Як працює світлодіодний ліхтар, або про світло, тепло і балансі білого
Хтось фейлов на найпершому етапі, але деякі, не встигнувши потрапити ЧОПам, йдуть далі, і часом 5-й крок реалізується ось в таких формах:
При цьому власна крутість розпухає розпухає до просто неймовірних розмірів, але дуже скоро вигорілі діоди починають натякати власнику фаллокомпенсатора на те, що він десь помилився.
А відбувається так тому, що світлодіоди річ ніжна і хамського ставлення до себе за типом "змотати 100500 штук разом і підключити до акумулятора від дідового Москвича" не сприймають.
Колись давним-давно все ліхтарі збиралися на пучках дрібних діодів ось такого виду:
Конструкція не випадково збігається з конструкцією індикаторного світлодіода - це було зроблено для здешевлення виробництва, щоб перехід з одного типу на інший полягав в основному в заміні бункера з кристалами в складальної лінії. Але разом з більшістю елементів нові діоди успадкували і обмеження максимального робочого струму, тому що не вся підведена до них енергія перетворюється в світло, а відвести тепло через товщу пластмаси через пару зволікань складно. Тому були розроблені нові корпуси, що дозволяють швидко відводити тепло від кристала:
Робочий струм різко рвонув вгору - вже не 20 мА, а 40, 60, 100, 150, 350 і 700 мА - в 35 разів більше, ніж раніше! Потім з'явилися зразки, розраховані на 1, 1,5, 3А і навіть більше. Втім, гранична потужність швидко вперлася в обмеження джерела живлення, але це вже тема окремої розмови.
Насправді білий світлодіод зовсім не білий, тому що біле світло є сумішшю випромінювань з різними довжинами хвиль в діапазоні від 400 до 700 нм, а кристал випромінює світло в набагато більш вузькому діапазоні - оком це виглядає як яскраво виражений колір:
Щось подібне на білий світ можна отримати змішуванням трьох основних кольорів - червоного, синього і зеленого. Результат буде приблизно таким:
Це, звичайно, краще, ніж лінійчатим випромінювання лампи денного світла:
Але навіть до рівня лампи розжарювання не дотягує. Особливо погано виходить при такому світлі фотографувати, бо окремі ділянки в спектрі практично вибиті, через що дуже сильно страждає перенесення кольорів і сприйняття кольорів. Всі джерела світла світять по різному, тому для оцінки різних джерел світла була придумана така річ як CRI - скорочення від слів colour rendering index. або в перекладі на російську - індекс передачі кольору. Це параметр, який показує рівень відповідності природного кольору тіла мабуть (удаваному) кольором цього тіла при висвітленні його даними джерелом світла.
Сам по собі індекс передачі кольору є якась латочка до колірній температурі. яку можна розуміти як температуру, до якої треба нагріти якусь болванку для того, щоб спектр її випромінювання відповідав спектру нашого джерела:
Видно, що чим більше колірна температура джерела світла, тим більше видимий нам його колір зміщується в бік синього. Насправді спектральний максимум випромінювання може зміщуватися і далі, в ультрафіолетову область, але ми цього вже не побачимо.
Шкала колірних температур для найпоширеніших джерел світла виглядає так:
Звернули увагу, що всі лампи світять по-різному? Це має саме безпосереднє відношення до теми фотографії, а саме - до установки балансу білого.
Колірна температура сама по собі не залежить від індексу передачі кольору, але для кожного джерела світла можна визначити і те й інше:
Відмінності в величинах CRI менші, ніж п'ять одиниць, незначні і неозброєним оком практично не видно.
В епоху плівкової фотографії досягнення точної передачі кольорів при зйомці і друку було досить складно, але цифрова фотографія це завдання сильно спростила. Єдина вимога до оригіналу для корекції - формат RAW, тому що стиск з втратами інформації, розпакування, корекція кольору і зворотна упаковка в стислий формат стрімко гроблять якість зображення. Якщо є можливість - не шкодуйте місця на картці пам'яті. Вони зараз недорогі :)
Трехкрістальние білі світлодіоди, як показано вище, за своїм спектру випромінювання схожі на лампи денного світла, і індекс передачі кольору у них теж невисокий. Це (і складності отримання чисто білого кольору) призвело до того, що основна маса білих світлодіодів робиться із застосуванням люмінофора - речовини, що поглинає світло і перєїзлучать його в іншому діапазоні. Виглядає це в найпростішому випадку приблизно так:
Чим нижче колірна температура світлодіода, тим тим сильніше люмінофор поглинає первинний світло і тим сильніше випромінює в жовтому ділянці спектра.
Власне, тут і починається найцікавіше. Бачите провал в блакитній області? У тих випадках, коли потрібна підвищена точність передачі кольору, використовують люмінофор більш складного складу, що випромінює не тільки в жовтому ділянці:
Вот такой вот зоопарк:
І все це - від одного виробника. Причому приблизно третина найменувань з показаних - вже застаріли.
На цьому графіку показані в одному масштабі вольт-амперні характеристики трьох найбільш поширених в наш час світлодіодів:
Ніби як все просто і зрозуміло - чим більше напруга, тим більше струм через діод, ніж свіже батарейки в ліхтарі - тим яскравіше світло. Але саме тут криється головна засада.
Всі провідники електричного струму при роботі нагріваються. Для лампочки розжарювання це необхідно - вона світиться виключно за рахунок нагрівання металевої спіралі до високої температури, то для світлодіода це прикрий побічний ефект. Крім того, провідність металу з підвищенням температури падає - лампочка немов сама захищається від перевантажень, а ось напівпровідниковий кристал поводиться з точністю до навпаки:
Чим більше робітник струм діода, тим менше ефективність перетворення електричної енергії в світлову і тим більша частка електричної енергії перетворюється в тепло, що розігріває кристал. Тому не можна безпосередньо перерахувати подане на світлодіод напруга в світловий вихід.
При цьому виділяється тепло вносить свій внесок в процес падіння ефективністю - чим вище температура кристала, тим гірше виділення світла.
На цьому підлість не закінчується - чим сильніше нагрітий кристал, тим краще він проводить електричний струм і тим сильніше нагрівається. Зверніть увагу - за певних умов зменшення падіння напруги на кристалі всього на 8% викликає зростання струму більш ніж в два рази! Якщо не вжити заходів, світлодіод довго не проживе. Практично завжди цим страждають недорогі китайські ліхтарики, в яких граничне спрощення конструкції разом з граничним її здешевленням шансу на довге і надійну роботу просто не залишає.
Здавалося б, в світлодіоді немає спіралі, тому він не боїться ударів, вібрації і перегорання. Однак в ньому є люмінофор, який з плином часу все менш ефективно переробляє світло, та й сам кристал з часом починає світити слабкіше через зміни в його структурі. Зазвичай термін життя діода вимірюють до моменту падіння потужності світла на 30% від початкової: Добре видно, що чим гірше охолодження світлодіода, тим менше термін його життя.
Всі потужні світлодіоди розраховані на роботу з зовнішнім теплоотводом і майже все - на автоматизовану установку. Це означає, що "теплова підошва" діода обов'язково повинна бути припаяна до металевої підстави, на яке він встановлений.
Такі підстави продаються вже готовими і являють собою друковану плату на металевій основі. Зазвичай основа зроблена з алюмінію, але для особливих естетів, які не обмежених в засобах, бувають і мідні. Про срібні я не чув :)
Для кожного типу діода робиться особливий тип такої плати:
Якщо вам дуже хочеться зібрати самому світлодіодний ліхтар, але паяльник в руках ви тримаєте перший раз в житті - шукайте вже напаяні на підставу діоди. Самі ви їх туди не посадите.
Іноді заради економії підставу роблять з покритого мідною фольгою текстоліту, в якому свердлять багато дрібних отворів і наносять на їх стінки тонкий шар металу. У житті це виглядає приблизно ось так:
На малій потужності таке рішення працює, але хоч це і краще звичайного текстоліту, але набагато гірше нормальних "зірок".
Якщо заглянути в технічний опис діода, то там можна знайти табличку приблизно такого вигляду: В ній багато різних цифр, але загальний змив такий: чим краще передача кольору, тим менше яскравість і тим жовтіше світло. Звичайно, приємно усвідомлювати що в ліхтарі багато люмен і потужний біло-блакитний промінь круто виглядає навіть при погляді збоку. Але при попаданні в туман або хмару пари такий ліхтар буде в першу чергу свого власника, а різницю в світловому потоці в 30% осіб практично не сприймає через особливості зору (саме тому протитуманні фари - жовті). Так що вже вирішуйте, що вам важливіше - крутий вигляд або хороший світло і хороші фотографії :)
І на закінчення - про одну широко поширеною китайської розводці. Дуже часто можна зустріти в продажу ось таке:
Насправді 1600 люмен там і близько немає. Звідки ж беруться такі цифри?
Все просто. Заявлену ефективність діода (160 люмен на ват) просто множать на максимальну потужність (10 ват). насправді 160 люмен на ват можна отримати тільки в умовах лабораторії - на попередньо охолодженому діод, на малому робочому струмі і в короткому імпульсі, поки кристал не встиг нагрітися (пам'ятаєте графіки?).
На ділі все буде не так райдужно. На струмі 3А діод XM-L T6 дасть порядку 950-980 люмен світла, оптика ліхтаря теж внесе свою частку втрат (хороший рефлектор дає 3-8% втрат, хороша лінза з повним внутрішнім віддзеркаленням - 10-12%, посередня - 15-20 %, скло ліхтаря - 4-15 :) - разом на виході буде близько 700 люмен.
Ще гірші справи в ліхтарях з регульованим фокусом. вони влаштовані так, що при повністю сфальцьованому промені до 60% світла залишається всередині ліхтаря. Крім того, через наявність в ньому рухомих частин туди неминуче потрапляє волога і пил, а сам діод перегрівається, що не кращим чином позначається на його роботі.
нащет останнього обзаца про 1600люмен.
там зазвичай приписка дрібним шрифтом "manufacture rated" або типо того, виміряна вощем виробником, дідусем Ляо. на око. це все пояснює
а тепер можна плавно перейти до того, чому погоня за люменами безглузда і чому Fenix E40 з 200 люменами світить на 260 метрів, а Eagletac 780 люм світить максимум на 80
hemi: чому погоня за люменами безглузда Взагалі-то буває осмислена. Не завжди є можливість знімати на витримці.
чому Fenix E40 з 200 люменами світить на 260 метрів, а Eagletac 780 люм світить максимум на 80 Різна фокусування.