Андрей Смирнов
Время чтения: ~13 мин.
Просмотров: 0

Как устроена светодиодная лампа и принцип ее работы

Маркировка светодиодов по цвету

Чтобы приобрести светодиод нужного цвета, предлагаем ознакомиться с условным обозначением цветности, входящей в состав маркировки. У CREE оно располагается после обозначения серии светодиодов, и может быть:

  • WHT, если свечение белого цвета;
  • HEW, если высокоэффективного (high efficiency) белого;
  • BWT для белого второго поколения;
  • BLU, если свечение синего света;
  • GRN для зеленого;
  • ROY для королевского (яркого) синего;
  • RED у красного.

Другие производители часто используют другое условное обозначение. Так KING BRIGHT позволяет подобрать модель с излучением не только определенного цвета, но и оттенка. Присутствующее в маркировке обозначение будет соответствовать:

  • Красному (I, SR);
  • Оранжевому (N, SE);
  • Желтому (Y);
  • Синему (PB);
  • Зеленому (G, SG);
  • Белому (PW, MW).

Электрические характеристики светодиодов 3528

Таблица – параметры светодиода 67-11-C70100H-AM

Из таблиц видно, что даже у одного производителя существуют различные виды светодиодов одинакового размера 3528. То есть светодиоды могут иметь разное прямое падение напряжения при разном цвете свечения. Например, осветительные smd светодиоды 3528 обычно выпускаются на прямое  напряжение 3 вольта. Однако существуют светодиоды 3528 разных цветов на прямое напряжение от 2 до 3,2 вольт. Номинальный прямой ток светодиодов 3528 обычно 20 миллиампер. Вне зависимости от цвета. Светодиоды типоразмера 3528 являются маломощными светодиодами. Мощность их обычно составляет 0.06 ватта.

Прямое падение напряжения светодиодов 3528 в зависимости от цвета излучения

Стоит отметить что SMD типоразмера 3528 могут также иметь другое устройство и характеристики. К примеру, они могут состоять из нескольких кристаллов. Светодиоды 3528 RGB типа (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий) состоят из трех кристаллов. По отдельности кристаллы дают красный. зеленый и синий цвета. При включении всех трех кристаллов одновременно, они дают смешанный белый свет. Такие светодиоды могут, при управлении через контроллер, светит каждым цветом по отдельности. Или любым другим цветом и оттенком при смешении и питании определенной силой тока. К примеру, вот такой 4-пиновый индикаторный светодиод 3528. У него три минусовых контакта – катода, отдельно для каждого кристалла. А также один общий плюсовой вывод – анод.

SMD Светодиод-3528 RGB обычно имеет характеристики

Общий анод

Цвет: красный/зеленый/синий

Сила света: 120-150/200-300/70-95 мкд

Длина волны: 620-625/520-525/460-470 нм

Прямое падение напряжения: 2,0-2,6/3,0-3,4/3,2-3,4 в

Прямой ток: I (мА): 20 мА

4-контактные светодиоды 3528 с двумя (справа) и тремя (слева) кристаллами

Светодиоды 3528 могут состоять из двух кристаллов и светиться двумя разными цветами поочередно. При этом они имеют четыре контакта. Два катода (-) и два анода (+). Или же три контакта. Два анода и один общий катод.

Как видно из вышерасположенных таблиц, два одинаковых по размеру светодиода Everlight Europe изготовлены на разные ток и напряжение. В результате светодиоды имеют совершенно разные вольт-амперные характеристики. Соотношение прямого тока и прямого напряжения этих двух светодиодов  показано в расположенных ниже  графиках.

Вольт-амперная характеристика светодиода 67-11-C70100H-AM

Без всякого сомнения, важно подобрать источник питания и светодиоды друг под друга. То есть питающий драйвер должен выдавать ток силой не больше чем номинальный ток светодиодов

В добавок ко всему прочему, драйвер должен иметь запас по мощности. Разумеется, по сравнению к мощности питаемых от него светодиодам. Безусловно, это обеспечит более долгий срок службы светодиода. А также большую сохранность источника питания.

Вне сомнения, стоит обратить тщательное внимание на охлаждение светодиодов. Во всяком случае, при соблюдении номинальной температуры светодиоды гарантировано прослужат более долгий срок

Чем более дешевые светодиоды применяются, тем более бережно с ними стоит обращаться.

Мир светодиодов: краткий обзор предложений современных производителей

Первые удачные эксперименты были проведены более ста лет назад. Но только в конце 70-х прошлого века удалось создать образцы, пригодные для коммерческого применения.

Разные комбинации полупроводниковых материалов создают волны определенной длины

Для зеленого цвета применяют AlGaInP (Алюминий-Галий-Фосфид индия). Красный получается с использованием AlGaAs (Алюминий-Арсенид галлия). Долгое время не могли найти комбинацию для синего. Только в 90-х годах был найден подходящий состав, за который авторы получили Нобелевскую премию. Сочетание перечисленных цветов позволило создать белый свет. С этого времени был дан старт массовому внедрению технологий данной категории в разные сферы человеческой деятельности.

Индикаторные светодиоды

Конструкция прибора DIP типа

Для концентрации светового потока функции отражателей выполняет опорная пластина и стенки. Такие приборы выпускают с выпуклыми линзами и прямоугольными торцами диаметром от 3 до 10 мм. Их подключают к источникам питания 2,5-5 В с ограничением по току до 20-25 мА. Угол рассеивания не превышает 140°. Яркость – до 1,1 люмен.

Индикаторные светодиоды ранее применяли для создания фонарей, светофоров, информационных стендов и рекламных табло. В наши дни появились новые модификации полупроводниковых приборов с большей силой света.

Оригинальная подсветка сценических костюмов

На практике пригодятся следующие преимущества индикаторных светодиодов:

  • низкая стоимость;
  • хорошая защищенность от влаги и других неблагоприятных внешних воздействий;
  • безопасные токи и напряжение питания;
  • небольшое потребление энергии.

Последний пункт надо дополнить низким выделением тепла. Такие устройства способны функционировать долгосрочно в широком температурном диапазоне без специальных охлаждающих радиаторов.

Осветительные светодиоды

Полупроводниковые приборы SMD, как наиболее распространенные изделия, подробно рассмотрены ниже. Их создают в стандартных размерах на специальной подложке, которая хорошо приспособлена для последующего монтажа на печатную плату.

Излучающее поле лампы, созданное из SMD светодиодов

Для улучшения защищенности полупроводники закрепляют на подложке внутри литого пластикового корпуса. Верхняя полусферическая часть образует линзу, что помогает сузить световой поток.

«Пиранья». Грозное название этой категории подчеркивает высокую эффективность приборов

Следующая группа изделий создана специально для освещения. На подложке размещают синие светодиоды. Сверху – слой люминофора. В данном случае применяют большее количество кристаллов на единицу поверхности по сравнению с технологией SMD. Это позволяет получить сильный световой поток.

Мощную матрицу категории COB (Chip On Board) надо охлаждать. Такие лампы устанавливают в автомобильные фары ближнего и дальнего светаТехнология Chip On Glass («Чип-на-стекле»)

На фото изображены основные стадии производственного процесса:

  1. Создается подложка из стекла нужной формы.
  2. На ней закрепляют последовательно полупроводниковые кристаллы.
  3. Сверху устанавливают слой люминофора.
  4. Далее – финишное защитное покрытие.

В цоколе лампочки размещают блок питания, который создает постоянное напряжение с нужной силой тока.

Плюсы и минусы осветительных светодиодов

Выяснив, какие бывают светодиоды, надо перечислить их преимущества по сравнению с альтернативными изделиями:

  • Лучшие полупроводниковые приборы способны обеспечить более 200 люменов на 1 Вт энергии. Это потребление на 80-85 % меньше по сравнению с типовыми лампами накаливания.
  • Качественные светодиодные светильники устойчивы к вибрациям, перепадам напряжения в сети. Долговечность лучших изделий приближается к 100 тыс. часов, что эквивалентно белее чем 11 годам непрерывной эксплуатации.
  • Отсутствие ртутных и других вредных соединений вместе с прочной рассеивающей колбой повышает уровень безопасности.

Не забывайте, что в экономический расчет надо включать все сопутствующие расходы. Светодиодные источники, сделанные известными производителями, стоят дорого. Только через несколько лет получится окупить первоначальные инвестиции. Также надо отметить:

  • Мерцание при недостаточно качественной сборке блока питания.
  • Небольшой угол рассеивания.
  • Различные технические характеристики в одной товарной партии.
  • Узкий диапазон цветовой температуры, несоответствие параметра паспортным данным.

Основные технические характеристики

Подбирая лэд-светильники, прежде всего смотрят на цоколь: если он будет отличаться от патрона люстры, установить новую лампу на место старой будет нельзя.

В осветительных приборах, используемых в квартирах, наиболее распространены 2 типа цоколя:

  • Е27 (стандарт), который встречается чаще всего;
  • Е14 (миньон), меньшего, чем стандартный, диаметра, часто применяемый в подвесных светильниках.

Цоколи, маркировка которых начинается с буквы G, имеют небольшую мощность (12 Вт) и в зависимости от вида используются для точечных или встроенных светильников, кухонных вытяжек и других электроприборов.

Мощность

Этот показатель влияет в первую очередь не на яркость светильника, как у ламп накаливания, а на расход электроэнергии: чем меньше значение, тем экономичнее освещение.

Современные светодиодные светильники расходуют примерно в 5 раз меньше электричества, чем лампы накаливания, производящие то же количество света. Чтобы убедиться в этом и подобрать подходящий по мощности светильник, стоит изучить таблицу.

Сохранить в квартире или доме привычный уровень освещения можно, выбрав лампочки мощностью около 10–15 Вт. Такие приборы обеспечивают достаточное количество света для работы и отдыха. Для бра и настольных светильников потребуются лампы меньшей мощности.

Яркость

Световой поток — показатель количества света, излучаемого led-лампой. Измеряется в люменах.

Для жилых помещений в квартире или доме нет смысла приобретать светильники эффективностью выше 130 лм — изделия с более высокими показателями будут стоить существенно дороже, а разница в освещении практически не будет заметна.

Понять, как правильно выбрать светодиодную лампу желаемого уровня яркости, будет проще, если изучить таблицу, в которой представлены сравнительные характеристики источников света разного типа.

Недобросовестные производители часто завышают показатели, поэтому реально производимое количество света может быть меньше почти на 30 %, заявленного на упаковке товара. Чтобы не ошибиться в расчетах, стоит приобретать продукцию только хорошо себя зарекомендовавших фирм.

Выбирая светильник в помещение, которое нуждается в хорошем освещении, нужно учитывать этот факт.

Цветовая температура

Как выбрать светодиодную лампу для дома, которая будет излучать привычный теплый свет, исходящий от лампы накаливания

Для этого нужно обратить внимание на цветовую температуру светильника

Она указывается прямо на упаковке, измеряется в градусах Кельвина и дает представление, каким будет излучаемый свет — чем выше значение, тем он холоднее:

  1. Изделия с показателями ниже 2500 К использовать в жилых помещениях не рекомендуется. Они производят тяжелый желтый свет, создающий некомфортную обстановку.
  2. Для освещения дома или квартиры стоит выбирать лампы, цветовая температура которых составляет 2700–3000 К, именно они производят привычный желтоватый свет.
  3. Дневной свет — от 3000 до 5000 К — используется для освещения производственных, офисных и общественных помещений, однако не создает комфортной атмосферы в жилых.
  4. Лампочки с показателем цветовой температуры выше 5000 К излучают бело-голубой холодный свет. Офтальмологи не рекомендуют находиться в помещениях, освещенных такими приборами, длительное время.

Некоторые производители не указывают цветовую температуру в градусах Кельвина, а дают краткую характеристику типу света. Для дома или квартиры подойдут лампочки, на упаковке которых стоят обозначения «мягкий белый», «теплый белый».

Коэффициент цветопередачи

Индекс цветопередачи — показатель соответствия создаваемого лампой освещения дневному свету.

Хорошими считаются светильники, имеющие коэффициент цветопередачи выше 70, а те, у которых этот параметр ниже 40, приобретать не стоит.

Важно! Качественные изделия с высоким индексом цветопередачи не могут стоить дешево. Если на упаковке недорогого светильника стоит значение выше 80, почти наверняка это подделка

Сравним срок службы

По паспортным данным срок службы энергосберегающей лампы – 15000-20000ч, светодиодной 35000ч. Как показывает практика, реальные показатели у «энергосберегаек» куда хуже.

При расчётах времени жизни газоразрядной лампы производитель берёт идеальные условия: количество включений/выключений в течение суток не более пяти, отсутствие перепадов температуры и напряжения.

В условиях среднестатистической квартиры, даже если лампочка расположена не в проходном месте, например туалет или ванная комната, срок её жизни редко превышает 5000-6000 часов. А если учесть, что через пару лет световой поток снизится на 30% и того меньше.

Качественные светодиоды при обеспечении стабильного напряжения и тока служат гораздо дольше.

Как определяется срок службы изделия

Для любого промышленного изделия проводится нагрузочный тест. Для обуви, например, роботизированная нога производит сто тысяч шагов, после чего оценивают износ, аналогично исследуют любое устройство с механическими нагрузками.

Для светодиодов устраивают многомесячный марафон с непрерывным включением/выключением и подачей повышенной силы тока. По результатам таких тестов прогнозируемый срок эксплуатации светодиода может достигать ста тысяч часов.

Фактор старения

У любой газоразрядной лампы, в том числе и у люминесцентной в процессе эксплуатации снижается яркость. Это вызвано испарением вольфрама со спиралей и выгоранием люминофора, покрывающего стеклянную колбу изнутри.

Итог: с точки зрения срока службы, лучше светодиодные светильники.

Что там светится?

В 1923 году советский физик Олег Лосев обнаружил электролюминесценцию полупроводникового перехода. Первые светодиоды, использующие этот принцип, так и называли — «Losev Light» (свет Лосева). Первым появился красный светодиод, затем в начале 70-х годов появились жёлтые и зеленые светодиоды. Cиний светодиод был создан в 1971 Яковом Панчечниковым, но он был чрезвычайно дорог. В 1990 году японец Суджи Накамура создал дешёвый и яркий синий светодиод.

Ещё 20 лет назад считалось, что белый светодиод создать невозможно, однако, после появления синего светодиода стало возможным делать белые источники света с тремя кристаллами (RGB).

В 1996 году появились первые белые люминофорные светодиоды. В них свет ультрафиолетового или синего светодиода преобразуется в белый с помощью люминофора.

К 2005 году световая эффективность таких светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Это позволило начать использовать люминофорные светодиоды для освещения, ведь светодиод является одним из самых экономичных источников света.

Устройство LED-диодов

Устройство светодиодной лампы на 220 вольт не отличается большой сложностью и вполне может быть рассмотрено даже на любительском уровне. Классическая светодиодная лампа на 220 вольт включает в свой состав следующие обязательные элементы:

  • Несущий корпус с цоколем;
  • Специальную рассеивающую линзу;
  • Отводящий тепло радиатор;
  • Модуль светодиодов LED;
  • Драйверы светодиодной лампы;
  • Блок питания.

Ознакомиться со строением LED-лампы на 220 вольт (технология СОВ) можно на размещённом ниже рисунке.

Строение светодиодного осветителя

Этот светодиодный прибор изготавливается как единое целое и содержит в своей конструкции большое количество однородных кристаллов, распаиваемых при сборке с образованием многочисленных контактов. Для его подключения к драйверу достаточно присоединить всего одну из контактных пар (остальные кристаллы подключены параллельно).

По своей форме эти изделия могут быть круглыми и цилиндрическими, а к сети они подсоединяются посредством специального резьбового или штырькового цоколя. Для светодиодной системы общего пользования, как правило, выбираются светильники, показатель цветовой температуры которых составляет 2700К, 3500К или 5000К (при этом градации спектра могут принимать любые значения). Такие приборы довольно часто применяются в декоративных целях и для освещения рекламных баннеров и щитов.

Рассмотрим отдельные модули светодиодной лампы более подробно.

Драйвер

В упрощённом виде схема драйвера, используемого для питания лампы от сети 220 Вольт, выглядит, как это изображено на рисунке ниже.

Схема простейшего драйвера

Количество деталей в этом устройстве, выполняющем согласовательную функцию, относительно невелико, что объясняется особенностями схемного решения. Его электрическая схема содержит в своём составе два гасящих резистора R1, R2 и подключённые к ним по встречно-параллельному принципу светодиоды HL1и HL2.

Дополнительная информация. Такое включение ограничительных элементов обеспечивает  защищённость схемы от обратных выбросов напряжения питания. Помимо этого, в результате такого включения частота поступающего на лампы сигнала возрастает вдвое (до 100 Гц).

Сетевое напряжение питания с действующим значением 220 Вольт подаётся в схему через ограничительный конденсатор С1, с которого оно поступает на выпрямительный мостик, а затем – непосредственно на лампу.

Источник питания

Типовая схема источника питания LED-лампы изображена на рисунке, представленном ниже.

Схема модуля питания с драйвером

Эта часть осветительного прибора выполнена в виде отдельного блока и поэтому может свободно извлекаться из корпуса (с целью её ремонта своими руками, например). На входе схемы имеется выпрямительный электролит (конденсатор), после которого пульсации с частотой 100 Герц частично исчезают.

Резистор R1 необходим для образования цепочки разряда конденсатора при отключении схемы от источника питания.

Принцип работы и устройство световых диодов

Светодиоды отличает от привычных осветительных приборов отсутствие в нем нити накала, хрупкой колбы и газа в ней. Это принципиально отличный от них элемент. Говоря научным языком, свечение создается за счет наличия в нем материалов р- и n-типа. Первые накапливают положительный заряд, а вторые – отрицательный. Материалы р-типа накапливают в себе электроны, в то время, как в n-типе образуются дырки (места, где электроны отсутствуют). В момент появления на контактах электрического заряда они устремляются к р-n-переходу, где каждый электрон инжектируется именно в р-тип. Со стороны обратного, отрицательного контакта n-типа в результате подобного движения и возникает свечение. Оно обусловлено выделением фотонов. При этом не все фотоны излучают видимый человеческим глазом свет. Сила, которая заставляет двигаться электроны, называется током светодиода.

Эта информация ни к чему обычному обывателю. Достаточно знать, что светодиод имеет прочный корпус и контакты, которых может быть от 2-х до 4-х, а также то, что каждый светодиод имеет свое номинальное напряжение, необходимое для свечения.

Устройство светового диода с пояснениями
Полезно знать! Подключение производится всегда в одинаковом порядке. Это значит, что если к контакту «-» на элементе подключить «+», то свечения не будет – материалы р-типа просто не смогут зарядиться, а значит не будет и движения к переходу.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации