Вымя солнечного света. Честная 24W CRI97 LED лампа своими руками

Практически все имеющиеся в продаже LED лампы — хлам по ряду причин.
Рассказ о самостоятельной сборке лампы с хорошими мощностью, теплоотводом и цветопередачей — под катом.
Welcome!

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

Полупрозрачная выступает рассеивателем, непрозрачная пытается быть радиатором, но удаётся ей это откровенно паршиво.
Лампа в разрезе выглядит вот так:

Внутри она разделена на две части металлической перегородкой, на которой распаяны светодиоды, которые питаются от платы в непрозрачной части лампы и светят наружу через матовый купол. Внутренняя алюминиевая вставка в непрозрачной части старается изобразить из себя радиатор, но миллиметровый слой пластмассы снаружи явно не улучшает его работу, и лампа очень сильно греется даже на поверхности. А как при этом чувствуют себя её светодиоды?
Если снять купол-рассеиватель с перегоревшей лампы, скорее всего на одном из светодиодов будет заметна чёрная точка — он сгорел с обрывом, разомкнув общую цепь, и лампа отправилась в мусор.

Его можно замкнуть проволочной перемычкой.

Лампа после этого скорее всего оживёт(но ненадолго, потому что скоро сгорит следующий диод). Такие лампы можно вешать в подъезде, если их там крадут — радоваться трофею долго не получится. Менять светодиоды в таких лампах смысла нет — для перегородка, на которой они распаяны, запрессовывается в корпус, при попытке её достать почти всегда гнётся, после чего и так неважный теплоотвод окончательно превратится в тыкву. Поэтому прижмём к диоду термопару с каплей термопасты…

Соберём лампу обратно, включим и с помощью Excel построим график температуры:

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:

Поэтому если хочется иметь хороший свет, его придётся делать самому.
А если делать самому и для себя, то делать надо хорошо и надолго.
Когда-то 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.
Возиться с промежуточной MCPCB для монтажа на теплоотвод тут не нужно, а индекс цветопередачи достигает CRI97(!)

Вы ведь хотели источник света с цветовой температурой 6500К и чтобы при этом HiCRI? Теперь это возможно!
Правда, рабочее напряжение — 36В, сильно осложняет применение в карманных фонарях:

На всю РБ 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:

Главное 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.
В запасах нашёлся небольшой процессорный радиатор от 2U сервера HP с парой тепловых трубок. В домашних условиях едва ли получится сделать с нуля что-нибудь более эффективное.

Впрочем, за эффективность всегда приходится платить. Это в лошадь можно забивать гвозди, а в тепловые трубки засверливаться нельзя, поэтому для крепления светодиодов к радиатору придётся изготовить прижимную пластину.
Примеряем диоды к радиатору:

Размечаем и вырезаем прижимную пластину из стеклотекстолита:

Соединяем светодиоды последовательно:

Наносим термопасту:

После нескольких продольных возвратно-поступательных движений(для лучшего распределения термопасты) закрепляем пластину на радиаторе винтами М3 — отверстия с готовой резьбой там уже есть:

В качестве корпуса для электронной части можно использовать сгоревшую компактную люминесцентную лампу. Я выбрал самую мощную из доступных — на 45 ватт…

Разбираем её при при помощи плоской отвертки. Обкусываем от платы ведущие к ней провода, саму плату и внешнюю крышку со вклеенной в неё люминесцентной трубкой откладываем в сторону — под внутренней крышкой места хватит и так. Для крепления к ней радиатора вырезаем круглую вставку и закрепляем на нём при помощи силиконового герметика и проволочных скруток:

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):

Такое нам совсем не подойдёт — 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:

Я взял пачку негодных ламп Feron LB-94 15W:

И разломал их:

Их драйверы MK-9001-2832-01-RX основаны на микросхеме BP2832K

Они обеспечивают ток нагрузки порядка 120-125 мА. Это достаточно много для лампы-груши, но у нас проблем с теплоотводом не ожидается, поэтому для раскрытия потенциала светодиодов мы его разгоним и допилим.
Допиливание начнём с сверления отверстия тонким сверлом в плате драйвера:

Фольгу с обратной стороны платы вокруг отверстия зачистим и облудим.
Затем перенесём на свободное место сглаживающий конденсатор входного выпрямителя, а на оставшееся место впаяем помехоподавляющий дроссель, позаимствованный из другого драйвера:

Ток задаётся двумя параллельно соединёнными резисторами по 3,9 Ом. Для его увеличения подключим параллельно им ещё один резистор на 8,2 Ом — для указанной микросхемы это поднимет ток нагрузки до 175 мА.

Для других микросхем величину добавочного резистора придётся подбирать опытным путём. 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.
Перерезаем дорожку между выводами дросселя.
Дальнейшие действия просты — крепим радиатор с диодами к корпусу. Соединяем светодиод с выходом драйвера — плюс к плюсу, минус к минусу, подаём питание на вход драйвера и убеждаемся, что всё работает.

Если бы лампа вкручивалась в патрон только в горизонтальном положении, всё было бы немного проще, но в вертикальном положении радиатора конвекция плохо уносит тело. Поэтому радиатор мы оснастим вентилятором 60х60 мм:

Для его питания используем плату от зарядного устройства для сотовых телефонов:

Разместим её в корпусе лампы рядом с драйвером светодиодов:

Подключаем провода от контактов цоколя, изолируем места соединений и закрываем корпус:

Почти готово. Осталось чем-то закрыть светодиоды от прикосновений — их контакты гальванически связаны с сетью 220В, да и силиконовое покрытие не любит отпечатки пальцев. Кстати, промывку в ультразвуковой ванне они тоже не любят.
Воспользуемся парой пластиковых сисек и посадим их на силиконовый герметик. Они и дотронуться до проводов не дадут, и оригинальный внешний вид нашему изделию придадут. Самое сложное тут — подобрать не пожелтевшие экземпляры.

Лампочка готова.

Лампочка в работе:

Свет очень приятный и на глаза не давит.
Светодиоды к покупке рекомендую, особенно тем, кто занимается фотографией.
Хотя, впрочем, тут уже наглядно видно, почему для светильника на светодиодах патрон и цоколь Е27 — лишние.