Ekologie rostlinného akvária

V mantinelech zdravého rozumu a kritického myšlení

426
Publikováno: 13.08.2014, Aktualizováno: 29.01.2017

LED: Stmívač

Dokonalý stmívač LED osvětlení

Autor článku: Marcel Goliaš

Hned na začátek tohoto článku bych rád zdůraznil, že tato recenze je psaná z pohledu laika, a pro laiky je také primárně určena. Pokud to tedy bude číst nějaký odborník na elektrotechniku, nechť je prosím shovívavý k mému nedokonalému (a někdy snad i zavádějícímu) způsobu popisování věcí, součástek a principů souvisejících s daným tématem, nebo ať svoji pozornost zaměří raději k technické dokumentaci, kde je vše popsáno odborněji.

Stmívač LED osvětlení, který zde popisuji, je zařízení české výroby od Františka Roztočila z Prahy, které bylo dostupné ve dvou verzích → pro LED pásky a pro výkonné LED čipy. V současné době již toto zařízení není bohužel dostupné, nicméně poslouží mi v tomto článku jako modelový příklad, na kterém bych rád ukázal, jak se stmívač zapojuje a používá.

Pokud používáte LED osvětlení (ať už v podobě LED pásků nebo výkonných LED čipů) a chtěli byste ve svém akváriu simulovat východ a západ slunce, a dopřát tak svým rostlinám a živočichům plynulý náběh a útlum světla tak, jak je to běžné v přírodě při východu a západu slunce, budete k tomu potřebovat speciální zařízení, tzv. stmívač (angl. controller). Existují v podstatě dva typy stmívačů: manuální (potenciometr) a automatické (programovatelné elektronické zařízení, které umí zpravidla ovládat interval fotoperiody a intenzitu světla vyzařovaného z LED čipů).

Manuální stmívače:

Když vám nějaký prodejce komerčního LED osvětlení nabízí za příplatek možnost stmívání, obvykle se jedná o jednoduchý manuální ovladač v podobě knoflíku (potenciometru), kterým si můžete intenzitu osvětlení manuálně štelovat. Tento způsob stmívání je nejen nepraktický (kdo bude mít čas a chuť každý den ráno a večer intenzitu osvětlení regulovat), ale i nedokonalý (po otočení knoflíku se světlo zapne skokově na 10%, a teprve od této hodnoty se dá jeho intenzita plynule regulovat). Ručně (knoflíkem nebo přepínačem) řízenou intenzitu je tedy lepší používat spíše pro nastavení trvale snížené hladiny světelné intenzity. Tímto způsobem lze řešit například stav, kdy je naše osvětlení předimenzované, a my můžeme pomocí potenciometru omezit jeho maximální svit. Přirozeně nemá smysl ho používat pro ručně řízené stmívání a rozednívání. Tento způsob regulace intenzity osvětlení se tedy používá a je vhodný spíše pro osvětlení interiérů. Při tomto způsobu řízení intenzity osvětlení se nežádá, aby regulace probíhala od nulové úrovně intenzity.

Automatické stmívače:

Jiné, než tyto stmívače, nemá smysl si na automatické stmívání akvarijních světel pořizovat. Ale pozor! I mezi automatickými stmívači existují dva typy zařízení:

→ Skokové:

Tyto automatické stmívače používají ke stmívání nedokonalou analogovou metodu modulace proudu (0-10V). Tyto stmívače mohou být naprogramované pro naprosto plynulé stmívání v rozsahu 10-100% světelné intenzity. Nejedná se tedy o dokonalé stmívání v pravém slova smyslu, protože jakmile stmívač zapne LED osvětlení, světlo se rozsvítí z nuly na 10% své intenzity v jediném kroku (skoku), a teprve pak se bude intenzita světla plynule zvyžovat. A stejně tak večer, když se bude světlo stmívat, se bude intenzita světla snižovat v rozsahu 100-10%, ale jakmile intenzita světla dosáhne těch 10%, světlo se prostě vypne. Pokud je automatický analogový stmívač naprogramován na 100 kroků, světlo se rozsvítí z 0% na 10%, a pak dále na 11%, 12%, 13% a tak dále až do 100%. Pokud bude stmívač naprogramován na 1.000 kroků, světlo se po zapnutí rozsvítí skokově z 0% na 10%, a pak se bude plynule jeho intenzita zvyšovat z 10% na 10.1%, 10.2%, 10.3 a tak dále až do 100%. Podobné to bude večer při stmívání (zhasínání).

Příklad: DIM4 [1.750,-] ← již nevyráběný ovladač

→ Dokonale plynulé:

Tyto automatické stmívače používají ke stmívání digitální1) metodu modulace proudu (PWM). Pouze a jedině tímto způsobem je možné docílit opravdu dokonale plynulého stmívání v rozsahu 0-100%. Stmívač používající pulsní šířkovou modulaci (PWM) vám jako jediný dokáže světlo rozsvěcet po okem nepostřehnutelných přírůstcích, a to skutečně od nuly! Pokud je tento stmívač naprogramován např. na 1.000 kroků, pak vám bude světelnou intezitu LED čipů zvyšovat po zapnutí o 0.1%. Světlo se tedy rozsvítí z 0% na 0.1%, pak na 0.2%, 0.3% a tak dále až do 100%. Pokud bude naprogramován na 4000 kroků,2) bude vám intenzitu světla zvyšovat/snižovat [teoreticky]3) o 0.025% přírůstky.

Příklad: LED kontrolér KonSou [990,-], Storm-X LED Controller [2.300,-], Bluefish LED Controller [4.800,-]

Poznámka: Přírůstky o 1% jsou už okem postřehnutelné, a lidské oko je bude vnímat jako poměrně zřetelné skoky. Ideální je tedy stmívač, který je naprogramován na 1.000 kroků (větší počet kroků je prakticky zbytečný → člověk nepozná rozdíl).

1) Přísně vzato se o žádnou "digitální" metodu nejedná (signál PWM může být generován i analogově). V tomto případě je ale signál generován digitálně, takže zde budu v rámci zjednodušení mluvit o "digitální metodě".
2) Počet kroků je parametr a konstrukční vlastnost příslušného stmívače, kterou nemůže uživatel ovlivnit (je nastavená/naprogramovaná výrobcem).
3) "Teoreticky" říkám proto, že v praxi proudový zdroj Meanwell LDD neumí intenzitu osvětlení v úvodní fázi rozednívání světla po tak malých přírůstcích zvyšovat. Podle praktických zkušeností je počet kroků 1.000 dostatečný a jedná se o okem nepostřehnutelnou změnu světelné intenzity. Při menších nárocích může být postačující i 100 kroků (při regulaci v rozsahu 1 až 5% procent je změna okem nepodstatně postřehnutelná). Použití jakéhokoliv stmívače s PWM spolu se zdrojem typu Meanwell LDD a vyším počtem kroků než 1.000 kroků postrádá smysl, protože takováto sestava nedokáže tak jemně regulovat. (Toto nicméně neplatí pro LED pásky, u kterých lze stmívání řídit mnohem dokonaleji → proud není řízen pomocí zdroje LDD, ale pomocí sériových odporů na LED páscích.)

Stmívatelné LED osvětlení Co budeme potřebovat

LED osvětlení:
  • 1ks LED osvětlení
    Já jsem v tomto příkladu použil LED osvětlení RapidLED Solderless Kit na masivním hliníkovém chladiči s ventilátorem a 10ti čipy Cree XP-G2 R5 (700mA@254lm) → 20W, 2540 lm. Vy můžete samozřejmě použít jakékoli jiné vhodné LED osvětlení sestavené z výkonných LED čipů.
Zdroje:
  • 1ks proudového zdroje Meanwell LDD-700
    Pokud nehodláte proudový zdroj přiletovat na nějaký plošný spoj, použijte Meanwell LDD-700HW (verze s kabely); v opačném případě můžete použít Meanwell LDD-700H (verze s piny).
  • 1ks napěťového zdroje Meanwell LPV-100-36
    Samozřejmě přesný typ proudového a napěťového zdroje se bude odvíjet od počtu a typu LED čipů použitých v LED osvětlení.
Stmívač:
  • 1ks stmívatelného časovače TM 2026
Spojovací materiál:
  • 2m propojovacího kabelu (na propojení jednotlivých součástek)
  • 1ks síťového kabelu (na připojení napěťového zdroje do sítě)
  • svorkovnice (na spojování kabelů)


Detailní popis vybraných komponentů

Proudový zdroj → zdroj konstantního proudu

Proudový zdroj na obrázku je Meanwell LDD-700HW, což je vcelku kvalitní a prověřený zdroj. Pokud chcete, aby se vaše LED osvětlení dalo dokonale stmívat, je použití tohoto zdroje prakticky jedinou vhodnou volbou. Jiné proudové zdroje dokonalé stmívání od nuly do 100% neumožňují. Naprostá většina proudových zdrojů dokáže stmívat světlo zpravidla jen v rozmezí ~10-100%. To znamená, že z nuly na 10% se světlo rozsvítí skokově, a teprve pak začne stmívač plynule zvyšovat jeho intenzitu. Zdroj Meanwell LDD však narozdíl od jiných zdrojů dokáže stmívat světlo skutečně od 0%.

Zdroj Meanwell typ LDD se vyrábí pro vstupní, napájecí napětí v rozsahu 9-56V a pro výstupní proud 300, 350, 500, 600, 700 a 1000mA. Podrobné parametry lze nalézt v technické dokumentaci.

Parametry zdroje Meanwell LDD-700HW:
Výstupní
proud (A)
Výstupní
napětí (V)
Účinnost (%)Stmívání (%)
700mA2-52V~97%0-100%
LED čipy připojené na tento proudový zdroj budou napájené proudem 700mA (0.7A). Celkové napětí LED čipů připojených k jednomu proudovému zdroji musí být větší než 2V a zároveň menší než 52V. A protože by se nikdy neměl žádný zdroj vytěžovat na maximum, je lepší si nechat 3-5V rezervu (52V-5V=47V). Z tohoto důvodu byste měli na jeden tento zdroj připojit maximálně 16ks LED čipů Cree XP-G2 (16ks*2.9V=46V). V našem modelovém příkladu použijeme jen 10ks čipů Cree XP-G2, takže máme ještě velkou rezervu.

Napěťový zdroj → zdroj konstantního napětí

Napěťový zdroj použitý v našem modelovém příkladu je Meanwell LPV-100-36. Stejně jako v případě proudového zdroje se jedná o hojně používaný, kvalitní a prověřený zdroj.

Parametry zdroje Meanwell LPV-100-36:
Rozsah
proudu (A)
Výstupní
napětí (V)
Účinnost (%)Jmenovitý
výkon (W)
0-2.8A36V~88%100.8W
Jelikož jmenovitý proud napěťového zdroje Meanwell LPV-100-36 je 2.8A, a výstupní proud proudových zdrojů Meanwell LDD-700 je 700mA (0.7A), můžeme na tento napěťový zdroj připojit maximálně 3ks proudových zdrojů Meanwell LDD-700 (3ks x 0.7A = 2.1A + rezerva). Protože v našem modelovém příkladu použijeme jen 1 proudový zdroj Meanwell LDD-700, bude nám k jeho napájení tento síťový napěťový zdroj bez problémů stačit. Dostatečně předimenzovaný je i jmenovitý výkon tohoto napěťového zdroje (100W), neboť 10ks čipů Cree XP-G2 provozovaných na 700mA bude mít dohromady odběr jen ~20W. Nicméně vzhledem k výstupnímu napětí 36V utáhne tento napěťový zdroj pouze 10ks čipů.

Jmenovitý výkon napěťového zdroje:100W= 50ks 5W LED čipů Cree XP-G2 při 700mA[2W] (100W/2W=50ks) → maximální celkový počet LED čipů v sestavě
Jmenovitý proud napěťového zdroje:2.8A= 3ks proudových zdrojů Meanwell LDD-700 → maximální počet proudových zdrojů, které lze k napěťovému zdroji připojit
Výstupní napětí napěťového zdroje:36V= 10ks 5W čipů Cree XP-G2 ((36V-5V)/2.9V=10ks) → maximální počet čipů na 1 napěťový zdroj
Výstupní napětí proudového zdroje:2-52V= 16ks 5W čipů Cree XP-G2 na každý proudový zdroj ((52V-5V)/2.9V=16ks) → maximální počet čipů na 1 proudový zdroj

Přestože na proudový zdroj Meanwell LDD-700 můžeme připojit až 16ks čipů Cree XP-G2, napěťový zdroj Meanwell LPV-100-36 jich zvládne napájet jen 10ks. Pokud bychom chtěli použít více LED čipů, museli bychom zvolit buď jiný napěťový zdroj (např. nějaký 48V), nebo použít k napájení dva tyto napěťové zdroje.

Kolik LED čipů Cree je možné připojit na různé napěťové zdroje:
Zdroj 24V = 6 LED (6 x 3V = 18V + rezerva), Zdroj 36V = 10 LED (10 x 3V = 30V + rezerva), Zdroj 48V = 14 LED (14 x 3V = 42V + rezerva).

Na jeden napěťový zdroj (síťový zdroj konstantního napětí) lze připojit paralelně několik proudových zdrojů, a vše pak řídit jedním stmívačem.

Upozornění: Pamatujte na to, že všechny výše uvedené výpočty platí jen pro konkrétní typy LED čipů, proudových a napěťových zdrojů. Použijete-li jiné typy čipů, proudových nebo napěťových zdrojů, vyjdou vám samozřejmě jiné výsledky!

Pokud si budeme stavět vlastní LED osvětlení, nejprve je třeba si rozmyslet, jak výkonné osvětlení chceme (např. 5 000 lm). Pak je třeba si vybrat odpovídající počet vhodných LED čipů (např. jeden čip Cree XP-G2 má při doporučeném proudu 700mA světelný tok 270 lm, takže pro dosažení 5 000 lumenů budeme potřebovat přibližně 20ks těchto čipů). Následně si musíme spočítat, kolik proudových zdrojů budeme pro své čipy potřebovat (jeden proudový zdroj Meanwell LDD-700 mi dá maximálně 52V, což stačí na napájení 16ti čipů Cree XP-G2 [52V/3V=16ks vč. rezervy]; na 20 čipů budu tedy potřebovat 2 proudové zdroje). Nakonec si musíme spočítat, jaký budeme potřebovat napěťový zdroj (20ks čipů Cree XP-G2 bude mít při proudu 700mA výkonovou ztrátu zhruba 41W [2.9V*0.7A*20ks], a 2ks proudových zdrojů Meanwell LDD-700 budou potřebovat celkem 1.4A [2ks*0.7A] → takže budeme potřebovat napěťový zdroj o jmenovitém výkonu nejméně 45W a jmenovitém proudu alespoň 2A → samozřejmě může mít i víc, ale nesmí mít míň!).

Stmívatelný časovač neboli stmívač

Stmívač použitý v našem příkladu je Stmívatelný časovač TM 2026, který vyrábí uživatel RoFr (rybicky.net).

Jedná se o digitální stmívač řízený pulzní šířkovou modulací (PWM), což je pro dokonalé stmívání nejlepší volba. Stmívač umožňuje dokonale stmívat a rozednívat LED osvětlení sestavené z výkonných LED čipů spolu s možností nastavit maximální intenzitu (strop) světelného cyklu. Přístoj má jen nutné a praktické funkce, s malým doplňkem v podobě měsíčního svitu (při konstrukci byl totiž kladen důraz na maximálně jednoduché a uživatelsky přívětivé programování jednotlivých parametrů → zapojit a ovládat by ho měl dokázat i laik s minimálními elektrotechnickými znalostmi). Stmívání a rozednívání se odehrává vždy v 1.000 krocích, což znamená, že intenzita osvětlení je zvyšována či snižována ve skocích po 0,1% maximální intenzity, což je okem nepostřehnutelná změna. Výhodou tohoto přístroje je i záložní baterie, díky níž se přístroj po výpadku proudu neresetuje, ale všechna nastavení si uchová v paměti; pokud už bylo světlo při výpadku zapnuté, po obnovení jeho dodávky

nedojde k okamžitému rozsvícení světla (což by na živočichy působilo jako šok), ale k jeho plynulému rozsvícení ve zkráceném cyklu. Životnost zálohovací baterie (CR2025) je minimálně 5 let (typicky 10 let). Napájecí napětí přístroje je v rozsahu 24-48V → to znamená, že se bude přístroj napájet přímo z napěťového zdroje (bez nutnosti použít k jeho napájení pomocný 12V adaptér).

Po zapnutí světel se LED čipy během naprogramovaného intervalu (20-240 minut) pomalu rozsvěcí od 0.0%,4) 0.1%, 0.2%, 0.3% ... až do 100% své intenzity. Po vypnutí se LED čipy během stejně dlouhého intervalu (20-240 minut) zase pomalu zháší od 100%, 99.9%, 99.8% ... až do úplného vypnutí (0%). Zvyšování a snižování intenzity světla se děje po 0.1% krocích (celkem 1.000 kroků), což je lidským okem nepostřehnutelná změna.

4) V případě, že budete využívat funkci měsíčního svitu ...

Schéma zapojení

Zapojení s jedním proudovým zdrojem:
Zapojení se třemi proudovými zdroji:
Zapojení bez stmívače:
Detail 1 → napěťový zdroj
Detail 2 → proudový zdroj (bílý kabel volný)
Detail 3 → celkový pohled
Zapojení se stmívačem:
Detail 1 → celkový pohled
Detail 2 → deska s jedním proudovým zdrojem
Detail 3 → stmívač

Jak stmívač funguje

Normální cyklus:

Zpočátku je světlo vypnuté (Light OFF). Pak se v nastavený čas zapne (TIME ON), a jeho intenzita se plynule zvyšuje (DELAY) od 0% až do přednastavené intenzity (např. 25% nebo 100%). Pak se světlo začne zase plynule vypínat (DELAY), až v nastavený čas (TIME OFF) dosáhne opět nulové intenzity, což znamená, že se vypne (Light OFF).

Upozornění: Na stmívači se dá nastavit libovolný "strop" intenzity osvětlení. Pokud má někdo například příliš silné světlo, nebo chce z jiného důvodu svítit na méně než 100%, může si nastavit nižší cílovou intenzitu. Světlo pak bude po zapnutí nabíhat plynule od 0% do přednastavené cílové intenzity. Na této přednastavené intenzitě (např. 50%) se pak intenzita světla zastaví, a během fotoperiody se pak už nezvýší.

Jak se světlo chová při použití vypínače:

Stmívatelný časovač je opatřen i konektory na připojení pohotovostního vypínače. Ten slouží k okamžitému zapnutí či vypnutí světel (třeba když je potřeba ještě před zapnutím nebo po vypnutí světel v akváriu něco nutně udělat nebo zkontrolovat, a vy si na to samozřejmě potřebujete posvítit).
Poznámka: Vypínač lze použít pouze v případě, kdy je světlo vypnuté, nebo ve fázi rozednívání a stmívání (jakmile světlo dosáhne své maximální intenzity, vypínač je nefunkční → rozsvěcet už rozsvícené světlo nemá smysl, a zhasínat světlo během fotoperiody [kdy má zůstat rozsvícené] není žádoucí). Pokud by chtěl někdo během fotoperiody světlo mermomocí vypnout, může tak učinit vytažením přívodního kabelu ze zásuvky (nebo může před napěťový zdroj předřadit ještě jeden, hlavní vypínač).

Spínač v sepnutém stavu
Po sepnutí spínače nastane okamžité plynulé rozsvěcování ve zkráceném časovém intervalu (1-2 minuty).
Upozornění: Vypínač nikdy nenechávejte trvale sepnutý! Pokud to uděláte, světlo se nezačne ve stanovený čas stmívat, ale zůstane trvale rozsvícené!
Spínač v rozepnutém stavu
Po rozepnutí spínače nastane okamžité plynulé stmívání ve zkráceném časovém intervalu (1-2 minuty).
Foceno záměrně bez vrchní krytky (plastové kolébky), aby bylo dobře patrné, kdy je vypínač sepnutý a kdy rozepnutý.
 
Jak se světlo chová při výpadku proudu:

Pokud dojde k náhlému výpadku proudu, a k obnovení jeho dodávky dojde ve fázi, kdy je světlo vypnuté, nic se nestane, a světlo zůstane vypnuté. Pokud dojde k výpadku i obnovení dodávky proudu ve fázi, kdy se světlo rozsvěcí, světlo začne plynule nabíhat podle standardního programu, ale ke konci doběhne do plné intenzity ve zrychleném režimu. Pokud dojde k výpadku i obnovení dodávky proudu v době, kdy světlo svítí naplno (během fotoperiody), světlo pak naběhne do plné intenzity opět ve zrychleném režimu.

Nastavení stmívače

Stmívač se nastavuje tak, že na pár vteřin stisknete zároveň obě tlačítka MODE. Tím se přepnete do režimu nastavení parametrů (SETTING). Pak už stačí pomocí levého nebo pravého tlačítka MODE přejít na parametr, který chcete nastavit, a ten pak pomocí tlačítek UP (+) nebo DOWN (-) upravit na požadované hodnoty.

Příklad:
  1. Stisknu na pár vteřin zároveň obě tlačítka MODE.
  2. Pravým tlačítkem MODE přejdu na parametr DELAY.
  3. Tlačítkem UP zvýším hodnotu intervalu náběhu světla např. na 120 minut.
  4. Opětovným stiskem obou tlačítek MODE si nové nastavení uložím, a přístroj tím uvedu do běžného režimu.
Nově nastavené hodnoty začínají platit ihned po jejich uložení.

Displej stmívače:
Parametry, které vidíte na displeji vlevo, nám říkají, že:
  • je momentálně 18:34 hodin odpoledne
  • světlo se zapíná (tj. začíná rozsvěcovat) v 7:00 hodin
  • 60 minut se bude rozednívat (od 0% do 100%), a na konci fotoperiody zase stmívat (od 100% do 0%)
  • cílová intenzita světla je nastavena na 80%
  • a k úplnému vypnutí světel dojde ve 20:00 hodin
  • (jelikož interval stmívání je nastaven na 60 minut, tak se světlo začne stmívat 60 minut před vypnutím - tj. v 19:00).
Nastavení měsíčního svitu:

Stmívač je vybaven i funkční měsíčního svitu. Intenzita měsíčního svitu se dá nastavit od 0,1 do 2,5% plné světelné intenzity (s přírůstky po 0,1%). Pokud ponecháte hodnotu měsíčního svitu na "0,0", světlo se po skončení fotoperiody zcela vypne. Pokud ale zvýšíte hodnotu měsíčního svitu nad 0%, světlo se po skončení fotoperiody zcela nevypne, ale zůstane svítit na nastavené hodnotě (např. 0,1%). Tímto tlumeným světlem bude svítit celou noc až do začátku fotoperiody, kdy se začne světlo rozsvěcet na plnou intenzitu.

Hodnoty měsíčního svitu jsou natolik nízké (max. 2,5% plné intenzity), že světlo s chladičem není nutné prakticky vůbec aktivně chladit. I když světlo v tomto režimu necháte celou noc, nemusíte se bát, že by se čipy přehřívaly nebo dokonce spálily. Odběr proudu v tomto režimu je naprosto zanedbatelný. Režim měsíčního svitu se používá hlavně z estetických důvodů, když chcete, aby vaše akvárium zůstalo decentně osvícené i v noci (simuluje to vlastně svit měsíce).

Poznámka:
Tento článek (recenze) nemá být reklamou na komerční výrobek, ale popisem možností modelového stmívače, který sám používám, a který mi vyrobil pan František Roztočil, kterého můžete čas od času potkat i na pravidelných srazech pražských akvaristů. Takto kvalitní a levný stmívač je dnes velmi obtížné sehnat, ale existují samozřejmě i jiné stmívače, které je možné ke stavbě stmívatelného LED osvětlení použít (viz článek LED: Průvodce stavbou LED osvětelní, oddíl "6. Ovladač").