Čínská vláknová LED "žárovka"

čínská vláknová LED žárovka
      5.4.2015 První LED "žárovky" s Edisonovým závitem na síťové napětí jako náhrada klasických žárovek se objevily už před mnoha lety. Používaly větší počet standardních 5mm bílých LED charakteristických studeným světlem, výraznou směrovostí a malým celkovým výkonem. Druhá generace je založená na výkonových LED čipech (1 W a více), jenž nabízí lepší parametry a lze s nimi dosáhnout vyššího celkového výkonu. Avšak pro jejich chlazení jsou potřeba rozměrnější hliníkové chladiče, které třeba v křišťálovém lustru nepůsobí zrovna elegantně. Tyto čipy se též začaly prosazovat v moderních svítidlech veřejného osvětlení jako náhrada sodíkových výbojek. Některé tyto realizace VO bývají předmětem kontroverzních debat, kde je vytýkána zejména přílišná nerovnoměrnost osvětlení vozovky snižující bezpečnost provozu.
      První dostupná LED "žárovka" designově srovnatelná s klasikou - Panasonic Nostalgic Clear se u nás objevila předloni při realizaci masové výměny osvětlení na Pražském hradě. Asi před rokem jsem objevil nový typ vláknových LED "žárovek" (v angličtině známé jako filament bulb), které ještě více připomínají klasiku. Žhavené vlákno zde nahrazuje tenká tyčinka COG (Chip On Glass) ze syntetického safíru (Al2O3 - je průhledný a má dobrou tepelnou vodivost) na níž je umístěno typicky 24 - 30 malých LED čipů zalitých silikonem s luminoforem. Je tak zajištěn dobrý odvod tepla z čipů a téměř všesměrová vyzařovací charakteristika. První COG vyrobila japonská firma Ushio už v roce 2008. Zde je datasheet LED "vlákna" ZR-39WWV5C2100 od firmy Z-Light Optoelectrionics a dále řady FSS1-JG-xxxx-D0 od firmy Runlite. Typické provozní parametry jsou:

propustný proud If: 10 mA
úbytek napětí Uf: 77 V
výkonová ztráta Pd: 0,77 W
světelná účinnost K: 136 lm/W
barevná teplota CCT: 2650 - 3200 K
index podání barev CRI: > 80
provozní teplota: -30 až +85°C

      Loni jsem viděl prodávat tyto LED "žárovky" na radiojarmarku v Holicích a byl jsem příjemně překvapen jejich kvalitou světla. Později jsem se rozhodl koupit jednu na zkoušku. Jak jsem zjistil, AliExpress je jimi doslova zaplavený. Vybral jsem si 12W non-dimmable verzi za 6,94 $. Zásilka dorazila za 14 dní. Krabička byla důkladně omotaná bublinkovou fólií a chyběl dráždivý nápis "pozor křehké", takže úspěšně přežila i Českou poštu. Po vybalení jsem zjistil, že mě Číňan kapánek odrbal, protože dodaná LED "žárovka" měla pouze 8 "vláken", takže to by spíše odpovídalo 6W, max. 8W verzi. Ale i tak za tu cenu je to pořád lepší, než od českých překupníků.
      Při pohledu shora do patice je vidět uvnitř malý kulatý plošňáček AC-DC měniče, ale součástky jsou umístěné na spodní straně a na pitvu se zatím nechystám. Na YouTube jsem našel jedno video s rozborkou podobné LED "žárovky" s trochu větší paticí a jednu rozborku svíčkové "LED" žárovky, z které si Mike udělal digitální hodiny :) Také je zajímavé nahlédnout, jak to vypadá v jedné takové šanghajské výrobně. Pomocí digitálního osciloskopu jsem změřil průběh odebíraného proudu. Ten je pochopitelně neharmonický. Poměrně krátký puls v oblasti maxima napětí trvá 2,4 ms a jeho vrcholová hodnota se pohybuje kolem 220 mA, čemuž odpovídá okamžitý příkon 66 W. Na průběhu proudu je superponovaná VF složka (jehly) o frekvenci 43 kHz, takže pracovní frekvence měniče je 21,5 kHz.

filament LED bulb U, I oscillogram filament LED bulb U, I-zoom oscillogram

      Dále mě zajímalo, v jakém rozsahu napětí měnič funguje a jaký činný výkon skutečně odebírá. Jako napájecí zdroj jsem použil regulák a LED "žárovku" jsem nešetřil, pěkně jsem ho vytočil až na doraz (288 V). Zpočátku tekl pouze nepatrný proud. Od 32 V se LED "žárovka" náhle rozblikala krátkými pulsy s frekvencí asi 4 Hz. Při zvyšování napětí se plynule zvyšovala frekvence záblesků až asi na 20 Hz (nedokumentovaný bonusový disco strobo mode ;-) a při 82 V začala svítit trvale. Při dalším zvyšování napětí nebyla okem patrná změna svítivosti. Odebíraný proud klesal, nejmenší hodnotu jsem naměřil při 260 V a dál už se zas nepatrně zvyšoval.

U [V] IRMS [mA] S [VA] P [W] IwRMS [mA] cos(φ)
0 0,00 0,000 - - -
20 0,14 0,003 - - -
32 18,00 0,576 - - -
40 35,00 1,400 - - -
60 66,00 3,960 3 70 0,86
80 93,00 7,440 5 90 0,82
100 98,00 9,800 6 100 0,75
120 80,00 9,600 6 80 0,70
140 71,00 9,940 6 70 0,62
160 65,50 10,480 6 70 0,55
180 60,00 10,800 6 60 0,51
200 55,00 11,000 6 60 0,48
220 50,00 11,000 6 60 0,43
240 47,00 11,280 6 50 0,41
260 46,00 11,960 - - -
280 47,00 13,160 - - -
288 48,00 13,824 - - -

filament LED bulb VA-char.

      Jelikož byl takto malý měřený výkon na spodní hranici možností mého TrueRMS wattmetru (DMM Metex M-3860M), zkusil jsem ještě z oscilogramu vypočítat střední hodnotu výkonu jako integrál u(t)*i(t) během jedné půlperiody a došel k hodnotě 7,2 W (6,5 W v samotném pulsu a 0,7 W ve zbytku - jen odhad, nedostatečné rozlišení oscilogramu).
      Pro zjištění světelného toku LED "žárovky" jsem použil jednoduchou porovnávací metodu pomocí Bunsenova fotometru. Jako referenci jsem zvolil subjektivně odpovídající klasickou 60W žárovku se jmenovitým světelným tokem 700 lm napájenou přes regulák. Doprostřed mezi LED "žárovku" a referenční žárovku jsem postavil papír s mastnou skvrnou. Pokud je při pohledu ze strany ref. žárovky mastná skvrna světlejší než okolní papír, znamená to, že má LED "žárovka" větší svítivost a pokud je skvrna tmavší, tak má menší svítivost. Z druhé strany to platí naopak. Cílem je buď pomocí reguláku nebo posouváním papíru na ose mezi světelnými zdroji dosáhnout splynutí mastné skvrny s okolím tak, aby nebyla patrná.

filament LED bulb lighting Bunsen photometer low-ref Bunsen photometer high-ref Bunsen photometer equalized-ref
LED "žárovka" fotometr: Iref<Ix fotometr: Iref>Ix fotometr: Iref=Ix

      Svítivost neznámého zdroje se pak určí přenásobením ref. svítivosti buď poměrem kvadrátů vzdáleností zdroj-papír nebo poměrem nastaveného a jmenovitého příkonu ref. žárovky (pro malou změnu lze závislost I=f(P) linearizovat). S překvapením jsem zjistil, že svítivost LED "žárovky" ani nedosahuje klasické 60W žárovky, odečtený příkon byl jen 56,4 W (224 V, 252 mA) a odpovídající světelný tok je tedy 659 lm. Pokud uvažuju účinnost AC-DC měniče 80 %, připadá na jedno "vlákno" příkon 0,72 W a světelný tok 82 lm, z čehož vyplývá světelná účinnost 115 lm/W. Podle datasheetu Z-Light Optoelectrionics by se měla pohybovat od 130 do 155 lm/W, netuším však od jakého výrobce jsou "vlákna" v té mojí "žárovce" a jsou tu též chyby měření... Není to zas tak špatný výsledek, ještě před pár lety byla účinnost pod 100 lm/W a vývoj jde dál, firma Cree loni prolomila hranici 300 lm/W. Nakonec jsem mrknul na světlo DVDčkovým spektroskopem - je spojité, v datasheetu je vidět vedlejší modrý peak na 450 nm.

změřené spektrum čínské vláknové LED žárovky

spektrum čínské vláknové LED žárovky z katalogu

      Co se týče tepelného managementu mám trochu obavy, neboť "vlákna" visí volně ve vzduchu a malý průřez přívodních drátků nedovolí efektivní přenos tepla někam dál. Takže veškeré ztrátové teplo se musí vyzářit skrze vnitřní plynovou náplň a baňku ven. Po delší době provozu je baňka teplá cca 40 - 45°C. Proti tomu 100 W žárovka se rozpálí během 10 s tak, že nejde udržet v ruce. Velkým otazníkem je životnost, která s teplotou čipů úzce souvisí. Na krabičce je uvedena celkem uvěřitelná hodnota 20000 hodin. Světelný tok LED čipů klesá plynule během života a oko je na pomalé změny necitlivé. Oproti tomu klasická žárovka svítí do poslední vteřiny pořád stejně. Takže LEDkový světelný zdroj by měl být raději trochu předimenzovaný, což si řada lidí neuvědomuje. S LED "žárovkou" jsem jinak co do příjemnosti světla spokojen, akorát bych do větších místností potřeboval větší výkon, alespoň ekvivalent 100W žárovky. Po chvíli pátrání jsem dnes objevil i 12W a 18W variantu. Podle počtu "vláken" na fotce by to mohlo odpovídat.

      25.3.2016 Při neopatrné manipulaci mi LED "žárovka" vyklouzla z ruky, spadla na zem a rozbila se. Bohužel to odnesla nejen skleněná baňka, ale popraskalo i několik COG "vláken", která přestala svítit nebo poblikávala, tak jsem alespoň provedl pitvu. V prostoru kovové patice s Edisonovým závitem se nachází malý kulatý dvouvrstvý PCB ve smršťovačce. Obsahuje SMD usměrňovací můstek, filtrační elyt 4,7 µF / 400 V, integrovaný obvod spínaného zdroje LIS8431 (čínská specialita), diodu, tlumivku a pár SMD pasiv. Pracovní frekvence měniče je 8 - 60 kHz a obsahuje v sobě spínací N-FET (650 V / 0,5 A / 30 Ω). Doporučené pracovní napětí je 90 - 264 VAC. Na výstupu měniče naprázdno jsem naměřil napětí 160 VDC, proud na krátko 59 mA a po připojení jednoho "vlákna" jím tekl proud 33 mA při úbytku 75 V.


filament LED bulb teardown filament LED bulb SMPS-top filament LED bulb SMPS-bottom

      Dále jsem změřil V-A charakteristiku s crashtestem jednoho "vlákna" připojeného na regulovaný SS zdroj. To se skládá z 28 LED čipů a úbytek na 1 LED tak vychází překvapivě nízký, kolem 2,65 V. Už při proudu cca 50 µA začne "vlákno" slabě svítit. Dále se s proudem výrazně zvyšuje jas, při cca 40 mA se "vlákno" rozblikalo - patrně vlivem přehřátí (to je také důvod, proč úbytek napětí začal klesat). Při dalším zvýšení napětí se nakonec při 45 mA jedna dioda spálila a byl konec...

If [mA] Uf [V] P [W]
0,00 0,0 0,000
0,06 53,5 0,003
0,10 69,1 0,007
0,20 70,3 0,014
0,50 71,7 0,036
1,00 73,1 0,073
2,00 74,4 0,149
4,00 76,2 0,305
6,00 77,1 0,463
8,00 77,6 0,621
10,00 78,0 0,780
15,00 79,5 1,193
20,00 79,9 1,598
30,00 80,3 2,409
40,00 79,7 3,188
45,00 - -

single COG LED string VA-char.

      11.4.2016 Jako náhradu jsem zkusil objednat z eBay tu nejlevnější 8W LED "žárovku" s 8 "vlákny" za 110 Kč, dnes dorazila. A v tomto případě opravdu platí za málo peněz málo muziky. Tak nějak jsem tušil, že "žárovka" asi nebude mít elektronický předřadník, ale jen srážecí kondenzátor, což dokládají následující oscilogramy a napovídá tomu i značení na patici: 180 - 240 V. Při zapnutí, když je kondenzátor vybitý a trefíte se zrovna do maxima napětí v sítí, dosahuje nárazová proudová špička cca 1,4 A, 300 µs. Skutečná naměřená spotřeba je cca 5 W při 232 V a cos(φ) = 0,28. Zklamáním je pak hlavně světelný tok, který zdaleka nedosahuje deklarovaných 800 lm ~ 60W klasická žárovka, ale spíše odpovídá 40W žárovce. To se hodí tak akorát na WC či do komory. Uvidím, jak dlouho vydrží...

8W filament LED bulb U, I oscillogram 8W filament LED bulb inrush peak current oscillogram

60W klasická žárovka vs 8W čínská vláknová LED žárovka
60W klasická žárovka vs 8W čínská vláknová LED žárovka (RAW foto, stejná expozice)


pitva LED "žárovky" LIVARNO 110770-14-02 11W

      22.1.2017 jsem našel tuto vyhozenou LED "žárovku" a tak jsem ji vzal na pitvu pro studijní účely. Značka LIVARNO LUX je vyráběna pro obchodní řetězec Lidl v Číně. Podle typového čísla jsem nic nenašel, ale zde je detailní popis velmi podobného modelu (vzhled a příkon přesně odpovídá, liší se jen barevná teplota). Po zapnutí LED "žárovka" samozřejmě nesvítila, ani neodebírala žádný měřitelný proud. Takže se tomu podíváme na střeva.
      Matná skleněná baňka je přitmelena bílým silikonem a dá se opatrně oddělat objetím spáry lámacím nožem či žiletkou. Jelikož jsem vemeno, tak jsem nožem moc zatlačil a rozprskla se mi v ruce. Po odstranění baňky se naskytne pohled na bílý kotouček (tenký plošný spoj) s 30 SMD LEDkami na 1mm hliníkovém substrátu, který je přišroubován dvěma samořezy k hliníkové základně. Ta se skládá z dalšího Al kolečka nalisovaného (lze snadno vypáčit šroubovákem) do Al komolého kuželu (též s cca 1 mm silnou stěnou) zasazeného napevno v plastovém krytu, který spojuje Edisonův závit a skleněnou baňku. Uvnitř kuželu se nachází PCB s elektronikou a je celý zalitý v bílém silikonu. Naštěstí byl silikon docela měkký a nepříliš přilnavý k povrchům, takže po chvíli dloubání šroubovákem se mi podařilo PCB vyprostit a kompletně očistit od jeho zbytků.
      Na PCB nebylo nic viditelně vyhořelého či jinak poškozeného. Nachází se zde SMD usměrňovací můstek, CLC filtr s elyty 4,7 µF / 400 V a 1,8 µF / 400 V, integrovaný obvod spínaného zdroje BP9831A (čínská specialita), dioda, tlumivka a pár SMD pasiv. Výstup měniče je filtrován dalším elytem 2,2 µF / 400 V. Nemělo by tedy docházet k blikání. Elyty jsem změřil a kapacita byla v toleranci. Pracovní frekvence měniče je 70 kHz a obsahuje v sobě spínací N-FET (500 V / 0,4 A / 20 Ω). Jeho doporučené pracovní napětí je 85 - 265 VAC a minimální úbytek na LED alespoň 15 V. Zde je základní katalogové zapojení měniče BP9831A:

BP9831A basic schematics

      Nejprve jsem rozsvítil samostatně LEDky napájené z lab. zdroje přes odpor a zjistil, že 3 z nich nesvítí. Tyto ledky vykazovaly odpor 9 - 11 Ω, takže sériový řetězec nebyl přerušen. Pak jsem je připojil k PCB měniče a normálně to svítilo. Sériovým řetězcem LEDek tekl proud 114,3 mA a celkový úbytek napětí byl 86 V (3,05 V na 1 LED), tzn. příkon 9,83 W. Při síťovém napětí 235 VAC jsem naměřil vstupní proud měniče 62 mA, příkon 11,5 W a účiník cos(φ) byl cca 0,5 (měřeno pomocí TrueRMS DMM Metex M-3860M). Účinnost měniče tak vychází celkem slušných 85 %.
      A proč tedy LED "žárovka" nesvítila? Inu, protože přívodní drát od Edisonova závitu měl špatný kontakt, nebyl vůbec připájený. Nevím z jakého kovu je materiál závitu vyroben, ale dost blbě na něj chytá pájka. Nakonec s pomocí roztoku ZnCl2 se mi to povedlo pocínovat a přívod jsem řádně připájel. Smontoval jsem vnitřnosti dohromady a porovnal ji s klasickou 100W žárovkou (matná baňka na fotce je z jiné žárovky). LEDkovka svítila o něco míň, ale zas více než 60W žárovka nebo výše popisované vláknové LED "žárovky". Takže nakonec to nebyl marnej "kauf" :) Akorát se mi nelíbí, jak se tělo LED "žárovky" hřeje. Chlazení není vyřešeno moc dobře, místo Al kuželu překrytého plastem by tam měly být volně přístupná chladicí žebra. Na snímku z termokamery podobného modelu dosahuje teplota dokonce 80°C, což pro dlouhou životnost LED není zrovna ideální. Dal jsem ji do předsíně, kde se zas tak dlouho nesvítí.

LED žárovka LIVARNO 110770-14-02 11W 30 bílých LED zalitá elektronika vydlabání silikonu

step-down menič-top step-down menič-bottom svítící LEDky LEDkovka vs 100W žárovka


pitva LED "žárovky" IKEA LED1304G11 11W

      29.4.2017 jsem získal další 2 nefunkční LED "žárovky" pro pitevní účely, tentokráte značky IKEA (vida, nejen nábytek), typ LED1304G11. Po připojení napětí žárovky nesvítily a ze sítě odebíraly proud jen cca 1,8 mA. Vrchlík z mléčného plastu je přitmelený bílým silikonem. Stačí ho podebrat šroubovákem a silou odloupnout. Pak se naskytne pohled na plošňák (tenký, na hliníkovém substrátu) se 40 malými bílými SMD LED uspořádanými do kruhu. Ten je přišroubovaný 2 šroubky na kruhovém chladicím profilu a s PCB elektroniky je propojený přes 2 pérka na hranový konektor. Elektronika je zalitá v poměrně tuhém silikonu, který na součástkách docela drží. Při jeho odstraňování se mi některé SMD odpory utrhly z desky, drátovým odporům se zas utrhaly přívody, takže nemělo smysl elektroniku dále testovat. Řídicí obvod MRVL8183, výkonový MOSFET SVF2N70M, ani jiné polovodiče se při zběžném ohledání nejevily proražené. Elektronika přitom vypadá docela složitá a robustní, na vstupním a výstupním filtru se rozhodně nešetřilo. Použitý řídicí obvod od Marvellu je docela hi-tech - obsahuje v sobě aktivní PFC, proudovou a tepelnou ochranu, soft-start, podporuje stmívání triakovou regulací a dosahuje účinnosti až 90%. Změřil jsem alespoň samotné LED diody a všechny normálně svítí. Jsou zapojené sérioparalelně (4 řetězce po 10 LED) a při celkovém proudu 300 mA je úbytek napětí na svorkách 30,5 V, tj. 3,05 V na 1 LED. Přemýšlím, že bych k těm LEDkám zbastlil nějaký jednoduchý step-up měnič pro napájení z baterie...

LED žárovka IKEA LED1304G11 11W chladič 40 bílých LED zalitá elektronika

step-down měnič-top step-down měnič-bottom integrovaný obvod měniče Marvell 88EM8183



Zpět

Aktualizováno 3.5.2017 v 11:52

Doplňky pro odvodnění diuretika a suplementy