Светодиод SunLike SAWS0661A. Собираем LED лампу солнечного спектра с CRI97.

Практически все имеющиеся в продаже LED лампы сильно оставляют желать лучшего — по ряду причин.
Небольшая лабораторная работа на тему «Почему они хлам и как я пытался с этим бороться» — под катом.
Будут разборы, замеры, много доработки напильником и беспощадная резня бензопилой.
Welcome!

Основной тип LED ламп на нынешних прилавках — «груши» с корпусами, состоящими из двух частей, полупрозрачной и непрозрачной.

Полупрозрачная выступает рассеивателем, непрозрачная пытается быть радиатором.
Как ей это удаётся?
Удаётся ей это откровенно хреново, и дальше это мы увидим.
Я собрал целую охапку нерабочих светодиодных «груш» разных моделей и производителей. Одной из них можно пожертвовать ради науки(всё равно не жалко).
Препарированная «груша» выглядит вот так. Хорошо видна перегородка, разделяющая внутренний объём лампы на две части.

На этой перегородке размещены светодиоды, закрытые полупрозрачным куполом-рассеивателем. Питаются они от платы-драйвера, размещённого под ней в непрозрачной части лампы. Внутренняя алюминиевая вставка старается изобразить из себя радиатор, но миллиметровый слой пластмассы явно не повышает его эффективность, и лампа очень сильно греется даже на поверхности. А как при этом чувствуют себя её светодиоды?
Возьмём ещё одну лампу, воткнём ей нож в щель между частями корпуса, придавим и при необходимости провернём.

Купол отлетает в сторону, и мы видим перегородку-MCPCB с напаянными на ней светодиодами. На одном из них заметна чёрная точка — светодиод сгорел с обрывом, разомкнув общую цепь, и лампа отправилась в мусор.

Замкнём его проволочной перемычкой.

Проверка показывает, что лампа восстановила работоспособность(но ненадолго, потому что в скором времени сгорит следующий диод). Отремонтированные таким способом лампы можно вешать в подъезде, если их там крадут — радоваться трофею долго не получится. Замена диодов на таких лампах обычно бессмысленна — для удешевления конструкции MCPCB с диодами чаще всего запрессовывается в корпус, при попытке её извлечения почти всегда гнётся, а при попытке вставить обратно погнутую и без того не блестящий теплоотвод окончательно превратится в тыкву. Поэтому капнем сбоку на корпус светодиода термопастой и приставим к нему термопару от мультиметра так, чтобы спай оказался в пасте.

Накроем всё это непотребство рассеивателем, вкрутим лампу в патрон и подвесим его цоколем вверх.

Показания термопары будем снимать каждые 30 секунд и заносить в таблицу. Вот, собственно, и она.

Забьём всё это в Excel и построим график температуры. Термопара К-типа для измерения околокомнатной температуры не особо предназначена, так что в крайней левой части этот график(и последующие) будет обладать некоторой условностью, но общее представление о происходящем так получить можно.

Светодиоды греются очень быстро и очень сильно. За 25 минут температура его корпуса в точке контакта с основанием достигла почти 90 градусов и дальше практически перестала расти. Это соответствует примерно 65 градусов разности температур корпуса светодиода и окружающей среды при напряжении на светодиодах 64В и токе 0,115А.
Есть в светодиодном освещении и ещё один нюанс: если все лампы накаливания обеспечивают 100% точность цветопередачи, то для светодиодов всё уже не так однозначно и этот параметр, называемый индексом цветопередачи(CRI), начинает играть роль.

Индекс цветопередачи источника света CRI (colour rendering indeх) или Ra (от average — среднее) показывает насколько видимый цвет объекта соответствует естественному его цвету при освещении этим источником. Для оценки используется 15 образцов (DIN 6169-8-1979), но для расчета индекса берут только первые 8 цветов (R1-R8).

При покупке готовой лампы уже едва ли можно нарваться на откровенный хлам с CRI<70, но и выше 85 этот показатель тоже вряд ли поднимется по маркетинговым причинам — такие лампы будут дороже, а с учётом выбора большинством покупателей по принципу «как можно дешевле» — спросом они пользоваться не будут. При этом CRI не всегда показывает достоверную картину, нужна оценка еще хотя бы по красному цвету (R9). Вот например, как выглядит оценка цветопередачи для лампы с достаточно высоким CRI = 91.9 при низком R9 = 57:

Суммируя всё вышесказанное, приходим к выводу — если хочется иметь хороший свет, его придётся делать самому.
А если делать самому и для себя, то делать надо хорошо и надолго.
До позапрошлого года эталоном качества цветопередачи среди мощных светодиодов считались Nichia 219C Hi-CRI c их CRI92.
Потом их начали теснить Luminus SST-20, достигшие планки CRI95.
А потом я узнал про COB-матрицы SunLike от Seoul Semiconductors.
Техническое описание обещало отсутствие необходимости возиться с промежуточной MCPCB для монтажа на теплоотвод и неземной кайф от индекса цветопередачи CRI97(!)

Вы ведь хотели источник света с цветовой температурой 6500К и чтобы при этом HiCRI? Теперь это возможно!
Правда, к этому прилагалось рабочее напряжение 36В, делавшее практически бессмысленным применение в карманных фонарях и сильно осложнявшее использование готовых источников питания:

А ещё оказалось, что на всю республику естьтолько один продавец, торгующий этими светодиодами в розницу. У него. кстати, есть в продаже и готовые лампы ручной сборки, но раз уж собрался делать сам — отступать смысла нет.
Итак, упаковка. Рулончик из вспененного пенополиуретана.

Внутри есть фирменный магнит. Был бы неодимовый — можно было бы продавать светодиоды бесконтактно:)

На магните есть контакты продавца:

Собственно светодиодная матрица представляет собой алюминиевый квадрат-подложку размерами 13х13 миллиметров, на котором размещены излучающие кристаллы, покрытые сверху общим слоем люминофора, а поверх него — защитным силиконовым покрытием. Два диагонально расположенных угла подложки чуть срезаны для удобства крепления матрицы на радиаторе — получившиеся выемки не дадут ей выскользнуть из-под головки прижимного винта.
Чертёж корпуса из даташита:

Кстати, принципиальное отличие светодиодов SunLike от обычных — способ получения белого света., если в обычных светодиодах кристаллы излучают в синем участке спектра в диапазоне длин волн 452-456 нм, который частично поглощается люминофором, переизлучающим полученную энергию в красном и жёлтом участках спектра, то здесь кристаллы излучают фиолетовый свет с длинами волн 418-426 нм, преобразуемый в красный, синий и зелёный. Это позволяет избавиться от синего пика в спектре излучения.

Замеры спектров с ЛампТеста. Слева направо — 3000К, 4000К, 5000К:

Залог долгой и счастливой жизни светодиода — хорошее охлаждение, тем более что эффективность преобразования электрической энергии в свет у него падает с ростом температуры, ещё больше усиливая его нагрев:

А хорошее охлаждение требует хорошего радиатора. При этом я постарался максимально упростить конструкцию самодельной лампы, чтобы её можно было проще повторить самостоятельно. Так что пришлось последовательно отказаться от:
— оребрённой тепловой трубки;
— изготовления радиатора на фрезерном станке с ЧПУ;
— конструкции типа «медный прут с продольным оребрением из припаянных складок медной ленты».
Материалами для изготовления радиатора стали кусок медной шины сечением 30х3 мм и пара мелких алюминиевых радиаторов.

Шина была неровной, поэтому заготовки пришлось сначала отшлифовать на стекле.

Медный сердечник радиатора будет иметь форму буквы Т, спаянной из двух частей. В коротком отрезке делаем четыре отверстия диаметром 2 мм — в двух нарежем резьбу М2,5 для крепления светодиодной матрицы, два оставшихся к этой матрице будут подходить провода. Сквозь отверстия в длинном отрезке будут крепиться алюминиевые радиаторы.

Обрабатываем торцы, смазываем флюсом место будущего шва, ставим детали на столик для подогрева печатных плат, включаем нагрев на максимум…

… и обламываемся. Флюс выкипает, медь начинает темнеть от высокой температуры — а до плавления припоя оно так и не нагрелось. Медь — лучший из доступных проводников тепла, и это тепло из зоны пайки она прекрасно отводит.
Переключаем столик на простой обдув и ждём, пока детали можно будет взять в руки.
Снова наносим флюс, скрепляем детали проволокой на время пайки и на этот раз будем помогать себе термофеном.

Теперь всё намного лучше. Припой всасывается в зону шва чуть ли не со свистом, так что лишний в итоге придётся убрать пропитанной флюсом оплёткой. Снова переключаем столик на простой обдув, и после остывания сердечник готов. В итоге столик для подогрева сам по себе с пайкой не справился, и вместе с феном его можно заменить простой горелкой газовой плиты.

Снова зачистим его мелкой наждачной бумагой.

Может, светодиодной матрице хватит этого сердечника без дополнительного оребрения? Проверим.
Прикрутим к сердечнику парой винтов саму матрицу через термопасту и прижмём к краю подложки термопару.

Подвесим эту конструкцию светодиодной матрицей вниз и подключим к лабораторному блоку питания.
Установим на его выходе напряжение 36В и ток 0,17А(вентилятор на фотографии обдувает радиатор в промежутке между сериями измерений, в процессе измерений он выключен).

И заполним вторую колонку в таблице.

И снова построим график.

Не прокатило. Стало немного лучше, но всё равно температура слишком высока. Без дополнительного оребрения — никуда.

Крепим его на предназначенное место.

Подключаем сборку к источнику питания и начинаем прогрев.

Заполним третью колонку в таблице.

И снова график. Как видно, нам удалось снизить температуру светодиодов примерно на 40 градусов по сравнению с «грушей».

Линейный драйвер для питания светодиода использовать бессмысленно, а собрать и нормально настроить импульсный без осциллографа вряд ли получится. Да и смысла в этом особого тоже нет, потому что в сгоревшей светодиодной лампе драйвер обычно остаётся целым и имеет неплохой КПД — в домашних условиях лучше всё равно не получится.
Вот, к примеру, вскрытые лампы Camellion LED6-R50 под цоколь Е14.

Это довольно паршивые лампочки. В дополнение к плохому теплоотводу их драйвер не имеет стабилизации выходного тока(а иногда и даже сглаживающий конденсатор на выходе диодного моста там отсутствует):

Такой драйвер для нашей самодельной лампочки категорически непригоден — подключенная к нему светодиодная матрица мгновенно сгорит. Если в разломанной лампочке-доноре оказалось такое — откиньте в сторону и разламывайте следующую.
Нам нужен драйвер с импульсным преобразованием. Микросхема, на которой он построен, поддерживает заданный ток нагрузки. Его можно определить по наличию на плате катушки на Ш-образном сердечнике:

Маркировку платы я не привожу — их очень много разных, но принцип работы у всех один.
Как правило, драйвер лампы-груши имеет выходной ток порядка 60-110 мА(кстати, рекомендую подобрать плату с выходным током побольше). Для светодиодов в лампе такой конструкции это практически предел возможностей работать и не сразу зажариться от перегрева, но у нас теплоотвод получше, и чтобы раскрыть потенциал нашей светодиодной матрицы, выходной ток надо поднять.
Он задаётся одним или несколькими параллельно включенными резисторами низкого сопротивления. При отсутствии нумерации деталей на плате их можно определить по маркировке *R** на корпусе.

Для увеличения выходного тока общее сопротивление этих резисторов надо уменьшить, добавив ещё несколько параллельно параллельно имеющимся. Точную величину необходимого сопротивления привести не представляется возможной — для каждой микросхемы оно своё, на микросхемах не всегда читается маркировка, а к тем, на которых читается, обычно не удаётся найти нормальное техническое описание. Поэтому добавочные сопротивления придётся подбирать опытным путём, и это самая сложная часть работы — детали очень мелкие:

Подбирать можно на родной MCPCB от этой же лампочки(но недолго — на повышенном токе светодиоды на ней очень быстро сгорят даже на открытом воздухе), а можно на эквиваленте нагрузки — резисторе сопротивлением 210-220 Ом и мощностью не менее 8 Вт. Задирать выходной ток выше 170-180 мА не стоит.
В качестве корпуса для электронной части можно использовать сгоревшую компактную люминесцентную лампу. Я выбрал с самым коротким корпусом.

Разбираем её при при помощи плоской отвертки, вставленной в щель между корпусом и крышкой.

Обкусываем от платы ведущие к ней провода, саму плату откладываем в сторону. Выскабливаем мастику, крепящую люминесцентную трубку в отверстиях крышки, аккуратно вытаскиваем саму трубку и тоже откладываем её в сторону.
Дальнейшие действия просты — крепим радиатор с диодом к корпусу.

Соединяем светодиод с выходом драйвера — плюс к плюсу, минус к минусу, вход драйвера — с контактами цоколя.

Закрепляем плату в корпусе, заклеиваем корпус.
Почти готово. Осталось чем-то закрыть светодиод от прикосновений — его контакты гальванически связаны с сетью 220В, да и силиконовое покрытие не любит отпечатки пальцев. Кстати, промывку в ультразвуковой ванне светодиодная матрица тоже не любит.
Рассеиватель в виде пламени свечи как раз подойдёт.

Он и дотронуться до проводов не даст, и агрессивный внешний вид нашему изделию придаст.

Лампочка готова.

Да, это было довольно непросто и заняло порядочно времени, но результат, на мой взгляд, того стоил.
Свет очень приятный и на глаза не давит.
Светодиоды к покупке рекомендую, особенно тем, кто занимается фотографией.