Простая светодиодная лампа мощностью 6 Вт на микросхеме WS3441AS8P

На страницах сайта уже было описано несколько простых, но эффективных светодиодных ламп. В этой же статье, Вашему вниманию представляется, пожалуй самая простая, но не менее эффективная, светодиодная лампа, которую полностью можно собрать своими руками. Будет описана конструкция и её полное устройство, с рассмотрением принципиальной схемы применённого драйвера. Лампа полностью была собрана из готовых узлов других ламп-доноров. Она состоит из светодиодной матрицы с отдельными дискретными светодиодами, питающего драйвера, холодного корпуса компактных размеров, широко распространённого в быту цоколя, причудливой формы светорассеивающей системы, распространяющей световые лучи на угол 200°, и имеет следующие технические характеристики:

Светодиодная лампа мощностью 6 Вт на микросхеме WS3441AS8P

Немного предыстории

Начался этот проект с обычного выхода из строя, дважды отслужившей свой срок эксплуатации, светодиодной лампы OSRAM AA55547 итальянского производства. Внешне лампа имеет форму и вид обычной бытовой лампочки накаливания с цоколем E27, но под прозрачной оболочкой можно увидеть замысловатую оптическую систему, предназначение которой, рассеивать световые лучи на большой угол. По надписям на корпусе становится понятно, что лампа имеет мощность 6 Ватт и цветовую температуру испускаемого света 2700 Кельвин, при этом она питается от сети переменного тока напряжением 220-240 Вольт частотой 50/60 Герц, и потребляет ток 29 мА. На корпусе так же указано, что эту лампу нельзя выбрасывать, но Мы и не собирались этого делать:

Внешний вид и маркировка светодиодной лампы OSRAM AA55547

На первый взгляд, ничего не предвещало счастливого конца исхода этой истории, так как после снятия круглой пластиковой колбы и светодиодной матрицы, выяснилось что внутренняя полость корпуса лампы, вместе с платой питающего драйвера, залита плотным изоляционным наполнителем коричневого цвета, напоминающего силикон, так что ремонт самого драйвера не представлялся возможным. Светодиодная матрица же изготовлена по директиве RoHS (ограничение содержания вредных веществ), и представляет собой алюминиевую пластину круглой формы, с расположенными на её изоляционном слое, последовательно включёнными четырнадцатью светодиодами поверхностного монтажа типоразмера 5630. На матрице установлен миниатюрный разъём для подачи питания, имеется надпись OSRAM и маркировка ZNN2903859 02:

Разломанный корпус и светодиодная матрица лампы OSRAM AA55547

Проверка и изучение имеющихся компонентов

Было решено попробовать использовать снятую светодиодную матрицу для дальнейшей сборки самодельной светодиодной лампы, и для этого в первую очередь нужно было проверить работоспособность установленных на ней светодиодов, которые на плате имеют обозначения анодов и катодов, и все они соединены последовательно друг с другом, образуя цепочку из 14 единиц.

Вообще такие сборные светодиодные матрицы, предпочтительней матриц, в лице корпуса единого светодиода, потому что улучшается всестороннее распространение световых лучей и рассеивание тепла отдельных кристаллов, так как они расположены на некотором расстоянии друг от друга, а в случае поломки и выхода из строя одного светодиода, его легко можно заменить новым, вернув всю матрицу в строй.

Для проверки светодиодов матрицы, был использован источник стабильного постоянного тока на 100 мА, к выходу которого, вместе с щупами мультиметра, поочерёдно подключались все светодиоды матрицы. Падение напряжения на таких светодиодах составляет приблизительно 3,3 В, и для их предварительной проверки можно просто воспользоваться мультиметром в режиме тестирования диодов, но для окончательного убеждения в их полной работоспособности, рекомендуется пропускать через них силу тока, близкую к рабочей, так как нормально светившиеся на низком токе от мультиметра, бывшие в употреблении светодиоды, могут не проявить деградацию кристалла, и начать мигать лишь при высоком уровне протекающего через них тока, нагревающего кристалл до критической температуры.

В данном же случае, хотя люминофор светодиодов и является немного потемневшим, все они оказались исправными, и их вполне можно использовать для дальнейшей сборки лампы своими руками. Для этих целей имевшийся миниатюрный разъём был демонтирован, а к его контактным площадкам припаяны разноцветные проводники в теплостойкой изоляции, с дальнейшей очисткой места пайки от флюса:

Тестирование светодиодов и подготовка матрицы для дальнейшего использования

Так как нормально разобрать, и попытаться отремонтировать узел питания не получилось, то был взят отдельный, наиболее подходящий по требуемым параметрам, светодиодный драйвер в небольшом прямоугольном корпусе, раскрыв который, была обнаружена миниатюрная плата, с небольшим числом компонентов. По маркировке на корпусе, драйвер питается напряжением переменного тока 220-240 В частотой 50/60 Гц, и способен выдавать постоянное выходное напряжение в пределах 57-98 В, при стабильном токе в нагрузке 140 мА. Драйвер потребляет мощность 9-18 Вт в зависимости от числа светодиодов в нагрузке, и предназначен он в частности для ламп с двумя параллельно соединёнными группами светодиодов типа SMD5630, по 29 последовательно соединённых светодиодов в каждой группе. Выполнен он на современной микросхеме WS3441AS8P, которая скрывается под большим высоковольтным электролитическим конденсатором:

Миниатюрный светодиодный драйвер на микросхеме WS3441AS8P

Для проверки работоспособности с имеющейся светодиодной матрицей, и убеждения в возможности при этом достижения написанном на корпусе питающего тока, драйвер кратковременно был подключён к ней, через последовательно соединённый мультиметр в режиме измерения силы тока. Так как светодиодная матрица пока не установлена на основной радиатор, а сила тока может превысить рабочий ток используемых светодиодов, то замер нужно производить быстро, и подавать питание следует на как можно короткое время, что бы не повредить и не перегреть сами имеющиеся светодиоды. Измеренный ток составил 135 мА, что находится в пределах допустимой погрешности драйвера:

Проверка драйвера на микросхеме WS3441AS8P и измерение установленной силы тока

Но этот ток довольно сильно превышает рекомендуемое значение тока для данных светодиодов, и для установки необходимого тока стабилизации используемого драйвера, нужно хотя бы коротко изучить официальную техническую документацию на микросхему WS3441AS8P. Сама микросхема называется WS3441A, но маркируется как WS3441AS8P, что означает тип используемого корпуса SOP-8, и имеет она соответственно 8 выводов:

• 1 - GND - Общий;
• 2 - ROVP - Установка напряжения срабатывания защиты;
• 3 - NC - Не используется;
• 4 - VCC - Источник питания;
• 5/6 - DRAIN - Сток внутреннего высоковольтного МОП-транзистора;
• 7/8 - CS - Установка значения силы тока через нагрузку;

Маркировка и назначение выводов микросхемы WS3441AS8P

Внутренняя блок-схема микросхемы WS3441AS8P

Первый вывод микросхемы WS3441A подключается к общему проводу напрямую. Второй вывод подключается к общему проводу через резистор, которым задаётся значение напряжения срабатывания защиты. Этот резистор можно зашунтировать конденсатором ёмкостью 22 пФ. Третий вывод не используется, и его желательно подключать к общему проводу платы. На четвёртый вывод микросхемы подаётся напряжение питания через резистор высокого сопротивления. К этому выводу, между общим проводом, должен быть подключён сглаживающий конденсатор, который так же можно зашунтировать резистором высокого сопротивления. Пятый и шестой выводы соединены вместе и подключены к стоку внутреннего силового высоковольтного MOSFET-транзистора микросхемы, работающего в ключевом режиме. Седьмой и восьмой выводы микросхемы так же соединены вместе, и между этими выводами и общим проводом устанавливается резистор низкого сопротивления, задающий выходной стабилизированный ток нагрузки драйвера. Типовая схема включения микросхемы WS3441A, представленная в официальной технической документации на неё, приведена на рисунке ниже:

Типовая схема включения микросхемы WS3441AS8P

Так вот, как раз от номинала резистора R_CS, подключённого между общим проводом и выводами CS микросхемы, и зависит величина пикового тока через накопительный дроссель, а непосредственно ток через светодиоды равен половине этой величины. Формула для расчёта этих значений приведена в документации. Изначально на плате драйвера, в качестве резистора R_CS, был установлен резистор с сопротивлением 1,3 Ом, а для рекомендуемого щадящего тока для используемых светодиодов силой 100 мА, по формулам получается значение сопротивления указанного резистора величиной в 2 Ом. На плате этот резистор находился под позиционным номером R3, и он успешно был заменён другим резистором поверхностного монтажа нужного сопротивления:

Формулы для расчёта силы тока и замена резистора R3

После такой переделки плата драйвера снова была временно соединена со светодиодной матрицей, а на вход было подано напряжение питающей осветительной сети значением 230 Вольт. При этом через саму матрицу протекал ток силой 90 мА, а падение напряжения на ней составило 40 Вольт. Этот ток меньше рекомендуемого для используемых светодиодов, и уже спокойно можно питать эту матрицу данным переделанным светодиодным драйвером, светодиоды в таком режиме прослужат долго и не будут перегреваться, а их яркость упадёт незначительно:

Измерение значений напряжения и силы тока драйвера с подключённой матрицей

Самостоятельная сборка светодиодной лампы

Окончательную схему всей лампы с переделанным светодиодным драйвером на микросхеме WS3441A, под используемую светодиодную матрицу, можно посмотреть на рисунке ниже. Нумерация радиокомпонентов и их номиналы, соответствуют позиционным обозначениям на физической плате и маркировке на реально установленных элементах.

Переменное напряжение сети подаётся на цоколь типа E27, с которого поступает на диодный мост BD типа MB10S. Далее пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются высоковольтным электролитическим конденсатором фильтра, ёмкостью 6,8 мкФ. Просим обратить Ваше внимание на то, что на принципиальной схеме, для удобства начертания, в качестве общего провода взят положительный полюс выпрямленного сетевого напряжения.

На самом деле, построенные на микросхеме WS3441A преобразователи не имеют гальванической развязки от осветительной сети, и никакого общего провода не существует. Его обозначение можно считать условным, и в данном случае, так как при начертании схемы положительный полюс оказался в нижней части, и к нему подсоединено большее количество элементов, чем к отрицательному, включая нагрузку в виде светодиодной матрицы, то он и был назван общим.

Так что это не ошибка и не опечатка, физически же соединение такого условного общего провода, хоть положительного, хоть отрицательного, с корпусом или другими металлическими частями конструкции устройства запрещено, опять же ввиду отсутствия гальванической развязки с высоким напряжением питающей электросети. Так же, во время работы с подобными устройствами, нужно соблюдать все меры повышенной электробезопасности.

Выпрямительный диод поверхностного монтажа D3 типа ES1J может пропускать прямой ток до 1 Ампер, имеет высокое рабочее обратное напряжение и малое время восстановления. Индуктивность установленного на плате дросселя L1 была специально измерена многофункциональным тестером радиокомпонентов LCR-T4:

Принципиальная электрическая схема простой светодиодная лампа мощностью 6 Вт

Измерение индуктивности накопительного дросселя L1

В качестве корпуса будущей готовой лампы, был взят пластиковый корпус от отслужившей свой срок компактной люминесцентной лампы (КЛЛ) с цоколем типа E27. Вообще если после выхода из строя таких ламп, их корпус не был повреждён и находится в нормальном состоянии, лучше его не выбрасывать, так как обычно такие корпуса имеют подходящие размеры и форму, для сборки в них устройств, напрямую подключаемых к осветительным патронам Е27.

Плата-теплоотвод светодиодной матрицы была приклеена на свой же основной радиатор с помощью специального теплопроводного клея. Этот радиатор пришлось немного подточить по окружности, так как он не помещался в имеющийся корпус. Все места пайки были очищены от остатков флюса, а плата драйвера заизолирована несколькими слоями малярного бумажного скотча. В верхней крышке корпуса был вырезан круг по диаметру устанавливаемой линзы, и большая часть площади была удалена.

Линза лампы представляет собой целую оптическую систему, определённым образом направляющей и рассеивающей световой поток светодиодов. Эта линза плотно вставляется в проделанную круглую прорезь в верхней крышке корпуса, и в дальнейшем дополнительно будет прижиматься упором нижней крышки. Вслед за линзой, в верхнюю крышку вставляется охлаждающая система, вместе со светодиодной матрицей, прорези и пазы на половинках корпуса совмещаются вместе, и корпус туго защёлкивается, надёжно удерживая всю конструкцию светодиодной лампы.

 
Сборка отдельных составляющих частей светодиодной лампы в корпус

Лампа получилась компактной и оригинальной, а за счёт массивного радиатора и отверстий в корпусе, довольно холодной - после одного часа работы, её температура повышается так незначительно, что по сравнению с окружающей средой, на ощупь почти не ощущается, было решено даже не измерять температуру её охлаждающей системы и отдельных светодиодов.

Кроме всего этого, из-за причудливой формы оптической системы, световой поток тоже оказался довольно необычным - он как бы и направленный в одну сторону, и одновременно рассеянный, без чётких теней и засвеченных участков. В документации на повреждённую лампу, от которой взята матрица и оптика, был указан угол светового луча, величиной в 200°. И правда, вдали от самой лампы, на стенах и на полу, свет от неё получается ровным, как у ламп с рассеивающим белым колпаком.

Камера не может точно передать общую интенсивность света, но на снятом изображении можно наблюдать картину свечения самой оптической системы и прохождение световых лучей через неё, вместе с направлением светового потока. Вблизи от самой лампы освещённость неравномерная, но из-за использования нескольких линз разной величины, равномерность наблюдается на некотором удалении от источника света, что хорошо заметно на коротком демонстрационном видеоролике, который прилагается к статье:

 
Картина свечения оптической системы светодиодной лампы и прохождение световых лучей с направлением светового потока

Вот так удачно, используя промышленные компоненты, довольно просто была собрана самодельная светодиодная лампа своими руками. Читатель же, с указанным светодиодным драйвером, может использовать другую подобную, или отличающуюся светодиодную матрицу, и упаковать всё в подходящий корпус с соответствующей системой охлаждения. Главное правильно рассчитать питающий ток светодиодов, что бы не превысить их номинальную или рекомендуемую величину, и искусственно непреднамеренно не сократить срок их службы. Схема самого драйвера очень простая, и имея нужные радиокомпоненты, её так же можно собрать самостоятельно, руководствуясь приведённой здесь схемой и официальной технической документацией на микросхему WS3441AS8P. Смотрите так же другие

Статьи по теме светодиодного освещения:

• Простая светодиодная лампа своими руками
• Быстрый ремонт светодиодной лампы
• Светодиодный драйвер повышенной точности на микросхеме LM3406HV
• Автономный светодиодный прожектор на Arduino
• Простой способ стабилизации больших токов с малыми потерями на измерительном элементе
• Инфракрасный датчик препятствия на компараторе LM393
• Высокоэффективная узконаправленная светодиодная лампа в стеклянном корпусе
• Простая и эффективная узконаправленная светодиодная лампа

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• LED драйвер
• Освещение