Светодиодная лампа: устройство, принцип работы, виды

Принципиальная разница в конструкции

При выборе светодиодных лампочек важно знать, как они производились. Продукция должна быть сертифицированная

Только так можно купить светодиодный источник света, который не будет отрицательно воздействовать на организм и прослужит долго.

Недорогой китайской лампы на 220 В

Неизвестные китайские производители:

• выпускают светодиодные лампы в несоответствующих мощности корпусах;
• у диодов низкие показатели светопередачи;
• полноценный драйвер меняют на диодный мост и пару дешевых радиодеталей;
• устанавливают примитивные теплоотводы;
• указывают на упаковке неверные параметры мощности, потока и цвета света, срока эксплуатации.

Из-за несовершенства схемы такие лампы быстро перегорают, покупателей ждет разочарование после вскрытия упаковки:

• источник света вместо 60 Вт выдает 25 Вт;
• поток света 40-50%, не 90%, как указано;
• мощность 6 Вт вместо 8 Вт;
• цвет 400 вместо 2700;
• рок службы 5 тыс. часов, а не 50 тыс.

Качественной брендовой светодиодной лампы

В брендовой качественной лампочке:

• используется рассеиватель в виде полусферы из качественного пластика, увеличивающий угол рассеивания и показатели механической прочности;
• качественные долговечные чипы;
• применяется плата, изготовленная из сплава алюминия, эффективно отводящая избыток тепла на радиатор;
• площади радиатора достаточно для того, чтобы предотвратить перегрев;
• у конденсатора достаточный объем;
• драйвер преобразует ток;
• цоколь из никеля или латуни.

Что делать с люминесцентными светильниками «Армстронг»?

Замена старых осветительных приборов на новые – это не всегда лишние затраты. Люминесцентные светильники не стоит сбрасывать со счетов. Так как устройство потолочных светодиодных светильников можно назвать довольно простым, старые приборы можно без труда модернизировать под новые трубки. В этом случае получится весьма существенная экономия. Алгоритм действий будет следующим.

Отключив питание, необходимо демонтировать люминесцентный светильник и вытащить лампы – они больше не понадобятся. Также необходимо удалить ЭПРУ (электронное пускорегулирующее устройство) и провода, оставив лишь посадочные места для цоколей. Снятые провода используются для коммутации по новой схеме. По ней должно получиться, что фаза подается на одну сторону трубки (контакт значения не имеет), а ноль на другую. Так получается из-за того, что на цоколе светодиодной трубки пары штырьков внутри замкнуты. А изготавливают трубки с двумя контактами только для того, чтобы они подходили к посадочным местам и были похожи на люминесцентные. Получается, что устройство светодиодных светильников «Армстронг» можно назвать даже не элементарным, а примитивным. Вся основная электроника находится внутри трубчатых ламп.

Преимущества приборов

Так какими же конкретно достоинствами отличается LED-лампа? Отзывы о приборах этого типа в основном хорошие. По словам потребителей, они:

1. Экономичны. Прибор этой разновидности расходует энергии в 20 раз меньше, чем лампа накаливания при той же интенсивности освещения.
2. Имеют долгий срок службы. Использоваться светодиоды без необходимости замены могут до ста тысяч часов.
3. Устойчивы к ударам, вибрациям и низким температурам. Благодаря этому светодиодные лампы можно использовать в том числе и для уличного освещения.
4. Экологически безопасны. В отличие от обычных энергосберегающих, в светодиодных лампах нет ртути. Это повышает степень безопасности освещения и облегчает процедуру утилизации.
5. Не дают УФ-излучения. При использовании ламп этого типа не происходит выгорание обивки мебели, краски на картинах и т. д.

Характеристики светодиодов:

LED-приборы имеют несколько основных параметров.

Это:

– потребляемый ток;

– мощность потребления;

– номинальное напряжение;

– цветовая температура;

– сила светового потока.

Практически все эти характеристики указаны на самом электроприборе, но есть и другие показатели, которые считаются специфическими.

Сила потребляемого тока. Сила потребляемого тока определяет яркость свечения светодиода. Ток потребления светодиода измеряется в амперах и чаще всего соответствует показателю 0,02 А. Это параметр одного кристалла. Если чипов несколько, то и показатель увеличивается: 0,04 А при двух кристаллах, 0,06 А при трех и т.д. Учитывать показатель потребляемого тока следует для выбора резистора, устанавливаемого на вводе. Если показатели не будут соответствовать друг другу, высокий ток преодолеет сопротивление светодиода и он перегорит, причем практически мгновенно. Также резистор защищает прибор от скачков тока в сети, возникающих при различных перепадах напряжения.

Сопротивление светодиода. Этот показатель способен изменяться, т.к. является нелинейным и колеблется в зависимости от включения в цепь. При включении в одну сторону он может достигать приблизительно одного килоома (кОм), в другую – увеличиваться до нескольких мегаом (МОм). Соответственно, чем более высокое напряжение испытывает диод, тем меньше оказываемое им сопротивление.

Номинальное напряжение. Данная характеристика светодиода напрямую зависит от его цвета, а последний параметр – от материала, выбранного для его изготовления и включения в его состав различных добавок.

Инфракрасное свечение характерно для арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия галлия (AlGaAs). В этом случае при силе тока в 20 мА диапазон напряжения составляет 1,1-1,6 В, а типовое значение напряжения – 1,2 В.

Красный, оранжевый и желтый цвета диода достигаются благодаря твердым растворам арсенида-фосфида галлия (GaAsP), фосфида галлия (GaP) и фосфида алюминия-галлия-индия (AlInGaP). Диапазоны напряжения при той же силе тока 20 мА составляют:

• красного светодиода – 1,5-2,6 В;
• оранжевого светодиода – 1,7-2,8 В;
• желтого светодиода – 1,7-2,5 В.

Типовое значение напряжение всех цветов равно 2,0 В.

Зеленый светодиод получают благодаря материалам фосфида галлия (GaP) и нитрида индия-галлия (InGaN). При тех же номинальных 20 мА диапазон напряжения составит 1,7-4,0 В, а типовое значение напряжения – 2,2 В.

Голубой оттенок диода позволяют получить бинарное соединение цинка и селена – селенид цинка (ZnSe) и нитрид индия-галлия InGaN. Для этого цвета при силе тока в 20 мА диапазон напряжения определяется в рамках 3,2-4,5 В, типовое значение напряжения составляет 3,6 В.

Для получения белого света используют синие или ультрафиолетовые диоды с покрытием из люминофора либо сочетание трех светодиодов основных цветов (красный, синий, зеленый). Их параметры напряжения при силе тока в 20 мА колеблются в пределах от 2,7 до 4,3 В, типовое значение напряжения соответствует 3,6 В.

Мощность потребления светодиодов. Данный параметр необходим для выбора блока питания электроприбора, оснащенного определенным количеством светодиодов.  У каждого светодиода она индивидуальна и колеблется в диапазоне от 0,5 до 3,0 Вт.

Цветовая температура светодиода. Эта характеристика измеряется в Кельвинах (К) и имеет несколько показателей. Основное разделение представлено такими оттенками свечения:

• от 2700 К до 3500 К – теплый свет;
• 3500-5300 К – нейтральный;
• 5300-7000 К – холодное свечение.

Светоотдача и угол свечения светодиода. Яркость (интенсивность светового потока) светодиода прямо пропорциональна протекающему через него электрическому току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость светодиода. Единицей измерения светового потока служит люмен (лм).

Световая отдача источника света (светоотдача) – отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. Измеряется светоотдача в люменах на ватт (лм/Вт). Она является показателем эффективности и экономичности источников света.

Сила и угол светового потока светодиода могут варьироваться, т.к. имеют зависимость от формы и материала, выбранных для изготовления светового прибора. Однако величина угла не может превышать 120 градусов. Для увеличения угла рассеивания могут применяться специальные линзы и/или отражатели. Так, при правильном подборе подобных устройств, увеличить силу светового потока светодиода мощностью в 3 ватта возможно до 300-350 люменов.

Филаментные лампы

Филаментный источник света внешне напоминает лампу накаливания, но конструктивно остается светодиодным изделием. В таком случае пропадает необходимость в отводе тепла, но применение устройств в бытовой сфере связано с исключительно эстетическими соображениями.

Основной элемент филаментного прибора — светодиодная нить. В зависимости от количества таких нитей производят изделия разной мощности. Филамент — тонкий стержень из стекла, на поверхности которого имеются SMD-диоды. Верхняя часть покрывается люминофором, дающим желтый оттенок. Для отвода тепла применяют стеклянную колбу, внутренняя часть которой заполняется газом.

Из-за отсутствия места для драйвера внутри производители размещают низкокачественный модуль питания. Это повышает пульсацию, негативно сказывающуюся на зрительных органах. Для избавления от мерцания между цоколем и колбой добавляется пластиковое кольцо с качественным драйвером.

Схемы светодиодных источников света

Схема светодиодной лампы может быть полезна тем, кто задумал сделать такой осветитель своими руками.

Понадобятся:

• цоколь от ненужной лампочки;
• светодиоды;
• и схема питания.

Простая схема источника питания светодиодной лампы

На входе конденсатор C1 пропускает напряжение на диодный мост. Параллельно установлен резистор для ограничения тока подачи. За диодным мостом впаян фильтр из конденсатора C2. Резисторы R2 и R3 нужны для разряда конденсаторов после выключения.

Для защиты конденсатора установлен шунт из стабилитронов VD2, VD3, защищающий конденсатор от пробоя. Параллельно стабилитрону располагаются 20 светодиодов.

Устройство и принцип работы

Конструкция светодиодной лампы довольно сложная. Рассмотрим ее строение и назначение основных элементов.

Источником света в светодиодной лампе является светоизолирующий диод, состоящий из полупроводникового кристалла, имеющего два вывода (катод и анод) и оптической системы. Далее по тексту будет использована аббревиатура СД или LED.

Рассмотрим принцип работы светодиодной лампы. При прохождении электрического тока через полупроводник в прямом направлении, носители заряда (электроны и дырки) осуществляют рекомбинацию. В результате этого происходит оптическое излучение фотонов (из-за перехода электронов на другой энергетический уровень).

Также в лампе находится драйвер (специальная микросхема), который обеспечивает питание светодиода. Радиатор (система охлаждения) собирает и выводит излишнее тепло. Рассеиватель минимизирует потери света.

На схемах светодиоды условно обозначаются как диоды со стрелками, которые обозначают оптическое излучение (рис. 2).

Схематическое изображение светодиода

Способы сборки

Светодиодные лампы можно разделить на несколько категорий по способу сборки:

• Dip (dual inline package). Это самая старая и простая конструкция. Представляет собой светодиод, расположенный в защитном цилиндрическом корпусе, с двумя или более выводами. Светят ярко, различаются широкой цветовой гаммой и малым нагревом. Бывают одноцветные и многоцветные.
• Пиранья. Эти приборы отличаются высоким световым потоком. Выполняются прямоугольной формы с 4 выводами. По сравнению с предыдущими, пиранья прочно устанавливается на плату. Имеет свинцовую подложку, которая увеличивает теплопроводность. Работает в широком температурном диапазоне.
• SMD. Это светодиоды с мощностью 0,01 – 0,2 Вт, отличающиеся наличием нескольких кристаллов на одной керамической подложке. Корпус покрывается люминофором. К минусам можно отнести невозможность ремонта. Если сломается хотя бы один светодиод в группе, придется заменять всю плату.
• COB. Одна из самых надежных технологий изготовления диодов. Полупроводниковый кристалл крепится на плату без корпуса и подложки и покрывается люминофором. Отличаются высокой мощностью и небольшой площадью свечения.

Самой распространенной технологией является COB.

История возникновения

Строение светодиода Устройство и принцип работы светодиодных излучателей проще понять, если ознакомиться с предысторией их возникновения. Впервые это излучающее изделие появилось на свет в 1962 году в виде монохромного диода красного свечения. Несмотря на целый ряд недостатков, технология его изготовления была признана перспективной. Спустя десятилетие после демонстрации красного образца широкой публике были представлены зеленые и желтые светодиоды. Из-за невысокой отдачи эти изделия в основном применялись в пределах дома в качестве индикаторов на лицевых панелях бытовых электронных приборов.

Со временем интенсивность свечения увеличили в несколько раз, а в 90-х годах прошлого века удалось сделать образец со световым потоком, равным 1 люмену. В 1993 году японским инженером С. Накамурой был создан первый в истории синий диод, отличающийся повышенным уровнем светимости. С этого момента их разработчики научились получать любой цвет видимого спектра, включая белый.

Благодаря замечательным характеристикам светодиодных изделий, они со временем составили серьезную конкуренцию привычным для многих лампочкам накаливания.

Принцип действия светодиодных ламп

В работе светодиодных ламп используются физические процессы, которые значительно сложнее тех, что применяются в обычных лампах накаливания с металлической нитью. Суть явления заключается в появлении светового потока в точке соприкосновения двух веществ из разнородных материалов, после того как через них пропущен электрический ток.

Основной парадокс заключается в том, что каждый из используемых материалов, не является проводником электрического тока. Они относятся к категории полупроводников и способны пропускать ток лишь в одну сторону при условии их соединения между собой. В одном из них должны обязательно преобладать отрицательные заряды – электроны, а в другом – ионы с положительным зарядом. Кроме движения электрического тока, в полупроводниках происходят и другие процессы. При переходе из одного состояния в другое происходит выделение тепловой энергии. Путем экспериментов удалось найти такие сочетания веществ, у которых наряду с выделением энергии появлялось световое излучение. В электронике все устройства, пропускающие ток лишь в одном направлении стали называться диодами, а те из них, которые обладают способностью испускать свет, стали называться светодиодами.

В самом начале испускание фотонов полупроводниковыми соединениями охватывало только узкую часть спектра. Они могли испускать только красный, желтый или зеленый свет, с очень низкой силой свечения. Поэтому в течение длительного времени светодиоды использовались только в качестве индикаторных ламп. К настоящему времени были получены такие материалы, соединения которых позволили значительно расширить диапазон светового излучения и охватить практически весь спектр. Тем не менее, длина каких-то волн всегда преобладает в свечении. Поэтому светодиодные лампы разделяются на источники холодного света – синего и теплого свечения – преимущественно красного или желтого.

Производство

По размеру выручки лидером является японская «Nichia Corporation».

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение «Lumileds Lighting», а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании «Nichia Corporation», где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: «Cree», «Emcore Corp.», «Veeco Instruments», «Seoul Semiconductor» и «Germany’s Aixtron», занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Яркие светодиоды на подложках из карбида кремния производит американская компания «Cree».

Крупнейшими производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения. «Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением. Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод «Samsung Electronics» в Калужской области.

Как устроены такие лампы

В составе классической светодиодной лампочки присутствуют:

• цоколь и несущий корпус;
• блок питания;
• рассеивающая линза из пластика;
• драйвер;
• чипы;
• радиатор для отвода тепла;
• печатная плата.

Конструкция светодиодной лампы.

Форма может быть стандартной, то есть округлой или цилиндрической. Для системы общего пользования рекомендуется выбирать светильники, чья цветовая температура находится на уровне 2700 К, 3500 К. В градации спектра допустимы любые значения. Подобные изделия часто используют, чтобы подчеркнуть элементы интерьера или рекламными агентствами, чтобы подсветить баннер.

Схема работы филаментной лампы

Как работает вся эта схема? После подачи напряжения ток поступает на цоколь
светильника (его нижний контакт).

Проходя через предохранитель (F1), он выпрямляется диодным мостом (DB1). Из переменного тока мы получаем постоянный.

Далее вступают в дело конденсаторы (С1-С2) и дроссель (L1). Они сглаживают ток.

Дойдя до микросхемы (U1), он опять проходит преобразование и превращается в высокочастотные импульсы, которые сглаживаются конденсатором. Пробежав всю эту цепочку, ток наконец проходит через светодиоды филаментов и возвращается обратно в сеть.

Стабилизация тока, протекающего через филаменты, происходит через микросхему регулятора с помощью измерительного сопротивления (RS1).

Что такое OLED?

OLED – это органические полупроводниковые светодиоды, которые производятся из органических компонентов, которые светятся при прохождении электрического тока. Для их производства применяются многослойные тонкоплёночные структуры из различных полимеров. Принцип действия таких светодиодов также базируется на p-n-переходе. Преимущества OLED проявляются в сфере дисплеев – по сравнению с жидкокристаллическими и плазменными аналогами они выигрывают по яркости, контрастности, энергопотреблению и углам обзора. Технология OLED не используется для производства осветительных и индикаторных светодиодов.

Виды светодиодов по назначению

По сфере применения светодиоды делятся на 2 группы: индикационные и осветительные. Оба вида могут быть разноцветные (с тремя кристаллами). Существуют так же диоды, излучающие ультрафиолетовый и инфpaкрасный свет.

Индикаторные светодиоды отличительные особенности

Индикаторные светодиоды используются для подсветки и индикации панелей и
дисплеев электроприборов, изготовления
световых табло, игрушек, елочных украшений. По форме они прямоугольные,
овальные или круглые, самые популярные имеют диаметр 3-10 мм, мощность до
0,2 Вт, яркость умеренная.

Индикаторные диоды делятся на:

• DIP – цилиндрические, одно- и многоцветные с углом рассеивания 20 градусов;
• Super Flux «Piranha – с прямоугольным корпусом, могут крепиться на плате, температура свечения разная, угол рассеивания 40-120 градусов, предназначены для использования на трaнcпортных средствах и вывесках;
• Straw Hat – с большим радиусом линзы и небольшой высотой, угол рассеивания 100-140 градусов.

По типу кристаллов индикаторные изделия
бывают:

• двойные
  (фосфор и галлий), цвет оранжевый или зеленый;
• тройные
  (галлий, мышьяк, алюминий), цвет желтый или оранжевый;
• тройные
  (фосфор, мышьяк, галлий), цвет желто-зеленый или красный.

Осветительные светодиоды отличительные особенности

Назначение осветительных диодов – стать частью приборов освещения различного назначения (лент, ламп, фар, прожекторов, ручных фонариков). Большинство изделий этого вида обладают сравнительно большой мощностью и излучает белый свет.

К этой группе относятся:

• все
  СМД-диоды на медной или алюминиевой подложке с углом рассеивания 100-130
  градусов;
• COB-диоды
  с большим количеством кристаллом и мощным потоком света;
• Filament
  LED со спектром свечения, близким к лампам накаливания.

Особенности устройства LED ламп

Современные LED-лампы устроены сложнее, чем их предшественники с нитью накаливания. Для работы светодиодов необходим ряд электронных компонентов, которые расположены на печатной плате.

Все элементы конструкции компактно спрятаны внутри корпуса. Сами же источники света занимают минимальное количество места в светильнике.

Слабым местом недорогих LED-ламп являются конденсаторы, низкое качество которых приводит к пульсации света. Кроме того, они могут сгореть раньше самих светодиодов

Конструкция стандартной LED-лампы включает такие компоненты:

1. Рассеиватель света из пластика. Способствует равномерному распределению светового потока во всех направлениях вокруг лампы.
2. Печатная плата с конденсаторами, преобразователями напряжения и другими электронными компонентами.
3. Светодиоды. Их количество и рабочее напряжение находится в строгом соответствии со встроенной электронной схемой.
4. Алюминиевый радиатор, предназначенный для отвода тепла в мощных лампах.
5. Вентиляционные щели, обеспечивающие пассивное охлаждение платы и светодиодов.
6. Цоколь, с помощью которого лампа крепится в светильнике.

Таким образом, светодиодная лампа – это прибор со сложным внутренним устройством. Она требовательна к внешней температуре и параметрам электросети.

Диод в цепи постоянного тока

Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.

прямое включение диода

Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.

диод в прямом включении

Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.

обратное включение диода

Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.

обратное включение диода

Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.

Как определить полярность светодиода

Определение полярности светодиода по внешнему виду

Все светодиоды на 12 вольт (белые, красные, синие и других цветов) имеют анод и катод (полярности). Их нужно учитывать при подключении LED. Определить полярности можно одним из способов:

• По конструкции. Одна из ножек на цоколе лампочки всегда длиннее на несколько мм. Это и есть анод. Он маркируется значком « » или зеленой точкой.
• По чаше внутри колбы. Если внимательно присмотреться, на ней можно увидеть два кристалла. Больший обозначает катод. Меньший — анод.
• С использованием мультиметра. Для этого устройство нужно выставить в режим «Прозвонка». Затем щупы аппарата подводят к катоду и аноду. К первому — черный, ко второму — красный. При правильном их расположении лампочка должна светиться. Если этого не произошло, значит, мастер неправильно определил « » и «-». Нужно изменить положение щупов. Если и это не помогло, светодиод просто неисправен.

Как устроенны светодиодные лампы?

Конструктивно, светодиод включает располагающиеся по противоположным сторонам излучающего кристалла катод с анодом. Кристалл легируется с одной стороны акцепторной примесью, с другой — донорской. Располагается он на подложке, выполняемой из различных материалов — кремния и пр. или же внутри колбы из стекла.

Все различия между светодиодными светильниками основаны исключительно на форме плафонов, потребляемой мощности, световой и цветовой отдаче, сам принцип работы светодиодных ламп не меняется. Стандартно для них используется напряжение в 4В, 12В и в 220В.

Принцип работы светодиодных ламп основан на получении светового излучения из светодиодов при пропускании через эти элементы электрического тока. Устройства могут использоваться поодиночке или же объединяться в группы в различном количестве. В последнем случае в осветительный прибор встраивается специальная управляющая их работой микросхема.

Также в конструкцию светодиодных светильников включается преобразователь тока из электросети в рабочий, параметры которого могут значительно различаться. Собственно светодиод является образчиком полупроводникового аналогового элемента. Свою «карьеру» это устройство начинало как средство индикации в микроэлектронике.