Спасение идеального светильника. Статья №66. 21.05.18.


На наших глазах быстро и почти незаметно произошла революция среди источников света. Переворот совершили полупроводниковые кристаллы, а точнее, светодиоды.

Сегодня уже нет сомнений, что в самом ближайшем будущем светодиодные светильники вытеснят все остальные типы осветительных приборов, благодаря превосходству по четырём основным показателям.

Первый из основных показателей источника света – это энергетическая эффективность. Современная лампа накаливания способна создавать световой поток 15 люмен на каждый ватт потребляемой мощности. Это значит, что всего лишь 2 % электрической энергии преобразуются в свет. Люминесцентные лампы выдают в пять раз больший поток – 80 люмен на ватт. Их КПД достигает 10 - 12 %. КПД компактных люминесцентных ламп (энергосберегаек) заметно ниже и находится в пределах 8%, при световой эффективности 60 люмен/ватт.

Светодиодные источники света перешагнули сегодня уровнь 200 люмен на ватт (КПД 30 %), а лучшие экспериментальные образцы вплотную приближаются к теоретическому идеалу ЛЕД светильника в 300 лм/ватт.

Второй показатель – длительность функционирования при сохранении заявленных технических параметров. Нихромовая спираль редко выдерживает более 2000 часов работы. Люминесцентные лампы способны продержаться 10 000 часов, реальный срок жизни сберегаек 5000 – 6000 часов. Но самыми долгоживущими источниками света, конечно, являются светодиодные кристаллы. Их ресурс достигает 30 000 – 50 000 часов. Это более 10 лет работы в режиме офиса или частного дома.

Третий показатель – стоимость устройства, обеспечивающего световой поток в 1000 люмен. Долгое время самыми дешёвыми светильниками оставались лампы накаливания. Цена такой лампы в 1000 люмен находится на уровне пол доллара. Люминесцентный источник стоит втрое больше. До недавнего времени ЛЕД лампы были самыми дорогими – порядка пяти долларов за 1000 люмен. Однако, огромные тиражи полупроводниковых светильников сделали своё доброе дело – цена 1000 люмен в ЛЕД исполнении теперь упала ниже двух долларов и стремительно движется к заветной цифре в один доллар.

И, наконец, четвёртый показатель – экологическая безопасность источника света. В этом аспекте светодиоды вне конкуренции. Взамен огромной опасности паров ртути и паров натрия в люминесцентных лампах, ЛЕД светильники чисты, как сама природа. Небольшое тепловыделение, которое можно трактовать, как тепловое “загрезнение”, не идёт ни в какое сравнение с тепловыделением ламп накаливания.

Казалось бы, новые светодиодные светильники достигли идеала. Они дешевы, долговечны, экономичны и экологически чисты. Как говорится, сказка стала былью.

Но вот беда – купленная в магазине ЛЕД лампа или ЛЕД светильник, иногда внезапно выходят из строя уже через год, а то и через полгода своей службы. В чём же причина таких досадных отказов ?

Светодиодные светильники.Мы попробуем разобраться в этой актуальной проблеме на примере внезапно перегоревшего потолочного офисного светильника модели “Армстронг” (см. видеоролик).

Светильник содержит 112 светодиодов типа SMD 2835 объединённых в четыре диодные ленты по 28 кристаллов в каждой ленте.

Заводом изготовителем числится компания ЭРА, но на этикетке честно прописано, что родиной светильника является Китай.

Нередко китайские производители электроники грешат упрощениями, снижающими качество и укорачивающими жизненный цикл изделия, но ещё хуже, когда разработчик изделия грубо нарушает незыблемые устои, вольно или невольно закладывая мину замедленного действия в создаваемую им продукцию.

Вообще говоря, в светильнике с большим количеством светоизлучающих элементов, очень важно обеспечить равные условия для каждого элемента, а это не так-то легко сделать, учитывая высокую зависимость электрической проводимости светодиода от температуры. Неравные условия теплообмена могут спровоцировать повышенную проводимость одних кристаллов в ущерб другим. Не менее важно добиться стабильности светового потока, сводя пульсацию яркости матрицы диодов к минимуму. В случае со светильниками на основе ЛЕД кристаллов снижение пульсации может быть достигнуто высококачественной стабилизацией тока, протекающего через каждый диод.

Сами по себе светодиодные ленты успешно выпускаются уже более пятнадцати лет. Большинство лент, рассчитаны на низковольтное напряжение 12 В и 24 В. Обычно в такого типа ЛЕД лентах применяется последовательно–параллельное соединение диодов.

Светодиодные светильники.

Каждая последовательная цепочка из трех светодиодов дополняется балластным резистором и подключается к шине 12 вольт. Сопротивление резистора зависит от выбранной модели светодиода. Например, для диодов SMD 3528 используются резисторы с сопротивлением 100 Ом.

Балластные резисторы обеспечивают протекание равного тока по каждой из диодных цепочек. Параллельное соединение диодов без использования резисторов недопустимо, поскольку малейшее

превышение тока в одной из диодных цепочек, вызванное худшими условиями теплоотвода, может привести к нарастанию тока и, как следствие, к перегреву и деградации диодов данной цепочки.

ЛЕД ленты на 24 В отличаются от 12 вольтовых удвоенным количеством диодов в каждой цепочке.

Электрическая схема нашего сгоревшего светильника (SPO-2) весьма неожиданна. В ней применено параллельное соединение нескольких p-n кристаллов без использования балластных резисторов.

Светодиодные светильники. Фактически разработчик данного светильника обрёк светодиодную матрицу на внезапную кончину от случайного фактора – неравномерного теплоотвода в разных участках светодиодной ленты.

Рассматриваемый нами светильник исправно проработал полгода в мастерской и неожиданно “погас”. После его демонтажа выяснилось, что блок питания светильника исправен. Причина потери работоспособности – четыре перегоревшие светодиода, которые легко выявить “прозвонкой”.

Стоило слегка перегреться одному из светодиодов в какой-то из 28 секций, как тут же произошло перераспределение тока, проходящего через диоды одной секции. У самого нагретого диода несколько понизилось сопротивление, что привело к увеличению тока, а у трёх других диодов ток уменьшился. Увеличенный ток дополнительно подогрел “случайный” светодиод, что еще более увеличило протекающий через него ток. В результате наш диод перешёл в режим с заметным превышением номинального тока и с превышением допустимой температуры кристалла. Как следствие – ускоренная деградация полупроводникового элемента и, в конце концов, полное выгорание одного диода в одной секции. При этом светильник ещё продолжает работать некоторое время, но дни его сочтены, поскольку ток, рассчитанный на 4 диода, теперь протекает по оставшимся трём.

Вскоре участь первого сгоревшего диода повторяет один из уцелевшей троицы, и ток, проходящий по двум оставшимся в живых диодах, становится двойным по отношению к номиналу. Разумеется, такой большой ток очень быстро выжигает один, а потом и другой диод. Именно в этот момент светильник гаснет, так как электрическая цепь оказывается разорванной.

Простейший ремонт вышедшего из строя светильника может сводится к запаиванию перемычки на место секции сгоревших диодов или к запаиванию новых SMD диодов на место сгоревших.

На видеоролике мы продемонстрировали оба варианта ремонта.

Светодиодные светильники.

Разумеется, такого рода ремонт неисправного светильника не устраняет его главный недостаток – параллельное подключение полупроводниковых кристаллов без выравнивающих резисторов. Для полного восстановления идеального образа светодиодного светильника необходимо изменить схему самих диодных лент и схему их соединения в светильнике. Один из возможных вариантов представлен на рисунке:

Матрица ЛЕД светильника может состоять из нескольких параллельно соединённых диодных лент, каждая из которых содержит по два балластных резистора – один в начале ленты, а другой на её конце. Номиналы резисторов зависят от типа используемых светодиодов. Например, для SMD 2835 подойдут резисторы с сопротивлением 10 Ом.

Блок питания для такого рода ЛЕД матрицы должен обеспечивать стабилизированный ток, в расчете 60 мA на каждую диодную ленту. Если принять, что требуемая номинальная мощность светильника равна 36 Вт, то ЛЕД матрица должна содержать 180 светодиодов (4 ленты по 45 кристаллов, или 6 лент по 30 кристаллов). Штатный блок питания, используемый в SPO-2, способен успешно справиться с такой задачей.

В отремонтированном нами светильнике SPO-2 установлено только 112 диодов SMD 2835 с номинальной мощностью 0,2 Вт каждый. Для достижения мощности 36 Вт, разработчики светильника пошли на явный перегруз используемых светодиодов по току, подняв рабочий ток с рекомендуемых 60 mA до 95 mA. Такого рода экономия в количестве диодов, достигнутая неоправданным форсированием их мощности, сослужила плохую службу – светильник потерял шанс на обеспечение обещанной долговечности в 50 000 часов.

Как видим, потенциальная идеальность светодиодного освещения далеко не всегда успешно реализуется на практике. Светодиодные кристаллы, как огня, боятся двух факторов. Первый – перегрев выше 60 градусов Цельсия, второй – перегруз по току выше номинала.

Можно очень эффективно охлаждать светодиод, поддерживая его температуру на уровне комнатной, но это не спасёт кристалл от деградации из-за токового перегруза. Поэтому разработчикам светодиодных светильников не стоит экономить на количестве используемых ЛЕД кристаллов, перегружая их по току. Более разумно оставаться в рамках номинальной мощности конкретного светодиода, используя то их количество, которое соответствует поставленной задаче освещения. Для заявленной мощности в 36 Вт, диодная матрица светильника должна состоять из 180 элементов SMD-2835.

Хотелось бы сказать несколько добрых слов в адрес разработчиков блока питания светильника SPO-2, но эта информация будет более уместна в приложении к данной статье.

ПРИЛОЖЕНИЕ (к статье «Спасение идеального светильника»)

В светильнике SPO-2 компании ЭРА используется блок питания (БП) на базе микросхемы PT6985-D с двумя встроенными токовыми ключами. По сути, БП выполняет функцию стабилизации выходного тока, вне зависимости от входного напряжения.

Из принципиальной схема БП видно, что стабилизатор тока выполнен очень лаконично с минимальной обвязкой. Входной диодный мост выпрямляет сетевое напряжение 220 В. Затем три диода (D2, D3, D4) в союзе с двумя электролитическими конденсаторами (С1, С2) компенсируют конденсаторный характер нагрузки БП, обеспечивая коэффициент мощности на уровне 0,9. Оба конденсатора рассчитаны на напряжение 250 В, что гарантирует их долгую жизнь, поскольку каждый конденсатор находится под напряжением вдвое меньше сетевого.

В выходном каскаде БП дроссель Т1 и электролитический конденсатор С3 обеспечивают сглаживание пульсаций выходного тока до уровня 1 %. Благодаря этому светодиодная матрица выдаёт абсолютно ровный световой поток. Изменяя номиналы резисторов R2 и R3, можно отрегулировать БП на требуемый выходной ток.

В процессе работы БП практически не греется, что гарантирует срок его службы в 50 000 часов.


ЛЕД ДРАЙВЕР РТ6985


Светодиодные светильники.




По вопросам патентования изобретений обращайтесь
к патентному поверенному РФ, рег. № 420
Нине Николаевне Андреевой:

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку