Что такое филаментные лампы Томича (led filament)?

Ноябрь, 27th 2019Рубрика:Обзоры 1686Подписаться накомментарии по RSS

Привычные светодиодные лампы, которые сейчас уже есть у каждого, построены на SMD светодиодах и имеют один общий недостаток. Диоды размещаются на матрице в одной плоскости и чтобы получить более-менее рассеянный свет приходится использовать матовые рассеиватели и КПД лампы снижается. Часть света теряется в этом самом рассеивателе.

И тут мы узнаём про филаментные светодиодные лампы, которые при беглом взгляде не отличить от старых добрых «лампочек Ильича». Специально прикупил в Леруа Мерлен такую необычную лампочку с цоколем E14 чтобы рассказать о них подробнее. Вскроем и посмотрим что у неё внутри. Полагаю не только мне интересно узнать, как в такой маленький цоколь умудрились затолкать драйвер для светодиодов.

Что такое филамент?

Термин «filament», при дословном переводе означает «нить накаливания». Конечно, никакой нити накаливания тут и близко нет, а применяются диэлектрические полоски из стекла или сапфира с нанесенными на них светодиодами, покрытыми толстым слоем люминофора. Свечение филаментов максимально приближено к свечению нити накаливания.

Каждый филамент содержит около 28 мелких светодиодов, их свечение можно разглядеть на следующей фотографии (я намеренно повредил нить одного филамента в лампе, чтобы их можно было увидеть).

Как видите, филаментная лампа может работать и без стеклянной колбы. Средняя мощность одной «нити» составляет примерно 1 Вт и чтобы заставить филамент засветиться, следует подать на него напряжение порядка 60-70 вольт (поэтому «низковольток» с филаментами вы не найдёте).

Все филаменты внутри лампы соединены последовательно. Соответственно, если нитей четыре, то получается 4 Вт, а шесть будет соответствовать 6-ваттной лампочке. Впрочем, я не утверждаю, что мощность нити может быть и чуть выше 1 Вт, но не принципиально. Так что, не ведитесь на обещания на коробке, а посчитайте количество нитей в лампочке.

Особенности конструкции филаментных ламп

Если с обычными светодиодными лампами всё более-менее понятно, то в конструкции филаментных не обошлось без оригинальных решений.

Как известно, светодиоды нельзя запитать от переменного напряжения и требуется использовать специальный драйвер. У стандартных светодиодных лампочек имеется большой корпус, куда и прячется плата с драйвером. Филаментным лампам для размещения драйвера приходится ограничиваться пределами маленького цоколя E27 или совсем крохотного E14. Как вообще возможно, в столь ограниченном пространстве, разместить полноценный драйвер?

В цоколь E14 хороший драйвер точно не поместится, но инженеры всё равно стараются снизить пульсации. Примерно по такой схеме построен драйвер филаментной лампы GAUSS из Леруа Мерлен:

Как видно из фотографий внутри лампы нет никаких радиаторов. Проблема с отводом тепла от светодиодов к стенкам колбы лампы решается с помощью инертного газа внутри лампы. Так как используется много маломощных светодиодиодов, то и тепла они выделяют не сильно много, в районе 60-70°C. Выделяемое тепло рассеивается в атмосферу через тонкое стекло колбы.

Я уже упомянул, что все светодиоды в лампе соединены последовательно, поэтому с выходом из строя одного из них, умирает и вся лампа. Потому мне не верится в заявленный на коробке срок службы лампы до 25 лет. Тем более что гарантию производитель даёт всего на 2 года.

Но в целом, филаментные лампы мне понравились больше обычных светодиодных. Прозрачная колба обеспечивает лучшую цветопередачу и рассеивание света у них, как у лампочек Ильича. Только лучше брать со стандартным цоколем E27, так как в нём проще разместить хороший драйвер со сглаживанием пульсаций. Ну и минус в том, что такие лампы невозможно починить.

P.S. Чуть не забыл рассказать почему же в заголовке я написал про «тёмную энергию» филаментных ламп… а дело в том, что на плате драйвера одной такой лампочки (к сожалению она не сохранилась) было написано DARK ENERGY 😉

Филаментные лампы что это такое?

Это вид светодиодных ламп, которые внешне максимально приближены к лампам накаливания. Они имеют полностью прозрачную стеклянную колбу и цоколь, а внутри расположены светодиоды вместо нити накала.

Филамент – основной функциональный элемент такой лампы, представляет собой светодиодную полоску особой конструкции. Внешним видом филаменты напоминают нить, потому некоторые так их и называют — лампочки на светодиодных нитях.

Из чего состоит светодиодная нить?

Рассмотрим более подробную структуру такого типа LED – Filament. Дословно на русском языке это слово звучит, как нить накала. Состоит из трёх слоев:

1. Стеклянное или сапфировое основание;
2. 28 светодиодов синего свечения. Иногда, для получения более тёплых оттенков, часть синих светодиодов заменяются красными, в пропорции 1 к 3;
3. слой люминофора, который обеспечивает свечение белого цвета необходимой цветовой температуры.

В среднем мощность одного филамента – порядка 1Вт, а напряжение – от 60 вольт. Такое напряжение питания не позволяет производить низковольтные лампы со светодиодными нитями.

Филаментные лампы выдают довольно сильный световой поток, сравните его с другими типами из таблицы. Филаменты выпускаются в весьма узком диапазоне мощностей – от 4 до 8 Вт.

Тип лампы	Потребляемая мощность, Вт	Светоотдача, Лм/Вт	Световая температура, К	Срок службы, часов
Лампа накаливания	10-500	9-19	2700	1000
Люминесцентная энергосберегающая (КЛЛ)	15-80	40-80	До 6500, в зависимости от исполнения	40 000
Светодиодная LED лампа	3-30	100-120	До 6400, в зависимости от исполнения	50 000
Филаментная LED лампа	4-8	120-140	До 4500	30 000

Корпус филаментных ламп совершенно отличается от светодиодных, в привычном их виде. Филаментные в точности повторяют конструкцию лампочек накаливания, что позволяет отечественным производителям делать их на тех же производственных линиях, что и накаливания. О том, какие последствия влечет за собой такое исполнение, мы расскажем ниже.

Конструкция филаментной лампы Томича

Лампа с нитевыми светодиодами состоит из:

• Цоколя, обычно E27 или E14;
• стеклянная колба;
• внутри колбы расположена стеклянная ножка и проводники для питания филаментов;
• филаментные светодиоды;
• драйвер, который расположен в цоколе.

На фото подробно рассмотрена конструкция производителя Rusled. Они продают свою продукцию под название «лампочка Томича».

Это изделия отечественного производства, они нацелены на замещение импортной продукции. Даже в своем названии проводят аналогию с лампой «Ильича». Лампа Томича — это своего рода новый шаг в развитии бытового освещения.

Кроме «Томича» на территории нашей страны производство есть в Саранске – на заводе «Лисма». Как заявляют рекламные ролики: «Единственная в РФ производственная линия лампового стекла и цоколей».

При этом в России нет мощных предприятий способных наладить выпуск подобных светодиодов, поэтому LED-комплектующие импортируют из Китая.

В случае с размерами драйвера лампы filament led есть ограничения – его плата очень маленькая и должна вмещаться в пределах полости цоколя. Взгляните как это выглядит в жизни.

В таком маленьком пространстве конструкторам удалось разместить все необходимые детали. Качественные лампы не пульсируют или их пульсации крайне малы и находятся в пределах допустимого.

Естественно, бюджетные лампы зачастую оборудованы обычной схемой питания на гасящем конденсаторе, как и в случае с пластиковыми классическими светодиодными лампами. Это дает слишком пульсирующий свет, что крайне вредно для вашего здоровья.

Схема драйвера

Драйвер выполняется обычно по подобной схеме. Вместо предохранителя F1 может использоваться низкоомный резистор (до 20Ом) средней мощности (до 1Вт).

DB1 – это выпрямительный диодный мост, рассчитанный на обратное напряжение до 400-1000В. E2 – конденсатор сглаживающий пульсации диодной моста, E1 – дополнительный конденсатор для питания микросхемы. SM7315P и подобные – это микросхема драйвер, сердце всей цепи.

Его устройство включает в себя ШИМ-контроллер, цепи обратной связи по току (различные мультиплексоры, компараторы и другие элементы. Они сравнивают значение номинального тока и реального, после чего дают сигнал ШИМ-контроллеру на изменение коэффициента заполнения управляющих импульсов). ШИМ управляет силовым ключом (n-MOS скорее всего). Силовой ключ расположен в корпусе микросхемы, поэтому на плате его вы не найдёте.

R1 – датчик тока, позволяет изменить силу тока в цепи светодиодов. Чем больше его номинал – тем меньше ток.

L1 – накопительная индуктивность, благодаря которой происходит преобразование напряжения.

D1 – диод, необходимый для работы преобразователя.

E3 – конденсатор, фильтрующий выходные пульсации.

R2 – резистор, обеспечивающий минимальную нагрузку для преобразователя.

В целом, контур образованный из L1, D1 и транзисторного ключа, встроенного в микросхему, представляет собой типовую схему импульсного понижающего преобразователя. Упрощенный вариант такой схемы изображен на следующем рисунке.

Особенности конструкции

Как я часто пишу – светодиоды греются. При этом нагрев происходит настолько сильный, что некоторые чипы не могут проработать и минуты без дополнительного теплоотвода. У мелких светодиодов в SMD-корпусах тепло отводится через их контактные площадки.

Мощность одного филамента около 1 ватта. Взгляните на SMD-светодиоды – на каждый ватт их мощности, нужно 25-30кв.см. площади радиатора. Отсюда возникает интересный вопрос, связанный с охлаждением филаментов.

Мощность филаментной лампы можно определить по её внешнему виду, а именно по количеству нитей. 1 нить — 1Вт.

Как охлаждаются филаментные светодиоды?

Во-первых, филамент – это не цельный мощный светодиод, а лишь матрица. Тип матрицы в этом форм-факторе на англоязычных ресурсах называется «COG» или «Chip-on-Glass». На русском языке это что-то вроде «Матрица на стеклянной основе».

Во-вторых, раз уж это матрица, значит на ней есть множество мелких светодиодов. По отдельности они выделяют очень мало тепла, так как они маломощные. Приблизительный расчет:

1 Вт / 28 светодиодов = 0,036 Вт/светодиод

Для отвода тепла нужен носитель. Производители заполняют колбу филаментных ламп хорошо проводящим тепло газом. Одни источники заявляют, что этот газ — гелий, в рекламных видео о лампочках томича говорится о специальной рецептуре газов. Однозначной информации по этому поводу нет.

Благодаря такой конструкции нагрев филаментной лампочки слабый – порядка 50-60 градусов. Вы смело можете использовать их в светильниках с бумажными, тканевыми и пластиковыми абажурами. Нагрев самой нити филамента доходит до температур свыше 100 градусов. Современные светодиоды способны работать и при температурах КРИСТАЛЛА в 120 градусов, а корпус имеет значительно меньший нагрев.

Распространение филаментов

После появления филаментных ламп – спрос на них начал расти и постепенно дошел до уровня обычных светодиодных изделий. Причина этому проста – их дизайн и возможность добиться большого угла свечения, без использования дополнительных оптических систем.

У стандартных светодиодных ламп, в пластиковом корпусе, угол излучения до 170 градусов. У филаментных же доходит до 300 градусов.

Такого угла свечения получилось достичь благодаря стеклянной прозрачной колбе и расположенных по кругу филаментов. Некоторые модели имеют нестандартные формы и способ расположения филаментов (под углом, крест на крест, S-образно), для обеспечения более равномерного освещения.

Сравнительная таблица филаментнов от разных производителей

Если решили покупать — обратите внимание на производителя. Заявленные параметры у всех отличаются и зачастую завышен процентов на 10.

Модель лампы	Цена, $	Заявленная мощность, Вт	Световой поток, Лм	Аналог лампы накаливания, Вт	Срок службы, часов
Maxus филамент A60	4-5	8	800	60	30000
VIDEX NeoClassic (Filament) A60FA 2200K	3-4	7	630	55	40000
Philips LEDClassic A60 WW CL D APR	7-8	7,5	806	70	15000
OSRAM LED RF CL A60 2700К	6-7	6	806	75	15000
Лисма СДФ-8Вт	5	8	780	75	30000
3-5	8	800	75	15000

Как вы можете понять из таблицы, изделия разных производителей выдают различное количество света при одинаковой мощности. Это связано с тем, что они получают различный удельный световой поток (Лм/Вт) с каждого ватта мощности светодиодного светильника.

Это вызвано различными поставщиками материалов или схемотехникой и режимами работы драйвера.

Проблемы нитевидных светодиодов

Колба, выполненная из стекла бьется. Хоть и форма колбы придаёт ей большую жесткость, и способна выдержать некоторую нагрузку, но все же она бьется. Рассеиватель стандартной светодиодной лампы гораздо прочнее. При этом битая филаментная лампа может сохранить свою работоспособность, что вы можете увидеть на фотографии.

Также сохраняется высокая вероятность поражения электрическим током, при прикосновении к токоведущим частям.

Этот вопрос прорабатывается производителями, ведутся работы по внедрению колб из поликарбоната, что повысит прочность и снизит стоимость продукта.

Бюджетные филаментные лампы не работают заявленные сроки в 15 000 и более часов, по причине низкого качества комплектующих. Лампа либо просто перестает включаться, либо начинают мерцать или перестают светиться отдельные нити.

Может вы заметили еще какие-то достоинства или недостатки? Поделитесь в комментариях.

Преимущества филаментных ламп

• Равномерное свечение во всех направлениях;
• низкая рабочая температура;
• хорошо выглядят, можно использовать в открытых и прозрачных светильниках;
• утилизируются как бытовые отходы;

Недостатки

• Цена выше чем у обычных;
• хрупкая стеклянная колба;
• не пригодны для ремонта;
• при выходе из строя отдельной филаменты – создает дискомфорт и мигания;
• разброс по качеству и выбраковка в разы большая, чем у пластиковых аналогов;
• производятся только для сетей 220 вольт;
• доступно два цоколя – E27 и E14;

У светодиодных ламп филаментного типа есть свои плюсы и минусы, однако минусов на момент написания статьи больше чем плюсов. Это не значит, что нужно забыть об этих лампах, просто нужно учитывать для чего вы её покупаете.

Филаментные лампы неплохо подойдут как источник света для настольных светильников, а также в декоративных целях. Они практически холодные во время своей работы. Репутацию филаментных ламп портит низкосортная продукция недобросовестных китайских производителей.

Светодиодная филаментная лампа – это искусственный источник света, в котором световая энергия вырабатывается нитевидным элементом, называемым филаментом (filament), состоящим из множества включенных последовательно светодиодных кристаллов.

Филаментная лампа была разработана японской компанией «Ushio» в 2008 году, но из-за малой мощности для освещения была непригодна. И только в 2013 году китайским компаниям удалось добиться величины излучения светового потока филаментной лампы, сравнимого с лампой накаливания мощностью 60 Вт. Внешний вид филаментной лампочки показан на фотографии.

Филаменты

Источником излучения светового потока в филаментной лампе являются филаменты, откуда и произошло название лампы.

На фотографии показано шесть филаментов, извлеченных из перегоревшей лампы. Филаменты могут иметь любую форму, даже спирали. Это позволяет дизайнерам создавать эксклюзивные лампочки.

Устройство светодиодного филамента

Филаменты изготавливают по технологии Chip-On-Glass, сокращенно COG, что переводится как чип на доске.

Основанием филамента служит стеклянный или сапфировый стержень круглой формы с вплавленными в него по торцам электродами. Диаметр стандартного стержня составляет 2 мм, длина – 30 мм.

Вдоль стержня закреплено последовательно соединенных 28 светодиодных миниатюрных кристаллов синего и красного цветов излучения. Сверху светодиоды покрыты слоем лака, пропускающим только белый свет.

Мощность филамента составляет около 1 Вт, напряжение, необходимо для свечения составляет около 60 В. Рабочий ток, соответственно, около 16 мА.

Филаменты в лампочках размещают в герметичную стеклянную колбу, но они успешно могут работать и на открытом воздухе, что позволяет из них делать оригинальные самодельные светильники.

Устройство филаментной лампочки

Если посмотреть на филаментную лампочку издалека, то можно и не отличить ее от лампы накаливания. Такая же стеклянная колба и внутреннее устройство. Только спирали толще и расположены вертикально.

Но это только внешнее сходство, так как работает филаментная лампа по принципу светодиодной лампочки.

Для подачи питающего напряжения в лампе имеется металлический цоколь с резьбой Эдисона. В настоящее время лампы оснащают цоколями только типоразмеров Е14 и Е27. В цоколе размещен драйвер, который обеспечивает преобразование переменного напряжения сети в постоянное напряжение, стабилизированное по току.

С драйвера питающее напряжение подается через два проводника, вплавленных в герметичную стеклянную колбу, на выводы размещенных в ней филаментов. Филаменты между собой и токовводами соединяются с помощью точечной сварки. Для эффективного отведения тепловой энергии от филаментов колба заполнена гелиевой газовой смесью, которая обладает высокой теплопроводностью.

Анализ причины перегорания филаментной лампы

Чтобы не отставать от технического прогресса при появлении на рынке филаментных ламп приобрел двенадцать таких лампочек с цоколем Е14 мощностью 6 Вт для двух люстр.

Лампы красиво смотрелись в люстре и хорошо освещали помещение, но через год эксплуатации одна из них ярко вспыхнула и перестала светить. Решил выяснить, в чем причина отказа.

Попытка отделить цоколь от колбы лампы не увенчалась успехом. Клей-компаунд скрепил цоколь с колбой намертво. Пришлось применить разрушающий метод разборки с помощью тисков.

Для извлечения драйвера из цоколя пришлось, вращая его сжимать по немного тоже в тисках. Компаунд и остатки стекла колбы при этом крошились.

В результате удалось извлечь из лампы филаменты и драйвер без их повреждения. На фотографии показано как выглядит филаментная лампа без колбы и цоколя.

При осмотре драйвера сразу бросилось в глаза, что рядом с токоограничивающим конденсатором резистор был покрыт слоем копоти, что свидетельствовало о сгорании одной из деталей. Проверка резистора показала его исправность. Следовательно, вышел из строя конденсатор.

На противоположной стороне печатной платы драйвера был распаян только мостовой выпрямитель и нанесена маркировка для подключения. Позвонка диодов мультиметром показала, что все диоды исправны.

Электрическая схема филаментной лампы

Для дальнейшего анализа причины отказа с печатной платы драйвера срисовал электрическую принципиальную схему филаментной лампы. Как видно из схемы, она практически не отличается от стандартной схемы светодиодной лампы, собранной на обыкновенных светодиодах с токоограничивающим конденсатором.

Ток стабилизируется с помощью конденсатора С1, выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и далее поступает на филаменты HL1-HL6, соединенные последовательно двумя параллельными группами по три. Резисторы служат для разряда конденсаторов после выключения лампы. С2 сглаживает пульсации.

Достоинством этой схемы драйвера является простота, позволяющая поместить его даже в цоколь Е14, высокий КПД и практически отсутствие выделения тепла. Недостатком является большой коэффициент пульсаций светового потока, что исключает использование ламп с таким драйвером для освещения рабочих мест с напряженным трудом.

Если необходима филаментная лампа с малым коэффициентом пульсаций, то нужно приобретать с драйвером на микросхеме. На фото классическая схема такого драйвера, но он больше по размерам, поэтому устанавливается только в филаментные лампы с цоколь Е27.

Проверка филаментов лампы

Для проверки филаментов необходимо на их выводы подать напряжение постоянного тока не менее 60 В. Поэтому мультиметром, который выдает в режиме измерения сопротивления напряжение не более 9 В прозвонить филамент невозможно.

Поэтому для проверки филаментов был использован драйвер, извлеченный из лампы. Конденсатор С1 был в обрыве, поэтому был выпаян и вместо него запаян исправный навесной такой же емкости.

При подаче напряжения на драйвер, засветился только один из шести филаментов, и то участками, что указывало на возможную неисправность всех филаментов лампы.

Для проверки филаментов они были разъединены и проверены по отдельности. Подключались к родному драйверу, последовательно с которым по цепи подачи питающего напряжения был запаян дополнительных конденсатор такой же емкости.

Как и ожидалось, все филаменты отказались неисправными. Один из них засветился, как и ранее, участками, что не позволяло его дальнейшее использование.

Причина перегорания филаментной лампы

Филаментная лампа перегорела из-за электрического пробоя токоограничивающего конденсатора С1. В результате все напряжение питающей сети (220 В) было приложено к выводам светодиодных филаментов и через них потек ток, превышающий допустимый.

Светодиоды от перегрева перегорели, как и сам конденсатор. От него и покрылась копотью печатная плата.

Ремонт филаментной лампы

Схемы драйверов у филаментных ламп такие же, как и обыкновенных светодиодных и ремонт их отличается только способом разборки. Приведу пример из личной практики ремонта филаментной лампы.

Через некоторое время перегорела еще одна лампа в люстре из этой же партии. С учетом полученного опыта решил применить неразрушающий способ ее разборки, так как внешний осмотр не выявил перегорания филаментов.

Для этого была использована мини дрель с установленным в нее наждачным диском, как у болгарки. Такая мини дрель в комплекте имеет большой набор инструментов, позволяющий выполнять практически любые ювелирные работы, начиная от сверления и заканчивая гравировкой на металле и стекле.

Цоколь филаментной лампы был зажат за резьбовую часть в тисках и прорезан абразивным диском по всей длине его окружности, как показано на фотографии.

Далее при одновременном разогреве центрального контакта цоколя паяльником резьбовая его часть была отсоединена. В результате получен доступ к печатной плате драйвера. Драйвер был обвернут изоляционной прозрачной пленкой.

Изоляция была удалена и диоды выпрямительного моста проверены с помощью мультиметра. Они оказались в обрыве. Мост был заменен диодным мостом, взятым из драйвера разбитой описанной выше лампы.

Для исключения перегорания филаментов последовательно с установленным в драйвере конденсатором был впаян навесной емкостью 0,5 мкФ и на схему подано напряжение.

Филаменты засветились, правда с меньшей яркостью, так как при последовательном соединении конденсаторов суммарная их емкость всегда становится меньше, чем емкость конденсатора в цепочке с меньшей емкостью. Слабое свечение филаментов свидетельствовало о исправности конденсатора на плате. При подаче питающего напряжения на выводы лампы она засветила на полную яркость.

Для восстановления целостности цоколя отпаянный вывод драйвера был заведен в предварительно освобожденный от припоя центральный контакт и половинки цоколя соединены в четырех местах с помощью пайки. Для надежности были использованы отрезки выводов от советского транзистора.

Осталось только вкрутить отремонтированную своими руками филаментную лампу в патрон люстры для проверки. Как видите все лампочки светят одинаково ярко.

Достоинства и недостатки филаментных ламп

Достоинства филаментных ламп:

• Большой срок службы;
• Большей угол рассеивания светового потока, как у ламп накаливания;
• Красивый внешний вид, что позволяет использовать их в любых видах светильников;
• Полная взаимозаменяемость с лампами накаливания, что позволяет устанавливать филаментные лампы в любые старые люстры и светильники;
• Возможность дистанционного изменения яркости свечения (диммирование);
• Безопасная температура нагрева стеклянной колбы, что исключает возможность получения ожога при случайном прикосновении;
• Утилизируются как бытовые отходы.

Недостатки филаментных ламп:

• Цена больше, чем у обыкновенных светодиодных;
• Выпускаются только для сети напряжением 220 вольт;
• Доступно только два вида цоколя – E27 и E14;
• Мощность не превышает 6 Вт (эквивалент лампочки накаливания 60 Вт);
• В случае перегорания филаментов не подлежат ремонту;
• Требуют бережного отношения из-за стеклянной колбы.

Заключение

Как видите, недостатки филаментных ламп, кроме цены, на практике мало ограничивают возможность их применения в бытовых условиях.

Хотя максимальная мощность лампы в настоящее время небольшая, но четырех или пяти рожковая люстра с лампочками мощностью 6 ватт вполне обеспечит достаточное освещение помещения площадью до 20 м². А если понадобиться осветить комнату большей площади, то можно повесить две люстры.

Филаментная лампа являются образом последних достижений светотехники и в ближайшее время вытеснит все остальные источники искусственного освещения в помещениях.

Используемые источники:

• https://mdex-nn.ru/page/tjomnaja-energija-filamentnyh-lamp.html
• https://svetodiodinfo.ru/voprosy-o-svetodiodax/led-filament.html
• https://ydoma.info/ehlektrotekhnika/lampy-kakaya-luchshe/lampy-svetodiodnye-filamentnye.html