Принцип работы светодиодной лампы. Устройство светодиодных ламп и принцип работы

Принцип работы светодиодной лампы. Устройство светодиодных ламп и принцип работы

Наверняка в наше время нет таких людей, которые ни разу не сталкивались со светодиодами. Ведь сейчас они повсюду – их используют и для простых фонариков, и для ламп домашнего освещения, и для фонарных столбов на улицах, и для автомобилей, и даже для чайников с подсветкой. И это не удивительно, ведь на данный момент более экологичного и энергосберегающего, да к тому же еще и столь компактного вида осветительных приборов не существует.

Конечно, почти каждый видел свечение работающего LED-компонента и знает, что такое светодиод, но очень многие даже представления не имеют, как устроен этот элемент освещения. А ведь такие знания могут пригодиться, и потому имеет смысл попытаться разъяснить устройство светодиода и принцип его работы, рассказать о существующих в наше время видах и модификациях.

Вообще начало этим компактным световым элементам было положено в середине прошлого столетия и применялись они лишь для индикации подсветки в различных приборах, т. к. свет их был не очень ярким, можно сказать, даже тусклым. Однако все изменилось в конце ХХ века с появлением синего светового диода, а уже после появились яркие элементы подобного типа зеленого, желтого и белого цвета.

Светодиод представляет собой миниатюрный световой прибор в корпусе из литого пластика различных цветов с двумя и более контактами на основе кристалла. На сегодняшний день это довольно распространенный вид освещения.

Кто-то может сказать, что в эти дебри не стоит и лезть, что это все очень сложно, но на самом деле светодиоды просты, как все гениальное, и понять, как работает светодиод, не составит труда. Итак, приступим.

Классификация светодиодов

Классифицируют светодиоды по многим характеристикам, но основной из них является небольшая технологическая разница в устройстве, которая вызвана различием по электрическим параметрам, равно как и областью использования осветительного прибора на кристаллах. А из чего состоит светодиод, можно увидеть на картинке выше.

Различают несколько конструкций светодиодов в зависимости от того, как он устроен.

DIP

Имеет корпус в виде цилиндра на два контакта. Это первый из изобретенных светодиодов. Сама его оболочка из эпоксидной смолы, закругленная сверху, работает как линза, направляя световой поток в нужном направлении. Выводные контакты утапливаются ножками в специальные отверстия печатной платы и припаиваются. Сам излучатель располагается на катоде, имеющем форму флажка и присоединенном к аноду тонким проводком.

Различные модификации могут иметь и два, и три кристалла различных цветов, объединенных одним корпусом с двумя-четырьмя выводами. К тому же некоторые могут быть оборудованы и встроенным микроконтроллером, который управляет режимами включения или задает время мерцания кристаллов.

Подобные DIP-элементы являются слаботочными. Используют их в основном, как индикаторы или в качестве световых элементов гирлянд.

DIP-светодиод

Конечно, как и любой прибор, его пытались усовершенствовать с целью наращивания светового потока, в результате чего был произведен более высокотехнологичный светодиод в том же корпусе на четыре вывода. Такая конструкция светодиода была названа «пиранья».

Но увеличившийся световой поток привел, естественно, и к увеличению элемента, и к нагреву кристаллов, в результате этого «пиранья» не получила широкого применения. Ну а при появлении на рынке радиоэлектроники SMD-компонентов, имеющих другое строение, смысл в производстве подобных светодиодов и вовсе пропал.

SMD

Данный компонент на кристаллах отличен от предыдущего в первую очередь тем, что его монтаж производится непосредственно на поверхность печатной платы. По сути, его изобретение произвело прорыв в данной области. И если при монтаже DIP-светодиодов можно был крепить элементы лишь только по одной стороне платы, т. к. токопроводящие дорожки находились на другой, то с приходом SMD-компонентов появилась возможность монтировать двухсторонние печатные платы.

Это, вкупе с более мелкими габаритами элементов, позволило значительно снизить размеры приборов на их основе и полностью автоматизировать процесс сборки печатных плат.

На сегодняшний день подобные светодиоды являются самыми востребованными и используются для изготовления различных световых приборов. Основание корпуса SMD-светодиода, сверху которого закреплен кристалл, служит ему также и радиатором. К тому же слой люминофора между линзой и полупроводником (от чего зависит цвет светодиода) может иметь различный состав и позволяет нейтрализовать излучение ультрафиолета.

SMD-светодиод

Есть и такие SMD-светодиоды, у которых нет линзы. Такой элемент выпускается в форме прямоугольника или квадрата и имеет более широкий угол излучения.

СОВ (Chip-On-Board)

Расшифровка названия данного компонента в переводе с английского звучит как «чип на доске». Новейшая разработка, которая, скорее всего, очень скоро станет лидером среди светодиодов в создании искусственного освещения.

Отличаются подобные компоненты тем, что на алюминиевом основании (подложке) посредством диэлектрического клея закрепляется не один, а множество кристаллов, не имеющих корпусов, а после готовая матрица покрывается полностью люминофором.

В итоге получившийся таким образом светодиод равномерно распределяет световой поток, исключающий тенеобразование.

Существует и СОВ – это компоненты, созданные по технологии COG (Chip-On-Glass, что означает «чип на стекле»). Кристаллы здесь размещены не на алюминиевой подложке, а на стеклянной. Как раз на основе светодиодов, созданных по такой технологии, появилась возможность производства довольно известных филаментных ламп, которые работают от сети с напряжением 220 вольт. Излучателем в них служит стержень из стекла с кристаллами, на которые нанесен слой люминофора.

СОВ-светодиод

Принцип действия светодиода

Независимо от описанных технических классификаций принцип работы всех без исключения светодиодов основан на излучающем элементе. Кристалл, который является по своей сути полупроводником, имеющим различные типы проводимости, преобразует электрический ток в свечение. N-проводимый материал получается при помощи легирования электронами, ну а p-проводимый – дырами. В итоге происходит создание новых носителей заряда с противоположной направленностью.

В результате, когда подается прямое напряжение, электроны, как и дыры, начинают движение в сторону p-n-перехода. При преодолении барьера заряженными частицами начинается их рекомбинация. В итоге это и создает возможность прохождения электрического тока. Ну а в процессе рекомбинирования электроны и дыры уже выделяют фотоны.

Применение подобного физического явления относится ко всем элементам, подпадающим под определение полупроводникового диода. Проблема в том, что пределы видимого спектра излучения расположены ближе длины фотонов. По этой причине учеными была проведена огромная работа над тем, чтобы упорядочить движение частиц, заставив их двигаться в промежутке от 400 до 700 нм.

Но зато после всех проведенных экспериментов появилось несколько новых соединений вроде арсенида галлия и фосфида галлия, ну и, конечно, их более сложных форм, которые имеют различную длину волн, т. е. цвет излучения.


Конечно же, при подобной работе по выделению света должно образовываться и тепло, хотя и в небольших количествах, ведь законы физики никто не отменял. По этой причине (ведь нагрев снижает производительность полупроводников) при установке светодиодов большой мощности появляется необходимость охлаждения, для чего и требуется радиатор. Роль такого охлаждающего элемента в СОВ, к примеру, и играет алюминиевое основание, на котором расположены кристаллы.

Спектры излучения

Современные светодиоды имеют шесть основных спектров, т. е. их свечение может быть желтым, зеленым, красным, синим, голубым и белым. И самым сложным для ученых оказалось создание голубого светового элемента на кристаллах.

Вообще частота исходящих от светодиодов излучений лежит в узком направлении. Опираясь на все данные, ее можно назвать монохромной. И естественно, что она имеет кардинальное отличие от частоты солнечного излучения или ламп накаливания.

Уже не первый год ведутся споры по поводу влияния подобного излучения на зрение человека, равно как и на весь организм в целом. Но проблема заключается в том, что все подобные дискуссии так до сих пор ни к чему и не привели, потому как нет ни одного документального доказательства о проведении исследований в этой области.

Преимущества

Если рассматривать преимущества светодиодов, то их наберется весьма значительное количество.

Во-первых, они очень экономичны в плане расхода электроэнергии. На сегодняшний день нет световых приборов, которые могли бы с ними соревноваться по этому параметру. Причем это никак не отражается на силе светового потока, излучаемого элементами на кристаллах.

К экономичности можно отнести и срок службы подобных LED-компонентов, т. к. частое приобретение приборов освещения негативно сказывается на финансовом состоянии. Если посмотреть на статистику, то светодиодные лампы приходится покупать в 10 раз реже, чем люминесцентные, а лампочки накаливания вообще меняются чаще в 35–40 раз. В то же время расход электроэнергии при использовании светодиодов в сравнении с «лампочкой Ильича» ниже на 87%!

Во-вторых, светодиодные лампы удобны и просты в подключении и не требуют при этом каких-то особых навыков. К тому же, к примеру, в тех же рекламных щитах при выходе из строя нескольких элементов не произойдет ничего страшного. На его работе это никак не отразится. Ну а при огромном сроке службы светодиодов решается и проблема их замены. А главное удобство – это то, что работать такие элементы могут практически при любой температуре.

В-третьих, это, конечно, их надежность. Ведь для того, чтобы расколоть лампу накаливания или люминесцентную трубку, не нужно прикладывать особых усилий. А вот со светодиодом придется повозиться. Эпоксидный корпус так легко не расколоть.

Нельзя обойти вниманием и эстетическую сторону данного вопроса, ведь возможность игры с цветом при применении этих источников освещения практически ничем не ограничена, кроме воображения, фантазии человека. Работу со светодиодами можно сравнить с искусством рисования художником своих полотен.

А потому, несмотря на то, что в наше время продажи подобных световых элементов пока не слишком внушительны, скорее всего, пройдет совсем немного времени, и светодиоды выйдут на первое место по этому показателю, вытеснив остальные виды освещения с прилавков магазинов электротехники.

Resize

Современные светодиодные светильники.

Многообразие использующихся сегодня разновидностей источников света не может не впечатлять.

В офисах, цехах, квартирах, учреждениях, можно встретить самые разнообразные системы освещения, отличающиеся не только мощностью, экономичностью, излучаемым спектром, сроками службы, но и использующие в работе различные физические принципы.

Какие преимущества у энергосберегающих ламп в пользу их выбора?

Сегодня все чаще на передний план выходят параметры экономичности в работе и долговечности, поэтому повышенное внимание уделяется светильникам, создающим яркое освещение, но при этом выделяющим минимальные количества тепла и потребляющим малые объемы электричества.

Кроме того, они демонстрируют малую чувствительность к перепадам параметров потребляемого электрического тока, выдерживают большое количество циклов «включение — выключение» и способны исправно прослужить весьма продолжительный срок.

В быту их именуют «энергосберегающими лампами», в этом названии отражено их коренное отличие от, долгое время использовавшихся монопольно, ламп накаливания.

Сегодня используется несколько их разновидностей. Однако, помимо перечисленных выше характеристик, имеются и другие, достаточно значимые при выборе наиболее подходящего типа источника освещения.

Среди таковых наличие или отсутствие мерцания и его частота, показатели экологической безопасности, необходимость использования выпрямителя тока и пр.

Основными разновидностями современных источников света служат традиционные лампы накаливания, газоразрядные светильники и светодиодные осветительные системы. Именно последние все истекшие десятилетия постоянно расширяли свои позиции на рынке систем освещения.

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.

Схема светодиодной лампы 220 В.


Схему светодиодной лампы 220 В можно использовать для лучшего изучения устройства и принципов работы светодиодных ламп в целом.
Обычно светодиодный светильник на 220 В (схему см. выше), применяется для систем промышленного и уличного освещения, а заменой бытовых электроламп накаливания выступают светодиодные лампы на 12 В. Но во избежание недоразумений, потребителям следует знать, что прямого соответствия мощности и светоотдачи между лампами накаливания не существует, соответствие мощностей нелинейное.

Светодиодные лампы уже давно и прочно вошли в наши дома. Мы постоянно их видим на прилавках на прилавках наших магазинов, рынках. Недавно мы научились правильно , в зависимости от производителя и . Но для полной картины необходимо понимать об устройстве светодиодных ламп и принципах работы. LED лампы выпускают в разных формах и под разное напряжение. Однако, устройство ламп как на 12 В так и светодиодных ламп на 220 В принципиально не различаются. Часто от обывателей приходится слышать вопрос: "Для чего мне это нужно?". Сейчас в стране огромное количество разнообразных светодиодных ламп на любой вкус, производителя и цены. Не факт, что приобретая твердотельный источник освещения Вы получите качество. Хорошо, если продукт отработает больше положенного срока, а если гарантия прошла и лампа перегорела, перестала светить? Что делать? Снова идти на рынок выбирать и без того недешевую лампу? Вряд ли... Ее надо ремонтировать. А знать устройство, схемы питания светодиодных ламп на 220 В, 12 В, чтобы с легкостью их ремонтировать - необходимо.

Основные составные части светодиодных ламп

Светодиоды, LED, LEDs;
- светодиодные драйверы;
- цоколь;
- корпус
- радиатор

Светодиоды, устанавливаемые в современных светодиодных лампах

Ранее, на заре становления твердотельного освещения, устройство светодиодных ламп не сильно различалось, в силу скудного наличия светодиодов. Самыми распространенными светодиодами были 3-5мм чипы. С течением времени большим спросом пользовались лампы с 10 мм светодиодами. Сейчас в светодиодные лампы монтируют сверхяркие светодиоды разнообразных типов. Наиболее распространены: , SMD3528, SMD5730, SMD2835, 3W, 1W, 5W сверхяркие светодиоды. О том, почему именно такие светодиоды популярны - углубляться не будем, так же как и об устройстве светодиодных чипов - об этом Вы узнаете, прочитав другие наши материалы.

Количество светодиодов в лампе может ограничиваться только фантазией производителя. Естественно, что их напаивают не просто так, а используют ряд расчетов, в которых учитывается оптимальный ток потребления. Напаиваются светодиоды на платы (текстолитовые или алюминиевые) и соединяют в группы, соединенные последовательно. Таких групп может быть большое количество. При последовательном соединении групп, ток через них будет проходить постоянный. У такого подключения есть один недостаток: как только выйдет из строя один светодиод, то перестает работать вся конструкция. Но вышедший из работы светодиод - не преграда для тех, кто на "ты" с паяльником и способен ремонтировать светодиодную лампу.

Платы для светодиодных ламп имеют разнообразную форму. От прямоугольной, до круглой и также ограничивается только "хотелками" производителя.







Платы для светодиодов

Драйверы для светодиодных ламп

Питание светодиодных ламп осуществляется при помощи постоянного напряжения к каждой группе светодиодов при помощи специального устройства - светодиодных драйверов. преобразуют входное напряжение в оптимальную величину питания каждой группы светодиодов.

Еще раз напомним, что соединение групп (плат) светодиодных ламп осуществляется последовательно. Стабилизированное напряжение по параллельной схеме очень редко, т.к. технически произвести это сложно. Наиболее распространены трансформаторные схемы драйверов. Посмотрим на некоторые из них:



Другие схемы подключения светодиодных ламп можно посмотреть

Драйверы могут быть как открытого типа, так и в корпусе. Располагаются драйверы или в корпусе ламп, светильников, или непосредственно в корпусе, если позволяет место.







Простые и дешевые драйверы необходимы для питания от стабилизированного напряжения. У таких моделей часто отсутствует токоограничивающий . Такие драйверы можно наблюдать в , где светодиоды подключаются непосредственно к аккумуляторной батарее.

В этом случае светодиоды получают завышенный ток и нередко быстро выходят из строя. Множество дешевых светодиодных ламп с драйверами без защиты от перенапряжения быстро выгорают.

Множество китайских экземпляров непонятного производства, для удешевления конструкции устанавливают простейший ограничитель тока на основе конденсатора, т.е. внутри мы можем увидеть токоограничивающий конденсатор, диодный мост и сглаживающий конденсатор. Лампы с такими "драйверами" стоит обходить стороной. Они не только не экономят Вам энергию должным образом, но и негативно влияют на Ваше здоровье. Чем же это так плохо, прочитать в .



Схема простейшего "драйвера"

Фото простейшего "драйвера" светодиодных ламп

Дорогие и качественные светодиодные драйверы практически не выделяют тепло. Дешевые наоборот. И такие потери в драйверах сопоставимы с выделением тепла от ламп накаливания, что делает абсолютно бессмысленным замену обычного освещения на светодиодное.

Цоколь светодиодных ламп

Большинство LED ламп в наших квартирах оснащены цоколем Е27 - это обычный патрон ламп накаливания. Также не плохо пользуются спросом и цоколи Е14, для настенных светильников и ночников.

У зарубежных потребителей в основном используются патроны Е26 - у них цоколь больше и другой шаг резьбы. Иностранные сети рассчитаны на питание 110 В и лампы рассчитываются под это напряжение.

Корпус светодиодной лампы

Особенность корпуса светодиодных источников света от ламп накаливания - не обязательное создание герметичных колб и отсутствие газовой среды. Хотя, с 2015 года особую популярность набирают филаментные filament лампы, которые полностью повторяют устройство лампы накаливания и им необходима газовая среда. Такие лампы намного ярче своих "собратьев" при том же потреблении энергии. Устройство филаментных ламп Обзор недорогой и яркой филаментной лампы Ideal китайского производства



У обычных светодиодных ламп колба закрывается или поликарбонатным пластиком или стеклом. Светопропускаемость немного падает, особенно, если колба матовая, но это уже издержки производства.



Светодиоды очень боятся перегрева. Поэтому для долгой их службы необходим хороший отвод тепла. Помимо того, что платы в последнее время выполнены на алюминиевой пластине - этого недостаточно. И в дорогих экземплярах устройство светодиодных ламп подразумевает установку дополнительного радиатора. В зависимости от используемых светодиодов радиаторы используют разных размеров, но не менее 10 кв.см на 1 светодиод. Добиться при таких условия минимальных размеров лампы проблематично, поэтому производители часто экспериментируют с оребрением и другими свойствами алюминия.

Установка дополнительных радиаторов также увеличивает стоимость конечного продукта.



Устройство светодиодных ламп, компоновка составных частей

Устройство светодиодных ламп у всех производителей отличается. От предназначения ламп, но общий принцип остается одинаковым: монтаж ведется от цоколя в следующей последовательности - светодиодный драйвер, радиатор, плата со светодиодами, колба.

Посмотрим устройство светодиодных ламп некоторых производителей:



Здесь мы видим: пластиковый "цоколь", полноценный драйвер, алюминиевый корпус (он же выполняет роль радиатора), в нем установлена плата со светодиодами, линза. Стоит отметить, что лампы с такими линзами имеют наибольшую светоотдачу.

Устройство лампы Gauss:



Здесь мы также видим пластиковый цоколь, полноценный драйвер, алюминиевый корпус (он же радиатор), алюминиевая плата со светодиодами. Такое устройство лампы также подразумевает, что она прослужит достаточно долго.

Сегодня мы рассмотрели устройство светодиодной лампы и принцип ее работы. Конечно, этого не достаточно для выбора хорошей, долговечной лампы. Нужно еще знать характеристики LED ламп, разбираться в брэндах и понимать, какое освещение Вы хотите получить. По началу это кажется достаточно сложно, но если набраться терпения и потратить не много времени, то можно больше не "париться" по поводу как устроена светодиодная лампа, принципе ее работы и по каким характеристикам стоит их .

Одной из основных причин, почему на правительственном уровне было обращено внимание на необходимость замены ламп накаливания светодиодными, является экономия электроэнергии. Но это не единственное их достоинство.

Преимущества светодиодов

Говоря об обычных лампах, люди сразу вспоминают о том, что они недолговечны. Правда, цена на них вполне приемлемая, а замена одного освещающего элемента другим чрезвычайно проста. Но не все знают, что, например, люминесцентные осветительные приспособления еще и вредны из-за постоянного мерцания, которое становится причиной раздражительности и повышенной утомляемости человека.

Лампочка светодиодная создана по другой технологии. Она вырабатывает свет, близкий к дневному. Это обеспечивает больший комфорт для глаз человека. Помимо удобства, также важна и экономия. Потребление электроэнергии в светодиодных лампах практически в 10 раз меньше, чем в обычных. Кроме того, они более долговечны.

Такие осветительные приборы предпочтительнее устанавливать в охраняемых помещениях, так как они не создают помех для камер ночного видения и других устройств.

Немаловажно и то, что лампочка светодиодная практически не греется. Благодаря этому у нее отсутствует тепловое излучение, и она является пожаробезопасной. К достоинствам можно отнести и то, что такие осветительные приспособления не требуют специальной утилизации.

Классификация

Сейчас производители выпускают разные светодиодные лампочки для дома. Они различаются по форме, способу вкручивания и мощности. Так, в продаже можно найти варианты с обычным цоколем, заменители для галогенных или люминесцентных ламп.

Каждая лампочка светодиодная должна проработать не менее 40-50 тыс. часов. В пересчете это получится 6 лет непрерывного освещения. При условии, что она будет работать около 8 часов, ее может хватить более чем на 15 лет. Преимущества становятся очевидными, если учесть тот факт, что привычные лампы накаливания рассчитаны на 1 тыс. часов работы, а люминесцентные - не более чем на 15 тыс.

Производители предлагают как обычные варианты для дома, рассчитанные на напряжение 220 вольт, так и автомобильные экземпляры, для которых достаточно двенадцати. Практически все изготовители дают на свою продукцию двухлетнюю гарантию.

Принцип работы

Говоря о том, почему лампочка светодиодная предпочтительнее, надо разобраться, как именно она функционирует. Современные технологии позволили сделать так, что 90% тока преобразовывается в них в свет. В то время как в обычных лампах накаливания этот показатель составляет всего 5%, в люминесцентных вариантах - 25%.

Это достигается благодаря специальной технологии производства светодиодов. Они состоят из нескольких прослоек, в которые входит сапфировая подложка, буферный Gan, токопроводящий n-GaN, активный InGaN, еще один токопроводящий p-GaN слои. Также в каждый светодиод включен анод и катод. Активная часть состоит из тонких слоев полупроводников n- и p-типов. Это все позволяет преобразовывать электроны в фотоны. Правда, достигнуть 100% конверсии не под силу даже этой технологии.

Но для получения белого света необходимо его преобразование из других спектров, а это влечет за собой повышение себестоимости. Конечно, такие светодиодные лампочки для дома достаточно дороги. Но если высчитать себестоимость часа работы, то окажется, что они в разы экономичнее привычных ламп накаливания.

Лучшие варианты


Если выбирать наиболее оптимальный вариант освещения, то желательно обратить внимание не на продукцию безымянных китайских производителей, а на зарекомендовавшие себя компании. На отечественном рынке можно найти лампы «Оптоган». Также в продаже часто встречается продукция российских производителей Radiy и SvetaLED. Кроме того, лучшие светодиодные лампочки выпускают такие компании, как Maxus, Intelite, Geen, Electrum, Delux, Eurolamp.



top