 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как выжать из LED все?
28.01.2015
Автор: Пионтик Роман a.k.a. balabollng
Как всегда, начну с того, что я технофетишист. Т.е. люблю гаджеты и необычные решения. Поэтому, некоторые мои решения не имеют существенных фундаментальных причин для возникновения в моей системе. И, пожалуй, это одно из таких решений.
При этом я все же хочу отметить и тот факт, что существенные фундаментальные причины для подобного решения вполне могут быть в других системах. К примеру, холодные моря, большие хозяйства, где расход энергии на освещение значительный, концептуальные решения дизайна, где нужно спрятать все лишнее и т.д. Но об этом позже. Поэтому считаю, что относиться к данному решению только как к игрушке тоже не стоит.
Ну, думаю, что тумана таинственности я напустил и можно переходить к сути. Итак, мы будем обсуждать свет. А точнее, свет на мощных светодиодах. При этом не его «светлую» сторону, а «темную», ту, которой меньше всего посвящено внимание обывателя, да и профессионалов, когда о нем заходит речь. А именно – охлаждение. Т.е. мы будем говорить только о выделяемой тепловой энергии, которая является побочным продуктом освещения и должна утилизироваться.
Эффективный теплоотвод от светодиодов крайне необходим. Их перегрев сначала приводит к уменьшению эффективности, а затем к разрушению, так как в теплом полупроводнике активизируются разрушительные процессы, вредные миграции электронов и пр. Причем эффект может быть коллапсирующим. Т.е. чем горячее светодиод, тем больше его сопротивление, тем сильнее он греется.
Это заставляет производителей снабжать светодиодные лампы массивными радиаторами. В случае некачественного исполнения происходит перегрев диода и он в течение года-двух может выйти из строя. Также быстрому отказу служит некачественное исполнение самого диода, так как внутренняя неоднородность и наличие примесей приводят к образованию очагов перегрева со всеми вытекающими последствиями. Обычно светодиод теряет свои свойства постепенно, год за годом ухудшается яркость и увеличивается тепловыделение.
Из всего вышесказанного делается простой вывод: хотите стабильный по характеристикам свет и долговечный светильник – во-первых, нужно хорошее охлаждение.
Но, даже достигнув эффективного охлаждения, остается еще вопрос – утилизация тепла. Обычно тепло снимается воздушным потоком с радиаторов и просто рассеивается в комнате. Выгода подобной утилизации прям скажем неочевидна. С другой стороны, мы тратим средства на обогрев аквариума. Для примера, мои сборки, а их четыре на площадь 600x600мм (~200л), выделяют тепла около 80Вт. Согласитесь, если удастся эффективно передать это тепло в банку, я смогу сэкономить около 30% энергии на ее обогрев (с учетом того, что ночью приходится полагаться только на обогреватель). А то и 50%, если я захочу рыбкам сделать имитацию перепада температуры днем и ночью. Неплохая добавка «к пенсии». И уж тем более она становится ощутима там, где речь идет о киловаттах!
Затрону и еще одну проблему рассеивания тепла классическими методами – радиатор обязан находится в непосредственном контакте со светодиодом, а тот в непосредственной близости от аквариума. Т.е. мы можем говорить, что рассеивание тепла происходит непосредственно над аквариумом. Чем это плохо? В простом случае, летом, мы должны дополнительно тратить энергию на отведение этого избыточного тепла, которое в том или ином виде передается в аквариум. Тем ощутимее проблема в холодных системах, где температура должна поддерживаться на уровне 4 градуса тепла. Там разворачивается настоящая борьба и возникает существенный перерасход электроэнергии на охлаждение.
Теперь о красивом. Интеграция аквариума с мощным освещением в дизайн, зачастую является большой проблемой. Аквариум имеет четкие требования к своему обеспечению, сильно ограничивая дизайнерскую мысль. Одним из таких ограничений, конечно, является свет. Ведь он требует охлаждения, а следовательно - эффективной конвекции воздуха. Проще говоря, дизайнер должен учитывать, что нужно будет над банкой оставить запас пространства для размещения внушительных габаритов светильника.
Ну, и пожалуй самое главное: мощность света при классическом освещении сильно ограничена. А это накладывает ограничения на глубину и ширину аквариума, вынуждая соблюдать определенные пропорции. И пусть для квартирных систем это мелочь, но для видовых аквариумов, да еще и обремененных дизайном, это может быть реальной проблемой.
Как же можно решить все вышеозначенные проблемы? Даже не надейтесь, изобретать велосипед мы не будем. Человек давно придумал эффективные средства теплоотвода для высокоэнергетических систем. Это жидкостное охлаждение. Или системы водяного охлаждения, если в качестве теплоносителя используется вода. Кратко - СВО. Встретить такие системы вы можете в повседневной жизни довольно часто. Они, к примеру, используются в автомобилях, для охлаждения двигателя. Радиаторы отопления в принципе такая же система, позволяющая переносить посредством жидкого теплоносителя тепло из котельной к нам в дом.
Поэтому, можно смело говорить, что подобные системы себя зарекомендовали. Опыт их использования идет на сотни лет.
Более того, подобные системы успешно используются для охлаждения сверхмощных компьютеров, в том числе, в домашних условиях. Вот тут мы подходим к сути задумки. Дело в том, что именно компоненты таких систем охлаждения как нельзя лучше подходят для того, чтобы реализовать подобную систему в аквариуме для охлаждения светодиодов.
Давайте разберемся, из чего состоит такая система?
 Сердце системы это помпа. Практически в буквальном смысле. Она заставляет двигаться жидкость внутри системы – теплоноситель.
Радиатор. Здесь ничего хитрого. Он рассеивает тепло, которое теплоноситель накопил. Размеры радиатора могут быть поистине внушительными! Конечно, при реализации небольших систем их компактность ставится под сомнение, но при создании больших, только одно то, что радиатор можно вынести за приделы видовой зоны уже делает систему сверхкомпактной для наблюдателя.
Водоблок, это как раз тот элемент системы, который способен снимать тепловую энергию с источника и передавать ее в теплоноситель. Пожалуй, самая технологичная вещь в таких системах. Доходит до того, что некоторые любители делают водоблоки из серебра, полируя основание до зеркала и все ради того, чтобы не оставить ни ватта тепловой энергии на источнике.
Таким образом, полученное тепло водоблоком передается в теплоноситель, помпа прокачивает его в радиатор, где тепло рассеивается.
Само собой разумеется, что радиатор, помпа и водоблок могут находиться на существенном расстоянии друг от друга. А это решает все выше означенные нами проблемы.
Отдельно вернемся к проблеме полезной утилизации тепла. Заменив радиатор в этой системе теплообменником, который мы погрузим в воду аквариума, мы сможем передавать тепловую энергию именно в аквариум. Для морского аквариума актуальны титановые теплообменники. Этот металл не коррозирует в соленой воде. Недопустимо использовать иные металлы для этой цели!
Благо решения для этого случая тоже есть. Как пример можно взять теплообменник, предназначенный для систем фреонного охлаждения. Ну, например, такой как на картинке. Купить его, на момент написания данной статьи, можно было на сайте http://www.fish-street.com/
 С теорией вроде все. Дальше будет практика. А именно, реализация моего светильника.
Ну, пожалуй, начнем. Практика штука бескомпромиссная. Либо получится, либо нет. И детали опускать здесь неуместно. Поэтому, буду писать все, давать ссылки на то, что использовал и как. Для начала свет. Свет у меня основан на сборках DNK. Вот они, на картинке, во всей их красе.
 Познакомиться с их характеристиками можно на сайте производителя.
Размер поля диодов составляет около 40мм. Т.е. мы говорим не о самой пластине, а о той площади, которую занимают сами диоды. Пластина, фактически играет роль распределителя тепла и по задумке производителя должна крепиться на радиатор четырьмя шурупами. Да в общем все это вы можете прочитать на сайте производителя. Даже есть фильм о том, как нужно собирать светильник. Не буду зацикливаться.
Т.е. фактически, мне нужен был водоблок размером 40x40мм или больше. Поискав по просторам рунета, я понял, что в России стоимость водоблоков неприемлемая для меня. И я пошел на ebay. Достаточно ввести в строке слово «waterblock» и вы получите массу вариантов. Лично я выбрал самые дешевые и соответственно самые малоэффективные - водоблоки из анодированного алюминия. При этом, для моей задачи их производительности вполне хватает. Стоимость одного блока примерно 4$.  Нужно мне было их четыре, но заказал я пять штук. Один про запас, т.к. даже на фото видно, что качество сварки оставляет желать лучшего. Вдруг протекать будет...
Преимущество этих водоблоков еще и в том, что они имеют простую форму, а также боковые штуцеры, что позволит сделать конструкцию тоньше.
Их размер как раз соответсвует потребностям – 40x40x12мм. Штуцер 8мм.
На самом деле, водоблоки это первый и самый главный шаг для создания системы СВО. Фундамент. Именно здесь вы понимаете, какой объем тепла нужно будет отвести, справится ли с этим водоблок, а также формируются требования к диаметру сечения шлангов. В данном случае внешний диаметр штуцера 8мм. И прочие компоненты мне нужно было подбирать исходя из этого диаметра.
Следующий шаг, это выбор радиатора. Нужно понимать, сколько тепла будет собираться водоблоками для определения требований к радиатору по теплоотдаче. Брать соответственно тот, который сможет его рассеять или больше. Для себя я выбрал такой.
 Он имеет большой запас по рассеиванию тепла. Но лучше больше, чем меньше. И главное, что при таком размере радиатора, можно, при желании, отказаться от активного охлаждения. Т.е. не использовать кулеры для его продува. Конечно, нужно учитывать, что при пассивном охлаждении, радиатор должен быть установлен горизонтально, а также то, что воздух должен беспрепятственно проходить через него.
Штуцеры у радиатора диаметром 8мм. Стоимость примерно 25$.
Теперь, зная количество водоблоков, размер радиатора и в общих чертах длину магистрали теплоносителя, можно выбирать помпу. Сложно сказать на что, во-первых, опираться при выборе помпы. Тем более, что в характеристиках указываются такие опосредованные вещи как высота подъема и объем прокачки в час. Требования к ним возникают эмпирически. Но чем больше у вас радиатор, чем больше водоблоков, чем длиннее шланги, тем мощнее должна быть помпа. Вот на такой радиатор я рекомендую брать помпу с подъемом не менее 3-х метров и расходом не менее 300 л/ч. Лично я выбрал вот такую.
 Ее характеристики:
Расход: 500 л./ч.
Высота подъема: 3 м.
Питание: 12 В.
Мощность: 10 Вт.
Шум: 16 Дб.
Расширительный бачок: 250 мл.
Штуцеры: 8 мм.
Хочу особо отметить наличие в данной помпе расширительного бачка. Как любая жидкость, теплоноситель имеет свойство расширяться при нагреве. И ему нужно для этого место. Если брать помпу без бачка, потребуется его реализовать в другом виде. Для этого можно купить отдельную расширительную емкость или соорудить из пластиковой посуды. Но емкость должна быть обязательно, в противном случае можно столкнуться с тем, что при нагреве увеличившаяся в объеме жидкость сорвет шланги со штуцеров, и получится потоп. Неприятная штука во всех отношениях.
Также нужно смотреть на показатель шумности. Для данной помпы он очень мал. Меньше чем на кулере. Помните, что зачастую продавцы этот показатель занижают. Поэтому, старайтесь обращать внимание на качество исполнения помпы для того, чтобы удостовериться в правдивости таких показателей. В моем случае помпа визуально имеет хороший инженерный дизайн. Есть силиконовое крепление и решетка для предотвращения неуправляемой флуктуации воды. Т.е. явно видно, что над вопросом шума работали. Стоимость здесь тоже имеет значение. Эта помпа мне обошлась в примерно 30$.
Теперь нужно было решить вопрос объединения всех элементов в единую систему. Для этого я настоятельно рекомендую силиконовые шланги. Купить их можно в компаниях, занимающихся поставкой медицинской продукции (см. ссылки в конце статьи). Обошелся мне он в примерно в 300 руб за пять метров. Или примерно 5$ по курсу на тот момент.
Заказал я это все в ноябре 2014г. и ждал до примерно середины декабря месяца того же года. Пока тянулось ожидание, я начал прорабатывать инженерный дизайн.
Для себя я поставил цель - разместить светильник в крышке аквариума. Высота светильника не должна была превысить 50мм. Плюс к этому, я хотел получить удобный доступ ко всей обслуживаемой площади аквариума, не перетаскивая при этом светильник.
В ходе экспериментов в AutoCAD я разработал следующий концептуальный дизайн.
 Конструкция вышла простая для изготовления. Минимум элементов:
 Вся эта конструкция «плавающая». Т.е. модули могут перемещаться по направляющим, а также весь светильник «сворачиваться» по типу гусеницы. Это решает задачу как легкого доступа к аквариуму, так и настройки расположения источников света, для оптимальной засветки кораллов.
Заказал я изготовление заготовок в Laser Center. Через неделю мне их выдали. Обошлось мне все это в 50$ примерно. Вот, что получилось:
 Через пару недель пришли компоненты к СВО и я начал собирать светильник воедино.
К моему большому сожалению, я не продемонстрировал выдающихся навыков мастера по склейке и сама склейка оказалась «грязной». Клеил акриловым клеем (акриловая стружка, растворенная в дихлорэтане).
 Конструкция разборная. Верхняя часть крепится на шурупах. Резьбу я нарезал непосредственно в акриле. В принципе, для упрощения, можно сделать сквозные отверстия и скрепить шпилькой.
После подготовки модуля светильника к сборке, можно было приступать к самой сборке. Для начала нужно было нанести термопасту на водоблоки и сборки светодиодов.
Это очень важный и нужный этап. Для эффективного теплоотведения необходимо, чтобы площади сборок и водоблоков максимально соприкасались друг с другом. В случае некачественного контакта, в таких местах будут образовываться локальные перегревы, что негативно скажется на достижении поставленных целей.
 По возможности, максимально равномерно распределяем термопасту по обеим поверхностям. Я воспользовался остатками пасты из своих запасов. Она оказалась подсушенной и из-за этого нанести ее идеально оказалось сложно. Но к счастью, сборка, которую вы видите на фото из старого светильника. Она уже имела нанесенный слой термопасты. Это несколько облегчило мне задачу. Разравнивать термопасту советую пластиковой картой используя ее как шпатель.
Далее две поверхности с силой нужно прижать друг к другу и слегка подкручивая водоблок влево и вправо, добиться равномерного распределения термопасты между частями. Свидетельством этого станет выступание термопасты по краям водоблока, а также весьма ощутимое склеивание частей.
 Теперь, нужно было уложить получившейся «бутерброд» в корпус. Хотя корпус и имел весьма подогнанные размеры, но люфт все же присутствовал. Также нужно было добиться сдавливания «бутерброда» сверху и снизу при сборке модуля.
Я решил сделать силиконовые подушки, которые прижмут конструкцию внутри. Для этого, я в пяти местах со стороны крепления водоблока и в четырех, со стороны сборки нанес силикон.
 При сборке я оставил зазор в пару миллиметров.
 Дождавшись застывания силикона, я и закрутил шурупы до упора. Вот, что у меня вышло через четыре часа ожидания.
 Все было здорово и замечательно и я начал первые испытания. Как вы, наверное, помните, в первом варианте я хотел разместить драйвера в акриловых корпусах. К сожалению, практика показала, что это была не лучшая идея. Они там перегрелись. В общем-то, это было предсказуемо, т.к. теплоотведение я никак не предусмотрел. Фото этого безобразия я не делал, т.к. честно сказать был расстроен. Не до них мне было. Позже вы увидите итог на одном из драйверов.
Время меня поджимало, т.к. светильник я собирал под запуск нового аквариума. Я решил кардинально изменить концепцию размещения драйверов, вынеся их в отдельный алюминиевый корпус. Вот, так оно вышло.
 Обратите внимание на драйвер, контакт которого помечен «Х». Вот он-то и выгорел в акриловом корпусе.
В этот раз все прошло без проблем. С тепловой нагрузкой корпус справился очень легко.
Конечно, я не собираюсь останавливаться на достигнутом, т.к. в связи с изменением концепции размещения драйверов, мне пришлось вывести из крышки аквариума целый ворох проводов. А именно, на четыре сборки это восемь проводов AWG24 с тремя парами в каждом.
Следующая доработка светильника вернет драйвера в акриловый корпус. Но они будут наклеены на вот такой водоблок:
 Его размеры (122mm*41mm*12mm) очень хорошо подходят под данную задачу.
|
|
Дьявол кроется в мелочах…
Франко-немецкий фольклор.
|
Да! Совсем забыл! Запуск СВО! В общем, не сложная штука. Выполняется всего один раз. Но этот процесс может доставить неприятности, если не знать нюансы. В частности:
1. При запуске системы расширительный бачок должен быть полным. И по мере прокачки жидкости по системе он может осушаться. Нужно доливать в него жидкость до тех пор, пока уровень не стабилизируется.
2. Нельзя допускать заполнения бачка на 100%. Оставляйте 30% свободного места для расширения жидкости.
3. В момент запуска системы может возникнуть ситуация, когда ваша помпа не сможет прокачать жидкость по системе. Это случается в том случае, если используемая помпа не имеет достаточной мощности. Не стоит отчаиваться. Нужно просто поднять помпу выше системы и произвести ее запуск в таком положении. После запуска вся система станет, по сути, сообщающимся сосудом, что исключит необходимость для помпы поднимать жидкость. Т.е. когда система заполнится, помпа будет перекачивать жидкость по системе без проблем.
Ссылки:
http://www.reefll.com
http://www.aqua-computer.ru/
http://www.fish-street.com/
http://www.medsilikon.ru/
http://www.newlaser.ru/
http://www.reefll.com
http://www.aqua-computer.ru/
http://www.fish-street.com/
http://www.medsilikon.ru/
http://www.newlaser.ru/
Специально для ReefCentral.ru
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru
Количество показов статьи: 11932
