Zdroj světla pro biologické aplikace

Gymnázium Jana Blahoslava
Ivančice
Zdroj světla pro biologické aplikace
Závěrečná práce
Adam Halbich
Vedoucí práce: Mgr. Vítězslav Světlík
Konzultant: doc. Ing. Miroslav Steinbauer, Ph.D.
2011
Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci
vypracoval samostatně s využitím uvedených
pramenů a literatury.
……………………………………………
Podpis autora práce
1
Poděkování
Děkuji
konzultantovi
mé
práce
doc. Ing. Miloslavu Steinbauerovi, Ph.D.
a
vedoucímu mé práce Mgr. Vítězslavu Světlíkovi
za účinnou, metodickou, pedagogickou a
odbornou pomoc, velkou trpělivost, ochotu a
další cenné rady při zpracování mé práce
2
Obsah
Úvod ........................................................................................................... 4
Teorie .......................................................................................................... 5
Základní pojmy a veličiny světelné techniky.............................................. 5
Základy radiometrie a fotometrie ........................................................... 5
Fotometrické veličiny a jednotky ........................................................... 5
Polovodiče ................................................................................................ 6
Pásová teorie polovodičů ....................................................................... 6
Elektrická vodivost polovodičů .............................................................. 7
Přechod PN ........................................................................................... 8
Diody ....................................................................................................... 9
Typy diod ............................................................................................ 10
LED ................................................................................................ 11
Konstrukce ............................................................................................... 12
Výběr zdroje světla ................................................................................. 12
Mechanická konstrukce ......................................................................... 14
Osvětlovací hlava s LED ...................................................................... 14
Zdroj ................................................................................................ 14
Elektrická konstrukce ............................................................................ 16
První návrh driveru ............................................................................. 16
Druhý návrh driveru ........................................................................... 16
DPS ....................................................................................................... 19
Ovládání ................................................................................................ 20
Technické parametry ................................................................................. 21
Elektrické parametry .............................................................................. 21
Světelné parametry ................................................................................ 21
Závěr ......................................................................................................... 22
Resumé ..................................................................................................... 23
Použitá literatura ...................................................................................... 24
Přílohy ...................................................................................................... 25
3
Úvod
Laboratorní zdroj bílého světla má pomáhat v biologickém výzkumu.
Světelný zdroj má nastavitelný jas od 0 do 100 % a spektrem se velice
podobá dennímu světlu. Jako zdroj světla využívá vysoce svítivé LED. Jejich
výhoda spočívá ve velkém výkonu a nízké spotřebě. Na rozdíl od jiných
světelných zdrojů se při změně jasu jen minimálně mění spektrální složení
světla a nevysílá infračervené záření, které může znehodnotit výsledky
biologických pokusů. Zdroj světla je navržen podle požadavků Ústavu
molekulární biologie a radiobiologie Agronomické fakulty Mendelovy
zemědělské a lesnické univerzity v Brně.
4
Teorie
Základní pojmy a veličiny světelné techniky
Základy radiometrie a fotometrie
Radiometrie se zabývá měřením elektromagnetického záření v celém
jeho rozsahu, zatímco fotometrie se zabývá jen složkou elektromagnetického
záření detekovatelnou lidským zrakem. Tato složka se nazývá viditelné světlo
(VIS) a právě touto složkou se budeme dále zabývat.
Fotometrické veličiny a jednotky
Výchozí veličinou světelné techniky je světelný tok. Značí se Ф, udává
fotometrický výkon světla vyzářeného z určitého zdroje a jeho jednotkou je
lumen (lm). Z hlediska velikosti můžeme 1 lumen definovat jako 1/683 W
monochromatického záření s frekvencí 540—1012Hz, což je frekvence, pro
kterou má normální lidské oko pozorovatele nejvyšší citlivost.
Světelný tok může vycházet se zdroje v určitém prostorovém úhlu.
Jednotkou prostorového úhlu je steradián (sr). Světelný tok vyzařovaný do
prostorového úhlu 1sr se nazývá svítivost. Značí se I a její jednotkou je
kandela (cd) Svítivost je jednou ze 7 základních veličin SI. Můžeme ji
vypočítat ze vztahu
Pokud světelný tok dopadne na osvětlovanou plochu, vznikne určitá
intenzita osvětlení. Je to nejčastěji měřená fotometrická veličina. Značí se E a
její jednotkou je lux (lx). Můžeme ji vypočítat ze vztahu
Z hlediska lidského vidění je prakticky nejvýznamnější veličinou jas.
Jas je fotometrická veličina vyjadřující množství světelného toku, který se
odráží od daného elementu (nebo z něj vychází), v určitém směru k místu
pozorovatele. Značí se L a jednotkou je kandela na čtverečný metr (cd—m-2).
Platí pro ni vztah
Více podrobností můžeme nalézt v literatuře [1] .
5
Polovodiče
Pásová teorie polovodičů
Elektron v atomu může v Bohrově teorii kroužit kolem jádra podle
Pauliho principu pouze v kvantových drahách, tzv. orbitech. Pokud krouží
v některé z kvantových drah, nevyzařuje atom žádnou energii. Při přechodu
elektronu z jedné dráhy do druhé atom buď energii absorbuje, nebo emituje.
U izolovaného atomu jsou energetické úrovně diskrétní. Při přiblížení
atomů se dráhy elektronů deformují, takže při vytváření pevné
monokrystalické látky dochází k rozštěpení energetických úrovní a vzniku
energetických pásů.
Pásová struktura určuje fyzikální vlastnosti látky. Pásy dělíme na
dovolené - pásy dovolených hodnot energie elektronů, sem patří vnitřní,
valenční a vodivostní pás. Oblasti mezi těmito pásy jsou zakázané pásy pásy zakázaných hodnot energie atomu (viz obr. 1).
Obr. 1
Jednoduchý pásový model pevné látky - zdroj [2]
Poslední 3 pásy – vodivostní, zakázaný a valenční – svojí polohou a
energetickou šířkou určují vodivostní vlastnosti pevných látek. Podle šířky
zakázaného pásu rozlišujeme vodiče, polovodiče a izolanty.
U izolantů je zaplněn elektrony valenční pás a nad ním ležící zakázaný
pás je širší než 3 eV (eV - elektronvolt, 1 eV = 1,16—10-19 J). Zakázaný pás je
tedy příliš široký na to, aby elektrony mohly přejít do vodivostního pásu,
látka tedy nevede elektrický proud.
Pásový diagram polovodičů je shodný s pásovým diagramem izolantů,
ovšem liší se šířkou zakázaného pásu, která je menší, typicky 1 eV. Za
teploty blízké 0 K je vodivostní pás prázdný, v polovodiči tedy nejsou žádné
volné elektrony a polovodič se chová jako izolant. Při zvyšování teploty
mohou některé elektrony získat dostatečnou energii a přejít do vodivostního
pásu – polovodič začíná vést proud (viz obr. 2).
6
Ve vodičích se vyskytují 2 případy. Buď je zakázaný pás menší než 0,1
eV, nebo se valenční a vodivostní pásy překrývají. Takové látky jsou dobrými
elektrickými i tepelnými vodiči i za velmi nízkých teplot.
Obr. 2
Vliv teploty a osvětlení na vodič a polovodič - zdroj [2]
Elektrická vodivost polovodičů
U polovodičů existují 2 typy vodivostí – vlastní a nevlastní (neboli
příměrová) vodivost.
Vlastní polovodič se podobá izolantu. Za teploty blízké 0 K nemá ve
vodivostním pásu žádné elektrony, ale vlivem teploty nebo jiného vnějšího
vlivu mohou elektrony získat dostatečnou energii k přechodu do
vodivostního pásu (viz obr 3).
Elektron se uvolní a zanechá po sobě atom postrádající jeden elektron
(chovající se jako kladný iont). Atom může elektron převzít od jiného atomu a
tak se kladný náboj může pohybovat. Tento útvar s kladným nábojem
nazýváme díra.
Obr. 3
Vznik páru elektron – díra ve vlastním polovodiči - zdroj [2]
Na elektrickou vodivost polovodičů mají výrazný vliv cizí atomy
zabudované do krystalické mřížky, tzv. poruchy. Tento typ polovodičů
nazýváme nevlastní nebo také příměsové polovodiče.
Je-li atom krystalické mřížky čtyřmocného prvku nahrazen atomem
pětimocného prvku, jde o polovodič typu N. Čtyři z jeho valenčních elektronů
vytvoří vazby se sousedními atomy a pátý elektron je poután k atomu jen
7
velice slabě a může být uvolněn (viz obr. 4) po dodání velmi malé aktivační
energie. Pětimocné příměsi dodávají elektrony do vodivostního pásu, nazývají
se donory. V polovodiči typu N převažují jako nosiče proudu elektrony,
nazýváme je proto majoritní nosiče. Jedná se o elektronovou vodivost.
Jestliže nahradíme atom krystalické mřížky čtyřmocného prvku
atomem trojmocného prvku, jde o polovodič typu P. Zaplní se tedy pouze 3
vazby se sousedními a atomy a čtvrtá zůstane prázdná (viz obr. 4). Stačí
malá energie k tomu, aby elektron přeskočil ze sousedního atomu, a vytvoří
se kladná díra, která se může libovolně pohybovat a realizovat vedení
elektrického proudu. Trojmocné příměsi se nazývají akceptory. Vytvořené
díry v polovodiči typu P převažují jako nosiče proudu, majoritními nosiči jsou
zde tedy díry. Jedná se o děrovou vodivost. Více podrobností můžeme nalézt
v literatuře [2]
Obr. 4
Polovodič typu N (vpravo) a polovodič typu P (vlevo) - zdroj [2]
Přechod PN
Mnoho polovodičových součástek využívá rozhraní mezi jednotlivými
materiály, z nichž je součástka vyrobena. Z hlediska činnosti a vlastností
jsou nejvýznamnější polovodičové přechody – rozhraní mezi dvěma různě
dotovanými polovodiči.
Přechod PN je přechod mezi stejnorodými materiály s různým typem
vodivostí.
8
Diody
Polovodičová dioda je součástka s dvěma vývody připojenými ke
krystalu polovodiče s jedním přechodem PN. Vývod spojený s oblastí typu P
se nazývá anoda a vývod spojený s oblastí typu N je katoda. Schematickou
značku můžeme vidět na obr. 5.
Obr. 5
Schematická značka polovodičové diody - zdroj [3]
Polovodičová dioda je nelineární součástka, která se neřídí Ohmovým
zákonem. Její vodivost závisí nejen na velikosti, ale i na orientaci
připojeného napětí. V tzv. propustném směru, kdy je potenciál anody větší
než potenciál katody, prochází diodou téměř stejný proud, jako bez diody.
V závěrném směru, kdy je potenciál katody větší než potenciál anody,
prochází diodou jen nepatrný proud. Tato závislost vodivosti diody na
polaritě připojeného napětí se nazývá diodový jev.
Volné nosiče náboje – elektrony v oblasti N a díry v oblasti P – konají
neuspořádaný pohyb v krystalu. Na rozhraní obou oblastí se setkávají a
vzájemnou rekombinací zanikají. Díky tomu v blízkosti přechodu PN
převládne elektrické působení nepohyblivých iontů příměsí – kladných
donorů v oblasti N a záporných akceptorů v oblasti P. Vniká tzv. hradlová
vrstva (nazývaná též depletiční vrstva nebo oblast prostorového náboje, viz
obr. 6) silná asi 1 µm s elektrickým polem, které brání pronikání dalších děr
a elektronů do oblasti přechodu – nastává tak rovnovážný stav. V hradlové
vrstvě se nenacházejí volné částice s nábojem a její odpor rozhoduje o
celkovém odporu diody. Více je uvedeno v literatuře [3]
Obr. 6
Hradlová vrstva – zdroj [3]
9
Typy diod
Usměrňovací diody se využívají pro usměrnění střídavého proudu,
dříve pouze průmyslových kmitočtů, nyní i vyšších kmitočtů, např. u
měničů. Usměrňovací diody mají v propustném směru malý úbytek napětí,
velký propustný proud a velké závěrné napětí. Obvykle se dělí na
nízkovýkonové (do proudu 20 A) a na výkonové (silové) usměrňovací diody.
V současnosti se používají diody křemíkové, výjimečně germaniové.
Usměrňovací diody se dále dělí na rychlé usměrňovací přechody, lavinové
usměrňovací diody a Schottkyho usměrňovací diody. Schottkyho diody
využívají namísto přechodu PN přechodu polovodič-kov a dosahují tak
menšího úbytku napětí v propustném směru, větší závěrné rychlosti, za cenu
menšího závěrného napětí.
Stabilizační (Zenerova) dioda je křemíková plošná dioda s ostrým
zlomem (průrazem) závěrné části VA charakteristik. Pracovní oblast těchto
diod leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu. Při (téměř) stálém
napětí narůstá proud. Jeho velikost je omezena prakticky pouze odporem
vnějšího obvodu. Průraz může být tunelový (Zenerův) nebo lavinový (v obou
případech hovoříme o Zenerových diodách, název lavinová dioda se užívá pro
jiné prvky). Tyto typy diod používáme ke stabilizaci napětí pří kolísání
vstupního napětí, nebo při proměnné zátěží (nebo v případě působení obou
jevů).
Obr. 7
Voltampérová charakteristika a) usměrňovací diody a b) stabilizační diody
Dále existují diody se speciálními vlastnostmi pro specifické aplikace,
jako jsou např. detekční a spínací diody, kapacitní diody, referenční diody,
tunelové diody, diody PIN a inverzní diody.
10
LED
Luminiscenční
diody
(LED)
jsou
součástky
založené
na
luminiscenčních vlastnostech polovodičů. Světlo v nich vzniká při zářivé
rekombinaci elektronů a děr, dopravených do oblasti rekombinace buď
vstřikováním, nebo tunelováním přítomným přechodem PN do oblasti, kde se
tyto nosiče stávají nerovnovážnými. Potřebné elektrony a díry mohou také
vznikat lavinovým násobením v oblasti přechodu PN. Vlnová délka záření
vysílaného luminiscenční diodou závisí na tom, na které energetické hladině
nastává rekombinace párů elektron-díra.
Podmínky generace potřebných dvojic elektron-díra a jejich zářivé
rekombinace potřebné pro luminiscenční jev lze poměrně snadno dosáhnout
právě pomocí přechodu PN. Je-li šířka zakázaného pásu použitého
polovodiče větší než 1,8 eV, může být při rekombinaci vyzařováno viditelné
světlo. Podrobnosti nalezneme v literatuře [4] .
11
Konstrukce
Výběr zdroje světla
Na světelné parametry zdroje světla byly kladeny tyto požadavky:
• Spektrum velmi blízké dennímu světlu;
• Lineární nastavení jasu od minima do 100%;
• Minimální změny spektra při regulaci jasu;
• Zdroj by neměl vyzařovat infračervené záření, aby neznehodnotil
biologické pokusy;
• Vysoká intenzita osvětlení.
Obr. 8
LED Luxeon® Rebel a rozměrový náčrt - zdroj [5]
Jako zdroj světla byla vybrána bílá LED, která má spektrum
vyzařování velice podobné dennímu světlu, má vysokou životnost a téměř
nevyzařuje infračervené záření.
Použitá LED je typu Luxeon® Rebel typu LXML-PWC1-0100 (viz obr. 8,
výrobce Phillips Lumileds Lightings, USA). Je to vysoce svítivá LED, při
proudu 700 mA má světelný tok 180 lumenů. Přímo na přechodu PN se
vytváří modré světlo o vlnové délce přibližně 440 nm, bílé světlo vytváří
nanesená vrstva směsného luminoforu. Toto bílé světlo má barevnou teplotu
přibližně 6500 K, (viz spektrum na obr. 9). Uváděná životnost je 50.000
hodin pro pokles svítivosti na 70 % původní hodnoty. Kvůli nelinearitě
závislosti světelného toku na proudu (viz obr. 10) jsme museli pro řízení jasu
zdroje použít PWM modulaci.
12
Obr. 9
Obr. 10
Spektrální charakteristika Luxeon® Rebel (cool-white) - zdroj [5]
LED Luxeon® Rebel závislost světelného toku na proudu – zdroj [5]
13
Mechanická konstrukce
Celé zařízení se skládá ze dvou částí, skříňky se zdrojem a měničem s
PWM modulací a z hlavy LED (obr. 11).
Obr. 11
Celkový pohled na světelný zdroj v provozu
Osvětlovací hlava s LED
Pro konstrukci osvětlovací hlavy byl použit původně chladič CPU
s rozměry 68 mm × 77 mm × 40 mm včetně ventilátoru 12 V / 0,45 A. Hlava
je osazena 16 LED Luxeon Rebel ve 2 paralelně zapojených sériích po 8 LED.
Ke zdroji 25 V, 1300 mA je hlava připojena čtyřvodičovým kabelem
zakončeným konektorem CANON 9F. Hlavu LED můžeme vidět na obrázku
12.
Zdroj
Jednotka napájecího zdroje je vestavěna do skříňky z ocelového
lakovaného plechu o rozměrech 117 mm × 216 mm × 112 mm. Skládá se
z průmyslového napájecího zdroje 230 VAC, 20 VDC, 50 W a vlastního
měniče s PWM modulací. Na čelní straně se nachází konektor CANON 9M
pro připojení LED hlavy, potenciometr ovládání jasu, přepínač a vstup
externího ovládání jasu 0-10 V. Na zadní straně je přístrojová zásuvka pro
připojení napájení 230 V, 50 Hz s integrovaným vypínačem a pojistkou T
1 A.
14
Obr. 12
Obr. 13
Pohled na osvětlovací hlavu s LED
Pohled na skříňku se spínaným zdrojem
15
Elektrická konstrukce
Všech 16 LED je zapojeno sérioparalelně 2× po 8 LED. Celkové napětí
je asi 25 V při 1300 mA, což odpovídá příkonu asi 2 W na jednu LED.
Jeden z požadavků na zdroj světla je jeho možnost lineárního řízení
jasu od minima do 100%. Vztah mezi proudem a světelným tokem však u
LED není lineární, proto musela být k regulaci jasu použita PWM modulace.
LED jsou tedy napájeny spínaným zdrojem s PWM modulací.
První návrh driveru
Nejdříve byl použit návrh, který se osvědčil u PWM modulace pro
napájení 5 LED. Schéma prvního návrhu můžeme vidět v příloze č. 1. Tento
PWM driver obsahoval následující prvky a moduly:
• zdroj konstantního proudu osazen LM334Z;
• zdrojem pilového napětí je časovač 555 ;
• jako zdroj obdélníkového napětí s proměnnou střídou slouží
IC4A osazený LM358D ve funkci komparátoru;
• hlavní součástkou je driver LED osazený integrovaným obvodem
LT3478;
• MOSFET pro ovládání proudu řadou LED byl osazen typem
IRFR 110 s odporem v sepnutém stavu RDSon = 0,54Ω ;
• napájení 12 VDC s navazujícím lineárním stabilizátorem 78L10
pro pomocné napětí;
Protože se ukázalo, že tato koncepce není vhodná pro větší výkon,
zejména kvůli problematickému odvodu tepla z výkonového spínacího
tranzistoru umístěného uvnitř LT3478, byl návrh značně přepracován včetně
využití nových součástek, čímž vznikl Driver 2.
Druhý návrh driveru
První realizovaná konstrukce driveru se ukázala pro řízení 16 LED
jako neefektivní, proto byl návrh pozměněn. Driver LT3478 byl nahrazen
výkonnějším typem LTC3783 od firmy Linear Technology, který je určen pro
připojení externího výkonového spínacího tranzistoru. Dále byl nahrazen
výkonový tranzistor MOSFET určený pro PWM modulaci za typ s nepatrným
odporem v sepnutém stavu RDSon = 0,002 Ω, takže se tento tranzistor
prakticky neohřívá a nevyžaduje chladič. Přepracován byl i zdroj PWM
signálu pro modulaci jasu diody, který nyní obsahuje generátor přesného
trojúhelníkového signálu a komparátor.
Složení a funkce pulzního zdroje dle blokového schématu (Obr. 14):
• Napájecí síťový pulzní zdroj (230 VAC / 20 VDC / 50 W)
• Stabilizátor pomocného napětí 15 V
• Zvyšující měnič s integrovaným obvodem LTC3783
• Obvody
PWM:
zdroj
konstantního
proudu,
generátor
trojúhelníkového napětí, komparátor
16
Obr. 14
Blokové schéma pulzního zdroje
Kompletní schéma zdroje druhého návrhu můžeme vidět v příloze č. 2.
Na vstupní svorky X1-1 a X1-2 je přivedeno nestabilizované
stejnosměrné napětí 20 V z napájecího sítového zdroje, u kterého bylo
nastaveno výstupní napětí na 20 V. Integrovaný obvod typu 78L15 funguje
jako klasický lineární stabilizátor s výstupním stejnosměrným napětím 15 V.
Principiálně základní částí zdroje je zvyšující měnič pracující na
frekvenci přibližně 300 kHz. Základními součástkami měniče jsou cívka L1 o
indukčnosti 10 uH, Schottkyho dioda D1 typu SK2100, kondenzátor C4 o
kapacitě 10uF, speciální integrovaný obvod LTC3783 firmy Linear
Technology, který řídí unipolární tranzistor MOSFET Q3 typu IRLZ 44NS.
Důležitou součást zdroje tvoří PWM modulátor, který ovládá jas LED
rychlým zapínáním a vypínáním s proměnnou střídou zapnuto /vypnuto.
Části PWM tvoří generátor obdélníkového napětí s proměnnou střídou,
sestávající ze zdroje referenčního napětí Uref = 10 V vytvořeného
z integrovaného obvodu typu TL431 a OZ IC4B. Další částí je generátor
trojúhelníkového napětí tvořený integrátorem s IC5A a komparátorem IC5B.
Celý obvod pak pracuje jako generátor trojúhelníkového napětí 0 až 10 V o
frekvenci 240 Hz, viz osciloskopický záznam průběhů na obr. 15.
IC4A je zapojen jako komparátor, který porovnává okamžitou hodnotu
trojúhelníkového
napětí
se
stejnosměrným
napětím,
nastaveným
potenciometrem R9 o odporu 100 kΩ. Na výstupu IC4A je tedy obdélníkové
napětí, jehož střídu lze měnit potenciometrem R9 od přibližně 2 % do 100 %.
PWM signál je pak veden přes zesilovač v obvodu LTC3783 k výkonovému
MOSFET Q1, který pak spíná proud napájející osvětlovací hlavu LED.
17
Obr. 15
Průběhy trojúhelníkového napětí (vývod IC5A) a obdélníkového napětí (vývod
IC4A) naměřené osciloskopem
Základem celé konstrukce je speciální obvod pro spínaný měnič
určený pro napájení LED s možností PWM modulace LTC 3783. Jeho
důležité piny jsou:
• 7 - PWMI - vstup impulsů modulovaných šířkově.
• 1 - PWMO - výstup impulsů o max. hodnotě proudu 25mA
• 5- FREQ - nastavení frekvence pomocí R7 = 22kOhm
• 11 - VIN - vstupní napětí max. 42V
• 9 - GATE - řídí MOSFET Q3 (switch – elektronický spínač)
• 1 - FBN - záporná zpětná vazba
• 2 - FBP - kladná zpětná vazba
• 12 - SENSE – citlivost, snímá se úbytek napětí přímo na odporu
RDSon tranzistoru Q3
Driver má několik ochranných obvodů, např. proti zvýšenému napětí,
softstart aj. Jedná se sofistikovaný obvod s velkou perspektivou.
Pro úplnost dodáváme, že na DPS je umístěn integrovaný spínaný
zdroj stabilizovaného napětí 12 V pro ventilátor aktivního chladiče hlavy
LED. Jako stabilizátor je použit IC3, typu LM2575T-12 s příslušnými
kondenzátory na vstupu a výstupu. Výstup pro řadu LED a ventilátor je
realizován konektorem D-SUB9. V případě napájení LED jsou vždy 3 piny
spojeny paralelně. Dodatečně byl přidán přepínač Input select, umožňující
ovládat pulzní zdroj dálkově standardními úrovněmi 0-10 V např. pomocí
PC.
18
DPS
Návrh desky plošných spojů byl řešen v programu Eagle 5.7.0. Motiv
byl vytisknut černobílou inkoustovou tiskárnou na fólii. Potom byla fólie
přiložena na DPS a uložena do osvitové UV jednotky a přitlačena krycím
sklem. Doba expozice byla asi 3 minuty, poté byla deska vyvolána ve vývojce
(roztoku 1,5% NaOH). Po vyvolání byla deska omyta horkou vodou a
osušena. Následné vyleptání bylo provedeno v nasyceném roztoku FeCl3 po
dobu asi 15 minut, po vyleptání byla deska opět opláchnuta horkou vodou a
osušena. Nakonec byla deska postříbřena ve stříbřící lázni po dobu asi 15
min.
Obr. 16
DPS prvního návrhu, vpravo přední strana, vlevo zadní
Obr. 17
Osazení DPS prvního návrhu
19
Obr. 18
DPS druhého návrhu, pravo přední strana vlevo zadní
Obr. 19
Osazení DPS druhého návrhu
Ovládání
Napájecí zdroj se připojuje k síti 230 V / 50 Hz. Zapnutí a vypnutí
zdroje se provádí kolébkovým spínačem umístěným u přívodní přístrojové
zásuvky na zadní straně skříňky zdroje.
Ovládací prvky jsou rozmístěny na přední straně skříňky zdroje.
Červená kontrolka vpravo nahoře signalizuje provoz zdroje, potenciometr
slouží k nastavení jasu světelného zdroje, konektor CANON 9F slouží
k připojení hlavy LED a vlevo dole jsou přepínač a vstup externího ovládání
jasu 0-10 V.
20
Technické parametry
Elektrické parametry
• Napájení
• Odběr z pomocného zdroje
• Spotřeba
230 V, 50 Hz
20 VDC, 1,8 A
max. 36 W (podle nastaveného
světelného výkonu)
32 W
90 %
• Příkon 16 LED
• Účinnost spínaného zdroje
Světelné parametry
• Maximální intenzita osvětlení
od LED
• Spektrum
• Životnost LED
240 000 lx ve vzdálenosti 5 cm
blízké dennímu světlu, viz Obr. 9
minimálně 50 000 hodin při
nejvyšším
nastaveném výkonu
po 50 000 hodinách zachováno
minimálně 70 % původní
hodnoty
• Pokles světelného toku
21
Závěr
Zdroj světla byl navržen pro biologické pokusy podle požadavků
Ústavu molekulární biologie a radiobiologie Agronomické fakulty Mendelovy
zemědělské a lesnické univerzity v Brně. Snahou bylo docílit co nejlepší
homogenity vyzařovaného světla a vysokého výkonu zdroje světla. Dále měl
zdroj vyzařovat co nejméně IR záření a spektrum měl mít podobné dennímu
světlu.
Těmto požadavkům dokonale vyhovují vysoce svítivé bílé LED od firmy
Luxeon. Bylo použito 16 LED s celkovým příkonem 32 W. Světelný zdroj má
možnost lineární regulace jasu od 2 % do 100 % díky driveru s PWM
modulací. Na plný výkon dosahuje světelný zdroj intenzity osvětlení
240 000 lx, což je 2,4 více, než dosahuje sluneční záření v létě v poledne.
22
Resumé
Celý projekt se skládá ze studie, návrhu a konstrukce speciálního
zdroje bílého světla se spektrem velice blízkým dennímu světlu s
nastavitelným jasem, který je určen pro aplikace v biologickém výzkumu.
Osvětlovací jednotka využívá moderní vysoce svítivé bíle LED. Projekt je
rozdělen do dvou částí. V první části jsou uvedeny světelné veličiny potřebné
k pochopení požadavků na zdroj světla, princip a funkce diod a jejich využití.
Druhá část popisuje výběr zdroje světla, návrh, mechanickou a elektrickou
konstrukci celého zařízení.
The whole project is composed of study, concept and construction of
special source of white light with spectrum highly similar to day light with
adjustable intensity of light, which is intended for applications in biological
research. Lighting unit uses advanced high-luminance white LEDs. The
project is divided into two parts. The first section describes light quantities
required to understand the requirements of the light source, principle and
function of LEDs and their applications. The second part describes the
choice of light source, mechanical and electrical design of the whole device.
23
Použitá literatura
Při zpracování byly použity tyto publikace:
[1]
Baxant P.: Elektrické světlo a teplo. FEKT VUT v Brně, 2004
[2]
Musil V., Boušek J., Horák M., Hégr O.: Elektronické součástky.
FEKT VUT v Brně, 2007
[3]
Lepil O., Šedivý P.: Elektřina a magnetismus. Prometheus spol. s
r. o. v Praze, 2006
[4]
Frank H., Šnejdar V.: Principy a vlastnosti polovodičových
součástek. v Praze, 1976
Lumileds Lighting, Aplikační a katalogové listy DS56.
[5]
24
Přílohy
Příloha č. 1
Obr. 20
Schéma prvního návrhu
25
Příloha č. 2
Obr. 21
Schéma druhého návrhu
26