Принцип работы светодиодной лампы: описание, характеристики

Содержание

К сожалению, сегодня полки магазинов зачастую наводнены низкокачественными китайскими светодиодными лампами. И потому не всегда они являются настолько долговечными и надежными, как это заявлено производителями и номинальной технологией. Поэтому при покупке светодиодных ламп следует внимательно изучить их характеристики и отзывы. Выбирайте только качественные светодиодные светильники, и тогда они будут вас радовать долгие годы.

В основе работы Led светодиода лежит p-n-переход, так называемый электронно-дырочный переход. Работа светодиода построена на взаимодействии двух полупроводников p-типа и n-типа. P – positive, то есть положительный тип, или дырочный. N – negative, то есть отрицательный тип, или электронный. В результате пропускания электрического тока в месте соприкосновения двух полупроводников происходит переход от одного типа проводимости к другому.

Когда через полупроводники проходит электрический ток, отрицательный заряд электронов соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот момент выделяется энергия, и мы видим излучение света.

тип цоколя;
форма колбы и самой лампы;
напряжение питания;
тип светодиодов и способ их размещения;
световое излучение – мощность и теплота.

Устройство и принцип работы

Чтобы разобраться в принципиальных отличиях светодиодной лампы, как электрического оборудования, в сравнении с другими приборами, следует детально рассмотреть ее конструктивные особенности и назначение каждого из элементов.

Рис. 1. Конструкция светодиодной лампы

Конструктивно led лампочка состоит из:

Дополнительно лампа содержит полимерный или металлический корпус. Однако в led светильниках может быть встроенная матрица, и она монтируется в светодиодный прожектор напрямую.

Принцип действия светодиодной лампы заключается в такой последовательности передачи электрической энергии:

В данном примере приведен принцип действия и конструкция светодиодной лампы с гальванической развязкой. Это более дорогой, но и более надежный способ предохранить человека от поражения электротоком. На практике случаются и более дешевые светодиодные лампы, их продукция использует более дешевые платы драйвера или способы преобразования, которые не обеспечивают должного уровня безопасности и продолжительности эксплуатации.

На сегодняшний день производители светодиодных ламп предоставляют потребителям довольно широкий выбор разнообразных моделей, призванных удовлетворить потребности даже самых требовательных покупателей. Поэтому выделяют несколько параметров, по которым и различают виды светодиодных ламп:

тип цоколя;
форма колбы и самой лампы;
напряжение питания;
тип светодиодов и способ их размещения;
световое излучение – мощность и теплота.

У светодиодных ламп часто встречается цоколь для патронов E27 – стандартный вариант, используемый в люстрах для освещения помещения и т.д. Также часто встречаются модели E14 с диаметром цоколя 14мм, их еще называют миньонами. В некоторых вариантах встречаются штырьковые цоколи G13, G5, GU10, MR – это варианты под современные софиты и специализированные плафоны в люстрах.

Рис. 3. Типы цоколей

Значительно реже встречаются светодиодные лампочки с цоколем B или H, как специализированные варианты для узкопрофильного оборудования.

Если рассматривать вопрос о форме, то можно выделить такие виды:

Как частные варианты вы можете встретить и другие формы, однако здесь мы рассмотрели наиболее популярные из них.

Рис. 4. Форма светодиодных ламп

По напряжению питания светодиодные лампы подразделяются на те, которые подключаются к бытовой сети 220В, и те, которым требуется низкое напряжение постоянного тока – 24В, 12В.

В зависимости от типа светодиодов, выделяют лампочки с монокристаллическими панелями, где обеспечивается точечное освещение за счет единственного кристалла. Но такие варианты сегодня редко встречаются, чаще используются 8 – 10 и более небольших кристаллов, которые могут отличаться габаритами для разных моделей. Особенно хорошо их видно на светодиодных лентах или лампах с прозрачным стеклом. Но некоторые энергосберегающие технологии используют светодиодные нити в газовой смеси.

Рис. 5. По типу светодиодов

Яркость свечения определяется мощностью светодиодной лампы, чем выше мощность, тем более ярко она будет светить. Для бытовых помещений подойдут модели от 3 до 10Вт, производственным потребуется уже около 20Вт, в уличные светильники устанавливают от 30 до 100Вт. Температуру свечения можно выбрать любую, в зависимости от поставленных задач – от теплой до холодной.

Температура свечения

Даже в электрических схемах в качестве их обозначений используются обозначения обычных диодов, только с добавлением двух стрелочек, обозначающих излучение света.

Устройство и принцип работы светодиодных ламп. Основные части осветительного прибора:

— светодиоды; — драйвер; — цоколь; — корпус.

Светоизлучающий диод. Буквенно его обозначают сокращением СИД (СД) в русском языке или LED в английском. Собственно, это и есть источник света светодиодной лампы.

Принцип его работы полностью повторяет процессы, происходящие в обыкновенном полупроводниковом диоде с p-n переходом из кремния или германия: при подаче положительного потенциала к аноду, а отрицательного к катоду в материалах начинается движение отрицательно заряженных электронов к аноду, а дырок к катоду. В итоге, диод пропускает электрический ток только одного прямого направления.

Однако, светодиод выполнен из других полупроводниковых материалов, которые при бомбардировке в прямом направлении носителями зарядов (электронами и дырками) осуществляют их рекомбинацию с переводом на другой энергетический уровень. В итоге происходит выделение фотонов — элементарных частиц электромагнитного излучения светового диапазона.

Даже в электрических схемах в качестве их обозначений используются обозначения обычных диодов, только с добавлением двух стрелочек, обозначающих излучение света.

Полупроводниковые материалы обладают разными свойствами выделения фотонов. Такие вещества, как арсенид галия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), являясь прямозонными полупроводниками, одновременно прозрачны для видимого спектра световых волн. При замене ими слоев p-n перехода происходит выделение света.

Расположение слоев, используемых в светодиоде, показано на рисунке ниже. Их маленькая толщина порядка 10÷15 нм (наномикрон) создается специальными методами химического осаждения из газовой фазы. В слоях размещены контактные площадки для анода и катода.

Как при любом физическом процессе, во время преобразования электронов в фотоны существуют потери энергии, обусловленные следующими причинами:

— часть световых частиц просто теряется внутри даже такого тонкого слоя; — при выходе из полупроводника возникает оптическое преломление световых волн на границах кристалл/воздух, искажающее длину волны.

Применение специальных мер, например, использование сапфировой подложки, позволяет создать бо́льший световой поток. Такие конструкции применяются для установки в лампы освещения, но не для обычных светодиодов, используемых в качестве индикаторов, показанных на рисунке ниже.

Они имеют линзу, выполненную из эпоксидной смолы и рефлектор для направления света. В зависимости от назначения свет может распространяться в широких диапазонах угла 5-160°.

Дорогие светодиоды, выпускаемые для ламп освещения, производители изготавливают с ламбертовской диаграммой. Это означает, что их яркость постоянна в пространстве, не зависит от направления излучения и угла наблюдения.

Габариты кристалла весьма маленькие и от одного источника можно получить небольшой поток света. Поэтому для ламп освещения такие светодиоды объединяют довольно большими группами. При этом, создать от них равномерное освещение во все стороны весьма проблематично: каждый светодиод является точечным источником.

Частотный спектр световых волн от полупроводниковых материалов значительно уже, чем от обычных ламп накаливания или солнца, что утомляет глаза человека, создает определенный дискомфорт. С целью исправления этого недостатка в отдельные конструкции светодиодов для освещения вводится слой люминофора.

Величина излучаемого светового потока полупроводниковых материалов зависит от тока, проходящего через p-n переход. Чем больше ток, тем выше излучение, но до определенного значения.

Маленькие габариты, как правило, не позволяют использовать токи, превышающие 20 миллиампер для индикаторных конструкций. У мощных осветительных ламп применяется теплоотвод и дополнительные меры защиты, использование которых, однако, строго ограничено.

При запуске световой поток лампы пропорционально возрастает с увеличением тока, но затем из-за образования тепловых потерь начинает снижаться. Следует понимать, что процесс выделения фотонов из проводника не связан с тепловой энергией, светодиоды относятся к источникам холодного света.

Однако, проходящий через светодиод ток в местах контактов различных слоев и электродов преодолевает переходное сопротивление этих участков, вызывающее нагрев материалов. Выделяемое тепло вначале только создает потери энергии, но при увеличении тока может повредить конструкцию.

Количество светодиодных кристаллов, установленных в одну лампу, может превышать сотню работающих элементов. На каждый из них необходимо подвести оптимальный ток. Для этого создают стеклотекстолитовые платы с токопроводящими дорожками. Они могут иметь самую различную конструкцию.

К контактным площадкам плат припаиваются светодиодные кристаллы. Чаще всего их формируют в определенные группы и запитывают последовательно друг с другом. Через каждую созданную цепочку пропускают один и тот же ток.

Такую схему проще реализовать технически, но она обладает одним главным недостатком — при нарушении одного любого контакта вся группа перестает светить, что является основной причиной поломки лампы.

Драйверы. Подвод постоянного напряжения к каждой группе светодиодов выполняется от специального устройства, которое раньше называли блоком питания, а сейчас — термином “драйвер”.

Данное устройство несет функции преобразования входного напряжения сети, например,

220 Вольт квартирной или 12 Вольт автомобильной сети в оптимальную величину питания каждой последовательной группы.

Подвод одного стабилизированного тока к каждому кристаллу по параллельной схеме технически сложен и применяется в редких случаях. Работа драйвера может проводиться на основе трансформаторной или иной схемы. Среди них распространены следующие варианты. В зависимости от конфигурации и количества примененных элементов они могут быть разными:

Самые простые и дешевые драйверы рассчитаны на питание от стабилизированного напряжения, сеть которого защищена от бросков и импульсов перенапряжений. У них даже может отсутствовать токоограничивающий резистор в выходной цепи питания, что характерно для аккумуляторных фонариков, светодиоды которых зачастую подключены непосредственно к выходу АКБ.

В результате, пиолучается, что они питаются завышенным током и хотя светят довольно ярко, очень часто перегорают. При использовании дешевых ламп с драйверами без защиты от перенапряжений осветительной сети светодиоды тоже часто выгорают, не выработав заявленного ресурса.

Качественно сконструированные блоки питания практически не выделяют тепло при работе, а у дешевых или перегруженных драйверов часть электроэнергии расходуется на нагрев. Причем, такие бесполезные потери электрической мощности могут быть сопоставимы, а в отдельных случаях превышать энергию, расходуемую на выделение фотонов.

Цоколь. Осветительные лампы для квартирного освещения на российском рынке снабжаются цоколем Е27, который позволяет использовать их в обычных патронах от ламп накаливания.

Лампы зарубежных производителей, предназначенные для эксплуатации в своих странах могут иметь другие цоколи, отличающиеся диаметром или шагом резьбы. К тому же, они могут выпускаться на напряжение

110 Вольт. Автомобильные светодиодные лампы освещения тоже могут снабжаться разными типами цоколя.

Корпус. Для защиты светодиодов осветительных ламп не требуется создавать каких-либо герметичных колб, как у ламп накаливания, из которых выкачан воздух и создана специальная газовая среда.

Работающие светодиоды закрываются светопропускающими пластиковыми материалами, например, из поликарбоната.

Общая компоновка элементов. Размещение составных частей светодиодной осветительной лампы у разных производителей может отличаться в зависимости от специфических задач, но все они монтируются от цоколя в последовательности драйвер — платы светодиодов — защитное стекло. Между ними устанавливаются специальные защитные экраны, теплоотвод и другие элементы.

Устройство светодиодной лампы у каждого производителя может иметь серьезные отличия от аналогичных моделей. Однако, все они подчиняются общим принципам конструирования.

Вид питания (220 или 12 Вольт).
Тип цоколя.
Количества светодиодов.
Мощность освещения (световой поток).
Форма корпуса.

Область применения

Важно! Сравнительно низкое по величие напряжение питания обеспечивает светодиодным лампам высокую электрическую и пожарную безопасность (исключает удар током и возгорание).

Указанные достоинства позволяют расширить область применения LED лампочек и устанавливать низковольтные модели в следующих ситуациях:

В помещениях повышенной влажности (например, при обустройстве светодиодной подсветки зеркала в ванной).
В условиях высокой пожарной и взрывоопасности.
При обустройстве подсветок различного вида.
В складах и подвальных помещениях.
На улице под открытым небом.

В последнем случае такие лампы могут эксплуатироваться без специальных мер защиты и использования проводки с повышенными требованиями к надежности изоляции.

Обратите внимание: Универсальность светодиодных ламп подчеркивается тем, что в качестве блока питания в них нередко используется модуль от ленточных светодиодных подсветок.

Однако для надежности эксплуатации низковольтных ламп лучше всего воспользоваться специализированным блоком питания 12 Вольт, рассчитанным на работу со светодиодами.

Иногда именно этот этап становится самым трудным. Если светодиод прогорел, то это сразу видно. Сгоревшие элементы придется поискать при помощи тестера, либо подавая на них по 1.5 V. Неисправные светодиоды необходимо заменить. Причиной мигания лампы может быть поломка конденсатора С1. При этом нужно поставить другой, с напряжением 400 V.

Устройство LED-ламп

Основные 6 частей LED-лампы – это корпус, цоколь, рассеиватель, радиатор, блок светодиодов LED и бестрансформаторный драйвер (на картинке представлено устройство светодиодной лампы на 220 V). Эти лампы вполне подлежат ремонту, если один или несколько кристаллов прогорели. Вообще в LED-светильниках обычно горит драйвер, для которого чаще всего используются такие микросхемы, как bp 3122, bp 2832а или bp 2831а. Помимо прочего, драйвер стабилизирует скачки напряжения.

На рисунке сверху изображена лампа варианта СОВ. Ее светодиод представляет собой единую пластину, в которую включено множество чипов. Если у такой лампы перегорает светодиод, то он меняется целиком, т. к. отдельные чипы невозможно поменять.

Схема светодиодного драйвера

Простейшая схема драйвера MR-16

Ремонт LED–лампы

Устройство светодиодного светильника представляет собой обычную LED-лампу, и если светодиоды в ней отдельные, а не единой пластиной с кристаллами, то ее возможно отремонтировать, заменив сгоревшие (прогоревшие) элементы. Ее с легкостью можно разобрать. Нужно разделить корпус с цоколем. Если для примера взять лампу МR-16, то как раз внутри будет находиться 27 светодиодов. Подобраться к плате с элементами можно путем снятия защитного стекла. Делается это при помощи обычной отвертки.

Иногда именно этот этап становится самым трудным. Если светодиод прогорел, то это сразу видно. Сгоревшие элементы придется поискать при помощи тестера, либо подавая на них по 1.5 V. Неисправные светодиоды необходимо заменить. Причиной мигания лампы может быть поломка конденсатора С1. При этом нужно поставить другой, с напряжением 400 V.

Есть дешевые лампы где драйвер практически отсутствует, а его место занимает гасящий конденсатор с выпрямителем. Это очень не надежное решение, поскольку такая упрощенная схема не защищает светодиоды от скачков напряжения в сети, а для светодиодов важно чтобы напряжение их питания (а значит и ток) было стабилизированным.

Светодиодная лампа — это источник света, в основе которого светодиоды. Светодиоды представляют собой особые полупроводниковые приборы, которые созданы специально для получения света при прохождении через них электрического тока.

В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы имеют более высокий КПД. И в то время как лампа накаливания преобразует в свет порядка 5-10% подводимой к ней электрической энергии, светодиодная лампа имеет КПД около 50%. Принципиально светодиоды в 10 раз превосходят лампы накаливания по световой отдаче.

Для своего питания светодиоды принципиально требуют низкого постоянного напряжения в районе от 2 до 4 вольт на один светодиод. Если речь идет о светодиодной сборке, какие всегда и применяются в светодиодных лампах, то цепочкам светодиодов необходимо обычно более 12 вольт.

Это значит, что в любом случае напряжение сети 220 вольт должно быть сначала преобразовано, затем понижено и стабилизировано. Тогда светодиоды внутри лампы будут питаться правильно, не перегреются и не выйдут из строя раньше времени. Обычный срок службы качественной светодиодной лампы, заявляемый производителем — 50000 — 100000 часов.

Как законченное изделие, светодиодная лампа всегда включает в себя минимум четыре составные части: рассеиватель, сборку со светодиодами на плате, драйвер — преобразователь и цоколь. Цоколь здесь как у обычной лампы, под стандартный патрон E27 или Е14. Кроме цоколя, схожесть с лампой накаливания заканчивается на похожести формы рассеивателя.

Дальше идут различия. Да и рассеиватель здесь пластиковый а вовсе не стеклянный, ведь герметичность светодиодной сборке не нужна, а температуру до 100 градусов пластик выдержит без проблем. Так что отсутствие стекла вполне оправдано и пластик применяется целесообразно. К тому же он не так хрупок как стекло.

В основании лампы, между цоколем и рассеивателем, находятся светодиодная сборка и драйвер, который еще называют электронным балластом. Драйвер предназначен для преобразования напряжения сети в постоянное низкое напряжение, которое подходит для питания светодиодной сборки.

Есть дешевые лампы где драйвер практически отсутствует, а его место занимает гасящий конденсатор с выпрямителем. Это очень не надежное решение, поскольку такая упрощенная схема не защищает светодиоды от скачков напряжения в сети, а для светодиодов важно чтобы напряжение их питания (а значит и ток) было стабилизированным.

Более качественные светодиодные лампы имеют внутри более надежные драйвера. Полноценный драйвер на микросхеме, представляющий собой стабилизированный понижающий импульсный преобразователь — это лучшее решение для светодиодов, так как стабилизация выхода предполагает возможность скачков напряжения на входе, которые будут нивелированы схемой и не причинят вреда светодиодам.

Стабилизация по току и напряжению для светодиодов всегда достигается применением специализированной микросхемы драйвера с плавным пуском. В этом случае светодиоды прослужат долго и надежно, так как их рабочий режим всегда будет находиться в безопасных рамках.

Светодиодная сборка — сердце светодиодной лампы. Обычно применяются SMD-светодиоды различных типоразмеров. Из светодиодов собираются последовательные цепочки, которые соединяются друг с другом параллельно, и в таком виде впаиваются на плату. В зависимости от размера и мощности лампы, в ней может быть установлено например две параллельные цепочки по 14 последовательно соединенных SMD-светодиодов на общую мощность 9 Вт.

Звоните нам с 9 до 18 в рабочие дни →

Интересно! Размещение и напайка светодиодов на плату происходит в специальном роботизированном комплексе с печью. Таким образом, достигается высокая точность, скорость монтажа и точечный нагрев контактных зон, позволяющий исключить термическое повреждение элементов.

Работа на пониженных токах является одним из механизмов продления срока службы светодиодных светильников. Если руководствоваться им при выборе конкретного устройства, то нужно делать ставку на менее мощное. К примеру, к лампам или светильникам с паспортным током в 350 мА, рекомендуется покупать драйверы, рассчитанные на 300-330 мА.

Есть также отдельная группа драйверов, принцип работы которых базируется на подключении конкретного числа светодиодов. В этом случае придется учитывать не только токовые, но и компоновочные характеристики.

Светильник, в основе работы которого лежит светодиодный модуль является инновационным видом освещения, применяющийся во всех сферах деятельности человека. Конструкция данных модулей может быть разнообразной и в основном всё зависит от модели и области применения устройства.

Светильник, в основе работы которого лежит светодиодный модуль является инновационным видом освещения, применяющийся во всех сферах деятельности человека. Конструкция данных модулей может быть разнообразной и в основном всё зависит от модели и области применения устройства.

Благодаря разработкам ведущих инженерных компаний по производству светильников, пользователям стали доступны модули цельной конструкции, обладающие хорошими техническими характеристиками и не требующие постоянного технического обслуживания. Несмотря на большую разновидность моделей, можно выделить основные узлы светильника:

4. Светодиод. Устройство, излучающее световой поток. Имеет плоскую у основания базовую часть и выпуклую полукруглую форму поверх неё. В зависимости от мощности светодиода, увеличивается и его размер.

5. Рассеиватель. В любом LED светильнике для направления светового потока используется рассеиватель, который способствует более качественному распределению выделяемого света.

Конструкция светодиодного светильника очень сложная, несмотря на это пользователь не будет обременён его обслуживанием на протяжении всего срока эксплуатирования светового модуля.

Процессы, которые происходят в светодиоде, аналогичны процессам в обыкновенном полупроводниковом диоде и обладает односторонней проводимостью. Однако специально подобранные полупроводниковые материалы при прохождении тока в прямом направлении излучают фотоны — элементарные частицы видимого светового электромагнитного излучения. На электрических схемах светодиод имеет такое же обозначение, как обычный диод, но добавлены две стрелки, обозначающие излучение света.

Принцип работы светодиодных ламп и прожекторов. Их внутреннее устройство. Методы эксплуатации

Светодиодная лампа состоит из четырех основных частей:

Процессы, которые происходят в светодиоде, аналогичны процессам в обыкновенном полупроводниковом диоде и обладает односторонней проводимостью. Однако специально подобранные полупроводниковые материалы при прохождении тока в прямом направлении излучают фотоны — элементарные частицы видимого светового электромагнитного излучения. На электрических схемах светодиод имеет такое же обозначение, как обычный диод, но добавлены две стрелки, обозначающие излучение света.

Яркость и мощность потребления лампы зависит от количества светодиодов. Светодиоды соединяются в группы, которые, как правило, соединены последовательно. Их количество может быть различным и зависит от конкретной модели лампы.

Светодиодные прожекторы, устройство

Светодиодные лампы с каждым днем становятся все популярней. Частные и корпоративные потребители выбирают изделия из-за их экономности, долговечности, хорошего влияния на настроение и самочувствие. Покупателя, разобравшегося в теме, не пугает высокая цена устройств, так как он понимает, что может сэкономить на них в разы больше потраченного.

Почему светодиодные лампы такие дорогие?

Также важной особенностью светодиода является тип его свечения, называемый ламбертовским. Каждый луч света, выдаваемый устройством, отдаляется от него на определенное расстояние. Если взять светодиод и направить его кристалликом вверх, то его свечение можно представить в виде шара. Таким шаром сложно осветить помещение, так как свет будет неравномерным. Поэтому для создания качественной лампочки потребовалось также разработка хорошей оптики, которая бы перераспределяла свет.

Технология создания изделий диктует их высокую стоимость. В ближайшие десять лет ученые планируют снизить себестоимость производства устройств примерно в 10 раз.

Недостаток, ограничивающий широкое распространение светодиодных приборов – высокая стоимость.

Принцип работы светодиодной лампы