Нитевидные светодиодные лампы — самые экономичные и эффективные источники света

В статье автор описывает устройство новых нитевидных светодиодных ламп освещения, которые в 10 раз экономичнее ламп накаливания и в 2 раза экономичнее люминесцентных ламп. Автор указывает на их преимущества и недостатки, а также приводит и анализирует схемы их мини-драйверов, дает рекомендации покупателям таких ламп.

Такие лампы — это новое направление в бытовом осве­щении, и за ним будущее. Эти лампы имеют несколько на­званий:

• международное название — LED Filament Bulb, переводит­ся как «нитевидные светодиоды в колбе» (Filament — нить, a Bulb — колба);
• русскоязычное название — «нитевидные светодиодные лампы», или «филаментные светодиодные лампы», сокра­щенно ФСЛ.

Первые ФСЛ появились еще в 2008 году в Японии. У нас они появились только в 2015 г., китайского производст­ва, и предназначены, в первую очередь, для бытовых целей.

По внешнему виду нитевидные светодиодные лампы не от­личаются от ламп накаливания (рис.1). Они имеют такие же стеклянные колбы, как и у ламп накаливания 60 или 100 Вт, и цоколь у них такой же Е14 или Е27, и питаются они от сети 230 В / 50 Гц. Но их основу составляют нитевидные светодиоды (рис.2).

Технология их изготовления называется Chip-on-Glass (COG) и заключается она в размещении сверхминиатюрных свето­диодов на стеклянной подложке из искусственного сапфира. На тонкой пластине (подложке) длиной 30 мм, шириной и толщиной около 1 мм, (рис.2, а), сделанной из синтетическо­го сапфирового стекла, которое обладает большой твердостью и прозрачностью, один за другим, в одну нить, отсюда и на­звания нитевидные светодиоды, размещаются 28 (иногда 26) светодиодных кристаллов (рис.2, б). Их размер не более 0,3 мм, и они излучают ультрафиолет. Между собой светодиоды по­следовательно соединяются токопроводящими дорожками, ко­торые на концах подложки соединяются с металлическими пластинами (электродами), через которые и подключаются (привариваются точечной сваркой) к проводам устройства пи­тания (мини-драйверу). Стеклянная прозрачная подложка спо­собствует распространению света от светодиодов во все сто­роны. Поверх подложки со светодиодами нанесен слой люми­нофора (рис.2, в) желтого цвета на силиконовой основе, поэто­му он мягкий, как резина. Люминофор под действием ультра­фиолетовых лучей светодиодов светится. Цветовую темпера­туру излучаемого света определяет состав люминофора, она может колебаться от 2700 К (теплый белый) до 6000 К (хо­лодно белый). Изменять цветовую температуру можно не толь­ко составом люминофора, но и помещением в цепочку све­тодиодов, наряду с ультрафиолетовыми светодиодами и крас­ных, при этом их общее количество сохраняется прежним.

В Интернете есть сообщения, что в качестве подложки могут применять не сапфир, который не поддается изгибу, а иной материал (его состав не указывается), который позво­ляет, при необходимости, изгибать светодиодную нить. Гиб­кую подложку из такого материала можно сделать любой дли­ны и наложить на нее сразу нужное количество кристаллов светодиодов, например 112 шт. и включить их через выпря­митель в сеть ~230 В, без гасящих резисторов, а саму нить внутри лампы изогнуть «как хочешь» (рис.3). Такая пампа стоит дешевле, так как проще в производстве, нет необхо­димости приваривать точечной сваркой каждую нить, как при использовании сапфировой подложки.

Преимущества ламп с нитевидными светодиодами

Первое преимущество нитевидных светодиодов — это ма­лое потребление энергии при достаточно большой светоот­дачи: на 1 Вт мощности она «отдает» 100…115 лм, это в 10 раз лучше, чем в лампах накаливания, и в 2 раза лучше, чем у люминесцентных (ЛЦ) ламп. Судите сами, одна ните­видная пампа с 4-мя нитями потребляет 4 Вт мощности, а светит так же, как лампа накаливания в 40 Вт, а в 6-ть нитей (6 Вт) как 60 Вт и т.д., т.е. со­отношение 1:10.

Второе преимущество по сравнению с обыч­ными светодиодными лампами — это отсутст­вие радиаторов.

Этому способствует пониженный ток в све­тодиодах, всего 10 мА, из-за чего они выделя­ют мало тепла. Кроме того, в стеклянную кол­бу закачивают инертный газ, обладающий вы­сокой теплопроводностью. Этот газ, например, гелий, отбирает тепло от кристаллов и через стеклянную колбу передает его в окружаю­щий воздух.

Температура колб различных ламп, при измерении ее пи­рометром, составила 26….53°С. А измерить температуру све­тодиодных нитей с помощью пирометра не получилось, ме­шает стекло, пришлось колбу разбивать. Оказалось, что их температура достигает 100°С, такая температура является хотя и высокой, но допустимой. Перегрев кристаллов свето­диода приводит к резкому сокращению их срока службы, по­этому вопрос охлаждения кристаллов светодиода — важней­шая задача конструкторов.

Третье преимущество нитевидных светодиодов — это срок эксплуатации. Долговечность нитевидных светодиодных ламп обеспечивают их мини-драйверы, обеспечивающие стабиль­ный заданный ток в светодиодах, чтобы они не перегрева­лись. Но мини-драйверы являются самым слабым местом в нитевидных лампах и часто не обеспечивают длительность срока эксплуатации указанного на их упаковках, особенно при нестабильности напряжения или его скачках в наших электросетях, отчего и долговечность этих ламп может умень­шаться. Чаще всего изготовители на упаковках указывают срок службы таких ламп в диапазоне от 15 до 30 тыс. ч, а иногда и больше, например, 50 тыс. ч, что явно завышено. Так или иначе, но срок службы нитевидных ламп больше, чем у ламп накаливания (1 тыс. ч) и у люминесцентных ламп (8 тыс. ч). Нитевидные светодиоды, как любые светодиоды, со временем все же деградируют, т.е. уменьшают свою све­тимость, и когда она уменьшается на 30% от первоначаль­ной, это и принято считать конечным гарантийным сроком службы лампы, обычно указывается 2 года. Но и после это­го срока лампы еще долго могут продолжать служить, лишь бы их мини-драйвер продолжал исправно работать.

Четвертое преимущество — это экологическая чистота ламп: у них нет ртути, как у люминесцентных (ЛЦ) ламп. Читатель может сказать: «Разве это преимущество?». Отвечу, если вы случайно раз­били ЛЦ лампу в квартире, то это трагедия. Квар­тиру необходимо длительно и тщательно проветри­вать и вымывать, так как ртуть сильный яд.

Пятое преимущество — это равномерное излу­чение света во все стороны. Это сильно отличает их в лучшую сторону, по сравнению с обычными светодиодами, излучающими свет только в одну сторону.

Шестое преимущество — заводы-изготовители при произ­водстве нитевидных ламп используют то же оборудование, что и при изготовлении ламп накаливания, что удешевляет их про­изводство. Как известно, большинство стран Европы, с целью продвижения более дорогих источников света, запретили заводам-изготовителям выпускать лампы накаливания вообще, а иные страны, в частности Россия, пампы мощностью свы­ше 100 Вт. После запретов, на этих заводах простаивает оборудование, а теперь появилась возможность использовать его для производства нитевидных ламп.

Недостатки нитевидных ламп

Первый недостаток — это сравнительно высокая цена для массового потребителя. Чем боль­ше нитей в лампе и чем качест­веннее их источник питания (ми­ни-драйвер), тем она дороже. Так, нитевидная лампа мощностью 4 Вт стоит 4-5 USD, а в 6 Вт — 6-7 USD. Правда, цены в магазинах могут быть и значительно больше вы­шеуказанной величины, так как сильно зависят от жадности про­давцов. Цены влияют на окупае­мость ламп. ЛЦ лампы дешевле в 2-3 раза и окупаются они через 1 год эксплуатации, а нитевид­ные светодиодные лампы — только через 2-3 года. Правда, по мере насыщения рынка, цены на нитевидные пампы, безусловно, будут снижаться.

Второй недостаток (присутствует у самых дешевых ламп) — это их мигание с частотой 50 или 100 Гц, что вредно для зре­ния. Дело в том, что мини-драйверы, питающие нитевидные пампы, размещаются в их цоколях, а в цоколе Е14 очень ма­лый объем. Поэтому драйвер при таком цоколе делают по примитивной схеме, например, устанавливают однополупериодный или двухполупериодный выпрямитель без сглажи­вающего конденсатора, что, естественно, вызывает мигание светодиодов.

Третий недостаток — проблема с димированием, т.е. ре­гулированием яркости. Как только вы значительно понизите напряжение питания на светодиодах, они начинают мигать с частотой 0,5…1,0 Гц и выключаются.

Четвертый недостаток — на данном этапе пока не удает­ся создать нитевидные лампы большой мощности. Препятст­вием здесь выступает отвод большого количества тепла, по­ступающего от многих нитей, но конструкторы работают над этой проблемой. Пути увеличения теплообмена — это приме­нения внутри колб высокотеплопроводных газов и увеличе­ние размеров колб. В настоящее время в массовой прода­же находятся лампы на 2-4-6 нитей, имеющие мощность со­ответственно 2-4-6 Вт. Есть сообщения и о создании ламп большей мощностью, но в массовой продаже их пока нет.

Пятый недостаток — неремонтопригодность ламп. Конст­рукторы позаботились о том, чтобы их нельзя было разобрать и отремонтировать, например, тот же мини-драйвер, спрятанный в цоколе. Здесь две причины и обе финансовые. С первой все просто: «Повредилась пампа — выбрасывай ее и покупай новою, а нам заводам и торговым фирмам деньги нужны». А то, что для массового потребителя нитевидная лам­па стоит недешево, в 20-30 раз дороже лампы накаливания и 2-3 раза ЛЦ пампы, в расчёт не берется.

А вторая причина — неразборные лампы стоят дешевле, а следовательно, их легче продать.

Шестой недостаток связан со схемой соединения свето­диодных нитей и присущ всем светодиодным лампам. При любой из приведенных на рис.4 схем соединений, при по­вреждении хотя бы одного светодиода любой нити, лампа полностью выходит из строя. Например, при последователь­ном соединении светодиодных нитей (рис.4, а и рис.4, г) все просто: сгорает хотя бы един светодиод, обрывается цепь вну­три колбы, и лампа не работает. При последовательно-парал­лельном соединении (рис.4, б-в), повреждение будет более серьезное, из-за обрыва светодиода последовательные нити работать не будут, из-за чего ток перераспределится и уве­личится в соседних (параллельных) нитях, отчего светодио­ды перегреваются и выходят из строя.

Каждый из 6-ти вышеупомянутых недостатков для разных покупателей имеет разный «вес», например, для обеспечен­ных людей 1-й и 5-й недостатки вообще не существенны, но 6-ой недостаток, самый существенный, и касается всех вла­дельцев ламп.

Схемы мини-драйверов нитевидных светодиодов

Как отмечалось выше, нитевидные светодиодные лампы ремонту не подлежать. Но любопытные пользователи разре­зают их цоколь, добираются до их мини-драйверов и изуча­ют схемы, разбивают стеклянные колбы, изымают и изуча­ют устройство светодиодных нитей.

Электропитание ниток светодиодов обеспечивается спе­циальными мини-драйверами, к которым предъявляются сле­дующие требования: обеспечить светодиоды заданным и стабильным током, независимо от величины напряжения в питающей сети 230 В / 50 Гц.

Мини-драйверы помещаются внутри цоколей ламп Е14 или Е27 (рис.1), но так как места там мало, то конструкто­ры, во-первых, применяют в них SMD-компоненты (рис.6, б), а во-вторых, для расширения пространства иногда добавля­ют между цоколем и стеклянной колбой пластмассовую встав­ку (рис.1, а).

Мини-драйверы питаются от сети ~230 В, при этом их более совершенные схемы допускают изменения питающего напряжения в пределах ~85…~265 В. Они выдают на ните­видные светодиоды постоянное напряжение с величиной, зависящей от схемы соединения нитей. Одна нить требует напряжение 65…75 В, при токе через светодиоды 10 мА. В лампе ставят обычно четное количество нитей, соединенных или последовательно, или параллельно, или последователь­но-параллельно. Разновидности схем соединения и необхо­димое при этом постоянное напряжения показаны на рис.4. Из схем видно, что если 2 нити соединены последовательно, то напряжение, прикладываемое к ним, должно быть 130….150 В, а если последовательно соединены 4 нити, то около 280 В.

При любом виде соединения, к одной нитке должно быть при­ложено напряжение 65…75 В.

На рис.5 и рис.6 показаны конкретные схемы мини-драй­веров, которые удалось получить как при разборке нитевид­ной пампы, так и найти в Интернете, причем радиоэлемен­ты на схемах обозначены так же, как в оригиналах, а там, где обозначений не было, автор обозначил элементы сам.

Однополупериодный мини-драйвер Он показан на рис.5, а и содержит один сгла­живающий конденсатор С1, которого изготовите­ли могут и не устанавливать из-за отсутствия ме­ста, например, в цоколе Е14. Гасящий резистор R2 (22 кОм) поддерживает ток в цепи 10 мА, а резистор R1=100 Ом выполняет также защитную функцию предохранителя.

Преимущества этой схемы: простота драйвера, малые габариты и стоимость. А недостатки — это мигание с частотой 50 Гц, которое сильно замет­но, если изготовители не устанавливают конденса­тор С1. Также схема не защищена от скачков и из­менений питающего напряжения, что отрицательно влияет на яркость и особенно на долговечность ламп. Так, при падении питающего напряжения, яр­кость лампы заметно уменьшается.

Мигание светодиодов вызывает усталость глаз человека, поэтому такие мигающие пампы лучше не покупать, но если вы приобрели такие лампы, то их можно устанавливать в коридорах или в под­собных помещениях.

Мини-драйвер с двухполупериодным выпрямителем

Он показан на рис.5, б. Гасящие резисторы R1, R2 (100 Ом) выполняют также и защитную функ­цию предохранителя. Резисторы R3, R4 (10 кОм) по­нижают ток в цепи до 10 мА, а SMD-конденсатор С1 частично сглаживает пульсации. Все SMD-элементы монтируется на круглой плате (рис.5, б). Схема этого мини-драйвера такая же простая, как и на рис.5, а, и стоит дешево. Ее недостатки — незащи­щенность от скачков и изменений питающего напря­жения, что отрицательно влияет на долговечность работы лампы и ее световую отдачу. Светодиоды с этим мини-драйвером будут мигать с частотой 100 Гц, что для глаз человека якобы незаметно, но утом­ляемость глаз всё равно будет присутствовать. Двухполупериодный мини-драйвер с гасящим высоковольтным конденсатором Он показан на рис.5, в. Конденсатор С1 зани­мает много места, поэтому для сглаживающего кон­денсатора места не остается. Это также упрощенная схема, как и рис.5, б. Ее первый недостаток — это мига­ние с частотой 100 Гц, а второй — зависимость сопротивле­ния гасящего конденсатора С1 от наличия в сети гармоник высоких частот (100, 150, 200 Гц и т.д.). А появляются они при искажении синусоидальности питающего напряжения и наличия в сети импульсных помех, из-за плохого контакта в выключателе или патроне. Гармоники вызывают рост вели­чины тока в нитях светодиодов, поэтому они быстро перегреваются, деградируют и сгорают.

Это хотя и дешевая, но неудачная схема, как и схемы на рис.5, а и рис.5, б. Она не обеспечивает долговечность светодиодной лампы.

Мини-драйвер с регулируемым стабилитроном Он показан на рис.5, г. В нём используется регулируемый стабилитрон D5 типа А3431, n-p-n транзистор Q1 (типа 2SC4505, 400 В 0,1 А) и гасящий резистор R1, выполняющий защитную функцию предохранителя. Такая схема имеет преимущества:

• во-первых, она поддерживает на выходе стабильное по­стоянное напряжение при изменении питающего напря­жения, что стабилизирует ток в светодиодных нитях, а это увеличивает их долговечность;
• во-вторых, светодиоды светят без мигания, так как в це­пи два сглаживающих конденсатора — С1 и С2.

Это удачная схема в смысле поддержания стабильной и долговечной работы светодиодных нитей.

Мини-драйвер на специализированной микросхеме.

Он показан на рис.6, а и рис.6, б и выполнен на ИМС U1 типа SM7315P, специально разработанной для подобных ламп. В схему входит также дроссель L1, предохранительный раз­рывный резистор F1 номиналом 10 Ом. Схема смонтирова­на на крутой монтажной плате (рис.6, б) диаметром 20 мм и помещается в цоколе Е27. В качестве датчика тока выступает резистор R1 (2,32 Ом), который и поддерживает ток в цепи 120 мА. Поэтому нагрузкой драйвера должны быть 12 нитевидных светодиодов, соединенных параллельно.

Схему мини-драйвера можно переделать для 4-х или 6-ти светодиодных нитей, для этого как минимум необходимо из­менить сопротивление датчика тока. При этом схема (рис.6, а) допускает изменения входного напряжения электросети в больших пределах, ~85…265 В, имеет высокий КПД (90%) и поддерживает на выходе постоянное стабилизированное на­пряжение +65 В и ток 120 мА, с точностью ±3%, что очень важно для долговечности светодиодов. Мигание светодиодов в этой схеме, отсутствует.

Схема этого мини-драйвера сложнее предыдущих схем (рис.5, а, рис.5, б, рис.5, в, рис.5, г), и нитевидные лампы на ее основе стоят дороже. Это самая удачная схема. Жаль, что менеджеры торгующих фирм, заказывающих на заводах Китая нитевидные светодиодные ламы с такими мини-драйверами, на упаковках ламп или в прикладывае­мых инструкциях не приводят их схемы и не сообщают, что это самая совершенная схема мини-драйвера, обеспе­чивающая долговечность ламп.

Рекомендации покупателям светодиодных нитевидных ламп

Если вы решили купить светодиодные нитевидные лам­пы, то вам необходимо руководствоваться следующим:

1. По цветовой температуре пунше выбрать лампу с одним из значений: 2700 К, 3000 К, 4100 К — они приятны для глаз и не вредят им, в отличие от ламп 6000 К, имеющих много синего цвета и отрицательно влияющих на зрение.
2. Не покупайте лампы с колбой малого размера и цо­колем Е14 (рис.1, г): в колбах малого размера плохой тепло­обмен, и из-за малого объема там установлен примитивный мини-драйвер (рис.5, а-в), не способствующий длительной ра­боте нитевидных светодиодов.
3. Не покупайте мигающие пампы, так как они вызывают утомление глаз, но определить это мигание глазами невоз­можно. Чтобы проверить лампу на мигание, наведите на све­тящуюся нить лампы фотоаппарат своего мобильного телефо­на или обычный цифровой фотоаппарат. Если на их экране вы увидите вертикальною полосу с прерывистыми черточками, то его и есть мигание, если черточек нет, то и мигания нет.
4. Покупайте пампы, на упаковке которых написан допу­стимый диапазон питающего напряжения ~85…~265 В, правда, пока они редко встречаются в продаже. Мини-драйвер таких ламп будет питать нити светодиодов стабильным то­ком, отчего они будут светить со стабильной яркостью, не за­висящей от изменений питающего напряжения. Такая пампа будет долговечной. Если на коробке написано только ~220 В или ~230 В, то это значит, что мини-драйвер там примитив­ный (рис.5, a-в) и яркость лампы будет изменятся в зависи­мости от величины питающего напряжения, и такая пампа недолговечна.
5. Необязательно в вашей квартире менять все существующие лампы на нитевид­ные светодиодные лампы, все-таки они стоят недеше­во. Чтобы они быстро окупи­лись, их в первую очередь необходимо установить в по­мещениях, в которых длитель­но горит свет: на кухне, в комнате, в спальне, в кори­доре. А вот в подсобных по­мещениях, где вы редко включаете свет (санузлах, кладовке), можно оставить существующее освещение.
6. Чтобы как-то вычислить реальный срок службы куплен­ной вами лампы, автор рекомендует перед введением ее в эксплуатацию, на цоколе карандашом или маркером напи­сать дату введения в эксплуатацию, после, когда она пере­станет работать, вы легко вычислите ее срок службы.
7. При покупке в магазине нитевидных светодиодных ламп, требуйте чек и сохраняйте его и упаковку. Все это необхо­димо делать с той целью, чтобы при выходе из строя пам­пы, во время действия гарантийного срока, вы смогли заме­нить ее исправной.

Автор: Николай Власюк, г. Киев
Источник: Электрик №5/2016