Обзор светодиодной лампы с балластным конденсатором, и борьба с пульсациями

[GTK31]

Тема посвящена описанию простого способа снижения пульсаций света светодиодной лампы с конденсаторным драйвером. Решение очень тривиальное, но почему-то в интернете не нашел описание аналогичных решений, поэтому решил создать эту тему "на заметку домохозяйствующим".
С картинками! Категория "12+".

Эта история уходит своими корнями примерно в 2009-2010 года. Тогда во время ремонта в квартире я принял решение применить лампы формата GX70 в ванной комнате и туалете. Купил три светильника и три лампы. В то время в этом формате доступны были исключительно энергосберегающие лампы. Цена ламп была несколько выше энергосберегающих ламп с цоколем Е27, отчасти видимо из-за некоторой "эксклюзивности" товара, но светильник отлично подходил для подвесного потолка, свет был отличным и все было просто прекрасно.
Прошло относительно немного времени до перегорания первой лампочки. Сгорела нить катода, поэтому пришлось купить новую лампу. Цена кусалась. Через некоторое время ситуация снова повторилась. А потом еще раз и еще... В общем, лампы перегорали достаточно быстро, что позволило догадаться о неправильности моего выбора. Была правда и энергосберегайка-долгожитель, проработавшая более 5 лет. Тем не менее появилось желание купить светодиодные лампы, как только они появятся в продаже. И вскоре при очередной утрате я купил две светодиодные лампы GX70 торговой марки Odeon. Само собой, они были дороже энергосберегаек, однако предыдущий опыт доступно научил, что торг здесь неуместен.
С этого момента присказка заканчивается и начинается собственно тема, по существу.
Светодиодные лампы с заявленной мощностью 12Вт светят достаточно ярко. Сразу обнаружилось при помощи смартфона, что свет ламп с большими пульсациями. Вскрытие обнаружило, что внутри конденсаторный драйвер. В планы отложилась задача разобраться с этой проблемой по мере возможности. Долго было не до этого. И вот возможность появилась.
На плате 100 чипов LED SMD 3014. Любопытен способ отвода тепла. Плата не на алюминиевой основе, а на стеклотекстолите толщиной всего около 0.4-0.5 мм. Плата уложена в жестяное корытце на теплопроводную пасту. На плате драйвера уже не фабричный электролит 10 мкФ «для пробы». Оригинальный электролитический конденсатор оранжевого цвета есть на фото с переделкой в следующем сообщении.

[GTK31]

Накидал модель в LTSpice. Модели светодиодов конечно не мои, а какие были в библиотеке, но тоже на 30 мА. Результат на рисунках.
Пульсации тока через светодиод в оригинальной схеме согласно моделированию от 4-х до 58 миллиампер - размах пульсаций 54мА. Понятно откуда такие пульсации света. Первоочередное решение - увеличение емкости. Само собой емкость конденсатора 3,3 мкФ от производителя явно недостаточна для полноценной работы подобной схемы. Тут необходима емкость как минимум на порядок больше. Было желание поставить конденсатор 100мкФ на 250В, но такого в ларьке не оказалось.

[GTK31]

В магазине был конденсатор подходящего размера только на 47 мкФ. Его и решил поставить. Результат моделирования с такой емкостью на диаграмме. Видно, что пульсации тока значительно уменьшились (размах пульсаций 9 мА), но остались достаточными для больших пульсаций света. Конечно есть возможность тупо увеличивать емкость конденсатора по принципу больше-лучше. Но ограничением является объем свободного пространства внутри лампы. В моем случае конденсатор диаметром 13 мм и высотой 25 мм вполне возможен, но не более.

[GTK31]

Тут на память пришел активный фильтр и был смоделирован. Составной транзистор Дарлингтона показал хорошие результаты. Размах пульсаций снизился до 0,8 мА, в 67 раз ниже по сравнению с исходной фабричной схемой.

[GTK31]

Еще более лучшие результаты дало применение n-канального MOSFET-транзистора. Т.к. затвор транзистора не потребляет тока в статическом режиме, то резистор фильтра может быть больше чем с транзистором Дарлингтона. Размах пульсаций тока снизился до 0,2 мА. Правда в момент включения лампы напряжение сток-исток увеличивается достаточно сильно. Поэтому желательно защитить стабилитроном не только затвор относительно истока, но и поставить связку диод-стабилитрон для ограничения напряжения на стоке. Лучшие результаты показывает простой полевой транзистор, а не Logic-level вариант с низким пороговым напряжением.

[GTK31]

Остановился на варианте транзистора Дарлингтона TIP122, который был в наличии в магазине.
В итоге вся переделка свелась в замене номинала фильтрующего конденсатора, добавлению резистора фильтра и силового транзистора. Конденсатором активного фильтра стал фабричный электролитический конденсатор 3,3 мкФ. Попутно увеличил номинал последовательного резистора и поставил небольшой варистор JOYIN JVR-07N271K (аналог S07K175) непосредственно на входе выпрямительного моста.

[GTK31]

Известно схемное решение со стабилизатором тока светодиодов. Стабилизатор тока должен быть рассчитан на работу при минимально-допустимом напряжении питания и рассеивание мощности при максимально-допустимом напряжении питания. Изменение напряжения питания выделяется на силовом элементе стабилизатора тока. Например, при заданном диапазоне питающей сети переменного тока от 200 до 250В на транзисторе стабилизатора тока напряжение будет изменяться в диапазоне 70 В. Эти потери мощности существенно снижают КПД драйвера и усложняют условия охлаждения светодиодов.
Схема драйвера с активным фильтром при изменениях напряжения сети остается фактически последовательной схемой. Делитель, образованный реактивным сопротивлением балластного конденсатора и статическим сопротивлением светодиодов подключен к питающей сети. Поэтому изменение напряжения сети распределяется в некоторой пропорции между балластом и светодиодами. Транзистор активного фильтра выполняет лишь роль компенсатора пульсаций напряжения на фильтрующем конденсаторе. Поэтому мощность, выделяющаяся на транзисторе остается на уровне 0,3-0,4 Вт (исключая момент пуска схемы). Единственным ограничением схемы с активным фильтром является не превышение максимально допустимого прямого тока светодиодов при максимальном питающем напряжении.
Само собой, стабилизации тока и светового потока в схеме с активным фильтром нет.

[GTK31]

Связываться с проверкой режимов реальной схемы я не стал. С одной стороны, схема примитивная, чтобы симулятор мог допустить грубые ошибки. С другой стороны, не хотелось таскаться с трансформатором развязки и лезть в разобранную лампу.
Решил оценить конечный результат переделки непосредственно по пульсациям света. Первичная проверка само собой опять же смартфоном. Видео по ссылкам:
До.
После.

[GTK31]

Методика измерения пульсаций света описана в стандартах. Вот фрагменты из действующего стандарта ГОСТ 33393-2015

[GTK31]

Для измерения пульсаций света за 33 рубля (на момент сентября 2018 года) был приобретен фотодиод BPW34 (Vishay Semiconductors). Фотодиод принимает излучение видимого спектра и ближайшего инфракрасного. Собрал простую схему усилителя на ОУ TLC272C. В качестве резистора обратной связи поставил 100 кОм. Усложнять схему регулировкой смещения и усиления не стал. Для измерения пульсаций это не актуально.
На втором усилителе собрал простой ФНЧ Баттерворта с расчетной полосой пропускания 1 Гц. Фильтр нужен для выделения значения среднего уровня света, необходимого для расчета коэффициента пульсаций. Схема измерителя не критична к положению фотодиода относительно лампы, корректности абсолютных значений освещенности, так как все данные являются относительными и способ измерения пульсаций ратиометрический.
К сожалению второй пробник куда то пропал, поэтому не было возможности сохранить показания двух каналов одновременно.
Первым делом решил проверить измеритель на лампе с известным коэффициентом пульсаций. У меня есть лампа IKEA RYET 703.116.02 LED 1455G6 . Согласно опубликованным в ссылке данным у этой лампы пульсации света 15 %. У меня получилось 19.2%. Пульсации с частотой 100 Гц. Скорее всего у моей лампы за 2 года использования снизилась емкость электролита, а в тесте оценивалась совершенно новая лампа. Т.о. результат вполне правдоподобный.
После пробы лампы IKEA замерил свою переделанную лампу. Высчитал коэффициент пульсаций. Получилось около 2,5%. Определенная погрешность безусловно присутствует, в частности из-за вынужденного раздельного снятия осциллограмм, но точно не на порядок.