[Home]

Светодиодная лампа: схема, работа, ремонт

Ранее было рассмотрено устройство светодиодной лампы в целом. Теперь разберёмся с её электронной начинкой, которая в дешёвых лампах довольно незамысловата*.

* Устройство светодиодной лампы с маркировкой "КОСМОС A60 E27 7 Вт 3000 К 220 В / 50 Гц 0.054 А".

Схема электрическая принципиальная LED-лампы
Исследование вольтамперной характеристики LED
Описание работы схемы
Ремонт светодиодной лампы



Схема электрическая принципиальная LED-лампы

Печатная плата питания светодиодной лампы КОСМОС A60, вид со стороны выводных элементов Печатная плата питания светодиодной лампы КОСМОС A60, вид со стороны дорожек и SMD-элементов

В непосредственной близости от цоколя лампы установлена печатная плата, которая обеспечивает питание светодиодов. Сами светодиоды, как было сказано в предыдущей части статьи, расположены на отдельной алюминиевой печатной плате с высокой теплоотводящей способностью. Все светодиоды соединены последовательно, что вполне естественно с учётом того, что зависимость тока от напряжения у диодов крайне резкая и для обеспечения номинального режима работы требуется схема стабилизации тока. При последовательном соединении ток через все светодиоды будет одинаковым, что даёт возможность использовать единственную схему стабилизации.

Схема электрическая принципиальная светодиодной лампы КОСМОС A60

Впрочем, как таковой, схемы стабилизации здесь нет. Есть достаточно примитивная схема мостового выпрямителя с емкостным балластом, которая обеспечивает стабильность тока лишь в той степени, в какой степени стабильны параметры тока в сети (такие как напряжение, частота, коэффициент гармоник).

Емкостной балласт образован двумя конденсаторами C1, C2, соединёнными параллельно.*
* Маркировку конденсаторов разглядеть не удалось, так как не было задачи полностью расковырять лампу и плата из лампы не вынималась. Но судя по измерениям, общая ёмкость C1 и C2 равна примерно 1.33 мкФ, так что, возможно, их ёмкости равны 1.0 и 0.33 мкФ.
Резистор R1 необходим для быстрой разрядки конденсаторов балласта при отключении питания (в целях безопасности лампы для пользователя).

Требуемый для питания светодиодов постоянный ток получают с помощью мостового выпрямителя DB1 типа MB105.

Электролитический конденсатор C3 сглаживает пульсации напряжения на выходе мостового выпрямителя DB1. Резисторы R2, R3 разряжают конденсатор при отключении питания. В данном случае установлены SMD резисторы; последовательное соединение увеличивает максимально допустимое общее напряжение. Используемый конденсатор имеет максимально допустимое напряжение 400 В, что значительно превышает напряжение, которое может быть на цепочке светодиодов в этой лампе. Использование конденсатора на меньшее напряжение позволило бы при том же объёме, получить большую ёмкость и лучшее сглаживание пульсаций. Однако, перестраховка не является излишней. Конструкция явно рассчитана на то, что светодиоды будут регулярно выгорать, потребляемый цепью светодиодов ток при этом резко падает, практически до нуля уменьшается падение напряжения на балласте и C3 заряжается почти до амплитудного значения напряжения в сети (310..350 В при действующем напряжении 220..250 В). Рассчитанный на меньшее напряжение электролитический конденсатор неминуемо взорвался бы, что вряд ли сильно обрадовало владельца лампы.

На плате есть место под установку резистора последовательно с цепочкой светодиодов, но в данной лампе он не распаян.

Тип светодиодов, к сожалению, мне не известен. Зато можно провести небольшое дополнительное исследование с целью выявить их характеристики для дальнейшего анализа работы схемы.

Исследование вольтамперной характеристики LED

Схема для исследования вольт-амперной характеристики светодиода

Для снятия вольтамперной характеристики воспользуемся простейшей схемой с регулируемым источником напряжения U, который подключается к исследуемому светодиоду LED через защитный токоограничительный резистор R. Напряжение на светодиоде измеряем вольтметром V, общий ток через светодиод и вольтметр измеряем миллиамперметром A. В процессе измерения предел измерения напряжения не переключается, значит внутренне сопротивление вольтметра также остаётся неизменным, что позволяет учесть ток через вольтметр внесением соответствующей поправки. Результаты измерения помещены в таблицу.*

# 1 2 3 4 5 6 7 8
V, В 5.56 9.28 9.75 9.90 10.01 10.10 10.22 10.28
I, мА 0.006 0.010 0.020 0.040 0.080 0.10 0.20 0.30
# 9 10 11 12 13 14 15 16
V, В 10.33 10.48 10.61 10.72 10.85 11.70 12.11 13.14
I, мА 0.50 1.0 1.5 2.0 2.7 10 15 30

* Температура воздуха в процессе измерений около 300 К (на самом деле немного ниже, но округлим до этой величины, так как имеет место разогрев кристалла проходящим током).

В точке #1 свечение светодиода отсутствует, в точке #2 появляется очень слабое свечение. Начиная с точки #3 свечение становится вполне отчётливым. В первых двух точках ток через светодиод крайне мал, он меньше или много меньше тока через вольтметр и не может быть измерен в этой установке с приемлемой точностью. Эти точки не будем учитывать при построении вольтамперной характеристики, однако они важны, так как позволяют оценить сопротивление вольтметра Rv (получается около 930 кОм в нашем случае). Тогда ток через светодиод в остальных точках может быть вычислен как Iled=I-V/Rv, где I, V - измеренные ток и напряжение соответственно.

Первое, что обращает на себя внимание в полученных результатах - очень высокое, порядка 13 В падение напряжения на светодиоде в прямом направлении (в режиме, предположительно близком к номинальному, т.е. при токах 10 мА - несколько десятков мА). Для одиночного светодиода следовало бы ожидать падения напряжения в районе 3 В, если это конечно не светодиод, работающий в области жёсткого ультрафиолета.

Очевидно, что на самом деле мы имеем дело не с одиночным светодиодом, а со сборкой из 4 последовательно соединённых светодиодов в одном SMD-корпусе. Это предположение подтверждается при наблюдении светоизлучающего элемента, когда через него проходит небольшой ток и яркость свечения невелика.

Светодидная сборка при прохождении через неё небольших токов Схема соединения светодидов в составе сборки

Несмотря на то, что SMD-элемент заполнен светорассеивающим пластиком, который не позволяет чётко видеть содержимое, хорошо видны 4 отдельных области излучения. Даже можно разглядеть соединяющие светодиоды проволочки. Для тех кто не может разглядеть, рядом помещена эта же фотография с прорисованными от руки светодиодами и соединительными проводниками.

Хотя светоизлучающий элемент оказался сборкой из четырёх последовательно соединённых LED, всё же будем рассматривать его при моделировании как единое целое, тем более что доступа к отдельным компонентам всё равно мы не имеем. Для моделирования воспользуемся простейшим вариантом SPICE-модели диода: последовательно соединённые идеальный диод D и резистор RS.

Модель LED

Вольтамперная характеристика идеального диода имеет вид: $$ i={IS}\cdot \left(e^{\frac {V_D} {{VT}\cdot N}}-1\right). $$ Здесь VT - зависящий от температуры коэффициент: \( {VT}=kT/q=1.38\cdot 10^{-23}T/1.602\cdot 10^{-19} \), k - постоянная Больцмана; q - элементарный заряд; T - температура p-n перехода в Кельвинах.
i - ток через идеальный диод; VD - напряжение на идеальном диоде; IS, N, а также сопротивление последовательно соединённого резистора RS - параметры модели, которые следует подобрать таким образом, чтобы вольтамперная характеристика модели была по возможности близка к экспериментально полученной.

В математическом пакете Scilab путём минимизации суммы квадратов относительных ошибок тока, рассчитанного для модели были, получены следующие значения параметров:
IS=2.65e-28;
N=7.2;
RS=65.
В таком случае используемая SPICE-модель будет следующей:
.MODEL COSMOSLED D (IS=2.65e-28 N=7.2 RS=65)

Вольтамперная характеристика LED-сборки из светодиодной лампы Вольтамперная характеристика LED-сборки из светодиодной лампы, логарифмический масштаб

Вольтамперная характеристика светодиодного модуля в линейных и логарифмических координатах; экспериментальные точки изображены крестиками.

На начальном участке характеристики, до напряжения около 11 В зависимость тока от напряжения является очень резкой - экспоненциальной; для данного модуля происходит удвоение тока при увеличении напряжения примерно на 0.13 В на этом участке. Далее, при больших токах, всё в большей степени сказывается влияние последовательного сопротивления и характеристика приближается к линейной.

Описание работы схемы

Резкая зависимость тока через светодиод от напряжения на нём с другой стороны можно рассматривать как слабую зависимость напряжения от тока. При изменении тока в широких пределах, напряжение на одном элементе остаётся в пределах 13..14 В, значит напряжение на всей цепочке из 14 светодиодов в установившемся режиме составляет 180..200 В. Напряжение на светодиодах оказывается достаточно стабильным, а величина пульсаций небольшой. Анализ показывает, что размах пульсаций напряжения составляет около 10% от среднего напряжения, а значит амплитуда пульсаций напряжения на цепочке светодиодов имеет порядок 5%.

Мы видим, что напряжение на светодиодной цепи оказывается высоким, соизмеримым с амплитудой сетевого напряжения, что существенно влияет на работу емкостного балласта и требует обязательного учёта.

Анализ работы выпрямителя с емкостным балластом довольно громоздкий для того, чтобы разместить его тут. Поэтому он помещён в отдельную статью "Выпрямительный мост с емкостным балластом". Здесь приведём лишь полученные там основные выводы.

Будем использовать следующие обозначения: Ua - амплитуда сетевого напряжения; T - период колебаний напряжения в сети; f=1/T - частота; U0 - напряжение на нагрузке выпрямителя (в используемом приближении наличие пульсаций не учитывается, напряжение на нагрузке считаем постоянным).

Потребляемая мощность (среднее значение) $$ \bar p=4 f C U_0 (U_a-U_0). \tag{1} $$ Действующее значение потребляемого тока $$ \def \%#1% {\mbox {#1} \,} I_e=\pi f C U_a \sqrt{1-\frac{4t_{on}}T-\frac 1 \pi \sin \frac{4\pi t_{on}}T}, \tag{2} \\ t_{on}=\frac T {2\pi} \%arcsin% \left( \frac {2U_0} {U_a} -1 \right). $$ Ток через нагрузку $$ I_{l}=4f C(U_a-U_0). \tag{3} $$ Относительное изменение тока нагрузки при изменении напряжения в сети $$ \varepsilon_{Il}=\frac{\varepsilon_{Ua}}{1-\frac{U_0}{U_a}}. \tag{4} $$

Схема имеет такое неприятное свойство, что относительное изменения тока в нагрузке всегда больше вызвавшего его относительного изменения напряжения сети. Если при малых напряжениях на нагрузке коэффициент превышения близок к 1, то с приближением U0 к Ua коэффициент может стать много больше 1. Например, для нашей лампы, если считать U0=200 В, Ua=300 В, то изменение сетевого напряжения на 10% (довольно рядовая ситуация) вызовет изменение действующего тока через светодиоды на 30% (значительное изменение), что может привести к выходу за пределы допустимого диапазона токов.

Потребуется делать очень большой запас по току (невыгодно, нормальный источник питания обойдётся дешевле, чем светодиоды с большим запасом по допустимому току) или намеренно допустить возможность работы светодиодов на предельных и запредельных режимах, что будет иметь весьма очевидное влияние на надёжность изделия.

Впрочем, это не единственный недостаток. Все проблемы выпрямителя с конденсаторным балластом касаются и данной лампы, использующей эту схему. Например, схема весьма чувствительна к отклонению формы сетевого напряжения от "идеального синуса" и к наличию в сети высокочастотных помех. Реактивное сопротивление балласта обратно пропорционально частоте, а ток через него прямо пропорционален частоте колебаний. Так что высокочастотная составляющая спектра сетевого напряжения, даже при небольшой амплитуде, может привести к значительному росту потребляемого тока лампы и быстрому выходу её из строя. Причинами искажения формы сигнала и источниками высокочастотных помех могут быть мощные нелинейные потребители (мощные импульсные блоки питания без коррекции коэффициента мощности), мощные нестабильные потребители типа сварочных аппаратов, а также помехи возникают при коммутация мощных нагрузок, искрении контактов. Во всех этих случаях наша лампа, начисто лишённая каких-либо фильтров и других средств защиты от присутствующих в сети спектральных составляющих, с частотами выше основной, оказывается абсолютно беззащитной и срок службы при работе в реальной сети совершенно непредсказуем.

Однако, вернёмся к рассмотрению лампы, подключённой к идеальному источнику синусоидального напряжения.

Рассчитанная по формуле (1) средняя мощность для номинального напряжения сети 220 В (\(U_a=U_e\sqrt 2\)), указанного в маркировке, оказывается ближе к 6 Вт, нежели к заявленным 7 Вт. С другой стороны, с ростом напряжения в сети она быстро растёт и при 230 В расчётное значение уже равно 7 Вт.

Потребляемый от сети ток, указанный в маркировке лампы, с хорошей точностью соответствует действующему значению, которое можно рассчитать по формуле (2). Видим, что потребляемая мощность не равна произведению действующего значения тока и действующего напряжения в сети. Это обусловлено тем, что данная лампа является нелинейным потребителем, а кроме того, имеет реактивную составляющую потребляемого тока.

Расчёт по формуле (3) тока нагрузки даёт значение порядка 30 мА. Однако, на самом деле, ток нагрузки является пульсирующим и размах пульсаций очень велик, в отличие от пульсаций напряжения на нагрузке. Связано это с тем, что как уже неоднократно говорилось ранее, зависимость тока через светодиод от напряжения на нём очень резкая. Поэтому, сравнительно малые пульсации напряжения на светодиодах приводят к огромным пульсациям тока (или наоборот, даже значительные пульсации тока не приводят к существенному изменению напряжения на светодиоде).

Вот что показывает численный анализ цепи с использованием модели светодиода, полученной нами при изучении его вольтамперной характеристики. Как видим, в целом графики соответствуют результатам теоретического анализа выпрямителя с балластом.

Графики - результаты численного анализа цепи светодиодной лампы КОСМОС A60

Используемые на графиках обозначения:
v(V1) - напряжение сети;
v(C) - напряжение на конденсаторе;
v(bridge_in) - напряжение на входе выпрямительного моста;
i(C) - ток через балласт;
v(LEDs) - напряжение на цепочке последовательно соединённых светодиодов;
i(LED) - ток светодиодов.

Характер нагрузки и недостаточная ёмкость сглаживающего конденсатора приводят к тому, что ток в точках максимума отличается от тока в точках минимума почти в 4 раза, он колеблется в пределах от примерно 12 до 45 мА (при этом действующее значение тока нагрузки примерно равно 30 мА). В результате свет от лампы сильно мерцает, частота мерцания вдвое больше частоты сети и равна 100 Гц. Сильно выраженное мерцание приводит к быстрому утомлению при использовании этих ламп для освещения (на частоте 100 Гц мерцание замечают не все люди, но многие, а утомление возникает даже у тех, кто мерцания не замечает). Опасны эти лампы также из-за стробоскопического эффекта, из-за которого вращающиеся детали инструментов и станков воспринимаются как неподвижные или медленно поворачивающиеся при определённых соотношениях частоты вращения и частоты мерцания. Проявляется подобный эффект не только на производствах или при работе с домашним электроинструментом, но в совершенно бытовых ситуациях, когда любой быстро движущийся предмет оставляет за собой "пунктирный след", что безопасно, но очень раздражает.

В таком виде как она есть, лампа совершенно непригодная для использования (даже в идеальной питающей сети). Без изменения самой схемы исправить ситуацию не представляется возможным. Так, чтобы уменьшить размах пульсаций тока через светодиоды до уровня около 10% (от среднего значения тока) за счёт сглаживающего конденсатора, его ёмкость нужно увеличить примерно в 15 раз, до значения порядка 68 мкФ. Конденсатор такой ёмкости, рассчитанный на напряжение 400 В (должен быть рассчитан на высокое напряжение по названным выше причинам) имеет довольно крупные размеры и просто не поместится в имеющемся в лампе пространстве. С другой стороны, конденсатор ёмкостью 22 мкФ уместить в лампочке можно было бы, это уменьшило бы размах пульсаций до уровня 30% - не идеальный показатель, но гораздо лучше того, что мы имеем. Почему производитель не сделал этого, можно объяснить только чрезмерной жадностью.

Ремонт светодиодной лампы

Наиболее частая неисправность подобных LED-ламп - это выход из строя одного из светодиодов (с обрывом цепи; пробой с коротким замыканием светодиода внешне будет практически незаметен). При последовательном соединении это приводит к полной неработоспособности лампы. С учётом качества лампы и её цены, лучшее решение - выкинуть неисправную лампу или использовать для занимательных опытов, а ещё лучше не покупать её изначально.

Если же есть жгучее желание починить, то следует аккуратно разобрать лампу, как сказано в первой части статьи. После чего нужно лишь припаять параллельно неисправному светодиоду проволочную перемычку, сам светодиод можно оставить на месте (паять не очень легко из-за высокой теплопроводности алюминиевой подложки, на которой светодиоды размещены). При этом исключение из схемы 1..2 светодиодов при общем их количестве 14 штук приведёт к увеличению тока, эквивалентному тому, что вызовет повышение сетевого напряжения на 7..15% соответственно. Для рассматриваемой лампы это означает увеличение тока светодиодов на 20..45%

Поэтому желательно подвергнуть лампу более глубокой разборке, со снятием платы светодиодов и распаять дополнительный резистор, который нужно включить последовательно со светодиодами. Его можно распаять на зарезервированном месте на плате питания или просто впаять в разрыв любого провода, ведущего к плате со светодиодами. Для данной лампы КОСМОС..., сопротивление резистора при закорачивании одного светодиода должно быть около 330 Ом, мощность 0.5 или 1 Вт (лучше с запасом для уменьшения рабочей температуры). Если из схемы исключены 2 светодиода, то это уже будет резистор 680 Ом мощностью 1 или 2 Вт.

Совсем хорошо было бы заменить сглаживающий конденсатор на другой, рассчитанный на напряжение 400 В и насколько только возможно большей ёмкости, какой только удастся разместить в имеющемся свободном пространстве лампы. Можно использовать несколько параллельно соединённых, если это позволит полнее использовать свободный объём.

Заодно можно проверить качество нанесения теплопроводящей пасты и при необходимости нанести нужное её количество.

С другой стороны, можно просто припаять перемычку к неисправному светодиоду, а остальные шаги пропустить, если считаете, что подобная лампа не стоит таких трудов. Не следует, правда, ждать, что лампа после упрощённого ремонта прослужит долго. С третьей стороны, самый трудоёмкий процесс - разделить корпус лампы на части, и если это сделано, есть смысл довести изделие до ума.

Теперь осталось склеить корпус лампы и можно пользоваться ей ещё некоторое время. Проклеивать лучше не по всему периметру, а в нескольких точках - вдруг ещё понадобится разбирать?

author: hamper; date: 2016-08-24
  @Mail.ru