LED nauha autoon

LED nauha autoon tai veneeseen? Entä mökin aurinkosähköjärjestelmään?

Kiusaus tehdä ajoneuvon valaistus LED nauhalla on suuri, koskaLED nauhan asentaminen on niin helppoa ja siitä saa hyvän valon. Kuvan ajoneuvon kalustotiloijen ja katon valaistusta ei ole kuitenkaan tehty LED nauhalla, koska LED nauha ei sovellu sähköteknisten syiden takia ajoneuvojen valaistukseen. Kuvan valaitukseen on käytetty LED listaa VLWP100T, joka on suunniteltu juuri ajoneuvokäyttöön.

 

Meiltä kysytään hyvin usein LED nauhaa asennettavaksi autoon. Lisäksi hyvin useat kauppiaat tarjoavat LED nauhaa asennettavaksi autoon, asuntovaunuun, veneeseen, aurinkosähköjärjestelmällä toimivaan valaistukseen esim. mökillä. Googlen haku “LED nauha autoon” antaa todella paljon osumia. Koska Motonetilla sattuu olemaan naapurissamme toimipiste ja lisäksi Motonet on hyvin suuri autotarvikkeiden myyjä, kävimme hakemassa ihan pelkästään mielenkiinnosta ja omien ajatuksiemme tueksi Motonetista autoon tarkoitetunn LED nauhan, tuote Polaroid auto LED-nauha 12 V valkoinen (tuotenumero 65-00890) ja tutkimme sitä oman LED nauhamme rinnalla. Tästä Motonetin tuotteesta lyhyt yhteenveto tämän artikkelin lopussa.

Aluksi kuitenkin syöttöjännitteestä. Ajoneuvoissa, veneissä, aurinkosähköjärjestelmissä jne on yleensä akku energiavarastona. Nimellinen akkujännite on tyypillisesti 12 V tai 24 V. Kun akkua ladataan, täytyy latausjännitteen olla akun napajännitettä suurempi. Tyypillisesti latausjänniteet ovat  lyijyakuilla: 12 V akulla noin 14 V ja 24 V akulla noin 29 V. Latausjännite riippuu  akkutekniikasta sekä lataustekniikasta (kuinka älykäs laturi on), mutta edellä esitetyt jännitteet ovat kohtalaisen yleispäteviä. Jos on muutoksia latausjänniteessä, ne ovat poikkeuksetta suurempaan suuntaan. Akkujärjestelmissä laitteiden käyttöjännite on aina akun nimellisjännitettä suurempi (muuten, 12V lyijyakku on käyton kannalta jo lähes tyhjä kun sen napajännite on 12,3 V).

Koska LED nauha on tarkoitettu toimimaan vain nimellisjännitteellään ja sen rakenne yritetän pitää mahdollisimman yksinkertaisena käytettävyyden takia, kontrolloidaan LED komponentin läpi kulkevaa virtaa vastuksella. Koska yksittäisen LED komponentin läpi kulkeva virta on hyvin pieni, niin tässä vastukseen pohjautuvassa virran säädössä ei ole kovin suuria haittoja suhteessa etuihin, joten LED nauhassa vastuksella tehtävä virranrajoitus vielä toimii kohtalaisen hyvin. Tehokkaammissa LED komponetteissa se on ehdottomasti kielletty (lue lisäää tästä F.A.Q osioissa: “Mitä ongelmia on etuvastukseen perustuvassa LED:in käytössä?“). Mutta tämä vastukseen pohjautuva virran säätö ei ole niin fiksu, että se ymmärtäisi syöttöjännitteen muutokset ja säätyisi sen mukaan.

12 V LED nauhan rakenne on tyypillisesti siis sellainen, että siinä on 3 kpl LED komponetteja sarjaan kytkettynä ja näiden kanssa on tavallisesti sarjavastus, jolla kontrolloidaan sarjaankytkennän läpi kulkevaa virtaa. Alla on kuva esimerkkikuva kytkennästä. Tälläistä kytkentää kutsutaan myös nauhan katkaisuväliksi. Pitkä nauha koostuu siis useista tälläisistä lyhyistä katkaisuväleistä, jotka on nauhassa lopulta kytketty keskenään rinnan.  Tarkastellaan tässä tarkemmin kuitenkin yhtä tälläistä katkaisuväliä.

 

12 V LED nauhan kytkentä. Yksi katkaisuväli.

 

12 V syöttöjännite kytketään kytkennän tuloon Uin.  Syöttöjännite jakautuu kaikkien kytkennän komponettien yli eli jokaisen komponentin yli jäävien jännitteiden summa on sama kuin syöttöjännite. Eli kuvassa Uin = UR + UD1 + UD2 + UD3. Virta (I) on taas sama läpi koko sarjaankytkennän eli jokaisen komponentin läpi kulkee sama virta. Koulun fysiikasta muistamme Ohmin lain. Ohmin laissa jännitteellä, virralla ja vastuksella on keskinäinen lainalaisuus. Ohminlaista U = R * I saadaan esim. ratkaistua virta, se on I = U / R. Kun vastuksen arvo R tunnetaan (se on LED nauhassa kiinteä) ja vastuksen yli jäävä jännite mitataan, voidaan näiden tietojen avulla laskea virta I.

LED valokomponentti on puolijohde. Tässä tarkastelussa puolijohde tarkoittaa yksinkertaisesti seuraavaa. Kun LED komponentin läpi kulkee virtaa, muodostuu samalla valoa. LED komponentin läpi alkaa kulkemaan virtaa, kun sen liitosrajapinnan jännite nousee niin paljon että se alkaa johtamaan virtaa. Valkoisella LED:illä tämä on tyypillisesti noin 3,0 – 3,2 V. Tämä jännite on yllä olevassa kuvassa UD1, UD2 ja UD3. Kun liitosrajapinta muuttuu johtavaksi, pääsee siitä virtamaan “rajattomasti” virtaa eli käytännön tasolla LED komponentti itse ei rajoita mitenkään sen läpi kulkevaa virtaa. Tätä varten kytkennässä on vastus, jonka ainoa tehtävä on rajoittaa sarjaankytkennän läpi kulkevaa virrtaa. LED nauhan tilanteessa tämä toimii hyvin niin kauan kun käyttöjännite Uin ei muutu. Kun LED:in liitosrajapinta muuttuu johtavaksi, sen yli jää suurinpiirtein sama jännite UDx = 3,0…3,2 V riippumatta sen läpi kulkevasta virrasta (käytännössä muutos on kuitenkin 0,1-0,2 V luokkaa). Kun LED:ien yli jäävä jännite pysyy lähes muuttumattomana syöttöjännitteen muuttuessa, pitää jonkun jänniteen kasvaa sarjaankytkennässä, jotta UIN = UR + UD1 + UD2 + UD3 pätee edelleen. Tämä jännite on UR eli vastuksen ylijäävä jännite. Ohmin lain mukaan: I = U / R. Kun vastus on koko ajan vakio, niin jännitteen kasvaessa virta kasvaa ohmin lain mukaan. Näin myös tapahtuu käytännössä. Kun syöttöjännite kasvaa, niin sarjaankytkennän läpi kulkeva virta kasvaa myös. Alla on taulukko jossa on mitatut ja lasketut arvot 12V LED nauhastamme FW300T5050C12. Mainittakoon, että tässä nauhassa käytetään LED komponenttia jonka maksimi läpi kulkeva virta on 20 mA. Tehokkaat LED nauhat mitoitetaan niin, että nimellisjännitteellä sen läpi kulkee lähes maksimi sallittu LED komponentin virta, jotta nauhasta saadaan mahdollisimman paljon valoa hyvällä hyötysuhteella eliniän kärsimättä. Teimme myös mittauksen 24V jännitteellä toimivalle vastaavalle LED nauhalle.

 

Taulukko. 12 V LED nauhan yhden katkaisuvälin virta. Punaisella pohjalla on virta joka on sallittua maksimi virtaa (20 mA) suurempi.

 

 

Taulukko. 24 V LED nauhan yhden katkaisuvälin virta. Punaisella pohjalla on virta joka on sallittua maksimi virtaa (20 mA) suurempi.

 

Edellisistä taulokoista näkee, että normaalilla latausjännitteellä LED nauha ylikuormitus on 55-65 % riippuen käyttöjännitteestä. Tämä ylikuormitus aiheuttaa LED komponentin eliniälle selkeän aleneman, koska komponentti lämpenee rajusti. Se, tippuuko LM80 testin (80% valosta jäljellä) perusteella määritelty 75000 tunnin elinikä kuinka paljon, riippuu myös monesta muusta seikasta kuten LED nauhan ympäristölämpötilasta. 10 asteenkin erokin (15 astetta -> 25 astetta) merkitsee jo paljon, koska nimenomaan LED komponentin liitosrajapinnan lämpötila on se merkitsevä joka alentaa eniten komponentin ikää. Ja ylivirta on suurin tekijä joka nostaa LED komponentin lämpötilaa ja siten alentaa sen elinikää voimakkaasti. Karkeasti kuitenkin voisi todeta, että on aivan mahdollista, että LED nauhan elinikä ei ole kovin montaa tuhatta tuntia ajoneuvokäytössä.

Meillä on asiakkaita, jotka ovat joutuneet uusimaan LED nauhat parin kolmen käyttövuoden jälkeen veneeseensä takuuajan umpeuduttua. Kyseiset LED nauhat on asentanut nämä ammattiveneet rakentanut tunnettu Suomalainen telakka (ostanut nauhat jostain, ei tietoa mistä).  Asiakas ei voi muuta kuin uusia nauhat säännöllisesti, koska veneen alumiinirakenne ei salli muita ratkaisuja tilankäytön suhteen kun paikat on tehty määrämittaisille LED nauhoille.

Lyhyesti: ÄLKÄÄ ASENTAKO LED NAUHOJA AJONEUVOIHIN JA VENEISIIN, joissa käyttöjännite pääsee nousemaan latausjännitteen takia nimellisjännitettä korkeammaksi. Käyttäkää parempi valolähteitä tai tasatkaa käyttöjännite nimellisjännitteeseen siihen tarkoitetuilla laitteilla. Olemme toki suunnitelleet tähän ajoneuvojen valaistustarkoitukseen soveltuvia tuotteita kuten LED listat. Tuotteet VLWP025T, VLWP050T ja VLWP100T. Artikkelin alussa oleva paloauton kalustotilat ja katto onkin valaistu juuri näillä tuotteilla. On muitakin ratkaisuja (mm. MTTSL61)

 

Ai-niin se Motonetin LED nauha…

Onko Motonetin toimittaja löytänyt viisasten kiven ja keksinyt ratkaisun tähän muuttuvan syöttöjännitteen tilanteeseen? Kävimme siis yleisestä mielenkiinnosta naapurissa ja ostimme Polaroid auto LED-nauha 12 V valkoinen (Motonetin tuotenumero 65-00890) mittauksia varten. Alla mittaustulos.

Motonetin Polaroid auto LED-nauhan 12 V (tuotenumero 65-00890) virta

 

Tuloksista näkee, ettei tässäkään LED nauhassa tilanne ole erillainen. Kun LED nauhan syöttöjännite nousee auton moottorin käydessä, menee LED komponentin läpi n. 50% enemmän virtaa kuin nimellisjännitteellä. Koska emme tiedä käytetyn LED komponentin sallittua virta-arvoa, emme myöskään voi arvioida mitä tämä aikaansaa tämän LED nauhan eliniälle. Jos korkeampi syöttöjännite on otettu huomioon, niin silloin vastus on mitoitettu niin, ettei latausjännitteellä vielä ylitetä LED komponentin suurinta sallittua virtaa. Todennäköisesti on otettu huomioon, koska pakkauksessa ilmoitetaan tehoksi 5,3 W ja mittasimme 14 V käyttöjännitteellä 4,9 W.

Kun koreampi käyttöjännite on otettu huomioon, niin tästä seuraa, että nauha on mahdollisesti niin pitkäikäinen kuin sen myyntipakkauksessa sanotaan (30000 tuntia, mutta ei kerrota miten se on määritlty eli mitä testiä vastaan). Toisaalta, tällöin pakkauksen tekstit “korkea hyötysuhde” ja “matala lämpötila” eivät pidä paikkansa. Nauhan hyötysude on huono (verrattuna muihin nauhoihin), koska vastuksen yli jää niiin paljon tehoa (*). Eli 34% koko nauhan tehosta muuttuu vastuksessa lämmöksi. Lisäksi kyseinen vastus (käytännössä kaksi vastusta) lämpeni niin voimakkaasti, että testaaja lähes poltti sormensa. Toki nauhan silikonipinnoite oli silloin poistettu, mutta lämpenee ne komponentit samalla tavalla siellä silikonin sisälläkin, mutta eivät vain pääse niin hyvin jäähtymään. Pienen varauksen laittaisimme myös pakkauksen tekstille “Vedenkestävä”. Tämä tosin vaatisi hieman enemmän testaamista ja tarkemman määrittelyn mitä vedenkestävä tarkoittaa. Alla on kuitenkin kuva rakenteesta. Paljon on kiinni siitä, kuinka hyvin tuossa muutamat eri materiaalit pysyvät kiinni toisissaan ja niiden välinen liitos pitää vettä. Ainakin roiskevesitiivis (IP44) tämä rakenne on.

 

(*) Nahan pakkauksessa lukee: teho 5,3 W ja valovoima 260 luumen (lm). Tästä seuraa, että nauhasta saa vain vaatimattomat 49 lm/W, kun FW300T5050C12 nauhasta saa 96 lm/W. Motonetin nauhan hyötysuhdetta heikentää vastukseen jäävä suuri hukkateho (teho lämmöksi) ja todennäköisesti nauhan LED komponenteistakaan ei saa kovin paljon luumeneita per watti.