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[讨论] 动手做:使用 LED 灯带第 1 部分 – 制作住宅柜下照明

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发表于 2018-7-3 09:35:29   247 查看 3 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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编者按:LED 照明是一个理想的 DIY 项目:有趣、有满足感以及有益。该系列由两部分组成,第 1 部分介绍了如何实现柜下照明。第 2 部分则介绍了如何更换微波炉照明以与色温相匹配。

LED 正在取代各种现有应用中的白炽灯和日光灯,但柜下照明的选择却非常之少。但对于 DIY 爱好者来说,预焊接到长条和长带的表面贴装技术 (SMT) LED 是创建定制照明应用的理想选择,因为其体积小、重量轻且功耗相对较低。

LED 灯条还有其他优点。其中之一便是易用,利用一把锋利的剪刀就能轻松进行切割,而且灯条预先涂有粘合剂,几乎可以粘在任何地方。此外,LED 采用 12 伏电源供电,操作时非常安全。

本文记录了一个在住宅厨房中创建柜下照明的实践项目,其仅使用一条 5 米长的 LED 灯带、一个射频遥控调光器、数个低压连接器以及一个 12 伏开关电源。最后得到的紧凑型照明系统可照亮操作台区域,既实用(提升了日常工作区域的照明水平)又美观。

“亲爱的,你能......?”这是许多创客项目的缘起
与很多创客项目一样,该项目始于配偶的请求。在他们现在的住所内,以前根本没有设计柜下照明。厨房操作台需要更多的光线。以前的项目是十多年前开发的,需要使用一条一条的一英尺长的封装式 LED 灯条,每个灯条中的 LED 间隔大约一英寸。

定制照明控制器使用了一个基于低成本微控制器的脉冲编码调制 (PCM) 电机控制板,其中含有承包商编写的特殊代码,价格为 90 美元;而笔记本电脑电源模块则提供了所需的 12 伏电源。这种早期系统的接线设计裕度过大,使用的电线和连接器能够承载超过所需电流十倍的电流。

十年来变化巨大。

首先,许多供应商现在能提供各种形式的现成 LED 柜下照明。经过调查,它们大致分为两类:

大卖场家装店出售的廉价 LED 柜下照明系统中嵌入的 LED 太少,无法提供明亮均匀的照明,而且它们缺乏良好的调光控制。
专业照明商店出售的精美灯具则要耗费数百美元。
对于工程师或创客来说,由于市面上缺乏物美价廉的柜下照明选择,因此使其成为一个理想的 DIY 创客项目,同时也是一个受欢迎的挑战。

从 LED 开始
SMT LED 的出现极大地扩展了照明应用的可能性。一个非常有意思的发展是 LED 灯条和灯带的推出,例如 JKL Components 的 ZFS-155000-CW LED 柔性灯带,其卷一个 5 米长的卷轴上(图 1)。灯带宽 15 毫米,安装有 1200 个 LED。

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JKL Components 的双排 ZFS-155000-CW LED 柔性灯带图片

图 1:SMT LED 灯带,例如 JKL Components 的这种双排 ZFS-155000-CW LED 柔性灯带,让定制柜下照明设计变得非常轻松。(图片来源:JKL Components)

这些连续的 LED 灯带包含双排 SMT LED 和 SMT 电阻器,因此只需简单的 12 伏电源就能点亮。这种灯带上的双排 LED 产生的光线是单排 LED 灯带的两倍。灯带由单独的柔性 LED 灯条焊接在一起,形成一个长灯带。灯带也非常薄,可以紧凑地安装在柜下,几乎看不见。

这种灯带的其中一个出色特性是,只要一把简单的剪刀就能将其剪成所需的长度。灯带上每隔 25 毫米 (mm) 的地方印有切割标记,因此可以从较长灯带上切下很多不同尺寸的灯条,非常灵活。本文讨论的柜下照明项目使用了从卷轴上切下的 90 厘米 (cm) 灯条,而该灯带足够切五个这样的灯条。整个 5 米长灯条的电流消耗为 4.3 安培 (A),因此每个 90 厘米灯条需要大约 774 mA。为了留有余量,可以把它算作 1 A。

LED 灯条实质上是柔性印刷电路板(PC 板)。向 SMT LED 供应电流的 12 伏电源走线沿整个灯条布设。切割灯条会在灯条的每一端留下裸露铜焊盘以用于连接电线。铜焊盘很容易进行焊接,但在焊接前务必使用焊剂进行清洁。

每一端都有焊盘,使用一对短电线就能将轻松地将两个灯条连接起来。该项目利用了这个特性来简化布线。

铝基底优点众多
涂在 LED 灯条底面的粘合剂可以将灯条直接粘在柜子底面。但是,这样做也存在很多缺点:

如果 LED 失效导致照度下降,很难更换直接粘在机柜底面的灯条。
如果直接粘接灯条,木质和塑料橱柜不会为 LED 提供散热。
在橱柜之间的间隙,LED 灯条没有任何支撑。
使用铝条作为单个 LED 灯条的基底可以一举解决以上三个问题。此项目使用了 5 个 36 × 1.25 × 1/8 英寸的铝条作为 LED 灯条基底。由于 LED 灯条的底面主要通过粘合剂绝缘,所以将一英寸宽琥珀色聚酰亚胺胶带(例如 3M 的 1205)的绝缘层粘到铝条上。这样可以起到额外的绝缘作用,消除任何短路可能性,并且如果需要更换,可以更轻松地从铝条上移除 LED 灯带。

安装铝条也需要有所考虑。最简单的方法是在铝条上钻安装孔。但是,为了防止下垂,需要钻多个孔。该项目采用的方法是使用钻铝挤压件,其横截面为浅“Z”型,充当铝条的夹子。这些挤压件是艺术品商店出售的重型图片吊架,非常适合这种应用。

选择电源和调光方法
选定 LED 之后,下一步就是选择电源。整卷 LED 消耗的电流略小于 5 安培,因此小型开关电源(比如 TDK-Lambda 的 LS75-12 12 伏、75 瓦电源)即足以满足此项目的要求。开关电源的高效率意味着它不会产生太多热量。这一点很重要,因为电源将安装在厨房微波炉上方的橱柜内部封闭起来,并插入同一交流电源插座。

开关电源能够提供可靠的 12 伏电源,但没有调光能力。在十年前的柜下照明项目中,调光需要定制设计。如今,事情已不再那么复杂了。市面上已经有提供适用于 12 伏应用的遥控调光模块,而且价格低廉。

例如:JKL Components 的 ZCTR-08 无线 LED 遥控器(图 2)。这个 2 件套装置包括一个放置在电源和 LED 之间的微型内嵌 PWM 控制器,以及一个带开/关和调光控制按钮的小型手持式射频控制模块。

JKL Components ZCTR-08 射频 LED 遥控器图片

2.jpg

图 2:ZCTR-08 是一款基于射频的 LED 遥控器,专门针对 12 伏 LED 照明系统调光而设计。(图片来源:JKL Components)

此控制器使用的是射频而非红外通信,因此不存在视距要求,调光模块可以安装在柜内靠近电源的地方。

布线并不简单
每间厨房的配置都不同,因此每个柜下照明系统都需要不同的布线方案。对于此项目,两个 90 厘米 LED 灯条安装在中间微波炉的一侧,三个灯条安装在另一侧。电源和调光模块安装在微波炉上方。

每个灯条消耗的电流略少于 1 A,故主配电系统的一条支路需要承载接近 2 A 的电流,而另一侧需要承载接近 3 A 的电流。因此,布线分配方案需要使用较重的电缆来为接线盒供电,两侧各安装一个接线盒。重电缆可接入厨房一面墙壁相对端的柜子下方安装的接线盒中。而较小的电缆则可从接线盒接出,以给厨房每一侧的各 LED 灯条供电。

在安装的一侧,两个 LED 灯条将首尾相连,使用上述 LED 灯条内部接线功能从一个灯条的末端跳到另一个灯条,而无需从接线盒另外接出电缆。

电气接线盒使用 Hammond Manufacturing 的两个 1590B 压铸铝外壳。这些外壳是此类应用的理想之选。它们体积小巧,坚固耐用,价格低廉,而且易于用手工工具进行钻孔和机加工。用阶梯钻钻出的中型孔为来自电源的大电缆提供接入点,在外壳一端钻出的小孔为两条给 LED 灯条供电的较小电缆提供接出孔(图 3)。外壳内的端子条将大电源电缆连接到两条较小的配电电缆。

压铸 Hammond Manufacturing 1590B 外壳图片

3.jpg



图 3:压铸 Hammond Manufacturing 1590B 外壳是一种简单易用的配电盒。该图显示了用螺栓固定在橱柜底面的铝制外壳。重电缆连接到了无线 LED 调光器模块,而两条较小电缆通过 JST 连接器为两个 LED 灯条供电。(图片来源:Steve Leibson)

整个系统的方框图显示 12 伏电源进入 LED 灯条(图 4)。

LED 照明项目系统方框图的图片
4.jpg

图 4:LED 照明项目系统方框图显示了系统从 12 伏电源到 LED 灯条的完整接线图。请注意,电源流经顶部最左侧的 LED 灯条,为串联的第二个 LED 灯条供电。(图片来源:Steve Leibson)

从电源到配电盒的较重电缆长约 10 英尺。为防止电压下降,使用了 12 号红/黑喇叭线。这在该应用中可能有点大材小用,但手头上刚好有喇叭线。

从接线盒到 LED 灯条的连接有一个更复杂的选择。就机械设计而言,90 厘米 LED 灯条是很容易更换的,也就是说,电气设计还应支持使用连接器,以便可以轻松拆卸和重新组装。

两个接线盒和 LED 灯条之间的大部分连接器承载的电流不足 1 A,但串联连接的两个 LED 灯条要求接近 2 A 的电流流过一个连接器。此项目需要可靠且经济实惠的连接器,但是 JST 的 RCY 系列额定电流为 3 A,超过了上述要求。此项目使用的电缆组件基于 JST SYR-02T RCY 连接器插座、SYM-001T-P0.6 公触头、SYP-02T-1 RCY 连接器插头和 SYF-001T-P0.6 母触头。这些紧凑明亮的红色连接器如上面的图 3 所示。JST 的 RCY 连接器常用于许多非专业和创客应用中的低压电池电源连接。

诸如 Adafruit 的 2880 电缆套件这样可靠、经济实惠而又具有适当额定电流的预接线连接器和电缆组件,也常用于许多非专业和创客应用中的低压电池电源连接。它们本来也是这个项目的理想选择。

要有光
钻孔、将所有组件固定到位并完成全部接线需要一整天的时间。然而,上述所有规划都得到了回报,过程中几乎没有意外的困难需要解决。整个安装非常紧凑,几乎看不见。第一次按下射频遥控器上的开/关按钮便立即点亮了所有五个 LED 灯条,而且灯条亮度也如规划的那样按照指令调节。

完工照明系统图片
5.jpg

图 5:完工后的照明系统可提供明亮均匀的光线,并且所有灯具和电线几乎都已经隐藏起来了。(图片来源:Steve Leibson)

最重要的是:配偶对最终结果非常满意。

总结
如图所示,LED 灯带十分灵活,能以非常紧凑、易于实施的方式满足大量照明需求。特别是,它们非常适合用来提供长段照明。

该系列第 1 部分使用的 LED 灯带以 5 米长卷轴形式提供,且其可以切出 5 段 90 厘米长灯条。第 2 部分将介绍如何利用剩余 LED 灯带更换微波炉照明,使其与柜下 LED 色温相匹配。


标签:LED灯 照明

高级工程师

发表于 2018-7-3 09:53:35  
这个不错 ,,以后家里都不需要电灯了,,关键是这个东西功率挺大的,,貌似有点耗电
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版主

发表于 2018-7-3 12:53:56  
不错,学习了
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发表于 2018-7-3 16:15:52  
不错,学习了,有时间搞搞看。谢谢分享!
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