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【五·一】奉献DIY 《1米2草缸LED灯90W》设计及制作全过程

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pjf203622 发表于 2014-5-1 00:58:30 |显示全部楼层
这个1米2的LED灯从3月底开始构思,到现在5月份刚好完工,工期之长自己也没有预料到。现在完工后把设计过程和制作过程用设计说明的形式整理出来,供大家参考。文中有什么不对的地方或者有什么欠考虑的,请大家帮忙指出。
以下内容纯手打原创,谢谢支持!
20140507_162315.jpg


附上水草状态照片哦!让大家对灯的效果有所了解



摘要

随着人们生活水平的不断提高,水族已经越来越受到大家的喜爱,家庭水族箱的艺术性也随着人们的欣赏水平而逐渐提高,慢慢涌现出水草造景、水陆造景、三湖造景、海水鱼、软体珊瑚(lps)和硬骨珊瑚(sps)造景等众多造景形式。而水草造景因为其绿油油的贴近大自然的视觉效果和维护的可操作性等等优势,在众多水族箱造景中一直处于主导地位。水草造景即是以水草为主题的水族缸,一般以热带淡水为主,着重于水草的景观营造。现在,大多数流行天然造景,通常需要特别注重灯照、肥料、二氧化碳、水质等,以及所有对水草生长条件的维护。一般水草缸都会饲养群游性的小型灯鱼,或饲养神仙鱼、短鲷等,也会饲养少数的虾、螺或藻食性的鱼只等除藻生物,但也有少数水草缸纯粹以水草景观为主。而水草和普通植物一样,对于光合作用的依赖是无可替代的。水草灯具随着水草种植的发展,也呈现出多种多样的选择,从最常见的T5/T8灯管、PL灯,到较为专业的水草专用灯管、T5HO、金属卤素灯,还有新潮的LED灯、氙气灯等等,可以说绝大部分人造光源都已经被用到了水草养殖上。
本次设计主要针水草专用的LED灯具进行可行的DIY设计,使其符合节能、环保和高效的原则。外观上要把握造型的美观性,使其既符合当代人的审美,又不失个性。结构上则考虑结构的合理性、实用安全性和DIY的可行性。水草用LED灯的外形、方便和高效,仍然是最大的问题存在点,结合创新点会给产品以新的内涵,结合当下水草LED的实际情况,正确把握水草LED灯的造型与功能之间的平衡,展开设计构思及草图,通过推敲,结合结构和人机分析方案及优化,然后完成结构严谨,外形美观,人机合一,可行性强的水草LED灯具设计。

关键词:水草LED灯具;高效;节能






引言
LED(发光二极管)作为新兴的人造光源,拥有节能、环保、体积小等诸多优势。在民用家庭照明领域,LED越来越体现出取代传统日光灯光源的趋势。而在水草养殖方面,LED的出现也已经有一段时间,随着广大水草爱好者对LED光谱、色温等方面的讨论和探讨,LED灯具能用于水草种植基本已经有定论。对于大多数每天要运行6-12小时水草种植光源来说,LED灯具节能的优势是其他传统灯具无可比拟的。
   目前LED水草灯在水草爱好者中还不是很普及,主要的原因在于大家对LED光谱是否是水草光合作用所需要的光谱存在疑问,这个问题现在已经基本解决。而市场上也已经有不少LED水草灯具商品。这些LED水草灯的质量良莠不齐,性能差的仅仅只能满足照明需求,性能好的能模拟日出日落。而高性能的水草LED灯具的售价一直居高不下,这也是阻碍众多水草爱好者使用LED灯具的重要原因,也是促使本人做这个DIY式水草LED灯具的主要原因。(此次的灯具以本人新开缸的120CM水草缸为样板设计,适用长度为120CM)

1 市场分析
1.1 市场调查研究
1.1.1水草用LED灯具DIY的现状与潜力
在百度搜索DIY LED水草灯,搜索结果有约468000个(仅以本人搜素时数据为参考),可见有网络上有很多关于水草LED灯DIY的文章,相信这也是众多水草爱好者关注的。
1.1.2水草用LED灯具的发展
水草用LED灯具的发展基本是跟着民用LED照明灯具的发展节奏的,从刚开始的双脚灯珠到后来的灯条、贴片式灯珠,再到现在流行的大功率灯珠,单个灯珠的功率也越来越大,刚开始的双脚灯珠功率极低,到贴片式灯珠已经到了0.06W左右,现在流行的大功率灯珠的单个功率也从1W、3W到5W、10W甚至有30W、50W、100W等等。而灯珠的颜色也从刚开始的全白到后来配上红、蓝灯珠,再到现在的植物专用红蓝光谱灯珠。LED的发光越来越适合水草的生长需要。
1.1.3水草LED灯具的优势
(1)节能。目前在水草种植中对于光照的需求量有公认的1L/0.6~1W的数值,这个数值是基于传统照明灯管的,而如果使用LED照明,则所需要的W数可以大大降低,本人在45L水的水族箱中,使用总功率16W的LED种植水草,在无CO2的时候水草生长旺盛,加入CO2后,水草爆缸,鹿角苔的面积在2个月内扩大了5-6倍;
(2)美观。因为LED的灯珠体积非常小,电路结构也很简单,因此可以制作出外观非常简洁、体积非常小的LED水草灯;
(3)发热低。LED是冷光源,虽然在实际使用中还是会发出热量,但是对于水族箱中水体的温度影响会相对小很多。
1.1.4适合水草灯用的LED灯珠种类
LED灯有很多种,这些LED灯绝大部分都是针对普通照明开发的。在众多LED中也有一些是适合我们制作水草灯具使用的,主要有以下几种:
(1)小功率灯珠(包括灯条和贴片式灯珠):贴片式灯珠和灯条相对来说算是小功率灯珠,单个灯珠的功率很低。常见的5050/7020灯条就属于这一类。
(2)大功率灯珠(包括0.5W/1W/3W/5W/10W等大于0.1W的灯珠):大功率灯珠是相对于小功率灯珠来说的,一般单个功率大于0.1W的本人认为是大功率灯珠,常见的科瑞Q3、Q5、R4等等就是经典的大功率灯珠。
现在常见的DIY LED水草灯的案例中,使用小功率贴片式灯珠、灯条占多数。
1.1.5大、小功率灯珠的优缺点分析
小功率灯珠的优势是LM/W数值较高,发热低,总的来说就是高效。但是缺点却很致命,小功率LED灯珠的光线穿透率很差,据说水深超过45CM会衰减很严重,不适合深缸使用。
大功率灯珠恰恰相反,优势是光线穿透力强,缺点是LM/W数值相对较低(单个功率越高则LM/W数值越低),发热量随着单个功率增大而大幅增加。但是如果水深较大,则必须使用大功率灯珠+聚光透镜的组合。本设计针对120CM长,50厘米深的水草缸设计灯具,所以选择的是大功率灯珠。而综合考虑,选择了大功率灯珠中功率较低,LM/W数值较高的1W灯珠。
1.1.6水草用LED灯总功率选择和灯珠配色
使用对象缸为1200X500X500mm的超白水草缸,容积为300L,实际水体应该为264L(扣除底砂厚度和水面到缸顶的距离)。因为有之前的45L水用16W灯的比值是0.35W/L水的成功案例,再综合了灯珠分布、光效等方面的考虑,选择了90W的方案。此方案总功率99W(灯珠90W,3个涡轮风扇和驱动电源消耗估算共9W),达到0.34W/L的比值,可以达到水草种植的需求。90个1W灯珠中,有10个植物专用蓝光LED,44个6500K正白灯珠,36个10000K冷白灯珠。考虑到红光灯珠需要专用电源,不利于电路设计和内部结构安排,所以放弃使用(可以通过加装植物红补光灯来补光),之前制作的16W灯也是没有使用红光灯珠的设计。如果不喜欢灯光太白太冷,可以减少冷白灯珠增加正白或暖白灯珠。

2  LED水草灯的设计定位
2.1 目标人群
针对喜欢DIY和追求低能耗高效率的水草爱好者。

2.2 使用环境定位
   目标尺寸为1200mm长缸体。如果水族箱尺寸不同可以根据比例缩小设计。



3  设计展开

3.1 设计草图



   20140430_220553.jpg
图3-1 草图一  
草图一(图3-1)的方案为3段式设计,9条30CM长散热铝反光板,每条10个灯珠。此方案散热条使用较多,不需要散热风扇。
20140430_220511.jpg
图3-2草图二

草图二(图3-2)是一款简化性的设计,线条比较简洁明快。三条1米长散热反光铝条,每条30个灯珠,外加3个5CM涡轮散热风扇(电脑用12V风扇)散热,整个内部结构为风道式设计,提高风扇散热效率。
20140430_220522.jpg
图3-3草图三
草图三(图3-3)此方案为散热效果最好的设计,两段式灯体,中部连接盒内装4个小型风扇向外吹风,把两端热量带走,同时两端各有一个8CM风扇向中间吹风。

3.2 设计方案选择
以上3个方案各有优点,方案1不使用散热风扇,简化了电路结构,但是散热铝反光板的散热能力参考的是商家的数据,有不确定性,且散热铝反光板之间的连接结构繁复,所以首先排除方案一。方案2针对方案1的缺点,简化连接结构,加装涡轮散热风扇,使整体结构和电路结构的复杂性较为均衡。方案3的散热能力较强,不失为一个好方案,但是一样存在结构较复杂的问题,且耗费在散热风扇上的用电功率较高,风道内部气流复杂可能会增大噪音。
综上所述,最终确定使用方案2。



4  产品最终定案及设计说明
4.1 最终定案
4.1.1效果图和结构图
(1)三视图
侧视.jpg
图4-1三视图
(2)多角度视图
untitled.4.jpg
图4-2多角度效果图1
untitled.5.jpg
图4-3多角度视图2

untitled.7.jpg
图4-4多角度视图3


(3)结构图
6.jpg
图4-5 爆炸图
4.1.2图纸
20140406_153913.jpg
图4-6图纸1
20140406_153903.jpg
图4-7图纸2
20140406_153855.jpg
图4-8 图纸3
20140406_153831.jpg
图4-9图纸4
20140406_153822.jpg
图4-10 图纸5
20140406_153814.jpg
图4-11 图纸6
20140406_153806.jpg
图4-12 图纸7
20140406_153751.jpg
图4-13 图纸8

以上图为灯体外壳的塑料板裁剪图纸。





5  制作过程
20140403_171143.jpg
图5-1 网上采购的部件
Q1.JPG
Q2.JPG
Q3.JPG
图5-2 主要材料和零部件
20140406_160300.jpg
图5-3 外壳用的ABS工程塑料板,这个板比较难找到,大家也可以用PC板、不锈钢板、木板甚至亚克力、玻璃板等等代替
20140406_211823.jpg
图5-4 在ABS板上用笔画好图纸(参照前文图纸小节)
20140407_162321.jpg
切割好的零部件(此时还没有磨边和打磨抛光)切割的时候要注意留点打磨的余量



以下是用氯仿粘接好的外壳,氯仿是有机溶剂,可以溶解ABS塑料、有机玻璃等(注意氯仿有毒,使用需要格外注意,不能入眼,不要大量接触皮肤,否则会先有严重灼烧感后有冰冷感,想体验冰火两重天的可以试试哦)
20140408_231742.jpg
20140407_224726.jpg
手被割伤了
20140407_224715.jpg
   20140411_232344.jpg
把涡轮风扇放进去看看是否合适
20140412_152713.jpg

    和散热铝反光板连接起来试试看
20140412_152724.jpg
塑料外壳和散热铝反光板的连接方式,是螺丝固定的。

下面开始磨边和抛光了~~~磨边和抛光的步骤为   大锉刀-小锉刀-粗砂纸-细砂纸-水砂纸加水打磨。一定要确保每个角落都磨到,不然影响后期喷漆的附着力。
20140414_232820.jpg
20140414_232536.jpg
这是打磨后的效果
20140414_232521.jpg



接下来用电钻钻螺丝孔,钻孔过程没有拍摄照片,一句带过啦~~~

下面就是洗净喷漆了~~~喷漆要领网上很多的,4个字快准狠,啰嗦点说是要喷均匀。我选的喷漆是三和镀铬色,这个漆效果其实不太好,容易花掉。建议大家试试闪光银+光油,据说也能达到很闪亮的效果。喷漆后效果好不好其实是受到前面打磨的影响的,打磨越精细,喷漆效果就越好。前面没有磨掉的大划痕,不要指望后面喷漆遮挡。喷漆后只会让划痕更明显,这点要注意。
20140415_012846.jpg

喷漆后要耐心等待。不要心急去看看干没有,一旦没干透留下痕迹,只能全部用砂纸磨掉重喷。
我这次喷漆效果还不够理想,打算日后重喷。



等待喷漆干透的同时可不要偷懒哦,这正是焊接灯珠的时间。把灯珠按照预想排列好,用散热硅脂粘在长条形铝基板上,然后把灯珠焊接好(注意,硅脂没有粘性的,焊的时候小心点)。注意有无虚焊,可以接上驱动电源测试一下是否能点亮。
20140416_121729.jpg
焊接水平很差的~~~
20140416_121722.jpg
焊接完灯珠后把透镜给装上。

我的白色灯珠用的是60度透镜(冷白和正白),植物蓝用120度透镜(使蓝光扩大覆盖面积)。
20140416_131232.jpg
接上透镜后点亮效果,可以看到灯珠排列方式。三路都可以点亮后,就可以把长条形铝基板用硅胶(注意是硅胶不是硅脂,这个要有粘性的了)粘在散热铝反光板上了。接下来把亚克力挡水板装上,把两端的外壳也装好(要等喷漆干透)。

20140422_154103.jpg
20140422_154109.jpg

那些白线是涡轮风扇和灯条的线,要留好足够的长度哦。
20140422_190722.jpg
装上涡轮风扇,用螺丝固定,把线接好。
20140423_105236.jpg

驱动电源用海绵双面胶粘好,接上线(一定要仔细检查线路是否正确,因为线比较多,内部线路复杂,接错会有烧毁的危险)。最后才把开关的线接上。

20140423_110432.jpg

把电源线接上,用螺丝把上盖固定好,大功告成。
20140423_110443.jpg

20140423_110614.jpg

老婆绣的十字绣做陪衬哦
20140423_121333.jpg

20140423_121345.jpg

20140423_122403.jpg

20140427_220059.jpg

缸还没设置好,水草暂时丢缸里放着。这个灯显色还是不错的,没有蓝色光斑的问题。如果觉得太冷的草友,可以把冷白的灯珠换成正白和暖白。本人认为,LED的暖白和正白效果会比较奇怪,还是偏冷的白光较能突出LED灯的锐利和硬朗的光线感觉。



7  结论
这次的设计和制作,是对自己能力的检评。作业期间,也有很多荆棘,到最后成果,自己还算基本满意,最终方案很好的表达了最初的设计意图,定位也符合使用的要求,碍于对LED照明产业的缺乏了解,在光谱、光照强度等方面,没能做详细完整的测试和实验,制作的造型没有达到最简化,对大量制作和生产也有很大的局限,这些都是该设计的不足之处。
本人从这次设计的过程中,得到了锻炼,清楚的了解自己到底有多少斤两及不足,好的地方会继续坚持,不足之处得大力弥补,这次只是希望能大家齐心协力,为水草种植的器材DIY多做贡献。




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大禹水族110  有足够的耐心和细心,专业, 学习了  发表于 2014-8-9 10:57
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wstangzhifeng 发表于 2014-5-1 06:35
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p7152632 发表于 2014-5-1 07:18
只想说三个字;够专业

只是写得比较详细而已啦
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瓦擦 发表于 2014-5-1 13:19:49 |显示全部楼层
这个反光靠什么啊   另外   如果是蓝色和白色瓦数一样的话就直接接一个电源是吗
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孤夜游魂 发表于 2014-5-1 13:50:34 |显示全部楼层
本帖最后由 孤夜游魂 于 2014-5-1 13:52 编辑

图文并茂的帖子,等待了许久的大作啊
从最初的设计,到制作过程,到成品,以及帖子的文字,都能看出楼主是个极度用心的人,支持。
灯很漂亮,相信效果也会很棒

对于这样用心的人,不认识一下显然是不对的,私信,QQ
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