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 Rcs.
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