Proč zrovna LED? Protože dnes (psáno 2022) lepší světelný zdroj neexistuje. Klasické žárovky včetně halogenových mají účinnost v řádu jednotek procent, ledky v desítkách, takže za stejné množství elektřiny dostaneme mnohem více světla (a rovnou ve správné barvě, bez dalších ztrát v barevných sklíčkách). Jsou odolnější proti nárazům: žádné tenoučké vlákno ve skleněné baňce, ale jednolitá hrouda křemíku a plastu. Pokud je netrápíme nadměrnými proudy a vysokými teplotami, vydrží prakticky věčně. Jsou malé, lehké a levné. Co víc si přát?
A proč se patlat s vlastním návrhem, když můžeme hotová světla koupit? Protože ta kupovaná nemusí vždycky přesně splňovat naše požadavky na výkon, směrování, barvy, napájení, vodotěsnost, životnost a další parametry. Nebo protože nesháníme světla na kolo, ale třeba do modelového kolejiště, pro divadelní rekvizity, do kůlny nebo na cokoli jinak atypického. Nebo prostě proto, že máme hodně času a baví nás něco tvořit :-).
Jestli o elektrotechnice nevíte vůbec nic, doporučuji začít od základů, ale jinak většinu potřebné teorie najdete přímo v tomhle článku. Do všech vzorečků vždycky dosazujte napětí ve voltech (V), proud v ampérech (A) a odpor v ohmech (Ω), žádné miliampéry ani kiloohmy, jinak vyjdou nesmysly. Pokud jde o nástrojové vybavení, určitě budete potřebovat páječku: nejlépe hrotovou, protože se na ní líp reguluje teplota než na trafopáječce. Potom pájku: to je ten drát na bázi cínu, kterým pájíme (nejlíp se mi osvědčila slitina 60 % cínu a 40 % olova). A nakonec tavidlo: látku, která zlepšuje smáčivost mezi pájenými kovy; pro měď a cín se používá kalafuna. Správnou pájecí teplotu poznáte podle toho, že se kalafuna právě začíná vařit; když syčí a hnědne, je to moc a už nebude fungovat. Vodiče používejte pokud možno měděné, mají nízký odpor a nejlíp se pájejí. Bez plošných spojů se dá obejít, ale s nimi je to lepší. Vyrobíte je z cuprextitu (laminátové destičky potažené vrstvičkou mědi), na který leptuvzdorným lakem nakreslíte vodivé dráhy a zbytek odleptáte chloridem železitým (nebo se dají nevodivé oblasti vyškrábat nožem, což je pracnější, nebo pořídit předvrtaný cuprextit s předpřipravenými vodivými ploškami, které ale ne vždy vyjdou přesně do tvarů, jaké potřebujeme). Elektronické součástky seženete ve speciálních prodejnách (např. GM Electronic, JD&VD, Netmart, Ecom, EZK, Conrad a další), běžná domácí elektra je nevedou.
LED se vyrábějí v kulatém pouzdru s vývody, v provedení SMD (Surface-Mounted Device - mrňavá kostička s pájecími ploškami) nebo v různých speciálních pouzrech pro montáž na chladič, případně rovnou zabudované do nějakého držáčku. Vývoj postupuje poměrně rychle, účinnost se rok od roku zlepšuje. Světelný výkon nejlepších halogenových žárovek už ale ledky překonaly dávno a všechny parametry mají natolik výhodné, že nemá smysl čekat na nějakou novou technologii.
Nejjednodušší práce (a nejmíň věcí, které by začátečník mohl zkazit) je s diodami v kulatém pouzdru o průměru 5 mm: mají vestavěný miniaturní reflektor a čočku, takže nejsou potřeba žádné externí optické prvky, a prostor nasvěcují rovnoměrně bez tmavých fleků nebo ostrých hran. Barvu pouzdra vyberte čirou (ne difúzní a pokud možno ani barevnou, čirá propustí nejvíc světla), vyzařovací úhel cca 10..15° pro přední světla a 30..60° pro zadní. Svítivost se u kulatých LED udává nejčastěji v kandelách a říká, jak jasná se nám ledka bude zdát, když si s ní posvítíme do oka. 1 cd zhruba odpovídá svítivosti plamene svíčky. Desítky nebo stovky mcd jsou dobré leda pro kontrolky, na osvětlení kola potřebujeme řádově tisíce (posledně jsem použil tuším 3000 mcd dozadu a 10000 dopředu, ale není to úplně kritické). Mínusový vývod spolehlivě poznáme podle rovné plošky na lemu pouzdra. Podle vnitřního uspořádání prvků ne, to může být u každého typu jiné. Někdy bývá jedna nožička kratší, ale to platí jenom dokud je neucvakneme na délku, jakou potřebujeme.
U výkonových a SMD LED se nejčastěji uvádí světelný výkon v lumenech, což je součet celkového světelného toku do všech směrů. Svítivost potom závisí na tom, do jak úzkého kuželu ten světelný tok soustředíme - a na to potřebujeme nějakou externí optiku. Asi nejlepší volba jsou optiky využívající totální vnitřní odraz (Total Internal Reflection - TIR) v bloku plexiskla: malé, lehké a účinné. Jediná nevýhoda je, že dělají jenom kulaté kužely: neumí světlo tvarovat tak, aby rovnoměrně osvětlovalo silnici a neoslňovalo. Parabolické reflektory jsou na tom s odrazivostí o něco hůř a zaberou víc místa, ale teoreticky si můžeme pohrát s polohou diody vůči ohnisku a vytvarovat kužel tak, jak potřebujeme.
Ledky jsou poměrně citlivé na vysoké teploty, proto se musí pájet rychle (max. zhruba 3 vteřiny), aby se teplo nestihlo dostat k polovodičovému jádru a zničit ho. Taky je dobré nechat jim trochu delší nožičky a při pájení na ně přicvaknout třeba hliníkovou pinetku na vlasy, která funguje jako chladič.
Na jmenovité parametry uváděné v příbalovém letáku (např. 3,3 V / 20 mA) se nedá moc spoléhat - jedná se o maxima, ne o doporučené provozní hodnoty, a navíc většinou nesedí úplně přesně. Lepší je všechno si vlastnoručně přeměřit:
Potřebujeme voltmetr, ampérmetr a nějaký způsob plynulé regulace výkonu: buď potenciometr jako na obrázku, nebo regulovatelný zdroj napětí (v takovém případě tam dáme pevný rezistor). Otáčíme regulátorem, dokud na ampérmetru neuvidíme proud, jaký chceme (pro osvětlovací aplikace volím cca 1 mA pod jmenovitým maximem, pro dekorativní modelářské aplikace to většinou přiškrtím na několik mA), potom si na voltmetru přečteme skutečné prahové napětí (obvykle bývá znatelně nižší než to jmenovité) a obě čísla si poznamenáme. Tohle potom dosazujeme do níže uvedených vzorečků.
Ledka se vůči elektřině chová zhruba jako jez vůči vodě. Dokud nepřekročíme prahové napětí (výšku jezu), nepropouští žádný proud a nesvítí. Když ho překročíme, průtoku proudu skoro nic nebrání a pokud ho neomezíme nějakou externí součástkou (rezistorem), dioda nám shoří. Základní obvod s jednou ledkou a jedním odporem se počítá takhle:
![R=(U-U[LED])/I[LED]](tech/navrh-svetel_01.gif)
U je napětí zdroje, ULED je prahové napětí diody a ILED je proud, jaký chceme do diody pustit. Naopak protékající proud v závislosti na napětích a odporech spočítáme jednoduchou úpravou rovnice:
![I[LED]=(U-U[LED])/R](tech/navrh-svetel_07.gif)
Diod můžeme dát víc do série:
![R=(U-(U[LED1]+U[LED2]))/I[LED]](tech/navrh-svetel_02.gif)
Protékající proud ILED je ve všech diodách stejný. Z celkového napětí si každá ukousne tolik, kolik potřebuje - můžeme tedy kombinovat různé typy diod, zajímá nás jenom proud a celkový součet napětí.
Diod také můžeme dát víc paralelně:
![R=(U-U[LED])/(I[LED1]+I[LED2])](tech/navrh-svetel_03.gif)
Tady opatrně. Rezistor reguluje celkový proud a na všechny diody pouští stejné napětí, ale jak se potom proud mezi ně rozdělí závisí jenom na jejich vnitřních charakteristikách, které se mohou kus od kusu malinko lišit. Paralelně proto zapojujte výhradně LED stejného typu a počítejte s trochu menším proudem, aby se v "nejslabších" kusech nedostal nad bezpečné hodnoty.
A samozřejmě můžeme obě možnosti kombinovat (Σ znamená součet):
![R=(U-součet(U[LED]))/součet(I[LED])](tech/navrh-svetel_04.gif)
Přesně ten vypočítaný odpor s největší pravděpodobností neseženete, rezistory se totiž vyrábějí jenom v určitých pevně daných hodnotách. Důvodem jsou výrobní tolerance: když vyrobíte odpor 100 Ω s přesností plus mínus 5 %, tak nejbližší nižší může být maximálně 91 a nejbližší vyšší minimálně 110, aby se nemohlo stát, že ten nominálně menší vyjde ve skutečnosti větší a naopak. Řada je vymyšlená tak, aby obsahovala ta nejkulatější čísla (1, 10, 100, 1000 atd.), zbytek někdy vypadá trochu divně (22, 47, 56 atd.).
Pro nás z toho vyplývá jediné: vypočítaný odpor zaokrouhlete na nejbližší větší hodnotu v řadě. O chlup menší proud ničemu neuškodí, o chlup větší by uškodit mohl. Vybraný odpor potom dosaďte zpátky do předchozích rovnic a spočítejte si, jak velký nakonec ten proud doopravdy bude. Když například pro ledku se jmenovitým proudem 20 mA vyjde něco kolem 18..19 mA, je to tak akorát: rozdíl ve svítivosti bude tak malý, že ho nepoznáme, a dlouhodobá spolehlivost zaručená (tou dlouhodobostí myslím mnoho desítek let).
Zapojíme-li víc rezistorů do série, jejich odpory se sečtou:
Zapojíme-li víc rezistorů paralelně, sčítají se jejich převrácené hodnoty:
Toho se dá využít pro získání hodnoty, kterou zrovna nemáme v šuplíku, nebo pro získání vyšší wattáže (tam jenom pozor na to, že při paralelním zapojení dvou různě velkých odporů poteče většina proudu tím menším - vždycky si to přepočítejte).
Proud v předřadném rezistoru máme spočítaný, tak je potřeba zkontrolovat, jak bude topit. Vyzařovaný tepelný výkon je rovný elektrickému příkonu: napětí krát proud. Napětí spočítáme podle Ohmova zákona z proudu a odporu, vyjde nám:
P=RI2
Rezistor musí být stavěný na stejně nebo víc wattů. Příliš velkou hodnotou nic nezkazíme, příliš malá nejspíš shoří. Pro většinu aplikací si vystačíme s 0,6W nebo 1W rezistory, ale jakmile pracujete s výkonovými ledkami a proudy dosahují stovek mA, dávejte radši preventivně větší výkony než jsou nutné, jinak si popálíte prsty nebo roztavíte případnou izolaci z tavného lepidla.
Z hlediska výrobní technologie existují rezistory drátové, uhlíkové, metalizované, metaloxidové a speciální (výkonové). Pro naše účely je úplně jedno, který z nich použijeme. Já nakupuji většinou metalizované, protože jich je nejširší výběr.
Tolerance odporu může být různá, nejčastěji se vyskytuje 5 % a 1 %. Cenově vycházejí víceméně nastejno, takže pětiprocentní snad ani nemá cenu kupovat.
Z hlediska tvaru pouzdra mohou být rezistory buď klasické vývodové, nebo SMD. SMD se na desky pájejí ze strany mědi a mají výhodu, že zabírají méně místa. Vývodové se upevňují za drátky prostrčené dírami v desce a mají výhodu v tom, že se dají snadněji odpájet a že jim mezi nožičkami můžou procházet další plošné spoje.
Baterie je stejnosměrný zdroj. Napětí se v závislosti na odebíraném proudu mění jen málo (říkáme, že baterie je "tvrdý zdroj"). Jak se baterie vybíjí, postupně klesá její napětí a tím i proud a svítivost světel. Akumulátory mají vybíjecí křivku poměrně plochou, napětí začíná výrazně klesat až když se blíží úplné vybití. Jednorázovým článkům napětí klesá postupně. Postup návrhu obvodu se dá shrnout do dvou bodů:
Z hlediska účinnosti je lepší, když se skoro celé napětí baterie využívá na překonání prahového napětí diod (tedy na svícení) a na předřadném odporu se ztrácí co nejmenší zbytek. Z praktického hlediska je ale lepší, když máme nějakou rezervu na pokles napětí při vybíjení. Úplně nejlepší je, když místo jednoduchých předřadných odporů použijeme spínaný regulátor, který do obvodu LED pouští konstantní napětí nezávislé na aktuálním napětí baterie. Inspirovat se můžete třeba tady v části o USB nabíječce, jenom si místo USB zásuvky představte světla a místo pětivoltového regulátoru takový, jaký zrovna potřebujete:
Výhoda je, že se nevyužité přebytky proudu neztrácejí v odporech, ale zůstávají v baterii. A že světla svítí pořád naplno bez ohledu na stav baterie. To je ovšem i nevýhoda: až se vybije, bez varování zhasnou. Obejít to jde nějakou signalizací, automatickým ztlumením, varovným blikáním nebo něčím podobným, ale vyžaduje to složitější zapojení, většinou s mikroprocesorem.
LED, narozdíl od žárovek, potřebují stejnosměrné napájení, příliš velké napětí v závěrném směru by je zničilo. Cyklistická "dynama" jsou ve skutečnosti alternátory, vyrobený střídavý proud musíme napřed usměrnit a vyhladit:
Zjednodušeně se dá říci, že generovaný výkon je přímo úměrný rychlosti jízdy. A výkon je napětí krát proud, takže čím víc proudu odebíráme, tím víc nám klesá napětí (měkký zdroj). Nestačí nám proto změřit jenom jedno nebo dvě napětí, musíme znát celou voltampérovou charakteristiku. Několik jich najdete v sekci recenze, díky standardizaci běžně prodávaných dynam tam pravděpodobně najdete něco použitelného. Jestli ne, můžete si je změřit sami. Potřebujete jenom voltmetr, ampérmetr, tachometr, sadu rezistorů zhruba od 10 do 70 Ω, kondenzátor, zápisník, tužku a kus bezpečné a rovné silnice.
Za provozu je potřeba nějak omezit napětí, které z generátoru leze. Naprázdno (tj. s odpojenou zátěží) dosahuje mnoha desítek voltů. Při zatížení světly je obvykle menší, ale nemá žádné jasně dané maximum jako třeba baterie. Nejjednodušší omezovač napětí je Zenerova dioda: součástka, která při překročení svého prahového napětí začíná propouštět proud, tím z dynama vycucne všechen nadbytečný výkon a napětí už výš nepoleze.
O omezení proudu se až na výjimky stará samotná konstrukce dynama: ani nakrátko (tj. se zkratovanými vývody) nepřekročí 500..600 mA.
Návrh obvodu je iterativní proces, nejméně pracné je dělat ho na počítači (Excel apod.): výpočet napíšete jenom jednou, o přepočítání po každé změně vstupních hodnot se postará automatika. Postup vypadá zhruba takhle:
Za provozu se ve světlech děje zhruba tohle:
Při rozjezdu nejdřív napětí (tlustá zelená čára) roste naprázdno. Jakmile překoná zvolené prahové napětí LED (spodní červená čára), světla se rozsvítí. Při dalším zrychlování roste napětí, proud i množství světla. Od chvíle, kdy dosáhneme rychlosti pro zvolený pracovní bod (horní červená čára), svítí světla naplno. Při dalším zrychlování se otevře ochranná zenerka a začne odvádět přebytečný proud, takže napětí zůstane na zvolené maximální hodnotě.
Kondenzátor funguje trošku jako akumulátor. Kapacitu má nepatrnou, ale zato se umí nabíjet a vybíjet velice rychle. V bateriových světlech je k ničemu, ale s dynamem tvoří výhodnou kombinaci.
První funkce kondenzátoru je vyhlazení napájecího napětí. Generátor vyrobí střídavé, usměrňovací můstek otočí všechny vlnky na stejnou stranu, ale kolísání od nuly do maxima mu zůstane. Kondík funguje jako vyrovnávací nádrž: z generátoru do něj proud cáká po jednotlivých šplouchancích, do světel z něj odtéká zprůměrovaná a víceméně stabilní hladinka. Tím se odstraní blikání světel při nízkých rychlostech (to je vidět hlavně u nábojových generátorů) a zlepší se i účinnost: špičky nevyhlazeného napětí by se jinak ztrácely v omezovací zenerce a minima by se neměla odkud doplnit. Pro vyhlazovací kondenzátor stačí kapacita kolem 1000 µF (když dáte větší, není to na škodu), napětí většinou volím zhruba dvojnásobek pracovního bodu (16 V).
Druhý trik je svícení po zastavení. Hlavní světla kondenzátor neutáhne, ale jednu nebo dvě slabší ledky ano. Vtip je v tom, že jedna ledka má menší prahové napětí než ty sériově zapojené v hlavních světlech, takže dokáže využít zbytkové napětí v kondíku. Předřadný odpor pro ni počítáme tak, aby proud při prahovém napětí hlavních světel vycházel cca 5 mA nebo kolik uznáte za vhodné (a samozřejmě aby v pracovním bodě nepřekročil dovolené maximum té ledky); většinou dávám něco přes 2 kΩ, při kapacitě kondenzátoru kolem 10 mF na jednu diodu vychází doba svícení zhruba 1 min.
Potřebujete-li navýšit kapacitu kondenzátorů, spojte jich víc paralelně, kapacity se sečtou. Potřebujete-li navýšit napětí, je jediná rozumná možnost pořídit kondík pro vyšší napětí. Kondenzátory nezapojujte do série, přišli byste o kapacitu - zmenšuje se podle stejného vzorečku, podle kterého se zmenšuje odpor paralelně zapojených rezistorů.
Kombinuje výhody obou: nevyčerpatelný zdroj energie a plné světlo i po zastavení. Navíc dává větší svobodu při návrhu obvodu: není potřeba odběr světel přesně přizpůsobovat dynamu, protože baterie požere přebytky a pokryje krátkodobé nedostatky. Stačí, aby byla vyvážená dlouhodobá bilance.
Osvědčily se mi dva Li-ion články v sérii. Provozní napětí mají od 3 do 4,2 V na článek, tedy 6..8,4 V celkem. To shodou okolností krásně odpovídá prahovému napětí mé obvyklé sestavy LED i pracovnímu bodu dynama. Dovolené nabíjecí proudy pro Li-ion bývají obvykle tak velké, že do nich můžeme bez obav pustit celý půlampér z dynama. Jedna ze dvou věcí, které je potřeba dobře hlídat, je maximální napětí: přebité akumulátory rády vybuchují. Dá se to udělat i zenerkou na 8,2 V, ale napřed si změřte, jaké napětí na ní bude při maximálním dosažitelném proudu - její voltampérová charakteristika není úplně kolmá, napětí s proudem trochu roste. Výhodnější je sestavit si omezovač napětí z reference TL431 a výkonového tranzistoru, který se dá vyladit mnohem přesněji, takže se víc přiblížíte k plnému nabití. Druhá věc k hlídání je minimální napětí, protože hluboké vybití pod 3 V na článek li-ionkám škodí. To je ale celkem triviální, stačí dát všechny ledky do sérií s prahovým napětím alespoň 6 V.
Nevýhodou Li-ionek je, že jim nedělá dobře nabíjení při teplotách pod 0 °C. Na zimu tedy musíme buď nabíjení nějakým způsobem vyřadit, nebo udržovat baterii v teple. Možná by se dala zahřívat odpadním teplem z předřadných rezistorů dálkových světel - nevím, to vyzkouším příště. Pokud jde o jiné druhy akumulátorů, nevím o ničem lepším než lithium (Li-ion, Li-pol a nejspíš i LiFePO4, které ale podrobněji neznám). Olověné vyžadují dlouhé nabíjení malým proudem, navíc jsou poměrně těžké. U Ni-Cd a Ni-MH je složitější poznat, kdy jsou plně nabité, a navíc nevím, jak by se jim líbilo neustále přerušované nabíjení.
Počítejte s vodou. Světla jsou nejvíc potřeba v dešti a jiných hnusech, proto jim mokro nesmí vadit. Smršťovací bužírky občas netěsní úplně dokonale, silikon nebo tavné lepidlo je lepší. Na spodní straně krabiček je dobré udělat odvodňovací dírku.
Každý kontakt je zdroj problémů: může se rozpojit, zanést nebo zkorodovat. Nejjistější je všechno, co nepotřebujeme mít rozebíratelné, napevno spájet.
Tavné lepidlo je dobrý matroš, ale nespoléhejte se na to, že udrží světýlko na blatníku nebo rámové trubce. Vždycky ho pojistěte nějakým tvarovým spojem (šroubem, prolepením skrz dírku, omotáním drátkem apod.), který ho udrží, když lepidlo odpadne.
Životnost správně nadimenzovaných a zaizolovaných ledkových světel je prakticky neomezená. Jestli se nějak mechanicky nepoškodí, přežijí všechny ostatní komponenty kola a nejspíš i kolo samotné.
Z hlediska nápadnosti je pro přední reflektor nejvhodnější barva studená bílá. Teplé bílé je všude kolem spousta (pouliční lampy, okna domů, světla většiny aut), studená víc praští do očí.
Jak silná světla potřebujeme? Záleží na způsobu použití. Hezky to shrnul kolega Brahma po průzkumu veřejného mínění na fóru nakole.cz:
Téma, nebo spíš přispěvatelé, se vyčerpali, tak si dovolím udělat shrnutí a zevšeobecnění.
Světelný výkon cyklistického předního světla je závislý na způsobu noční jízdy a členitosti cesty, po které se jede. Čím složitejší cesta, tím větší výkon je potřeba. Do terénu nestačí jen světlo montované na kole, hodí se zde čelovka (může být slabší než hlavní světlo), kterou se nasvítí zrovna potřebné. Na silnici je čelovka nevhodná, poněvadž její světlo je směrově nestabilní a dokáže hrubě oslňovat.
Na hladkou prázdnou silnici bez okolního osvětlení většině stačí výkon okolo 200 lumenů.
Do města do provozu, kde každý svítí a je třeba obstát v konkurenci aut, je lepší 400 lumenů.
Pro rychlou jízdu po rozbité silnici, kde je třeba hledat díry, to chce okolo 600 lumenů.
Pro jízdu terénem klidně 1000 lumenů a více a čelovku k tomu.
Údaje vycházejí z individuálních preferenci jednotlivých cyklistů. Není to dogma, každý to cítí trochu jinak. Také každý jezdí trochu jinak a jinde.
Kam světla namířit, aby fungovala a neoslňovala? Zadní nejlépe vodorovně dozadu, u těch je svícení do očí účel. Oslňování se vyhneme jednoduše tím, že je neděláme přehnaně silná. Přední světla je potřeba přiměřeně sklopit. Vyhláška 341 říká, že osa světelného kuželu smí protínat zem maximálně 20 m před kolem, ale to je pro praktické využití moc daleko: 10 m je lepší, někdy i míň. Nejlepší je projet se v noci po suché a rovné silnici lemované stromy a hýbat s reflektorem tak dlouho, až trefíme polohu, kdy před sebou vidíme nejdelší osvětlený úsek asfaltu. Když posvítíme výš, asfalt v dálce ztmavne, protože víc světla zmizí bez užitku na obloze (a v očích protijedoucích řidičů). Když posvítíme níž, asfalt v dálce z našeho pohledu taky ztmavne, protože nevidíme přes přesvícený flek těsně před kolem. Takže najdeme zlatou střední cestu a reflektor tam potom důkladně zajistíme.