Как работает диодная лампа

Вопросы снижения потребляемой электроэнергии решаются не только на государственном уровне. Эта проблема актуальна и для рядовых потребителей. В связи с этим, в квартирах, офисах и других учреждениях, начинают широко внедряться не только мощные, но и экономичные источники света. Среди них все более широкое распространение получают светодиодные лампы. Устройство и принцип работы светодиодной лампы позволяет использовать ее со стандартным патроном и подключать в электрическую сеть напряжением 220 В. Для того чтобы сделать правильный выбор, нужно знать основные преимущества и особенности современных источников света.

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.

Устройство светодиодных источников света

Внешний вид светодиодных ламп практически не отличается от традиционных источников света с металлической нитью накаливания. Они оборудованы стандартным цоколем с резьбой, что позволяет использовать их с обычными патронами и не вносить изменений в электрооборудование помещений. Однако светодиодные лампы существенно отличаются сложным внутренним устройством.

В их состав входят контактный цоколь, корпус, выполняющий функцию радиатора, плата питания и управления, плата со светодиодами и прозрачный колпак. Планируя использование светодиодных ламп в сети 220 В, следует помнить, что они не смогут работать с таким током и напряжением. Для того чтобы исключить перегорание светильников, в их корпусах устанавливаются платы питания и управления, снижающие напряжение и выпрямляющие ток.

Устройство такой платы оказывает серьезное влияние на срок эксплуатации лампы. В некоторых моделях перед диодным мостом устанавливается лишь резистор, а в некоторых случаях недобросовестные производители обходятся без него. В результате, лампы дают очень яркое свечение, но очень быстро сгорают из-за отсутствия стабилизирующих устройств. Поэтому качественные светильники непременно оборудуются стабилизаторами, например, балластными трансформаторами. В наиболее распространенных управляющих схемах используются сглаживающие фильтры, в состав которых входит конденсатор и резистор. В наиболее дорогих моделях в блоках управления и питания используются микросхемы.

Каждый отдельно взятый светодиод излучает довольно слабый свет. Поэтому для достижения нужного светового эффекта, группируется необходимое количество элементов. С этой целью используется плата, изготовленная из диэлектрического материала, с нанесенными токопроводящими дорожками. Примерно такие же платы применяются в других электронных устройствах.

Светодиодная плата является еще и понижающим трансформатором. С этой целью все элементы включаются последовательно в общую цепь, и сетевое напряжение равномерно распределяется между ними. Единственным существенным недостатком такой схемы является обрыв всей цепочки в случае перегорания хотя-бы одного светодиода.

Защиту всей лампы от попадания влаги, пыли и других негативных воздействий обеспечивает прозрачный колпак. Некоторые свойства колпака позволяют усилить общее свечение. Дело в том что его внутренняя сторона покрыта слоем люминофора, который начинает светиться под действием энергии квантов. Поэтому снаружи поверхность колпака выглядит матовой. Люминофор обладает более широкий спектр излучения, в несколько раз превышающий аналогичный показатель у светодиодов. В результате, излучение становится сравнимо с естественным солнечным светом. Без такого покрытия светодиоды оказывают раздражающее действие на глаза, вызывая усталость и болевые ощущения.

Лучше всего изучать полезные качества, устройство и принцип действия светодиодных ламп на схемах при напряжении электрической сети 220 вольт. Чаще всего такие светильники применяются в промышленном и уличном освещении, а в бытовых условиях традиционные источники света заменяются светодиодными лампочками, работающими при низком напряжении, в основном от 12 вольт. Однако мощность лампы и ее светоотдача не имеют прямой зависимости между собой. Этот фактор следует учитывать при выборе светодиодных светильников.

Читайте также:  Как подключить подсветку икеа

В светодиодных лампах, рассчитанных на 220 вольт, в схеме отсутствует трансформатор. В связи с этим возникает дополнительная экономия при эксплуатации таких светильников. Данная особенность отличает их от светодиодных ламп с другими мощностями. Поэтому выбор светильников происходит не по мощности, а по степени освещенности, создаваемой ими.

Преимущества светодиодных ламп

В настоящее время большое значение придается экономичной и долговечной работе осветительных приборов. Поэтому на первый план выходят светильники, создающие яркое освещение с выделением минимального количества тепла и небольшим энергопотреблением. Они обладают низкой чувствительностью к перепадам тока и напряжения, могут выдерживать большое количество включений и выключений.

Всеми этими качествами в полной мере обладают светодиодные лампы. Они имеют несколько разновидностей, отличающихся по конструктивным и техническим характеристикам, что позволяет выбрать наиболее подходящий вариант. Все лампы отличаются наличием или отсутствием мерцания, степенью экологической безопасности, необходимостью в использовании выпрямителей тока и других дополнительных приборов.

По сравнению с обычными лампами накаливания устройство светодиодной лампы с технической точки зрения сложнее. Если для первых используется прозрачный стеклянный корпус, то в случае со вторыми разглядеть что-либо находящееся внутри не выйдет. Для того чтобы узнать, из чего состоит такой источник света, необходимо разобрать его на части.

Общее устройство светодиодных лампочек, независимо от производителя, практически идентичное (с небольшими отличиями). Ассортимент стандартных изделий с цоколем E14 или E27 делится на три категории — фирменные, низкосортные китайские и филаментные.

Низкокачественные китайские лампочки

При разборе фирменной лампы можно обнаружить все необходимые для надежности и долговечности конструктивные элементы. Но если заглянуть под корпус дешевого китайского изделия, то первое, чего вы не обнаружите — радиатор и драйвер.

Драйвер обычно заменяют блоком питания с неполярным конденсатором, неспособным стабилизировать ток на выходе. Устанавливают такой блок в центр платы с диодами. Если взглянуть на нее сверху, то можно увидеть диодный мост с резисторами, снизу — два конденсатора. Это позволяет существенно уменьшить стоимость и качество изделия.

Для охлаждения прибора в корпусе проделывают небольшие отверстия. Эффективность низкая, кристаллы очень быстро перегорают. Плата установлена на пластиковом корпусе и закреплена защелками. Для соединения с цоколем используют два спаянных провода.

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.

Принцип действия светодиодных ламп

Принцип работы этих приборов построен на сложных физических процессах. При подаче электрического тока происходит соприкосновение двух веществ, изготовленных из разносортных материалов. Это приводит к образованию светового потока.

Парадоксальность системы связана с тем, что ни один из материалов, используемых для изготовления двух веществ, не относится к проводникам электрического тока. Это полупроводники, способные пропускать ток только в одном направлении. Поэтому при подключении светодиодов важно соблюдать полярность. Один материал наделен отрицательными электронами, а другой — положительными ионами.

Также в полупроводниках активизируются иные процессы. В момент смены состояния выделяется тепловая энергия. Экспериментальным методом изобретатели нашли нужное сочетание веществ, при котором помимо энергии появляется и световое излучение.

Все приборы, которые пропускают ток в одном направлении, называются диодами. Светодиоды — диоды, способные выделять световой поток.

Первые LED-диоды излучали свет в узком спектре — красном, желтом или зеленом. При этом сила свечения была минимальной. В течение продолжительного отрезка времени светодиоды использовались исключительно как индикаторы. Сегодня диапазон излучения значительно расширен и охватывает едва ли не весь спектр. С другой стороны, определенные волны всегда длиннее, поэтому данные устройства делятся на источники холодного и теплого света (в зависимости от тепловой температуры).

Способы сборки

По способу сборки изделия делятся на несколько категорий.

DIP расшифровывается как Dual In-line Package. Конструкция приборов интересна, но существенно устарела. Выделяют следующие размеры светодиодов:

Также полупроводниковые изделия различаются цветом, материалом изготовления, формой чипа. Из преимуществ DIP-сборки выделим малый нагрев и высокую яркость. Бывают одноцветные и многоцветные (RGB-технология). Можно распознать по характерной цилиндрической форме и встроенной линзе выпуклого типа.

«Пиранья»

Данная группа осветительных устройств характеризуется высоким световым потоком. Изготавливаются прямоугольной формы, имеют четыре PIN-вывода, бывают красными, синими, белыми или зелеными.

По сравнению с DIP-технологией изделия более жестко и прочно «сидят» на плате. Свинцовая подложка повышает теплопроводность, но в то же время понижает общую безопасность при эксплуатации. Широкая распространенность обусловлена большим диапазоном рабочих температур.

SMD-технология

SMD расшифровывается как Surface Mounting Device (в переводе с англ. — «устройство, фиксируемое на поверхности»). Эти светодиоды характеризуются мощностью в диапазоне 0,01–0,2 Вт. Главная особенность связана с наличием нескольких кристаллов (1–3), монтируемых на керамическую подложку.

Корпус покрыт люминофором. Стандартный припой используется для соединения основной платы и контактных площадок.

Из недостатков выделим низкую ремонтопригодность: если выйдет из строя хотя бы один диод, то придется заменять целую плату.

Читайте также:  Как посадить рябину красную осенью

COB-технология

Последняя и наиболее надежная технология изготовления светодиодов получила название Chip On Board (COB). Полупроводники крепятся на плату без корпуса и какой-либо подложки, после чего покрываются люминофором.

Главное преимущество связано с небольшой площадью свечения при высокой мощности. Равномерное свечение изделия гарантируется высокой плотностью светодиодов и наличием люминофора. Такие светодиоды чаще применяются в наши дни.

Устройство светодиодных источников света

Светодиодный источник состоит из следующих конструктивных элементов:

Светодиоды

Несколько лет назад конструкция светодиодной лампы незначительно отличалось из-за отсутствия широкого ассортимента LED-диодов. Самыми распространенными были чипы на 3–5 мм. Позже появились изделия на 10 мм.

Сегодня светодиодов намного больше. Чаще всего используются SMD 5050, SMD 3528, SMD 5730, SMD 2835, 1W, 3W и 5W.

Количество светодиодов бывает разным, его задает производитель. При монтаже нескольких диодов производят специальные расчеты, чтобы вывести оптимальный ток потребления. Припой осуществляется к текстолитовым или алюминиевым платам. Светодиоды собираются в группы, соединяемые последовательно. Опять же, количество групп неограниченно.

Последовательное соединение обеспечивает постоянный ток, но есть существенный недостаток — если выйдет из строя хотя бы один LED-диод, то перестает работать все изделие. С другой стороны, диод можно без проблем заменить на новый.

Платы, к которым припаиваются источники света, классифицируются по форме и бывают круглыми, прямоугольными, овальными, многоугольными и т. д.

Драйверы

Драйверы предназначены для преобразования входящего напряжения в пригодную для питания устройства величину. Причем питание для каждой группы светодиодов может быть разным. Самыми распространенными являются трансформаторные схемы с драйверами.

Конструктивные элементы могут быть двух типов — открытыми и закрытыми (в корпусе). Монтируют их в корпус ламп, осветительных приборов.

Дешевые драйверы применяют в обычных фонариках, в которых светодиоды питаются от батареек. В таком случае нет необходимости в резисторе, ограничивающем ток. Из-за этого диоды могут получать повышенный ток, что приводит к их скорому выходу из строя.

Китайские производители нередко пытаются сэкономить на приборах, устанавливая вместо драйверов обычные ограничители тока со схемой на основе конденсатора. Избегайте покупки таких изделий, поскольку помимо крайней неэкономичности они негативно воздействуют на здоровье человека (высокая пульсация).

Цоколь

Поскольку светодиодные изделия позиционируются как лучшие аналоги лампам накаливания, то нет ничего удивительного в том, что они изготавливаются со стандартными цоколями — E27 и E14. Последние часто применяются в ночных и настенных светильниках.

За рубежом иные стандарты, поэтому там чаще можно встретить светодиодные лампы E26.

Корпус

В отличие от ламп накаливания для светодиодных нет необходимости в полной герметичности колб, да и газовая среда внутри отсутствует. Одна из разновидностей светодиодных светильников — филаментный источник, повторяющий устройство лампы накаливания и нуждающийся в газовой среде.

Потребляя то же количество электроэнергии, изделия светят намного ярче аналогов. Обычная светодиодная лампа имеет закрытую колбу, производимую из стекла или пластика. Матовое покрытие понижает светопропускаемость, но это незначительные издержки производства.

Радиаторы

Данные электротехнические изделия боятся высокой температуры и перегрева. По этой причине для повышения срока эксплуатации необходимо устройство для отвода тепла. Алюминиевые платы частично снижают влияние перегрева, но этого недостаточно. Дорогие и качественные лампы обязательно используют радиаторы, размер которых зависит от количества светодиодов в приборе.

Наличие радиатора повышает стоимость и габариты изделия, но является обязательным условием для создания качественного и долговечного прибора.

Компоновка составных частей

В зависимости от производителя, устройство и конструкция лампы разные. С другой стороны, общий принцип компоновки остается одинаковым. Сборка начинается с цоколя, куда последовательно устанавливают драйвер, радиатор, плату с LED-диодами и колбу.

Для сравнения рассмотрим устройство изделия от двух производителей.

Светодиодная лампа BBK

Цоколь изготавливается из пластика. Внутри установлен качественный драйвер. Для корпуса используется алюминий, выполняющий функции радиатора. Туда крепится плата с диодами и линза. Наличие данной линзы понижает световую отдачу прибора.

Лампа Gauss

Опять же цоколь изготовлен из пластика, имеются драйвер и алюминиевый корпус с установленной диодной платой. Конструкция гарантирует долговечность изделия.

Как проверить светодиодную лампу при покупке

Возьмите в руки светодиодную лампу и осмотрите ее внешне, чтобы убедиться в отсутствии каких-либо изъянов. Выполнить это можно только при условии применения прозрачной колбы. Для начала проверьте радиатор (он выпускается литого или наборного типа). Чем выше мощность изделия, тем объемнее должен быть радиатор. Отличным вариантом станет применение алюминиевых или керамических охладителей.

В идеале электротехнический элемент нужно покрыть термопластиком. Убедитесь, что в цоколе отсутствуют люфты и механические дефекты. Также в любом магазине есть возможность подключить лампу к электрической сети, чтобы проверить ее работоспособность. Сделав это, взгляните на излучаемый свет. Используйте фотокамеру на смартфоне, чтобы убедиться в отсутствии мерцания и пульсации. Ни в коем случае не покупайте лампу, которая мерцает при работе.

Полученной информации по устройству и принципу работы светодиодной лампы может быть недостаточно для выбора качественного осветительного прибора, характеризующегося безопасностью, надежностью и долговечностью. Также нужно учитывать другие критерии, включая характеристики и производителя, о чем подробно описано в этой статье.

Светодиод
Тип Активный электронный элемент
Принцип работы Электролюминесценция
Изобретён Генри Раунд [en] (1907)
Олег Лосев (1927)
Ник Холоньяк (1962)
Впервые создан 1962
Символьное обозначение
Пин конфигурация анод и катод

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED ) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Читайте также:  Как обустроить маленький дачный участок

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт о СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Содержание

Принцип работы [ править | править код ]

При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой [1] ).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A III B V (например, GaAs или InP) и A II B VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

История [ править | править код ]

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом [en] из Маркони Лабс [en] . Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов [2] . Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) [3]

В 1961 году Джеймс Роберт Байард (англ.) русск. и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли технологию инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия (GaAs). После получения патента в 1962 году началось их промышленное производство.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд (англ.) русск. , изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод [4] [5] . Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алфёрова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных и светодиодов [6] [7] . После этого началось серийное промышленное производство светодиодов. Открытие было удостоено Нобелевской премий в 2000 году [8] . В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED [9] .

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода (LED). За открытие дешевого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике [10] [11] . В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск, а в 1996 начала выпуск белых светодиодов [12] .

Синий светодиод, в сочетании с зелёным и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*