Test driverów PWM oraz mocy diod.

Od dość długiego czasu pojawiają się na różnych forach te same pytania dotyczące zasilania diod. Chodzi głównie o temperaturę belki oraz jakim prądem zasilać diody. Postanowiłem zrobić więc kompleksowy test i opisać przedstawione wyniki w poniższym artykule.

W pierwszej kolejności postanowiłem sprawdzić korelację pomiędzy mocą drivera a sygnałem PWM. Do tej pory nie sprawdzałem czy natężenie drivera w zależności od mocy sygnału PWM zmienia się liniowo. Test został przeprowadzony na driverze LDD-350L. Wybrałem ten model także ze względu na to, iż natężenie diod 1W to (wg. producentów) maksymalnie 350mA. Dodatkowym czynnikiem było to, że chciałem sprawdzić diody i porównać ich moc świecenia dla różnych wartości natężenia.

Test PWM

Do testów zostało użyte arduino Nano ze zmodyfikowanym programem w ten sposób, aby na wyświetlaczu pokazywało tylko moc sygnału PWM. Multimetr został wpięty w szereg 3 diod i ustawiony na pokazywanie natężenia.

Wyniki z jednej strony nie zdziwiły mnie w ogóle. Z drugiej strony zdziwiłem się dość mocno biorąc pod uwagę jak przedstawiają się wartości. Widać wyraźnie iż zmieniają się one proporcjonalnie do zmniejszania się sygnału. Poniższa tabela jest przedstawiona skrótowo (co 5). Natomiast wykres, który znajduje się pod nią przedstawia całościowe dane mierzone co 1 od 0 do 255 sygnału PWM.

PWMmA  PWMmA  PWMmA  PWMmA
255350  190258  125170  6080
250340  185251  120162  5574
245333  180244  115156  5067
240326  175238  110149  4560
235320  170231  105142  4053
230312  165224  100135  3546
225306  160218  95128  3039
220299  155211  90122  2533
215292  150204  85115  2026
210286  145197  80108  1519
205278  140190  75101  1012
200272  135183  7095  55
195265  130177  6588  00
Zależność natężenia prądu w zależności od mocy sygnału PWM

Powyższy wykres przestawia się praktycznie liniowo. Niewielkie odchylenia można traktować jak błąd statystyczny wynikający z niedoskonałości urządzeń pomiarowych. Dzięki temu bez użycia dodatkowych narzędzi można obliczyć aktualne napięcie podawane na diodę. Służy do tego wzór

Trzeba jednak pamiętać że mogą wystąpić drobne różnice w tym co otrzymamy ze wzoru a danymi z tabeli. Wynoszą one około 1-2% więc jest to wartość którą możemy pominąć.

Dla ułatwienia poniżej podałem moc sygnału PWM aby można było uzyskać najbardziej typowe wartości natężenia prądu.

PWMmA
255350
221300
184250
147200
111150
74100
3850

Dzięki powyższym danym i wzorowi możemy bez problemu przystosować nawet driver 1500mA do pracy z jednym szeregiem diod ustawiając go na 20% mocy (przy założeniu że będziemy potrzebowali prądu 300mA). Podkładając dane do wzoru wychodzi, iż należy ustawić moc sygnału PWM na 51.

Zależność natężenia prądu na ilość generowanego światła

Kolejnym ważnym aspektem dotyczącym diod jest ilość generowanego przez nie światła w zależności od natężenia, które jest na nie podawane. Dodatkowo dochodzi kwestia temperatury jaka jest generowana przez diodę w zależności od natężenia. Poniżej przedstawiam podobnie jak to było w przypadku natężenia skrótowe (skoki co 10) zestawienie ilości generowanego światła w zależności od natężenia.

Test został przeprowadzony z niewielkiej odległości (około 20 cm) od luxometru. Dzięki temu wartości wyszły dość duże (ale chodziło tu o ogólną zasadę stąd takie wyniki). Poniższe dane pozwolą na jednoznaczne rozwianie wątpliwości jeśli chodzi o spadek ilości światła związany ze zmniejszaniem natężenia prądu.

Jak widać wykres wychodzi bardzo liniowy. Większe różnice mogą zachodzić dla dolnych wartości (pomiędzy 0 a 150mA) lecz pojawiają się problemy z odczytem danych ze względu na czułość luxometru. W związku z tym zostały przeprowadzone pomiary tylko dla górnych wartości (od 150 do 350mA). Jak widać podobnie jak to było w przypadku poprzednich porównań wykres układa się liniowo (pomijając błędy statystyczne na poziomie 2-3%). Wyniki testu podobniej jak w przypadku PWM-ów oraz mA wyszły liniowe. Dzięki temu łatwo jest obliczyć wartości w zależności od zmian parametrów.

Można więc dojść do wniosku takiego iż 7 diod zasilanych prądem 300mA będzie emitowało taką samą ilość światła jak 6 diod zasilanych prądem 350mA. Oczywiście dochodzą tu jeszcze takie elementy jak przenikanie wody w głębszych zbiornikach (nie jestem w sprawie tego sprawdzić) a także temperatura belki związana z różnicą ilości diod na belce.

Natężenie prądu a temperatura

Ten test jest niejako dodatkiem do którego należy podejść bardzo ostrożnie. Test został przeprowadzony w następujący sposób.

W teście użyte zostały następujące diody:

  • 1W 38mil 6500k,
  • 1W 45mil 6500k,
  • 1W 38mil full spectrum,
  • 3W 45mil full spectrum

Diody przyklejone zostały bezpośrednio (bez użycia podstawki PCB) do termometru ds18b20 (tego w obudowie wodoodpornej) na samym jej czubku. Takie umocowanie diody pozwala na uzyskanie największej możliwej skali. Dzięki temu wyniki będą w miarę (jak na warunki domowe) wyniki. Test został przeprowadzony dla najbardziej typowych wartości. (od 50 do 350mA ze skokiem co 50mA). Każdy z testów trwał 5 minut w identycznych warunkach (brak przeciągów, nagłych zmian temperatur itp). Wyniki przedstawiają się następująco:

natężenie prądu na diodę1W chip 38mil 6500k1W chip 45mil 6500k1W FS3W FS
350mA63°C 55°C 66°C65°C
300mA59°C 51°C 60°C59°C
250mA54°C 46°C 54°C53°C
200mA48°C 42°C 49°C48°C
150mA42°C 37°C 43°C42°C
100mA36°C 32°C 37°C36°C
50mA30°C 28°C 30°C29°C

Wyniki są dość ciekawe. Jak widać z powyższej tabeli diody na chipie 45 mil grzeją się znacznie mniej niż diody z chipem 38mil. Jest to na tyle duża różnica że nie ma tutaj mowy o błędzie pomiaru.

1W czy 3W – porównanie wydajności

Kolejnym bardzo ciekawym aspektem jest używanie diod 3W których maksymalne natężenie pracy to 700mA i używanie ich jak diod 1W (czyli zasilanie prądem 300-350mA). W takim przypadku pojawia się pytanie czy dioda 3W będzie emitowała więcej światła niż dioda 1W (zakładając oczywiście podanie takiego samego prądu (350mA) na obydwie.

Test został przeprowadzony z użyciem tych samych diod co w teście temperatury – dioda została umieszczona w uchwycie około 8 cm od luxometru. Wyniki, podobnie jak w poprzednim teście zostały pokazane dla wartości od 50 do 350mA ze skokami co 50mA.

Natężenie prądu na diodę 1W chip 38mil 6500k 1W chip 45mil 6500k 1W fs3W fs
350mA71701085039705120
300mA6230956035404530
250mA5380820028303890
200mA4460675020203060
150mA3460515017481910
100mA1870355011711511
50mA10901680550721

Uzyskane wyniki nie pozostawiają najmniejszych wątpliwości jeśli chodzi o ilość światła. Wzrost ilości światła diod z chipem 45mil (białe) w stosunku do diod z chipem 38mil to około 50% a więc bardzo dużo. W takim przypadku nawet biorąc pod uwagę niedoskonałość testu i potencjalne błędny w pomiarach wynik jest jednoznaczny. Kolejnym zestawieniem było porównanie diod 1W full spectrum (z chipem 38mil) z diodami 3W (posiadającymi już chip 45mil. Pomimo tego iż diody były zasilane tym samym prądem wynik nie dziwi – znacznie wydajniejsza jest dioda 3W. Zwiększenie ilości światła to około 30%. Także w tym przypadku nie ma mowy o błędnych pomiarach.

Podsumowanie

Należy pamiętać iż powyższe testy pomimo tego, iż były wykonywane starannie były wykonywane w warunkach „nielaboratoryjnych”. W związku z tym należy pamiętać o tym, że wyniki mogą się różnić niekiedy dość znacznie. Dodatkowym aspektem jest to, że użyte materiały (diody, drivery PWM, drivery, czy też nawet pasta / podstawki) mogą wpływać na uzyskane przez Was wyniki. Niemniej jednak kilka kwestii zostało dość mocno wyjaśnionych. Dzięki temu pytania które bardzo często pojawiają się w rozmowach zostały przynajmniej w niewielkim stopniu wyjaśnione.

Z powyższych testów wyszło kilka wniosków które postaram się podsumować w punktach:

  • Natężenie driverów PWM zmienia się proporcjonalnie do mocy sygnału PWM,
  • Ilość światła generowanego przez diodę rośnie proporcjonalnie do wzrostu natężenia prądu (w zakresie 150-350mA),
  • Wydajność diod białych 1W z chipem 45mil jest około 50% większa niż diod z chipem 38mil,
  • Diody 3W (full spectrum) są wydajniejsze niż 1W (przy zasilaniu tym samym natężeniem). Jest to wzrost około 30%,
  • temperatury diod 1W białych z chipami 38 i 45 mil różnią się mocno. Diody 45 mil są znacznie chłodniejsze,
  • różnica temperatury pomiędzy diodą 1W a 3W (full spectrum) jest znikoma. W tym przypadku wchodzi w grę wydajność.