Zdroj světla pro biologické aplikace

Gymnázium Jana Blahoslava Ivančice

Zdroj světla pro biologické aplikace Závěrečná práce

Adam Halbich

Vedoucí práce: Mgr. Vítězslav Světlík Konzultant: doc. Ing. Miroslav Steinbauer, Ph.D. 2011

Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci vypracoval samostatně s využitím uvedených pramenů a literatury. …………………………………………… Podpis autora práce 1

Poděkování Děkuji konzultantovi mé práce doc. Ing. Miloslavu Steinbauerovi, Ph.D. a vedoucímu mé práce Mgr. Vítězslavu Světlíkovi za účinnou, metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc, velkou trpělivost, ochotu a další cenné rady při zpracování mé práce

2

Obsah Úvod ........................................................................................................... 4 Teorie .......................................................................................................... 5 Základní pojmy a veličiny světelné techniky.............................................. 5 Základy radiometrie a fotometrie ........................................................... 5 Fotometrické veličiny a jednotky ........................................................... 5 Polovodiče ................................................................................................ 6 Pásová teorie polovodičů ....................................................................... 6 Elektrická vodivost polovodičů .............................................................. 7 Přechod PN ........................................................................................... 8 Diody ....................................................................................................... 9 Typy diod ............................................................................................ 10 LED ................................................................................................ 11 Konstrukce ............................................................................................... 12 Výběr zdroje světla ................................................................................. 12 Mechanická konstrukce ......................................................................... 14 Osvětlovací hlava s LED ...................................................................... 14 Zdroj ................................................................................................ 14 Elektrická konstrukce ............................................................................ 16 První návrh driveru ............................................................................. 16 Druhý návrh driveru ........................................................................... 16 DPS ....................................................................................................... 19 Ovládání ................................................................................................ 20 Technické parametry ................................................................................. 21 Elektrické parametry .............................................................................. 21 Světelné parametry ................................................................................ 21 Závěr ......................................................................................................... 22 Resumé ..................................................................................................... 23 Použitá literatura ...................................................................................... 24 Přílohy ...................................................................................................... 25

3

Úvod Laboratorní zdroj bílého světla má pomáhat v biologickém výzkumu. Světelný zdroj má nastavitelný jas od 0 do 100 % a spektrem se velice podobá dennímu světlu. Jako zdroj světla využívá vysoce svítivé LED. Jejich výhoda spočívá ve velkém výkonu a nízké spotřebě. Na rozdíl od jiných světelných zdrojů se při změně jasu jen minimálně mění spektrální složení světla a nevysílá infračervené záření, které může znehodnotit výsledky biologických pokusů. Zdroj světla je navržen podle požadavků Ústavu molekulární biologie a radiobiologie Agronomické fakulty Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně.

4

Teorie Základní pojmy a veličiny světelné techniky Základy radiometrie a fotometrie Radiometrie se zabývá měřením elektromagnetického záření v celém jeho rozsahu, zatímco fotometrie se zabývá jen složkou elektromagnetického záření detekovatelnou lidským zrakem. Tato složka se nazývá viditelné světlo (VIS) a právě touto složkou se budeme dále zabývat. Fotometrické veličiny a jednotky Výchozí veličinou světelné techniky je světelný tok. Značí se Ф, udává fotometrický výkon světla vyzářeného z určitého zdroje a jeho jednotkou je lumen (lm). Z hlediska velikosti můžeme 1 lumen definovat jako 1/683 W monochromatického záření s frekvencí 540—1012Hz, což je frekvence, pro kterou má normální lidské oko pozorovatele nejvyšší citlivost. Světelný tok může vycházet se zdroje v určitém prostorovém úhlu. Jednotkou prostorového úhlu je steradián (sr). Světelný tok vyzařovaný do prostorového úhlu 1sr se nazývá svítivost. Značí se I a její jednotkou je kandela (cd) Svítivost je jednou ze 7 základních veličin SI. Můžeme ji vypočítat ze vztahu

Pokud světelný tok dopadne na osvětlovanou plochu, vznikne určitá intenzita osvětlení. Je to nejčastěji měřená fotometrická veličina. Značí se E a její jednotkou je lux (lx). Můžeme ji vypočítat ze vztahu

Z hlediska lidského vidění je prakticky nejvýznamnější veličinou jas. Jas je fotometrická veličina vyjadřující množství světelného toku, který se odráží od daného elementu (nebo z něj vychází), v určitém směru k místu pozorovatele. Značí se L a jednotkou je kandela na čtverečný metr (cd—m-2). Platí pro ni vztah

Více podrobností můžeme nalézt v literatuře [1] .

5

Polovodiče Pásová teorie polovodičů Elektron v atomu může v Bohrově teorii kroužit kolem jádra podle Pauliho principu pouze v kvantových drahách, tzv. orbitech. Pokud krouží v některé z kvantových drah, nevyzařuje atom žádnou energii. Při přechodu elektronu z jedné dráhy do druhé atom buď energii absorbuje, nebo emituje. U izolovaného atomu jsou energetické úrovně diskrétní. Při přiblížení atomů se dráhy elektronů deformují, takže při vytváření pevné monokrystalické látky dochází k rozštěpení energetických úrovní a vzniku energetických pásů. Pásová struktura určuje fyzikální vlastnosti látky. Pásy dělíme na dovolené - pásy dovolených hodnot energie elektronů, sem patří vnitřní, valenční a vodivostní pás. Oblasti mezi těmito pásy jsou zakázané pásy pásy zakázaných hodnot energie atomu (viz obr. 1).

Obr. 1

Jednoduchý pásový model pevné látky - zdroj [2]

Poslední 3 pásy – vodivostní, zakázaný a valenční – svojí polohou a energetickou šířkou určují vodivostní vlastnosti pevných látek. Podle šířky zakázaného pásu rozlišujeme vodiče, polovodiče a izolanty. U izolantů je zaplněn elektrony valenční pás a nad ním ležící zakázaný pás je širší než 3 eV (eV - elektronvolt, 1 eV = 1,16—10-19 J). Zakázaný pás je tedy příliš široký na to, aby elektrony mohly přejít do vodivostního pásu, látka tedy nevede elektrický proud. Pásový diagram polovodičů je shodný s pásovým diagramem izolantů, ovšem liší se šířkou zakázaného pásu, která je menší, typicky 1 eV. Za teploty blízké 0 K je vodivostní pás prázdný, v polovodiči tedy nejsou žádné volné elektrony a polovodič se chová jako izolant. Při zvyšování teploty mohou některé elektrony získat dostatečnou energii a přejít do vodivostního pásu – polovodič začíná vést proud (viz obr. 2).

6

Ve vodičích se vyskytují 2 případy. Buď je zakázaný pás menší než 0,1 eV, nebo se valenční a vodivostní pásy překrývají. Takové látky jsou dobrými elektrickými i tepelnými vodiči i za velmi nízkých teplot.

Obr. 2

Vliv teploty a osvětlení na vodič a polovodič - zdroj [2]

Elektrická vodivost polovodičů U polovodičů existují 2 typy vodivostí – vlastní a nevlastní (neboli příměrová) vodivost. Vlastní polovodič se podobá izolantu. Za teploty blízké 0 K nemá ve vodivostním pásu žádné elektrony, ale vlivem teploty nebo jiného vnějšího vlivu mohou elektrony získat dostatečnou energii k přechodu do vodivostního pásu (viz obr 3). Elektron se uvolní a zanechá po sobě atom postrádající jeden elektron (chovající se jako kladný iont). Atom může elektron převzít od jiného atomu a tak se kladný náboj může pohybovat. Tento útvar s kladným nábojem nazýváme díra.

Obr. 3

Vznik páru elektron – díra ve vlastním polovodiči - zdroj [2]

Na elektrickou vodivost polovodičů mají výrazný vliv cizí atomy zabudované do krystalické mřížky, tzv. poruchy. Tento typ polovodičů nazýváme nevlastní nebo také příměsové polovodiče. Je-li atom krystalické mřížky čtyřmocného prvku nahrazen atomem pětimocného prvku, jde o polovodič typu N. Čtyři z jeho valenčních elektronů vytvoří vazby se sousedními atomy a pátý elektron je poután k atomu jen 7

velice slabě a může být uvolněn (viz obr. 4) po dodání velmi malé aktivační energie. Pětimocné příměsi dodávají elektrony do vodivostního pásu, nazývají se donory. V polovodiči typu N převažují jako nosiče proudu elektrony, nazýváme je proto majoritní nosiče. Jedná se o elektronovou vodivost. Jestliže nahradíme atom krystalické mřížky čtyřmocného prvku atomem trojmocného prvku, jde o polovodič typu P. Zaplní se tedy pouze 3 vazby se sousedními a atomy a čtvrtá zůstane prázdná (viz obr. 4). Stačí malá energie k tomu, aby elektron přeskočil ze sousedního atomu, a vytvoří se kladná díra, která se může libovolně pohybovat a realizovat vedení elektrického proudu. Trojmocné příměsi se nazývají akceptory. Vytvořené díry v polovodiči typu P převažují jako nosiče proudu, majoritními nosiči jsou zde tedy díry. Jedná se o děrovou vodivost. Více podrobností můžeme nalézt v literatuře [2]

Obr. 4

Polovodič typu N (vpravo) a polovodič typu P (vlevo) - zdroj [2]

Přechod PN Mnoho polovodičových součástek využívá rozhraní mezi jednotlivými materiály, z nichž je součástka vyrobena. Z hlediska činnosti a vlastností jsou nejvýznamnější polovodičové přechody – rozhraní mezi dvěma různě dotovanými polovodiči. Přechod PN je přechod mezi stejnorodými materiály s různým typem vodivostí.

8

Diody Polovodičová dioda je součástka s dvěma vývody připojenými ke krystalu polovodiče s jedním přechodem PN. Vývod spojený s oblastí typu P se nazývá anoda a vývod spojený s oblastí typu N je katoda. Schematickou značku můžeme vidět na obr. 5.

Obr. 5

Schematická značka polovodičové diody - zdroj [3]

Polovodičová dioda je nelineární součástka, která se neřídí Ohmovým zákonem. Její vodivost závisí nejen na velikosti, ale i na orientaci připojeného napětí. V tzv. propustném směru, kdy je potenciál anody větší než potenciál katody, prochází diodou téměř stejný proud, jako bez diody. V závěrném směru, kdy je potenciál katody větší než potenciál anody, prochází diodou jen nepatrný proud. Tato závislost vodivosti diody na polaritě připojeného napětí se nazývá diodový jev. Volné nosiče náboje – elektrony v oblasti N a díry v oblasti P – konají neuspořádaný pohyb v krystalu. Na rozhraní obou oblastí se setkávají a vzájemnou rekombinací zanikají. Díky tomu v blízkosti přechodu PN převládne elektrické působení nepohyblivých iontů příměsí – kladných donorů v oblasti N a záporných akceptorů v oblasti P. Vniká tzv. hradlová vrstva (nazývaná též depletiční vrstva nebo oblast prostorového náboje, viz obr. 6) silná asi 1 µm s elektrickým polem, které brání pronikání dalších děr a elektronů do oblasti přechodu – nastává tak rovnovážný stav. V hradlové vrstvě se nenacházejí volné částice s nábojem a její odpor rozhoduje o celkovém odporu diody. Více je uvedeno v literatuře [3]

Obr. 6

Hradlová vrstva – zdroj [3]

9

Typy diod Usměrňovací diody se využívají pro usměrnění střídavého proudu, dříve pouze průmyslových kmitočtů, nyní i vyšších kmitočtů, např. u měničů. Usměrňovací diody mají v propustném směru malý úbytek napětí, velký propustný proud a velké závěrné napětí. Obvykle se dělí na nízkovýkonové (do proudu 20 A) a na výkonové (silové) usměrňovací diody. V současnosti se používají diody křemíkové, výjimečně germaniové. Usměrňovací diody se dále dělí na rychlé usměrňovací přechody, lavinové usměrňovací diody a Schottkyho usměrňovací diody. Schottkyho diody využívají namísto přechodu PN přechodu polovodič-kov a dosahují tak menšího úbytku napětí v propustném směru, větší závěrné rychlosti, za cenu menšího závěrného napětí. Stabilizační (Zenerova) dioda je křemíková plošná dioda s ostrým zlomem (průrazem) závěrné části VA charakteristik. Pracovní oblast těchto diod leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu. Při (téměř) stálém napětí narůstá proud. Jeho velikost je omezena prakticky pouze odporem vnějšího obvodu. Průraz může být tunelový (Zenerův) nebo lavinový (v obou případech hovoříme o Zenerových diodách, název lavinová dioda se užívá pro jiné prvky). Tyto typy diod používáme ke stabilizaci napětí pří kolísání vstupního napětí, nebo při proměnné zátěží (nebo v případě působení obou jevů).

Obr. 7

Voltampérová charakteristika a) usměrňovací diody a b) stabilizační diody

Dále existují diody se speciálními vlastnostmi pro specifické aplikace, jako jsou např. detekční a spínací diody, kapacitní diody, referenční diody, tunelové diody, diody PIN a inverzní diody.

10

LED Luminiscenční diody (LED) jsou součástky založené na luminiscenčních vlastnostech polovodičů. Světlo v nich vzniká při zářivé rekombinaci elektronů a děr, dopravených do oblasti rekombinace buď vstřikováním, nebo tunelováním přítomným přechodem PN do oblasti, kde se tyto nosiče stávají nerovnovážnými. Potřebné elektrony a díry mohou také vznikat lavinovým násobením v oblasti přechodu PN. Vlnová délka záření vysílaného luminiscenční diodou závisí na tom, na které energetické hladině nastává rekombinace párů elektron-díra. Podmínky generace potřebných dvojic elektron-díra a jejich zářivé rekombinace potřebné pro luminiscenční jev lze poměrně snadno dosáhnout právě pomocí přechodu PN. Je-li šířka zakázaného pásu použitého polovodiče větší než 1,8 eV, může být při rekombinaci vyzařováno viditelné světlo. Podrobnosti nalezneme v literatuře [4] .

11

Konstrukce Výběr zdroje světla Na světelné parametry zdroje světla byly kladeny tyto požadavky: • Spektrum velmi blízké dennímu světlu; • Lineární nastavení jasu od minima do 100%; • Minimální změny spektra při regulaci jasu; • Zdroj by neměl vyzařovat infračervené záření, aby neznehodnotil biologické pokusy; • Vysoká intenzita osvětlení.

Obr. 8

LED Luxeon® Rebel a rozměrový náčrt - zdroj [5]

Jako zdroj světla byla vybrána bílá LED, která má spektrum vyzařování velice podobné dennímu světlu, má vysokou životnost a téměř nevyzařuje infračervené záření. Použitá LED je typu Luxeon® Rebel typu LXML-PWC1-0100 (viz obr. 8, výrobce Phillips Lumileds Lightings, USA). Je to vysoce svítivá LED, při proudu 700 mA má světelný tok 180 lumenů. Přímo na přechodu PN se vytváří modré světlo o vlnové délce přibližně 440 nm, bílé světlo vytváří nanesená vrstva směsného luminoforu. Toto bílé světlo má barevnou teplotu přibližně 6500 K, (viz spektrum na obr. 9). Uváděná životnost je 50.000 hodin pro pokles svítivosti na 70 % původní hodnoty. Kvůli nelinearitě závislosti světelného toku na proudu (viz obr. 10) jsme museli pro řízení jasu zdroje použít PWM modulaci.

12

Obr. 9

Obr. 10

Spektrální charakteristika Luxeon® Rebel (cool-white) - zdroj [5]

LED Luxeon® Rebel závislost světelného toku na proudu – zdroj [5]

13

Mechanická konstrukce Celé zařízení se skládá ze dvou částí, skříňky se zdrojem a měničem s PWM modulací a z hlavy LED (obr. 11).

Obr. 11

Celkový pohled na světelný zdroj v provozu

Osvětlovací hlava s LED Pro konstrukci osvětlovací hlavy byl použit původně chladič CPU s rozměry 68 mm × 77 mm × 40 mm včetně ventilátoru 12 V / 0,45 A. Hlava je osazena 16 LED Luxeon Rebel ve 2 paralelně zapojených sériích po 8 LED. Ke zdroji 25 V, 1300 mA je hlava připojena čtyřvodičovým kabelem zakončeným konektorem CANON 9F. Hlavu LED můžeme vidět na obrázku 12. Zdroj Jednotka napájecího zdroje je vestavěna do skříňky z ocelového lakovaného plechu o rozměrech 117 mm × 216 mm × 112 mm. Skládá se z průmyslového napájecího zdroje 230 VAC, 20 VDC, 50 W a vlastního měniče s PWM modulací. Na čelní straně se nachází konektor CANON 9M pro připojení LED hlavy, potenciometr ovládání jasu, přepínač a vstup externího ovládání jasu 0-10 V. Na zadní straně je přístrojová zásuvka pro připojení napájení 230 V, 50 Hz s integrovaným vypínačem a pojistkou T 1 A.

14

Obr. 12

Obr. 13

Pohled na osvětlovací hlavu s LED

Pohled na skříňku se spínaným zdrojem

15

Elektrická konstrukce Všech 16 LED je zapojeno sérioparalelně 2× po 8 LED. Celkové napětí je asi 25 V při 1300 mA, což odpovídá příkonu asi 2 W na jednu LED. Jeden z požadavků na zdroj světla je jeho možnost lineárního řízení jasu od minima do 100%. Vztah mezi proudem a světelným tokem však u LED není lineární, proto musela být k regulaci jasu použita PWM modulace. LED jsou tedy napájeny spínaným zdrojem s PWM modulací. První návrh driveru Nejdříve byl použit návrh, který se osvědčil u PWM modulace pro napájení 5 LED. Schéma prvního návrhu můžeme vidět v příloze č. 1. Tento PWM driver obsahoval následující prvky a moduly: • zdroj konstantního proudu osazen LM334Z; • zdrojem pilového napětí je časovač 555 ; • jako zdroj obdélníkového napětí s proměnnou střídou slouží IC4A osazený LM358D ve funkci komparátoru; • hlavní součástkou je driver LED osazený integrovaným obvodem LT3478; • MOSFET pro ovládání proudu řadou LED byl osazen typem IRFR 110 s odporem v sepnutém stavu RDSon = 0,54Ω ; • napájení 12 VDC s navazujícím lineárním stabilizátorem 78L10 pro pomocné napětí; Protože se ukázalo, že tato koncepce není vhodná pro větší výkon, zejména kvůli problematickému odvodu tepla z výkonového spínacího tranzistoru umístěného uvnitř LT3478, byl návrh značně přepracován včetně využití nových součástek, čímž vznikl Driver 2. Druhý návrh driveru První realizovaná konstrukce driveru se ukázala pro řízení 16 LED jako neefektivní, proto byl návrh pozměněn. Driver LT3478 byl nahrazen výkonnějším typem LTC3783 od firmy Linear Technology, který je určen pro připojení externího výkonového spínacího tranzistoru. Dále byl nahrazen výkonový tranzistor MOSFET určený pro PWM modulaci za typ s nepatrným odporem v sepnutém stavu RDSon = 0,002 Ω, takže se tento tranzistor prakticky neohřívá a nevyžaduje chladič. Přepracován byl i zdroj PWM signálu pro modulaci jasu diody, který nyní obsahuje generátor přesného trojúhelníkového signálu a komparátor. Složení a funkce pulzního zdroje dle blokového schématu (Obr. 14): • Napájecí síťový pulzní zdroj (230 VAC / 20 VDC / 50 W) • Stabilizátor pomocného napětí 15 V • Zvyšující měnič s integrovaným obvodem LTC3783 • Obvody PWM: zdroj konstantního proudu, generátor trojúhelníkového napětí, komparátor

16

Obr. 14

Blokové schéma pulzního zdroje

Kompletní schéma zdroje druhého návrhu můžeme vidět v příloze č. 2. Na vstupní svorky X1-1 a X1-2 je přivedeno nestabilizované stejnosměrné napětí 20 V z napájecího sítového zdroje, u kterého bylo nastaveno výstupní napětí na 20 V. Integrovaný obvod typu 78L15 funguje jako klasický lineární stabilizátor s výstupním stejnosměrným napětím 15 V. Principiálně základní částí zdroje je zvyšující měnič pracující na frekvenci přibližně 300 kHz. Základními součástkami měniče jsou cívka L1 o indukčnosti 10 uH, Schottkyho dioda D1 typu SK2100, kondenzátor C4 o kapacitě 10uF, speciální integrovaný obvod LTC3783 firmy Linear Technology, který řídí unipolární tranzistor MOSFET Q3 typu IRLZ 44NS. Důležitou součást zdroje tvoří PWM modulátor, který ovládá jas LED rychlým zapínáním a vypínáním s proměnnou střídou zapnuto /vypnuto. Části PWM tvoří generátor obdélníkového napětí s proměnnou střídou, sestávající ze zdroje referenčního napětí Uref = 10 V vytvořeného z integrovaného obvodu typu TL431 a OZ IC4B. Další částí je generátor trojúhelníkového napětí tvořený integrátorem s IC5A a komparátorem IC5B. Celý obvod pak pracuje jako generátor trojúhelníkového napětí 0 až 10 V o frekvenci 240 Hz, viz osciloskopický záznam průběhů na obr. 15. IC4A je zapojen jako komparátor, který porovnává okamžitou hodnotu trojúhelníkového napětí se stejnosměrným napětím, nastaveným potenciometrem R9 o odporu 100 kΩ. Na výstupu IC4A je tedy obdélníkové napětí, jehož střídu lze měnit potenciometrem R9 od přibližně 2 % do 100 %. PWM signál je pak veden přes zesilovač v obvodu LTC3783 k výkonovému MOSFET Q1, který pak spíná proud napájející osvětlovací hlavu LED.

17

Obr. 15

Průběhy trojúhelníkového napětí (vývod IC5A) a obdélníkového napětí (vývod IC4A) naměřené osciloskopem

Základem celé konstrukce je speciální obvod pro spínaný měnič určený pro napájení LED s možností PWM modulace LTC 3783. Jeho důležité piny jsou: • 7 - PWMI - vstup impulsů modulovaných šířkově. • 1 - PWMO - výstup impulsů o max. hodnotě proudu 25mA • 5- FREQ - nastavení frekvence pomocí R7 = 22kOhm • 11 - VIN - vstupní napětí max. 42V • 9 - GATE - řídí MOSFET Q3 (switch – elektronický spínač) • 1 - FBN - záporná zpětná vazba • 2 - FBP - kladná zpětná vazba • 12 - SENSE – citlivost, snímá se úbytek napětí přímo na odporu RDSon tranzistoru Q3 Driver má několik ochranných obvodů, např. proti zvýšenému napětí, softstart aj. Jedná se sofistikovaný obvod s velkou perspektivou. Pro úplnost dodáváme, že na DPS je umístěn integrovaný spínaný zdroj stabilizovaného napětí 12 V pro ventilátor aktivního chladiče hlavy LED. Jako stabilizátor je použit IC3, typu LM2575T-12 s příslušnými kondenzátory na vstupu a výstupu. Výstup pro řadu LED a ventilátor je realizován konektorem D-SUB9. V případě napájení LED jsou vždy 3 piny spojeny paralelně. Dodatečně byl přidán přepínač Input select, umožňující ovládat pulzní zdroj dálkově standardními úrovněmi 0-10 V např. pomocí PC.

18

DPS Návrh desky plošných spojů byl řešen v programu Eagle 5.7.0. Motiv byl vytisknut černobílou inkoustovou tiskárnou na fólii. Potom byla fólie přiložena na DPS a uložena do osvitové UV jednotky a přitlačena krycím sklem. Doba expozice byla asi 3 minuty, poté byla deska vyvolána ve vývojce (roztoku 1,5% NaOH). Po vyvolání byla deska omyta horkou vodou a osušena. Následné vyleptání bylo provedeno v nasyceném roztoku FeCl3 po dobu asi 15 minut, po vyleptání byla deska opět opláchnuta horkou vodou a osušena. Nakonec byla deska postříbřena ve stříbřící lázni po dobu asi 15 min.

Obr. 16

DPS prvního návrhu, vpravo přední strana, vlevo zadní

Obr. 17

Osazení DPS prvního návrhu

19

Obr. 18

DPS druhého návrhu, pravo přední strana vlevo zadní

Obr. 19

Osazení DPS druhého návrhu

Ovládání Napájecí zdroj se připojuje k síti 230 V / 50 Hz. Zapnutí a vypnutí zdroje se provádí kolébkovým spínačem umístěným u přívodní přístrojové zásuvky na zadní straně skříňky zdroje. Ovládací prvky jsou rozmístěny na přední straně skříňky zdroje. Červená kontrolka vpravo nahoře signalizuje provoz zdroje, potenciometr slouží k nastavení jasu světelného zdroje, konektor CANON 9F slouží k připojení hlavy LED a vlevo dole jsou přepínač a vstup externího ovládání jasu 0-10 V.

20

Technické parametry Elektrické parametry • Napájení • Odběr z pomocného zdroje • Spotřeba

230 V, 50 Hz 20 VDC, 1,8 A max. 36 W (podle nastaveného světelného výkonu) 32 W 90 %

• Příkon 16 LED • Účinnost spínaného zdroje

Světelné parametry • Maximální intenzita osvětlení od LED • Spektrum • Životnost LED

240 000 lx ve vzdálenosti 5 cm blízké dennímu světlu, viz Obr. 9 minimálně 50 000 hodin při nejvyšším nastaveném výkonu po 50 000 hodinách zachováno minimálně 70 % původní hodnoty

• Pokles světelného toku

21

Závěr Zdroj světla byl navržen pro biologické pokusy podle požadavků Ústavu molekulární biologie a radiobiologie Agronomické fakulty Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně. Snahou bylo docílit co nejlepší homogenity vyzařovaného světla a vysokého výkonu zdroje světla. Dále měl zdroj vyzařovat co nejméně IR záření a spektrum měl mít podobné dennímu světlu. Těmto požadavkům dokonale vyhovují vysoce svítivé bílé LED od firmy Luxeon. Bylo použito 16 LED s celkovým příkonem 32 W. Světelný zdroj má možnost lineární regulace jasu od 2 % do 100 % díky driveru s PWM modulací. Na plný výkon dosahuje světelný zdroj intenzity osvětlení 240 000 lx, což je 2,4 více, než dosahuje sluneční záření v létě v poledne.

22

Resumé Celý projekt se skládá ze studie, návrhu a konstrukce speciálního zdroje bílého světla se spektrem velice blízkým dennímu světlu s nastavitelným jasem, který je určen pro aplikace v biologickém výzkumu. Osvětlovací jednotka využívá moderní vysoce svítivé bíle LED. Projekt je rozdělen do dvou částí. V první části jsou uvedeny světelné veličiny potřebné k pochopení požadavků na zdroj světla, princip a funkce diod a jejich využití. Druhá část popisuje výběr zdroje světla, návrh, mechanickou a elektrickou konstrukci celého zařízení. The whole project is composed of study, concept and construction of special source of white light with spectrum highly similar to day light with adjustable intensity of light, which is intended for applications in biological research. Lighting unit uses advanced high-luminance white LEDs. The project is divided into two parts. The first section describes light quantities required to understand the requirements of the light source, principle and function of LEDs and their applications. The second part describes the choice of light source, mechanical and electrical design of the whole device.

23

Použitá literatura Při zpracování byly použity tyto publikace: [1] Baxant P.: Elektrické světlo a teplo. FEKT VUT v Brně, 2004 [2] Musil V., Boušek J., Horák M., Hégr O.: Elektronické součástky. FEKT VUT v Brně, 2007 [3] Lepil O., Šedivý P.: Elektřina a magnetismus. Prometheus spol. s r. o. v Praze, 2006 [4] Frank H., Šnejdar V.: Principy a vlastnosti polovodičových součástek. v Praze, 1976 Lumileds Lighting, Aplikační a katalogové listy DS56. [5]

24

Přílohy Příloha č. 1

Obr. 20

Schéma prvního návrhu

25

Příloha č. 2

Obr. 21

Schéma druhého návrhu

26