Innenleben einer 10W-LED-Lampe
von Dieter Drewanz
Eine LED-Lampe 10
Watt ca. 800 Lumen fiel schon nach 1 1/2 Jahr der Nutzung aus. Der
Fehler äußerte sich zuerst in einem Flimmern mit deutlich geringerer
Helligkeit und noch ein paar maligen Vollbetrieb für wenige Minuten.
Eine zweite Lampe verabschiedete sich auch sehr frühzeitig.
Die
Leuchtenkugel ist nur mit einem dichtungsmassenähnlichem Kleber und
lässt sich mit etwas leichter Gewaltanwendung lösen. Darunter wird die
Platte mit den LED sichtbar. Die Kabel können abgelötet werden, müssen
dies aber nicht, wie sich später herausstellte.
Um die Platine
herauszuziehen, muss zuerst der Mittenkontakt der Lampenfassung E27
herausgelöst werden. Um den Metallkörper herauszudrehen, wurden die
Kerbung mit kleinen Löchern mit einem kleinen Bohrer (ca. 1 bis 2 mm)
aufgebohrt. Anschließend war es möglich das Metallteil loszuschrauben.
Die Kabel waren hier über Klemmung angeschlossen. Wenn das Gehäuse
wieder verschlossen werden soll, dann wird die Verschraubung des
Fassungskörpers mit Hilfe eines in die kleinen Löcher getropften
Klebstoffes zur Fixierung von kleinen Kunststoffstäben wieder
befestigen, so dass das Gehäuse wieder geöffnet werden kann.
Das
Bild oben zeigt alle Teile bis auf die durchsichtige Plastikkugel.
Insgesamt sind auf der Platte 24 SMD-LED verbaut. Je 12 SMD-LED wurde
in Reihe verschaltet und daher beträgt die benötigte Nennspannung
ungefähr 36 V für das Modul.
Bei Durchsicht der Platine fällt
ein gebräunter Abschnitt auf der Platine auf. An dieser Stelle ist die
Platine anscheinend etwas zu warm geworden. Die Lampe war leicht
waagrecht mit leichter Schräglage eingeschraubt. Je nachdem, welche
Lage die unisichtbare Platine hat, scheint die Lampe früher oder später
auszufallen. Die entstehende Wärme der Platine steigt hoch und je nach
Lage ist das Erwärmungsprofil beziehungsweise Wärmeverteilung
unterschiedlich belastend für die Elektronik.
Ähnliches
Problem wurde auf folgender Homepage ebenfalls beschrieben. Hier wurde
dieses Verhalten verursacht durch parasitäre Schwingungen, deren
Ursache in schwindenden Kapazitäten der Kondensatoren lag und die
Schutzschaltung im Wandler-IC auslöste.
https://electronics.stackexchange.com/questions/263852/led-bulb-can-not-start-properly-bp2832-based
Die
Verfärbung auf der Platine belegt, dass hier die Grenztemperaturen des
öfteren erreicht wurden. Ein weiteres zur Temperaturerhöhung trug
natuürlich auch der eine oder andere warme Sommer bei, wenn sich die
Wohnung doch auf Temperaturen nicht weit entfernt von 30° C aufheizte.
Die
Schaltung arbeitet als Abwärtswandler von ungefähr 340 V
gleichgerichteter Netzspannung (240V AC) auf ungefähr 36 V für die
Leuchtdioden.
Eingangsseitig befindet sich eine Kombination
aus Sicherung und Widerstand mit einer kleinen Kapazität parallel zu
dem Eingangsgleichrichter. Der Widerstand beträgt ungefähr 22 Ohm und
begrenzt die Einschaltstromspitze der Kondensatoren auf 16 Ampere.
Während des normalen Betriebes kann der Einfluss des Widerstandes
vernachlässigt werden. Sollte es aber zu einem Durchbruch oder
Kurzschluss kommen, brennt der Widerstand durch und soll auf diese
Weise größeren Schaden verhindern.
Nach
dem Datenblatt verträgt der Gleichrichter einen solchen Spitzenwert.
Die Aufladedauer liegt im Bereich von weniger als 1 ms.
Der
Kondensator am Eingang des Gleichrichters soll transiente ( sehr kurze)
Spannungsspitzen und Schwingungsanteile der Wandlerschaltung noch etwas
dämpfen. Ein Hobbybastler würde der Schaltung hier noch etwas mehr
Sicherheit einbauen und der Schaltung einen Überspannungsableiter (VDR)
spendieren, der Spannungsspitzen über 500-600 V bereits
eliminiert.
Auf der Sekundärseite sind die zwei
Kondensatoren über eine Drossel und einem parallelen Widerstand
gekoppelt. Der Widerstand soll verhindern, dass sich parasitäre
Schwingungen aufschaukeln. Insgesamt soll dieser Tiefpass verhindern,
dass von dem Schalttakt ausgehende Störungen in das Netz zurück
übertragen werden. Die beiden Kondensatoren sind angeben mit 400V
105°C. Wenn diese Schaltung zuverlässiger und länger arbeiten soll,
dann empfiehlt es sich statt dessen Kondensatoren mit 450V und
105 bis 125° C zu verwenden.
Der Kondensator auf der LED-Seite
ist ein Typ für 400V. Theoretisch könnte dieser auch niedriger gewählt
werden indem hier von der Betriebsspannung der LED in Reihenschaltung
ausgegangen werden könnte. Aber wenn es zu einer Unterbrechung im
Lastkreis käme, würde der Kondensator sich mit einem Knall
verabschieden und sollte deshalb diese Spannung aushalten können. Es
handelt sich dabei um einen Typ ohne Angaben zur Temperatur. Vermutlich
handelt es sich um einen Typ bis 85° C. Wenn diese Schaltung
zuverlässiger und länger arbeiten soll, dann empfiehlt es sich hier
einen 105° C Kondensator zu verwenden.
Etwas von der Funktionsweise des verbauten integrierten Schaltkreises wurde hier mit Transistoren versucht nachzubilden.
Der
integrierte Schaltkreis beinhaltet einen internen Taktgeber mit einer
Logik und MOS-FET in Kaskadenschaltung für die Netzspannung. Die
einzige Rückkopplung erfolgt über Schwellen der Stromflusserkennung im
Leistungskreis. Nach einem im Internet gefundenen Datenblatt wird
einmal erkannt das Erreichen einer über Widerstände eingestellten
Stromstärke für das Sperren des Leistungstransistors. Sollte beim
Öffnen des Leistungstransistors eine untere Stromstärkenschranke noch
überschritten sein, so wird sofort der Leistungstransistor für eine
Mindestzeit wieder gesperrt. Durch die intern vorgegebenen Zeitfenster
der verschiedenen Schaltzeiten der verschiedenen Zyklen sind daher für
die meisten Bauteile die Werte faktisch vorgegeben und es gibt nur
wenig Spielraum für Abweichungen.
Nach einem Datenblatt soll
der Schaltkreis parasitäre Schwingungen erkennen und eine
Sicherheitsabschaltung durchführen. Ob hierzu die Einstreuungen über
die Source-Gate-Kapazität intern ausgenutzt werden, konnte nicht in
Erfahrung gebracht werden.
Bei
einigen Bauteilen
konnten die Werte nicht abgelesen werden. Die Induktivität L2 soll nach
einigen Quellen im Internet bei 1 mH (Eine russische Quelle gab auch
5 bis 11 mH an) liegen und die Kapazität C5_xxnF konnte
nicht ermittelt werden. Die Schaltung
scheint mit 0,5 mA über Pin 4 des IC als Stromverbrauch
auszukommen.
Um ungefähr 810 Lumen zu erreichen,
ist für die dafür notwendigen 9W ein durchschnittlicher Strom von
0,25 A erforderlich.
Bei
einem zeitlichen Stromverlauf als Steigungsdreieck während der
Ladephase und abfallendes Dreieck während der Entladephase sind ohne
Totpausen mindesten 2x0,25=0,5 A als Spitzenwert erforderlich.
Mit einer Entladephase und 10-20% Totpausen wäre daher eher 0,6 A als
Spitzenwert anzustreben.
Bei
einem Strom von 0,6 A fallen an dem 1.5 Ohm Widerstand ungefähr 0,9 V
ab. Dies deckt sich allerdings nicht mit der Angabe von 400mV für die
Stromdetektionsschwelle. Gemäß Datenblatt kann diese noch ein wenig mit
einem Widerstand an Pin 2 erhöht werden um Streuungen auszugleichen,
jedoch dürfte die Detektion zwar bei einer etwas niedrigeren
Stromschwelle auslösen, aber die Reaktionszeiten (0,35...0,55 us) zu
einer höherem Strom führen ab dem die reale Umschaltung
greift.
Die Entladezeiten betragen minimal 4,5 bis
maximal 250 us. Wie der Chip die passenden Ausschaltzeiten innerhalb
des Zeitfensters ermittelt ist nicht angegeben. Nachdem aber die Lampe
mit einer merklichen Verzögerung startet ist das interne digitale
Verhalten möglich zu erraten. Es wird systematisch das
Ausschaltzeitfenster reduziert, bis die untere Stromschwelle nicht mehr
unterschritten wird. Der letzte noch passende Wert für das Zeitfenster
wird beibehalten. Gegenüber der Transistorschaltung besitzt der
integrierte Baustein keine Möglichkeit das Ende der Spulenentladung
anhand der induzierten Spannungsrichtung für die Ansteuerung der
Leistungsstufe auszuwerten.
Angemerkt sei, dass die
Transistorschaltung nur der Darstellung dient, das Grundprinzip des
Abwärts-Wandlers (Step-Down-Converter) zu veranschaulichen.
Anhand
der Schaltung und deren Funktion ist erkennbar, dass diese sich nicht
für gedimmten Betrieb eignet. Am Netz verursacht die Lampe zwar kaum
Blindleistung, aber es wird das Netz mit
Verzerrungs(blind)leistungen belastet, wie es bei Elektrogeräten mit
Gleichrichter und Glättungskondensatoren üblich ist.
