3

2. Расчётная часть
Расчет светодиодной лампы прямого замещения для люминесцентной
лампы ДРЛ 250 будет иметь классическую форму LED – лампы «кукуруза».
Расчет светодиодного источника света осуществляется по следующему
алгоритму:
Характеристики источника света, который предполагается заменить
на светодиодный (СД) аналог. [ДРЛ 250]:
– напряжение питания – 220 В;
– световой поток источника света (Фис) – 9500 лм;
– светораспределение (тип КСС) источника света – (130°);
– габаритные размеры - L = 240,0; D = 90,0 мм;
– присоединительные размеры (тип цоколя) – Е40;
– цветовая температура – 4200 К.
2.1 Выбор светодиода
В данном курсовом проекте буду использоваться светодиоды SMD
5730 (https://svetilnik.info/svetodiody/smd-5730.html):
– тип КСС светодиода – Д (120°);
– световой поток (ФСД) – 55,0 лм;
– электрические параметры - I=0,15 А, U=3,3 В;
– геометрические параметры – 5,7x3,0 мм;
– цветовая температура – 4500 К.
2.2 Выбор вариантов компоновки светодиодного источника света
Определяется требуемое количество СД:
N = ФИС / (ФСД × К),
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
(2)
Лист
27
где К = 0,8 – коэффициент, учитывающий взаимную экранировку
светового потока соседними СД и прочими элементами ИС
N=9500/(55×0,8),
N= 216.
Проводится оценка возможности компоновки СД в габариты ИС:
Sис ≥ Sсд × N,
(3)
где Sис – площадь излучающей поверхности ИС (21600 мм 2),
Sсд – площадь основания светодиода (14,4 мм2).
(240 × 90) ≥ (5,7×3,0) × 216,
21600 ≥ 3693,6 мм2.
С учетом контактной площадки:
(165 × 81) ≥ (11×5,7) × 216,
21600 ≥ 13543,2 мм2.
Расчет компоновки СД с учетом КСС замещаемого ИС:
Источник света излучает световой поток в одну полусферу:
– светодиоды равномерно располагаются на плоской поверхности и их
оптические оси совпадают с оптической осью источника света. Принимается,
что все светодиоды располагаются в одной точке, и осуществляется
суммирование значений силы света по каждому направлению (углу)
светораспределения.
2.3 Расчет отводимого тепла
Температура перехода Tj в общем случае определяется тремя
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
28
параметрами:
– температурой окружающей среды Ta;
– тепловым сопротивлением полупроводниковый переход–окружающая
среда RΘj-a;
– рассеиваемой электрической мощностью светодиода Pd.
Чем ниже любой из этих параметров – тем лучше для светодиода.
Аналитически эти параметры связаны следующим образом:
Tj = Ta + (R j-a × Pd)
Тепловое
сопротивление
между
двумя
(4)
точками
определяется
отношением разности их температур к мощности рассеяния светодиода:
R = (T1-T2) / Pd
(5)
Для расчетов будем измерять тепловое сопротивление в С o /Вт.
Общая мощность, рассеиваемая светодиодом (Pd) для постоянного тока
определяется прямым напряжением (Uf) и прямым током (If) светодиода:
Pd = Uf × If
(6)
Температура окружающей светодиода среды Ta = 25 oС.
Для выбранного светодиода типичное прямое напряжение Uf = 3,1 В при
токе If = 150 мА. Истинные параметры светодиодов необходимо замерять, но
подобный пример служит для теоретических расчетов, необходимых для
предварительного выбора радиаторов, что делается с небольшим запасом.
После выбора радиатора и его установки, можно произвести на нем измерения
и скорректировать данный расчет, при необходимости. А вот такая
необходимость может быть обусловлена, в частности, выбором более
экономичного решения.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
29
Мощность рассеяния для постоянного тока, протекающего через светодиод,
рассчитывается так:
Pd = 0,15 × 3,1 = 0,46 Вт.
Тепловое сопротивление от полупроводникового перехода к «точке
пайки» указывается в технической документации и для светодиода равно 4
о
С/Вт.
Максимальная
температура
перехода
указанная
в документации
составляет 130 оС.
Отсюда:
Tj = Ta + Pd × (RΘj–sp + RΘsp–h + RΘh–a)
(7)
Тепловое сопротивление между «точкой пайки» и радиатором, RΘ j–sp,
зависит от чистоты обработки поверхности радиатора, приложенного давления
при установке на радиатор светодиода, площадью контакта, от типа материала
радиатора, его толщины. При хорошем расчете и изготовлении оно может быть
минимизировано до 1 оС/Вт.
Максимальное тепловое сопротивление от радиатора в окружающую
среду, рассчитывается как:
RΘj–а = (Tj - Ta - RΘj–sp × Pd - RΘsp–h × Pd) / Pd
(8)
RΘj–а = (130 – 25 – 4 × 0,7– 1 × 0,7) / 0,7 = 145 оС/Вт
RΘj–а =145 оС/Вт.
Таким образом, чтобы температура кристалла не превышала 130 оС
тепловое сопротивление RΘh-a для светодиода должно выбираться меньше
чем 145 оС/Вт. Радиатор с таким тепловым сопротивлением выбирается по
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
30
документации их производителей или путем моделирования и тестирования.
Однако в дальнейшем работа при такой температуре p-n перехода
приведет к уменьшению яркости и срока службы светодиода. У мощных
светодиодов возможен спад светового потока до 30 % при температуре
полупроводникового перехода 80 oС после 50000 часов срока службы.
Поэтому температуру p-n перехода нужно брать с запасом. Таким образом,
коэффициент запаса будет равен 0,55 (130 × 0,55 = 71,5). Это позволит
снизить вероятность перегрева кристалла и обеспечить требуемый ресурс
работы светодиода.
RΘj–а = (71,5 – 25 – 4 × 0,7 – 1 × 0,7) / 0,7 = 61,4 оС/Вт
RΘj–а =61,4 оС/Вт.
С учетом коэффициента запаса получаем, что для удержания
температуры кристалла ниже 71,5 оС тепловое сопротивление RΘh-a для
светодиода должно выбираться меньше чем 61,4 оС/Вт.
2.4 Выбор драйвера питания
Количество диодов, которое можно подключить на драйвер, суммарным
падением напряжения должно укладываться в пределы выходного напряжения
драйвера. Для проектируемого светильника можно использовать один драйвер
PF100W LD100 (100W, 26-38V, 2800mA, IP66).
Ссылка на драйвер:
(https://icled.ru/catalog/ac_dc_1000_4500ma/svetodiodnyy-drayver-pf100wld100-100w-26-38v-2800ma-ip66/)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
31
Рисунок 9 – Драйвер PS100
Характеристики драйвера представлены в таблице 4
Таблица 4 – Характеристики драйвера
Параметр
Выходной ток, А
Значение
2,8
Выходное напряжение, В
26-38
Выходная мощность, Вт
100
Номинальное напряжение, В
220
Степень защиты
IP61
Корпус
Есть
Длина, мм
161
Ширина, мм
51
Высота, мм
39
Светодиоды в линейке располагаются последовательно.
Схема питания светодиодов представлена на рисунке 10
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
32
Рисунок 10 – Схема питания светодиодов
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
33
3 Конструирование источника света
Конструируемая лампа включает следующие элементы:
а) корпус – конструктивный элемент, на который будут крепиться
остальные элементы конструкции, изготавливается из алюминия, так как для
отличного отвода тепла применяют составные алюминиевые корпус-радиатор,
благодаря чему достигается требуемый температурный режим печатной
платы.;
б) печатная плата с излучающими SMD светодиодами, количество
светодиодов подобранно таким образом, чтобы световой поток был равен
потоку данной лампы с традиционным источником света;
в) драйвер – источник питания который крепится в цоколь. Драйвер со
стабилизацией по току был подобран для платы по значению нормированного
выходного тока;
Также в конструируемом источнике питания будут применены
стандартные изделия.
Все конструктивные элементы представлены в графической части на
сборочном чертеже, к которому приведена спецификация.
Схема питания лампы так же представлена в графической части.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для прямой замены лампы ДРЛ в данной курсовой работе была
смоделирована
и
рассчитана
светодиодная
лампа
со
следующими
параметрами:
– тип цоколя: E40;
– тип драйвера: PF100W LD100 (100W, 26-38V, 2800mA, IP66);
– типы светодиодов Smd 5730;
– количество светодиодов в лампе: 215;
– тепловое сопротивление: 61,4 оС/Вт;
– суммарное энергопотребление: 78,4 Вт/ч.
Электрические характеристики:
– напряжение: 220 В;
– мощность: 98,9 Вт.
Геометрические характеристики:
– длина: 220 мм;
– ширина: 85мм.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
35
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича. – М.:
Мир, 1979г. - 688с..
2. Виды светодиодной лампы “Кукуруза” – [Электронный ресурс] –
Режим
доступа:
https://lampaexpert.ru/vidy-i-tipy-lamp/svetodiodnie/chem-
horosha-kukuruza.
3. Лишик С.И. О светодиодных лампах прямой замены /С.И. Литттик,
А.А. Паутино, B.C. Поседько, Ю.В. Трофимов, В.И. Цвирко // Светотехника. 2010. № 1-С. 48-54. М., 1979.
4. Преимущества светодиодного освещения – [Электронный ресурс] –
Режим
доступа:
https://itw-systems.com/blog/preimushhestva-svetodiodnogo-
osveshheniya/
5. Светодиодные матрицы ” – [Электронный ресурс] – Режим доступа:
https://ledjournal.info/spravochnik/svetodiodnaya-matritca.html
6. Шуберт Ф. Светодиоды / Ф. Шуберт. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП–02069964–11.03.04–15–21
Лист
36