоначально я думал что сам приклею и спаяю отдельные диоды, потом я увидел видео www.youtube.com/watch?v=YrxerM2KWSY и рассматривал варианты COB светодиодов. С кобами проблема в том что на них высокое падение напряжения и либо их нужно включать параллельно(на тот момент я думал что не стоит так делать), либо будет высокое общее напряжение, при последовательном включении. Также режим работы кристаллов а COB сборке не оптимален, у меня нет задачи экономить общую площадь. Ну и много возни с ними. Также, дома, в качестве основных осветительных приборов, использую панели, о которых узнал из обзора уважаемого @AlexeyNadezhin и очень доволен результатом.
А потом я встретил полоски от световых панелей. Нашёл и купил я их тут. Это полоски, где на общей алюминиевой пластине 15*497 мм распаяны 40 диодов, разъём питания, и имеются крепёжные отверстия. Таким образом мы получаем 75 квадратных сантиметров площади, через которую нужно передать на радиатор выделяемое на полоске тепло.
Диоды собраны по формуле 10S4P что означает что это 10 последовательно соединённых секций, где каждая секция имеет четыре параллельно соединённых диода
Такие линейки идеально решают поставленные мной задачи, и стоят очень недорого.
Тут можно углубиться в особенности параллельного соединения светодиодов. Для начала производитель сам устанавливает диоды в секции параллельно. Вообще проблем у параллельного соединения две. Первая — система может быть неустойчива по перекосу тока и температуры. Из за неидентичности характеристик одна из ветвей будет иметь меньшее сопротивление чем остальные, начнёт чуть сильнее нагреваться, а при нагреве ветви, её сопротивление упадёт, что приведёт к протеканию большего тока относительно других ветвей, далее ещё больший нагрев и ещё больше перекос. Полагаю что здесь производитель рассчитывает на то, что общий теплоотвод не допустит перекоса, а диоды из одной партии близки по параметрам. В принципе это работает.
Вторая проблема параллельного соединения состоит в лавинообразном выходе из строя всех диодов при проблеме на первом вышедшей из строя. При эксплуатации в режиме перегрева, как правило диод выходит из строя разрывом. Т.к. драйвер держит общий ток в заданном значении, на оставшиеся диоды придётся больше тока на штуку, что приведёт к ещё большему перегреву, и выходу из строя следующего диода, и так лавинообразно сгорят все параллельно соединённые диоды.
До кучи я соединяю параллельно 5 таких линеек. Т.е. у нас получается параллельно расположены 5 веток, в каждой из которых последовательно 10 секций по 4 параллельных диода.
Защищаться от обоих проблем мы будем снижением нагрузки и качественным охлаждением. Вторая проблема с заводским перекосом параметров нивелируется тем, что на линейке в 40 диодов разброс параметров единичных диодов усредняется. Также я провёл эксперимент с намеренным подогреванием одной линейки, и после убирания внешнего нагрева температура линейки вернулась в норму, так что собранная система устойчива по Ляпунову относительно термического перекоса. А проблему с выгоранием штучных диодов я считаю несущественной, т.к. опять же режим эксплуатации супер щадящий.
Заявленная производителем мощность составляет 10 ватт, номинальный ток 300 миллиампер и соответственно целевое напряжение питания порядка 30 вольт. Я решил ограничить их по мощности до 2/3 и запитать примерно по 200 миллиампер. Что составляет примерно 6 ватт на 40 диодов, или 0.15 ватта на диод.
В качестве радиатора и отражателя идеально подошли алюминиевые П образные профили из местного строительного гипермаркета. Я уже использовал П образные профили для вклейки в них светодиодных лент, для подсветки зоны готовки на кухне, и мне очень понравилось. Так что я выбрал П-образный 20х20х1.5x2000 мм. Как оказалось профиль длиной 2 метра на самом деле имеет длину не 2 метра, а 2 метра 8 мм. Что вполне достаточно для разрезания его на 4 куска по 50 с копейками сантиметров, а длина линейки 497 мм. Короче без проблем берётся профиль и пилится. Я напилил просто на 4 равные части. Таким образом радиатор получился слегка длиннее самой линейки. Ширина внутренней зоны для установки полоски оказалась 17 мм, куда 15 мм полоска идеально устанавливается.
Таким образом получилось, что на сборке будет выделяться примерно 6 ватт тепла, передаваться через 75 квадратных сантиметров контактной площади, на радиатор площадью 450 квадратных сантиметров. С учётом того, что часть энергии таки улетает светом с диода, получается что эффективная мощность, которую требуется рассеять менее 1 ватта на 75 квадратных сантиметров. Более чем достаточно. Я хотел попытаться посчитать тепловые потоки, но потом понял, что всё получается с гигантским запасом и ограничился экспериментальной проверкой. Проверка показала что ничего не греется. Режим эксплуатации диодов получился супер щадящий.
Геометрия такова, что такая сборка даёт пучок прямого света с углом примерно 50 градусов. Что полностью меня устроило. Отражающая способность алюминия достаточно высока и изобретать какие-то более отражающие поверхности я смысла не вижу.
4. Относительная простота производства/покупки
Итак, я определился и купил 30 линеек, взял одну и начал искать способы крепления на радиатор. Сначала я думал что приделаю полоски к радиатору каким-то механическим путём, через термопасту. Был заказан большой шприц GD900. Первый метод был насверлить в алюминии отверстий, и прикрутить на компьютерные винтики от корпусов. Проблем оказалось масса: Я не смог точно просверлить 7 необходимых отверстий. Провозился с разметкой и кернением, но всё равно получилось кривовато. Даже несмотря на то, что отверстие в линейке(3.5 мм) несколько больше диаметра винта, мне с трудом удалось разместить все 7 винтов достаточно точно. Потом я подумал что для крепления тридцати линеек мне нужно 210 винтиков. У меня конечно их много, но не столько. Далее вылез неприятный момент с термопастой. Её сложно нанести на такую большую деталь ровным тонким слоем. Она вываливается через отверстия в радиаторе. А ещё она чудовищно мажется, я измазался весь и измазал диоды. Далее мне не понравилась равномерность прижима. Линейка имеет алюминиевую подложку в 0.8мм, и легко гнётся. Соответственно при неровном нанесении термопасты, и прижатии точечно, оказывается что часть полоски висит в воздухе. Что подтвердилось при разборке, там были зоны где термопаста не контактировала с линейкой. Потом я зачем-то попробовал приклепать ленту клёпочником. Собственно всё те-же проблемы. Сложно точно насверлить, плохой прижим, термопаста мажется. Кроме того и в варианте с винтами и с клёпками с обратной стороны радиатора торчат элементы крепежа, что не позволяет прикрутить радиатор сразу к полке. Да, я понимаю что прикручиванием к полке я теряю 1/6 поверхности теплоотвода, но т.к. запас большой — пофиг. Зато высоту экономлю. Делая и то и другое по одному разу я держал в голове что придётся сделать так 30 раз. Вообще не вариант.
Я решил клеить, и пошёл смотреть на что народ клеит. Варианты: двусторонний скотч, эпоксидная смола, герметики, суперклей. Китайские двусторонние скотчи у меня не вызывали никакого доверия и так экспериментировать я не хотел. Также суперклей был отвергнут из за деградации в условиях повышенной влажности, возможного отклеивания при перегреве(при припайке отводов, я на тот момент думал что буду паять), испарений, которые могут повредить диоды и общего неудобства работы с ним. Эпоксидку тоже убрал из за её текучести и времени высыхания.
Исследуя глубины форумов я наткнулся на упоминание безосновной клеепереносной ленты 3M™ 467MP и 468MP толщиной 0.05 мм и 0.13 мм соответственно. Это был бы идеальный вариант. Это по сути тончайший акриловый клей в рулоне без бумаги в самом клеящем слое, предназначенный для пластиков и гладких металлов. За счёт своей маленькой толщины, очень хорошо будет и держать и отводить тепло. Когда я начитался спек, то подумал, а почему же я столь редко встречаю упоминание такой замечательной ленты, и решил купить. Даже нашёл сайт где она продаётся практически любой ширины по приемлемой цене. Но сайт работает только с юрлицами и заказ от 9 тыс рублей. По телефону договориться не удалось. Даже юрлицо я мог найти, то скотча на 9 тыс. мне было девать некуда. Больше нигде в РФ не нашёл. Поискал ещё и понял почему никто её не использует. Оказывается она поставляется всего в четырёх опциях. Рулоны шириной 61 см, длиной 55 и 110 метров. И, под другим артикулом, в листах 61x61 см. И некоторые организации умеют её нарезать на специальном станке. Если что, то на Амазоне продаётся нарезанная, но смысл имеет только если вам ну очень надо. www.amazon.com/gp/product/B007Y7CSAC Вероятно, если я соберусь делать ещё много полосок, то я попробую добыть эту ленту заранее.
Остался герметик
На форумах много упоминаний про некий казанский автогерметик формирователь прокладок, который и дешёвый и божественный и всё такое. Только заводов в Казани, производящих силиконовые герметики больше одного, а также куча информации о том что есть подделки в которых куча то-ли мела то-ли чего-то пескообразного. Ну и возле дома он не продавался. Также указывалось что отдельные мажоры клеят на американский герметик формирователь прокладок Done Deal, серый. Отдельно стоит отметить что хрен разберёшь чем отличаются герметики по цветам. Ну серый так серый, до кучи он был в соседнем автомагазине. Работать с ним оказалось вполне удобно. Изготовил шпатель из пластиковой карты и наносил им вполне отличный слой. В герметике указано что необходима выдержка перед сбором деталей 15 минут. Я этого не соблюдал, т.к. слой очень тонкий, и при размазывании шпателем герметик вполне контактирует с воздухом достаточно. Герметик наносится сильно удобнее чем эпоксидки и термопаста. Не образует соплей, прекрасно ложится тонким слоем, консистенция очень приятная для работы, легко смывается если замазался.
Технология приклейки
-
Напильником убрать заусенцы от распила
-
Мелкой наждачкой проехаться по области приклеивания, буквально пару раз туда-сюда
-
Протереть поверхность приклеивания спиртом
-
Мелкой наждачкой проехаться по обратной стороне линейки. И слегка задрать поверхность и убрать заусенцы по краям полоски
-
Протереть полоску спиртом
-
Очистить шпатель
-
Нанести шпателем герметик в профиль
-
Приложить полоску
-
Снять струбцины и прижим с прошлой полоски
-
Прижать прижимом и струбцинами полоску к профилю
-
Спиртом оттереть внутренность отражателя только что освобождённой полоски
-
Переходить к следующей полоске.
Никак особенно я линейки не позиционировал, они попадали примерно по центру как-то. Что меня вполне устроило.
Отдельно про прижим. У меня оказалась под руками квадратная алюминиевая труба, 15*15 мм. Прижимать к диодам алюминием я не решился, а проложил вдоль трубы кусок провода двухжильного многопроволочного 2.5 кв. мм сечением и приклеил скотчем. Вообще я сделал это для проверки гипотезы, и думал наклеить потом какую-нибудь резину туда, но этот колхоз оказалься на удивление удобным, всё им и собрал. Отдельно отмечу что разъём по высоте выше диодов, и свою прижимную планку я подводил вплотную к разъёму, но не на него. Труба с проводом и с учётом толщины ленты немного выпирает над профилем, прижимал тремя струбцинами, достаточно сильно. Ни один диод не повредился. Также отмечу что сразу после прижима, линейка сидит на герметике очень плотно, никуда не убегает и не отклеивается. Необходимости держать прижим сутки нет.
Итак, с третьего раза механизм крепления полосок на радиатор изобретён. Осталось приклеить 30 штук. Не то чтобы это было очень сложно но за один заход по 10 шт нормально клеилось.
Опять же изначально я хотел подпаиваться к контактным площадкам. Причём после вклейки в радиатор, ибо не хотел возиться с проводами при приклейке. Ага, щаз, с разбегу. Припаяться нормально к медным контактным площадкам на алюминиевой основе, на радиаторе… Не, можно конечно, но сложно и долго. Отложив прототип, я, только в этот момент задумался, а наверно для разъёма есть коннекторы. И, чёрт возьми, есть. И стоят недорого совсем. Правда для последовательного соединения, но тут уже меня ничего не могло остановить. Вот ссылка в том же магазине на коннекторы по 31 рубль за 4 шт. Однозначно возиться с пайкой смысла не имеет.
Окей, у нас есть 30 линеек на радиаторах из которых торчат короткие провода, нужно закрепить их на полке, зачистить и соединить.
Для крепления к полке я выбрал саморезы, если мне не изменяет память 2.4 x 18 мм. Просверлил два отверстия сверлом 3 мм сквозь крепёжные отверстия полосок. Тут есть два замечания. Сверлить стоит после того, как герметик высох, на следующий день, иначе стружка прилипает вдоль линейки, т.к. линейка 15 мм а пространство 17 мм, и когда потом пытаешься смахнуть их щёткой, щётка пачкается в герметике и опилки налипают на щётку и на всё вокруг. И второе, при очистке, внимательно осмотрите место припайки разъёма, один раз я вытащил оттуда стружку которая могла бы коротнуть.
Электрическая часть
30 Линеек. 60 контактов, кроме крайних к каждому подходит ещё два, от предыдущего и следующего. Итого примерно 180 проводов предстояло зачистить и осуществить 120 соединений. Если про зачистку я не беспокоился, у меня был отличный инструмент для этого, то соединения меня беспокоили. Я сразу отмёл пайки и скрутки. Немного поразмышлял о Wago, их цене и скорости работы с ними, и решил не использовать их. В итоге остановился на изолированных колпачках под пресс клещи. Все светильники я проверял, на всякий случай держа под руками огнетушитель. Всё заработало с первого раза. Ни в одном контакте не было проблем. На 120 из 120 соединений сразу заработали отлично. Мне понравились такие пресс колпачки, хоть я и применял их первый раз. Буду и дальше применять их под небольшими нагрузками.
Провода я крепил просто мебельным степлером. Сейчас подумал, что можно было по кромке полки провести узкий кабель канал и спрятать все провода туда, тогда совсем красиво было бы. Но и этих проводов в ежедневной эксплуатации не видно. Разглядеть их там не сильно проще чем разглядеть пятна на солнце невооружённым взглядом. Распускал провод специальным ножом. Хорошие кусачки тоже упрощают работу.
На этом сборка собственно полки заканчивается, осталось только установить её.
5. Электробезопасность
Все драйверы вынесены на самую верхнюю полку куда никак и никогда не попадёт вода. Длинные провода сечением 0.75 кв. мм (до двух метров) от драйвера, при токе 1050 Миллиампер никакого значимого влияния не оказывают, хотя в документации на драйвер указано, что стоит располагать драйвер близко к светильнику. Драйвера применил какие были, какие-то дорогие MeanWell с программным управлением яркостью, просто потому что они у меня есть. По факту эти 6 драйверов стоят дороже всего остального вместе взятого. Можно взять что-то типа такого. Возможно в будущем драйверы заменю, если эти потребуются где-то ещё. Вопрос выбора качественных драйверов за рамки этой статьи выходит.
Собран отдельный электрощит, отведённый от ближайшей розетки(без вилки, чтобы точно знать где фаза), установлено электромеханическое устройство защитного отключения Schneider Electric, класс A, ток утечки 10 миллиампер. Да, дорого, но я готов платить за хорошие вещи. Также установлен автомат ABB типа C, 6 ампер. От этого щитка питается подсветка и промышленный монстр-увлажнитель, производительностью 3 литра в час. Узо такого класса, в совокупности с тем, что вниз спускается только 30 вольт закрывает практически все риски поражения электрическим током. Также, все растения установлены, не просто в плошки, но ещё и в поддоны, которые готовы вместить в себя любой перелив.
В принципе, можно было бы полностью избавиться от параллельного включения полосок, и жить на последовательном. Но тогда напряжение на полосках пришлось бы поднять до 150 вольт. А я так не хочу.
6. Эстетичность и компактность
На мой взгляд всё удалось. Ромбики прекрасны. От полки лампы выступают на 20 мм, что меньше чем любые готовые решения, провода удалось спрятать на верху полки, вертикальные провода за опорой стеллажа, весь проводной монстр с 6 драйверами скрыт от глаз наверху.
Что удивительно, свет не бьёт в глаза при нахождении в помещении. Я ещё думаю о том чтобы закрыть торцы профилей декоративной накладкой, т.к. один раз уже поцарапал голову об них.
Отдельно хочу сказать что эта штука светится ярче чем окно (кроме случая когда в него прямо бьёт свет) и создаёт ощущения весны и хорошей погоды за окном. Стеллаж даёт свет больше чем моё штатное освещение в комнате, и я однозначно понял что при ремонте буду предусматривать себе аналогичное освещение рабочего места. Очень удобно возиться с любыми мелкими вещами когда свет очень яркий. Например пропалывать пинцетом мох, а такая потребность бывает. У меня отличное зрение, но тут я просто понял что такое комфортное освещение рабочей зоны.
Управляется всё это дело пока обычным электронным таймером из леруа, работает по будням с 6 утра до 21 вечера, по выходным с 11 утра до 21 вечера. Встаём мы в 6, будильник звенит за 5 минут. Есть куча всяких исследований что яркий свет утром положительно влияет на здоровье, но я не особо этим запариваюсь, мне просто приятно.
Если очень захочется увеличить яркость, то можно поклеить стены и пространство между светильниками отражающим материалом. Станет существенно ярче.
Автор: Михаил Бусырев
