Устройство светодиодной лампы с импульсным драйвером

Рассмотрим устройство типичной дешёвой светодиодной лампы с импульсным драйвером (рис. %img:lamp) на примере модели "ОНЛАЙТ C1215 230V 7W A60 2.7K".
Для сравнения, смотрите также обзор более мощной (12 Вт) лампы этого же производителя: "Устройство светодиодной лампы с импульсным драйвером (часть 2)".

Рис. %img:lamp

Следует отметить, что характеристики ламп этого типа существенно лучше, чем у простейших светодиодных ламп, рассмотренных ранее.

Оглавление
Устройство (простейшей) светодиодной лампы
Светодиодная лампа: схема, работа, ремонт
Устройство светодиодной лампы с импульсным драйвером

Введение
Конструкция, разборка и сборка
Принципиальная схема
Недостатки лампы
Неисправности и ремонт

Устройство светодиодной лампы с импульсным драйвером (часть 2)

Введение

Импульсный драйвер является наилучшим по многим параметрам решением. Он обеспечивает высокий КПД, низкий уровень пульсаций, высокую стабильность тока (которая важна для увеличения срока службы светодиодов). Хорошие характеристики сочетаются с высокой компактностью устройства. Если сравнивать с примитивными лампами на основе емкостного балласта, то импульсный драйвер оказывается даже меньше по объёму при той же мощности.

Несколько странно то, что среди светодиодных ламп можно встретить драйверы иного типа (например, с линейным стабилизатором тока или с емкостным балластом). Особенно это удивительно, если учесть, что светодиодные лампы пришли на смену люминесцентным лампам, в которых уже давно произошёл переход на импульсное питание (электронный балласт) и где оно проявило себя наилучшим образом. Линейные (в смысле не-импульсные) драйверы в светодиодных лампах - шаг назад, возврат к схемотехническим решениям из прошлого века. Конечно, у них есть свои достоинства. Так, они не являются источником электромагнитных помех, в отличие от ламп с импульсным питанием. Конечно, это мало заботит производителей, для них самое привлекательное в линейных драйверах - это предельная проста и дешевизна. Но по комплексу характеристик, они не в состоянии конкурировать с импульсными драйверами.

Конструкция, разборка и сборка

В целом, конструкция рассматриваемой лампы повторяет конструкцию иных дешёвых ламп, например лампы с емкостным балластом. Поэтому подробно останавливаться на данном вопросе не будем.

Всё содержимое лампы находится в колбе из пластика. Колба состоит из двух склеенных частей. Светодиоды размещены на алюминиевой плате, которая по периметру приклеена к нижней части колбы. Плата выполняет функции теплоотвода, дополнительного теплоотвода нет. На отдельной плате находится драйвер, обеспечивающий питание светодиодов.

Разборка и сборка лампы выполняется точно так же, как и рассмотренной ранее лампы с емкостным балластом.

Рис. %img:dis1

Для доступа к содержимому лампы требуется разобрать колбу - разъединить её две склеенные части. Это можно сделать, несколько раз нагревая и охлаждая шов, по которому склеена колба (циклы нагрева-охлаждения также происходят при включении и отключении лампы, поэтому среди бывших в эксплуатации ламп попадаются такие, для разборки которых достаточно просто приложить минимальное усилие). Лампа со снятой верхней частью колбы показана на рис. %img:dis1. Да, пайка проводов к плате светодиодов выглядит неэстетично, но именно так она была выполнена на производстве.

Рис. %img:dis2

Для извлечения платы драйвера и платы со светодиодами потребуется снять цоколь (рис. %img:dis2). Сначала вытягиваем центральный контакт цоколя, после чего откручиваем цоколь от лампы (вначале потребуется приложить значительное усилие, далее цоколь откручивается легко).

Рис. %img:dis3

После снятия цоколя, провода, которыми драйвер подключён к контактам цоколя оказываются освобождены. Это позволяет извлечь плату драйвера вместе с подключённой к ней платой со светодиодами из корпуса (рис. %img:dis3). Для этого сначала поддеваем отвёрткой плату со светодиодами, отделяя её от корпуса, к которому она приклеена пластичным клеем по периметру. Затем проталкиваем плату драйвера (со стороны цоколя в сторону широкой части колбы). Драйвер тоже может быть приклеен к корпусу (со стороны цоколя у самого входа в колбу), в этом случае необходимо осторожно освободить его отвёрткой.

Сборка производится в обратном порядке. Вставляем платы на место, провода к драйверу располагаем соответствующим образом: один должен пройти через центральное отверстие в изоляторе цоколя, второй пропускаем через паз, расположенный по краю колбы и загибаем оголённую часть провода по ходу резьбы. Навинчиваем цоколь, он зажмёт этот провод. Убедившись, что первый провод расположен правильно, вставляем центральный контакт цоколя. Устанавливаем на место плату со светодиодами. При необходимости фиксируем её клеем (если она становится недостаточно плотно). Надеваем верхнюю часть колбы, если она защёлкивается не очень надёжно, приклеиваем её в нескольких точках.

Принципиальная схема

На рис. %img:top, рис. %img:btm приведены фотографии драйвера и платы со светодиодами.

Рис. %img:top

Рис. %img:btm

Схема лампы изображена на рис. %img:cir1.

Рис. %img:cir1

Переменное напряжение сети преобразуется в постоянное с помощью мостового выпрямителя BD1, электролитический конденсатор C1 сглаживает пульсации. Ёмкость используемого здесь конденсатора невелика, поэтому уровень пульсаций выпрямленного напряжения оказывается значительным. Однако, здесь это некритично, так как выпрямленное напряжение используется для питания драйвера и для него эти пульсации являются просто медленными изменениями входного напряжения, которые он в состоянии компенсировать (конечно, при условии, что мгновенные значения напряжения не выходят за допустимые пределы). Параллельно C1 может быть подключён ещё один такой же конденсатор C2, под него зарезервировано место на плате, но в данной модели лампы он не установлен.

Резистор FU на входе служит для ограничения броска тока при включении лампы, возникающего из-за заряда сглаживающего конденсатора C1. Также он выполняет функцию предохранителя.

Выпрямленным сетевым напряжением питается импульсный стабилизатор тока на микросхеме U1. Микросхема имеет обычный трёхвыводной корпус TO-92, но её внешняя простота обманчива. Это довольно продвинутое устройство, которое прекрасно справляется со своими функциями по стабилизации тока, имеет все необходимые встроенные механизмы защиты. При этом микросхема требует минимум внешних компонентов: конденсатор питания микросхемы (C3); токозадающий резистор (RS); а также обязательные для любого импульсного источника элементы - дроссель, диод и сглаживающий конденсатор на выходе (L2, D1, C4). Здесь также имеется дополнительный резистор R2, гарантирующий быстрый разряд конденсатора C4 при отключении питания.

В U1 интегрирован достаточно мощный MOSFET-транзистор, который выполняет функции ключа, подключённого между выводами 2 и 3. Мощность его достаточна, чтобы было возможно обойтись без внешнего силового ключевого элемента. Периодически замыкаясь, ключ микросхемы поддерживает ток через дроссель на требуемом уровне. Ток контролируется по падению напряжения на низкоомном резисторе RS; данная микросхема стабилизирует ток на уровне I_LED = 0.3 / RS. В рассматриваемой лампе установлен резистор с сопротивлением 3 Ом, т.е. ток через нагрузку задан равным 0.1 А (это максимально допустимый ток для микросхемы JW1779). В моменты, когда ключ в U1 размыкается, ток через последовательно соединённые дроссель и нагрузку замыкается через диод D1. В те моменты, когда ключ разомкнут, а значит на выводе 3 (DRAIN) микросхемы присутствует высокий потенциал, специализированный узел микросхемы производит "накачку" конденсатора, подключённого к выводу 1 (VDD). От этого конденсатора микросхема получает низковольтное питание, в том числе и в те моменты, когда потенциал на выводе DRAIN нулевой (при замкнутом MOSFET-ключе).

Конденсатор C4 сглаживает пульсации на выходе драйвера, обеспечивая постоянство тока через нагрузку. Нагрузкой является цепь из последовательно соединённых светодиодов.

Недостатки лампы

Как уже отмечалось, светодиодная лампа с импульсным драйвером имеет ряд достоинств: высокий КПД; высокая стабильность тока; низкий уровень пульсаций.

Вместе с тем, таким лампам присущи и определённые принципиальные трудно устранимые недостатки, впрочем, присущие всем импульсным источникам питания. Вот некоторые из них.

• Импульсный драйвер неизбежно является источником электромагнитных помех. Частично эта проблема может быть решена применением фильтров во входных цепях лампы (в дешёвых моделях этим пренебрегают).
• Схема драйвера получается более сложной по сравнению с примитивными линейными вариантами. Однако сам драйвер по объёму оказывается даже меньше, чем, например, драйвер лампы с емкостным балластом той же мощности.
• Схема драйвера включает, как минимум, одну индуктивность (или более, если имеется фильтр электромагнитных помех), а эти элементы являются сравнительно дорогими и увеличивают стоимость изделия.
• Как и прочие импульсные источники питания, лампа с импульсным драйвером являются нелинейной нагрузкой для сети.
• Обладает отрицательным входным дифференциальным сопротивлением (как потребитель постоянной мощности - при уменьшении напряжения питания, потребляемый ток возрастает).

В дополнении к общим, лампа может иметь недостатки, обусловленные стремлением производителя минимизировать затраты на её производство. Что касается данной лампы, можно отметить следующее.

• Отсутствует фильтр электромагнитных помех на входе (впрочем, наивно было бы ожидать его присутствия в лампе из низшего ценового диапазона).
• Занижена ёмкость сглаживающего конденсатора на входе, что обуславливает чрезмерный уровень пульсации напряжения на нём; это не приводит к высокому уровню пульсации тока на светодиодах, но может снизить срок службы самого конденсатора.
• Микросхема работает в предельном режиме по току (ток задан на уровне максимально допустимого, 0.1 А), что вызывает значительный нагрев микросхемы, которая и без того работает в тяжёлых условиях из-за расположенных поблизости светодиодов, выделяющих большое количество тепла. О том, что микросхема подвергается сильному нагреву, свидетельствует потемнение стеклотекстолита вокруг неё (рис. %img:top), которое появляется уже после непродолжительной эксплуатации лампы.
• Наконец, как и у прочих дешёвых ламп, отвод тепла от светодиодов совершенно недостаточен, в результате чего они работают в условиях перегрева. Это понятным образом сказывается на сроке службы.

Некоторые из названных недостатков устранены производителем в более мощной модели лампы, смотрите "Устройство светодиодной лампы с импульсным драйвером (часть 2)".

Неисправности и ремонт

Типичная неисправность подобных ламп - всё то же выгорание светодиодов из-за перегрева и работы в предельных режимах по току. Сложилась просто чудовищная ситуация - как будто эти лампы специально проектируются на ограниченный срок службы, с расчётом на быстрый выход из строя. В то время как потенциально светодиодные лампы способны работать в течение многих лет.

Ремонт, соответственно, сводится к выявлению и замене неисправных светодиодов (либо замене сразу всех на светодиоды желаемого типа). Подробно процесс описывается в статье "Светодиодная лампа: схема, работа, ремонт", где рассматривается ремонт лампы с емкостным балластом. В части замены светодиодов, тип драйвера значения не имеет.

После замены светодиодов, следует снизить ток на выходе драйвера. Во-первых, он не должен превышать 80% от максимально допустимого тока для данных светодиодов. Во-вторых, рассеиваемая на светодиодах мощность не должна превышать значений, при которых нагрев становится недопустимо сильным (с учётом возможностей теплоотвода). Для рассматриваемой лампы не стоит добиваться мощности свыше 5 Вт.

Ток регулируется подбором резисторов RS, используемая в лампе микросхема JW1779 стабилизирует ток на уровне I_LED = 0.3 / RS. Установленный резистор RS2 с сопротивлением 3 Ом задаёт ток равным 0.1 А. Его следует заменить резистором с сопротивлением 3.9 Ом, а ещё лучше 5.1 Ом или 5.6 Ом (если не предполагается замена светодиодов на светодиоды другого типа).

Далее смотрите обзор более мощной светодиодной лампы с импульсным драйвером: "Устройство светодиодной лампы с импульсным драйвером (часть 2)".