Хотите вечных светодиодов? Расчехляйте паяльники и напильники. Или домашнее освещение самодельщика
Когда-то давным давно, когда я еще учился в школе, а на дворе был конец перестройки, мой дядя (заронивший в меня интерес к электронике) припер домой сумку вынесенного через проходную завода добра. Собственно, такие сумки он приносил домой вполне регулярно, пополняя запасы, хранившиеся в диване. Диван этот, как вы догадываетесь, манил, и иногда в отсутствии дяди я в него заглядывал с восторгом. Но кое-что из этой сумки в диван не попало, а попало в мои руки. Дядя мне вручил пачку — штук десять — макетных плат, и новенькую нераспечатанную коробку дефицитных, да и не дешевых в то время светодиодов. Причем светодиоды были не простые: вместо привычной маркировки АЛ-что-то там на коробке стоял код из четырех цифр, как я понял — они были экспериментальные. И они были яркие. По сравнению с привычными АЛ307 или АЛ310 — просто ослепительные. И их к тому же было много — штук 50.
Идея «куда это богатство применить» возникла моментально: светодиоды были распаяны на одной из макетниц — сколько влезло (влезли не все), и из них вышел великолепный красный фонарь для печати фотографий, который абсолютно не засвечивал фотобумагу даже в упор. Правда, тут же я узнал о том, что «светодиоды не греются» — это вранье, так что ток пришлось снизить вдвое, с 10 мА на светодиод до 5. А еще через полгода успешной эксплуатации узнал и о том, что «светодиоды не перегорают» — это тоже неправда: первый светодиод в сборке погас, оказался пробит. А со временем и весь фонарь пришел в негодность.
И вот сейчас я снова слышу из каждого утюга про «вечные» светодиодные лампочки, а дома за неполный год перехода на светодиодные лампы перегорела уже третья по счету.
Почему светодиодные лампочки не вечны?
Да потому что ничего нет вечного. Светодиод, к тому же — штука тонкая. Буквально. В его структуре имеются слои толщиной в считанные нанометры, образующие квантовые ямы. Диффузия и электромиграция к таким слоям безжалостны — они размывают их, создают дефекты, постепенно снижая световыход и увеличивая вероятность катастрофы в масштабах крохотного кристалла, в котором, к слову, выделяется световая и тепловая энергия, удельное значение которой в расчете на кубический сантиметр p-n перехода можно сравнить разве что с ядерным взрывом (немного утрировано, но сами прикиньте плотность энерговыделения). Чем светодиод горячее, тем все эти негативные процессы будут идти быстрее. А он, как мы уже в курсе, греется. Греется даже тогда, когда через него идет ток в 10 миллиампер. А тем более — когда это мощный прибор, ток через который как минимум 100 мА, а бывает — и ампер, и даже три ампера. И в тепло, не смотря на всю энергетическую эффективность светодиодов, переходит значительная доля от подведенной к светодиоду электроэнергии. От двух третей до трех четвертей.
А куда охлаждаться светодиодам в светодиодной лампочке? А некуда, по большому счету. Светодиод сам по себе спроектирован, чтобы его можно было охлаждать. Кристалл припаян к массивному основанию из меди или высокотеплопроводной керамики, у этого основания есть специальная площадка для пайки к внешнему теплоотводу, в роли которой — плата с алюминиевой или медной подложкой. А подложка эта, по идее, должна быть через термопасту прикручена к хорошему радиатору с большой площадью. А прикручена она в лучшем случае к металлическому корпусу светодиодной лампы, площадь которого совершенно недостаточна для рассеивания более чем нескольких ватт тепла, да еще и в закрытом плафоне. В худшем — корпус вообще пластмассовый, и в этот корпус еще попадает тепло от драйвера и от не вышедшего наружу и потерявшегося в недрах лампочки света. Вот и жарятся светодиоды при температуре, превышающей 100, а то и 130°С. И, кстати, не только светодиоды, но и драйвер, который тоже нередко выходит из строя.
Что делать-то?
Одно из трех. Либо мы, оставив на месте старую люстру, ставим в нее лампочки меньшей мощности. Они меньше будут греться и у них больше шансов прожить долго. Разумеется, в комнате станет темно: мы вернемся во времена, когда в люстре из экономии и пожаробезопасности стояли лампочки по 25 ватт, от которых ушли, поставив на их место пятнадцативаттные энергосберегайки, сделавшие из темной берлоги светлое помещение, в котором приятно находиться.
Либо мы покупаем новую люстру, в которую можно вкрутить больше лампочек. Так мы останемся со светлой комнатой и получим (возможно) более долгую жизнь лампочек. Только на люстру, как и на лампочки, придется потратиться.
И, наконец, третий вариант: мы забываем само понятие «светодиодная лампа», как страшный сон и ставим на место люстры специально спроектированный светодиодный светильник. Продуманный и в плане хорошего использования светового потока (у светодиодных ламп типа «висит груша — нельзя скушать» с этим в приборах, рассчитанных на лампы накаливания, не всегда хорошо — они плоховато светят вбок и назад), и в плане качественного охлаждения.
Рынок
На рынке есть такие светильники. Но по большей части они во-первых, дорогие, а во вторых — страшные. Этакие промышленные штуковины, которые уместны в гараже, цеху, в торговом зале гипермаркета, в офисе, наконец — но не в квартире. Нет, есть и красивые, и дизайнерские очень эффектно выглядящие светильники. Но — во-первых, опять же, цена, а во-вторых, в жертву дизайну принесено охлаждение.
Так, классическая китайская светодиодная люстра-блин — это пятьдесят ватт светодиодов, сидящих на алюминиевой плате в виде кольца диаметром 45 см и шириной сантиметров 8. И — все. Никакого тебе корпуса с оребрением, ничего. И опять-таки, плата в почти наглухо закрытом корпусе. Ну хоть драйвер чуть наружу вынесен. Вердикт: жить будет, как светодиодная лампочка. Только когда сдохнет, менять придется не лампочку за 150 рублей, а люстру за пять-десять тысяч.
В общем, выход, кажется, один: умелые руки.
Самодельный светильник: проектирование
Сразу скажу: светильник будет не на светодиодной ленте и без блютуса.
Для начала, оценим, сколько нам нужно света. Тут дело вкуса, но я люблю, когда в жилище светло. Всякий интимный полумрак я люблю в особых случаях, в романтичной обстановке, но в обычной жизни он навевает тоску. Считать можно по-всякому, но я воспользуюсь тем фактом, что с люстрой с пятью энергосберегайками по 15 ватт, дававшими каждая по 950 лм, в комнате было хорошо. То есть 5 килолюмен нам будет достаточно. Теперь идем на сайт Cree, находим там Datasheet на модули CXA2530. Почему именно на них? Да потому что у меня есть несколько штук таких модулей, и с ними удобно работать: к ним просто припаиваются провода, а сами модули сажаются прямо на радиатор с помощью прилагающегося фланца. А еще их несложно купить — известный китайский интернет-магазин в помощь. У имеющихся у меня модулей бин светового потока Т4, это соответствует номинальному световому потоку 3440-3680 лм. Сразу 20% от этой цифры отнимаем — они потеряются на рассеивателе. Получаем световой поток 2750-2950 лм, а учитывая, что получается этот поток при мощности около 30 Вт, получаем потребную для освещения мощность (подведенную к светодиодам) около 50 Вт. Поскольку комната у нас длинная, мы уберем люстру из центра и сделаем два одинаковых светильника по 25 ватт.
Приняв КПД светодиодов за 25% (достаточно консервативная оценка — скорее всего, лучше, но уж точно не хуже), выясняем, что в каждом светильнике выделяется 18,75 Вт тепла. И наша задача — выбрать под это тепловыделение радиатор. Вот как мы это сделаем.
Будем исходить из максимальной температуры кристалла 
= 85°C и температуры окружающей среды 
= 35°C. То есть 
= 50°C. Перепад температуры пропорционален рассеиваемой мощности, а коэффициент пропорциональности называется тепловым сопротивлением: 
, и измеряется оно в кельвинах (или градусах цельсия) на ватт. В нашем случае тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда должно быть равно 2 °С/Вт.
Из чего же состоит тепловое сопротивление? Первый его компонент — это тепловое сопротивление, присущее самому корпусу светодиода. Фирма Cree не дает эту величину в даташите напрямую, предлагая воспользоваться странным графиком, но в ранних публикациях в журналах о выпуске новых светодиодных матриц указывалось значение 0,8 °С/Вт.
Второй компонент общей величины теплового сопротивления — это сопротивление, создаваемое слоем термопасты между корпусом и радиатором. В качестве термопасты мы возьмем старый-добрый Алсил-3, с теплопроводностью 
= 1,7-2 Вт/м*К. При слое пасты толщиной 50 мкм и площади теплорассеивающей поверхности 2,8 
(площадь круга диаметром 19 мм под излучающей поверхностью матрицы) получаем 
= 0,105 °С/Вт.
Итак, на радиатор у нас остается 1,1 °С/Вт. Исходя из этой цифры, выбираем радиатор, накинув процентов 30 «на вранье», на растекание тепла от маленькой матрицы и на то, что радиатор будет неоптимально ориентирован в пространстве. Например, нам подойдет профиль АВМ-076 размером сечения 176х40 мм с тепловым сопротивлением куска длиной 100 мм 0,5 °С/Вт. Нам хватит куска этого профиля длиной 80-100 мм. 100 мм — это стандартные куски, имеющиеся в продаже, 80 нужно заказывать у производителя (Виртуальная механика, virtumech.ru), такой вариант выглядит несколько более эстетичным за счет меньшей ширины.
Осталось выбрать драйвер. Критерии для его выбора — это ток и рабочие пределы выходного напряжения. Мощность 25 Вт получается при токе около 0,7 А, напряжение на матрице при этом составит около 35-36 В.
Конструкция
Перебрав несколько вариантов конструкции светильника, я остановился на рассеивателе из матового полупрозрачного пластика, имеющем вид полуцилиндра. Форма эта получается простейшим способом — за счет крепления изогнутой пластины к боковым сторонам радиатора. Способ крепления достаточно произволен — на винтах с прижимными пластинами, на клею — я воспользовался красным двусторонним скотчем «Момент». В качестве рассеивателя я применил рассеивающую пленку из подсветки разбитого ЖК монитора — она имеет очень хорошее светопропускание. Можно также заматировать абразивом пленку для печати на лазерном принтере или любую другую плотную пластиковую пленку.
Матрица с предварительно припаянными проводами устанавливается с помощью комплектного фланца в центре радиатора с помощью двух винтов М3 (гайки использовать неудобно, так что придется поработать метчиком). Перед приклеиванием рассеивателя свободную от матрицы плоскую поверхность радиатора рекомендуется оклеить алюминиевым скотчем или окрасить белой краской — это снизит потери света.
По поводу термопасты — хотелось бы заметить, что использование темной термопасты не рекомендуется: она процентов на 10 снизит световой поток. Я это хорошо заметил на двух экземплярах, один из которых я сделал с Алсилом-3, а на второй алсила не хватило и я воспользовался пастой из комплекта кулера фирмы Scythe, имевшей темно-серый цвет. Разница при измерении люксметром очевидна. Также нет смысла использовать более дорогие, чем алсил, термопасты с большей теплопроводностью: и на алсиле падает в худшем случае пара-тройка градусов, погоды они не сделают.
После сборки первого светильника (в котором я использовал радиатор от процессора Pentium II и который поселился в кухне, у него чуть меньшая мощность в районе 15 Вт), я принял решение ставить в светильники для комнаты не одну матрицу, а две — это «размазало» пятно света на рассеивателе и сделало свет более комфортным. Более разумно было бы в таком случае ставить менее мощные модули, скажем, CXA1820. Модули соединил параллельно, нежелательных последствий в виде неравномерного распределения тока между ними это не вызвало — обе матрицы светятся на глаз одинаково. Но длину подводящих проводов я на всякий случай выровнял.
Крепление к потолку у меня — с помощью коромысла из жесткой стальной проволоки диаметром 2 мм, концы которого продеты в отверстия в крайних ребрах радиатора и загнуты. За центр коромысла зацеплен крючок, прикрепленный к потолку — такой длины, чтобы между натяжным потолком и радиатором оказалось расстояние в пару сантиметров. Драйвер спрятан за натяжным потолком. Если бы светильники делались до потолка, можно было бы в него запрятать и радиаторы.
Поверхность радиатора можно покрасить в черный цвет перманентным маркером или тонким слоем из баллончика (толстым не надо — теплоизоляция). А можно и не красить, глаза он особо не мозолит.
Результаты
Светло. Под лампами на высоте столешницы — 450 лк, в середине комнаты 380 лк. Свет комфортный, цветопередача — вполне (правда, на кухне оказалось, что сырое мясо под этим светом выглядит, как-будто его слегка подкрасили черничным соком). Радиаторы после многочасовой работы теплые, но не горячие. Мерцание равно нулю (заслуга качественных драйверов).
И по ценам: матрицы обошлись в 550 рублей каждая (курс с тех пор, конечно, поменялся), радиаторы — по 600 рублей, драйвера — по 250 рублей, пленка досталась бесплатно. Итого — 2200+1200+500 = 3900 рублей. Плюс два-три часа работы.
Источник
Делаем вечную лампочку: вопросы и ответы
Мой рассказ о том, как за пять минут модифицировать светодиодную лампу, чтобы значительно продлить ей срок жизни, вызвал огромный интерес.
У многих возникли вопросы и сомнения. Постараюсь ответить на вопросы и развеять сомнения.
Мою статью на разных площадках прочитали уже более 880 тысяч человек (442 тыс на Пикабу, 261 тыс дочитываний в Дзене (показов 2.9 млн), 113 тыс на Хабре (https://habr.com/ru/company/lamptest/blog/547730/), 20 тыс на Mysku, 45 тыс в ЖЖ). Общее количество комментариев превысило 2500. Я физически не могу ответить на каждый, но отвечу на самые часто встречающиеся.
Впервые в интернете увидел этот способ лет назад, что здесь нового?
Я не претендую на идею. Я лишь нашёл лампочку, идеально подходящую для переделки, подробно рассказал, как её модифицировать и измерил её параметры до и после переделки. Об этом способе я узнал из блога израильтянки Амит Терко.
Не понял -«ломаем резистор». Ломаем и разъединяем или ломаем резистор и паяем ножки?
Судя по картинке, там припой вместо R2? Или я ошибаюсь, и должен быть разрыв?
Резистор должен быть разорван. На фото остатки от сломанного резистора (у него проводящий слой был сверху, а остальное просто керамика).
«Ну хоть бы выпаять предложил, а не выломать».
«Зачем ломать, можно просто отпаять».
«А можно отпаять, а не ломать?»
Плата у лампы алюминиевая и отпаять резистор будет непросто. Да и паять умеют далеко не все, а выломать сможет каждый, у кого «прямые» руки.
Интересно, а насколько велика мощность рассеивания у R1? И не будет ли он перегреваться, и в конце концов сгорит?
Эти резисторы подключены ко входу микросхемы и задают ток. Мощность, рассеиваемая на них, мала.
Вот типовая схема светодиодной лампы с импульсным драйвером (токозадающие резисторы RS1, RS2).
Интересно, зачем ставят два резистора, а не один?
Чтобы можно было точнее подобрать общее сопротивление и, соответственно, ток через светодиоды.
А что у всех 2 резистора и у любой стало быть надо ломать именно второй резистор?
В дешёвых лампах ради экономии ставят один резистор. Для переделки такой лампы придётся заменять резистор на другой большего номинала.
Если резистора два, и они стоят параллельно, нужно ломать тот, у которого номинал больше.
А если вместо R2 (5.6 Ом) отпаять сопротивление R1 (2.7 Ом) — насколько снизится яркость и температура?
Снизится сильно, так делать не стоит.
А после переделки параметры, кроме температуры, замерял? Как там с пульсацией и CRI?
Измерял. Ничего не меняется.
А не проще ли сразу купить лампу менее мощную и не заморачиваться «тюнингом»?
Нет! У менее мощной лампы меньше светодиодов, которые точно так же «работают на износ». Модифицируя лампу, мы даём возможность светодиодам работать в щадящем режиме.
Как снять колпак?
У лампочки Navigator, которую я нашёл для переделки, колпак можно просто оторвать рукой. У других ламп снять колпак может быть очень непросто. Советуют прогреть его феном прежде, чем пытаться оторвать. Осторожно! У очень старых ламп (например первых IKEA) колпак стеклянный и при попытке его оторвать можно сильно пораниться.
Как поставить колпак обратно, чтобы он не отвалился при вкручивании?
У того же Навигатора колпак защёлкивается и держится хорошо. У других ламп можно зафиксировать колпак двумя каплями суперклея.
Я конечно скорее всего чего-то не понимаю но если I=U/R то при уменьшении сопротивления ток возрастает… соответственно вырастает и мощность… или я чего то не понимаю?
В лампе, которую мы модифицируем, два резистора соединены параллельно. Когда мы отламываем один, общее сопротивление увеличивается.
А как нашли, что у лампы навигатор кишки снаружи? Светили в магазинах чем-то через матовую колбу?
Просто разобрал несколько ламп и нашёл подходящую.
Производители тоже вас читают и модифицируют изделия так чтобы нельзя было так легко влезть и «подкрутить». Такую инфу нужно распространять подпольно, а иначе она очень быстро устаревает.
Вопреки устоявшемуся мнению, производитель будет только рад, если его лампа станет работать дольше. Ведь когда преждевременно сгорает лампа, покупатель старается больше не покупать лампы этого производителя.
Хорошо также в пластмассовом цоколе просверлить штуки 4 отверстия диаметром примерно 4 мм. тогда горячий воздух будет выходить из лампы и снизится температура внутри, что так же увеличит срок службы лампы.
Особой конвекции там не будет и если это и продлит срок службы, то незначительно. Кстати, многие думают, что корпус целиком пластиковый, но это не так — корпус лампы представляет собой алюминиевый стакан-теплоотвод, снаружи покрытый пластиком.
«Если есть место в патроне или выключателе, можно последовательно с лампой подключить конденсатор 0.5÷1 мкФ. Зависит от мощности лампы, на 160 ÷250в. Яркость упадет но работать будет вечно.»
Нет, если лампа с импульсным драйвером, это не работает.
«Если лампочка в (под) закрытым плафоном проще просто отодрать рассеиватель у лампочки и теплоотвод возрастет и яркость увеличится, а ресурс должен повыситься (перегрев светодиодов уменьшится, а у радиатора лампочки теплоотвод улучшиться), но плафон должен быть обязательно закрытого типа, защита от дураков и детишек.»
Если снять плафон, яркость в целом увеличится всего на 5-8% (https://ammo1.livejournal.com/1220220.html) и сильно уменьшится угол освещения. Перегрев действительно немного уменьшится, но не так значительно, как при уменьшении тока.
За счёт чего выросла энергоэффективность?
Энергоэффективность светодиода зависит от приложенного тока. Чем ниже ток, тем выше эффективность.
А если лампа с раздельными платами, что нужно там отломать?
На плате драйвера обычно есть два таких же токозадающих резистора, но извлечь две платы и поставить обратно весьма непростая задача и это точно займёт не пять минут.
Какие лампы подойдут для переделки?
Для простейшей модификации с выламыванием резистора подходят лишь некоторые лампы. У них должна быть одноплатная конструкция и два токозадающих резистора, включенные параллельно. А ещё у них должен более-менее легко сниматься колпак-рассеиватель.
Многие лампы имеют двухплатную конструкцию, у них под колпаком лишь плата со светодиодами, а плата драйвера находится внутри корпуса.
Возня с разборкой и сборкой такой лампы займёт не один час (возможно даже придётся высверливать завальцовку цоколя) и на мой взгляд, это нецелесообразно.
У дешёвых ламп с одноплатной конструкцией ради экономии установлен только один резистор. Вот, например, Эра 15 Вт с датой выпуска 15.03.19.
Место под второй резистор есть, но стоит лишь один на 1.74 Ом.
Ещё пример: Старт 15 Вт с датой выпуска 08.2019.
Резистор только один на 2.87 Ом.
Для модификации таких ламп придётся заменить резистор на другой большего номинала.
Встречаются и лампы, у которых два токозадающих резистора включены не параллельно, а последовательно (один из читателей обнаружил такое у лампы OSRAM). В этом случае также придётся заменять резисторы.
Я даже не уверен на 100%, что для переделки подходят точно такие же лампы Navigator с другой датой выпуска — не исключено, что конструкция у них менялась.
Я продолжу поиск ламп, пригодных для быстрой модификации. Как только что-то найду, сделаю все измерения «до и после» и расскажу об этом.
Источник