Ремонт светодиодных ламп и приведение к максимально возможному идеалу на примере Gauss e14 6W

ВТОРАЯ часть пока что дилогии.

Часть 1 тут: https://overclockers.ru/blog/Mostack/show/201266/Degradaciya-svetodiodov-na-primere-pochernevshej-ot-vremeni-E27-lampy-Gauss-ot-2014-goda

По непонятной причине, точнее по наследству от ламп накаливания, основным и самым крупным на коробке параметром лампы является ее мощность. Чем больше сожрала электричества — тем видимо лучше. И уже на этом этапе половину продающегося можно перемещать сразу на помойку, ибо даже вот эти метровые цифры во всю упаковку намерять на устройстве получается не всегда.

Далее чуть мельче идет имеющий смысл световой поток, хотя на этом этапе многие сходят с дистанции запрятав циферки в какую то невообразимую даль. Казалось бы — чего уж стесняться то после мощности?

Хотя именно мощность приводит к нагреву и цель должна формулироваться иначе: максимум света при допустимых параметрах. Параметрах чего? - Конечно светодиодов!

Практически все лампы работают в жестком перегреве, что приводит к гонке что сгорит первым: светодиод или электролитический конденсатор. Остальные компоненты намного устойчивее к температурам.

В общем основная причина отвала светодиодных ламп — ГОРЯЧО, вследствие чего имеем:

- выгорающие светодиоды. Предел долгосрочной эксплуатации светодиодов по даташитам — 85С на контактных площадках. А чтобы совсем долго - лучше еще десяточку сбросить

- умирающие и взрывающиеся конденсаторы. Причем лампа может работать даже с мертвым конденсатором, но при чудовищном уровне пульсаций. Конденсаторы конечно работают до 105С, но в документации на этой температуре срок службы обычно составляет 2000 часов. Есть конечно и по 8000-10 000 часов, но их цена за штуку примерно равна стоимости всей лампы. Так что и тут 20-30 градусов надо скинуть

Так что просто исходя из документации оптимальная температура компонентов лампы не должна уходить за 75-80С (корпус ниже 70С). И только при этом условии можно начать думать о долговечности и десятках тысяч часов.

Сгоревшие конденсаторы и светодиоды достаточно легко меняются, процесс не особо требует голову - рутина. При цене простых ламп особого смысла и интереса в этом нет, разве что как хобби. А вот сделать что-то этакое, улучшить на пути к идеалу в отдельно взятой голове — оно завсегда интересно. И это возможно! Главное найти тот путь в светлое светодиодное будущее, которого всеми силами избегают производители ламп. Есть конечно и подводные камни: не со всеми сгоревшими лампами это возможно просто из-за неудобного расположения дорожек на плате светодиодов, или ущербного драйвера, но хоть как-то улучшить можно практически что угодно. А творческий процесс — он затягивает. В конце концов некоторые бисером вышивают — чем лампочки хуже?

По хорошему конечно стоило бы проинспектировать, замерить, переделать лампы пока они новые, но кто же откажется отложить на несколько лет то, что можно сделать сегодня!? Зато это позволяет отсечь совсем уж мусор, выгорающий на первых месяцах жизни, чинить который — только настроение себе портить. Продержалась лампа несколько лет — значит годный экземпляр для паталогоанатома. Есть, есть в такой потенциал и скрытые возможности для создания Франкенштейна! Естественный отбор придуман не зря!

Из инструментов понадобится паяльник, мультиметр, универсальный тестер элементов, ваттметр, да паяльный столик с али (желательно приделать к нему хотя бы самый тупой термовыключатель, типа KSD301 градусов на 200-220 (уж больно они тормозные, да с плавающим параметрами), чтобы не перегреть ремонтируемую плату). Припой — народный ПОС-61, флюс — с головой NC-559, отмывка флюса любая (у меня баллончик изопропанола).

В принципе все это (ну разве что кроме столика) давно должно быть у любого человека с руками. Хотя так же очень желателен для любых паяльных работ регулируемый источник питания для проверки чего угодно. Можно и обойтись, но работу облегчает значительно и стоит недорого.

Остальные используемые приборы (калибратор/спектрограф, тепловизор, осциллограф) стоят на порядок с лишним дороже базового набора, но при ремонте ламп нужны исключительно для интереса — «что это мы такое наваяли», да для написания статей. Даже температуру можно измерить на ощупь: «Начиная с 60 градусов погибают болезнетворные бактерии. Выше 65 градусов — мышечные волокна сокращаются все сильнее и мясо начинает терять влагу. При температуре, близкой к 80 градусам, начинает испаряться содержащаяся в мясе вода» ;)

Ну-с, приступим!

Итак, нам с большой вероятностью понадобится горсть электролитических конденсаторов - редкая лампа через несколько лет работы не требует их замены. Практически все разнообразие встречающихся номиналов можно заменить на 4.7mF 400V с минимально возможным ESR, желательно 6 Ом и ниже. Более крупные не везде влезут, но если есть и они, и место — почему бы и нет. Кстати пожелтевшая от температуры плата под конденсатором сразу говорит, что конденсатор уже не особо конденсатор даже несмотря на сохранившуюся емкость: ESR там 30 Ом и выше. Через камеру смартфона на лампе могут быть жуткие пульсации, которых раньше не было.

Так же нужна приличная горсть светодиодов. Можно брать нонейм с али по 1-1.5 рубля — достаточно приличные обычные светодиоды с CRI ~82 как в большинстве ламп. Ну или мне везет. Можно заморочиться и поискать с CRI 90+, но это сложнее, мало кто указывает. И задачка на золотую медаль — найти новомодные светодиоды солнечного спектра Sunlike с CRI 97-98 и получить в посылке именно их. Это уже дороже, по 5-6 р/шт. К слову лампы с таким счастьем стоят от 500 до 2000р — так что появляется даже финансовый интерес к процессу. Максимально универсальные 1W, 100mA, 9V и 1W, 150mA, 6V

Но тупой ремонт мало интересен: «снял светодиоды — запаял светодиоды. Всем спасибо, все свободны!». Так что переходим к более тонкой материи! А точнее к даташитам на светодиоды smd 2835. Хотя бы вот к везде валяющемуся LED 2835 CREE datasheet.pdf 

Откуда можно вынести следующие закономерности:

1. Зависимость Ток-Световой поток нелинейная. Если уменьшить ток вдвое и поставить два светодиода параллельно вместо одного - яркость вырастет на 10%, (а КПД Lum/W на 15-20%). Правда светодиодов понадобится вдвое больше. Расчет произведен по фотографии, точнее по графикам, т. е. с довольно большой погрешностью. Увы, но таблицы цифровых параметров никто не дает. Красное дорисовано мною:

До 50% номинального тока ( 75mA) яркость растет линейно, ниже лезть смысла нет, да и возникнет проблемка с подбором светодиодов и параметров. Так что яркость на 75mA = 55%. По второму графику 75mA x 2.78V = 0.209W, яркость 55%/0.209W = 263 %/Вт - вот и получили КПД. 

Теперь 100% номинального тока:

150mA х 3.00V = 0.45W, яркость 100%/0.45W = 222 %/W 

Откуда видно, что при 50% токе КПД выше: 263/222 = 118,5. Рост 18%!

Можно еще чуток повращать цифры для варианта замены 1 светодиода на 2 параллельных:

2х55% = 110% яркости, при 0.209W*2 = 0.418W

0.418W/0.45W = 0.929 - > -7,1% потребления

2. Теперь лечим по другой фотографии, «Световой поток-Температура»:

Выходит примерно как-то так (потери яркости на каждые 10С):

Так что если в 1 пункте потребление упало на 7%, то соответственно упала и температура, что дает еще 1-3% яркости.

Таким образом можно говорить, что суммарный КПД при снижении тока вдвое от номинала вырастает на 20%

Теперь появляется множество вариантов с половинным током:

- тупо напаять светодиоды такой же суммарной мощностью - получить +20% с свету

- напаять светодиоды суммарной мощностью -20% и получить яркость, какая была у исходной лампы, минус 20% потребления/нагрева

- любые промежуточные варианты

- самый простой вариант: ничего не считая каждый светодиод заменить на 2 аналогичных параллельно и получить нечто среднее: +10% яркости, -7% потребления и нагрева

В принципе достаточно понять и принять (можно даже пройти все «5 стадий принятия неизбежного» при желании) несколько положений :

- можно поставить практически любые светодиоды в практически любую лампу, главное не превышать номинальный ток устанавливаемого светодиода

- сила тока задается одним-двумя резисторами на ноге микросхемы (ниже на фото обвел красным). Зависимость эта крайне проста и линейна: увеличивая номинал резистора на 20% - уменьшаем ток на 20%. И наоборот. Не забываем, как считается сопротивление при параллельном соединении, если резистора два. Или забываем и пользуемся кучей онлайн калькуляторов

- суммарная мощность устанавливаемых светодиодов зависит исключительно от допускаемой вами температуры лампы. Это к слову кто в ответе за все

- если на вашем драйвере не нашлось микросхемы, а только диодный мост с конденсаторами — нуегонафиг. Пульсации таких драйверов здоровья не добавляют, выходные параметры не стабилизированы и плывут при любом отклонении напряжения сети от 230V

Далее рассмотрим разводку платы светодиодов. Вдруг повезло и попалась идеальная?

- таковой является плата с широкими дорожками превышающими ширину светодиода хотя бы в 1.5 раза. В этом случае все делается легко и просто — площадки светодидов ножом дочищаются в ширину так, чтобы можно было поставить два светодиода параллельно

- дорожки узкие, но светодиодов как игрушек на елке. Скорее всего это куча слабых светодиодов 0,3-0,45W с низким током и напряжением. Тоже удобный вариант: ставим светодиоды с бОльшим током, а на драйвере ставим половину от него. По итоговой мощности будет понятно что куда подкрутить, если понадобится.

- хотя бы на поворотах дорожек можно зачистить места и поставить часть светодиодов параллельно. Остальные пусть остаются последовательно. Процентов на 10 снизить ток и яркость будет близка к изначальной при снижении температуры и потребления. Вариант дурацкий и мало чего дающий кроме морального удовлетворения

- и самый неприятный вариант: дорожки узкие, светодиодов по пальцам руки, да на 150mA, а корпус лампы греется за 80-90С. Тут остается только попрощаться с яркостью: поставить новые светодиоды и понизить ток процентов на 30%. Или сколько понадобится для приемлемой температуры, отыграв немного яркости от ее снижения (~2,2% на каждые 10С). Конечно можно нарезать дорожку на мелкие кусочки соединив площадки светодиодов как душе угодно проводками, но это оставим для истинных маньяков.

- можно комбинировать перечисленные варианты в любых пропорциях

Переходим к практике. Точнее можете переходить, а я покажу вам результат. Для чистоты эксперимента было взято 2 одинаковых лампы GAUSS Elementary 6W из вытяжки на кухне так же примерно 10 летней давности. Горели не так, чтобы долго, но место горячее. Обе с уже частично сгоревшими светодиодами:

 11 штук последовательно соединенных: 0.148mA x 3.137V = 0.463W каждый. Соответственно полное потребление 11 шт должно быть 5.093W (без учета драйвера). Запомним этот твит!

Ток 148mA меня в данном случае удовлетворил и менять не буду.

Лампа 1. Полуваттные светодиоды никогда не закупал, просто нет смысла. Так что вместо 11 ставим 5,5 шт. Хотя нет, лучше 5 шт 1W, 6V, 150mA (1.5*5 = 7.5 рублей), на остальные места вешаем перемычки. Просто, тупо, работает. Практически заводское состояние! А с учетом прогресса за прошедшие годы — так и поярче будет.

Лампа 2. Начинаем упарываться и ставить 10 диодов параллельными парами (1.5х10 = 15 рублей). Места нашлись с трудом, в двух пришлось подкладывать проволочку — никак на маленькое пятно не садились вдвоем, один из все время съезжал.

1. 

30.54V x 148mA = 4.52W

T = 67,3С / 72,1С (корпус/led плата) Разница всего 5С — из-за термопасты КПТ-8

2. 28.70V х 148mA = 4.25W

T = 60,9С / 64С (корпус/led плата) Разница всего 3С опять же с термопастой

Измерения с помощью X-Rite ColorMunki Photo + Argyll V3.3.0

Лампа 1

Ambient = 4786.2 Lux, CCT = 4258K (Duv 0.0011)

Color Rendering Index (Ra) = 83.1 [ R9 = 8.2 ]

Лампа 2

Ambient = 5320.2 Lux, CCT = 4193K (Duv 0.0014)

Color Rendering Index (Ra) = 83.5 [ R9 = 10.0 ]

Результат: +11.2% яркости (5320.2/4786.2), потребление -6% (4.25W/4.52W), температура -9,5% (60.9С/67.3С)

Приятно, когда теория подтверждается на практике! Поэтому можно переходить к уже действительно стоящим вещам: установке светодиодов Sunlike. Работа точно такая же, а результат — аналог лампы за несколько сотен рублей из чего-то сгоревшего.

Выводы:

- практически любая лампа имеет ~20% запас на улучшение, который можно распределить по своему желанию между потреблением/температурой и яркостью.

- светодиоды стоят копейки (1.5р/шт), ремонт, особенно с доработкой, имеет смысл. Но еще больший смысл имеет установка хороших Sunlike светодиодов (5-6р/шт), ибо ламп с ними мало, а стоят они как самолет. Легким движением руки сгоревшая лампа становится аналогом премиума за многие сотни рублей

- хороший драйвер и большой корпус имеют значение, возиться с хламом, который сгорел за несколько недель/месяцев и тратить на него дорогие редкие светодиоды из пункта выше не стоит

Для интереса кое-какие данные из неофициальных источников про светодиоды

Зависимость: срок службы - температура нелинейная. Примерно:

температура подложки

50 С - 90 000 часов

60 С - 65 000

70 С - 50 000

80 С - 35 000 

температура p-n перехода

50 С - 300 000 часов

60 С - 200 000

70 С - 125 000

80 С - 85 000

90 С - 60 000

100С - 40 000

ps. Из неочевидного: продлить срок службы светодиодных ламп поможет снижение температуры в доме градусов до 15-17, как в лучших домах Европы!