Ответ на пост «Почему умирают светодиодные лампы»⁠⁠2

Всем привет, понравился пост автора о светодиодных лампах, но хочу ещё немного дополнить теоретическую часть практической. Вопрос выхода из строя светодиодных ламп актуален не только в случае, собственно, бытовых осветительных ламп и фонариков. Эти же светодиодные лампы устанавливаются в LCD-телевизоры, мониторы, проекторы. И если обычная лампа стоит 50-100 рублей, то через 3 отработанных года мы выбрасываем её без особых сожалений. Но вот в случае с цифровыми приборами суммы убытка становятся уже весьма значительными - по состоянию на 2021 год стоимость нового LCD телевизора начинается от 7 000 рублей и доходит до круглых сумм. Но механизм поломки подсветки в них точно такой же, как и у бытовых лампочек. Давайте разберёмся, что у них общего:

Демонстрацию начнём с бытовой лампы. Я взял дешевую лампу за 50 рублей из эконом-магазина. Итак, осветительная лампа состоит из следующих важных узлов, которые могут сломаться. Многие уже это всё не раз видели:

I. Плата со светодиодами. Непосредственно сам светоизлучатель. В случае бытовой лампы выглядит так:

В телевизоре она же выглядит так:

Обе этих платы представляют собой полностью одно и то же устройство. Разница лишь в том, что сами светодиоды разнесены на различное расстояние - в телевизоре для этого подложка делается в виде ленты и соединяется проводами. В бытовой лампе - делается на целом алюминиевом диске. Сами светодиоды в обоих случаях выглядят так:

И один рассмотрим поближе:

Можно видеть, что он как бы разделён на две части. В данном случае, это - двойной светодиод. Светодиоды бывают одинарные, двойные, тройные и т.д., но, в основном, больше 3 в один корпус не помещают по причине их нагрева. Хотя, есть и светодиоды с 50 и более кристаллами на одной подложке. Подобные устанавливаются в проекторы - ТС тоже держал такие в руках. Но посмотрите на габариты радиатора!

Вернёмся к обычной лампе. Внутри маленького корпуса мы можем увидеть: алюминиевую подложку, сами кристаллы светодиодов (чёрные прямоугольнички), и тончайшую золотую нить (маленькая перемычка, соединяющая их последовательно.

В один корпус множество светодиодов помещают для увеличения компактности схемы, удвоения или утроения светоотдачи из одной точки (важно для оптического тракта телевизоров), ускорения монтажа и сборки. Но, вне зависимости от компоновки и размещения светодиодов, схема этой платки всегда будет выглядеть так:

Т.е. все светодиоды включаются в последовательную цепь, которая от начала и до конца подключается к драйверу. Цепь может быть любой длины - в некоторых телевизорах на концы платы подаётся напряжение в 270 Вольт. Учитывая, что падение составляет лишь примерно 2.8 В на одном кристалле - посчитайте, сколько их там стоит.
Нетрудно догадаться, что при разрыве этой цепочки, перестанут гореть сразу все светодиоды. Лишь некоторые модели ламп и телевизоров имеют несколько параллельных цепочек - у таких в случае обрыва цепи сильно падает яркость, но они остаются в работоспособном состоянии.

Теперь к вопросу, а почему, собственно, эта цепь может быть разорвана? Каков механизм этого?
Как уже упоминали авторы оригинальных постов, основная причина - температура. Но порча прибора происходит не явно из-за неё, а косвенным образом. При повышении температуры начинаются деградационные физические и химические процессы в светодиодах. Их два:

1. Отрыв или разрыв тонкой перемычки. Я неспроста упомянул её на картинке. Тончайшая золотая нить. К светодиоду, как и к любым другим полупроводниковым кристаллам, нить прикрепляется методом вибрационного воздействия, в следствие чего происходит диффузия золота в приповерхностный слой кристалла, и образуется достаточно прочное соединение. Видео этого процесса можно найти на ютубе. Но золото, как и любой другой металл (как известно из курса физики) имеет свойство расширяться при нагреве и сужаться при охлаждении. Чем сильнее нагрев - тем больше будет Δl. Но, так как светодиод залит прозрачным компаундом, деваться этой длине некуда. Образуются упругие микродеформации в золотой нити. При каждом цикле включения-выключения телевизора эту нить как бы спрессовывает с обеих сторон, а потом растягивает, как гармошку. Вот только металлической нити такие деформации на пользу не идут. Ломали в детстве медную проволоку? Гнёшь её туда-сюда, и через 30-60 изгибов деформации накапливаются, связи между молекулами разрываются. То же самое происходит и здесь. Но ввиду того, что для перемычек используется золото - один из самых пластичных металлов в технике, количество циклов включения-выключения значительно увеличивается.

Что всё-таки происходит, когда перемычка порвалась? Внешне мы начинаем видеть "мерцание" лампы, либо её полное затухание. После долгого простоя лампа (или телевизор) может "включиться" на долю секунды, а затем свет снова пропадает. Происходит это потому, что разорванные концы нити могут соприкасаться друг с другом (в зависимости от вида деформации). Но сразу же после подачи тока начинается расширение проволоки, и контакт разрывается снова. Образуется автоколебательная система (смотрите опыт с пружиной и ртутью), такие колебания мы и видим как низкочастотное мерцание лампы. Светодиод вышел из строя и дальнейшей эксплуатации не подлежит.

2. Термоэлектрическая деградация кристалла.
Светодиод, как и любой другой полупроводник, работает по принципу электронно-дырочного взаимодействия - при химическом производстве вытравливают две зоны в кристалле, одна из которых содержит свободные электроны, другая - дырки. Проводить светодиод начинает при повышении потенциала выше определённого уровня, когда электроны начинают объединяться (рекомбинироваться) с дырками. Длительная эксплуатация кристалла в повышенном температурном режиме и на высоких токах приводит к тому, что начинают образовываться постоянные связи между двумя слоями - и электроны устремляются по ним, превращая носимую ими энергию в тепло (вместо светового излучения) и ускоряя деградацию. Химический состав превращается в обыкновенный проводник. От превышения тока (так как его внутреннее сопротивление начинает стремиться к нулю) перегорает тоненькая перемычка, и светодиод чернеет внутри. Цепь разрывается, работать она больше не будет.
В целом, деградация светодиода происходит по экспоненциальной кривой - постепенно в процессе работы количество "спаек" и утечек растёт. После чего, когда оно превышает определённый предел, начинается внезапный скачкообразный рост тока. Именно в этот момент лампа и сгорает - делает "Пых" и свет погас.

Т.е. наглядно это можно представить таким образом (числа на осях не соответствуют действительным, но сам процесс выглядит так) - до момента достижения красной черты по вертикали прибор работает исправно (1-3 года) - утечка небольшая. После чего начинается внезапный рост тока. Лампа начинает тускнеть и однажды ток вырастает настолько, что перемычка или драйвер перестаёт его выдерживать. Это происходит достаточно быстро - за 1-2 месяца.

Как исправляется эта проблема?
Единственный способ отремонтировать такой светильник - замена абсолютно ВСЕХ светодиодов на новые. Почему - должно быть понятно. Нам кажется, что светодиоды находятся в разных корпусах, и если мы заменим или закоротим тот, который непосредственно сгорел (участок, где цепь разорвалась), то цепь восстановится, и всё продолжит работать. Вот только нужно учитывать износ элемента. Посмотрите на схему, которую я приводил. Все светодиоды в ней РАВНОЦЕННЫ. И работают одновременно - как бы представляют собой один большой светодиод. Ведь, как мы уже знаем, светодиодов в одном корпусе может быть несколько. В сущности, не важно, как они размещены. Они являются частью одного целого. Если на ноутбуке вышел из строя чип (например, перегрузили USB-порт), то выходит из строя ВЕСЬ кристалл процессора/хаба - и ядра, и остальные модули. Частично отремонтировать его нельзя - разобрать кристалл и заменить пробитую область невозможно. Так же и здесь - есть лишь иллюзия того, что заменив часть светильника, мы отремонтируем его. Буквально через несколько десятков рабочих циклов цепь снова разорвётся - либо порвётся такая же усталая перемычка на другом светодиоде, либо он от увеличившегося тока также внезапно деградирует.

II. Драйвер светодиодов
С драйвером, в принципе, дела обстоят проще. Он представляет собой обычный импульсный (ШИМ) блок питания. Задача его - сделать из того, что имеется то напряжение, которое подходит для питания светодиодов. Как правило, форма нас не особо интересует - корпус светодиодов дополнительно покрывается люминофором для увеличения инертности. В случае бытовых ламп, драйвер делает из выпрямленного напряжения сети (310 Вольт) напряжение в 70-90 Вольт, достаточное для питания всей ленты.
Интересует нас общая мощность - все современные драйверы работают в цифровом режиме. Поэтому амплитуда и длительность ШИМ-сигнала выставляется таким образом, чтобы передавать её в светодиоды. Хотя, такой режим модуляции также губителен и сокращает срок службы светодиодов - они без конца как бы быстро зажигаются и гаснут, тем самым ещё больше раздраконивая проволоку и кристалл, ускоряя их деградацию.

Т.е. на светодиоды подаётся ток такого вида. Вот так выглядит драйвер с ШИМ модуляцией у лампы:

И у телевизора (сходство явно есть):

В случае с телевизором, в напряжение в 70-90 В преобразуется напряжение питания шины в 12-24В. Т.е. у лампы преобразователь понижающий, у телевизора - повышающий (хотя, зависит от схемы - иногда всё может быть по-другому).

Говоря про драйверы, хочется упомянуть ещё вот такую светодиодную лампу, которая была куплена в незапамятные времена, уже прослужила у меня около 10 лет и до сих пор работает. В чём её секрет?

Секрет в том, что вместо ШИМ-драйвера там применяется бестрансформаторный блок питания. Т.е. вместо платы с драйвером, там можно увидеть вот это:

К этому конденсатору добавлено несколько резисторов, и таким образом он обеспечивает постоянный ток на плату со светодиодами. При правильном расчете на заводе, мощность небольшая, но плавный пуск и отсутствие ШИМ'а на входе делают своё дело - количество часов работы этой лампы исчисляется десятками тысяч (моя точно отработала более 50 000 часов). В ней просто напросто нечему ломаться. Что до импульсных драйверов, ломаются они, как и любые импульсные блоки питания:

1. Превышение тока - неправильный заводской расчет или деградация светодиодов. Короткое замыкание по выходу.
2. Превышение входного тока - сбой электросети, повышение напряжения выше 280 Вольт (взрывается конденсатор)
3. Деградация конденсатора и разрушение микросхемы возникшими импульсами по входу.
4. Температурная деградация компонентов (то же самое, что и сплавление светодиода, только происходит с выходным транзистором преобразователя)
5. Пробой сетевого напряжения на выход - сплавился кристалл микросхемы и диодный мост, переменка попадает на светодиоды и выводит их из строя.

Решается ремонт драйвера заменой на аналогичный, т.к., как правило, отыскать его составляющие части (например, ШИМ микросхему) нереально или нецелесообразно - 50 рублей не стоят и часа возни по поиску детали. В случае с телевизором тоже иногда бывает проще заменить на аналогичную плату с разбитого ТВ, с целым драйвером.

III. Цоколь лампы и соединения
Немного шуточный пункт, но уже много светильников мною было ковыряно, и часто оказывалось, что сами лампы и драйверы оказываются исправны. Проблема заключается вот в этом узле:

При сборке на заводе ламп накаливания, спираль припаивалась к цоколю. Здесь же часто цоколь просто завальцовывают. Попадание влаги с потолка, или просто окисление влагой из комнаты приводят к потере соединения между проводками, идущими от цоколя к драйверу. Достаточно просто припаять эти провода к цоколю, и проблема будет решена. Так что соединения тоже рекомендую проверять.

В общем, ребята, думаю что я чуть более подробно объяснил практические стороны неисправностей светодиодных ламп. Возможно, кому-нибудь эта информация будет полезна. Всем спасибо, с вами был Kekovsky.