Принцип работы диодной лампы освещения. Виды светодиодов – принцип работы, от чего зависит яркость свечения

В статье освещается вопрос конструкции и принципов действия светодиодов. Отдельное внимание уделяется собранным на их базе лампам, светильникам и механизму включения их в электросеть.

Потребность в проектировании и монтаже внутренних и наружных растет с каждым годом. Использовать для решения таких задач старые, проверенные временем лампы накаливания нецелесообразно: они недолговечны и имеют слишком большое потребление электричества при малой светоотдаче. Их переигрывают так называемые энергосберегающие лампочки, но и здесь есть существенный минус – использование в конструкции токсичных материалов, в первую очередь, ртути. Найти для себя разумную альтернативу можно, изучив, как работает светодиодный светильник. Об этом и пойдет речь в статье.

Что такое светодиод?

Где-то в 1907 году известный в то время изобретатель и экспериментатор англичанин Генри Раунд впервые обнаружил явление, которое впоследствии назвал электролюминесценцией. Изучая особенности распространения электрического тока в различных материалах. В качестве опытной системы была использована пара «металл-карборунд». При подаче напряжения со стороны последнего наблюдалось свечение.

Понятия полупроводников в то время еще не существовало. Но уже тогда ученые наверняка понимали, что была открыта потенциально перспективная . Дело в том, что в обычной лампочке свечение генерируется за счет разогрева вольфрамовой нити. То есть, не сам электрический ток, а температура более 2500 К становится причиной. В вышеупомянутом опыте свет также выделяется при подаче на контакты тока, но температура является не условием, а следствием процесса. Электрическое поле возбуждает атомы, вызывая их рекомбинацию, световое и тепловое излучение.

Между тем, если подробнее изучить вопрос полупроводников, то окажется, что далеко не каждый из них способен работать так, как работает светодиод. Примером является гомогенный p-n-переход, в котором ширина запрещенной зоны часто не соответствует требуемому энергетическому потенциалу. Кроме того, сам кристалл имеет дефекты, количество которых не позволяет провести рекомбинацию идеально.

Гетерогенная структура кристалла, которую удается получить, используя эпитаксиальную технологию. Если проще, то все сводится к его лабораторному выращиванию. Для этого используется специальная сапфировая подложка, которую помещают в камеру. Туда же подается газовая смесь, содержащая необходимые компоненты. При они постепенно оседают на подложке, формируя многослойную структуру. Точность «выращивания» контролируется вплоть до атомного слоя. Помимо активных слоев на этом этапе создаются контактные выходы – для анода и катода.

Структура светодиода

Этот миниатюрный кристалл является основным элементом светодиода, в который также входят:

• Основа/подложка . Элемент конструкции, на котором непосредственно монтируется кристалл. Изготавливается из меди или алюминия – материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (эффективность теплоотвода является основой нормальной работы полупроводника);
• Корпус . Узел, в котором собираются все элементы светодиода. Обеспечивает габаритные и монтажные размеры прибора;
• Токопроводящая группа . Комбинация катода и анода, которые с одной стороны соединяются соответствующими выходами на кристалле, а с другой – образуют контактные ножки для ;
• Линза . Элемент конструкции, который обеспечивает направленное распространение пучка света;
• Люминофор . Вязкий состав, которым покрывается сверху кристалл. В большинстве случаев имеет желтый цвет. Он защищает чип от контакта с окружающей средой, но основная его роль – обеспечение необходимого цвета и яркости излучения.

Последний компонент используется в так называемых белых светодиодах. Дело в том, что собственное излучение материала, из которого изготавливается кристалл, имеет синий, зеленый, желтый или другой цвет, но не белый. При прохождении через люминофор, в последнем также генерируются световые волны, которые в комбинации дают необходимый цвет.

Устройство принцип работы лед лампы

Теперь перейдем к следующей стадии развития технологии – укрупнению отдельных полупроводниковых приборов в макроструктуру. Происходит это путем интеграции отдельных светодиодов на подготовленную с контактной разводкой. Плата, независимо от формы, изготавливается из материалов с хорошей теплопроводностью, например, того же алюминия. Напомним, что тепло, которое выделяется при рекомбинации дырок/электронов, нужно максимально отводить, поскольку, перегрев негативно сказывается на характеристиках прибора и его долговечности.

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.

Подключив сборку к цепи питания, можно создать . И тот, и другой вариант осветительного прибора представляет собой комбинацию плат со светодиодами. В первом случае вводным элементом является стандартный цоколь, а во втором – провод с вилкой для включения непосредственно в розетку. Такое решение позволяет использовать их в качестве сменных источников освещения в обычных светильниках с изначально установленными лампами накаливания. Общим, для приборов является наличие монтажного теплоотводящего корпуса и насадки – рассеивателя.

Лед драйвер для светодиодных светильников: принцип работы

Рассматривая функционирования осветительных приборов такого типа, нельзя обойти стороной вопрос их питания. Дело в том, что светодиод и собранный на его базе прибор являются низковольтным оборудованием. Чтобы адаптировать его к параметрам работы стандартной сети, нужно использовать специальный вводной элемент – драйвер. Не стоит путать его с обычным блоком питания, который ограничивает напряжение: в случае светодиодов контролировать приходится, как раз, ток. К примеру, если на информационной табличке драйвера указано «300 мА / 3 Вт», то контролируемое напряжение будет равно 10 В. То есть, блок может контролировать систему из любого количества светодиодов, суммарный ток и напряжение которых не превышают этих значений: выше этих параметров на контакты не поступит.

Работа на пониженных токах является одним из механизмов продления срока службы светодиодных светильников. Если руководствоваться им при 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.

Подробнее

Александр Лопатин в студии телеканала «Киев»

Подробнее

Благотворительный концерт американской группы Village Underground Band

Подробнее

В Киеве заменили более 22 тысяч старых уличных светильников

Подробнее

Новые LED светильники установлены еще на двух столичных улицах

24 сен

Александр Лопатин о развитии городской инфраструктуры Киева

23 сен

Интелтек Украина на телевидении!

Подробнее

Мы не хотим быть везде, но там, где мы есть, мы хотим быть лучшими, – Александр Лопатин

Подробнее

29 мар

Власти Киева направят 700 миллионов на замену уличного освещения

Подробнее

Экспортные истории: как Украина «несет свет» в Европу

Подробнее

Модернизация системы электроосвещения на ДТЭК Добропольская ЦОФ

В статье узнаете что такое светодиод (LED), типы, как работает, история, схема и характеристики, преимущества и недостатки.

Светодиоды повсюду вокруг нас: в наших телефонах, наших автомобилях и даже в наших домах. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта это самая популярная вещь в электроники. Огромный выбор светодиодов на ваш вкус и цвет вы можете приобрести на Алиэкспресс, нажав на кнопку ниже:

Светодиоды («LED») — это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. На самом деле, светодиод означает «светоизлучающий диод». И можно увидеть сходство на схеме диода и светодиода:

Короче говоря, светодиоды похожи на крошечные лампочки. Тем не менее, для сравнения светодиоды требуют гораздо меньше энергии. Они также более энергоэффективны, поэтому они не имеют тенденцию нагреваться, как обычные лампочки. Это делает их идеальным устройством для мобильных телефонов и других электронных приборов с низким энергопотреблением. Светодиоды высокой интенсивности нашли свое применение в акцентном освещении, прожекторах и даже автомобильных фарах!

Кто изобрел светодиод

Общая светодиодная технология существует уже более сорока лет. Первый светоизлучающий диод видимого спектра был изобретен в 1962 году Ником Холоняком-младшим , который в то время работал консультантом в General Electric.

Однако некоторые факторы не позволили технологии перейти к практическому использованию освещения. Стоимость была главной проблемой, первые светодиоды стоили более 200 долларов за диод. Другим ограничивающим фактором был цвет, до 70-х годов единственным цветом, который мог создавать светодиод, был красный. Еще одним фактором был световой поток, который в течение ряда лет ограничивал практическое использование светодиодов для визуальных сигналов, таких как световые индикаторы и знаки.

Использование светодиодов в лампочках является довольно недавним и продолжающимся развитием. Первые массовые установки светодиодного освещения произошли всего за последние несколько лет, и технология постоянно совершенствуется.

Характеристики светодиода (LED)

Перед подключением светодиода нужно знать несколько характеристик светодиода (на самом деле, они очень важны). Если вы обращаетесь к какой-либо спецификации, предоставленной производителем, вы можете найти множество технических характеристик, соответствующих электрическим характеристикам, номинальным характеристикам, физическим размерам и так далее.

Я не буду утомлять вас всеми характеристиками, а только важными. Это полярность, прямое напряжение и прямой ток.

Полярность LED

Полярность является показателем симметричности электронного компонента. Светоизлучающий диод, подобный диоду PN-перехода, не является симметричным, то есть он позволяет току течь только в одном направлении.

В светодиоде положительный вывод называется анодом, а отрицательный вывод — катодом. Для правильной работы светодиода анод светодиода должен иметь более высокий потенциал, чем катод, так как ток в светодиоде течет от анода к катоду.

Что произойдет, если мы подключим светодиод в обратном направлении? Ну, ничего не происходит, так как светодиод не будет проводить ток. Вы можете легко идентифицировать анодную клемму светодиода, поскольку они обычно имеют более длинные выводы.

Прямой ток светодиодов

Светодиоды являются очень чувствительными устройствами, и величина тока, протекающего через светодиод, очень важна. Кроме того, яркость светодиода зависит от величины тока, потребляемого светодиодом.

Каждый светодиод имеет максимальный прямой ток, который может безопасно проходить через него, не перегорая. Да, допустимый ток, превышающий номинальный ток, фактически подожжет светодиод.

Например, наиболее часто используемые 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток от 20 мА до 30 мА, а 8-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 150 мА (точные значения приведены в техническом описании).

Как нам регулировать ток, протекающий через светодиод? Для контроля тока, протекающего через светодиод, мы используем резисторы с ограничением тока.

Прямое напряжение LED

Светоизлучающие диоды также рассчитаны на максимальное напряжение, то есть количество напряжения, которое необходимо для светодиода. Например, все 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 20 мА, но прямое напряжение меняется от одного светодиода к другому.

Максимальное напряжение на красных светодиодах составляет 2,2 В, максимальное напряжение на синих светодиодах — 3,4 В, а на максимальном напряжении белых светодиодов — 3,6 В.

Как работает светодиод

Светодиод является двухпроводным полупроводниковым источником света. Это p-n переходной диод, который излучает свет при активации. Когда к выводам приложено подходящее напряжение, электроны могут рекомбинировать с электронными отверстиями внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света (соответствующий энергии фотона) определяется энергетической шириной запрещенной зоны .

Материал, используемый в светодиодах, в основном алюминий-галлий-арсенид (AlGaAs). В своем первоначальном состоянии атомы этого материала прочно связаны. Без свободных электронов проводимость электричества здесь становится невозможной.

При добавлении примеси, которая известна как легирование, вводятся дополнительные атомы, что эффективно нарушает баланс материала.

Эти примеси в виде дополнительных атомов способны либо обеспечивать свободные электроны (N-тип) в системе, либо высасывать некоторые из уже существующих электронов из атомов (P-тип), создавая «дыры» на атомных орбитах. В обоих случаях материал становится более проводящим. Таким образом, под воздействием в материале N-типа электроны могут перемещаться от анода (положительный) к катоду (отрицательный) и наоборот в материале P-типа. Из-за свойства полупроводника ток никогда не будет идти в противоположных направлениях в соответствующих случаях.

Из приведенного выше объяснения ясно, что интенсивность света, излучаемого источником (в данном случае светодиодом), будет зависеть от уровня энергии испускаемых фотонов, который, в свою очередь, будет зависеть от энергии, выделяемой электронами, прыгающими между атомными орбитами из полупроводникового материала.

Мы знаем, что для того, чтобы заставить электрон выстрелить с более низкой орбиты на более высокую, его энергетический уровень необходимо поднять. И наоборот, если электроны вынуждены падать с более высоких на более низкие орбитали, логически энергия должна высвобождаться в процессе.

В светодиодах вышеуказанные явления хорошо используются. В ответ на P-тип легирования электроны в светодиодах движутся, падая с верхних орбиталей на нижние, высвобождая энергию в виде фотонов, то есть света. Чем дальше эти орбитали отстоят друг от друга, тем больше интенсивность излучаемого света.

Различные длины волн, вовлеченные в процесс, определяют различные цвета, производимые светодиодами. Следовательно, свет, излучаемый устройством, зависит от типа используемого полупроводникового материала.
Инфракрасный свет создается с использованием арсенида галлия (GaAs) в качестве полупроводника. Красный или желтый свет получают с использованием галлия-арсенида-фосфора (GaAsP) в качестве полупроводника. Красный или зеленый свет получается при использовании галлия-фосфора (GaP) в качестве полупроводника.

Простая светодиодная схема

На следующем рисунке показана схема простой светодиодной цепи, состоящей из 5-миллиметрового белого светодиода с источником питания 5 В.

Поскольку это белый светодиод, номинальные значения тока и напряжения следующие: типичный прямой ток составляет 20 мА, а типовое прямое напряжение составляет 2 В.

Поэтому для регулирования тока и напряжения мы использовали резистор 180 Ом.

Типы светодиодов

• Сквозные светодиоды : они доступны в различных формах и размерах, и наиболее распространенными являются светодиоды 3 мм, 5 мм и 8 мм. Эти светодиоды доступны в различных цветах, таких как красный, синий, желтый, зеленый, белый и т. Д.
• Светодиоды SMD (светодиоды для поверхностного монтажа): Светодиоды для поверхностного монтажа представляют собой специальную упаковку, которую можно легко установить на печатную плату. Светодиоды SMD обычно различаются в зависимости от их физических размеров. Например, наиболее распространенными светодиодами SMD являются 3528 и 5050.

• Двухцветные светодиоды . Следующим типом светодиодов являются двухцветные светодиоды, как следует из названия, могут излучать два цвета. Двухцветные светодиоды имеют три контакта, обычно два анода и общий катод. В зависимости от конфигурации проводов, цвет будет активирован.

• Светодиод RGB (красный — синий — зеленый): светодиоды RGB являются самыми любимыми и популярными среди любителей и дизайнеров. Даже компьютерные сборки очень популярны для реализации светодиодов RGB в корпусах компьютеров, материнских платах, оперативной памяти и так далее.

• Светодиоды высокой мощности : Светодиод с номинальной мощностью, превышающей или равной 1 Вт, называется светодиодом высокой мощности. Это потому, что нормальные светодиоды имеют рассеиваемую мощность в несколько милливатт. Мощные светодиоды очень яркие и часто используются в фонариках, автомобильных фарах, прожекторах и так далее.

Преимущества светодиодов

1. Для управления светодиодом достаточно очень низкого и тока. В диапазоне voltage- от 1 до 2 вольт. Ток — от 5 до 20 миллиампер.
2. Общая выходная будет менее 150 милливатт.
3. Время отклика очень меньше — всего около 10 наносекунд.
4. Устройство не требует нагрева и разогрева.
5. Миниатюрный по размеру и, следовательно, легкий.
6. Имеют прочную конструкцию и поэтому могут противостоять ударам и вибрациям.
7. Срок службы светодиода составляет более 20 лет.

Недостатки светодиодов:

• Небольшое превышение напряжения или тока может повредить устройство.
• Известно, что устройство имеет более широкую полосу пропускания по сравнению с .
• Температура зависит от выходной мощности излучения и длины волны.

В лампах накаливания свет получается от раскаленной до бела вольфрамовой нити, по сути - от тепла. Словно раскаленные угли в печи, подогреваемой тепловым действием электрического тока, когда электроны быстро-быстро колеблются и сталкиваются с узлами кристаллической решетки проводящего металла, при этом излучают видимый свет, на который приходится, однако, всего менее 15 % всей затрачиваемой электрической энергии, питающей лампу.

Светодиоды, в отличие от ламп накаливания, излучают свет вовсе не за счет тепла, а благодаря особенности своей конструкции, принципиально нацеленной на то, чтобы энергия тока шла именно на испускание света, причем определенной длины волны. В результате КПД светодиода, как источника света, превышает 50%.

Ток здесь проходит , при этом на переходе происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов (квантов) видимого света с определенной частотой, а значит - с определенным цветом.

Любой светодиод принципиально устроен следующим образом. Во-первых, как отмечалось выше, здесь присутствует электронно-дырочный переход, состоящий из контактирующих друг с другом полупроводников p-типа (основные носители тока - дырки) и n-типа (основные носители тока - электроны).

Когда в прямом направлении через этот переход пропускается ток, то в месте контакта полупроводников двух противоположных типов происходит переход заряда (носители заряда перескакивают между энергетическими уровнями) из области с одним типом проводимости - в область с другим типом проводимости.

При этом электроны со своим отрицательным зарядом соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот то момент и рождаются фотоны света, частота которых пропорциональна разности энергетических уровней атомов (высоте потенциального барьера) между веществами с двух сторон от перехода.

Конструктивно светодиоды бывают различных форм. Наиболее простая форма - пятимиллиметровый корпус - линза. Такие светодиоды часто можно встретить в качестве индикаторных на различной бытовой технике. Сверху корпус светодиода имеет форму линзы. Снизу внутри корпуса установлен параболический рефлектор (отражатель).

На рефлекторе находится кристалл, который излучает свет в месте прохождения тока через p-n-переход. От катода - к аноду, с рефлектора - в сторону тонкой проволочки электроны движутся через кубик - кристалл.

Этот полупроводниковый кристалл - главный элемент светодиода. Здесь он имеет размер 0,3 на 0,3 на 0,25 мм. Кристалл соединяется с анодом перемычкой из тонкой проволоки. Полимерный корпус представляет собой одновременно прозрачную линзу, которая фокусирует свет в определенном направлении, при этом получается ограниченный угол расхождения светового пучка.

На сегодняшний день доступны светодиоды всех цветов радуги, начиная от ультрафиолетового и белого, заканчивая красным и инфракрасным. Наиболее распространены: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и белый цвета светодиодов. И цвет свечения здесь определяется отнюдь не цветом корпуса!

Цвет зависит от длины волны фотонов, излучаемых на p-n-переходе. Например красный цвет красного светодиода имеет характерную длину волны от 610 до 760 нм. Длина волны, в свою очередь, зависит от материала, который использовался в производстве конкретного для данного светодиода. Так, для получения цвета от красного до желтого, применяют примеси алюминия, индия, галлия и фосфора.

Для получения цветов от зеленого до голубого - азот, галлий, индий. Для получения белого цвета, к кристаллу добавляют специальный люминофор, который преобразует синий цвет в белый при помощи .

Устройства для освещения с помощью светодиодов последние годы наступают победным маршем. На прилавках магазинов большой выбор китайских светодиодных фонариков, по цене не на много превышающих стоимость входящих в них батареек, которые светят ярче и долше чем их аналоги с лампочками внутри. За счет чего светодиод оказался в столь выигрышном положении?

Для тех, кто не в курсе: светодиод - это такой полупроводниковый прибор, в котором электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение. Диод - то есть ток пропускать он способен только в одном направлении (см. статью Как работает диод) Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на токонепроводящей подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Для повышения жизнестойкости пространство между кристаллом и пластиковой линзой заполнено прозрачным силиконом. Алюминиевая основа служит для отвода избыточного тепла. Которого, надо сказать, выделяется совсем небольшое количество.

Свечение в полупроводниковом кристалле возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Область p-n-перехода, образуется контактом двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Чтобы p-n-переход стал излучать свет, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Чтобы соблюсти оба условия, зачастую одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и производители вынуждены идти на изготавление многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур.

Очевидно, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче, поскольку чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Однако, из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод нагревается и при большом токе может сгореть - расплавятся подводящие провода или будет пережжен сам полупроводник.

В отличие от ламп накаливания, электрический ток в светодиодах преобразуется непосредственно в световое излучение, при небольшом количестве потерь на нагревание. В результате светодиоды на несколько порядков более экономичны и незаменимы в тех приборах, где нагревание недопустимо. Особенностью светодиода является излучение в узкой части спектра. За это он полюбился дизайнерам для изготовления световой рекламы и декорирования помещений. УФ- и ИК-излучения, как правило, в светодиодах отсутствуют. Светодиод обладает высокой механической прочностью и надежностью. Срок службы светодиода достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 - 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Единственный недостаток технологии - высокая стоимость. На данный момент цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем люмена излученного лампой накаливания. Впрочем производители прогнозируют снижение этого показателя в ближайшие годы в 10 раз.

Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х - 70-х годах прошлого столетия. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Долго не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета. Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Голубые светодиоды удалось изготовить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. Однако, у светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и оказались недолговечны. Первый голубой светодиод удалось изготовить на основе пленок нитрида галлия на сапфировой(!) подложке.

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих - 35%. Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Белый света от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый - смешать цвета по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы. Третий способ - это когда желто-зеленый или зелено-красный люминофор наносятся на голубой светодиод. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Получается целый осветительный комплекс, которым можно управлять вручную или посредством программы. Такие эффекты широко используются дизайнерами и производителями елочных гирлянд и аналогичных устройств. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Недостатком системы является неодинаковый цвет в центре светового пятна и по краям. Кроме этого, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения - суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки их: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы - у них разные области применения. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Яркость светодиодов регулируется не за счет снижения напряжения питания, а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для этого необходим специальный управляющий блок. Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Светодиоды достаточно долговечны, однако срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных. Впрочем, и он составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости и с изменением цвета.

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Серьезных исследований на влияние такого освещение на зрение никогда не проводилось.

Потребность в мощных, но экономичных источниках света – это один из приоритетов сегодняшнего дня. В связи с этим растёт интерес к светодиодам, СИД или LED-лампам.

Производители называют их самыми долговечными (от 25 до 100 тыс. часов работы), и обещают экономичность в 5, а то и 10 раз превышающую классическую лампу накаливания.

Кроме того, LED технологии дают огромный простор для дизайна освещения, поскольку могут быть самых разных форм и размеров. Выпускаются в виде гибких лент с разным цветом свечения и возможностью плавно менять яркость и цвет.

Чем же так хороши лампы светодиодные? Принцип работы, виды, схемы, особенности, и всё, что нужно знать, выбирая LED, в статье далее.

Рассмотрим, как работает светодиодная лампа. Светодиодные кристаллы являются полупроводниками. Они испускают свет при пропускании через них электрического тока в одном направлении.

Многих интересует, при какой температуре работают светодиодные лампы. От лампы накаливания, которая чтобы засветиться должна накалиться более чем до 2000 °C, здесь есть принципиальное отличие.

Простая схема диодной лампы

Свет получается за счёт движения свободных электронов, которые стремятся от минуса к плюсу (к дыркам). Температура нагрева светодиода всего 38 °C.

Лампа накаливания тратит 96 % потреблённой энергии на разогрев вольфрама. У светодиода на нагрев уходит 4 % энергии.

Конструкция ламп на светодиодах

Лед-лампочек огромное множество видов, все они очень непохожи внешне друг на друга. И технологии продолжают развиваться, так что видовое разнообразие в будущем будет только возрастать. Но базовый состав элементов и принцип работы примерно одинаков для всех них.

В конструкцию лампы входит:

• Цоколь. Элемент, вкручивающийся в патрон должен ему соответствовать. Цоколи могут быть резьбовыми и штырьковыми. Существ более 10 видов цоколей, с которыми выпускаются светодиоды. Подробнее о них в разделе «Выбор цоколя».
• Основание цоколя. Полимерное основание защищает корпус от пробоя тока.
• Драйвер. На миниатюрной печатной плате располагаются устройства, обеспечивающие стабилизацию напряжения, преобразование переменного тока в постоянный.
• Радиатор. Это ребристый элемент, предназначенный для отвода тепла от светодиодов. Ведь отличие светодиодов от всех остальных типов ламп в том, что их зона максимальной температуры располагается внутри, под чипами светодиодов. Промежуточным звеном здесь является металлическая плата, которая передаёт тепло дальше на радиатор. Хорошее «проветривание» – важное условие для долговечной работы светодиода.
• Светодиоды. Полупроводниковый многослойный кристалл с основой для подключения питания. В одном осветителе их может быть от нескольких штук до нескольких десятков.
• Рассеиватель. Призван распределять свет от кристалла. Это может быть направленный пучок, или полусфера, рассеивающая свет под большим углом. Поскольку светодиоды не греют рассеиватель, его делают из поликарбоната или пластика.

Конструкция светодиодной лампочки

В «составе» светодиодной лампы нет стекла и опасных элементов (ртути, свинца и т. д.).

В отличие от обычных энергосберегающих лампочек, для LED не требуется специальная утилизация! Они более прочны и могут «пережить» падение с небольшой высоты.

Схемы светодиодных источников света

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

Понадобятся:

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

Простая схема источника питания светодиодной лампы

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

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

Мощный свет от прожектора очень удобен для освещения дачного участка или двора. – руководство по самостоятельному монтажу.

Почему часто перегорают лампочки и можно ли этого избежать, вы узнаете, прочитав .

Схему подключения лампы дневного света вы найдете .

Виды светодиодных ламп

Питание 4 В

Отдельные светодиоды могут использоваться для шопмоддинга, или любителями самодельных альтернативных источников энергии, например для запитывания от маломощных ветряных установок, для ремонта при замене вышедших из строя элементов в лампах и т. д. Выпускаются светодиоды рассчитанные на напряжение от 1 до 4,5 В и дающие разный цвет, от инфракрасного до ультрафиолетового.

Световая температура ламп

Питание 12 В

Лампы, с напряжением 12 Вольт относятся к категории безопасного оборудования, не способного причинить серьёзного вреда человеку, поэтому их можно применять в помещениях с повышенной влажностью. А также в спальнях, детских, погребах и кухнях.

Такие лампы выпускают в основном в безцокольном штырьковом исполнении.

Усложняет процесс монтажа лампочек то, что требуется специальное устройство, блок питания, который будет понижать напряжение сети с 220 до 12 В. Кроме того, такое устройство в цепи берёт на себя часть энергии, а КПД падает. А любое дополнительное устройство – это потенциально слабое звено, которое может выйти из строя.

Лампочка 12W

Обратить внимание на 12-вольтовые лампы стоит потребителям автономных и альтернативных источников энергии (солнечных батарей, ветряков и т. д.), а также автолюбителям и путешественникам, тем, кто организовывает освещение любого помещения от аккумуляторов.

Питание 220 В

Светодиоды, рассчитанные на 220 В уже снабжены всем необходимым для стабилизации напряжения (сложностью внутренних деталей и технологии их производства, объясняется высокая цена ламп). Такие осветители – самые распространённые среди обычных потребителей электроэнергии.

Также существует деление по назначению светодиодов:

1. Осветительные.
2. Индикаторные.

Последние, – маломощные источники света, пригодные только для подсветки дисплеев электроприборов и индикаторов в технике.

По способу сборки выделяются следующие типы:

• DIP – состоит из кристалла и линзы над ним. Выводов у DIP-светодиода, два.
• «Пиранья» – кристалл, линза, но выхода – четыре. Надёжнее монтируется, лучше отводит тепло.
• SMD – поверхностный светодиод. Малые размеры, хороший теплоотвод, большое разнообразие вариантов исполнения. На сегодняшний день – это самые востребованные приборы.
• СОВ – чип, встроенный в плату. Высокая интенсивность света. Контакты защищены от чрезмерного нагрева и окислительных процессов.

Как выбрать светодиодную лампу

Форма

Для декоративной люстры подойдёт свечевидная форма, или так называемая «кукуруза». Особенно если патроны направлены вверх.

В плафонах хорошо смотрятся шарообразные и грушевидные осветители.

Рефлекторы создают акцентное освещение.

Выбор цоколя

Список распространённых цоколей для светодиодных ламп:

• E27 Самый привычный цоколь Эдисон диаметром 27 мм.
• E14 Народное название «Миньон». Винтовой Эдисон 14 мм. Ставят на маломощные лампы.
• E40 применяется для крупных мощных ламп (в основном для уличного освещения).

Штырьковые модели (безцокольные) G для галогеновых ламп, также скопированы и в светодиодных устройствах, чтобы заменить ими галогены.

• G4 – для миниатюрных ламп.
• GU5.3 – ими оснащены популярные лампы MR16 для мебели и потолков. Такие же, как галогеновые MR16.
• GU10 – похожий на предыдущий, только с расстоянием между контактами в 10мм. Примечательная особенность – увеличенный диаметр на кончиках штырьков.
• GX53 – светильники, встраиваемые и накладные для потолков и мебели, которые имеют плоскую широкую форму.
• G13 – цоколь, аналогичный линейным люминесцентным лампам. Поворотный цоколь, применялся в аналогичных трубчатых лампах T8.

Времена, когда все пользовались лампами накаливания, давно прошли. Сегодня в продаже можно найти самые разные – люминесцентные, светодиодные, галогенные и другие.

Устройство люминесцентной лампы разберем .

Пульсация

Чем меньше мерцание лампочки, тем лучше для глаз человека. Особенно этот показатель важен, когда речь идёт о выборе освещения для рабочего места. Существуют специальные измерительные приборы, показывающие уровень пульсации в цифровом обозначении. Но если прибора нет.

Определить мерцание можно двумя бытовыми методами:

1. Поднести к лампочке карандаш и быстро подвигать им из стороны в сторону. Если глаз отчётливо видит несколько карандашей – лампочку можно ставить только в помещения общего назначения. Например, коридор, туалет или лестничную клетку. В стабильном, немерцающем потоке, будет видно карандаш в крайних точках и размытое изображение между ними.
2. Навести на лампу камеру любого цифрового устройства. Хорошие лампочки светят ровно, а мерцающие дают тёмные полосы на экране. Глаза будут утомляться от такого освещения.

Радиатор

Как уже говорилось, хорошее отведение тепла – залог долгой работы лампочки.

Радиатор должен быть выполнен из алюминия.

Однако стремясь к неоправданной экономии, некоторые производители делают пластиковый радиатор и покрывают его серебристой краской.

При покупке слегка постучите по радиатору металлическим предметом. По звуку можно определить, какой использован материал.

Интенсивность свечения

Диммируемые лампы (светодиодные лампы работающие с диммером) можно регулировать по яркости, приглушая или добавляя света. О том, что лампочка способна на это, скажет пиктограмма в виде регулятора, на упаковке.

Заключение

Если Вы задаётесь вопросом: «Что я могу сделать для окружающей среды?», одним из ответов может быть переход на LED-оборудование! Будущее – за светодиодными лампами! Они бережно расходуют ресурсы, безопасны, просты в утилизации и экономически выгодны своему владельцу. К тому же заоблачные цены на них, будут снижаться с наращиванием объёмов производства. Уже сейчас стоимость LED приближается к обычной энергосберегающей.

Видео на тему