1. Світлодіодна лампа: схема, робота, ремонт Раніше було розглянуто пристрій світлодіодної лампи ...
2. Дослідження вольтамперної характеристики LED
3. Опис роботи схеми
4. Ремонт світлодіодної лампи

Світлодіодна лампа: схема, робота, ремонт

Раніше було розглянуто пристрій світлодіодної лампи в цілому. Тепер розберемося з її електронною начинкою, яка в дешевих лампах досить нехитра *.

* Пристрій світлодіодної лампи з маркуванням "КОСМОС A60 E27 7 Вт 3000 К 220 В / 50 Гц 0.054 А".

Схема електрична принципова LED-лампи
Дослідження вольтамперної характеристики LED
Опис роботи схеми
Ремонт світлодіодної лампи

Схема електрична принципова LED-лампи

У безпосередній близькості від цоколя лампи встановлена ​​друкарська плата, яка забезпечує живлення світлодіодів. Самі світлодіоди, як було сказано в попередній частині статті, розташовані на окремій алюмінієвої друкованої платі з високою тепловідводної здатністю. Всі світлодіоди з'єднані послідовно, що цілком природно з урахуванням того, що залежність струму від напруги у діодів вкрай різка і для забезпечення номінального режиму роботи потрібно схема стабілізації струму. При послідовному з'єднанні струм через все світлодіоди буде однаковим, що дає можливість використовувати єдину схему стабілізації.

Втім, як такої, схеми стабілізації тут немає. Є досить примітивна схема мостового випрямляча з ємнісним баластом, яка забезпечує стабільність струму лише в тій мірі, в якій мірі стабільні параметри струму в мережі (такі як напруга, частота, коефіцієнт гармонік).

Ємнісний баласт утворений двома конденсаторами C1, C2, з'єднаними паралельно. *
* Маркування конденсаторів розгледіти не вдалося, так як не було завдання повністю розколупати лампу і плата з лампи не виймалася. Але судячи по вимірам, загальна ємність C1 і C2 дорівнює приблизно 1.33 мкФ, так що, можливо, їх ємності рівні 1.0 і 0.33 мкФ.
Резистор R1 необхідний для швидкої розрядки конденсаторів баласту при відключенні харчування (в цілях безпеки лампи для користувача).

Необхідний для живлення світлодіодів постійний струм отримують за допомогою мостового випрямляча DB1 типу MB105.

Електролітичний конденсатор C3 згладжує пульсації напруги на виході мостового випрямляча DB1. Резистори R2, R3 розряджають конденсатор при відключенні харчування. В даному випадку встановлено SMD резистори; послідовне з'єднання збільшує максимально допустиму загальну напругу. Використовуваний конденсатор має максимально допустима напруга 400 В, що значно перевищує напругу, яка може бути на ланцюжку світлодіодів в цій лампі. Використання конденсатора на меншу напругу дозволило б при тому ж обсязі, отримати велику ємність і краще згладжування пульсацій. Однак, перестраховка не є зайвою. Конструкція явно розрахована на те, що світлодіоди будуть регулярно вигоряти, споживаний ланцюгом світлодіодів ток при цьому різко падає, практично до нуля зменшується падіння напруги на баласті і C3 заряджається майже до амплітудного значення напруги в мережі (310..350 В при чинному напрузі 220. .250 В). Розрахований на меншу напругу електролітичний конденсатор неминуче вибухнув би, що навряд чи сильно обрадувало власника лампи.

На платі є місце під установку резистора послідовно з ланцюжком світлодіодів, але в даній лампі він не розпаяний.

Тип світлодіодів, на жаль, мені не відомий. Зате можна провести невелике додаткове дослідження з метою виявити їх характеристики для подальшого аналізу роботи схеми.

Дослідження вольтамперної характеристики LED

Для зняття вольтамперної характеристики скористаємося найпростішої схемою з регульованим джерелом напруги U, який підключається до досліджуваного светодиоду LED через захисний токоогранічительний резистор R. Напруга на світлодіоді вимірюємо вольтметром V, загальний струм через світлодіод і вольтметр вимірюємо миллиамперметром A. В процесі вимірювання межа вимірювання напруги не переходить , значить внутрішньо опір вольтметра також залишається незмінним, що дозволяє врахувати ток через вольтметр внесенням відповідної поправки . Результати вимірювання поміщені в таблицю. *

# 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 повітря в процесі вимірювань близько 300 К (насправді трохи нижче, але округлимо до цієї величини, так як має місце розігрів кристала проходять струмом).

У точці # 1 світіння світлодіода відсутня, в точці # 2 з'являється дуже слабке світіння. Починаючи з точки # 3 світіння стає цілком виразним. У перших двох точках струм через світлодіод вкрай малий, він менше або набагато менше струму через вольтметр і не може бути виміряна в цій установці з прийнятною точністю. Ці ділянки не будемо враховувати при побудові вольтамперної характеристики, однак вони важливі, тому що дозволяють оцінити опір вольтметра Rv (виходить близько 930 кОм в нашому випадку). Тоді струм через світлодіод в інших точках може бути обчислений як Iled = IV / Rv, де I, V - виміряні струм і напруга відповідно.

Перше, що звертає на себе увагу в отриманих результатах - дуже висока, близько 13 В падіння напруги на світлодіоді в прямому напрямку (в режимі, імовірно близькому до номінального, тобто при токах 10 мА - кілька десятків мА). Для одиночного світлодіода слід було б очікувати падіння напруги в районі 3 В, якщо це звичайно не світлодіод, що працює в області жорсткого ультрафіолету.

Очевидно, що насправді ми маємо справу не з одиночним світлодіодом, а зі складанням з 4 послідовно з'єднаних світлодіодів в одному SMD-корпусі. Це припущення підтверджується при спостереженні светоизлучающего елемента, коли через нього проходить невеликий струм і яскравість світіння невелика.

Незважаючи на те, що SMD-елемент заповнений светорассеивающим пластиком, який не дозволяє чітко бачити вміст, добре видно 4 окремих області випромінювання. Навіть можна розгледіти що з'єднують світлодіоди зволікання. Для тих хто не може розгледіти, поруч поміщена ця ж фотографія з промальованим від руки світлодіодами і сполучними провідниками.

Хоча светоизлучающий елемент виявився складанням з чотирьох послідовно з'єднаних LED, все ж будемо розглядати його при моделюванні як єдине ціле, тим більше що доступу до окремих компонентів все одно ми не маємо. Для моделювання скористаємося найпростішим варіантом SPICE-моделі діода: послідовно з'єднані ідеальний діод D і резистор RS.

Вольтамперная характеристика ідеального діода має вигляд: $$ i = {IS} \ cdot \ left (e ^ {\ frac {V_D} {{VT} \ cdot N}} - 1 \ right). $$ Тут VT - залежить від температури коефіцієнт: \ ({VT} = kT / q = 1.38 \ cdot 10 ^ {- 23} T / 1.602 \ cdot 10 ^ {- 19} \), k - постійна Больцмана; q - елементарний заряд; T - температура pn переходу в Кельвіна.
i - струм через ідеальний діод; VD - напруга на ідеальному діоді; IS, N, а також опір послідовно сполученого резистора RS - параметри моделі, які слід підібрати таким чином, щоб вольтамперная характеристика моделі була по можливості близька до експериментально отриманої.

В математичному пакеті Scilab шляхом мінімізації суми квадратів відносних помилок струму, розрахованого для моделі були, отримані наступні значення параметрів:
IS = 2.65e-28;
N = 7.2;
RS = 65.
В такому випадку використовується SPICE-модель буде наступною:
.MODEL COSMOSLED D (IS = 2.65e-28 N = 7.2 RS = 65)

Вольтамперная характеристика світлодіодного модуля в лінійних і логарифмічних координатах; експериментальні точки зображені хрестиками.

На початковій ділянці характеристики, до напруги близько 11 В залежність струму від напруги є дуже різкою - експоненційної; для даного модуля відбувається подвоєння струму при збільшенні напруги приблизно на 0.13 В на цій ділянці. Далі, при великих токах, все більшою мірою позначається вплив послідовного опору і характеристика наближається до лінійної.

Опис роботи схеми

Різка залежність струму через світлодіод від напруги на ньому з іншого боку можна розглядати як слабку залежність напруги від струму. При зміні струму в широких межах, напруга на одному елементі залишається в межах 13..14 В, значить напруга на всьому ланцюжку з 14 світлодіодів в сталому режимі складає 180..200 В. Напруга на світлодіодах виявляється досить стабільним, а величина пульсацій невеликий. Аналіз показує, що розмах пульсацій напруги становить близько 10% від середньої напруги, а значить амплітуда пульсацій напруги на ланцюжку світлодіодів має порядок 5%.

Ми бачимо, що напруга на світлодіодним ланцюга виявляється високим, порівнянним з амплітудою напруги, що істотно впливає на роботу ємнісного баласту і вимагає обов'язкового обліку.

Аналіз роботи випрямляча з ємнісним баластом досить громіздкий для того, щоб розмістити його тут. Тому він поміщений в окрему статтю "Випрямний міст з ємнісним баластом" . Тут наведемо лише отримані там основні висновки.

Будемо використовувати такі позначення: Ua - амплітуда напруги; T - період коливань напруги в мережі; f = 1 / T - частота; U0 - напруга на навантаженні випрямляча (у використовуваному наближенні наявність пульсацій не враховується, напруга на навантаженні вважаємо постійним).

Споживана потужність (середнє значення) $$ \ bar p = 4 f C U_0 (U_a-U_0). \ Tag {1} $$ Чинне значення споживаного струму $$ \ def \% # 1% {\ mbox {# 1} \,} I_e = \ pi f C U_a \ sqrt {1 \ frac {4t_ {on}} T- \ frac 1 \ pi \ sin \ frac {4 \ pi t_ {on}} T}, \ tag {2} \\ t_ {on} = \ frac T {2 \ pi} \% arcsin% \ left ( \ frac {2U_0} {U_a} -1 \ right). $$ Струм через навантаження $$ I_ {l} = 4f C (U_a-U_0). \ Tag {3} $$ Відносне зміна струму навантаження при зміні напруги в мережі $$ \ varepsilon_ {Il} = \ frac {\ varepsilon_ {Ua}} {1 \ frac {U_0} {U_a}}. \ Tag {4} $$

Схема має таке неприємне властивість, що відносне зміни струму в навантаженні завжди більше викликав його відносної зміни напруги мережі. Якщо при малих напругах на навантаженні коефіцієнт перевищення близький до 1, то з наближенням U0 до Ua коефіцієнт може стати значно більше 1. Наприклад, для нашої лампи, якщо вважати U0 = 200 В, Ua = 300 В, то зміна напруги на 10% (досить звичайна ситуація) викличе зміна діючого струму через світлодіоди на 30% (значна зміна), що може привести до виходу за межі допустимого діапазону струмів.

Буде потрібно робити дуже великий запас по струму (невигідно, нормальний джерело живлення обійдеться дешевше, ніж світлодіоди з великим запасом по припустимому струмі) або навмисно допустити можливість роботи світлодіодів на граничних і позамежних режимах, що матиме вельми очевидний вплив на надійність виробу.

Втім, це не єдиний недолік. Всі проблеми випрямляча з конденсаторним баластом стосуються і даної лампи, що використовує цю схему. Наприклад, схема дуже чутлива до відхилення форми напруги від "ідеального синуса" і до наявності в мережі високочастотних перешкод. Реактивний опір баласту обернено пропорційно частоті, а струм через нього прямо пропорційний частоті коливань. Так що високочастотна складова спектра напруги, навіть при невеликій амплітуді, може привести до значного зростання споживаного струму лампи і швидкого виходу її з ладу. Причинами спотворення форми сигналу і джерелами високочастотних перешкод можуть бути потужні нелінійні споживачі (потужні імпульсні блоки живлення без корекції коефіцієнта потужності), потужні нестабільні споживачі типу зварювальних апаратів, а також перешкоди виникають при комутація потужних навантажень, іскрінні контактів. У всіх цих випадках наша лампа, начисто позбавлена ​​будь-яких фільтрів і інших засобів захисту від присутніх в мережі спектральних складових, з частотами вище основної, виявляється абсолютно беззахисною і термін служби при роботі в реальному мережі абсолютно непередбачуваний.

Однак, повернемося до розгляду лампи, підключеної до ідеального джерела синусоїдальної напруги.

Розрахована за формулою (1) середня потужність для номінальної напруги мережі 220 В (\ (U_a = U_e \ sqrt 2 \)), зазначеного у маркуванні, виявляється ближче до 6 Вт, ніж до заявлених 7 Вт. З іншого боку, зі зростанням напруги в мережі вона швидко росте і при 230 В розрахункове значення вже одно 7 Вт.

Споживаний від мережі струм, зазначений у маркуванні лампи, з хорошою точністю відповідає діючим значенням, яке можна розрахувати за формулою (2). Бачимо, що споживана потужність не дорівнює добутку діючого значення струму і чинного напруги в мережі. Це обумовлено тим, що дана лампа є нелінійним споживачем, а крім того, має реактивну складову споживаного струму.

Розрахунок за формулою (3) струму навантаження дає значення порядку 30 мА. Однак, насправді, струм навантаження є пульсуючим і розмах пульсацій дуже великий, на відміну від пульсацій напруги на навантаженні. Пов'язано це з тим, що як вже неодноразово говорилося раніше, залежність струму через світлодіод від напруги на ньому дуже різка. Тому, порівняно малі пульсації напруги на світлодіодах призводять до величезних пульсаціям струму (або навпаки, навіть значні пульсації струму не призводять до істотної зміни напруги на світлодіоді).

Ось що показує чисельний аналіз ланцюга з використанням моделі світлодіода, отриманої нами при вивченні його вольтамперної характеристики. Як бачимо, в цілому графіки відповідають результатам теоретичного аналізу випрямляча з баластом.

Використовувані на графіках позначення:
v (V1) - напруга мережі;
v (C) - напруга на конденсаторі;
v (bridge_in) - напруга на вході випрямного моста;
i (C) - струм через баласт;
v (LEDs) - напруга на ланцюжку послідовно з'єднаних світлодіодів;
i (LED) - струм світлодіодів.

Характер навантаження і недостатня ємність згладжує конденсатора призводять до того, що струм в точках максимуму відрізняється від струму в точках мінімуму майже в 4 рази, він коливається в межах від приблизно 12 до 45 мА (при цьому діюче значення струму навантаження приблизно дорівнює 30 мА). В результаті світло від лампи сильно мерехтить, частота мерехтіння вдвічі більше частоти мережі і дорівнює 100 Гц. Сильно виражене мерехтіння призводить до швидкої втоми при використанні цих ламп для освітлення (на частоті 100 Гц мерехтіння помічають не всі люди, але багато, а стомлення виникає навіть у тих, хто мерехтіння не помічає). Небезпечні ці лампи також через стробоскопічного ефекту, через якого обертаються деталі інструментів і верстатів сприймаються як нерухомі або повільно повертаються при певних співвідношеннях частоти обертання і частоти мерехтіння. Виявляється подібний ефект не тільки на виробництвах або при роботі з домашнім електроінструментом, але в абсолютно побутових ситуаціях, коли будь-який швидко рухається предмет залишає за собою "пунктирний слід", що безпечно, але дуже дратує.

У такому вигляді як вона є, лампа абсолютно непридатна для використання (навіть в ідеальній мережі живлення). Без зміни самої схеми виправити ситуацію не представляється можливим. Так, щоб зменшити розмах пульсацій струму через світлодіоди до рівня близько 10% (від середнього значення струму) за рахунок згладжує конденсатора, його ємність потрібно збільшити приблизно в 15 разів, до значення близько 68 мкФ. Конденсатор такої ємності, розрахований на напругу 400 В (повинен бути розрахований на високу напругу по названим вище причин) має досить великі розміри і просто не поміститься в наявному в лампі просторі. З іншого боку, конденсатор ємністю 22 мкФ вмістити в лампочці можна було б, це зменшило б розмах пульсацій до рівня 30% - не ідеальний показник, але набагато краще того, що ми маємо. Чому виробник не зробив цього, можна пояснити тільки надмірною жадібністю.

Ремонт світлодіодної лампи

Найбільш часта несправність подібних LED-ламп - це вихід з ладу одного з світлодіодів (з обривом ланцюга; пробою з коротким замиканням світлодіода зовні буде практично непомітний). При послідовному з'єднанні це призводить до повної непрацездатності лампи. З урахуванням якості лампи і її ціни, краще рішення - викинути несправну лампу або використовувати для цікавих дослідів, а ще краще не купувати її спочатку.

Якщо ж є пекуче бажання полагодити, то слід акуратно розібрати лампу, як сказано в першій частині статті. Після чого потрібно лише припаяти паралельно несправного светодиоду дротяну перемичку, сам світлодіод можна залишити на місці (паяти не дуже легко через високу теплопровідності алюмінієвої підкладки, на якій світлодіоди розміщені). При цьому виключення зі схеми 1..2 світлодіодів при загальній їх кількості 14 штук призведе до збільшення струму, еквівалентному тому, що викличе підвищення напруги на 7..15% відповідно. Для даної лампи це означає збільшення струму світлодіодів на 20..45%

Тому бажано піддаті лампу глібшої розбіранні, зі зняття плати світлодіодів и розпаяті додатковий резистор, Який нужно Включити послідовно зі світлодіодамі. Його можна розпаяти на зарезервованому місці на платі харчування або просто впаяти в розрив будь-якого проводу, що веде до платі зі світлодіодами. Для даної лампи КОСМОС ..., опір резистора при закорачіваніі одного світлодіода має бути близько 330 Ом, потужність 0.5 або 1 Вт (краще з запасом для зменшення робочої температури). Якщо зі схеми виключені 2 світлодіоди, то це вже буде резистор 680 Ом потужністю 1 або 2 Вт.

Зовсім добре було б замінити згладжує конденсатор на інший, розрахований на напругу 400 В і наскільки тільки можливо більшої ємності, який тільки вдасться розмістити в наявному вільному просторі лампи. Можна використовувати декілька паралельно з'єднаних, якщо це дозволить повніше використовувати вільний об'єм.

Заодно можна перевірити якість нанесення теплопроводящей пасти і при необхідності нанести потрібне її кількість.

З іншого боку, можна просто припаяти перемичку до несправного светодиоду, а решта кроки пропустити, якщо вважаєте, що подібна лампа не варто таких праць. Не слід, правда, чекати, що лампа після спрощеного ремонту прослужить довго. З третього боку, самий трудомісткий процес - розділити корпус лампи на частини, і якщо це зроблено, є сенс довести виріб до розуму.

Тепер залишилося склеїти корпус лампи і можна користуватися їй ще деякий час. Проклеювати краще не по всьому периметру, а в декількох точках - раптом ще знадобиться розбирати?

author: hamper; date: 2016-08-24