Как устроена и из чего состоит светодиодная лампа

Как устроена и как работает светодиодная лампа

Устройство LED-лампы

Пользователям, желающим ознакомиться с тем, что это такое, придется разобраться с конструкцией и принципом работы светодиодной лампочки. Прежде всего, классический LED светильник представляет собой сборное устройство, состоящее из следующих основных узлов (фото ниже):

  • Нескольких светодиодных излучателей, размещенных на теплоотводящей алюминиевой подложке (радиаторе).
  • Матового куполообразного рассеивателя, конструкция которого обеспечивает равномерность распределения светового потока.
  • Электронного преобразователя (драйвера), снабжающего LED светодиоды питанием нужного качества.
  • Стандартного цоколя (E14, E 27, E 40 и других типов).

Важно! В простейших моделях лампочек от китайского производителя может устанавливаться один мощный светодиод.

При рассмотрении различных вариантов исполнения светодиодных лампочек важно научиться различать их по величине питающего напряжения.

Принцип действия

Принцип работы лампочки на светодиодах представляется как ряд преобразований, обеспечивающих свечение входящих в ее состав излучателей. При подаче питающего напряжения на цоколь сначала оно поступает на драйвер, назначение которого как раз и состоит в приведении высокого напряжения к приемлемому для LED ламп виду.

Чтобы кратко описать этот способ энергообеспечения, достаточно обратиться к следующей схеме:

Если выражаться простыми словами – ее работа может быть представлена так:

  1. Сначала переменное напряжение подается на диодный мост, где частично выпрямляется.
  2. Следующая за ним электролитическая емкость предназначена для сглаживания пульсаций.
  3. После этого полностью выпрямленное напряжение подается на контроллер, управляющий работой LED лампы.
  4. С электронного модуля оно через развязывающий импульсный трансформатор поступает непосредственно на светодиоды.

Важно! При ответе на нередко задаваемый вопрос: для чего нужна такая развязка, ответим – ее наличие частично снижает угрозу поражения высоким напряжением при работе с цоколем лампы.

Принцип действия LED лампочки на 12 Вольт намного проще, поскольку для преобразования напряжения потребуется типовой блок питания и ничего больше. А это, в конечном счете, снижает стоимость всего изделия в целом.

Различия по типу питания

В соответствие с этим параметром известные образцы LED ламп подразделяются на следующие модификации:

  • со светодиодами, рассчитанными на 220 Вольт.
  • работающие от пониженного и выпрямленного напряжения 12 Вольт.

Первые в этом списке источники света работают в типовых электросетях и включаются подобно обычным лампам накаливания.

Светодиодные лампы, рассчитанные на 12 Вольт постоянного тока, благодаря низкому напряжению и широкому выбору цоколей, относятся к универсальным изделиям.

Для работы таких ламп потребуется специальный блок питания, понижающий переменное сетевое напряжение до постоянной величины 12 Вольт.

Область применения

При рассмотрении вопроса о том, где применяются светодиодные лампы, потребуется отдельный подход к различным образцам. Изделия, включаемые непосредственно в сеть 220 Вольт, эксплуатируются как обычные лампы (люминесцентные или накаливания) с соответствующим цоколем. В отличие от них низковольтные светодиодные осветители используются в самых различных целях, начиная от точечного освещения при обустройстве натяжных потолков и заканчивая организацией наружной и внутренней подсветки. Отдельные образцы позиционируются как автомобильные лампочки, устанавливаемые в большинстве моделей современного автотранспорта.

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:

  1. В помещениях повышенной влажности (например, при обустройстве светодиодной подсветки зеркала в ванной).
  2. В условиях высокой пожарной и взрывоопасности.
  3. При обустройстве подсветок различного вида.
  4. В складах и подвальных помещениях.
  5. 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.

Виды ламп и оценка их качества

С технической точки зрения все рассмотренные светодиодные лампы различаются по следующим показателям:

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

По конструктивным особенностям, влияющим на надежность данного образца и его стоимость, LED лампочки подразделяются на фирменные изделия и на дешевые китайские образцы. Последние из них имеют более простое устройство и не отличаются высокой надежностью.

Конструктивные отличия брендовых изделий от китайского ширпотреба проявляется в таких деталях как наличие «мощного» теплового отвода и качественно оформленные рассеиватель и цоколь.

Любая лампочка на светодиодах, представленная на рынке, рассматривается пользователем двояко: со стороны ее надежности (качества) и с точки зрения издержек на покупку. При таком подходе к приобретению осветителей выбор остается за самим покупателем. В заключение отметим, что светодиоды позволяют на практике реализовать принцип экономии электроэнергии в бытовых условиях. Благодаря особенностям их устройства и функционирования удается сберечь часть средств, расходуемых на осветительные нужды.

Теперь вы знаете, что такое светодиодная лампа, как она устроена и как работает. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Как устроена светодиодная лампа и принцип ее работы

Задача снижения количества потребляемой энергии перестала быть только технической проблемой и перешла в область стратегического направления политики государств. Для рядового потребителя эта титаническая борьба выливается в то, что его просто насильно заставляют переходить от привычной и простой как яйцо лампы накаливания к другим источникам света. Например, к светодиодным лампам. Для большинства людей вопрос о том, как устроена светодиодная лампа сводится только к возможности ее практического применения – можно ли ее вкрутить в стандартный патрон и подключить к бытовой сети 220 вольт. Небольшой экскурс по принципам ее действия и устройству поможет сделать вам осознанный выбор.

Почему она светит?

Принцип работы светодиодной лампы основан на гораздо более сложных физических процессах, чем той, которая испускает свет посредством раскаленной металлической нити. Он настолько интересен, что есть смысл познакомиться с ним поближе. В его основе феномен испускания света, возникающем в точке соприкосновения двух разнородных веществ при прохождении через них электрического тока.

Самое парадоксальное в этом то, что материалы, используемые для провокации эффекта излучения света, вообще не проводят электрического тока. Один из них, например, кремний – вещество вездесущее и перманентно попираемое нашими ногами. Эти материалы пропустят ток, да и то в одну сторону (потому они и названы полупроводниками), только если их соединить вместе. Для этого в одном из них должны преобладать положительно заряженные ионы (дырки), а в другом – отрицательные (электроны). Их наличие или отсутствие зависит от внутренней (атомной) структуры вещества и неспециалисту не стоит заморачиваться вопросом разгадывания их природы.
Возникновение электрического тока в соединении веществ с преобладанием дырок или электронов – только половина дела. Процесс перехода одного в другое сопровождается выделением энергии в виде тепла. Но в середине прошлого века были найдены такие механические соединения веществ, у которых выделение энергии сопровождалось еще и свечением. В электронике устройство, которое пропускает ток в одном направлении, принято называть диодом. Полупроводниковые приборы, созданные на основе материалов, которые умеют испускать свет, названы светодиодами.
Первоначально эффект испускания фотонов из соединения полупроводников был возможен лишь в узкой части спектра. Они светились красным, зеленым или желтым. Сила этого свечения была чрезвычайно мала. Светодиод использовался лишь как индикаторная лампа очень долго. Но сейчас найдены материалы, соединение которых излучает свет гораздо большей силы и в широком диапазоне, почти полном видимом спектре. Почти, потому что какая-то длина волны в их свечении преобладает. Поэтому есть лампы с преобладанием синего (холодного) и желтого или красного (теплого) свечения.

Теперь, когда вам в общих чертах понятен принцип работы светодиодной лампы, можно перейти к ответу на вопрос про устройство светодиодных ламп на 220 В.

Конструкция ламп на светодиодах

Внешне источники света, использующие эффект испускания фотонов при прохождении электрического тока через полупроводник, почти не отличаются от ламп накаливания. Главное то, что у них есть привычный металлический цоколь с резьбой, который в точности повторяет все типоразмеры ламп накаливания. Это позволяет ничего не менять в электрооборудовании помещения для их подключения.
Однако внутреннее устройство светодиодной лампы 220 вольт очень сложное. Она состоит из следующих элементов:

1) контактного цоколя;

2) корпуса, одновременно играющего роль радиатора;

3) платы питания и управления;

4) платы со светодиодами;

5) прозрачного колпака.

Плата питания и управления

Разбираясь как устроены светодиодные лампы 220 вольт, в первую очередь стоит понять, что полупроводниковые элементы не могут быть запитаны от переменного тока и напряжения такой величины. Иначе они попросту сгорят. Поэтому в корпусе этого источника света обязательно находится плата, которая снижает напряжение и выпрямляет ток.
От устройства этой платы во многом зависит долговечность лампы. Точнее, какие элементы стоят на ее входе. В дешевых, кроме резистора перед выпрямляющим диодным мостом, ничего нет. Нередко случаются чудеса (обычно в лампах из Поднебесной), когда нет даже этого резистора и диодный мост напрямую подключен к цоколю. Такие лампы светят очень ярко, но срок их службы чрезвычайно низок, если они не подключены через стабилизирующие устройства. Для этого можно использовать, например, балластные трансформаторы.

Наиболее распространены схемы, в которых в цепи питания управляющей схемы лампы создан сглаживающий фильтр из резистора и конденсатора. В самых дорогих светодиодных лампах блок питания и управления построен на микросхемах. Они хорошо сглаживают броски напряжений, но их рабочий ресурс не слишком высок. В основном, из-за невозможности наладить эффективное охлаждение.

Плата светодиодов

Как бы ученые ни старались, изобретая все новые вещества с высокой эффективностью излучения в видимой части спектра, принцип работы светодиодной лампы остается прежним, и каждый её отдельный светящийся элемент очень слаб. Чтобы достичь требуемого эффекта, их группируют по несколько десятков, а иногда и сотен штук. Для этого используется плата из диэлектрика, на которую нанесены металлические токопроводящие дорожки. Она очень похожа на те, что используются в телевизорах, материнских платах компьютеров и других радиотехнических устройствах.
Плата светодиодов выполняет еще одну важную функцию. Как вы уже заметили, в блоке управления нет понижающего трансформатора. Поставить его, конечно, можно, но это приведет к увеличению габаритов лампы и ее стоимости. Проблема понижения питающего напряжения до номинала, являющегося безопасным для светодиода, решается просто, но экстенсивно. Все светящиеся элементы включены последовательно, как в елочной гирлянде. Например, если в цепь 220 вольт включить последовательно 10 светодиодов, то каждому достанется 22 V (правда, величина тока при этом останется прежней).
Недостатком этой схемы является то, что перегоревший элемент обрывает всю цепь и лампа перестает светить. У нерабочей лампы из десятка светодиодов могут быть неисправными лишь один или два. Есть умельцы, которые перепаивают их и живут спокойно дальше, но большинство неискушенных пользователей выбрасывают всё устройство на помойку.

Кстати, утилизация светодиодных ламп – отдельная головная боль, поскольку смешивать их с обычным бытовым мусором нельзя.

Прозрачный колпак

В основном этот элемент играет роль защиты от пыли, влаги и шаловливых ручек. Однако есть у него и утилитарная функция. Большинство колпаков светодиодных ламп выглядят матовыми. Это решение могло бы показаться странным, ведь сила излучения светодиода ослабляется. Но его полезность для специалистов очевидна.
Колпак матовый потому, что на его внутреннюю стороны нанесен слой люминофора – вещества, начинающего светиться под воздействием квантов энергии. Казалось бы, тут, что называется, масло масляное. Но люминофор имеет спектр излучения в несколько раз более широкий, чем у светодиода. Он приближен к естественному солнечному. Если оставить светодиоды без такой «прокладки», то от их свечения глаза начинают уставать и болеть.

Читайте также:  Способы индивидуальной защиты от поражения электрическим током

В чем выгода таких ламп

Теперь, когда вы уже многое знаете о том, как работает светодиодная лампа, стоит остановиться и на ее преимуществах. Главное и бесспорное – низкое энергопотребление. Десяток светодиодов дает излучение той же силы, что и традиционная лампа накаливания, но при этом полупроводниковые приборы потребляют в несколько раз меньше электричества. Есть и еще одно преимущество, но оно не столь очевидно. Лампы с таким принципом работы более долговечны. Правда, при условии, что питающее напряжение будет максимально стабильно.

Нельзя не упомянуть и о недостатках таких ламп. В первую очередь это касается спектра их излучения. Он значительно отличается от солнечного – того, что человеческий глаз привык воспринимать тысячелетиями. Поэтому для дома выбирайте те лампы, которые светят желтым или красноватым (теплым) и имеют матовые колпаки.

Как устроена светодиодная лампа и принцип ее работы

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.

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.

Устройство и принцип работы светодиодной лампы

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.

Читайте также:  Как соединить розетки шлейфом своими руками: сколько можно подключить

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.

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.

Ремонт светодиодных ламп

Схема светодиодной лампы

Сравнение светодиодных ламп и ламп накаливания

Светодиодные лампы нового поколения

Светодиодные лампы преимущества и недостатки

Как устроены светодиодные лампы

В статье рассказывается об устройстве светодиодных ламп. Рассматриваются несколько разных по сложности схем и даются рекомендации по самостоятельному изготовлению светодиодных источников света, подключаемых к сети 220 В.

Преимущества энергосберегающих ламп

Преимущества энергосберегающих ламп широко известны. В первую очередь это собственно низкое потребление энергии, а кроме того высокая надежность. В настоящее время наиболее широко распространены люминесцентные лампы. Такая лампа, потребляющая мощность 20 Ватт, дает такую же освещенность как стоваттная лампа накаливания. Нетрудно подсчитать, что экономия электроэнергии получается в пять раз.

В последнее время в производстве осваиваются светодиодные лампы. Показатели экономичности и долговечности у них намного выше, чем у люминесцентных ламп. В этом случае электроэнергии потребляется в десять раз меньше, чем лампами накаливания. Долговечность же светодиодных ламп может достигать 50-ти и более тысяч часов.

Источники света нового поколения, конечно, стоят дороже простых ламп накаливания, но потребляют значительно меньшую мощность и обладают повышенной долговечностью. Два последних показателя призваны скомпенсировать дороговизну ламп новых типов.

Практические схемы светодиодных ламп

В качестве первого примера можно рассмотреть устройство светодиодной лампы разработанной фирмой «СЭА Электроникс» с применением специализированных микросхем. Электрическая схема такой лампы показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема светодиодной лампы фирмы «СЭА Электроникс»

Еще десять лет назад светодиоды можно было использовать только в качестве индикаторов: сила света составляла не более 1,5…2 микрокандел. Сейчас появились сверхяркие светодиоды, у которых сила излучения доходит до нескольких десятков кандел.

При использовании мощных светодиодов совместно с полупроводниковыми преобразователями появилась возможность создания источников света, выдерживающих конкуренцию с лампами накаливания. Подобный преобразователь и показан на рисунке 1. Схема достаточно проста и содержит небольшое количество деталей. Это достигнуто за счет применения специализированных микросхем.

Первая микросхема IC1 BP5041 – AC/DC преобразователь. Ее структурная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема BP5041.

Микросхема выполнена в корпусе типа SIP показанный на рисунке 3.

Преобразователь, подключенный к осветительной сети 220В, обеспечивает на выходе напряжение 5В при токе около 100 миллиампер. Подключение к сети производится через выпрямитель, выполненный на диоде D1 (в принципе возможно использование мостовой схемы выпрямителя) и конденсаторе C3. Резистор R1 и конденсатор C2 устраняют импульсные помехи. Смотрите также – Как подключить светодиодную лампу к сети 220 В.

Все устройство защищено предохранителем F1, номинал которого не должен превышать указанный на схеме. Конденсатор C3 предназначен для сглаживания пульсаций выходного напряжения преобразователя. Следует заметить, что выходное напряжение не имеет гальванической развязки от сети, что в данной схеме совсем не нужно, но требует особой внимательности и соблюдения правил техники безопасности при изготовлении и наладке.

Конденсаторы C3 и C2 должны быть на рабочее напряжение не менее 450 В. Конденсатор C2 должен быть пленочным или керамическим. Резистор R1 может иметь сопротивление в пределах 10…20 Ом, что достаточно для нормальной работы преобразователя.

Использование данного преобразователя позволяет отказаться от применения понижающего трансформатора, что значительно уменьшает габариты всего устройства в целом.

Отличительной особенностью микросхемы BP5041 является наличие встроенной катушки индуктивности как показано на рисунке 2, что позволяет уменьшить количество навесных деталей и в целом размеры монтажной платы.

В качестве диода D1 подойдет любой диод с обратным напряжением не менее 800 В и выпрямленным током не менее 500 мА. Таким условиям вполне удовлетворяет широко распространенный импортный диод 1N4007. на входе выпрямителя установлен варистор VAR1 типа FNR-10K391. Его назначение защита всего устройства от импульсных помех и статического электричества.

Вторая микросхема IC2 типа HV9910 представляет собой ШИМ стабилизатор тока для суперярких светодиодов. При помощи внешнего MOSFET транзистора ток может устанавливаться в пределах от нескольких миллиампер до 1А. Этот ток задается резистором R3 в цепи обратной связи. Микросхема выпускается в корпусах SO-8 (LG) и SO-16 (NG). Ее внешний вид показан на рисунке 4, а на рисунке 5 структурная схема.

Рисунок 4. Микросхема HV9910.

Рисунок 5. Структурная схема микросхемы HV9910.

С помощью резистора R2 частота внутреннего генератора может изменяться в диапазоне 20…120 КГц. При указанном на схеме сопротивлении резистора R2 она будет около 50 КГц.

Дроссель L1 предназначен для накопления энергии в то время, когда транзистор VT1 открыт. Когда транзистор закроется, то энергия, накопленная в дросселе, через высокоскоростной диод Шоттки D2 отдается светодиодам D3…D6.

Здесь самое время вспомнить о самоиндукции и правиле Ленца. Согласно этому правилу индукционный ток имеет всегда такое направление, что его магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, которое (изменение) вызвало этот ток. Поэтому направление ЭДС самоиндукции имеет направление противоположное направлению ЭДС источника питания. Именно поэтому светодиоды включены в обратную сторону по отношению к питающему напряжению (вывод 1 микросхемы IC2, обозначенный на схеме как VIN). Таким образом светодиоды излучают свет за счет ЭДС самоиндукции катушки L1.

В данной конструкции применены 4 сверхярких светодиода типа TWW9600, хотя вполне возможно применение других типов светодиодов производства других фирм.

Для управления яркостью светодиодов в микросхеме имеется вход PWM_D, ШИМ – модуляция от внешнего генератора. В этой схеме такая функция не используется.

При самостоятельном изготовлении такой светодиодной лампы следует воспользоваться корпусом с винтовым цоколем размера E27 от негодной энергосберегающей лампы, мощностью не менее 20 Вт. Внешний вид конструкции показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Самодельная светодиодная лампа.

Хотя описанная схема достаточно проста, рекомендовать ее для самостоятельного изготовления можно не всегда: либо не удастся купить указанные на схеме детали, либо недостаточная квалификация сборщика. Некоторые просто могут испугаться: «А вдруг у меня не получится?». Для подобных ситуаций можно предложить еще несколько вариантов более простых как по схемотехнике, так и в вопросе приобретения деталей.

Читайте также:  Что делать при скачках напряжения в электросети квартиры и дома

Простая светодиодная лампа для изготовления в домашних условиях

Более простая схема светодиодной лампы показана на рисунке 7.

На этой схемы видно, что для питания светодиодов используется мостовой выпрямитель с емкостным балластом, который ограничивает выходной ток. Такие источники питания экономичны и просты, не боятся коротких замыканий, их выходной ток ограничивается емкостным сопротивлением конденсатора. Подобные выпрямители часто называют стабилизаторами тока.

Роль емкостного балласта на схеме выполняет конденсатор C1. При емкости 0,47 мкФ рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 630В. Емкость его рассчитана так, чтобы ток через светодиоды был около 20 мА, что является для светодиодов оптимальным значением.

Пульсации выпрямленного мостом напряжения сглаживаются электролитическим конденсатором C2. Для ограничения зарядного тока в момент включения служит резистор R1, который также выполняет функцию предохранителя в аварийных ситуациях. Резисторы R2 и R3 предназначены для разряда конденсаторов C1 и C2 после отключения устройства от сети.

Для уменьшения габаритов рабочее напряжение конденсатора C2 выбрано всего 100 В. В случае обрыва (перегорания) хотя бы одного из светодиодов конденсатор C2 зарядится до напряжения 310 В, что неизбежно приведет к его взрыву. Для защиты от подобной ситуации этот конденсатор зашунтирован стабилитронами VD2, VD3. Их напряжение стабилизации может быть определено следующим образом.

При номинальном токе через светодиод в 20 мА на нем создается падение напряжения в зависимости от типа в пределах 3,2…3,8 В. (Подобное свойство в некоторых случаях позволяет использовать светодиоды в качестве стабилитронов). Поэтому нетрудно подсчитать, что если в схеме используется 20 светодиодов, то падение напряжения на них составит 65…75 В. Именно на таком уровне будет ограничено напряжение на конденсаторе C2.

Стабилитроны следует выбрать так, чтобы суммарное напряжение стабилизации было несколько выше падения напряжения на светодиодах. В этом случае при нормальном режиме работы стабилитроны будут закрыты, и на работу схемы влиять не будут. Указанные на схеме стабилитроны 1N4754A имеют напряжение стабилизации 39 В, а включенные последовательно – 78 В.

При обрыве хотя бы одного из светодиодов стабилитроны откроются и напряжение на конденсаторе C2 будет стабилизировано на уровне 78 В, что явно ниже рабочего напряжения конденсатора С2, поэтому взрыва не произойдет.

Конструкция самодельной светодиодной лампы показана на рисунке 8. как видно из рисунка она собрана в корпусе от негодной энергосберегающей лампы с цоколем Е-27.

Печатная плата, на которой размещаются все детали выполняется из фольгированного стеклотекстолита любым из доступных в домашних условиях способов. Для установки светодиодов на плате просверлены отверстия диаметром 0,8 мм, а для остальных деталей 1,0 мм. Чертеж печатной платы показан на рисунке 9.

Рисунок 9. Печатная плата и расположение деталей на ней.

Расположение деталей на плате показано на рисунке 9в. Все детали, кроме светодиодов устанавливаются со стороны платы, где нет печатных дорожек. На этой же стороне устанавливается перемычка, также показанная на рисунке.

После установки всех деталей со стороны фольги устанавливаются светодиоды. Монтаж светодиодов следует начинать от средины платы, постепенно передвигаясь к периферии. Светодиоды должны быть запаяны последовательно, то есть плюсовой вывод одного светодиода соединяется с отрицательным выводом другого.

Диаметр светодиода может быть любым в пределах 3…10 мм. При этом следует выводы светодиодов оставлять длиной не менее 5 мм от платы. В противном случае светодиоды можно просто перегреть при пайке. Длительность пайки, как рекомендуют во всех руководствах, не должна превышать 3-х секунд.

После того, как плата будет собрана и налажена, ее выводы надо подпаять к цоколю, а саму плату вставить в корпус. Кроме указанного корпуса возможно применение более миниатюрного корпуса, однако при этом придется уменьшить размеры печатной платы, не забывая, однако, о габаритах конденсаторов С1 и С2.

Самая простая схема светодиодной лампы

Такая схема показана на рисунке 10.

Рисунок 10. Самая простая схема светодиодной лампы.

Схема содержит минимальное количество деталей: всего 2 светодиода и гасящий резистор. На схеме видно, что светодиоды включены встречно – параллельно. При таком включении каждый из них защищает другой от обратного напряжения, которое у светодиодов невелико, и напряжение сети явно не выдержит. Кроме того такое двойное включение увеличит частоту мерцания светодиодной лампы до 100 Гц, что будет не заметно на глаз и не будет утомлять зрение. Здесь достаточно вспомнить, как в целях экономии подключали через диод обычные лампы накаливания, например, в подъездах. На зрение они действовали весьма неприятно.

Если нет в наличии двух светодиодов, то один из них можно заменить обычным выпрямительном диодом, который защитит излучающий диод от обратного напряжения сети. Направление его включения должно быть тем же, что и у недостающего светодиода. При таком включении частота мерцания светодиода составит 25 Гц, что будет заметно на глаз, как уже было описано чуть выше.

Для ограничения тока через светодиоды на уровне 20 мА резистор R1 должен иметь сопротивление в пределах 10…11 КОм. При этом его мощность должна быть не менее 5 ватт. Для уменьшения нагрева его можно составить из нескольких, лучше всего трех, резисторов мощностью 2 Вт.

Светодиоды можно применить те же, что были упомянуты в предыдущих схемах или какие удастся приобрести. При покупке следует точно узнать марку светодиода, чтобы определить его номинальный прямой ток. Исходя из величины этого тока, и подбирается сопротивление резистора R1.

Конструкция лампы, собранная по этой схеме мало отличается от двух предыдущих: ее также можно изготовить в корпусе от негодной энергосберегающей люминесцентной лампы. Простота схемы даже не предполагает наличия печатной платы: детали могут быть соединены навесным монтажом, поэтому, как говорят в таких случаях, конструкция произвольная.

Как устроена светодиодная лампа?

Современное поколение стремится минимизировать свои расходы. Преимуществом светодиодного светильника является малое потребление электроэнергии. При потребляемой мощности в 10 Вт светодиодная лампа дает такую же освещенность, как лампа накаливания в 100 Вт. Этот показатель также больше в 2 раза, чем в люминесцентных лампах.

Еще одним плюсом является намного больший в сравнении с лампой накаливания рабочий ресурс. Сочетание малого потребления мощности с высокой долговечностью компенсируют высокую стоимость.

В этой статье рассмотрено устройство светодиодной лампы, которая состоит из таких элементов:

  • рассеиватель;
  • светодиод;
  • радиатор;
  • драйвер;
  • цоколь.

Схематическое изображение светодиодной лампы.

Устройство и принцип работы

Конструкция светодиодной лампы довольно сложная. Рассмотрим ее строение и назначение основных элементов.

Источником света в светодиодной лампе является светоизолирующий диод, состоящий из полупроводникового кристалла, имеющего два вывода (катод и анод) и оптической системы. Далее по тексту будет использована аббревиатура СД или LED.

Рассмотрим принцип работы светодиодной лампы. При прохождении электрического тока через полупроводник в прямом направлении, носители заряда (электроны и дырки) осуществляют рекомбинацию. В результате этого происходит оптическое излучение фотонов (из-за перехода электронов на другой энергетический уровень).

Также в лампе находится драйвер (специальная микросхема), который обеспечивает питание светодиода. Радиатор (система охлаждения) собирает и выводит излишнее тепло. Рассеиватель минимизирует потери света.

На схемах светодиоды условно обозначаются как диоды со стрелками, которые обозначают оптическое излучение (рис. 2).

Схематическое изображение светодиода

Простейшая схема LED-лампы

Особенностью схемы, изображенной на рис. 3, является 2 светодиода, работающих встречно-параллельно. В этом варианте расположения каждый светодиод выполняет защитную функцию. Препятствует поражению обратным напряжением сети другого светодиода, а также увеличивает частоту пульсации LED-лампы до значения 100 Гц. Такой показатель частоты будет благоприятно влиять на ваше зрение.

Один из СД можно заменить на выпрямительный диод, выполняющий защитную функцию. Включается он в схему в направлении заменяемого СД. В этой компоновке элементов частота пульсации СД равняется 25 Гц.
Резистор R1 должен быть мощностью не меньше 5 Вт и сопротивления 10-11 кОм. Тогда протекающий ток в СД будет равен 20 мА. Сопротивление R1 выбирается согласно величине номинального прямого тока СД.
Данную лампу возможно сделать в корпусе испорченной компактной ЛЛ.

Простейшая схема LED-лампы

Строение светодиодных устройств различных фирм-производителей

Устройство СД-ламп напряжением 220 В различных фирм-производителей имеет небольшие отличия. Весь выбор светодиодных ламп условно разделяется на несколько групп: брендовые, низкого качества и филаментные.

Брендовые продукты

Конструктивное исполнение СД-лампы от лидирующих брендов, производящих СД-изделия, обязательно включает в себя:

  • рассеиватель;
  • чипы;
  • печатная плата из алюминия на теплопроводимой пасте (гарант оптимальной температуры режима работы чипов);
  • драйвер, построенный по схеме гальванически развязанного широтно-импульсного модулятора стабилизатора тока;
  • основание цоколя, выполненное из полиэтилентерефталата. Работает как надежная защита от пробивания электрическим током;
  • латунный цоколь с никелевым покрытием. Антикоррозийный материал, создающий надежный контакт с патроном.

LED-лампа в разрезе

Главным видимым отличием лампы из этой группы является объемный радиатор, окрашенный белым полимером. Его поверхность может быть как гладкой, так и ребристой. Если сравнивать такую светодиодную лампу с более дешевыми представителями, то она имеет большую массу.

Материалом рассеивателя может быть стекло или пластик. Неизменной остается его форма – полусфера. Элементами крепежа рассеивателя к радиатору могут послужить защелки или усадка на герметик. Под ним расположена плата с SMD-светодиодами, надежно зафиксированная на радиаторе. Еще ниже размещена плата драйвера. В состав схемы драйвера входят:

  • импульсный трансформатор,
  • микросхемы,
  • полярные конденсаторы,
  • огромное количество планарных элементов.

Она имеет большую плотность манжета. Драйвер находится под корпусом лампы и является соединителем цоколя и радиатора. Связь блока драйвера с платой осуществляется посредством пайки или контактора.

Изделия низкого качества

Отличительной чертой ламп низкого качества является возможное отсутствие таких элементов, как радиатор и драйвер. Функцию драйвера выполняет простейший блок питания. Он не может преобразовать переменный ток в постоянный. Блок питания расположен в центральной части платы рядом со светодиодами. Перфорация корпуса выполняет роль радиатора в лампе. Из-за малоэффективной функции охлаждения перегрев и выход из строя СД неизбежны.

Крепеж платы к корпусу производится за счет защелки. Электрическое соединение платы с цоколем осуществляется за счет пайки. Эта конструкция является простой, но не может обеспечить надежность и продолжительную работу светодиодным лампочкам.

Филаментные лампы (ФЛ)

Разработка светодиодных ламп не стоит на месте. Следующей новинкой на рынке светотехнических изделий стала филаментная лампа.

Филаментная лампа

Дословно с английского «филамент» означает нить. Визуально эта лампа похожа на лампу накаливания. Отличительной чертой ФЛ является то, что она не требует дополнительного теплоотвода. Ее использование в быту имеет как практическое, так и эстетическое применение.

Подробнее рассмотрим строение филаментной лампы. Количество светодиодных нитей (основных элементов ФЛ) прямо пропорционально мощности лампы. Тонкий стержень из стекла, на котором расположены SMD-светодиоды, имеющие электрическую связь между собой – это и есть филамент. Желтый цвет ФЛ обусловлен нанесенным по всей длине люминофором. Теплоотвод в этом изделии осуществляется через колбу, заполненную газовой смесью.

Нередко фирмы-производители вынуждены располагать низкокачественный модуль питания в цоколе ФЛ. Это связано с недостатками конструкции филаментной лампы, что приводит к увеличению коэффициента пульсации, который отрицательно влияет на зрение. Чтобы устранить этот недостаток, ведется работа над модернизацией конструкции ФЛ. Для размещения драйвера высокого качества делается вставка из пластика в виде кольца. Она располагается между колбой и цоколем.

Ссылка на основную публикацию