PODWODNA LATARKA LED
W artykule przedstawiono podwodną latarkę LED skonstruowaną przez autorów. Opisano konstrukcję latarki oraz zaprezentowano wybrane wyniki pomiarów jej charakterystyk.
Słowa kluczowe: diody LED, nurkowanie, pomiary.
WPROWADZENIE
Najnowszą generacją sztucznych źródeł światła są diody LED, w których otrzymanie światła związane jest ze zjawiskiem elektroluminescencji odkrytym na początku XX wieku [13]. Obecnie technologia LED bardzo szybko się rozwija. W efekcie tego z roku na rok uzyskuje się coraz lepsze parametry diod LED [1, 3]. Zastosowanie diod LED w oświetleniu zapewnia energooszczędność, wysoką sku-teczność świetlną, długi czas użyteczności oraz małe rozmiary, łatwość sterowania, odporność na wibracje i udary [1, 5, 9].
Wprowadzenie zaawansowanej optyki do obudów diod LED umożliwiło pod-niesienie skuteczności świetlnej i dowolne kształtowanie wiązki światła [10]. Dziś najlepsze biało świecące diody mają kilkunastokrotnie większą skuteczność świetl-ną niż standardowe żarówki [5, 11].
Dzięki swoim zaletom diody LED zdobywają kolejne obszary i znajdują za-stosowanie na rynku od oświetlenia ogólnego do oświetleń specjalistycznych [3]. Jedną z takich dziedzin jest specjalistyczne oświetlenie podwodne dla płetwo-nurków i naukowców prowadzących badania podwodne. Stosowanie sztucznego oświetlenia, nawet przy nurkowaniu w dzień, jest w naszych warunkach klima-tycznych koniecznością. W wodzie zawierającej zawieszone cząsteczki pocho-dzenia organicznego (np. glony) lub nieorganicznego straty światła mogą sięgać 99%. W polskich wodach śródlądowych powierzchniowa warstwa jezior zawiera tak dużą ilość drobnych glonów, że nawet w bardzo czystych jeziorach na głębo-kości 30–40 m jest zupełnie ciemno. W jeziorach o średniej czystości ciemności zapadają już na 20–25 m, a w zbiornikach powstałych wskutek zalania, np. żwi-rowniach lub kopalniach, nawet na głębokości 5 m. Również chemicznie czysta woda, pozbawiona mechanicznych zanieczyszczeń, osłabia strumień światła na skutek pochłaniania.
W starych rozwiązaniach latarek podwodnych stosowano żarówki wolfra-mowe lub halogenowe albo lampy wyładowcze HID. Jednak ze względu na wady tych lamp oraz rozwój technologii LED wiele firm specjalizujących się w syste-mach oświetlenia podwodnego wykorzystuje przy budowie swoich urządzeń już praktycznie tylko diody LED [8]. Zaletami diod LED, które są istotne z punktu widzenia wykorzystywania ich w latarkach nurkowych są: ściśle określona wiązka światła, szeroka gama dedykowanych kolimatorów (dzięki którym można uzyskać pożądany kąt wiązki emitowanego światła), światło białe o regulowanej tempera-turze barwowej, odporność na wibracje i udary. Obecnie stosowane są w latarkach diody LED o mocy 1–3 W ze względu na większą skuteczność świetlną niż modu-ły LED o wyższej mocy. Aby uzyskać pożądany strumień świetlny, należy połą-czyć kilka diod LED.
Na rynku dostępne są podwodne latarki LED, ale ich cena jest bardzo wysoka [15]. Dlatego celem pracy jest opracowanie i wykonanie latarki podwodnej opartej na diodach LED przeznaczonej dla płetwonurków.
W kolejnych rozdziałach przedstawiono koncepcję budowy urządzenia, roz-wiązania układu zasilającego i sterującego, opisano zastosowane diody LED. W dalszej części scharakteryzowano konstrukcję mechaniczną oraz przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań.
1. KONCEPCJA BUDOWY URZĄDZENIA
Latarki podwodne można podzielić nie tylko ze względu na wykorzystywane źródło światła, ale również z uwagi na przeznaczenie – na latarki rekreacyjne lub techniczne. Latarki techniczne mają ściśle określone wymagania, co do budowy, czasu świecenia oraz mocy i są wykorzystywane przez nurków głębinowych lub nurków specjalizujących się w penetracjach jaskiń [16].
Oświetlenie w konfiguracji technicznej bazuje na jednym głównym źródle światła i dwóch zapasowych. W niniejszej pracy zaprezentowano podstawowe źródło światła, jakim jest tzw. latarka podstawowa. Składa się ona zawsze z kanistra i głowicy z uchwytem typu Goodman [8]. Preferowana moc takiej latarki przekracza 50 W w przeliczeniu na światło halogenowe, powinna być jak naj-większa przy czasie świecenia przynajmniej dwukrotnie dłuższym od planowanego czasu używania (ok. 1 godz.) Kąt świecenia powinien być jak najwęższy i nie przekraczać ±6°. Zapewnia to lepsze punktowe doświetlenie oglądanego obiektu, zapobiega oślepieniu partnera podczas nurkowania oraz umożliwia komu-nikację świetlną.
Na rysunku 1 zamieszczono schemat blokowy opracowanej latarki. Jak widać, na schemacie można wyróżnić trzy bloki. Pierwszy to kanister latarki, w którego skład wchodzą dwa podbloki: pakiet bateryjny i układ zabezpieczający. Układ za-bezpieczający ma za zadanie chronić pakiet bateryjny przed nadmiernym rozłado-waniem. Kolejnym blokiem jest przewód i złącza hermetyczne. W tym bloku
znaj-duje się przewód o długości 120 cm zakończony z obu stron wtykami oraz dwa gniazda – jedno zamontowane na głowicy urządzenia, a drugie – na kanistrze. Poprzez przewód zapewnia się połączenie elektryczne pomiędzy kanistrem z ba-teriami a głowicą latarki. Ostatnim blokiem jest głowica latarki, obejmująca włącz-nik magnetyczny, przetwornicę Hyperboost i diody LED. Włączwłącz-nik ma za zadanie uruchomić przetwornicę w momencie przekręcenia przez nurka pierścienia z za-montowanym na obudowie magnesem. Sterownik dostosowuje napięcie i prąd podawany z baterii do wymaganego napięcia i prądu diod LED.
Diody LED
Rys. 1. Schemat blokowy latarki podwodnej Fig. 1. The block diagram of the under-water flash-light
Obudowa powinna być wykonana z odpornego na mechaniczne uszkodzenia materiału. W projekcie zastosowano aluminium. Walcowaty kształt obudowy za-pewnia zwiększoną odporność na ciśnienie. Aluminium wykazuje również dobre przewodnictwo cieplne, co umożliwia odprowadzanie ciepła generowanego we-wnątrz diod LED oraz układów sterujących i zasilających. Obudowa pełni tutaj rolę radiatora, pozwalając na oddanie ciepła do otoczenia – wody. Woda jest jed-nym z mediów najskuteczniej odbierających ciepło, dodatkowo nurek poruszając się, zwiększa skuteczność konwekcji ciepła [14]. W naszych warunkach klima-tycznych temperatura wody, nawet w okresie letnim, na głębokości 15 m rzadko przekracza 12°C i maleje wraz z głębokością do 4–6°C już przy 35 m. Stwarza to wręcz idealne warunki chłodzenia elementów latarki. Obudowa powinna być jak najbardziej gładka, nie powinna zawierać elementów wystających, którymi można zahaczyć o różnego rodzaju przeszkody podwodne [12].
Kanister na baterie mocuje się na pasie biodrowym nurka po prawej stronie, przed spadnięciem chroni go zapięta klamra pasa. Wyporność kanistra powinna
być mniejsza niż wyporność wody, aby pełnił on również rolę systemu balasto-wego, który w razie potrzeby można odrzucić. Długość przewodu jest indywidual-ną sprawą każdego nurka z założeniem możliwości jego wymiany. Z tego względu zostały zamontowane gniazda kablowe zarówno na głowicy, jak i na kanistrze bateryjnym [12].
Całość układu powinna być szczelna i odporna na ciśnienie do głębokości o 50% większej niż planowana głębokość nurkowania [12]. Omawiana latarka powinna wykazywać szczelność większą niż ciśnienie 10 barów, co odpowiada głębokości 90 m.
W kolejnych rozdziałach opisano poszczególne bloki skonstruowanej latarki.
2. GŁOWICA LATARKI
Głowica latarki zawiera 12 diod XPG o mocy 3 W, każda firmy Cree, połą-czonych ze sobą szeregowo. Przy takiej konfiguracji napięcie, jakie powinno wy-stąpić na wyjściu sterownika przy prądzie równym 1 A, wynosi około 39,6 V. Budowa pakietu bateryjnego o tak wysokim napięciu byłaby problemem, dlatego zastosowano przetwornicę boost podwyższającą napięcie.
2.1. Przetwornica Hyperboost
W opracowanej latarce zastosowano przetwornicę o nazwie Hyperboost w wersji V1.0, produkowaną przez firmę TaskLed. Zawiera ona przetwornicę boost. Układ Hyperboost V1.0 obejmuje ograniczenie napięcia wyjściowego do 80 V, szeroki zakres napięć wejściowych od 8 do 50 V oraz maksymalną wartość prądu wejściowego 5 A. Układ posiada płynną regulację prądu wyjściowego za pośrednictwem precyzyjnego potencjometru wieloobrotowego. Minimalna wartość prądu wyjściowego jest równa zeru (wówczas diody LED są wyłączone). Maksy-malna wartość prądu zasilającego diody zależy od ich rodzaju i jest ograniczona do 1,4 A. W skonstruowanej latarce maksymalna wartość prądu wyjściowego wy-nosi 1,24 A, co odpowiada rezystancji potencjometru równej 16,4 kΩ [17]. Jak pokazano w pracy [8], zależność prądu wyjściowego modułu zasilającego od rezystancji potencjometru jest funkcją monotonicznie rosnącą o przebiegu prawie liniowym.
Układ Hyperboost V1.0 posiada także zabezpieczenie przed odwrotnym pod-łączeniem biegunów zasilania. Układ ten zmontowany jest na okrągłej płytce dru-kowanej na laminacie jednostronnym z rdzeniem metalowym o średnicy 35 mm i wysokości 9 mm [17].
W omawianej latarce układ został przyklejony klejem termoprzewodzącym do aluminiowej obudowy. Takie rozwiązanie zapewnia dobre chłodzenie elementów i pozwala na właściwą pracę całego układu.
Najważniejszym elementem układu zasilającego jest układ scalony LT3756 firmy Linear Technology. Jest to sterownik przetwornic DC/DC przeznaczony do pracy jako źródło prądu stałego do zasilania długich łańcuchów LED-owych połą-czonych szeregowo (rys. 2).
Układ scalony LT3756 ma szeroki zakres napięcia wejściowego od 6 V do 100 V. Układ ten wykorzystuje zewnętrzny tranzystor M1 i może wysterować do 20 diod LED prądem 1 A przy nominalnym napięciu wejściowym 12 V, dostar-czając do nich moc przekradostar-czającą 70 W. Przetwornica boost ze sterownikiem LT3756 w wykorzystywanym trybie pracy może uzyskać sprawność energetyczną przekraczającą 94%, jednocześnie eliminując potrzebę korzystania z zewnętrznych układów chłodzenia [7].
W układzie aplikacyjnym dławik L1 stanowi wysokonapięciowa cewka HC9-220 firmy Coiltronics o indukcyjności 22 μH i tolerancji ±15%. Zastosowano tranzystor MOSFET typu IRF 3205 firmy International Rectifier. Cechuje się on bardzo małą rezystancją włączenia RDS(ON) równą 8 mΩ. Z kolei zastosowane w układzie diody Schottky'ego V8P10 firmy Vishay General Semiconductor cha-rakteryzują się małą pojemnością złącza, dzięki czemu ich typowy czas przełącza-nia wynosi zaledwie 100 ps.
Rys. 2. Schemat przetwornicy Hyperboost [7] Fig. 2. The diagram of the Hyperboost converter [7]
Przedstawiona wyżej przetwornica Hyperboost jest uruchamiana za pomocą wyłącznika pokazanego na rysunku 3. Rysunek obrazuje zasadę działania wyłącz-nika. Podstawowym elementem układu jest hermetyczny łącznik elektroniczny sterowany polem magnetycznym – kontaktron K1. Składa się on z hermetycznej bańki szklanej, w której w atmosferze gazu obojętnego zatopione są styki z mate-riału ferromagnetycznego. Pod wpływem odpowiednio ukierunkowanego zew-nętrznego pola magnetycznego w stykach tych indukuje się pole magnetyczne, powodujące ich przyciąganie i zwieranie. Rolę zewnętrznego pola magnetycznego pełni niewielki magnes neodymowy zamontowany poza obudową latarki na ru-chomym pierścieniu.
Magnes neodymowy
Rys. 3. Schemat wyłącznika magnetycznego Fig. 3. The diagram of the magnetic switch
W wyniku przesuwania pierścienia magnes oddala się bądź przybliża od łącz-nika kontaktronowego, powodując zwieranie lub rozwieranie jego styków. W ten sposób zostaje podane napięcie na bramkę tranzystora T1 i następuje włą-czenie napięcia zasilającego przetwornicę Hyperboost. Rezystor R1 o rezystancji 1 MΩ eliminuje problem opóźnionego wyłączania tranzystora T1. Takie rozwiąza-nie rozwiąza-nie uwzględnia rówrozwiąza-nież problemu wytrzymałości prądowej wyłącznika. Zasto-sowany tranzystor T1 typu IRF2804 załącza się już przy napięciu UGS = 2 V i wy-trzymuje prądy drenu rzędu kilkudziesięciu amperów.
2.2. Baterie
Zasilanie bateryjne musi spełniać dwa wymagania. Powinno zasilić poprzez przetwornicę Hyperboost zastosowane diody LED przez okres około dwóch godzin oraz mieć jak najmniejsze wymiary. W związku z tym zdecydowano się na pakiet akumulatorów litowo-jonowych zbudowany na zamówienie przez firmę BTO na bazie 12 ogniw 18650 firmy SANYO o pojemności 2,6 Ah każde. Każde z tych ogniw posiada nominalne napięcie 3,7 V i może pracować w temperaturach od –20°C do 45°C, co jest ważne w przypadku nurkowania zimą oraz w bardzo
zimnych wodach ze względu na minimalną utratę pojemności akumulatorów. Napięcie nominalne pakietu wynosi 14,8 V, a jego pojemność – 7,8 Ah.
Cały pakiet ma średnicę zaledwie 56 mm i wysokość 142 mm oraz posiada wbudowany elektroniczny układ zabezpieczający. Układ ten zabezpiecza akumu-latory przed: nadmiernym rozładowaniem, przeładowaniem, zbyt wysokim prądem wyjściowym itp. Maksymalny prąd, jaki można pobrać z pakietu, wynosi 7 A.
2.3. Diody LED wraz z układem optycznym
Diody LED wykorzystywane w opisywanej latarce powinny cechować się łączną mocą nie mniejszą niż 30 W i skutecznością świetlną powyżej 120 lm/W, minimalnymi rozmiarami łącznie z zastosowanym układem optycznym oraz jak najmniejszym kątem świecenia – poniżej 8°. W związku z takimi wymaganiami zdecydowano się na najwydajniejsze obecnie diody LED mocy firmy Cree.
Wybrano diody z serii Cree XLamp XPG o mocy 3 W o temperaturze bar-wowej 6500 K. Taka temperatura jest określana mianem „zimnej bieli” i umożliwia najwierniejsze odwzorowanie kolorów w środowisku wodnym.
Diody te zawierają cztery struktury półprzewodnikowe w jednej obudowie, dzięki czemu przy wymiarach 3,45 × 3,45 mm mają zwartą konstrukcję. Nie posia-dają żadnych wystających nóżek ani elementów, które mogłyby w jakiś sposób przeszkadzać przy montażu. Obudowa diod jest mała, bardzo estetyczna i ergonomiczna. Mają one skuteczność świetlną do 147 lm/W przy prądzie 350 mA, a przy prądzie maksymalnym 1,5 A można uzyskać strumień świetlny do 490 lm [17].
Istotne wymaganie stanowi neutralność elektryczna kontaktu termicznego, który jest ścieżką, przez którą wyprowadzana jest główna część ciepła ze struktury półprzewodnikowej diody LED mocy. W przypadku diody XPG jest on neutralny elektrycznie. W konsekwencji pomiędzy kontaktem termicznym a podłożem (radiatorem MCPCB) nie trzeba stosować izolacji elektrycznej, co uprościło zna-cznie proces montażu oraz obniżyło koszty połączenia 12 pojedynczych diod LED zawartych w skonstruowanej lampie [17].
Wykorzystane w opisywanym projekcie diody cechują się bardzo małą rezystancją termiczną równą 6 K/W. W latarkach przeznaczonych do nurkowania bardzo ważne jest skuteczne odprowadzenie ciepła ze struktury do obudowy, ponieważ z braku możliwości zastosowania wentylatorów w grę wchodzi tylko chłodzenie pasywne. Przy zastosowaniu 12 rozważanych diod położonych bardzo blisko siebie istnieje potrzeba odprowadzenia 36 W mocy z powierzchni obudowy równej około 60 cm2.
Aby zrealizować to zadanie, zastosowano podłoża pod diody MCPCB firmy Cree, pokazane wraz z zalutowaną diodą XPG na rysunku 4.
Rys. 4. Dioda Cree XPG o mocy 3 W na podłożu MCPCB typu Star Fig. 4. The diode Cree XPG of the dissipated power equal 3 W mounted
on the MCPCB of the Star type
Podłoże to jest wykonane z aluminium i dzięki unikatowej technologii izolo-wania kontaktu termicznego skutecznie odprowadza ciepło ze struktury półprze-wodnikowej diody poprzez podłoże MCPCB do radiatora, którym w tym przypad-ku jest aluminiowa obudowa latarki. Podłoże to umożliwia również znacznie prostszy montaż przewodów oraz kolimatorów.
Jak wynika z danych katalogowych [17], przy napięciu 3 V przez diodę płynie prąd równy 350 mA, a przy prądzie 1,5 A napięcie osiąga wartość bliską 3,6 V. Maksymalna wartość napięcia przewodzenia podawana w karcie katalogowej wy-nosi 3,75 V.
Wszystkie 12 diod XPG wykorzystanych w konstrukcji latarki umieszczono na pojedynczych podłożach MCPCB i połączono szeregowo. Każde podłoże zos-tało starannie dociśnięte do obudowy latarki i przyklejone dwuskładnikowym klejem termoprzewodzącym Thermopox 85 CT o przewodności cieplnej powyżej 7 W/mK.
Przyklejone do podłoża diody są widoczne na rysunku 5.
Rys. 5. Głowica latarki z zamontowanymi diodami XPG na podłożach z MCPCB Fig. 5. The cap of the flash-light with installed XPG diodes mounted on MCPCB
Dążenie do jak najlepszego odprowadzenia ciepła ze struktury diod LED XPG jest bardzo ważne, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury maleje emitowany strumień świetlny [2, 4, 6]. Doprowadzenie do maksymalnej temperatury wnętrza diody, przy której dioda pracuje poprawnie, skutkuje prawie 30% spadkiem stru-mienia świetlnego [6], dlatego tak ważne jest zapewnienie skutecznego jej chło-dzenia.
Diody XPG cechują się kątem świecenia równym około 135°. W związku z tym do skupienia światła zastosowano kolimatory skupiające LXP Real Spot firmy Ledil o kącie rozchodzenia się wiązki świetlnej ±3°. Kolimator został spe-cjalnie zaprojektowany dla diod XPG firmy Cree.
Przy projektowaniu kolimatorów zwrócono szczególną uwagę na to, iż będą one wykorzystywane do skupienia światła białego. Materiał optyczny, z którego została wykonana soczewka, jest klasy PMMA, co pozwala na stosowanie jej w wysokiej temperaturze, przekraczającej 150°C. Ich sprawność optyczna wynosi ponad 90%, przy czym uzyskują one bardzo dobre skupienie wiązki z minimalną poświatą boczną. Uproszczony został również proces kalibracji diody z soczewką poprzez wycięcie specjalnego otworu w dolnej części kolimatora. Mocowanie do radiatora odbywa się za pomocą taśmy klejącej wykonanej z pianki poliuretanowej, co znacznie upraszcza prawidłowy i trwały montaż soczewki.
Wiązka świetlna emitowana przez diodę LED XPG po przejściu przez so-czewkę kolimatora LPX Real Spot zawęża się do kąta emisji poniżej 10°. Przy rzeczywistym, prostopadłym oświetlaniu z bliskiej odległości jasnej ściany wyraź-nie widać jeden skupiony punkt pośrodku oraz delikatną poświatę boczną. Kąt na takim poziomie oraz delikatna poświata boczna są odpowiednie do zastosowania w latarkach przeznaczonych do nurkowania.
3. KONSTRUKCJA MECHANICZNA 3.1. Budowa głowicy latarki
Konstrukcja mechaniczna była jednym z najtrudniejszych elementów do za-projektowania i wykonania w budowie całego urządzenia ze względu na postawio-ne wymagania. Główpostawio-ne założenia obejmowały obudowę całkowicie wodoszczelną, odporną na uszkodzenia mechaniczne oraz na ciśnienie powyżej 8 barów. Dlatego też głowica latarki, jak i kanister na baterie, zostały wykonane ze stopu aluminium PA 6, który jest domieszkowany miedzią i magnezem. Stop ten jest odporny na korozję oraz dobrze przewodzi ciepło. Charakteryzuje się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, wysoką wytrzymałością na rozciąganie, bardzo dobrą wy-trzymałością zmęczeniową, daje się spawać, stosowany jest do produkcji obciążo-nych elementów konstrukcji samolotów, maszyn, sprzętu wojskowego. Poza tym jest stosunkowo łatwy w obróbce. Głowica latarki została wytoczona z jednego wałka o średnicy 100 mm i długości 70 mm tak, aby uniknąć połączeń, które mo-głyby być miejscami nieszczelności i większej rezystancji cieplnej.
Grubość ścianek w najcieńszym miejscu wynosi 5 mm, co pozwala na wy-trzymałość ciśnieniową powyżej 15 barów oraz znaczną odporność mechaniczną. Do głowicy latarki zostały dotoczone odpowiednich rozmiarów pierścienie, które spełniają kilka zadań. Pierwsze z nich stanowi zamknięcie latarki od tyłu, gdzie znajduje się gniazdo przewodu zasilającego. W miejscu styku wykonano połącze-nie gwintowane i pierścień, po wcześpołącze-niejszym posmarowaniu silikonem nurko-wym, został wkręcony w korpus głowicy. Kolejny pierścień pełni rolę wyłącznika obrotowego (opisanego w rozdziale 2) i został on dopasowany w taki sposób, aby obracał się z niewielkim oporem. Ostatni pierścień jest umieszczony z przodu la-tarki. Wykonano go tak, aby po posmarowaniu jego gwintu silikonem nurkowym możliwie mocno docisnął znajdującą się w przedniej części latarki szybkę. Wszystkie połączenia gwintowane posmarowano silikonem nurkowym, który po związaniu tworzy hermetyczne połączenia.
Pierścienie wykorzystane w głowicy pokazano na rysunkach 6 i 7.
Rys. 6. Korpus latarki wraz z pierścieniami i gniazdem przewodu zasilającego zamontowane w tylnej części głowicy latarki [8]
Fig. 6. The corps of the flash-light together with rings and the socket of the power supply connector installed in the afterbody of the cap of the flash-light[8]
Rys. 7. Przedni pierścień wraz z szybką i korpusem głowicy latarki [8]
Szkiełko widoczne na rysunku 7 zostało wykonane ze szkła hartowanego o grubości 10 mm. Ma ono średnicę 95 mm i odporność na ciśnienie powyżej 10 barów. Jego trzymilimetrowa krawędź opiera się na rancie korpusu widocznego na rysunku 7, a gwintowane połączenie pomiędzy pierścieniem a korpusem głowi-cy latarki wystarczająco mocno dociska szybkę.
Przy konstrukcji głowicy ważnym elementem jest także uchwyt latarki, za który nurek będzie mógł trzymać głowicę. Zdecydowano się na jeden z naj-powszechniej używanych przez nurków technicznych uchwytów, tzw. uchwyt Goodmana [12], zaprezentowany wraz z zamontowaną głowicą na rysunku 8.
Uchwyt ten został zaprojektowany tak, aby zapewnić maksymalny komfort i łatwość użytkowania. Wykonano go z anodowanego aluminium i przykręcono nierdzewnymi śrubami do głowicy. Za pomocą śrubek ze stali nierdzewnej możli-we jest dostosowanie uchwytu do indywidualnych potrzeb użytkownika. Uchwyt ma także otwory, poprzez które można go lustrzanie połączyć z takim samym uchwytem, na którym będzie zamontowany np. kołowrotek.
Rys. 8. Głowica latarki zamontowana na uchwycie typu Goodman Fig. 8. The cap of the flash-light installed on the handle of the type Goodman
3.2. Przewód zasilający wraz z wtykami i gniazdami
Jednym z głównych miejsc, w których dochodzi do rozszczelnienia konstruk-cji latarek nurkowych, jest miejsce złącza zasilającego. Chcąc wyeliminować to zagrożenie, wykorzystano przewód zasilający o długości 1,2 m, wykonany z dwóch linek miedzianych o przekroju 2,5 mm2,oplecionych siatką wzmacniającą i izolacją wykonaną z silikonu. Przewód zakończony jest z każdej strony wtykami typu mę-skiego, wykonanymi na specjalne zamówienie przez firmę GralMarine.
Wtyk jest 2-pinowy, a przewód zerowy jest odizolowany od obudowy. Złącze to ma pozłacane końcówki oraz unikatowy system, który odpowiada za całkowitą szczelność połączenia. Zastosowano w nim dwie uszczelki gumowe typu o-ring, wciskane razem ze złączem do gniazda oraz nagwintowanego pierścienia zew-nętrznego, który poprzez dokręcenie dociska o-ringi, zapewniając szczelność. Złącze wykonano ze stopu stali nierdzewnej, przez co jest odporne na działanie wody morskiej.
Gniazdo jest również wykonane ze stali nierdzewnej i posiada gwint na ze-wnętrznej stronie, na który nachodzi pierścień wtyku. Gniazda wtykowe umiesz-czone są w kanistrze oraz w głowicy za pomocą połączenia gwintowanego M16×1,5, które przed dokręceniem posmarowano silikonem nurkowym. Zapewnia to szczelność połączenia przy jednoczesnej możliwości szybkiego i prostego rozłą-czenia kanistra i głowicy w celu transportu czy ładowania baterii. Jest to również dobre rozwiązanie ze względu na to, iż przy uszkodzeniu przewodu bądź wymianie go na inny nie trzeba ingerować w głowicę latarki ani wnętrze kanistra.
3.3. Budowa kanistra na baterię
Kanister bateryjny ma kształt walca ze względu na lepszą odporność mecha-niczną na wysokie ciśnienia niż bryły o płaskich ściankach. Bateria zasilająca gło-wicę LED ma średnicę 56 mm i długość 142 mm. W związku z tym do projektu została użyta rura aluminiowa ze stopu PA 6 o średnicy 60 mm i grubości ścianki 2 mm, co daje 56 mm średnicy wewnętrznej. Rurę obcięto na długość 220 mm. 78 mm zapasu z długości wykorzystano na niezbędne podłączenia przewodów oraz na system zamknięcia kanistra. Do zamknięcia wykorzystane zostały specjalne „kapsle” [8]. Owe „kapsle” wciśnięto w rurę aż do miejsca, w którym oparły się na rancie rury. Na ich części, która wsuwa się w rurę kanistra, przetoczono dwa rowki o szerokości 3 mm i głębokości 2 mm i w tych miejscach umieszczono uszczelki gumowe typu o-ring o grubości 3 mm i średnicy 54 mm. Uszczelki o–ring są troszkę mniejsze niż średnica „kapsla” ze względu na lepsze dopasowanie i zmniejszenie ryzyka przesunięcia się podczas wciskania.
„Kapsle” zostały wciśnięte w rurę kanistra za pomocą wazeliny technicznej, aby nie uszkodzić uszczelek o-ring. W jednym z „kapsli” nawiercono i nagwinto-wano otwór M16×1,5, w który wkręcono gniazdo przewodu zasilającego. Dokona-no tego po wcześniejszym posmarowaniu gniazda silikonem nurkowym w celu
uszczelnienia połączenia. Również w tym „kapslu” zostały umieszczone dwie śru-by z uchem po przeciwległych stronach wierzchniej części „kapsla”. Śruśru-by te speł-niają dwie funkcje. Pierwsza z nich stanowi system mocowania poprzez karabiń-czyk do pasa biodrowego nurka. Druga funkcja to system otwierania kanistra. Wykorzystuje się go tylko w sytuacjach awaryjnych lub w celach serwisowych, ponieważ ładowanie baterii odbywa się przez złącze zasilające umieszczone na zewnątrz kanistra bez potrzeby jego otwierania.
4. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH
W celu weryfikacji poprawności wykonanego projektu wykonano pomiary skonstruowanej latarki, a ich wyniki przedstawiono w dalszej części rozdziału.
Najpierw zmierzono widmo promieniowania emitowanego przez skon- struowaną latarkę LED. Głowicę latarki umieszczono w tubie o długości 1 m, która została owinięta kilkukrotnie taśmą montażową w celu całkowitej światłoszczel-ności. Ze względu na zbyt dużą wartość strumienia świetlnego w odległości 40 cm od głowicy LED umieszczono przesłonę z jednym otworem o średnicy 3 mm, znajdującym się dokładnie w osi tuby. Po drugiej stronie również w osi tuby umieszczono gniazdo światłowodu. Do gniazda przykręcono metrowy odcinek światłowodu, poprzez który wiązka światła dochodzi do spektrometru Ocean Optics USB650. Spektrometr poprzez złącze USB łączy się z komputerem PC z zainstalowanym oprogramowaniem Spectra Suite. Przed włączeniem źródła światła zarejestrowano prąd ciemny sensora CCD w spektrometrze. Po włączeniu latarki zmierzono widmo jej promieniowania dla wybranych wartości napięcia zasilania.
Uzyskane wyniki pomiarów zaprezentowano na rysunku 9.
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ [nm]
względna moc promieniowania
Uwe = 6,7 V Uwe = 15,2 V Uwe = 14,7 V Uwe = 20 V Uwe = 25 V Uwe = 30 V Uwe = 35 V
Rys. 9. Widmo emitowanego promieniowania latarki LED dla różnych wartości napięcia zasilania
Fig. 9. The spectrum of emitted radiation of the LED flash-light for different values of the supply voltage
Jak widać na przedstawionym wykresie, wartości względnego natężenia świa-tła dla wartości napięcia zasilającego równego i większego od napięcia zasilającej baterii w znacznym stopniu pokrywają się. Można więc wnioskować, iż dane kata-logowe przetwornicy Hyperboost, dotyczące zakresu napięcia wejściowego 8–50 V, pokrywają się z przeprowadzonymi doświadczeniami. Odstępstwa od wartości maksymalnej w szczytowej części wykresu mieszczą się w granicach błędu pomiaru. Napięcie 6,7 V, które jest mniejsze od minimalnej wartości katalo-gowej napięcia wejściowego dla sterownika Hyperboost, okazało się niewystarcza-jące do zasilenia 12 diod LED, stąd o połowę mniejsza wartość względnego natę-żenia światła. Kształt wykresu widma jest typowy dla biało świecących diod LED z luminoforem.
Pomiary natężenia oświetlenia latarki LED zostały wykonane przy użyciu luksomierza.
Na rysunku 10 pokazano zmierzoną zależność natężenia oświetlenia od na-pięcia zasilania. Jak można zauważyć, największą wartość natężenia oświetlenia uzyskano dla napięcia zasilania równego około 15 V, co świadczy o najwyższej skuteczności świetlnej latarki LED przy zasilaniu bateryjnym wynoszącym 14,8 V. Natężenie oświetlenia przy wyższym napięciu nieznacznie maleje, co może być również spowodowane wzrostem temperatury obudowy głowicy latarki. Natężenie oświetlenia na poziomie 140 klx jest wystarczające i spełnia założenia projektowe.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Uwe [V] E [klx]
Rys. 10. Wykres natężenia oświetlenia w funkcji napięcia zasilania Fig. 10. The dependence of the illuminance on the supply voltage
Na rysunku 11 przedstawiono zależność prądu zasilania od napięcia zasilania badanej latarki. Jak widać, największa wartość pobieranego prądu, przekraczająca 3,5 A, występuje przy napięciu zasilającym bliskim 15 V.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Uwe [V] Iwe [A]
Rys. 11. Wykres natężenia prądu wejściowego w funkcji zmian napięcia zasilającego Fig. 11. The dependence of the input current on the supply voltage
PODSUMOWANIE
W artykule opisano projekt oraz konstrukcję latarki podwodnej opartej na diodach LED. Przedstawiono zarówno schemat układów elektrycznych, jak i roz-wiązanie konstrukcji mechanicznej opracowanej latarki. Wykonane pomiary para-metrów optycznych i elektrycznych skonstruowanej latarki potwierdziły popraw-ność projektu.
Obecnie na rynku latarek do nurkowania jest niewiele urządzeń o podobnych parametrach, spełniających wszystkie postawione wymagania, a co za tym idzie, opisana w pracy konstrukcja może konkurować z innymi tego typu latarkami. Koszty budowy opisanej w pracy latarki nie przekroczyły 2000 zł, co przy cenach rynkowych tego typu urządzeń na poziomie od 5000 zł jest ważnym atutem przed-stawionej konstrukcji.
LITERATURA
1. Craford M.G., Recent progress of LEDs for lighting, Lumileds, 2001.
2. Górecki K., Electrothermal model of a power LED for SPICE, International Journal of Numerical Modelling Electronic Network, Devices and Fields, Vol. 25, 2012, No. 1, s. 39–45.
3. Górecki K., Półprzewodnikowe źródła światła, Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz 2010.
4. Górecki K., Górecka K., Wpływ zjawisk cieplnych na właściwości diody LED mocy, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 87, 2011, nr 7, s. 144–147.
5. Górecki K., Zarębski J., Wpływ wybranych czynników na właściwości półprzewodnikowych źró-deł światła, „Elektronika”, 2008, nr 10, s. 73–77.
6. Karta katalogowa firmy Cree, Cree® XLamp® XP-G LEDs, http://cree.com/products/xlamp.asp. 7. Karta katalogowa firmy Linear Technology, LT3756/LT3756-1/LT3756-2, http://www.linear.
com/product/LT3756.
8. Kural P., Projekt i konstrukcja podwodnej latarki LED, praca dyplomowa inżynierska, Wydział Elektryczny, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2011.
9. Martin P.S., High power white LED Technology for Solid State Lighting, Lumileds, 2005. 10. Miyawaki Y., Wang Dongxu, Tanaka O., Ooyama N., Okuno A., Unique Transparent Resin and
Vacuum Printing Encapsulation Systems (VPES) Packaging Method for New White LED, 6th International Conference on Polymers and Adhesives in Microelectronics and Photonics Poly-tronic 2007, Odaiba, Tokyo 2007, Japan, s. 81–86.
11. Mroziewicz B., Biało-świecące diody LED rewolucjonizują technikę oświetleniową, „Elektronika”, 2010, nr 9, s. 145–154.
12. Poręba P., Nurkowanie techniczne, Wydawnictwo Bell Studio, Warszawa 2010. 13. Schubert E.F., Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, Cambridge 2006.
14. Zarębski J., Właściwości cieplne elementów półprzewodnikowych i układów elektronicznych, Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz 2010.
Strony internetowe:
15. http://www.gralmarine.com/. 16. http://www.nurkomania.pl/.
17. http://www.taskled.com/hboost.html.
THE UNDER-WATER FLASH-LIGHT LED
Summary
In the paper the under-water flash-light LED constructed by the authors was presented. The construction of this flash-light was described and selected results of measurement of characterizations of these flash-light were shown.
Keywords: LEDs, diving, measurements.
