Бюджетные светодиодные лампы. Обзор

Современная жизнь рано или поздно заставит нас экономить и более бережно относиться к при­роде и природным ресурсам. Применение эко­номных светодиодных ламп, особенно при повы­шении тарифов на электроэнергию, стало современной реальностью и необходимостью. Светодиодные лампы, несмотря на все более ши­рокое распространение, пока еще достаточно дорогостоящие. В последнее время массово по­являются дешевые китайские светодиодные лам­пы. Главная цель этой статьи — рассмотреть осо­бенности конструкции, достоинства и недостатки ряда недорогих светодиодных ламп, чтобы была возможность ориентироваться в их выборе и при­менении.

На мой взгляд, главный критерий качества кон­струкции бюджетных светодиодных ламп — нали­чие металлического (алюминиевого) радиатора. Существуют качественные светодиодные лампы с прогрессивным композитным пластиковым корпу­сом (алюмопласт) и хорошим теплоотводом, но к бюджетной категории они пока не относятся. К со­жалению, КПД светодиодов еще далек от идеала — все светодиоды греются. Обычно, соотношение мощности излучаемого света (радиации) к потреб­ляемой мощности меньше 50% (внешний кванто­вый выход), и то только у красных светодиодов. У белых и синих светодиодов КПД еще меньше — только около 30%, приблизительно 100лм/Вт. Со­ответственно, большая часть потребляемой мощ­ности светодиодной лампы, в любом случае, ухо­дит на нагрев. Сильный перегрев вызывает быструю деградацию светодиодов. Наличие хоро­шего массивного радиатора — показатель качест­ва, долговечности и надежности. Основное прави­ло эксплуатации, о котором почему-то редко вспоминают, — это то, что светодиодную лампу нельзя использовать в герметичных светильниках или закрытых плафонах именно для обеспечения нормального теплового режима.

Дешевые светодиодные лампы с пластмассо­вым корпусом (фото 1) очень недолговечны и ча­сто опасны. Рассматривать их нет смысла. Огор­чает еще и тот факт, что недобросовестные продавцы, в гонке за прибылью, ко всему еще завышают цены на некачественный, деше­вый, пластмассовый ширпотреб, тем самым, вызывая разочарование потре­бителей и подрыв доверия к современ­ным технологиям. Всегда можно найти недорогую, но качественную продук­цию, просто нужно вникнуть и разо­браться в основных характеристиках и параметрах (в этом главная идея и суть этой статьи).

О каком теплоотводе может идти речь, если подложка светодиодов текс­толитовая? Сколько может поработать такое «чудо» китайского пластмассового ширпотреба?

Второй важный критерий качества светодиод­ных ламп — наличие электронного драйвера, для стабилизации тока светодиодов. Данный критерий не визуален, нужно разбирать лампу для изучения конструкции драйвера. Элементарные стабилиза­торы тока типа активных/реактивных балластных сопротивлений также рассматривать нет смысла, так как они опасны (нет гальванической развязки с сетью), имеют низкий КПД (в случае простого ре­зисторного ограничителя тока) и, опять-таки, при­меняются, в основном, только в дешевых пласт­массовых светодиодных лампах.

Самый недорогой вариант, достойный рассмо­трения — это точечная LED-лампа, содержащая 3 LEDxl Вт (фото 2). Ее стоимость порядка 30 грн. На­иболее распространен цоколь у подобных ламп — MR16 (Е27 встречается редко). Напряжения питания: сеть-220 В/50 Гц или постоянное 12 В. В разобранном виде она показана на фото 3.

Практически все производители светодиодных ламп начинали с таких светильников, на сегодня огромная масса крупных и мелких фирм и заводов производят что-то подобное, часто попадается, например, KUNPENG. Точечный светильник 3×1 Вт — достаточно давняя разработка, световой поток порядка 240 лм (обычно, старые светодиоды с низкой светоотдачей 80 лм/Вт и меньше), пере­грев корпуса очень большой. Сетевой драйвер ча­сто выполнен на микросхеме AP3706 (рис.1), ко­торая обеспечивает инвариантную стабилизацию тока светодиодов, контроль тока первичной об­мотки и контроль напряжения вспомогательной обмотки импульсного трансформатора.

Уменьшить перегрев лампы и, к сожалению, световой поток можно, уменьшив пиковый ток первичной обмотки, увеличив сопротивление резистора R_cs.

Более прогрессивный вариант — это точечный светильник мощностью 4…5 Вт. При такой мощности минимальный ради­атор не спасает, обычно применяется бо­лее качественная конструкция из экстру­дированного алюминия с большой площадью оребрения (фото 4 и фото 5).

Обычно, в таких лампах тоже используется бо­лее прогрессивный драйвер. Он выполнен на ми­кросхеме типа ВР3102 (см. схему включения рис.2) со встроенным высоковольтным полевым ключом (сопротивление открытого канала 13 Ом, максимальная выходная мощность 5 Вт). Он обес­печивает контроль тока первичной обмотки и кон­троль напряжения вспомогательной обмотки. Ток светодиодов обычно занижают до 0,2 А (выходная мощность около 4 Вт) для уменьшения нагрева, но нагрев все равно очень большой.

Еще один интересный недорогой вариант — светодиодные лампы Fantas LED. Такое название наиболее часто встречается и указано на упаков­ке, но существуют однотипные лампы вообще без названия. Что сразу бросается в глаза — очень ка­чественная дорогая конструкция, массивный алю­миниевый ребристый радиатор (экструдирован­ный профиль), вся сборка на резьбах — в радиатор вкручивается цоколь на пластмассовой втулке с одной стороны, с другой стороны радиатора — переходная плита со светодиодами (кластер), а сверху накручивается пластиковый матовый рас­сеиватель (фото 5, фото 6, фото 7).

Драйвер лампы Fantas LED выполнен на ка­ком-то китайском модифицированном аналоге АР3706, корпус SOT-25, расшифровать маркировку, наверное, нереально. Внешний транзистор MJE1303; опять-таки инвариантная стабилизация тока светодиодов, контроль тока первичной обмотки (токозадающий резистор) и контроль напряжения вспомогательной обмот­ки. В 7-ваттном варианте в драйвере даже есть подобие сетевого предохранителя — резистор 10 Ом. Ток светодиодов на уровне 0,32 А легко изменить токозадающим резистором. Светоди­оды обычные одноваттные, количество зависит от мощности лампы, в более мощной лампе больший радиатор. Складывается впечатление, что это качественный, но уже несколько устарев­ший морально неликвид, который распродают по бросовым ценам. Стоимость таких ламп мощно­стью 5 Вт около 50 грн, 7 Вт около 60 грн. Кон­струкция настолько качественная, что даже хо­чется, и есть смысл, использовать в каких-либо собственных разработках как основу. Очень про­сто поменять светодиоды, например, улучшить спектр или сделать лампу для подсветки растений. Чтобы пояснить, почему доработка интерес­на и выгодна, сделаем небольшое отступление.

Много написано и говорится о достоинствах светодиодного освещения: очень высокая эконо­мичность (десять к одному относительно ламп на­каливания), относительная безопасность (нет вредных веществ, нет вредного ультрафиолетово­го излучения), механическая прочность, долговеч­ность, низковольтное питание… Гораздо меньше говорят о недостатках…

Спектр обычного белого светодиода (крис­талл синего излучения плюс желтый люминофор) показан на рис.3. Он далек от идеала — спектра солнечного света.

Всплеск синего излучения в спектре светового потока белого светодиода собственно обусловлен исходным излучением кристалла. Остальную часть спектра формирует люминофор, добавляя желтую и красную составляющею, а в сине-зеленом спек­тре заметен провал. Исходное излучение синего кристалла обычно лежит в диапазоне 450…470 нм. Чтобы светодиод субъективно казался ярче, макси­мум спектрального излучения синего выбирается обычно около 465 нм (ближе к зеленому, к макси­мальной спектральной чувствительности человече­ского глаза, которая наблюдается при длине волны 550 нм). Более широкий спектр и лучшая цветопе­редача получается, если исходное синее излучение в более коротковолновой области около 450 нм. За­метим что, чем более короткая длина волны, тем сложнее и дороже сделать исходный кристалл.

Ультрафиолетовые светодиоды жесткого излу­чения порядка 270 нм имеют крайне низкий КПД, очень сложны в изготовлении и чрезвычайно до­роги. В любом случае, сильный провал на сине-зе­леном участке спектра неестественный для зри­тельного восприятия. Но гораздо более опасный всплеск синего излучения в спектре белого свето­диода. Его влияние на людей неоднозначно. В ча­стности, синий спектр около 465 нм совпадает с максимумом сумеречной чувствительностью чело­веческого глаза: соответственно синий спектр может иметь негативное влияние на биологичес­кий ритм и психику, способствовать быстрой утом­ляемости и головной боли, а большая интенсив­ность синего спектра может повредить сетчатку. Завуалировать и снизить влияние синего спектра можно, если добавить мощную красную составля­ющую. Первоначально такую доработку стал при­менять Philips, потом все производители LED-ламп среднего класса.

Как-то, лет пять назад, автору довелось само­му столкнуться с данной проблемой: конструируя потолочный светильник, получился неуютный, об­жигающий, ядовитый свет (через полчаса сильно уставали глаза). Несколько красных светодиодов (соотношение один « десяти) кардинально реши­ли проблему, к легкому красному оттенку быстрое привыкание, и со временем стало совсем незаметно. В светодиодных лампах среднего уровня стоимости красную составляющую легко заметить и увидеть на белом листе бумаги. В бюджетных лампах такая доработка редкость. Светодиодную лампу, без подобной доработки, для жилых поме­щений (или помещений длительного пребывания людей) лучше не применять. В принципе, можно комбинировать различные лампы (в том числе и лампы накаливания) и использовать экономичные светодиодные лампы для создания большого све­тового потока. Заметим также, светодиодные лампы теплого света в спектре имеют намного меньший всплеск синей со­ставляющей и более предпочтительны для жилых помещений.

Другой кардинальный метод сниже­ния влияния синей составляющей спе­ктра — применение ультрафиолетового кристалла и сложного люминофора, формирующего что-то похожее на сол­нечный свет. Подобный метод пока очень дорогой, исходно имеет более низкий КПД. Опять-таки, Philips внедря­ет подобные разработки, попутно решая вторую проблему светодиодных ламп — крайне высокую габаритную яркость (крошечный кристалл светодиода со­здает большой световой поток с огромной габаритной яркостью, опасной для глаз). Простои способ снижения ной яркости — применение матового непрозрачно­го рассеивателя (потеря света около 20%). Philips в новой разработке решает эту проблему без по­терь, нанося люминофор значительно удаленно от кристалла, просто изнутри на колбу лампы, — кри­сталл облучает всю большую колбу лампы, свет из­лучается со всей поверхности колбы. При этом га­баритная яркость небольшая.

Заметно улучшить качественный состав свето­вого потока LED-лампы несложно. Так, например, в светодиодной лампе Fantas LED достаточно за­менить один белый светодиод красным. Особо ни­чего разбирать не нужно, только открутить рассе­иватель. Подобная доработка и улучшение параметров сразу переводит лампу на качествен­но новый уровень, превращая ее из бюджетного варианта в хороший средний класс. Красный све­тодиод делает лампу более безопасной (с более «уютным» светом), после чего ее можно применять для освещения жилых помещений. Соотношение красного один к пяти или один к семи, в зависи­мости от мощности лампы, — многовато, так как освещение будет иметь сильный красный оттенок, уменьшить который можно, подобрав ток красно­го светодиода, припаяв параллельно ему резистор 10 Ом 1 Вт (его сопротивление подбирают).

Кардинальную доработку LED-лампы можно сделать, заменив все светодиоды белого холод­ного свечения «теплыми», но это может быть весьма недешево, а цель должна оправдывать за­траты.

Чтобы окупить затраты, цель переделки долж­на быть уникальной. Например, экономная свето­диодная подсветка растений или аквариума. Лам­пы для подсветки растений весьма специфичны и очень дороги. Обычные белые светодиоды прак­тически бесполезны для подсветки растений, так как спектр поглощения света листьями растений почти не пересекается со спектром простого бе­лого светодиода (только маленькая часть в крас­ном диапазоне).

В отличие от глаза человека с максимумом чув­ствительности в зеленой части спектра (555 нм), растения «видят» свет совсем иначе. Основные пигменты листьев — хлорофиллы а и b — поглоща­ют свет синего и красного диапазонов (рис.4), каротиноиды поглощают свет синего диапазона. По­глощение в синей и красной области спектра составляет 80…90% светового излучения. Пик поглощения света растениями в синей части спе­ктра менее 440 нм, в красной части спектра более 650 нм. Практически нет совпадения со спектром обычного белого светодиода. В то же время, зеленый спектр сильно отражается, из-за этого мы воспринимаем листья растений именно зелеными.

Субъективные характеристики источников све­та («люксы» и «люмены»), адаптированные для чув­ствительности человеческого глаза, мало подхо­дят для растений.

Ученые-растениеводы оперируют таким поня­тием, как:

• ФАР (фотосинтетически активная радиация 380…720 нм);
• интенсивность ФАР — это плотность потока светового излучения 380…720 нм, измеря­ется в Вт/м².

Существует и более тонкое понятие, обычно ис­пользуемое зарубежными учеными, — Photosynthe­tic Photon Flux (PPF), что переводится как фотосинтетически активный фотонный поток, т.е. суммарный поток фотонов (380…720 нм) в едини­цу времени.

Интенсивность PPF означает плотность потока фотонов (380…720 нм) в единицу времени на едини­цу площади, измеряется в микромоль/секунда/м² (или микромоль/м²). 1 Вт/м² (ФАР) = 5 микромоль/секунда/м² (PPF).

Для подсветки растений необходимы специализированные светодиоды со сбалансированным спектром, а именно синие с максимумом спект­рального излучения менее 440 нм и красные с мак­симумом спектрального излучения более 650 нм. Подобные специализированные светодиоды дороже обычных в несколько раз. Но затраты себя оправдывают.

Из личного опыта — под простыми (обычными) бе­лыми светодиодами практически ничего не растет.

Разные растения требуют различные интенсив­ность и спектральный состав ФАР. Для подсветки домашних растений нужно хотя бы 1 Вт ФАР на каждый квадратный дециметр (с учетом КПД — это несколько специализированных одноваттных све­тодиодов, например, два красных и один синий).

Еще одно интересное и специфическое направ­ление использования светодиодного освещения — подсветка аквариумов и особенно морских аквариумов. Вода хуже пропускает красную составля­ющую спектра, для глубоководной субтропической флоры и фауны необходима интенсивная подсветка, с преобладанием синей составляющей (свете высокой цветовой температурой более 10000 К). Для мелководных обитателей свет нужен более теплый, однако красная часть спектра стимулиру­ет развитие простейших водорослей (цветение во­ды), поэтому подсветка должна поддерживать биологическое равновесие. Из этого следует, что у аквариумистов имеется огромное поле для ис­следования и оптимального использования свето­диодного освещения.

Еще один интересный вариант — светодиодные лампы торговой марки GEEN. Эта торговая марка появилась на нашем рынке сравнительно недав­но. Чтобы завоевать предпочтение покупателей, поэтому GEEN пока старается держать минималь­ные цены. Весьма интересна бюджетная светоди­одная лампа GEEN LB-279, ее цена порядка 70 грн. Линейка ламп GEEN достаточно широкая, есть бо­лее мощные образцы и, наоборот, менее мощные. Лампа LB-279 оптимальна как по стоимости, так и по параметрам. Она имеет достаточно прогрессив­ную конструкцию: алюминиевый радиатор, в виде лепестков, повторяет форму привычной лампы (фо­то 8). Заявленная мощность лампа LB-279 — 7 Вт, световой поток только теплый (цветовая темпера­тура 2700 К), сильный световой поток 630 лм, что похоже на правду.

Лампа содержит кластер, на котором размеще­ны 14 современных светодиодов 5630/5730 (фо­то 9) с высокой светоотдачей. Они соединены по два последовательно-параллельно, ток светоди­одов 130 мА (260 мА в цепи).

Порадовал также и драйвер:

• есть сетевой предохранитель на 1 А;
• ключевой транзистор — полевой

Схема собрана на микросхеме, похожей на

АР8263/НТ2263, в корпусе SOT23-6, маркировка 232Н22 (расшифровать пока не удалось). Микро­схема контролирует как ток первичной обмотки, так и напряжение вспомогательной обмотки им­пульсного трансформатора. Ток можно регулиро­вать номиналом токозадающего резистора (дат­чика тока в цепи истока ключевого транзистора).

Светодиодная лампа GEEN LB-279 — пока луч­ший образец в данном обзоре, но все же будет по­лезно рассмотреть ее недостатки и возможность их устранения.

Лампа LB-279 плохо разбирается, пластиковый рассеиватель приклеен, снять тяжело (для пере­делки/доработки лампа Fantas LED намного удоб­нее и лучше).

Современные светодиоды SMD 5630/5730 име­ют хорошую светоотдачу, но очень тяжело демон­тировать. Проблематично также корректировать спектр излучения LB-279, хотя в целом теплый свет с цветовой температурой 2700 К вполне нормальный для восприятия и пригоден для осве­щения жилых помещений.

Субъективное впечатление — разводка печат­ной платы драйвера выполнена неаккуратно.

Еще один недостаток: лампа все-таки слишком мощная для используемого корпуса. Измерения показали, что нагрев корпуса лампы достигает 60…70°С (хотелось бы поменьше). В идеале, хоро­шо бы уменьшить ток светодиодов на треть до 80 мА. Для этого надо увеличить токозадающий резис­тор, снизив, тем самым, нагрев, и мощность по­требления лампы.

Еще было замечено, что после включения ино­гда светодиоды некоторое время могут мерцать. Не ясно с чем это связано, так как драйвер при этом выдает неизменное напряжение питания.

В любом случае, лампа GEEN LB-279 — доста­точно неплохой вариант, особенно для круглосу­точного освещения нежилых помещений (внутрен­ние коридоры, подвалы, склады, переходы, лестничные площадки и т.д. Для жилых помещений LB-279 лучше использовать в комбинации с дру­гими источниками света.

Автор: Виктор Михальчук, г. Киев
Источник: журнал Радиоаматор №10, №11-12, 2015