Richi´s Lab

OSRAM G9 3,8W

OSRAM bietet eine der wenigen G9-LED-Leuchtmittel an, die kein übermäßig großes Volumen aufweisen und trotzdem einen Lichtstrom von 470lm bieten, was der Lichtaubeute eines 40W-Halogenstrahlers entspricht.
 Das Leuchtmittel nimmt 3,8W auf und ist nicht dimmbar.

Das Gehäuse des Leuchtmittels ist so gebaut, dass man es reversibel öffnen kann. Das untere Kunststoffelement besitzt eine Ausbuchtung über den Umfang, die in eine Nut des oberen Kunststoffelements einrastet. Mit einem gewissen Kraftaufwand lassen sich die beiden Elemente trennen.

Die elektrischen Kontakte des Leuchtmittels bestehen aus zwei gebogenen Drähten.

Im unteren Bereich des Kunststoffgehäuses befindet sich ein Metallring, der die Entwärmung der Elektronik verbessert. Die Entwärmung über die geringe Oberfläche ist ein kritischer Punkt bei den relativ kleinen G9-Leuchtmitteln.

Die Trägerplatine enthält einen Metallkern, der eine gute Wärmeabfuhr von den einzelnen Bauteilen ermöglicht.
 Der Metallkern endet kurz vor den Anschlussdrähten, die die Netzspannung zuführen und vom Metallkern ausreichend isoliert bleiben müssen.

Die Platine trägt die Bezeichnung LLPCB3428B V3, was dafür spricht, dass es sich um die dritte Revision der Platine handelt.
Bei den Zahlen 1722 könnte es sich um einen Datecode handeln.

Auf den beiden Seiten der Platine befinden sich jeweils 17 Leuchtdioden.
Die Leuchtdioden sind in Zweiergruppen verschaltet.
In den Leuchtdioden befinden sich sechs einzelne Leuchtdioden in Reihe, so dass sich pro Leuchtdiode eine Flussspannung von fast 17V ergibt. Insgesamt fallen an den Leuchtdioden ungefähr 290V ab.
In Serie zu den Leuchtdioden befindet sich ein 0Ω-Widerstand. Das Layout machte diesen Widerstand nicht notwendig. Der Nutzen der Brücke ist fraglich.

Die Gleichrichtung der Netzspannung erfolgt über einen TL10F-Brückengleichrichter der chinesischen Firma Shanghai Sinble Electronics.

Der Glättungskondensator bietet eine Kapazität von 3,3µF bei einer relativ hohen Temperaturfestigkeit von 130°C. Auf Grund der für die kleine Oberfläche hohen Verlustleistung und damit einhergehenden Temperaturen, ist eine hohe Temperaturfestigkeit absolut sinnvoll.
Auch wenn der Brückengleichrichter sicherstellt, dass sich der Kondensator nicht über die Pins nach außen entladen kann, sorgt ein 2,2MΩ-Widerstand dafür, dass einige Sekunden nach Netztrennung keine hohen Spannungen mehr anliegen.

Auf der anderen Seite der Platine ist ein sogenannter Fuseresistor bestückt, der im Fehlerfall den Stromfluss unterbricht und eine minimale Einschaltstrombegrenzung darstellt.

Die Einfräsung in der Platine sorgt für die bei Netzspannung notwendigen Isolationsabstände.

Der integrierte Schaltkreis, der hier eingesetzt wurde, ist ein BP5151H der 2008 gegründeten chinesischen Firma Bright Power Semiconductor.
Es handelt sich um einen linearen Stromregler.

Vier der acht Pins sind nicht genutzt. Das große Package ist aber notwendig, um eine hohe Verlustleistung ermöglichen zu können. Das Datenblatt gibt 1,25W an.

Das Datenblatt zeigt beispielhaft die Beschaltung des ICs.

Die gleichgerichtete und geglättete Netzspannung wird einer Leuchtdiodenkette zugeführt, an deren Fußpunkt sich der Regler befindet.
Bei einer Netzspannung von 220V liegen am Regler-IC nur noch 22V an.

Die Versorgung des ICs erfolgt vom Fusspunkt der Leuchtdiodenreihe aus, was die Verlustleistung im internen Versorgungsspannungsregler niedrig hält.
Das Datenblatt gibt an, dass sich am Versorgungsspannungseingang ein J-FET-Regler befindet, der bei 10V anläuft.
In der Versorgung ist ein RC-Glied mit einem relativ hochohmigen 3MΩ-Widerstand verbaut.
Die Steuerung des BP5151H benötigt laut Datenblatt typischerweise 100µA. Entweder handelt es sich dabei nur um den Anlaufstrom, der sich dann stark reduziert oder die Stromaufnahme erfolgt nach dem Anlaufen über den Drain-Pin. Bei 100µA würde nämlich am 3MΩ-Widerstand mehr Spannung abfallen als am Fusspunkt der Diodenkette überhaupt zur Verfügung steht.

Über den Widerstand am CS-Pin und die interne Referenzspannung lässt sich der Strom durch die Leuchtdioden einstellen. In diesem Zusammenhang wertet der BP5151H laut Datenblatt auch die Spannung am VD-Pin aus. Erhöht sich die Netzspannung und damit die Spannung am VD-Pin, so reduziert sich die interne Referenzspannung. Das würde das Regelverhalten des Chips verbessern. Mit der Formel im Datenblatt kann man abschätzen, dass sich in diesem Fall die Referenzspannung von 600mV auf 470mV reduziert.
Mit dem hier bestückten 47Ω-Widerstand lässt sich ein relativ geringer Strom von 10mA berechnen, der sich dann auch noch auf zwei Leuchtdioden aufteilt. Der BP5151H kann maximal 80mA leiten, als typischer Wert werden 40mA angegeben. Die Größe der Leuchtdioden lässt darauf schließen, dass sie problemlos mit 20mA oder mehr betrieben werden könnten. Vermutlich kann die in dem Fall anfallende Verlustleistung aber nicht mehr über das kleine G9-Gehäuse abgeführt werden.

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das wenig Überraschendes bietet.
 Der Block "REFERENCE" ist an den Pin D angebunden. Das spricht dafür, dass sich die Referenzspannung über diesen Pin versorgt. Das wiederum würde erklären wie der Regler mit einer Stromaufnahme von 100µA und einem 3MΩ-Widerstand in der Versorgungsleitung überhaupt funktionieren kann.

Das Die des BP5151H ist ungefähr 1mm breit und 0,75mm lang.

Den größten Teil der Fläche nimmt der Transistor ein, der den Strom der Leuchtdioden regelt. Laut Datenblatt handelt es sich um einen MOSFET mit einer Spannungsfestigkeit von 500V.

In der unteren linken Ecke befinden sich fünf Testpads. Relativ gut erkennbar sind zwischen diesen Testpads und der Rahmenstruktur sogenannte Fuses angeschlossen, die während der Herstellung unterbrochen werden können. An den Testpads sind Streifen angeschlossen, die ziemlich sicher Widerstände darstellen. Es ist daher zu vermuten, dass darüber etwas abgeglichen werden kann, höchstwahrscheinlich die Referenzspannung oder die Stromregelstrecke.
An der rechten Kante befindet sich ein weiteres Testpad. Eventuell konnte darüber während des Abgleichs eine interne Größe vermessen werden.

Auf dem Die findet sich die Typbezeichnung BP5151H. Die zusätzlichen Buchstaben "AA" könnten für eine Revisionsbezeichnung stehen.
 In der Zeile darunter befinden sich anscheinend mehrere chinesische Schriftzeichen, die sich wahrscheinlich der Firma Bright Power Semiconductor zuordnen lassen.

Hier ist auf dem ersten Kanal die Netzspannung dargestellt, während der zweite Kanal die Stromaufnahme des Leuchtmittels über einen 10Ω-Shunt abbildet.
 Wie für einen Gleichrichter mit Glättungskondensator üblich zeigt sich ein nicht unerheblicher Spitzenstrom von 125mA kurz vor dem Scheitel der Netzspannung. Der Effektivwert des Stroms beträgt 33mA, worüber sich eine Scheinleistung von 7,3VA berechnen lässt.

In Reihe zu der LED-Kette befindet sich ein 0Ω-Widerstand. Tauscht man diesen durch einen 10Ω-Widerstand aus, so kann man einen relativ konstanten Strom von ungefähr 12,5mA beobachten, der zu einem ebenso konstanten Lichtstrom führt.

In jeder Leuchtdiode befinden sich ein Die mit sechs einzelnen Leuchtdioden, die in Serie geschaltet sind.
Ein Die misst ungefähr 770µm x 670µm.
Die Stromverteilung erfolgt über die Metalllage, die auf jeder Leuchtdiode eine interessante hufeisenförmige Struktur beschreibt.

Die einzelnen Bauteile ermöglichen durchaus höhere Ströme und damit höhere Lichtleistungen. Der 47Ω-Widerstand, der den Strom durch die Leuchtdioden definiert, ist von unten gut zu erreichen. Schaltet man hier einen 100Ω-Widerstand parallel, so erhöht sich der Strom durch die Leuchtdioden um 50%. Geht man näherungsweise davon aus, dass sich die Lichtleistung linear mit dem Strom entwickelt, so entspricht die modifizierte Lampe einem konventionellen 60W-Leuchtmittel.

Der Effektivstrom am Eingang erhöht sich dabei von 33mA auf 38mA. Geht man davon aus, dass ein unmodifiziertes Leuchtmittel 3,8W Wirkleistung aufnimmt, so ergibt sich mit der oben bestimmten Scheinleistung von 7,3VA eine Blindleistung von 6,2VAr. Nimmt man idealisiert an, dass sich die Blindleistung nicht ändert, so setzt das modifizierte Leuchmittel 5,6W Wirkleistung um, was dem zu erwartenden Wert ganz gut entspricht.

Der limitierende Faktor ist bei den G9-Leuchtmitteln die Entwärmung.

Auf diesem Wärmebild befindet sich links ein originales Leuchmittel und rechts das Modizifierte. Nach zehn Minuten ist die Endtempertur erreicht. Statt 85°C stellen sich mit der höheren Leistung 110°C am Hotspot ein. Eine Daumenregel besagt, dass eine Temperaturerhöhung um 10°C die Lebenserwartung eines Elektrolytkondensators halbiert. Die Erhöhung der Lichtleistung würde also die Lebensdauer des Glättungskondensators mindestens auf ein Viertel reduzieren. Der Einfluss auf die restlichen Bauteile lässt sich nur schwer abschätzen.

In einer gängigen Fassung beträgt die Maximaltemperatur eines unmodifizierten Leuchtmittels eher 90°C. Für das umgebaute Leuchmittel kann man daher eher von 115°C ausgehen. An den Bauteilen werden sich höhere Temperaturen einstellen, 130°C erscheinen nicht unrealistisch. Der Elektrolytkondensator ist mit bis zu 130°C angegeben und könnte diese Temperaturen sogar noch aushalten, wenn auch nicht übermäßig lange. Der Regler lässt eine maximale Die-Temperatur von 150°C zu und regelt danach angeblich zurück. Hier ist allerdings keine Reduktion der Stromaufnahme zu erkennen, was darauf schließen lässt, dass das Die des Reglers kühler als 150°C ist.
Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Höhere Umgebungstemperaturen würden wahrscheinlich zu einem äußerst schnellen Ausfall des Leuchmittels führen.

Wie bei der Voltolux G9 3W 220lm kann man auch hier eine Lichtstrommessung durchführen. Dieser zeigt sich hier vergleichsweise konstant.

Es wurde versucht den Abstand zwischen IR-Sensor und Leuchtmitte gleich zu halten. Die Eingangsempfindlichkeit musste aber geändert werden. Es stellen sich 200mV ein, während bei der Voltolux G9 3W 220lm der Spitzenwert nur knapp über 30mV steigt. Man muss hier allerdings beachten, dass die Voltolux G9 3W 220lm über fünf Flächen abstrahlt, von denen nur eine direkt auf den IR-Sensor ausgerichtet ist und höchsten zwei noch einen Teil zum gemessenen Lichtstrom beitragen.

Der Lichtstrom ist nicht vollständig konstant. Zu dem Zeitpunkt in dem der Glättungskondensator wieder aufgeladen wird ist der Stromregelvorgang zu erkennen. Die Lichtleistung steigt kurz bevor sie etwas weiter absinkt und dann langsam wieder auf den Sollwert eingeregelt wird.

Die selbe Messung mit dem leistungsgesteigerten Leuchtmittel bestätigt, dass sich der Leuchtdiodenstrom und damit der Lichtstrom tatsächlich um ungefähr 50% erhöht hat.

Es zeigt sich allerdings, dass die Kapazität des Glättungskondensators für die erhöhte Leistung nicht mehr ausreichend ist. Das führt dazu, dass der Lichtstrom zeitweise nicht unerheblich einbricht. Integriert man per Augemaß über die Kurven, so kann man eine reale Leistungssteigerung von 30% abschätzen.

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