Skip to content
 

Pitva filamentovej LED žiarovky

V poslednom období sa na trhu objavila novinka v oblasti LED svietenia. Filamentové LED žiarovky. Majú vlákna ako tradičné žiarovky, tradičné rozmery bez obrovských chladičov, ale sú to LED žiarovky. Spolu s ich objavovaním sa sa objavuje mnoho otázok: Ako funguju? Neprehrievajú sa? Môžu dosiahnuť deklarovanú životnosť?

Tak som jednu z nich rozpitval.


Priamym podnetom k realizácii pitvy bola diskuzia na internete, kde dvaja diskutujúci prezentovali svoj názor na tepelný manažment filamentových LED žiaroviek. Prvý diskutujúci vo svojich prácach [1] a [2] stanovil teplotu vlákna metódou „kalibrovaného oka“ na 100 a viac stupňov Celzia (ako neskôr meranie ukáže, odhad pomerne presný):

Taky jsem je v Holicíxh obdivoval. ALE prosím řekněte mi jak se to chladí ? Každý ten LED segment má cca 1W a je úplně bez chlazení. Nějak se mi nechce věřit deklarované životnosti.

A zkoušel jste někdy z objektu cca 2x20mm odvést 1W výkonu ? Navíc pokud nemůžete použít proudění ? Myslím, že pak byste mluvil naprosto jinak… Můj odhad byl cca 100 a více stupňů.

Druhý diskutujúci zvolil teoretický prístup a teplotu filamentu stanovil výpočtom [3]. Teplotu stanovil na 215°Celzia nad teplotou okolia:

Tak zase trochu toho kupeckeho pocitani.
Budu predpokladat, ze vlakno je kovovej chladic, neb prislusne
vzorecky znam z hlavy a pocitani je jednoduche.
Rt = 650 /A kde A je plocha chladice v cm2
Plocha vlakna = 1/2 povrchu =
1/2 * 3,2 * 0,16 * pi =0,804
650/0,804 = 808
krat opravny koeficient 0,4 (at nezeru, svisly cerneny Al ma, tusim
0,42)
808*0,4 = 323
Takze pri deklarovanem 1W prikonu, kdy ze cca 1/3 vyzari formou
svetla, se filament ohreje o cca 215 st.C nad okolni teplotu.

I keď množstvo konštánt vo výpočte môže pôsobiť trochu mätúco, výpočet treba brať vážne, pretože autor na inom mieste [4] sám uvádza, že „Sypani bulharskych konstant z rukavu k prilis relevatnim vysledkum nevede“.

Ako je to teda naozaj?

Čo je LED filament

LED filament, ktorý sa používa v nových LED žiarovkách je približne 4cm dlhý sklenený alebo zafírový pásik, na ktorom je umiestnených zhruba 25 LED diód zapojených do série. LED čipy sú vyrábané technológiou COGChip On Glass. Tento pásik je celý obalený vrstvou luminoforu.

Príkon jedného (v súčasnosti bežne dostupného) filamentu je 0.7W až 1W. Na rozdiel od klasických LED čipov je napájaný malým prúdom – 10 alebo 15 miliampérov, pri ktorom je úbytok napätia na celom filamente – v závislosti od počtu diód – okolo 60 voltov.

Malý prúd napájajúci filamentové žiarovky umožňuje úspornú konštrukciu napäťového meniča, ktorý nevyžaduje chladenie a celý sa zmestí do pätice E27.

Čo sa skrýva v LED žiarovke

Konštrukcia a rozmery žiarovky, ktorú som mal v rukách, sa prakticky nelíšila od tradičných žiaroviek. Sústava filamentov sa nachádza v hermeticky uzavretej sklenenej banke. Filamenty sú zapojené sérioparalelne – paralelná kombinácia dvoch do série zapojených dvojíc filamentov.
Menič je umietnený v pätici žiarovky. Pätica má po obvode umiestnené otvory – na fotografiách sú dobre viditeľné – ktorých účel nie je úplne jasný, keďže na účely chladenie sa nezdajú dostatočné. Bohužiaľ tieto otvory môžu spôsobiť problémy pri použití v exteriéri.

Menič je osadený obvodom populárnym čínskym obvodom TMI1361.

Samotná žiarovka zvonku aj zvnútra pôsobí pomerne dobrým dojmom – jediná výhrada je ku kvalite ovíjaných spojov, ktorými sú pripojené filamenty k meniču.

Img_5692 Img_5693
Img_5694 Img_5705

Ako sa zahrieva filament

Metodika merania

Meranie sme realizovali kontaktnou metódou na povrchu filamentu. Aby sa zachovali podmienky – najmä obmedzené ochladzovanie filamentu prúdiacim vzduchom – snímaciu sondu sme priviedli malým otvorom, vybrúseným do steny sklenenej banky. Sonda bola pritlačená k filamentu miernym tlakom a celá sústava bola zafixovaná, aby sa poloha snímača nemenila po celú dobu merania.

Meranie sme opakovali dvakrát: prvé meranie bolo realizované s odokrytou žiarovkou, pri druhom bola zakrytá, aby sme sa pribížili k podmienkam v uzavretom svietidle.

Img_5677 Img_5683
Img_5687 Img_5689

Kalibrácia

Kontaktná metóda merania má jednu nevýhodu – jej presnosť závisí od kvality prenosu tepla medzi meraným povrchom a sondou. Aj keď sa dá predpokladať, že výrobca zariadenia tento problém viac alebo menej presne kompenzuje, odchýlku sme radšej overili.

Na kontrolu odchýlky sme použili tenkostennú kovovú nádobu naplnenú horúcou vodou, ktorej teplota bola meraná kontrolným teplomerom. K povrchu bola priložená sonda; miesto kontaktu bolo zakryté, aby sa zamedzilo prúdeniu vzduchu. Celá sústava sa nechala ustáliť 15 minút.

Zmeraná odchýlka medzi teplomermi bola nelineárna, v pásme teplôt 75-90 stupňov medzi 11-13 stupňami. Keďže podmienky merania boli také, že odchýlku mohli iba zväčšovať, zmerané hodnoty predstavujú najhorší možný prípad. Hlavné faktory nepresnosti sú:

  • Dotyková plocha medzi tvrdým kovovým povrchom nádoby a sondou je podstatne menšia, ako medzi pružným povrchom filamentu a sondou
  • Prekrytie sondy nebolo dokonalé, takže dochádzalo k čiastočnému ochladzovaniu sondy vzduchom prúdiacim okolo stien nádoby

Reálna odchýlka sa nachádza niekde medzi – pre korekciu meraných hodnôt použijeme kompromisnú strednú hodnotu – 6 stupňov.

Výsledky merania

Výsledky obidvoch meraní aj s korekciou sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Čas t nameraná (odokrytá) t korigovaná (odokrytá) t nameraná (zakrytá) t korigovaná (zakrytá)
0:00 25 n/a 26 n/a
0:05 91 97 96 102
0:10 94 100 101 107
0:15 95 101 103 109
0:20 96 102 104 110
0:25 96 102 106 112
0:30 96 102 106 112
0:35 96 102 107 113
0:40 96 102 107 113
0:45 96 102 107 113
0:50 95 101 107 113
0:55 96 102 107 113
1:00 96 102 107 113

I keď nepoznáme teplotný spád filamentu samotného, výsledky naznačujú, že teplota čipov sa môže pohybovať v pásme prevádzkových parametrov LED čipov – v pásme do 150°C.

Volty, ampéry a teplota

Img_5712

Meranie teploty na povrchu filamentu máme za sebou, ale stále nemáme informáciu o teplote čipu samotného. Teplotu čipu môžeme skúsiť zmerať nepriamo – meraním zmeny úbytku napätia v závislosti od teploty.

Princíp je jednoduchý: filament zahrejeme na známu teplotu a zmeriame úbytok napätia, Aby sme vylúčili ohrievanie vlastnými stratami, meranie sa realizuje pri malom prúde. Toto meranie opakujeme pri viacerých teplotách, čím získame závislosť úbytku napätia na teplote. interpoláciou výsledného priebehu môžeme následne určiť teplotu pri ľubovoľnom úbytku.

Toto meranie prináša ďalšiu neznámu – úbytok napätia (Vf) je závislý od prúdu, takže úbytok pri malom prúde v absolútnej hodnote nemá pre naše meranie vypovedaciu hodnotu. Avšak relatívna zmena úbytku napätia v závislosti na teplote nie je – v rámci presnosti našich meraní – od prúdu závislá, takže ak určíme úbytok napätia v jednom bode pri známej teplote a pracovnom prúde, vieme na základe zmeny úbytku určiť zmenu teploty.

Vftemp

Výsledky merania úbytku sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke, prípadne graficky znázornené na grafe vpravo.

Teplota Úbytok napätia
25 53.8
62 53.1
78 52.8
89 52.6

Závislosť úbytku napätia je prakticky lineárna a zmena úbytku pri zmene teploty o 1°C je 0.01885V

Vyzbrojení koeficientom môžeme skúsiť stanoviť teplotu čipov vo filamente. Zmerali sme úbytok pri izbovej teplote a prúde 1mA a pri plnom zaťažení prúdom 15mA a ustálení teploty po 20tich minútach. Meranie sme realizovali na každom filamente zvlášť. Počas merania bol filament zakrytý, aby sa obmedzilo chladenie prúdiacim vzduchom. Posledný stĺpec je meranie na žiarovke ako celku (pred rozobratím) – 4 sériovoparalelne zapojené filamenty:

  Fil. 1 Fil. 2 Fil. 3 Fil. 4 Celok
Vf pri 1mA v čase 0:00 pri 25°C 58.3 57.7 57.9 57.6 114.4
Vf pri 15mA v čase 0:20 56.6 56.1 56.3 56.3 110.3
Vypočítaná teplota v čase 0:20 v °C 115 110 110 94 134

Prekvapivým zistením je pomerne veľký rozptyl hodnôt u jednotlivých filamentov, hlavne u filamentu číslo 4, kde bol zmeraný najmenší úbytok. Rozdiel môže byť spôsobený napríklad lepším chladením vďaka tenšej vrstve luminoforu, avšak s určitosťou ho vysvetliť nevieme.

Veľký úbytok na žiarovke ako celku môže naznačovať, že sa nám pri meraní jednotlivých filamentov nepodarilo zabrániť nadmernému chladeniu filamentov a podmienky v banke žiarovky sú významne odlišnejšie. Problémom môže byť aj sériovoparalelná kombinácia filamentov s veľkým rozptylom hodnôt. Pre získanie presnejších výsledkov by bolo treba zopakovať celé meranie (vrátane stanovenia teplotného koeficientu) na žiarovke s nepoškodenou bankou.

Ale našim cieľom nebolo získať absolútne presné údaje. Cieľom bolo zistiť, či filamentová LED žiarovka dokáže pracovať v pásme prevádzkových parametrov LED čipu. A aj toto meranie to potvrdilo.

Zhrnutie

Cieľom merania bolo zistiť, či filamentové LED žiarovky sú schopné prevádzky pri teplotách neprekračujúcich limitné teploty odporúčané výrobcami LED čipov a či s tým súvisiaca životnosť je dosiahnuteľná.

Merania neboli veľmi presné (čo bolo dané vybavením, ktoré je k dispozícii) a pri meraní sa ukázali určité problémy s interpretáciou výsledkov (veľký rozptyl pri meraní Vf). Na základe získaných skúseností by bolo možné upraviť metodiku merania tak, aby výsledky bolo presnejšie a jednoznačnejšie, avšak získané výsledky sú dostatočne preukazné pre náš účel.

Medzná teplota LED čipu uvádzaná väčšinou výrobcov LED je 150°C. Našimi meraniami sme určili priemernú teplotu čipu niekde v rozsahu 110°C až 135°C. Na základe týchto výsledkov sa dá povedať, že filamentové žiarovky sú schopné pracovať v pásme prevádzkových parametrov LED čipov.

Ostáva posledný problém: čo s výpočtom, ktorý stanovol teplotu filamentu na 240°C?. Tu nám neostáva nič iné ako výnimočne súhlasiť s autorom výpočtu: Sypanie bulharských konštánt z rukávu k príliš relevatným vysledkom naozaj nevedie.

Odkazy

[1] http://list.hw.cz/pipermail/hw-list/2015-January/469336.html
[2] http://list.hw.cz/pipermail/hw-list/2015-January/469368.html
[3] http://list.hw.cz/pipermail/hw-list/2015-January/469363.html
[4] http://list.hw.cz/pipermail/hw-list/2015-January/469549.html

Print Friendly, PDF & Email
11 869 zobrazení