Category Archives: technika

Životnost li-ion baterií

liionbattery18650

Měl jsem nedávno příležitost rozebrat dva batterypacky, které majiteli slouží skoro už dva roky, a tak jsem samozřejmě neodolal a prozkoumal jejich stav.

Náš batterypack obsahuje dvě 18650 li-ion baterie v sériovém zapojení, na nichž je napojený ochranný obvod, jak je to vidět na následujícím obrázku. Tento obvod chrání obě baterie individuálně před podvybitím, přebitím a zkratem, avšak nestárá se o žádné balancování.

batterypackliion

baterrypackliionprotection

Kdysi mi přišlo pár dotazů, jestli časem nedojde k rozbalancování, tzn. že nebudou obě baterie stejně nabité. Konzultoval jsem to i s firmou, která nám baterie boduje, četl jsem materiály na internetu a shodli jsme se na tom, že to u těchto kvalitních článků a v této konfiguraci nepředstavuje žádný problém. Bohužel, nemohl jsem tuto skutečnost demonstrovat na žádném příkladě, protože před dvěma lety jsem žádný batterypack tak dlouho neměl.

Takže, nyní jsem batterypacky prozkoumal a výsledky mě skoro až šokovaly, protože baterie byly zcela srovnané. První pár se nelišil vůbec a druhý pár se lišil o 1 milivolt!! A to byly tyto batterypacky používány v nejhorších možných podmínkách – svícení na max. módy, časté používání, používání v chladu.

Životnost li-ion baterií

Jak dlouho Vám tedy batterypack vydrží?

Li-ion baterie jsou specifikovány na určitý počet cyklů – tj. plného nabití a poté plného vybití. To se ale v reálných podmínkách nestane snad nikdy. Panasonic u baterie NCR18650B udává 500 cyklů s následujícím grafem:

18650cycles02Takže ani těchto 500 plných cyklů neznamená žádný totální pokles kapacity baterie.  Kapacita se sice během toho snížila z 3400mAh na 2250mAh, což je pokles na 66% původní hodnoty, ale za předpokladu rychlého nabíjení i vybíjení, takže realita bude určitě příznivější. Nabíjení je v grafu uvedeno 0.5C (=1.7A) a vybíjení 1C(=3.4A), kdežto naše nabíječka nabijí jen proudem 0.5A, tzn. třikrát menším a na MID mód čelovka odebírá přibližně jen 0.5A, což je dokonce sedmkrát méně. Tedy reálný počet cyklů bude větší a pokles kapacity pravděpodobně menší.

Zde ještě jeden graf cyklů od NASA na baterii NCR18650A s kapacitou 3100mAh s nabíjením i vybíjením 0.2C (=0.62A).

18650cycles01

Nyní ještě zbývá spočítat, co těch 500 plných cyklů znamená. V případě, že byste čelovku používali každý třetí den a pokaždé ji vybili z poloviny, tak za rok provedete 59 plných cyklů, tzn. 500 cyklů Vám bude trvat přes 8 let. A i po této době bude mít baterie maximální kapacitu třeba 70% původní. To zní dobře, nemyslíte?

Přirozené a další stárnutí baterií

Baterie bohužel přirozeně stárne i bez používání, avšak stále platí, že 5 a více let je u kvalitního článku dosažitelná a reálná doba za předpokladu, že budete dodržovat základní zásady pro li-ion baterie.

Z nich jsou dvě velmi důležité. Nikdy nenechávejte plně vybité baterie, vždy je alespoň částečně znovu nabijte. A druhá věc se týká použití v zimě, kdy je nutné batterypack nevystavovat teplotě pod 0°C (lépe však ani pod 10°C). V mrazu je samozřejmě možné batterypack přenášet a skladovat a nijak mu to neškodí, není ale doporučeno ho při promrznutí používat.

Jak vyrábíme čelovky – CNC obrábění

CelovkaRamecky_01Dnes Vám ukážeme, jak v naší dílně vyrábíme hliníkové díly čelovek. Nejdříve ale začneme krátkým terminologickým vysvětlením. Obrábění je obecně způsob mechanického odebírání materiálu, skrývá se pod ním soustružení a frézování. Soustružení se provádí na soustruhu (stroj) a je vhodné především pro válcové díly. Frézování se hodí na obrábění všech možných tvarů, je prováděno na frézce (stroj) a používáme ho k výrobě všech 4 částí naší čelovky Lucifer. 3 kusy frézujeme z hliníku a chladič z mědi.

CelovkaRamecky_03CelovkaRamecky_02CelovkaTela_02CelovkaTela_03CelovkaTela_01

CNC stroje / konvenční stroje

Konvenční stroje tu byly od pradávna, jsou to zjednodušeně řečeno vrtačky s posuvným stolem, se kterým můžete točením klik pohybovat v jednotlivých osách (x,y,z) a posouvat tak obrobek skrze vřeteno s nástrojem. Komplikovaně se s ním vyrábí nepravidelné tvary a plochy. K obrábění nepotřebujete žádný digitální model obrobku, stačí Vám schéma či nákres na papíře.

CNC (Computer Numerical Control) označuje stroje, u kterých jsou na osách připevněny motory, jejichž pohyb řídí a synchronizuje počítač podle zadaného obráběcího kódu (tzv. G-kód). Podle toho také řídí např. otáčky vřetene, výměnu nástrojů nebo ostřikování chladící kapalinou.

Co předchází CNC obrábění

Nejdříve je třeba vytvořit digitální 3D model, který lze jednoduše obrobit. Záměrně píšu jednoduše, protože existuje velké množství prvků, které lze obrobit dost komplikovaně nebo nelze vůbec nebo lze jen speciálními nástroji.

Dále je třeba si vyjasnit strategii obrábění – promyslet z jakého výchozího polotovaru začneme obrábět (např. kulatina nebo hranol určitých rozměrů). Polotovar můžete nakoupit jako my v podobě 4-hranných tyčí nebo nechat uříznout přímo v daném rozměru. Snažíme se vždy o to, aby byl polotovar jen o málo větší než plánovaný výsledný obrobek, jinak by se obrábění zbytečně prodlužovalo.

Pak je třeba promyslet, jak budeme kus upínat do čelistí a z kolika stran jej budeme obrábět a jakými nástroji. Jak tyto kusy budeme zaměřovat (říct stroji, kde v prostoru začínají) nebo jestli by se třeba nevyplatilo vyrobit nějaký přípravek, abychom mohli více kusů frézovat najednou nebo je nemuseli pokaždé znovu zaměřovat (měli nějakou zarážku).

Vše zmíněné je komplexní proces, kdy se vše upravuje a optimalizuje navzájem. Například je vhodné obrábět většími nástroji, protože s menšíma lze obrábět jen pomalu, do menší hloubky a navíc hrozí větší riziko zlomení. Také je vhodné optimalizovat počet nástrojů, tzn. aby jich bylo co možná nejméně (jejich výměna chvíli trvá).

Další nutnou věcí je vytvoření obráběcího G-kódu. Ten lze napsat i ručně v textovém editoru, ale pro komplikované tvary je to už nadlidský úkol a je nutné ho generovat z 3D modelu.

Jak probíhá CNC obrábění

Samotné obrábění je pak už rutinní činnost, kdy se do stroje založí polotovar, spustí obráběcí kód, vyměňují se nástroje, vyloží a zkontroluje hotový kus atd. Je však třeba stále dávat pozor, aby chybou člověka nedošlo k poškození nástrojů, stroje nebo jeho zdraví.

Existují i CNC obráběcí stroje, které umí vyměňovat nástroje automaticky z karuselu, ve kterém je mají uložené. Bohužel my stále vyměňujeme ručně.

Čistý čas obrábění hlavice čelovky je 1h:30min. Na profesionálních strojích v ceně nad 1mil. Kč by bylo možné se dostat např. na čas 30min.

PostupVyroby_sekvence

Zde je sekvence obrázků, které dokumentují stavy po jednotlivých upnutích. Předposlední obrázek je jak vypadá čelovka po eloxování. Eloxování je průmyslový proces, při němž se elektrolyticky vytvoří na povrchu hliníku tvrdá ochranná vrstva, kterou je také možné zabarvit.VelikostVahaObrabeni_sekvence

Z původního hranolu 35x25x52mm vážícího 123gr tak vznikne hlavice čelovky vážící 27.6gr. Na dalším obrázku je vidět odpad v podobě kovových špon. Schováváme je do pytlů a vozíme do výkupu surovin, i když za ně dostaneme jen pár korun na pivo.

ObrabeniSpony

Jak vypadají nástroje

Obráběcí nástroje jsou nejčastěji stopkové (válcové) frézy z ryhlořezné oceli (HSS) nebo tvrdokovu (TK, SK). Také používáme různé tvarové frézy pro frézování zakulacených ploch, 45° zkosení nebo pro frézování velkých závitů. Nástroje se liší pracovní délkou (velmi krátké, krátké a dlouhé nástroje), počtem břitů (na hliník používáme 2-4-břité nástroje) a materiálem (mohou také být povlakované což umožňuje rychlejší obrábění).

Nastroje_01

Nastroje_02

Zde vidíte celou plejádu nástrojů, které používáme, je jich celkem 48. Stopkové frézy používáme velikostí 1mm, 1.5mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 8mm, 10mm a 12mm. Čelní frézy 25mm a 38mm a flycutter 76mm.

Dalších 10 nástrojů tvoří vrtáky od velikostí 1.25mm (předvrtání pro závit M1.6) až po 12mm. Malé závity vyrábíme ručně, větší závity (M5-M10) frézujeme speciálním nástrojem. Dále používáme toroidní frézy (stopková fréza se zakulaceným krajem) pro frézování 3d povrchů a frézy na zkosení.

Nastroje_03

K tomu je ještě nutné připočíst zaměřovací sondu Haimer pro určení počátečního bodu a sondu pro měření délky nástrojů.

Na čem obrábíme

Máme ve vlastnictví CNC frézku Tormach PCNC770. Váží okolo 500kg, obráběcí plocha je 355x190x336mm a maximální rychlost vřetene je 10000 ot./s. Nástroje vyměňujeme ručně a trvá několik vteřin.

Frezka_01

Potřebujete něco (z hliníku) vyrobit?

Potřebujete něco hliníkového vyrobit? Chystáte se realizovat nějaký svůj projekt? V tom případě čtěte dále.

Prvně je nutné zmínit to, že nelze vyrobit všechno co si namodelujete. Frézka i nástroje mají své fyzické limity, takže NELZE vyfrézovat např. vnitřní pravoúhlé rohy či hluboké a zároveň úzké drážky. Mnoho dalších prvků lze teoreticky vyrobit, ale jen s použitím speciálních nástrojů.

Je tedy třeba přihlédnout k možnostem stroje a reálným podmínkám obrábění. Pro vytvoření co nejlépe vyrobitelného (nejlevnějšího) návrhu zvažte následující úpravy:

  1. Modelujte všechna vnitřní zahloubení s rádiusem ideálně 4.2mm a více, tak aby je bylo možno obrobit frézou o průměru 8mm. Je vždy nutné volit o trošku (5-10%) větší radius vnitřku než je průměr nástroje, kterým má být obroben.

  2. Pokud nutně potřebujete menší radiusy, tak použijte radiusy min. 1.6mm, který lze obrábět frézou 3mm. Cokoliv menšího až do velikosti frézy 1mm (tzn. radius zaoblení 0.6mm) lze obrobit, ale je nutné se smířit s tím, že to nějaký čas potrvá (tzn. se výroba prodraží).

  3. Snažte se vytvořit model tak, aby se musel obrábět z co nejméně stran, tzn. na co nejméně upnutí. Pro upnutí do svěráku jsou v každé fázi (po obrobení každé strany) potřeba dvě rovnoběžné plochy, za které se díl uchytí.

  4. Ideální je pokud má díl nějaké díry, přes které by se v dalších fázích upínal šrouby. Pro každé takové upnutí je ale třeba vytvořit (vyfrézovat) přípravek, do kterého se upne.

  5. Vyhněte se (samozřejmě pokud lze) použití 3d ploch a zaoblení. Tyto prvky se frézují pomalu. Použijte místo vnějšího zaoblení radějí 45° zkosení, které lze frézovat přímo daným nástrojem.

  6. Navrhujte díl tak, aby se dal frézovat z polotovaru, který lze koupit v rozměru ve všech osách tak o 1-2mm větší. Běžně dostupné rozměry materiálu najdete např. na strákách www.ehlinik.cz (nakupujeme tam také).

Počítejte s tím, že cena i velmi jednoduchých tvarů bude v případě výroby pár kusů pravděpodobně nad 1000kč/kus. Pokud byste jich vyráběli více, tak se náklady na programování a ladění programu rozpustí do více kusů a je možné se dostat na 200-700 kč/kus. Cena ale primárně závisí na složitosti Vašeho dílu.

Existují firmy, které si účtují hodinové sazby (např. 600-700kč/hod), takže Vám mohou dát hrubý odhad ceny výroby s tím, že konečná cena bude odpovídat reálně natočeným hodinám.

Jiné firmy Vám nakalkulují pevnou částku už od začátku. Z naší zkušenosti, když jsme poptávali výrobu prototypů (ještě jsme neměli vlastní cnc stroj), tak se nám tyto částky zdály přemrštěné. Pravděpodobně proto, že je v cenové kalkulaci i velmi velká rezerva.

Praktické rady pokud uvažujete o pořízení CNC frézky

Pokud uvažujete, že byste se do něčeho takového pustili sami, tak čtěte pozorně.

Ujasněte si, co budete převážně obrábět, tzn. jak velké kusy a z jakého materiálu. Připravte si nástroje, které budete používat a spočítejte jejich řezné rychlosti a otáčky.  Otáčky vřetena stroje je důležitý parametr, který ovlivňuje Váš výběr. Obecně platí, že obrábění hliníku, mědi a plastů vyžaduje větší otáčky než obrábění železných kovů. Také vrtání a obrábění menšími nástroji vyžaduje rychlejší otáčky. Samozřejmě můžete obrábět i s menšími otáčkami, ale pak se Váš obráběcí čas dost prodlužuje.

Zajímá Vás také výkon vřetene, protože obzvlášť v nižších otáčkách (nástroje s větším průměrem) můžete brzo narazit na jeho limity.

Ujasněte si, co všechno potřebujete za příslušenství a promyslete následující  oblasti:

  • spolehlivost dodavatele, reference na internetu, ochota řešení záručních problémů (!!!)
  • možnosti pozdějšího rozšíření
  • řídící systém – ztrácení kroků, nepřesnosti ve výrobě
  • robustnost frézky – pevnost její konstrukce, jaké jsou motory a jak jsou řešeny pojezdy os
  • chlazení – vzduchem (minimální systém mazání) nebo kapalinou
  • zakrytování či odvádění a sbírání špon
  • ofukovací pistole – vzduchový kompresor
  • svěrák – čelisti, frézovací podložky, zarážky
  • výměna nástrojů – upínače, kleštiny, nutný počet nástrojů
  • zaměřování obrobku – 3d sondy, najížděcí sonda
  • měření délky nástrojů
  • kde ji budete mít- zabezpečení místa, větrání, osvětlení, hluk při obrábění, stav rozvodů elektřiny, 1 či 3 fázový přívod elektřiny

Až toto všechno promyslíte, tak spočítejte výslednou cenu a možná budete překvapeni její výší.

Technologie v čelovkách – Li-Ion baterie

Li-ion18650_AA_comparison

Obrázek 1: Porovnání Li-ion 18650 baterie a AA. Li-ion je o něco větší a těžší, ale uchovává v sobě čtyřnásobek energie.

Možná by Vás zajímalo, proč vlastně v čelovkách používáme li-ion baterie velikosti 18650. Mnozí by stále raději vyměňovali AA nebo AAA články, jejichž hlavní výhoda je ta, že je seženete úplně všude. Zde je drobný exkurz do světa li-ion baterií.

Úvodem

Li-ion baterie velikost 18650 jsou válcové články o průměru 18mm a délce 65mm s nominálním napětím 3.6V, které se už dlouho používají v noteboocích (po 6 nebo 9 kusech) a poslední dobou i ve svítilnách, powerbankách (přenosných zdrojích energie) nebo i elektromobilech (Tesla Roadster). Je to průmyslově vyzkoušená technologie, která se každý rok vylepšuje (zvyšuje se kapacita). Výrobců existuje jen pár, mezi nejlepšími je Panasonic (Sanyo), Samsung a LG.

Chráněné a nechráněné články

Články se vždy vyrábějí jako nechráněné články (tzv. unprotected), tzn. neobsahují v sobě žádný ochranný obvod, který by článek chránil před zkratem, podvybitím nebo přebitím.

Můžete ale narazit i na chráněné články (tzv. protected), které tuto ochranu mají a jsou kvůli tomu delší, občas i o 4 mm. Tyto články pak můžete sehnat přebalené pod značkami dalších mnoha výrobců, ale článek uvnitř bude pravděpodobně zmíněný Panasonic nebo Samsung.

Chráněné články potřebujete, pokud bateriové pouzdro nebo svítilna tuto ochranu nemá. Detailní rozbor najdete např. na stránkách http://www.lygte-info.dk. Podle těchto měření některé ochranné obvody přidávájí až 25 – 60 miliohmů, a to je poměrně dost.

V čelovce Lucifer máme jak ochranu v samotné čelovce (proti podvybití a obrácené polaritě), tak i v pouzdře s bateriemi (proti podvybití, přebití a zkratu). Ochranný obvod v čelovce nepřidává žádný odpor, protože je to jen měřič napětí (tzn. přes něj neprochází proud). Ochranný obvod v našem pouzdře přidává 6 miliohmů, díky použití kvalitních (a bohužel tím pádem i drahých) n-mosfetů s nízkým Rsdon (odpor v sepnutém stavu).

Li-ion18650_batterypack

Obrázek 2: Náš zalepený batterypack se dvěma li-ion 18650 bateriemi Panasonic NCR18650BF a ochranným článkem. Váha jen 108gr.

Dalším faktorem je spotřeba takového obvodu, jelikož spotřebovává nějaký malý proud po celou dobu – baterie jsou totiž neustále připojené. Náš ochranný obvod spotřebovává přibližně 3 mikroampéry, a to je opravdu zanedbatelný proud, který Vám baterie nevybije.

Charakteristika

Články mají nominální (průměrné) napětí 3.6V (resp. 3.7V), nabijí se na 4.2V (resp. 4.3V nebo 4.35V) a mají kapacitu až 3400mAh. V současné době Panasonic již vyrobil články s kapacitou 3600mAh, ale nejsou na trhu volně dostupné. Tato kapacita je skutečná a reálná, na rozdíl od mnoha článků neznámých i známých čínských značek (Trustfire atp.) , které uvádí přehnané hodnoty. Reálnou kapacitu takových článků můžete odhadnout podělením udávané kapacity náhodným číslem od 2 do 5 :-)

Články zcela nabité mají napětí 4.2V (4.3V,4.35V) a dají se vybít až na 2.8V (2.5V). Vybíjecí křivka se, tak jako dovolená hranice vybití a nabíjecí napětí, může u různých výrobců trochu lišit.

VybijeciKrivkaPanasonic18650

Graf 1. – Vybíjecí křivka baterie Panasonic  NCR18650BF do 2.5V proudem 1A. Dle našeho měření na modelářské nabíječce.

Procento nabití Li-ion baterie
100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 5.00
4.20 4.01 3.94 3.84 3.76 3.67 3.58 3.49 3.41 3.24 3.17

Tabulka 1. – procento nabití baterie Panasonic NCR18650BF dle změřeného napětí. Dle našeho měření na modelářské nabíječce.

Kapacita [mAh] Energie [Wh] Vnitřní odpor [Ohm]
3326 11.555 0.105

Tabulka 2. – Parametry baterie Panasonic NCR18650BF. Vybíjení do 2.5V proudem 1A. Dle našeho měření na modelářské nabíječce.

Výhody

Proč je tedy používáme? Jednoduše proto, že mají nejlepší poměr váhy/kapacity. Že Vám vydrží několik let bez výrazné změny kapacity (doby svícení), že je nemusíte cyklovat, že netrpí samovybíjením a že zmíněnou kapacitu dodají i pod slušnou zátěží (odběr proudu 1A a více). Jedna taková baterie může nahradit minimálně 4 AA baterie.

Nevýhody

Tak jako i jiné baterie moc nemusí zimu. Při promrznutí se jim snižuje kapacita, kterou jsou schopny dodat a článek se tím také více opotřebovává. K nabití potřebujete speciální nabíječku na li-ion baterie, např. Nitecore i2 aj.

Životnost – počet nabíjecích cyklů

Panasonic specifikuje životnost 500 plných nabíjecích cyklů (při běžném použití nenabijíte plně) než klesne kapacita na zhruba 88% původní hodnoty. Čísla jsme odečetli z následujícího obrázku v datovém listu, sami změřená je nemáme – trvalo by to roky.

Za zmínku stojí to, že měření Panasonicu bylo při nabíjecím proudu C/2 (1625mA), a to výrazně ovlivňuje pokles kapacity. Zřetelně  je to vidět na druhém přiloženém grafu od NASA, kde vybíjeli a nabíjeli starší 2900mAh článek od Panasonicu různými proudy. Je vidět, že pokles kapacity souvisí hlavně s rychlostí nabíjení.
CycleLifePanasonic18650

Graf 2. – Obrázek převzat z datasheetu baterie Panasonic NCR18650B.

CycleLifeChargingPanasonic18650

Graf 3. – Obrázek převzat z dokumentu NASA o testování li-ion baterií Panasonic NCR18650, 2900mAh. Zdroj: https://batteryworkshop.msfc.nasa.gov/presentations/Perf_Safe_Test_Panasonic_Li-Ion_NCR_18650_Cells_JRead.pdf

Pravidla pro maximální prodloužení životnosti li-ion článků 18650

Seřazené v pořadí od těch nejdůležitějších.

  1. Nenechávejte dlouhodobě zcela vybité nebo zcela nabité články. Ideálně skladujte nabité na 60%.
  2. Chraňte články během používání před mrazem. Pokud musíte, sviťte v takovém případě na minimum. Když je nepoužíváte, promrznutí jim životnost nesnižuje.
  3. Nabíjejte články pomalou nabíječkou (např. C/5 – nabíjecím proudem, který je pětinou hodnoty kapacity ) a při pokojové teplotě článků.

Cenové porovnání s AA bateriemi

Nejlepší AA baterie (Eneloop 2450mAh) lze sehnat po 4ks za přibližně 500kč. Tyto 4 kusy mají zhruba stejnou uchovanou energii (3Wh x 4ks) jako jeden článek 18650 Panasonic 3400mAh (12Wh). Ten lze koupit okolo 200kč, takže vychází 2,5-krát levněji.

Co se týče životnosti (počet cyklů), tak bych osobně favorizoval li-ion baterie, ale nemám pro to dostatek testů a podkladů, takže to berme zjednodušeně tak, že obě baterie zvládnou 500 cyklů.

Váhové porovnání s AA bateriemi

Jedna baterie AA Eneloop váží 30gr, 4 články tedy 120gr. Naproti tomu jeden Panasonic NCR18650B váží 45gr, takže je skoro 3-krát lehčí.

Cenové a váhové porovnání s Li-Pol bateriemi

Lithium-Polymer články je technologie používaná např. modeláři (RC auta, RC letadla atp.) s možností vysokého vybíjecího i nabíjecího proudu. V porovnání s Li-ion však prohrávají v obou parametrech.

Technologie baterie Název Wh/kg Cena [kč] Cena za Wh [kč]

Li-Ion

Panasonic NCR18650B

266

200

16.7

Li-Pol

9059156 – 3.7V, 10Ah

189

725

19.6

Tabulka 3. – Porovnání NCR18650BF a nejlepší Li-Pol baterie, kterou jsme nalezli na obchodu batteryspace.com. Nutno poznamenat, že uvedená cena Li-Pol je opravdu minimální možná a spíše by byla větší. Nepřipočítali jsme k ní 21% DPH (které by celníci při dovozu požadovali) ani žádné náklady na dopravu do ČR nebo převod měn (kurz 25kč/USD).

Pokud dokážete najít lepší Li-Pol baterii, tak nám to napište do komentáře a případně ji přidáme do srovnání.

Technologie v čelovkách – LED

Tento seriál bude o technologiích v LED svítilnách a čelovkách. Asi tím nejdůležitějším prvkem je vysoce svítivá dioda (LED), bez ní by to nešlo. A právě o níbude dnešní článek.

LED

Obrázek 1: Zprava: XT-E na hliníkovém kulatém chladiči, XP-G na hlinkovém staru (hvězdě), MT-G2 na hliníkovém staru, samostatný LED čip XM-L2, 2 čipy XM-L2 naletované přímo na měděném kusu (tak jak to vkládáme do našich výkonných čelovek). Všechno jsou čipy od společnosti Cree.

LED (light emitting diode) – světlo vyzařující diody – jsou malé polovodičové čipy, které při připojení napětí generují světlo. LED fungují pouze na stejnosměrné napětí a jen při zapojení v propustném stavu (obráceně nefungují). Nejčastějí začínají svítit okolo 2.5V. Každá dioda má specifikováný maximální proud, který diodou může procházet, aby se nezníčila. Pohybuje se obvykle v řádech jednoho až několika ampérů. Pokud přes ní protéká významně větší proud, tak se přehřeje a zničí.

Pokud jste se s diodami setkali, tak asi hlavně s těmi od americké společnosti Cree, které jsou v segmentu jednočipových diod do výkonu 10W v současnosti nejlepší. V našich čelovkách používáme řadu XM-L2 s čipem o velikosti 5x5mm. Občas také ve svítilnách či čelovkách narazíte na velikostně menší řadu XP-G2 nebo XP-L. Větší diody mají, kromě snadnějšího pájení, výhody v lepším prostupu tepla (menší tepelný odpor) a vyšším výkonu, který mohou poskytnout. Menší diody naproti tomu nepotřebují tak velikou optiku (nebo reflektor), aby světlo nasměřovaly do úzkého kužele.

Existují také tzv. multičipy – diody, které mají v sobě spojeno více čipů dohromady (nejčastěji 4 seřazené do čtverce). Ty sice nabízí vysoký výkon a dobrou účinnost, ale vyžadují optiku ještě větších rozměrů.

Zde je porovnání několika řad jednočipových diod a jejich výkonnostních binů, které lze běžně sehnat. Zaměřili jsme se na barevnou teplotu 5000K, aby srovnání mělo vypovídací smysl. 5000K je příjemná bílá barva.  Lze koupit i vyšší výkonnostní biny, ale jen pro barevné teploty nad 5000K, kdy má již světlo znatelný modrý odstín. V tabulce jsou uvedeny hodnoty při provozní teplotě čipu 85°C.

Řada Velikost čipu [mm] Tepelný odpor[°C/W] Maximální výkon [W] Maximální proud [A] Napětí při max. proudu [V] Nejlepší sehnatelný bin Světelný tok při max. proudu [lumenů] Účinnost při max. výkonu [lm/W] Cena při koupi 250ks Mouser.com [kč]

XM-L2

5 x 5

2.5

10

3

3.33

T6

920

92.1

5.60E

154 Kč

XP-G2

3.45 x 3.45

4

4.7

1.5

3.14

S2

488

103.6

2.87E

79 Kč

XP-L

3.45 x 3.45

2.2

10

3

3.34

V4

1012

101

6.49E

178 Kč

Řada XP-L je nejnověji uvedená na trh. Dokazuje, že jde vývoj každým rokem dopředu. I přes svoji malou velikost disponuje vyšším světleným tokem, než XM-L2.

Jak LED vypadá a kde ji lze koupit?

LEDku můžete koupit buď jako holý čip nebo čip, který je napájený na hliníkovém plošném spoji (kruhovém nebo hvězdě – star). Ten slouží pouze k odvodu tepla a sám o sobě diodu neuchladí. Je třeba, aby se teplo ze staru přenášelo někam dál, například na vnější hliníkový chladič s žebry. Star bývá k chladiči přišroubován šrouby a styčná plocha namazána teplovodivou pastou podobně jako u procesoru v počítači.

Holý polovodičový LED čip má na své spodní straně tři plošky. Dvě z nich slouží pro elektrický kontakt a třetí slouží k přenosu tepla. Lze jej – jako to děláme my – přímo naletovat na měděný chladič, kdy je přenos tepla excelentní. Měď je dobrý tepelný vodič a pájka na měď chytá velmi dobře. S trochou snahy se to dá zvládnout výkonnou pájecí stanicí, na sporáku nebo s pomocí obyčejné žehličky.

LEDky lze bez problému zakoupit v internetových obchodech. Doporučuji se ale vyhnout těm čínským, jelikož né vždy ke zboží uvádějí pravdivé informace. Lze je sehnat v kusovém množství i ve velkoobchodech, např. v již zmíněném Mouser.com.

Barevná teplota

Barevná teplota charakterizuje spektrum světla LED. Určitě jste si všimli, že každá LED svítilna nebo čelovka svítí trošku jinak zabarveným světlem, často modře nebo žlutě. Tak to je barevná teplota, udává se v kelvinech a LEDky často mívají hodnoty 2700K, 3000K, 4000K, 5000K, 6500K.

Barevna_teplota_LED

Obrázek 2: Obrázek převzat ze stránek http://ledspots.org/

Cree-XM-L2-comparison-small

Obrázek 3: Porovnání barevné teploty našich čelovek – zleva: 3000K, 3000K+4000K, 4000K, 5000K, 6500K.

Zde jsou příklady barevných teplot různých světelných zdrojů:

  • 1200 K: žhavé uhlíky
  • 1900 K: svíčka
  • 2700 K: žárovka, Slunce při východu a západu
  • 3400 K: halogenová žárovka
  • 4200 K: zářivka
  • 5000 K: obvyklé denní světlo
  • 5500 K: fotografické blesky, výbojky, profesionální fotografie
  • 6000 K: jasné polední světlo
  • 6500 K: standardizované denní světlo
  • 7000 K: lehce zamračená obloha
  • 8000 K: oblačno, mlhavo (mraky zabarvují světlo do modra)
  • 10 000 K: silně zamračená obloha nebo jen modré nebe bez Slunce

Jaká je tedy ideální barevná teplota pro LEDku? Sami jsme nad tím dlouho přemýšleli a nakonec pro kombinaci všech faktorů (existující nabídka teplot, sehnatelný bin, přijatelnost světla pro oči) zvítězily LEDky s 5000K. Studenější odstín 6000K nám už přijde nepříjemně modrý a stejně nenabízí o tolik více lumenů. Teplejší odstíny 3000K a 4000K máme v nabídce, ale je nutné se smířit s jejich nižším světleným výkonem.

Podání barev – CRI (Color Rendering Index)

Co mají obecně LEDky za problém je nízký index podání barev (CRI). CRI nabývá hodnot od 0 do 100 a definuje jak věrně zachycuje světlo barvy. Žárovka má CRI 100. LEDky mívají CRI od 65 do 95, ty nad 90 bývají označování jako HiCRI. Pro fotografii nebo natáčení se používají výlučně světla s CRI nad 90. Následující obrázek ukazuje rozdíly mezi různými hodnotami CRI.

Obrázek 4: Obrázek převzat ze stránek http://ledspots.org/color-rendering-index/

Horší zobrazení některých barev je proto, že LED negeneruje světlo ve všech vlnových délkách stejně intenzivně. Lidské oko dokáže vnímat vlnové délky od 390nm po 700nm, takže kraje tohoto spektra pravděpodobně podání barev neovlivňují. Problémem ale je propad vyzařování okolo vlnové délky 480nm (modré barvy) a nerovnoměrnost celého spektra.

LED_Spektrum

Obrázek 5: Obrázek převzat z datasheetu diody Cree XM-L2.

Běžné jednočipové diody (XM-L2, XP-G2 atp) mají při barevné teplotě 5000K tento index 75. Studenější odstíny mohou mít i jen 65. To je poměrně málo, ale je to kompromis. Výrobci jsou schopni vyrobit LED s vysokým indexem podání barev (Cree vyrábí s CRI 90), ale bohužel ne tak výkonné. XM-L2 s barevnou teplotou 3000K a HiCRI (CRI=90) svítí o 1/3 nižší intenzitou než varianta 5000K.

Životnost LEDek

Životnost LEDek je opravdu veliká. Dokonce tak, že nemá smysl se tím trápit. Pokud byste svítili jednu hodinu každý den, pak by jas svitu LED klesnul na 70% původní hodnoty asi po 90 letech. Mnohem rychleji tedy LED zastará morálně – výrobce vyrobí výkonnější LEDky.

Co všechno ovlivňuje, jak LEDka svítí?

Účinnost LED – jak moc svítí – závisí především na tom, jakým proudem jí napájíme. Pokud např. LEDkou Cree XM-L2, bin T6 prochází proud 100mA, produkuje svit s účinností přeměny energie na světlo 180lm/W. Při 1A ale už jen 145lm/W a při maximálním proudu 3A pouze 102lm/W.

Je tedy velmi výhodné mít ve světle více LED čipů, které nepracují na hranici svých možností, tak aby jejich účinnost byla vysoká.

Druhým, méně významným, ovlivňujícím faktorem je teplota. Čím lépe je teplo odváděno pryč, tím efektivněji pracuje.

Jak řídít LED – proudem nebo napětím?

LEDka jednoduše řečeno při určitém přivedeném napětí povolí průchod určitého proudu. Čím větší napětí na ní přivedeme, tím větší proud ji bude procházet a tím více bude svítit. Dioda XM-L2 začíná svítit přibližně od 2.5V. Jediné smysluplné řízení LEDky je proudové. Konstantním napětím ji nelze řídit, jelikož při zahřívání se křivka mění. O toto řízení se stará elektronika světla, ale o tom příště.

Startujeme náš pravidelný blog

čelovka Lucifer
Dnes začínáme psát pravidelný blog (týdenní či 14-denní). Bude o tom, na čem usilovně pracujeme a co připravujeme do budoucna. Chtěli bychom Vám poskytnout větší než menší množství zákulisních informací o tom, jak u nás čelovky vznikají. Ale nebojte, to není zdaleka vše. Blog by měl obsáhnout mnohem širší okruh témat, například trochu techničtější články o tom, jak fungují LEDky, elektronika, baterky. Z té méně odborné roviny články o tom, jak naše světla testujeme, co jsme s nimi zažili na posledních závodech nebo vlastně cokoliv, co nám přijde dostatečně zajímavé.

Témat se už nyní nabízí skutečně nepřeberné množství. Většinou jde o takové ty informace, které je škoda odbýt jen jednou větou na stránkách webu. Slibuji Vám, že to nebude jen nudné plkání nad tím, jak skvělé jsou naše produkty. Bude to, doufám, čtení s patřičným nadhledem, u kterého se zasmějete, něco se přiučíte nebo oboje zároveň.

My si od tohoto počinu – kromě uspokojení spisovatelských ambicí – slibujeme také to, že nám budete moci jednoduše sdělit svůj názor na to, co děláme. Nemyslíme si, že máme patent na rozum, proto Vám dáváme šanci ozvat se a diskutovat s námi o tom, co bychom mohli vylepšit nebo třeba jaká světla vyrábět.

Ještě jedna poznámka k psaní textu. Články budu psát a publikovat pravděpodobně sám,  stejně tak i za celým vývojem svítilny stojím především já,  přesto si dovolím používat v textu autorský plurál my.

Zůstaňte naladění. Hlasujte o to, co by Vás na blogu zajímalo a pokud to náhodou v možnostech chybí, tak to napište do komentářů.

 

O čem byste nejraději na stránkách četli?

View Results

Loading ... Loading ...