СмартПульс - держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций

   Главная - Сделай сам! (DIY) - Свет и освещение - Светодиодная лампа COB с питанием от сети 220 В: проблемы и решения

Светодиодная лампа COB с питанием от сети 220 В: проблемы и решения (обзор)

Предисловие

Этот обзор посвящен компактной COB-лампе и особенностям её применения: в каких случаях её нельзя применять "как есть", в каких случаях её можно применять с прямым питанием от сети 220 В; и в каких - только с дополнительной (хотя и относительно простой) системой питания.

Оглавление

1. Что такое COB-лампа (светильник)?
 

2. Характеристики и конструкция COB-лампы
 

3. Тест лампы COB "как она есть" (прямое подключение к сети 220 В)
 

4. Тест лампы COB с импульсным драйвером
 

5. Окончательный диагноз

Что такое COB-лампа (светильник)?

COB расшифровывается как "Chip on Board" /чип (или чипы) на плате/.

Такие лампы представляют собой некоторый массив светодиодов (они и названы здесь чипами), размещённых в непосредственной близости друг к другу на одной подложке. Чаще всего они располагаются на трёхслойной подложке со структурой: металлизация (в виде печатных проводников, соединяющих светодиоды) - диэлектрик - металлическая (алюминиевая) пластина.

Верхний слой металлизации вместе с диэлектрическим слоем при этом образуют рисунок печатной платы, на которую нанесены светодиоды; а затем эта конструкция заливается прозрачным пластиком или силиконом. Таким образом, все светодиоды оказываются в едином корпусе; в отличие от обычных ламп на основе SMD-светодиодов, каждый из которых расположен в собственном персональном корпусе; а уже затем все они припаиваются к плате.

Благодаря более компактному расположению светодиодов, лампы на основе массивов светодиодов в конструктиве COB лучше подходят для создания прожекторов и других источников концентрированного света.

Но в применении COB-светодиодов из-за их тесного расположения повышаются и требования к теплоотводу, поскольку на малой площади выделяется большое количество тепла.

По существу, COB-пластина в обязательном порядке должна быть установлена на теплоотводе; и причем теплоотвод должен располагаться прямо под светодиодами. Желательно, естественно, и применение термоинтерфейса между COB-ом и теплоотводом (радиатором).

Теперь от общей теории перейдём к конкретному изделию.
 

Характеристики и конструкция COB-лампы

Основные характеристики COB-лампы (светильника):

Мощность: 50 Вт;

Цветовая температура: Warm White (тёплый белый) 2800-3200K;

Угол рассеяния: 120 градусов;

Питание: сеть 220 В (AC);

Габариты: 60*40*2.5 мм

Масса: 12 г
 

Так выглядит тестируемая плата сверху:

Все элементы платы, кроме двух контактных площадок, залиты слоем силикона, обеспечивающим электробезопасность устройства и повышающим механическую прочность. Силикон, которым залиты светодиоды, одновременно служит и люминофором, создающим цветовой оттенок лампы (в данном случае - "белый тёплый"). Силикон - это упругий материал, благодаря чему уменьшаются механические напряжения в элементах на плате при изменении температуры и сопутствующих сжатиях/расширениях их линейных размеров.

Купить протестированную COB-лампу можно, например, у этого продавца на Алиэкспресс. Цена на дату обзора - около $1.4. Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

В центре находится большой желтый квадрат - это и есть массив светодиодов COB. Они здесь расположены в виде матрицы 8*9; итого - 72 светодиода, соединённых последовательно.

Также на плате расположены 5 чипов линейных стабилизаторов тока (драйверов), работающих параллельно. Тип стабилизатора, предположительно, - CYT1000A (datasheet). Каждый чип соединён с токозадающим резистором 8.2 Ом. Это позволяет рассчитать ток стабилизации по формуле, указанной в datasheet CYT1000A: 600 мВ / 8.2 Ом = 73.2 мА.

Итого, все пять стабилизаторов дадут ток 366 мА.

Линейные стабилизаторы имеют КПД несколько хуже импульсных, но зато у них более простая схема и меньше габариты; и, главное, они банально дешевле.

Питание на драйверы подаётся через выпрямительный мост (рядом с контактной площадкой "N") безо всяких сглаживающих конденсаторов (внимание, это - очень важный факт!).

Правда, выяснилось это уже после покупки этой COB-лампы, и именно из этого факта будут проистекать описанные далее проблемы и противопоказания к применению.

На краю платы расположены контакты для подключения сетевого питания, обозначенные L и N. Это - единственная часть лампы, не защищённая от случайного прикосновения к высокому напряжению.

Соответственно, если лампа не будет находиться под защитой стекла прожектора или корпуса иного светильника, то эти контакты надо защитить, например, густо замазав силиконом.

На обратной стороне лампы COB - просто "голый" алюминий:

Теперь переходим к испытаниям.
 

Тест лампы COB "как она есть" (прямое подключение к сети 220 В)

Перед всеми испытаниями лампа была прикреплена к ставшему ненужным кулеру для процессора Socket 462. В качестве термоинтерфейса использовалось надёжное древнесоветское средство - смазка-паста ЦИАТИМ-221.

Вентилятор приподнят над опорой с помощью ножек, сделанных путём надевания втулок на шурупы, соединяющие вентилятор и радиатор.

Для прикрепления лампы к кулеру использовались не винты, а термостойкий силиконовый клей (чтобы не возиться с нарезанием резьбы в таком вязком материале, как алюминий). Вид сверху:

Три тонких провода, уходящих в сторону - это питание вентилятора (белый провод - от датчика оборотов, не использовался).

Испытания проводились как с включением штатного вентилятора, так и без включения.

1. Потребляемая мощность в момент включения составила 52 Вт, так что заявленные в характеристиках 50 Вт полностью подтвердились (что довольно редко встречается у китайских производителей).

Но надо иметь в виду, что в схемах с линейными стабилизаторами существенная часть мощности рассевается не на светодиодах, а на стабилизаторах. В типовых случаях это 20-30% общей мощности.

Но самое интересное выяснилось с помощью ваттметра при наблюдении за его показаниями в течение получаса. Оказалось, что по мере прогрева этой COB-лампы потребляемая мощность падает!

Падение оказалось очень значительным: до 25.5 Вт, т.е. чуть больше, чем вдвое (вентилятор был выключен).

Механизм этого снижения заложен в системе защиты светодиодных драйверов лампы CYT1000A: при повышении их температуры сверх критического порога драйверы снижают ток в нагрузке. Но следует иметь в виду, что драйверы снижают ток, ориентируясь на собственную температуру: о температуре светодиодов они ничего не знают.

В данном случае использовался теплоотвод без принудительной вентиляции. В конце процесса снижения мощности температура стабилизировалась на уровне 122 градусов; тепловой снимок в установившемся режиме:

То есть, использование этого COB светильника с пассивным радиатором возможно, но при этом будет происходить значительная потеря мощности.

Избежать этого можно, естественно, улучшив охлаждение COB-светильника, например, за счёт принудительной вентиляции (будет описано далее).

Следующее испытание - с включённым вентилятором на малых оборотах (напряжение питания от внешнего источника для снижения уровня шума составляло 7 В вместо номинальных 12 В ).

В этом случае мощность, хотя и снижается, но остаётся на уровне  41 Вт, температура - на уровне 111 градусов:

Яркость светильника при этом была просто огромной: смотреть было так же невозможно, как и на Солнце!

А теперь перейдём к главной обнаруженной проблеме - пульсациям яркости.

Сначала - теория в двух словах, откуда берутся пульсации.

Светодиоды питаются здесь несглаженным напряжением выпрямленной синусоиды. Рабочее напряжение каждого светодиода - около 3 В, итого для 72 светодиодов - 216 В.

Напряжение выпрямленной синусоиды с действующим значением 220 В меняется от нуля до 311 В.

Таким образом, грубо говоря, когда входное синусоидальное напряжение превышает 216 В, светодиоды светятся; а когда ниже, то нет.

В результате получаем пульсации света с удвоенной частотой сети (за счет двухполупериодного выпрямления).

В данном случае пульсации яркости света были проверены с помощью колхозного (самодельного) датчика, сделанного из солнечной панели убитого калькулятора (инструкция по изготовлению и применению).

И вот осциллограмма яркости света тестируемой COB-лампы:

Как можно видеть, яркость имеет огромные пульсации, с падением до нуля в промежутках между импульсами. Неровная форма вершин импульсов, возможно, связана с тем, что драйверы пытаются регулировать силу тока в зависимости от температуры прямо в течение импульса.

Пульсации света легко обнаруживаются элементарным карандашно-стробоскопическим способом; и так же хорошо заметны на движущихся предметах или при движении глаз из стороны в сторону.

Иными словами, постоянное пользование такой лампой может быть не только неприятным, но и опасным для зрения.

Это и есть последствия отсутствия сглаживающего конденсатора в выпрямителе этой лампы. Конденсаторы стоят недорого, но их установка нарушила бы плоскую "идеологию" конструкции лампы.

Дорабатывать эту плату с установкой сглаживающего конденсатора после выпрямительного моста нельзя в принципе: в этом случае средняя мощность на плате повысится до той мощности, которая равна максимальной мощности в импульсе, т.е. увеличится примерно вдвое. А уже отсюда происходит падение КПД (это - как минимальное последствие); а также возможны перегрев и выход из строя (как максимальные последствия).

К этому надо добавить, что борьба с перегревом с помощью вентилятора технически усложняет светильник: для вентилятора потребуется свой дополнительный источник питания.

Какой выход?! Он есть - установка для лампы импульсного драйвера. Об этом - в следующей главе статьи.
 

Тест лампы COB с импульсным драйвером

Итак, длительная работа с таким источником света противопоказана: очень большие пульсации яркости будут раздражать пользователя психологически и даже могут быть вредны для зрения.

Что делать?!

Самый простой, хотя и не самый дешевый выход - применить последовательно с COB-лампой дополнительный светодиодный драйвер импульсного типа. Выглядят они вот так:

Такие драйверы имеют высокий КПД и обеспечивают немерцающий свет, подробное описание - в этой статье.

Тонкость выбора драйвера состоит в том, что его надо выбирать на более низкий ток, чем тот, который отдаёт в нагрузку штатный драйвер. А это, в свою очередь, связано с тем, что при последовательном соединении источников тока работать будет только тот из них, который отдаёт меньший ток; а второй уйдёт в насыщение (сожмётся в точку со схемотехнической точки зрения). "Просто поверьте, а поймёте потом" ©.

В тестируемой светодиодной COB лампе расчетный суммарный ток стабилизации линейных драйверов составляет 366 мА (это подтверждается осциллограммой тока).

Таким образом, применяя серийный импульсный светодиодный драйвер с током выхода 220-230 мА, можно выполнить данное условие, и получить мощность в светодиодах около 48.6 Вт (падение напряжения на 72-х светодиодах, составляющее в 216 В, умножаем на ток 225 мА).

Так выглядел макет этой системы:

Особенность схемы - питание вентилятора тем же током, что и светодиодов (т.е. вентилятор был последовательно включен в цепь питания светодиодов). Поскольку ток для питания светодиодов оказался значительно выше, чем требуется для вентилятора, то для ограничения тока и напряжения на вентиляторе параллельно ему были включены стабилитрон Д814А (номинал 8 В) и резистор 100 Ом. В результате на вентиляторе получилось требуемое для "спокойной" работы напряжение 7 В.

Первый тест макета - с выключенным вентилятором, в результате получился дикий перегрев светодиодов (до 162 градусов):

Ваттметр показал потребляемую мощность в момент включения чуть ниже расчётной - 42 Вт. Но яркость свечения всё равно была колоссальная!

Каким-то чудом светодиоды во время этого эксперимента не сгорели; но стало ясно, что без принудительной вентиляции этот COB-светильник включать нельзя.

Кстати, обратите внимание на этом термоснимке, что, в отличие от случая с прямым подключением COB-лампы к сети 220 В, микросхемы драйверов на пластине лампы почти не греются: их температура примерно равна температуре окружающей их подложки. Поэтому и не сработала их температурная защита: с точки зрения этих микросхем ничего особенного не происходило!

Следующий эксперимент - с включенным вентилятором:

При включенном вентиляторе температура COB-лампы остаётся в рамках приемлемой; в таком варианте светильником пользоваться можно и нужно. Остаётся только защитить все открытые части с высоким напряжением. Внимание! Это - обязательно!

По мере прогрева потребляемая мощность немного снизилась, но чуть менее, чем на 2 Вт. Но это снижение - естественное: оно возникает из-за смещения вольт-амперной характеристики светодиодов при изменении температуры.

Поскольку эксперимент закончился удачно, была произведена окончательная сборка COB светильника с импульсным драйвером:

Корпус импульсного драйвера тоже был приклеен к радиатору термостойким силиконовым клеем. Приклеивать лучше как можно дальше от COB-лампы (там температура ниже).

В качестве корпуса для импульсного светодиодного драйвера был использован небольшой отрезок кабельного короба 16*25 мм. Но, видимо, такая защита от случайного прикосновения к высоковольтным элементам будет недостаточной, если в доме есть дети.
 

Окончательный диагноз

Самое главное: в любом варианте использования протестированного COB светильника ему необходим высокоэффективный теплоотвод: либо пассивный теплоотвод с большой площадью поверхности; либо с не очень большой площадью поверхности, но зато с принудительной вентиляцией.

Использовать этот COB светильник (и аналогичные ему) с прямым подключением к сети 220 В можно только в тех помещениях, где люди находятся непродолжительное время, например, в кладовках, чуланах, чердаках, гаражах и прочих подсобных помещениях. Можно использовать и в уличных прожекторах.

Причина такого ограничения сферы применения - в огромных пульсациях яркости света на относительно низкой частоте (100 Гц).

Использование этого светильника совместно с импульсным светодиодным драйвером расширяет сферу его применения без ограничения. В итоге получаем очень мощный источник света без пульсаций яркости - то, что доктор прописал!

Именно тот светильник, который участвовал в этом обзоре, был расположен на шкафу с направлением света на потолок для создания рассеянного заполняющего освещения в комнате.

Купить протестированную COB-лампу можно, например, у этого продавца на Алиэкспресс. Цена на дату обзора - около $1.4; в дальнейшем может меняться, проверяйте!

Можно рассмотреть покупку COB-ламп без собственных линейных драйверов на борту, но для них может потребоваться подобрать свой источник питания; иногда - с нестандартным напряжением.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

При составлении материала использовался тепловизор UNI-T UTi260M (обзор).

На Главную

  Ваш Доктор.
 26 мая 2024 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте: