Решил провести небольшую лабораторную работу по доработке современных недорогих неразборных светодиодных прожекторов. Поводом стал быстрый выход из строя предыдущих трех экземпляров с номинальной мощностью 100 Вт, которые использовались для эпизодической подсветки. По субъективным ощущениям, наработка составила не более пары сотен часов. При этом прожекторы давали очень неприятный глазу свет с сильно выраженным стробоскопическим эффектом.
Прожекторы были подвергнуты разборке, Два успешно, а у третьего в процессе демонтажа стекло было испорчено. Результат разбора представлен на рис. 1 - 4.
Видно, что прожекторы собраны то типичной схеме на базе микросхемы SM2082EGS7 без использования сглаживающих конденсаторов. У первого прожектора полностью выгорела одна группа светодиодов. У второго от перегрева отпаялся «резистор-предохранитель» F2. У третьего отпаялся сетевой провод, хотя также заметно, что одна из групп светодиодов доживала последние часы. Как видно на рис. 4, в конструкции отсутствуют даже намеки на теплопроводную пасту.
Не будем рассматривать вопрос восстановления данных прожекторов. Больший интерес представляют превентивные меры.
В качестве подопытных были выбраны два экземпляра китайской промышленности - светодиодный прожектор GENERICA СДО 001-50 и ЭРА LPR-024-100, показанные на рис. 5 - 9. Краткая характеристика прожекторов приведена в таблице 1. Под краской на плате хорошо прослеживается схема соединений отдельных светодиодов в матрицу.
Сразу оговоримся, что все дальнейшие измерения и расчеты не претендуют на высокую точность и используются исключительно для наблюдения качественных и оценки количественных закономерностей.
Для регулирования переменного напряжения использовался автотрансформатор РЕСАНТА. Для измерений параметров переменного тока использовалось изделие с Алиэкспресс, показанное на рис. 10, 11. Яркость измерялась мультиметром MASTECH MS5229. Для измерения коэффициента пульсаций использовался цифровой осциллограф HANTEK DSO5102B со светодиодом белого свечения в качестве фотодатчика. Вычисление коэффициента пульсаций производились по формуле из ГОСТ 33393-2015. Осциллограф в режиме измерений выдает готовые результаты среднего напряжения Umean и Up-p. Осталось только произвести несложные вычисления: Кп = (0,5*Up-p / Umean) * 100%. Для измерений параметров постоянного тока использовались мультиметры MASTECH MS5229 и UNI-T UT89XD. Температура измерялась про помощи инфракрасного пирометра UNI-T UT306S.
Испытуемые прожекторы были включены на переменное напряжение 230В. Исходная температура окружающей среды 25°С. После прогрева в течении 30 минут были произведены измерения, приведенные в таблице 2.
Очевидно, что прожекторы выдают очень большой уровень пульсаций и работают с большим перегревом. Единственное, что хорошего – это высокий коэффициент мощности.
Главным условием доработки было продление ресурса и уменьшение пульсаций света без разбора прожекторов. Для этого была выбрана известная схема с балластным и сглаживающим конденсаторами, показанная на рис. 12, которая отличается простотой и высокой надежностью.
Снимем вольт-амперные характеристики (ВАХ) прожекторов по постоянному току, показанные синим цветом на рис. 13, 14.
Видно, что на режим ограничения тока СДО 001-50 выходит при токе 240 мА, LPR-024-100 при токе 380 мА. Максимальная потребляемая мощность прожекторов на постоянном токе составляет: 61,5 Вт для СДО 001-50 при U = 250 В и I = 246 мА; 109,5 Вт для LPR-024-100 при U = 280 В и I = 391 мА. При дальнейшем увеличении входного напряжения потребляемый ток и мощность начинают уменьшаться. Очевидно, что это избыточное напряжения начинает падать именно на чипах линейного стабилизатора тока и вызывает их сильный нагрев. Для выживания беднягам приходиться сбрасывать ток.
Также интересно немного вернуться назад и посмотреть на осциллограммы светового потока прожекторов на переменном токе, которые представлены на рис. 15, 16. Если у LPR-024-100 в целом все выглядит достаточно симметрично, то у СДО 001-50 явно прослеживается какая-то аномалия. Похоже, что мы прямо в динамике наблюдаем перегрев чипов и уменьшение тока, а к следующему полупериоду они успевают немного остыть, и цикл повторяется.
Также можно заметить, что на рабочем участке ВАХ практически линейны и для целей дальнейшего моделирования прожекторы достаточно точно заменяются схемами замещения: GENERICA СДО 001-50 источником напряжения 199 B и последовательным сопротивлением 135 Ом; ЭРА LPR-024-100 источником U=208 B и R=103 Ом. Расчетные ВАХ схем замещения показаны розовым цветом на рис. 13, 14.
Для расчета зависимости потребляемой мощности от емкости балластного конденсатора воспользуемся программой Micro Cap 12. На основании уже полученных данных мы предполагаем, что после доработки не будем заходить в области ограничений токов. Поэтому схемы для моделирования, представленные на рис. 17, получились такими простыми.
Для определенности зададим емкость сглаживающего конденсатора равной 330 мкФ. Потому что такой есть у меня, и результат расчета можно будет легко проверить на практике.
Результаты моделирования приведены на рис. 18. Синим цветом изображена зависимость для GENERICA СДО 001-50, розовым для ЭРА LPR-024-100. Видно, что в рассматриваемом диапазоне они практически линейны и совпадают. Таким образом, можно обобщить, что необходимая емкость балластного конденсатора составляет 0,22 мкФ/Вт.
Теперь пора определиться, насколько снижать эту потребляемую прожекторами мощность. Исходя из жизненного опыта автора, светодиодные светильники, которые служат достаточно долго, никогда не обжигают руку. Поэтому за точку отсчета примем, что максимальная температура корпуса прожектора при температуре окружающей среды 25°С не должна превышать 55°С. Т.е. перегрев Δt не должен быть более 30°С. Исходя из этого, произведем примерный расчет максимальной допустимой мощности прожекторов, который отображен в таблице 3.
У меня в наличии имеются конденсаторы 0,82 мкФ х 400В. Поэтому возьмем емкость балластных конденсаторов для GENERICA 5*0,82 = 4,1 мкФ, для ЭРА 7*0,82 = 5,74 мкФ. Соберем схему и проверим результат на практике (см. таблицу 4.)
Как видно, измеренные данные вполне коррелируют с нашими расчетами.
Настала пора изучить зависимость коэффициента пульсаций от емкости балластного конденсатора. Опять произведем данные расчеты в программе Micro Cap. Расчет будет для прожектора GENERICA с емкостью балластного конденсатора 4,1 мкФ при напряжении питания 230 В, что соответствует 19 Вт потребляемой мощности. Результаты расчета представлены на рис. 19.
Вспомним, что ламп дневного света типа ЛБ и ЛД с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой без принятия специальных мер коэффициент пульсаций составляет 35% и 55% соответственно. И эти лампы еще совсем недавно не вызывали слишком больших нареканий. У лампы накаливания 60 Вт коэффициент пульсаций составляет порядка 15%. От этого и будем отталкиваться. В таблице 5 обобщим рекомендации по выбору емкости сглаживающего конденсатора.
Очень хороший результат
Осталось собрать схемы и свести результат фактических измерений в таблицу 6. У меня были в наличии электролитические конденсаторы 10 мкФ х 400 В, которые я и использовал. Также в таблице приведены данные об уменьшении яркости по сравнению с исходным вариантом, а также примерная стоимость доработки на основе некой средней стоимости используемых деталей на Алиэкспресс в мелких лотах по 5-10 шт.
Остался последний вопрос – влияние нестабильности напряжения сети на яркость свечения. Эти зависимости были сняты экспериментально и представлены на рис. 20.
Как видно, после доработки в диапазоне 190 - 230В показатель стабильности немного снизился по сравнению с исходным вариантом. Это вполне ожидаемо, ведь стабилизаторы тока теперь фактически выключены из работы. Однако он сравним с показателями типовой лампы накаливания, поэтому результат можно считать вполне приемлемым.
Ну что же, на основании полученных данных можно считать, что такая доработка имеет место быть. Если вы хотите получить прожектор с большим сроком службы, то в подавляющем большинстве случаев его мощность следует значительно ограничить. И это максимально допустимое значение меньше всего зависит от того, что производитель написал на коробочке. И даже не зависит от количества установленных светодиодов. Все намного проще – ограничением является способность корпуса рассеивать выделяемое тепло.
Если вдруг у вас завалялся дроссель от люминесцентной лампы (например, как у меня на рис. 21), который вы давно хотели выбросить, то самое время применить его сейчас. Последовательное включение этого дросселя со светодиодным прожектором в уже доработанных схемах снизил коэффициент пульсация с 33% до 7%, а это уже можно считать отличным результатом.
P.S. Конечно же, можно применить один из готовых импульсных драйверов для светодиодных ламп, которых сейчас в продаже превеликое множество. Потребуется только скорректировать значение выходного тока. Такая доработка будет стоить чуть дороже, немного упадет надежность схемы и значительно вырастет уровень электромагнитных помех. При этом стабильность яркости от напряжения значительно улучшится. И почти ничего не надо будет делать самому. Но это уже совсем другая история.
Автор: igor48