Почему гаснут светодиодные лампы?

Светодиодные лампы (СЛ), популярные в Европе и Скандинавии, комплектуются вторич­ной фокусирующей оптикой защищающей зрение человека от вредного «синего горба», что позволяет еще лучше приспособить светодиодное освещение к нуждам пользователя. Но, тем не менее, и они имеют свои недостатки, которые будут рассмотрены в статье.

СЛ предназначена для применения в световых бытовых приборах в индивидуальных жилых и общественных помеще­ниях. Однако есть и ограничения по эксплуатации, к примеру, СЛ нежелательно использовать в помещениях и условиях с повышенной влажностью окружающего воздуха — более 80%, в помещениях с большим содержанием пыли (нежелательно применять СЛ во время ремонтных работ) Регламентированы дополнения к «Гигиеническим требованиям к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общест­венных зданий» (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03). Так из новых правил (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10) исчезла формулировка, ог­раничивающая применение источников света 2-мя типами: лам­пы накаливания и разрядные лампы. Вместо этого в правилах ограничивается допустимый диапазон цветовых температур: от 2400 до 6800°К. В том же регламенте введено требование к наличию защитного угла у светодиодных светильников (кон­кретные значения не приводятся). Необходимо помнить, что применение светодиодных ламп в учреждениях дошкольного, школьного и профессионально-технического образования, а так­же во многих помещениях медицинских учреждений в РФ за­прещено. При этом, снижение нормы освещенности на одну ступень, в новой версии СанПиН, допустимо для источников света с индексом цветопередачи выше 90.

Есть несколько типов светодиодных ламп, которые пред­ставлены такими сериями:

• лампы общего освещения (цоколь Е27, Gu3, Gu10);
•  лампы акцентного освещения (цоколи Gu3, Gu10) для сетей 220 В;

• лампы с цоколем Е27 и широким углом освещения 250°;
• лампы с цоколем Gu3 и Gu10, при использовании встра­иваемых точечных светильников, имеющие угол светово­го пучка 120°.

Есть также лампы для точечной подсветки, с типом цо­коля Gu5.3 и Gu10, в которых применяется технология СОВ (chip on board), при которой светодиодные кристаллы распо­ложены на едином основании, что не только повышает на­дежность лампы, но и обеспечивает более стабильные све­товые характеристики. Благодаря использованию рефлекто­ра с углом светового пучка 60° удается получить приемле­мую замену галогенным лампам.

Что снижает долговечность СЛ?

Выясним, почему СЛ для бытового предназначения не вырабатывают рассчитанный производителем срок службы (50 тыс. и более часов) в условиях, соответствующих их заяв­ленным эксплуатационным характеристикам. Ответ на этот вопрос получим после предметного изучения/разбора устройства СЛ для бытовых нужд, которые имеются в широкой продаже. Отметим, что эти СЛ не предназначены для ремон­та в домашних условиях.

Итак, в моем опытном случае стало ясно, что именно конструкция и технология изготовления СЛ оказывает значи­тельное влияние не только на ресурс работы и надежность, но и на стоимость готовых изделий. Так, оптимальная конст­рукция призвана обеспечить отвод тепла от кристалла, вы­держивать термоцикпирование, обеспечить высокую техноло­гичность монтажа. На долговечность работы СЛ также влия­ют метод монтажа кристалла и материал теплоотводящего ос­нования. В корпусе СЛ функционирует адаптер ~220 В /14 В который во многом и определяет долговечность лампы.

На рис.1 представлен вид на светильник с тремя СЛ ти­поразмера Е14. СЛ работает в моей загородной мастер­ской, что определяет относительную редкость включения пам­пы. Если разобрать СЛ с цоколем Е14 (рис.1), то откроется вид на содержимое устройства — теплоотвод и преобразова­тель напряжения (рис.2).

На рис.2 видны: охлаждающий теплоотвод; часть корпу­са; плата с дискретными радиоэлементами составляющими схему преобразователя ~220 В / 14 В.

Электронный импульсный источник питания, встроенный в цоколь (типа Е27, Е14), чувствителен не только к напря­жению сети, но и к его частоте. На моем примере, эта лам­па «прослужила» чуть меньше года, или 116 часов в режи­ме постоянного включения, а включений/выключений «пере­жила» не более 100. Температурный режим в мастерской со­ответствовал требования производителя СЛ, температура не опускалась ниже +16°С, и в холодной период года с октяб­ря по апрель отапливается централизованным отоплением. Светильник также был лишен вредных воздействий атмосфер­ных осадков, поскольку находится в доме. Подача напряже­ния в осветительную сеть осуществляется через специальный стабилизатор с выходной мощностью 10 кВт. Таким образом, сеть защищена от перенапряжений. И тем не менее, при оче­редном включении летом 2015 г. одна СЛ (из трех в соста­ве потолочного светильника) погасла. При следующем включе­нии (после выключения) погасла вторая. Эта ситуация явилась для меня толчком к исследованию проблемы. При том, третья СЛ продолжает светить и по сей день. Две неисправные лам­пы были мною последовательно разобраны, и причина их не­исправности была установлена практическим методом.

Для того, чтобы разобрать СЛ потребуется снять колбу — с усилием и вращательным движением (она посажена на клей) и затем снять крепления светодиодного кластера с по­мощью тонкой крестообразной отвертки. Этот шаг иллюстри­рует рис.3. После этого шага открывается доступ к «начин­ке» цоколя СЛ, а именно к печатной плате источника пита­ния (рис.4).

Самое слабое звено этой платы — оксидный конденсатор 2,2 мкФ 400 В. Если он даже незначительно теряет емкость и тем более полностью выходит из строя, выходное напря­жение адаптера значительно падает, и светодиоды могут не зажигаться вообще.

Вторая возможная причина — это окисление контактов на дорожках печатной платы. Если теряется или становится не­стабильным электрический контакт на печатной плате в ме­сте соединения с ней выводов неполярного конденсатора, обозначенного на плате С1, то с учетом малого тока по­требления устройства, источник питания СЛ также не выда­ет расчетное напряжение на выходе. Обе эти возможные не­исправности устраняются без особого труда. Первая путем проверки и замены оксидного конденсатора, вторая — путем пропаивания всех дорожек на печатной плате.

Следующим шагом проверяют диодный мост.

Затем переходят непосредственно к светодиодному кла­стеру, на котором установлено 10 светодиодов. Вид на све­тодиодный кластер — плату C37-10SMD-2835V1 представлен на рис.2. Вид на монтажные работы по пропайке выводов элемента платы источника питания СЛ представлен на рис.5.

Светодиоды устанавливаются на специальную плату с раз­водкой печатных дорожек, о которой поговорим далее, по­скольку от технологий ее изготовления и монтажа сильно зависит качество самой СП. Плата с обозначением С37- 10SMD-2835V1 представляет собой кластер из 10 полупро­водниковых светодиодов, смонтированных на печатной пла­те с алюминиевым основанием. Вид на отдельный светоди­од мощностью 5 Вт фирмы CREE, установленный в СЛ представлен на рис.6. Источником света (одним из 10) в такой СЛ служит сверхмощный светодиод типа CREE Q5. По за­мыслу производителя это светодиод, обеспечивает 10 лет не­прерывной службы при его ресурсе 50 -100 тыс. часов. Ве­личина светового потока у таких приборов, в зависимости от мощности, составляет 270…530 Лм.

Ремонт платы СЛ

Светодиоды в SMD-исполнении монтируются на печатных платах с алюминиевым основанием и могут вариативно ком­плектоваться вторичной оптикой для получения диаграммы направленности светового потока. Плата выполнена в фор­ме круга или многогранника с несколькими выемками-от­верстиями для крепления винтами М3 (рис.7).

Такую и подобную ей плату (для монтажа нескольких све­тодиодов в SMD-корпусах) можно приобрести отдельно от пампы, однако сам ремонт изделия по своей себестоимости и затратам времени пока представляется нерентабельным. И, тем не менее, рассмотрим и этот вопрос.

Причина неработоспособности СЛ нередко заключается в микротрещинах или обрыве контактной дорожки на самом кластере. Поскольку все светодиоды подключены последова­тельно, то обрыв или плохой контакт в дорожке кластера яв­ляется вполне существенной причиной для отказа СЛ. Это самая неприятная для монтажника и ремонтника ситуация — ползучая неисправность. Если плату кластера со светодио­дами незначительно деформировать пальцами, то свечение появляется (рис.8), тот же эффект может быть достигнут с помощью постукивания платой кластера по столу.

Внимание! На плате СЛ присутствует опасное напря­жение 220 В / 50 Гц. Поэтому брать подключенную к пита­ющей сети плату СЛ можно только руками в специальных за­щитных диэлектрических перчатках. Либо включать такую лампу через разделительный трансформатор 220 В / 220 В).

Стало очевидно, что придется пропаивать места кон­тактных площадок светодиодов и, при необходимости, кон­тролировать печатные дорожки на плате кластера с помощью лупы на просвет в поисках микротрещин.

Эта неисправность общая и часто встречающаяся для всех производителей кластеров светодиодных ламп. Лидирующие производители кристаллов решают эту проблему по-разному. К примеру, компании Lumileds Lighting и Nichia используют медное теплоотводящее основание. Nichia «приклеивает» кри­сталл к подложке, а технологи фирмы Limileds Lighting исполь­зуют эвтектическую установку. Каждый из методов обладает как положительными, так и отрицательными особенностями.

Пайка кристалла на подложку позволяет снизить тепло­вое сопротивление между кристаллом и корпусом, но при этом возникает диодный контакт между теплоотводящим основанием и кристаллом, что требует обязательной элект­рической изоляции СЛ при одиночном или групповом монтаже на печатную плату. Этот «минус» не только сни­жает технологичность и дела­ет более дорогим производст­во готовых изделий, но в ито­ге увеличивает тепловое со­противление между корпусом светодиода и теплоотводом.

Кремниевая подложка и медное теплоотводящее осно­вание имеют значительно от­личающиеся коэффициенты объемного расширения при нагревании, что при термоциклировании приводит к на­рушению эвтектики, к повреж­дению кристалла и, как след­ствие, к преждевременному старению источника света.

Метод приклеивания кристалла к медному теплоотво­дящему основанию позволяет уменьшить нагрузки на кри­сталл и одновременно обеспечивает лучшую (по сравне­нию с предыдущим методом) его электрическую изоля­цию. При этом снижаются долговечность и надежность СЛ, что, с другой стороны, делает такую продукцию более де­шевой, и более доступной потребителям при прочих рав­ных условиях.

После пропайки с помощью низковольтного (12 В) паяль­ника с тонким жалом удалось полностью локализовать неис­правность. При работе СЛ рабочая температура радиатора охлаждения (теплоотвода) может достигать 80° С. Не реко­мендуется смотреть на горящий светодиод — можно повре­дить глаза. Это иллюстрирует рис.9.

После этого светодиодную лампу рассмотренного типа снова можно использовать по назначению. В исследовании принимали участие светодиодные лампы Camelion LED А60 8,5 Вт, 660 Лм, 830, 220В, Е27 3000К; LED-A60-standard 11 Вт 160-260В Е27 3000K 900Лм (российского производства ООО «ASD»); Jazzway PLED- ЕСО-А60 7W и др.

Выводы

Стандартный гарантийный срок отсчитывается с момен­та приобретения светодиодной лампы через розничную сеть, и составляет 3 года. СЛ для бытовых нужд подходят для боль­шинства светильников с патронами Е14, GU5.3, GU10 и Е27. Хорошим вариантом ламп для общего освещения в доме или квартире станут лампы формы «груша» мощностью 5 и 7 Вт. По световым характеристикам они соответствуют тре­бованиям ГОСТа относительно распространенных ламп накаливания мощностью 40 и 60 Вт. Они имеют угол рассеива­ния света 250°, что позволяет использовать их в низко рас­положенных светильниках (нет «провалов» засветки по бо­кам). Лучшим же решением для встраиваемых точечных све­тильников будут лампы с углом рассеивания света равным 120° (цоколи Gu5.3 и Gu10).

Сегодня производители пытаются удешевить производст­во, и поэтому переходят на теплопроводящую керамику, которая удешевляет производство светодиодных ламп. То есть в кластере используют радиатор не алюминиевый, а из теп­лопроводящей керамики. На практике нередки случаи, когда после очередного включения, примерно через 10-20 минут световой поток такой СЛ снижается на 10-20%. Сей процесс напрямую связан с нагревом корпуса лампы, т.е. после вы­ключения и остывания лампы до комнатной температуры, при повторном включении он повторяется. Кроме того, при «слабой» технологии изготовления СЛ со временем эксплуатации происходит отслаивание дорожек в светодиодном кластере, это приводит к нарушению контакта и неисправности СЛ.

Впрочем, описанная неисправность и устраняется отно­сительно простым способом. Это актуально для тех, кто уме­ет держать в руках паяльник, и кое-что знает о принципах работы светодиодов и источников питания. Всем остальным потребителям поистине сегодня не позавидуешь. При сред­ней стоимости СЛ мощностью 6 Вт в 2…2,5 USD, с учетом часто возникающих неисправностей, и «дешевой» технологии изготовления, им придется нередко облегчать свой кошелек и семейный бюджет.

Поэтому надо не гнаться за дешевизной и за «акциями» снижения цены, а приобретать СЛ проверенного производи­теля, пусть даже и с более существенной стоимостью. Та­ким образом, можно защититься от постоянных ремонтов, по сути, ламп-однодневок.

Еще один совет дам тем, кто выезжает за границу, в Ев­ропу. Покупайте световые приборы там. За примерами далеко ходить не надо. Из 10 СЛ, закупленных мною по слу­чаю в Финляндии (кстати, на сезонной распродаже, а пото­му недорого) за 4 года ни одна не вышла из строя. На лам­пах указан производитель — КНР.

В то время, при прочих равных условиях, приобретен­ные в Санкт-Петербурге «дешевые» СЛ уже неоднократно от­нимали мое время для описанного выше ремонта. Кроме того, отечественные производили, в силу экономических при­чин, в погоне за выгодой откровенно лгут: к примеру, в ха­рактеристиках указан индекс цветопередачи CRI более 80. А на упаковке он скромно не написан. Официальный сайт производителя ASD в характеристиках лампы этой лампы ука­зывает CRI >70. Это значит, что дешевизна пампы обеспе­чивается применением светодиодов с посредственными ха­рактеристиками, которые, в частности, при более низкой се­бестоимости имеют большую светоотдачу в расчете на 1 Вт потребляемой ими мощности. Такая лампа годится только для технического освещения.

Высокий показатель CRI — это естественность восприятия цветов и в общем смысле комфортности восприятия освеще­ния. Это можно проверить путем сравнения ламп ASD с чуть более дорогими лампами (+10…20% цены) имеющих CRI 80-90. В общем, хорошее изделие слишком дешевым не бывает.

Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург
Источник: журнал Электрик №12, 2015