Простая и эффективная узконаправленная светодиодная лампа

За последние два года, на рынке появилось несколько моделей высокоэффективных светодиодных ламп в стеклянных корпусах, с узконаправленным световым потоком. На коробках таких ламп, заявленный срок службы указан 50000 часов, что при непрерывном свечении даёт возможность использования до шести лет. Но стекло, даже специализированное, является не лучшим проводником тепла, и как и ожидалось, лампы начали выходить из строя уже примерно после одного года их эксплуатации. Цена покупки отнюдь не низкая, и было решено попытаться отремонтировать их с минимальными затратами. Переделка одной из подобных ламп, которая после этого светит уже почти год, была рассмотрена в ранней статье, ну а здесь будет описан ремонт и доработка стеклянной светодиодной лампы другой модификации.

От производителя лампа имеет следующие заявленные технические характеристики, указанные на её корпусе:

Внешний вид стеклянной светодиодной лампы и нанесённые на корпус характеристики

Вскрытие / Диагностика

Продолговатый корпус лампы полностью выполнен из стекла. С одной его стороны запрессованы контакты цоколя, а с дугой имеется рифлёная пластиковая линза-рассеиватель, которую в первую очередь и нужно снять для получения доступа к внутренностям. Вышедшие из строя лампы были помечены с неисправностью "не включается, не светит" и заменены новыми.

Устройство каждой из лампы, состоит из круглого радиатора, с установленными на нём шестью последовательно соединёнными светодиодами, и миниатюрным разъёмом для подачи питания на них, с отдельно установленного, в цилиндрической части корпуса, питающего преобразователя (LED-драйвера). Радиатор со светодиодами становится доступным сразу после снятия направляющей линзы, и он также легко вытаскивается и отсоединяется от драйвера.

После извлечения этого радиатора, светодиоды на нём были проверены источником тока на 100 мА, выдающим напряжение 7,5 Вольт, так как внутри каждого корпуса имеется по два последовательно соединённых светодиода, и общее падение напряжения на них составляет около 6,5 Вольт. Из шести установленных светодиодов, один оказался неисправным, и не светился ни при какой полярности напряжения на нём. Этот светодиод был помечен маркером для дальнейшего демонтажа. Все светодиоды имеют нумерацию, а возле разъёма указана полярность питающего напряжения. В стеклянном корпусе радиатор держался на чём-то, вроде силикона, части которого остались по краям.

Кроме радиатора со светодиодами, было решено также извлечь и осмотреть питающий преобразователь, а заодно и зарисовать его принципиальную схему. Для этого пришлось разломать часть стеклянного корпуса в месте запрессовки контактов цоколя, но это и к лучшему, так как в дальнейшем было решено вообще отказаться от стеклянного корпуса, по причине его низкого тепло-рассеивания.

На плату драйвера одета белая пластиковая втулка, скорее для более эстетичного вида, чем для токо-изоляции, так как корпус прозрачный, и сам по себе диэлектрический. Втулка легко снимается, открывая доступ к радиокомпонентам. Все составляющие части лампы, кроме собственно стеклянного корпуса, можно видеть на картинке ниже:

Из чего состоит светодиодная лампа и как проверить исправность её светодиодов

Питающий преобразователь выполнен на небольшой однослойной плате, с двухсторонним расположением радиоэлементов на ней. Со стороны фольги установлены детали поверхностного монтажа (SMD), а с обратной стороны находятся обычные выводные компоненты. Входное напряжение электросети подаётся на широкий разъём, выводные штырьки которого зажаты в контактах цоколя, а выходное напряжение, для питания светодиодов, снимается с таких же штырьков, только с меньшим шагом, которые вставляются в разъём на радиаторе. Монтаж на удивление выполнен ровно и качественно, деталей немного, и все они установлены не слишком плотно, на достаточном расстоянии друг от друга:

Внешний вид платы питающего преобразователя со всех сторон

Изучение / Ремонт

При внешнем осмотре платы, и после быстрой проверки элементов, повреждений и участков с заниженным электрическим сопротивлением, или коротким замыканием не обнаружено. Во время осмотра была зарисована, а впоследствии и переведена в цифровой формат, принципиальная схема используемого драйвера. Вряд ли кому то понадобится её повторить, но для ремонта подобных ламп вполне сгодится. Хотя схема простая, и при желании повторить её также не составит большого труда. Выполнена она на современной и доступной микросхеме BP9916B, требующей минимальное количество радиокомпонентов для её обвязки.

Микросхема обеспечивает высокий коэффициент полезного действия преобразователя, а ток стабилизации, питающий светодиоды, зависит от сопротивления резисторов в цепи отрицательного вывода питания, и легко рассчитывается по формулам, представленным в технической документации на неё. Нумерация элементов на принципиальной схеме, соответствует маркировке на плате драйвера. Для лучшего понимания и простоты идентификации, обозначения на принципиальной схеме также соответствуют надписям на установленных реальных радиоэлементах, а при необходимости, по этим надписям, легко можно определить их номиналы:

Принципиальная схема светодиодной лампы, 
схема включения микросхемы BP9916B

Входное напряжение сети подаётся на контакты цоколя L (Линия) и N (Нейтральный), и далее через токо-ограничительный резистор-предохранитель F1 поступает на мостовой диодный выпрямитель BD, после чего выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживается фильтром на элементах L1R1 и C1.

Микросхема BP9916B включена по стандартной схеме - резисторы RS1 и RS2, соединённые параллельно друг-другу, определяют ток питания светодиодов, конденсатор C2 является фильтром по цепи питания микросхемы, дроссель L2 накопительный, а конденсатор C3 сглаживает броски тока через светодиоды на выходе преобразователя. Диод D1 открывается и питает нагрузку от накопительного дросселя, во время закрывания силового ключа микросхемы.

Отличительной особенностью данной микросхемы является построение преобразователей без гальванической развязки нагрузки от питающей электросети, что позволяет использовать дроссели вместо трансформаторов, но из-за этого на всех элементах, включая светодиоды, присутствует напряжение сети, что влечёт за собой  повышенные требования к изоляции, и жёсткого соблюдение всех правил и мер электробезопасности, даже при работе со вторичным источником тока.

Ну а теперь вернёмся к ремонту, и попробуем восстановить работоспособность лампы, для возвращения её в строй. Выпаять неисправный светодиод с платы-радиатора не так уж и просто, намного проще выломать его каким-нибудь крепким острым предметом, надавив и провернув ровно посередине корпуса. Для этого был использован самый обычный нож, которым легко произвелось удаление корпуса светодиода. После этого уже свободно можно отпаять оставшиеся на плате выводы по одному, и установить новый исправный светодиод, соответственно правильной полярности, которую легко определить по оставшимся светодиодам и токопроводящим дорожкам.

Это будет если не идеальным, то самым лучшим вариантом (идеальным вариантом будет замена всех светодиодов), но так как изначально было решено производить ремонт с минимальными затратами, то на место удалённого светодиода была запаяна перемычка, восстанавливающая разомкнутую электрическую цепь. Микросхема драйвера определяет минимальное падение напряжения на нагрузке значением в 15 Вольт, а так как на плате-радиаторе ещё осталось пять светодиодов с падением напряжения на каждом в 6,5 Вольт, то в таком случае мы свободно укладываемся в данное ограничение. При этом драйвер, построенный на этой микросхеме, может обеспечивать максимальный ток нагрузки величиной в 120 мА, и в дальнейшем будет измерена сила тока, отдаваемая драйвером в рассматриваемой лампе.

После проведённой процедуры, для проверки работоспособности, восстановленная светодиодная матрица на время была подключена к плате драйвера, посредством имеющегося штатного разъёма, а на вход драйвера подано напряжение осветительной электросети. Все оставшиеся светодиоды ярко засветились, без проблем и дефектов, а что самое главное - без огня, дыма и взрыва:

Удаление повреждённого и проверка работоспособности матрицы светодиодов

За несколько секунд тестирования, радиатор со светодиодами стал очень сильно нагреваться, и было решено в качестве корпуса будущей восстановленной лампы, использовать корпус другой светодиодной лампы, не подлежащей восстановлению, который состоит из пластикового цоколя, и массивного ребристого радиатора, для хорошего отвода тепла от работающих светодиодов. На плате светодиодной матрицы был удалён штатный разъём для подачи питания, а в месте его установки припаяны разноцветные проводники в термостойкой изоляции, взятые от той же донорской лампы.

На плате драйвера разъёмы также были удалены, а другие концы проводников от светодиодной матрицы, припаяны к выходу. Сама плата-теплоотвод была обточена по краям и скруглена до размеров углубления в радиаторе донорской лампы. При включении, все светодиоды светят ярко и не мерцают, но теплоотвод, из-за его небольших размеров, очень быстро сильно нагревается, что конечно отрицательно сказывается на сроке службы светодиодов, какие выносливые бы они не были:

Удаление штатного разъёма и стачивание краёв теплоотвода светодиодной матрицы

Тестовое соединение светодиодов с драйвером и подача напряжения питания

Измерение параметров

До сборки корпуса лампы, были проведены быстрые замеры электрических параметров, а также температуры нагрева теплоотвода, до установки на будущий основной радиатор. Измерения производились мультиметром Aneng AN870, который отображает истинное среднеквадратичное значение (TRUE RMS) переменного тока и напряжения. Это условие обязательно, при замере тока потребления, нагрузкой с низким коэффициентом мощности.

При подаче на вход напряжения питания величиной 230 Вольт, потребляемый устройством ток составил ровно 30 мА. При этом на светодиодной матрице падение напряжения немного превысило 44 В, а протекающий через сами светодиоды ток достиг значения в 80 мА. Отсюда можно вычислить, что потребляемая от сети мощность составляет P_лампы = 230 V x 0,03 A = 6,9 W, что превышает заявленное значение в 4,6 Ватт. Но как видно, производитель указал именно мощность самой светодиодной матрицы, так как в нашем случае, с учётом меньшего количества светодиодов, она потребляет P_{матрицы} = 44 V x 0,08 A = 3,5 W. При наличии всех светодиодов, на ней выделялась бы мощность более 4 Ватт, и используемый теплоотвод явно слишком мал для такой мощности. За время работы 10 секунд его центральная часть успевала нагреваться до значения 75 °C:

Измерение электрических параметров и температуры нагрева радиатора лампы

Переделка / Сборка

При таком сильном нагреве теплоотвода срок службы светодиодов будет сокращен в несколько раз, ещё удивительно, как лампа проработала столько времени, при таком жёстком температурном режиме. Сразу же было решено увеличить площадь рассеивания теплоотвода, и как уже говорилось ранее, для этой цели был использован корпус от другой погибшей светодиодной лампы, где светодиодная матрица устанавливается на дополнительный радиатор, которым служит большая часть самого корпуса.

Теплоотводу со светодиодами, ранее уже была придана соответствующая форма, для помещения и установки в новый корпус. Для этого был использован точильный круг, которым осторожно убираются излишки алюминия. Далее поверхности были обезжирены спиртом, и на сам корпус нанесены капли теплопроводного клея, теплоотвод со светодиодами помещён внутрь, и прижат светонаправляющим рефлектором из пластика с блестящим покрытием и с защёлками, предварительно так же подогнанным по высоте, под новую светодиодную матрицу. На плате драйверы были обрезаны лишние выступающие углы, мешающие его помещению в корпус, все провода припаяны по назначению: входные - к цоколю, а от матрицы - на выход драйвера, а все места пайки тщательно зачищены от остатков флюса:

Установка матрицы на радиатор и подсоединение платы драйвера

Перед окончательной сборкой корпуса, лампа была проверена, подключением её к осветительной сети. Она начала испускать узконаправленный световой поток, и ровно после одного целого часа работы в таком состоянии, температура рассеивающего радиатора не превысила и 45 °C в средней его точке. Убедившись в работоспособности и нормальном тепловом режиме лампы, плата драйвера была заизолирована несколькими слоями бумажного скотча, а затем помещена в полую часть корпуса, который очень легко собирается и фиксируется с помощью защёлок:

Окончательная проверка и сборка светодиодной лампы в корпус

После окончательной сборки лампу можно устанавливать в стандартный патрон типа GU10 и использовать по назначению. Лампа получилась довольно компактной и с холодным типом корпуса, что позволит ей рационально использовать оставшийся ресурс и ещё долго служить освещая нам путь. Благодаря продуманному отражающему рефлектору, её световой поток направленный и довольно ровный, без ярко выраженных участков и теней. Питающий преобразователь тоже хорошо справляется со своей задачей - светодиодная матрица светит хорошо и не мерцает, пульсаций не заметно даже на фото- и видеокамеру. Несмотря на один недостающий светодиод, яркость освещения от лампы над рабочим столом, оказалась достаточной для комфортной работы:

Демонстрация светового потока лампы

Заключение

Таким образом было отремонтировано и восстановлено несколько ламп, работающих уже более полугода. Яркость свечения оригинальных и переделанных отличается не сильно, и их вполне можно использовать в общем массиве, если конечно этого позволяет конструкция патрона, так как новый корпус лампы немного длиннее, по сравнению с оригинальным стеклянным корпусом. Если не лень, имеется желание и интерес, то почему бы в свободное время не сделать полезное дело и вернуть в строй такой прекрасный и нужный осветительный прибор, как светодиодная лампа:

Восстановленные и переделанные высокоэффективные светодиодные лампы

Автор выступает за восстановление и вторичное использование не только ламп, но и другой электроники, так как использовать можно всё, если не по прямому назначению, то хотя бы по деталям и на запчасти, для конструирования других устройств. Не рекомендуется просто выбрасывать, вышедшие из строя из-за одного компонента, электротехнические изделия. ну а если уж выбрасывать, то следует позаботится о будущем и об окружающей среде, и утилизировать вредные отходы правильным образом.

Статьи по теме:

• 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

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• LED драйвер
• Ремонт
• Светодиод