W ostatnich latach żarówki LED na dobre zagościły w naszych domach, zastępując wysłużone już konstrukcje z wolframowym żarnikiem. Nic w tym dziwnego, LEDy w porównaniu do innych źródeł światła wypadają zaskakująco dobrze – zużywają niewiele energii, mogą świecić w różnych kolorach, włączają się natychmiast i nie nagrzewają się aż tak bardzo.
W ostatnim czasie jedna z tego typu żarówek w moim domu uległa uszkodzeniu, z zawodowej ciekawości postanowiłem zajrzeć do środka. Uszkodzenie okazało się niewielkie, pękło się jedno z połączeń na płytce, ale przy okazji pomyślałem, że ciekawe mogłoby być porównanie kilku typów żarówek LED. W końcu na rynku dostępnych jest dość sporo konstrukcji różniących się między sobą jakością wykonania oraz ceną, a warto byłoby sprawdzić, czy różnic jest więcej. Pod wpływem tej myśli kupiłem trzy klasyczne, białe żarówki LED oraz dość ciekawą konstrukcję RGB, której przyjrzymy się później.
Przedstawienie bohaterów
LUMINOVA | OSRAM | PHILIPS |
12W | 6W | 5W |
4,39zł (0,98$) | 6,27zł (1,40$) | 19,89zł (4,44$) |
1310lm | 470lm | 470lm |
Po wejściu na jeden z popularniejszych serwisów aukcyjnych posortowałem aukcje po popularności i zamówiłem trzy spośród najczęściej wybieranych konstrukcji. Najtańszą z nich jest LED firmy LUMINOVA, który powinien jednocześnie dostarczyć najwięcej światła. Nieco droższą żarówką jest OSRAM, ale jej moc jest o połowę mniejsza w porównaniu do 12W konstrukcji. Najdroższy i jednocześnie najbardziej „markowy” jest PHILIPS, którego moc podobna jest do żarówki marki OSRAM.
Znając już dzisiejszych bohaterów, możemy przejść do najciekawszej części, czyli zajrzenia do ich wnętrza.
Wnętrze żarówki LUMINOVA
Zaglądając do wnętrza konstrukcji sygnowanej logiem Luminova, możemy zobaczyć dość cienki laminat o grubości 0,8mm został on wykonany w technologii MCPCB, czyli obwody umieszczono na metalowym podłożu ułatwiającym odprowadzanie ciepła. Na samej płytce możemy znaleźć 15 białych diod LED, dwa układy scalone oraz dwa rezystory. Jak widać w kilku miejscach brakuje elementów, prawdopodobnie laminat ten jest dość uniwersalny i mógł być stosowany w różnych typach żarówek.
Po drugiej stronie znalazł się jeszcze pojedynczy kondensator elektrolityczny o pojemności 3,3µF na 400V oraz ukryty w opasce termokurczliwej rezystor, którego zadaniem jest ograniczyć prąd rozruchowy. Elementy te wraz z pojedynczym przewodem zasilającym podłączone są do gwintu żarówki. Natomiast połączenie ich z płytką PCB zrealizowano za pomocą niewielkich plastikowych gniazd, które też dość łatwo się kruszą.
Jak działa żarówka LUMINOVA?
Typowa aplikacja SR5131EC (http://www.sxcai.com/uploads/soft/181225/1-1Q225133328.pdf)
Zasada działania takiej żarówki LED nie jest niczym wymyślnym i dobrze obrazuje je schemat typowej aplikacji umieszczony w nocie głównego sterownika. Całość zasilana jest napięciem sieciowym 230V, przepuszczanym dalej przez scalony mostek prostowniczy o oznaczeniu MB10F, który może dostarczyć prąd o wartości do 800mA. Napięcie po wyprostowaniu jest wygładzane przez filtr RC złożony z rezystora R3 i kondensatora elektrolitycznego, poza tym zadaniem rezystora jest też rozładować kondensator po odłączeniu zasilania. Tak przygotowane napięcie podawane jest na ciąg diod LED sterowanych przez mózg całej konstrukcji, czyli układ SR5131EC. Jest to niewielki, umieszczony w obudowie SOP-8 sterownik, dedykowany do kontroli szeregowo podłączonych diod LED. Mimo ośmiu wyprowadzeń, używane są tylko trzy. D (Dren), do którego podłączono katodę ostatniej diody LED, w rzeczywistości jest to właśnie dren tranzystora MOSFET umieszczonego wewnątrz układu. CS połączone z rezystorem opisanym tym samym indeksem, na płytce jest to R2, płynący przez niego prąd jest wartością odniesienia prądu płynącego przez diody LED. Ostatnim wyprowadzeniem jest GND, którego znaczenia raczej nie muszę wyjaśniać.
Schemat wewnętrzny bliźniaczego układu BP5131 (https://datasheetspdf.com/pdf-file/1258911/BPS/BP5131D/1)
Jak natomiast działa sam sterownik SR5131? Jego działanie możemy określić jako swego rodzaju rezystor, którego rezystancja może być zmieniana w czasie rzeczywistym. We wnętrzu nie znajdziemy jednak żadnego magicznego potencjometru. Centralnym elementem układu jest tranzystor MOSFET, którego odpowiednie wysterowanie pozwala zamknąć obwód, w którym umieszczone są diody LED i tym samym sprawić, że będą one świecić. Stopniem otwarcia kanału tranzystora steruje moduł analizujący płynący w obwodzie prąd oraz temperaturę, jeśli będzie ona za wysoka, czyli przekroczy w tym przypadku 150°C, układ będzie w stanie „zamknąć” tranzystor i tym samym ograniczyć prąd płynący przez diody LED.
Zatrzymajmy się jeszcze na moment przy samych diodach LED, bo nie są to tak do końca zwyczajne LEDy. W pojedynczej obudowie umieszczono w rzeczywistości dwie świecące struktury, dzięki czemu producent mógł uzyskać jeszcze większy poziom światła. Dioda zasilana jest też znacznie większym napięciem niż typowe dla białych diod 3,2V, potrzebuje ona aż około 14V, aby w ogóle zaczęła działać, poprawny poziom emitowanego światła można zaobserwować przy napięciu około 18V. Powód tak wysokiego napięcia zasilania pojedynczej struktury jest dość prosty – gdzieś musi odłożyć się ponad 230V (po wyprostowaniu). Żarówka zasilana jest napięciem sieciowym i musi być ono gdzieś wytracone.
Test temperaturowy
Po opisie działania i budowy żarówki LUMINOVA czas na test temperaturowy, bo to właśnie temperatura jest dla tego typu konstrukcji zabójcza. W tej i pozostałych żarówkach przeprowadziłem prosty test, w którym główny sterownik z umieszczoną nieco wyżej termoparą był podgrzewany ciepłym powietrzem ze stacji HotAir. Na multimetrze pojawia się odczyt temperatury, ale trzeba pamiętać, że jest to tylko wartość odniesienia i w rzeczywistości pokazuje temperaturę strumienia powietrza, a nie samego elementu półprzewodnikowego. Ze względów bezpieczeństwa nie chciałem umieszczać termopary bezpośrednio na układzie, mimo wszystko występuje tam napięcie sieciowe, które może być niebezpieczne dla człowieka, jak i sprzętu.
Przejdźmy jednak już do samego testu i tego, co na nim widać, a w zasadzie nie widać. Przez cały okres testu żarówka świeci właściwie identycznie, co jest pewnym problemem. Jak już wcześniej wspomniałem, w teorii układ SR5131EC powinien w swoim wnętrzu mieć zabezpieczenie termiczne, które po przekroczeniu 150°C powinno ograniczyć płynący przez diody LED prąd. Tutaj jednak nic takiego się nie wydarzyło, mimo że w szczytowym momencie grzałem go strumieniem powietrza o temperaturze ponad 220°C. Nawet jeśli prąd został nieco ograniczony, to nie przełożył się to na jasność świecenia diod.
Wnętrze żarówki OSRAM
Gdy znamy już budowę i idee działania ledowych żarówek na podstawie konstrukcji LUMINOVA, możemy przejść do kolejnego bohatera, czyli żarówki OSRAM. Po jej otwarciu można zobaczyć identyczny biały laminat typu MCPCB, z tym że tutaj jest on nieco grubszy i ma 1,2mm, z pewnością poprawia to odprowadzanie ciepła. Samych elementów elektronicznych jest nieco mniej, osiem diod LED, dwa rezystory i pojedynczy układ scalony. Jednak w gruncie rzeczy, budowa żarówki jest niemal identyczna, jak w przypadku konstrukcji LUMINOVA.
Po drugiej stronie również znajdziemy pojedynczy kondensator elektrolityczny o pojemności 3,3µV na 400V oraz umieszczony w opasce termokurczliwej rezystor ograniczający prąd rozruchowy. W identyczny sposób zrealizowano też połączenie elementów z płytką PCB.
Jak działa żarówka OSRAM?
Pod względem budowy i działania żarówka ta jest jeszcze bardziej minimalistyczna niż tańszy konkurent. Mamy tutaj tylko jeden układ scalony o oznaczeniu JWB1891, do którego niestety nie ma noty katalogowej. Znaleźć można jedynie dokumentacje do JW1891, ale jest to chip niemal identyczny, jak SR5131. Biorąc pod uwagę, że sterownik żarówki podłączony jest bezpośrednio do napięcia sieciowego, a pozostałe elementy umieszczono identycznie ja w żarówce LUMINOVA, skłaniam się ku opinii, że JWB1891 musi w swoim wnętrzu zawierać mostek prostowniczy wraz z liniowym sterownikiem LED na bazie tranzystora MOSFET. Niestety przez brak dokumentacji ciężko stwierdzić, czy wyposażono go w zabezpieczenie termiczne, ale w dalszej części materiału postaram się to sprawdzić.
W żarówce OSRAM podobnie jak we wcześniej opisywanej konstrukcji zastosowano diody LED na wysokie napięcie, z dwiema świecącymi strukturami wewnątrz. W tym przypadku potrzebne jest napięcie około 28V, aby uruchomić diodę. Dlaczego jest ono jeszcze większe niż w żarówce LOMINOVA? Ponieważ samych diod jest mniej, a napięcie zasilania również jest sieciowe i gdzieś trzeba je wytracić.
Test temperaturowy
Średniopółkowa żarówka w teście temperaturowym wypada już nieco lepiej niż najtańsza z zestawienia konstrukcja. W tym przypadku można już zaobserwować od mniej więcej 1:10, że diody LED zostały lekko przygaszone, oznacza to, że zabezpieczenie termiczne zadziałało poprawnie. Niestety ze względu na brak dokumentacji do JWB1891 nie da się stwierdzić, jaka jest temperatura minimalna, przy której zostanie ono aktywowane, ale biorąc pod uwagę, że w tym momencie testu zwiększam nawiew do około 200°C, to układ reaguje zapewne podobnie jak SR5131EC w okolicach 150°C.
Niestety po teście okazało się, że uszkodzone już nieco gniazdo rezystora zasilającego uległo całkowitej destrukcji.
Wnętrze żarówki PHILIPS
Najdroższa z zestawienia żarówka sygnowana logiem PHILIPSa różni się dość mocno w porównaniu do wcześniej opisanych konstrukcji. Mamy tutaj tylko siedem diod LED, dwa układy scalone, diodę prostowniczą i trzy rezystory. Metalowy laminat podobnej grubości co w żarówce OSRAM przyklejony został dodatkowo do metalowej blaszki, która jeszcze bardziej poprawia odprowadzanie ciepła.
Ciekawie robi się po drugiej stronie. Znalazły się tutaj dwa kondensatory elektrolityczne, pojedynczy foliowy, dławik oraz niewielki transformator. Sam laminat również połączony jest z gwintem przez pojedynczy przewód i ukryty w opasce termokurczliwej rezystor. Elementy te jednak z samym PCB połączone są za pomocą cyny, a nie kruchego, plastikowego gniazda.
Jak działa żarówka PHILIPS?
Przykładowy schemat dla układu DU8622 (https://datasheetspdf.com/datasheet/DU8622.html)
Mimo mnogości elementów działanie żarówki PHILIPS nie odbiega wiele od wcześniej prezentowanych konstrukcji. Całość zasilana jest napięciem sieciowym, z tą różnicą, że jest ono obniżane wcześniej przez niewielki transformator. Dalej jest ono prostowane i wygładzane przez scalony mostek prostowniczy o oznaczeniu 10U10 i filtr RC. Tak przygotowane napięcie zasila główny układ scalony DU8622B, będący liniowym sterownikiem LED o nieco bardziej zaawansowanej konstrukcji niż chipy w poprzednich żarówkach. Jego działanie również opiera się na tranzystorach MOSFET, ale do poprawnego działania potrzebuje on nieco więcej elementów. Dość dobrze obrazuje to schemat typowej aplikacji umieszczony w nocie katalogowej układu i widoczny powyżej.
Podobnie jak poprzednio, tak i w PHILIPSIE diody LED oparte zostały na dwóch świecących strukturach, ale ich napięcie jest znacznie niższe, dioda reaguje już przy napięciu około 4,8V. Jak już wiemy, żarówka ta zasilana jest obniżonym przez transformator napięciem, tak więc nie trzeba wytracać całej mocy napięcia sieciowego na diodach i projektanci mogli zastosować bardziej standardowe konstrukcje.
Test temperaturowy
W teście żarówki PHILIPS ograniczenie prądu płynącego przez diody LED widoczne jest dość dobrze już od około 1:00. Diody wyraźnie się ściemniają, i według dokumentacji jest to moment, w którym układ osiągnął około 150°C. Niestety test nie kończy się pozytywnie, co możecie zobaczyć na filmie. Pod koniec testu, żarówka nagle gaśnie.
Jak się później okazało, przepaliła się jedna z diod, a dwie pozostałe, mimo że świecą to widać na nich już zwęglone punkty. Przez pewien czas ogrzewałem całość powietrzem o temperaturze około 300°C, tak więc sądzę, że diody po prostu tego nie wytrzymały. Trzeba pamiętać, że są to tylko elementy półprzewodnikowe dość wrażliwe na tak drastyczny wzrost temperatury, o tym, co dzieje się w półprzewodnikach przy wzroście temperatury opowiedziałem w materiale o „Spalaniu Radzieckiego Tranzystora”.
Czy warto dopłacać do żarówki LED?
Na koniec wypadałoby jakoś podsumować i odpowiedzieć na pytanie, czy warto dopłacać do droższych żarówek LED. Według mnie – tak. Mimo że zadanie każdej z konstrukcji jest takie samo, to różnią się one budową i rozwiązaniami technicznymi. Grubość laminatu, specyfika diod LED, napięcie zasilania, odprowadzanie ciepła…, różnic jest w sumie całkiem sporo i wydaje mi się, że są one warte swojej ceny i jeśli chcemy cieszyć cię światłem żarówki LED długie lata, warto jednak czasem dopłacić.
Jak zbudowana jest żarówka LED RGB?
W ramach ciekawostki chciałbym pokazać wam jeszcze jedną ledową żarówkę, równie chętnie wybieraną przez konsumentów co opisywane wcześniej konstrukcje. Jest to źródło światła, które może świecić w różnych kolorach, czyli po prostu żarówka RGB. Kolor świecenia, jak i efekty świetle, bo te również są dostępne, wybieramy za pomocą dołączonego do zestawu pilota. Myślę, że sprzęt ten jest wam znany, bo identyczne piloty można znaleźć praktycznie w każdym zestawie, który w swoim opisie zawiera skrót „RGB”. Sama żarówka ma moc 9W, a na opakowaniu nie znalazłem informacji o producencie. Jedynie naklejka z danymi Polskiego importera zdradza, że konstrukcja pochodzi z Shenzhen, a dokładniej z Shenzhen Passion Int’l Corporation, a z tego, co udało mi się sprawdzić, to są to dane eksportera, a nie samego producenta, który pozostanie zagadką. Co ciekawe na opakowaniu znajdziemy też informację, że żarówka posiada certyfikaty RoHS i CE. Przyglądając się im bliżej, wygląda na to, że rzeczywiście są prawdziwe, a CE nie oznacza sławnego „China Export”.
Na materiale wideo możecie zobaczyć jeden z efektów świetlanych generowanych przez żarówkę. Po testach muszę przyznać, że działa ona całkiem dobrze, a wytwarzane światło ma bardzo przyjemną dla oka barwę.
Co skrywa wnętrze żarówki RGB?
Nie byłbym sobą, gdybym nie zajrzał do wnętrza tego sprzętu, a jest tu naprawdę ciekawie. W środku znalazło się dość sporo elementów, mamy tutaj mostek prostowniczy MB10F wraz z filtrem wygładzającym napięcie, odbiornik podczerwieni VS1838B, główny sterownik pozbawiony jakichkolwiek oznaczeń oraz trzy tranzystory.
Niestety przez brak oznaczeń na głównym układzie sterującym, ciężko jest powiedzieć coś, o tym jak całość działa. Pozostają jedynie przypuszczenia. Zasilany jest on napięciem sieciowym i jedno z jego wyprowadzeń podłączone jest bezpośrednio do wyjścia odbiornika podczerwieni. Tak więc wciskając przycisk na pilocie, wysyłamy dane, na które układ musi zareagować i odpowiednio wysterować diody. Te natomiast połączone są szeregowo w trzech obwodach odpowiadających kolorowi ich świecenia. Poszczególne szeregi diod kontrolowane są przez niewielkie tranzystory umieszczone na płytce.
Spojrzeć możemy też do wnętrza pilota, ale niestety nie dowiemy się z niego zbyt wiele, bo układ sterujący to klasyczny czarny „glut”. Sprzęt zasilany jest z baterii CR2025, a dane wysyłane są w świat przez niewielką, 3mm diodę IR.
W zimny grudniowy poranek w czeskiej wsi Březolupy pewien mężczyzna zatrzymuje swoją ciężarówkę przed XVII wiecznym zamkiem. Zakłada grube rękawice, wysiada z ciężarówki i otwiera tylną klapę. Następnie bardzo ostrożnie, rozładowuje kolejne skrzynie z ciężkim sprzętem i szkłem.
Jakiś czas temu na mojej stronie pojawił się pierwszy materiał o tranzystorach bipolarnych. Opowiedziałem wam w nim trochę o ich historii, budowie, uruchomiliśmy wspólnie pierwszy układ, a także zajrzeliśmy do wnętrza tego niezwykłego elementu. Dzisiaj po raz kolejny bierzemy na warsztat ten element, ale przyjrzymy się bliżej jego działaniu. Opowiem wam o podstawowym układzie pracy tranzystora, sprawdzimy jego działanie, a na koniec go podpalimy.
Źródła:
- https://steemit.com/gadgets/@proteus-h/what-s-inside-a-cheap-led-light-bulb-an-explanation
- http://www.sxcai.com/uploads/soft/181225/1-1Q225133328.pdf
- https://www.diodes.com/assets/Datasheets/MB10F.pdf
- https://datasheetspdf.com/pdf-file/1258911/BPS/BP5131D/1
- https://hackaday.com/2021/05/27/investigating-a-new-chip-in-a-minimalist-led-lamp/
- https://www.joulwatt.com/Upload/file/201905/20190528134540_1972.pdf
- https://datasheetspdf.com/datasheet/DU8622.html