Продолжаем разбирать на атомы светодиодные светильники. Помимо светодиодов, которые нельзя перегревать, необходимо правильно кормить и т.д. Существуют еще и обязательные на сегодня источники питания – светодиодные драйверы.
Со времен Николы Теслы (был такой изобретатель, который дал миру возможность нормально пользоваться электричеством) человечество имеет в розетке 220 Вольт переменного тока (у кой-кого и этого нет, сидят на 110 Вольтовых сетях). Сейчас вдаваться не буду в подробности, почему именно ток переменный, 100 лет назад это было прорывным и очень полезным решением, сейчас, в части светодиодных светильников приходится это безобразие терпеть, ибо светодиоды питаются только постоянным током, причем хорошо и качественно выпрямленным, поэтому без драйверов пока никуда.
Итак, светодиодный драйвер трансформирует переменное напряжение (считай пульсации 100%) с напряжением 220 Вольт в постоянное напряжение порядка 100 Вольт с пульсациями менее 1%. А это не так уж и просто. Во первых, надо напряжение выпрямить, потом сгладить, потом уменьшить до нужного значения, потом сделать так, чтобы выходной ток не скакал как сумасшедший и только потом подавать на светодиоды. И это все при плавающем входном напряжении от 200 до 240 Вольт (ГОСТ32144-2013), от 175 до 264 Вольта (Евростандарт) или от 90 до 275 Вольта (стандарт для тяжелых условий эксплуатации). Думаете, не бывает таких разбросов? Еще как бывает. На обучении по электротехнике для персонала рассказываю, как у криворуких электриков отгорает «ноль» в щитке и в нашей любимой розетке начинает шпарить вплоть до 380 Вольт. Сколько техники погорело из-за этого – не пересчитать. В 2014 году проектировал спецдрайвер для дач, по ТЗ минимальное входное напряжение было 70 Вольт! В общем, задачи современного светодиодного драйвера достаточно объемные и большинство драйверов с этими задачами вполне успешно справляются. Большинство – потому что не все. Помимо преобразования электричества из переменного в постоянное, должны быть соблюдены несколько условий – ток потребления должен быть максимально приближен к синусоиде – это называется коэффициент мощности или PF (это отдельная тема и хитрость энергетиков). Также при включении светильника не должны выпадать в осадок радиоприемники и прочая чувствительная техника – это называется электромагнитная совместимость или ЭМС. Сами понимаете, у дешевых драйверов ничего подобного нет, зато они размером со спичечный коробок и стоят 100 рублей за штуку. Справедливости ради скажу, что у нас есть одна моделька именно такого драйвера, но мы его не рекламируем и продаем на страх и риск только истинным крохоборам.
Теперь о внутреннем устройстве светодиодного драйвера. Существует несколько топологий (схем реализации) процесса, описанного выше – трансформировать синусоиду в постоянный ток. Сами топологии обычным людям не интересны, а вот, если зреть в корень проблемы, то выплывает пара моментов, о которых стоит рассказать.
Любой драйвер состоит из некоторого количества радиодеталей, каждая из которых имеет свои пределы и диапазоны нагрузок. Здесь все как в механике. Если при проектировании заложить малый запас прочности (в электротехнике запас прочности задается в вольтах и амперах), деталь будет сильно греться и быстро выйдет из строя.
Разные радиодетали имеют разные допустимые пределы эксплуатации и электрическую прочность, поэтому при проектировании драйвера светодиодов необходимо учитывать и рассчитывать уровень надежности в целом. Например, расчет выходного диода выглядит следующим образом:
λN = λБ х КQ х Кt х КS х КК = 0,0038х8х6,4х0,09х1=0,0175х10-6
где λN – надежность N-ной детали в конструкции светодиодного драйвера
λБ – базовая надежность элемента (в данном случае диод ES2J SMAF = 0,0038х10-6)
КQ – коэффициент приемки (в данном случае приемка ОТК = 8)
Кt – коэффициент температуры внутри корпуса изделия (при температуре +75°С = 6,4)
КS – коэффициент электрической нагрузки (для действующего тока 0,28А и номинального тока диода 2,0А КS = 0,09)
КК – конструкция контактов (для контактов под поверхностный монтаж КК =1,0)λN = λБ х КQ х Кt х КS х КК = 0,0038х8х6,4х0,09х1=0,0175х10-6
где λN – надежность N-ной детали в конструкции светодиодного драйвера
λБ – базовая надежность элемента (в данном случае диод ES2J SMAF = 0,0038х10-6)
КQ – коэффициент приемки (в данном случае приемка ОТК = 8)
Кt – коэффициент температуры внутри корпуса изделия (при температуре +75°С = 6,4)
КS – коэффициент электрической нагрузки (для действующего тока 0,28А и номинального тока диода 2,0А КS = 0,09)
КК – конструкция контактов (для контактов под поверхностный монтаж КК =1,0)λN = λБ х КQ х Кt х КS х КК = 0,0038х8х6,4х0,09х1=0,0175х10-6
Если пройтись по всем радиодеталям драйвера, то может получиться цифра порядка 6,2х10-6, это означает, что расчетный ресурс драйвера при нормальных условиях = 1/6,2х10-6=161 290 часов, для встречающихся аномалий в электросетях берется коэффициент надежности 1,5, получаем искомый ресурс драйвера 107 527 часов, что вполне соответствует ресурсу не перегретых светодиодов. Но это только расчеты, на практике за эти 107 тысяч часов не должно быть сильных аномалий в сети, ни отгорания нуля в распределительной коробке, щитке или подстанции, ни ударов молнии рядом или в здание (в РФ далеко не все здания имеют молниезащиту), ни добрых соседей с 20 киловаттным индуктивным сварочником за стеной. Эти факторы крайне редки, но могут выжечь любую электронику, в т.ч. светодиодные драйверы=светильники в самом расцвете сил.
Второй момент. Как понять, хоть кто-нибудь считал на надежность изделие, которое вы держите в руках. Визуально это заметить очень сложно, но все же кое что увидеть можно. Драйвер, который сделан по всем канонам инженерной школы, содержит в себе все необходимые радиоэлементы, т.к. если уж проектируют драйвер по гостам, то проектируют во всех местах, а не только в месте преобразования энергии.
Для чистоты эксперимента возьмем два драйвера с алиэкспресс:
Для чистоты эксперимента возьмем два драйвера с алиэкспресс:
Тот, что слева – 39Вт (105 рублей на 30.04.2024), тот, что справа – 36Вт (1198 рублей на 30.04.2024). Но в глаза сразу бросается несоразмерность двух одинаковых по мощности драйверов. Тот, что справа, явно содержит больше деталей (зеленым обвел те детали, которые улучшают ЭМС параметры). Конденсатор 15 мкф 400В на входе левого драйвера говорит о том, что PF левого драйвера 0,6, отсутствие входных конденсаторов правого драйвера говорит о том, что PF его >0,95. Вопрос – хуже ли левый драйвер, сразу отвечу, хуже и намного. Правый явно спроектирован с учетом тепловых режимов, об этом говорит алюминиевый радиатор, на левом радиатора нет, размер силового дросселя говорит об отсутствии гальванической развязки, в общем, это не проблема для драйвера, однако уж очень дроссель мелкий – явно экономили на обмоточном проводе и массе феррита – все для уменьшения цены и размеров. Опыт ремонтов подобных изделий подсказывает, что ресурс левого драйвера не более 10 тыс. часов, правый вполне может быть спроектирован и рассчитан на 50 или даже на 100 тыс. часов.
А теперь считаем, по практике дешевый светильник с левым драйвером стоит примерно в 2-3 раза дешевле, чем светильник с правым драйвером (ну нет разработчику смысла закладывать дешевый драйвер и дорогие, надежные светодиоды в одной конструкции). Скажем, для ровного счета 800 рублей левый и 1600-2400 правый. Предположим, что за 10 лет светильник отработал 50 тысяч часов (14 часов в день без выходных, как в торговом центре). Левый светильник придется сменить уже 5 раз, а правый только закончит свою карьеру. Стоимость монтажа светильника возьмем очень условно-рыночную 600 рублей/шт. Демонтаж и утилизацию пока не считаем.
Итого 5х(800+600)=7000 рублей, ресурсный светильник, даже при трехкратном увеличении цены 1х(2400+600)=3000 рублей. Вот вам и доказательство пословицы, скупой платит дважды. В данном случае 7000/3000=2,33 раза. Все это конечно мои умозаключения, однако же за последние 10 лет на рынке светодиодов подобное соотношение затрат практически не меняется.
Но это еще не все. Есть еще один секрет, который не выдают поставщики чудо-светильников за 300-500-800 рублей. Ввиду того, что производители такого добра экономят тотально на всем и кладут на всякие там законодательные требования не просто с высокой колокольни, а с орбитальной станции, светодиоды в таких светильниках супербюджетные, а это означает большой нагрев кристалла и быструю деградацию. Соответственно, много раз наблюдал лично, дешевый светильник уже через год-два светит очень слабо, деградация светового потока по замерам составляет до 60%, а это совсем не то, за что хочется платить даже 300-500-800 руб. Ну а для беспроблемных людей, которые заменят светильники, если что не так – математика описана чуть выше. Делайте выводы и ищите поставщика, который вкладывается в надежность своей продукции (реклама).