Najważniejsze założenia:
- CRI 95 w kuchni, salonie, pokojach oraz łazienkach
- CRI 90 w pozostałych miejscach
- CRI 80 na zewnątrz
- wykorzystanie najnowszych diod LED z najwyższymi współczynnikami lumen/wat
- sterowanie każdym odcinkiem oświetlenia (~20cm) za pomocą WS8211
- zasilanie 24/25V aby ograniczyć straty energii
Co to jest CRI?
Współczynnik oddawania barw, słońce ma 100. https://pl.wikipedia.org/wiki/Wsp%C3%B3%C5%82czynnik_oddawania_barw
O co chodzi z regulacją temperatury koloru białego?
Ludzkie oko najbardziej lubi ciepły kolor, jednocześnie zimny bardziej pobudza (bo ma dużo niebieskiego). Ciepły kolor ma temperaturę barwową w okolicy 2700-3500K, zimny powyżej 4000K.
Jednocześnie ledy mają okropną przypadłość dawania zbyt dużej składowej niebieskiej. Więc w zależności od pory dnia (zwłaszcza zimą), warto temperaturę barwową zmieniać.
Dla porównania światło słoneczne:
Pojawiły się nawet specjalne diody day/night, full spectrum oraz sunlight, ale na ten moment ich wydajność nie jest topowa.
Dlatego zamontuję obok siebie ciepłe (3000-3500K) i zimne diody led (5700K), aby można było realizować zmianę temperatury koloru w każdym momencie.
Jak osiągnąć największą wydajność oświetlenia led?
Zaczynamy od szukania diod, Digikey ma bardzo fajną wyszukiwarkę, która umożliwia filtrowanie po CRI oraz lm/w: https://www.digikey.pl/pl/products/filter/hvit-led-belysning/124
Na początek barwa ciepła 2700-3500K
Jak widać dla CRI=90 była dioda powyżej 200lm/w Osram OSCONIQ® S 3030 ale już jest wycofana. Jej następcą jest OSCONIQ® E 2835 minimalnie mniej wydajny - 199lm/w przy 3500K. Oprócz tego w czołówce mamy diody Luminus i Cree.
Warto też odnotować, że 3500K może być subiektywnie za zimne, a 3000K ma wydajność niższą o około 8% (184lm/w).
Przyjrzyjmy się bliżej diodom Osram oraz Luminus:
Wniosek jest taki, że im lepsze CRI oraz cieplejsza barwa tym wydajność diody gorsza.
Dla CRI=90 możemy założyć, że wydajność ciepłych diod to 187lm/W a zimnych 204lm/w
Dla CRI=95 pojawiają się produkty firmy Lumileds, model LUXEON 2835 Architectural
Mające odpowiednio 170lm/w i 161lm/w
Dla CRI=80:
Mamy ciekawostkę w postaci LUXEON 3030 HE Plus który ma 270lm/W dla zimnej bieli, a potem inne produkty mające odpowiednio 234lm/W dla zimnej i 222lm/W dla ciepłej bieli.
Edit: pomyłka na Digikey, LUXEON 3030 HE Plus ma 207lm/W.
Inne uwarunkowania dotyczące realnej wydajności
Zasilacz 24-25V - tutaj trafiamy na największy zawód - typowe zasilacze na rynku mają 80% sprawności, trochę lepsze są niektóre modele np. Mean Well LRS-200-24 (200W) ma 89,5% sprawności i kosztuje około 130zł, najlepsze co znalazłem to Mean Well UHP-200-24 (200W), który ma 94% sprawności i kosztuje ok 250zł czyli dwa razy więcej.
Pokazane wcześniej diody mają napięcie około 2,7V (upraszczając), łącząc je po 8 sztuk w szeregu mamy 21,6V czyli musimy utracić 3,4V z 24V zasilania co przy 65mA prądu daje nam 0,221W straty na moduł 8 diód w sumie 1,404W (8*2,7V*65mA), czyli 15,7% straty.
Dlatego skłaniam się do połączenia 9 diod w szeregu dającym 24,3V (1,58W) i ustawienie zasilacza na 25V, wtedy z 0,7V straty mamy 0,0455W czyli 2,9%.
Łącząc te dwa aspekty z wydajnością diod, które zakładam, że działały by 70% ciepłe i 30% zimne w domu i 50/50% na zewnątrz, w różnych kombinacjach czasu/mocy otrzymujemy:
CRI=95: (0,7*161lm/W+0,3*170lm/W)*89,5%*97,1%=142,26lm/W
CRI=90: (0,7*187lm/W+0,3*204lm/W)*89,5%*97,1%=166,94lm/W
CRI=80: (0,5*270lm/W+0,5*222lm/W)*89,5%*97,1%=213,79lm/W
Edit: pomyłka na Digikey:
CRI=80: (0,5*234lm/W+0,5*222lm/W)*89,5%*97,1%=198,14lm/W
Sterowanie
Żeby ułatwić sobie zarządzaniem oświetleniem każdy moduł będzie miał chip WS2811 zapewniający adresowalne sterowanie każdego segmentu oświetlenia. Ponieważ WS2811 ma prąd wyjściowy 3x17,5mA lub 3x32,5mA, do układu trzeba będzie dodać po dwa MOSFETy na kanał. WS2811 steruje prądowo za pomocą masy, więc jeden MOSFET do odwrócenia logiki, drugi do sterowania ledami.
Dla białego ciepłego i zimnego wykorzystam po jednym kanale WS2811, trzeci kanał wykorzystam do zwiększenia prądu diod.
Ciekawostką jest, że wymienione diody mają prąd znamionowy 65mA, ale nie ma problemu ze sterowaniem nimi prądami 200mA (Osram), 400mA (Luminus) lub 480mA (Luxeon) oczywiście z trochę niższą wydajnością oraz zapewniając odpowiednie odprowadzanie ciepła. Wykorzystam tą właściwość, dodając zmianę prądu za pomocą trzeciego kanału WS2811 oraz zestawu MOSFETów.
Schemat i płytka prototypowa
Docelowa płytka będzie na aluminiowym podkładzie, ale jako prototyp zamawiam płytkę z normalnym podkładem oraz diodami z katalogu JLCPCB.
W prototypie ograniczenie prądu odbywa się za pomocą rezystorów, w docelowej konstrukcji też skłaniam się ku temu rozwiązaniu, ponieważ wymienione diody mają bardzo stabilne napięcie w funkcji prądu.
Na schemacie są różne kombinacje rezystorów i zwór do celów testowych.
Płytka prototypowa została zaprojektowana na jednej górnej warstwie miedzi, ponieważ JLCPCB wytwarza tylko jednowarstwowe płytki aluminiowe. Dodatkowo została dodana niezliczona liczba przelotek aby poprawić odprowadzanie ciepła w prototypie.
Wymiary modułu to 20x200mm. Dodatkowo na wszelki wypadek prototyp zawiera po 3 diody każdej temperatury równolegle, 8x3 ciepłe i 8x3 zimne, ponieważ testowe diody są dużo mniej stabilne w funkcji napięcie vs prąd.
Prototyp zamówiłem w JLCPCB z ich montażem, finalne płytki też prawdopodobnie tam zamówię. Koszt 5 szt prototypu z montażem, dostawą, podatkami to $45, docelowe płytki w ilości 100mb czyli 400szt, powinny kosztować około $1 za płytkę z wszystkimi elementami oprócz diody, a diody w zależności od modelu $0,06-$0,12 za sztukę ($1,08-$2,16).
Alternatywy
Dopuszczam też możliwość, że moduły z WS2811 to przesada i zastosuję moduły sterowane w całości (jednej pętli) przez PWM, mógłbym je też sterować prądowo z wyprostowanych 230V (~320V DC) omijając sprawność i koszt zasilacza.
A jako segmentowe sterowanie zastosować WS2812, które też zapewnia biały kolor, marnej jakości ale wystarczające jako punktowe/nastrojowe oświetlenie.
- CRI 95 w kuchni, salonie, pokojach oraz łazienkach
- CRI 90 w pozostałych miejscach
- CRI 80 na zewnątrz
- wykorzystanie najnowszych diod LED z najwyższymi współczynnikami lumen/wat
- sterowanie każdym odcinkiem oświetlenia (~20cm) za pomocą WS8211
- zasilanie 24/25V aby ograniczyć straty energii
Co to jest CRI?
Współczynnik oddawania barw, słońce ma 100. https://pl.wikipedia.org/wiki/Wsp%C3%B3%C5%82czynnik_oddawania_barw
O co chodzi z regulacją temperatury koloru białego?
Ludzkie oko najbardziej lubi ciepły kolor, jednocześnie zimny bardziej pobudza (bo ma dużo niebieskiego). Ciepły kolor ma temperaturę barwową w okolicy 2700-3500K, zimny powyżej 4000K.
Jednocześnie ledy mają okropną przypadłość dawania zbyt dużej składowej niebieskiej. Więc w zależności od pory dnia (zwłaszcza zimą), warto temperaturę barwową zmieniać.
Dla porównania światło słoneczne:
Pojawiły się nawet specjalne diody day/night, full spectrum oraz sunlight, ale na ten moment ich wydajność nie jest topowa.
Dlatego zamontuję obok siebie ciepłe (3000-3500K) i zimne diody led (5700K), aby można było realizować zmianę temperatury koloru w każdym momencie.
Jak osiągnąć największą wydajność oświetlenia led?
Zaczynamy od szukania diod, Digikey ma bardzo fajną wyszukiwarkę, która umożliwia filtrowanie po CRI oraz lm/w: https://www.digikey.pl/pl/products/filter/hvit-led-belysning/124
Na początek barwa ciepła 2700-3500K
Jak widać dla CRI=90 była dioda powyżej 200lm/w Osram OSCONIQ® S 3030 ale już jest wycofana. Jej następcą jest OSCONIQ® E 2835 minimalnie mniej wydajny - 199lm/w przy 3500K. Oprócz tego w czołówce mamy diody Luminus i Cree.
Warto też odnotować, że 3500K może być subiektywnie za zimne, a 3000K ma wydajność niższą o około 8% (184lm/w).
Przyjrzyjmy się bliżej diodom Osram oraz Luminus:
Wniosek jest taki, że im lepsze CRI oraz cieplejsza barwa tym wydajność diody gorsza.
Dla CRI=90 możemy założyć, że wydajność ciepłych diod to 187lm/W a zimnych 204lm/w
Dla CRI=95 pojawiają się produkty firmy Lumileds, model LUXEON 2835 Architectural
Mające odpowiednio 170lm/w i 161lm/w
Dla CRI=80:
Edit: pomyłka na Digikey, LUXEON 3030 HE Plus ma 207lm/W.
Inne uwarunkowania dotyczące realnej wydajności
Zasilacz 24-25V - tutaj trafiamy na największy zawód - typowe zasilacze na rynku mają 80% sprawności, trochę lepsze są niektóre modele np. Mean Well LRS-200-24 (200W) ma 89,5% sprawności i kosztuje około 130zł, najlepsze co znalazłem to Mean Well UHP-200-24 (200W), który ma 94% sprawności i kosztuje ok 250zł czyli dwa razy więcej.
Pokazane wcześniej diody mają napięcie około 2,7V (upraszczając), łącząc je po 8 sztuk w szeregu mamy 21,6V czyli musimy utracić 3,4V z 24V zasilania co przy 65mA prądu daje nam 0,221W straty na moduł 8 diód w sumie 1,404W (8*2,7V*65mA), czyli 15,7% straty.
Dlatego skłaniam się do połączenia 9 diod w szeregu dającym 24,3V (1,58W) i ustawienie zasilacza na 25V, wtedy z 0,7V straty mamy 0,0455W czyli 2,9%.
Łącząc te dwa aspekty z wydajnością diod, które zakładam, że działały by 70% ciepłe i 30% zimne w domu i 50/50% na zewnątrz, w różnych kombinacjach czasu/mocy otrzymujemy:
CRI=95: (0,7*161lm/W+0,3*170lm/W)*89,5%*97,1%=142,26lm/W
CRI=90: (0,7*187lm/W+0,3*204lm/W)*89,5%*97,1%=166,94lm/W
Edit: pomyłka na Digikey:
CRI=80: (0,5*234lm/W+0,5*222lm/W)*89,5%*97,1%=198,14lm/W
Sterowanie
Żeby ułatwić sobie zarządzaniem oświetleniem każdy moduł będzie miał chip WS2811 zapewniający adresowalne sterowanie każdego segmentu oświetlenia. Ponieważ WS2811 ma prąd wyjściowy 3x17,5mA lub 3x32,5mA, do układu trzeba będzie dodać po dwa MOSFETy na kanał. WS2811 steruje prądowo za pomocą masy, więc jeden MOSFET do odwrócenia logiki, drugi do sterowania ledami.
Dla białego ciepłego i zimnego wykorzystam po jednym kanale WS2811, trzeci kanał wykorzystam do zwiększenia prądu diod.
Ciekawostką jest, że wymienione diody mają prąd znamionowy 65mA, ale nie ma problemu ze sterowaniem nimi prądami 200mA (Osram), 400mA (Luminus) lub 480mA (Luxeon) oczywiście z trochę niższą wydajnością oraz zapewniając odpowiednie odprowadzanie ciepła. Wykorzystam tą właściwość, dodając zmianę prądu za pomocą trzeciego kanału WS2811 oraz zestawu MOSFETów.
Schemat i płytka prototypowa
Docelowa płytka będzie na aluminiowym podkładzie, ale jako prototyp zamawiam płytkę z normalnym podkładem oraz diodami z katalogu JLCPCB.
W prototypie ograniczenie prądu odbywa się za pomocą rezystorów, w docelowej konstrukcji też skłaniam się ku temu rozwiązaniu, ponieważ wymienione diody mają bardzo stabilne napięcie w funkcji prądu.
Na schemacie są różne kombinacje rezystorów i zwór do celów testowych.
Płytka prototypowa została zaprojektowana na jednej górnej warstwie miedzi, ponieważ JLCPCB wytwarza tylko jednowarstwowe płytki aluminiowe. Dodatkowo została dodana niezliczona liczba przelotek aby poprawić odprowadzanie ciepła w prototypie.
Wymiary modułu to 20x200mm. Dodatkowo na wszelki wypadek prototyp zawiera po 3 diody każdej temperatury równolegle, 8x3 ciepłe i 8x3 zimne, ponieważ testowe diody są dużo mniej stabilne w funkcji napięcie vs prąd.
Prototyp zamówiłem w JLCPCB z ich montażem, finalne płytki też prawdopodobnie tam zamówię. Koszt 5 szt prototypu z montażem, dostawą, podatkami to $45, docelowe płytki w ilości 100mb czyli 400szt, powinny kosztować około $1 za płytkę z wszystkimi elementami oprócz diody, a diody w zależności od modelu $0,06-$0,12 za sztukę ($1,08-$2,16).
Alternatywy
Dopuszczam też możliwość, że moduły z WS2811 to przesada i zastosuję moduły sterowane w całości (jednej pętli) przez PWM, mógłbym je też sterować prądowo z wyprostowanych 230V (~320V DC) omijając sprawność i koszt zasilacza.
A jako segmentowe sterowanie zastosować WS2812, które też zapewnia biały kolor, marnej jakości ale wystarczające jako punktowe/nastrojowe oświetlenie.
Fajne? Ranking DIY
Mnie osobiście męczy "biały zimny", szybko oczy zaczynają mnie piec. Wolę ciepłą barwę.
