Экономим на замене: ремонт светодиодных ламп своими руками. Ремонт светодиодных LED ламп на примерах

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, 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.

Рисунок 3.

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.

Более простая схема светодиодной лампы показана на рисунке 7.

Рисунок 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.

Рисунок 8.

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.

Несмотря на высокую стоимость, потребление электроэнергии полупроводниковыми светильниками (LED) намного меньше, чем у ламп накаливания, а срок службы в 5 раз больше. Схема светодиодной лампы работает при подаче 220 вольт, когда входной сигнал, вызывающий свечение, преобразуется до рабочей величины с помощью драйвера.

Светодиодные светильники на 220 В

Каким бы ни было напряжение питания, на один светодиод подается постоянное напряжение 1,8-4 В.

Типы светодиодов

Светодиод – это полупроводниковый кристалл из нескольких слоев, преобразующий электричество в видимый свет. При изменении его состава получается излучение определенного цвета. Светодиод делается на основе чипа – кристалла с площадкой для подключения проводников питания.

Чтобы воспроизвести белый свет, «синий» чип покрывается желтым люминофором. При излучении кристалла люминофор испускает собственное. Смешивание желтого и синего света образует белый.

Разные способы сборки чипов позволяют создавать 4 основных типа светодиодов:

DIP – состоит из кристалла с расположенной сверху линзой и присоединенными двумя проводниками. Он наиболее распространен и используется для подсветки, в световых украшениях и табло.
«Пиранья» – похожая конструкция, но с четырьмя выводами, что делает ее более надежной для монтажа и улучшает отвод выделяющегося тепла. Большей частью применяется в автомобильной промышленности.
SMD-светодиод – размещается на поверхности, за счет чего удается уменьшить габариты, улучшить теплоотвод и обеспечить множество вариантов исполнения. Используется в любых источниках света.
СОВ-технология, где чип впаивается в плату. За счет этого контакт лучше защищен от окисления и перегрева, а также значительно повышается интенсивность свечения. Если светодиод перегорает, его надо полностью менять, поскольку ремонт своими руками с заменой отдельных чипов не возможен.

Недостатком светодиода является его маленький размер. Чтобы создать большое красочное световое изображение, требуется много источников, объединенных в группы. Кроме того, кристалл со временем стареет, и яркость ламп постепенно падает. У качественных моделей процесс износа протекает очень медленно.

Устройство LED-лампы

В состав лампы входят:

корпус;
цоколь;
рассеиватель;
радиатор;
блок светодиодов LED;
бестрансформаторный драйвер.

Устройство LED-лампы на 220 вольт

На рисунке изображена современная LED-лампа по технологии СОВ. Светодиод выполнен как одно целое, с множеством кристаллов. Для него не требуется распайка многочисленных контактов. Достаточно присоединить всего одну пару. Когда делается ремонт светильника с перегоревшим светодиодом, его меняют целиком.

По форме лампы бывают круглыми, цилиндрическими и прочими. Подключение к сети питания производится через резьбовые или штырьковые цоколи.

Под общее освещение выбираются светильники с 2700К, 3500К и 5000К. Градации спектра могут быть любыми. Их часто используют для освещения реклам и в декоративных целях.

Простейшая схема драйвера для питания лампы от сети изображена на рисунке ниже. Количество деталей здесь минимальное, за счет наличия одного или двух гасящих резисторов R1, R2 и встречно-параллельного включения светодиодов HL1, HL2. Так они защищают друг друга от обратного напряжения. При этом частота мерцания лампы увеличивается до 100 Гц.

Простейшая схема подключения LED-лампы в сеть 220 вольт

Напряжение питания 220 вольт поступает через ограничительный конденсатор С1 на выпрямительный мост, а после – на лампу. Один из светодиодов можно заменить на обычный выпрямительный, но при этом мерцание изменится до 25 Гц, что плохо повлияет на зрение.

На рисунке ниже изображена классическая схема источника питания LED-лампы. Он применяется во многих моделях, и его можно извлекать, чтобы производить ремонт своими руками.

Классическая схема включения LED-лампы в сеть 220 В

На электролитическом конденсаторе выпрямленное напряжение сглаживается, что устраняет мерцание с частотой 100 Гц. Резистор R1 разряжает конденсатор при отключении питания.

своими руками

В простой LED-лампе с отдельными светодиодами можно сделать ремонт с заменой неисправных элементов. Она легко разбирается, если аккуратно отделить от стеклянного корпуса цоколь. Внутри располагаются светодиоды. У лампы MR 16 их 27 штук. Для доступа к печатной плате, на которой они размещены, надо удалить защитное стекло, поддев его отверткой. Порой эту операцию сделать довольно трудно.

Лампа светодиодная на 220 вольт

Прогоревшие светодиоды сразу заменяются. Остальные следует прозвонить тестером или подать на каждый напряжение 1,5 В. Исправные должны загораться, а остальные подлежат замене.

Изготовитель рассчитывает лампы так, чтобы рабочий ток светодиодов был как можно выше. Это значительно снижает их ресурс, но «вечные» устройства продавать невыгодно. Поэтому последовательно к светодиодам можно подключить ограничивающий резистор.

Если светильники моргают, причиной может быть выход из строя конденсатора С1. Его следует заменить на другой, с номинальным напряжением 400 В.

Заново светильники на светодиодах делают редко. Лампу проще изготовить из неисправной. Фактически получается, что ремонт и изготовление нового изделия – это один процесс. Для этого LED-лампу разбирают и восстанавливают перегоревшие светодиоды и радиодетали драйвера. В продаже часто бывают оригинальные светильники с нестандартными лампами, которым в дальнейшем трудно найти замену. Простой драйвер можно взять из неисправной лампы, а светодиоды – из старого фонарика.

Схема драйвера собирается по классическому образцу, рассмотренному выше. Только к ней добавляется резистор R3 для разрядки конденсатора С2 при отключении и пара стабилитронов VD2,VD3 для его шунтирования на случай обрыва цепи светодиодов. Можно обойтись одним стабилитроном, если правильно подобрать напряжение стабилизации. Если конденсатор выбрать под напряжение больше 220 В, можно обойтись без дополнительных деталей. Но в этом случае его размеры увеличатся и после того, как будет сделан ремонт, плата с деталями может не поместиться в цоколь.

Драйвер LED-лампы

Схема драйвера приведена для лампы из 20 светодиодов. Если их количество будет другим, необходимо подобрать такую величину емкости конденсатора С1, чтобы через них проходил ток 20 мА.

Схема питания LED-лампы является чаще всего бестрансформаторной, и следует соблюдать осторожность при монтаже своими руками на металлическом светильнике, чтобы не было замыкания фазы или нуля на корпус.

Конденсаторы подбираются по таблице, в зависимости от количества светодиодов. Их можно закрепить на алюминиевой пластине в количестве 20-30 шт. Для этого в ней сверлятся отверстия, и на термоклей устанавливаются светодиоды. Их пайка производится последовательно. Все детали можно разместить на печатной плате из стеклотекстолита. Они располагаются со стороны, где отсутствуют печатные дорожки, за исключением светодиодов. Последние – крепятся пайкой выводов на плате. Их длина составляет около 5 мм. Затем устройство собирается в светильнике.

Светодиодные лампы – самые дорогие осветительные приборы. Но их качество и долговечность не всегда соответствуют параметрам, указанным на упаковке. Досадно выбрасывать лампу, не отслужившую положенного срока, вложив в нее ощутимые для бюджета средства.

Если у вас есть мультиметр и навыки работы паяльником, то неисправную светодиодную лампу можно отремонтировать, сэкономив на этом средства.

Конструкция светодиодных ламп

Устройство светодиодной лампы немногим отличается от конструкции КЛЛ. На рисунке показаны узлы, входящие в состав лампы.

Рассеиватель. Предназначен для равномерного распределения светового потока в пространстве и исключения ослепления при взгляде на светодиоды.
Светодиоды.
Основание светодиодов с печатными проводниками для их последовательного соединения.
Радиатор охлаждения. Необходим для отвода тепла, выделяющегося при работе светодиодов.
Драйвер. Формирует напряжение, требующееся для работы светодиодов.
Корпус драйвера (лампы).
Цоколь.

В пояснении нуждается только функциональное назначение драйвера . Светодиод – полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него тока. Как и обычный диод, он проводит его только в одном направлении. При изменении полярности ток через него равен нулю. Как и у обычного диода, напряжение на выводах светодиода имеет величину, не превышающую нескольких вольт, и не изменяющуюся при повышении напряжения.

Поэтому при последовательном соединении светодиодов необходимая для работы величина напряжения подсчитывается умножением количества изделий на падение напряжения в прямом направлении тока через них. Его можно узнать из справочника или измерить. При подключении требуемого количества светодиодов к сети 220 В переменного тока нужно:

понизить напряжение до требуемой величины;
преобразовать из переменного в постоянное;
сгладить пульсации;
защитить драйвер и его нагрузку от замыканий;
защитить сеть от помех, образующихся при работе устройства.

Для понижения напряжения используются:

схемы с конденсатором;
схемы с понижающим трансформатором;
инверторные схемы.

Схемы с конденсатором используются в большинстве драйверов светодиодных ламп бытового применения. Они простые и дешевые, но это – их единственное достоинство. Функционально они похожи на схему с включением гасящего резистора последовательно с нагрузкой, на котором «падает» лишнее напряжение. Применение резистора нецелесообразно, так как на нем выделяется мощность, соизмеримая или большая, чем на самих светодиодах.

Конденсатор же на переменном токе выполняет ту же самую функцию – он тоже гасит напряжение. На схеме элементы C2 , C3 и R1 предназначены для понижения напряжения до требуемой величины.

Недостаток такой схемы – зависимость напряжения на нагрузке от напряжения питающей сети. Ток через светодиоды нестабилен и иногда превышает допустимые значения. В этот момент возможен выход из строя диодов.

Второй недостаток — нет гальванической развязки с сетью . При ремонте ламп не прикасайтесь к токоведущим частям . Хоть напряжение на них и не опасное, но «фаза» питающей сети может приходить напрямую.

Трансформаторные схемы применяются в мощных светодиодных лампах, инверторные – при большом количестве светодиодов или при необходимости регулировки яркости (диммируемые лампы).

Для выпрямления переменного напряжения используется диодный мост VD1 , а для сглаживания пульсаций – электролитический конденсатор С4 .

Резисторы R2 и R3 необходимы для ограничения тока в момент подачи напряжения на схему. Разряженный электролитический конденсатор имеет малое сопротивление и в первый момент времени ток через него большой. Он может вывести из строя полупроводниковые диоды выпрямителя. Дополнительно эти резисторы при коротких замыканиях играют роль предохранителей. Резистор R4 разряжает конденсатор после отключения от сети для скорейшего погасания лампы.

Детали R2 , R3 и R4 некоторые производители не устанавливают. Конденсатор С1 нужен для предотвращения проникновения помех от работы лампы в питающую сеть.

Диагностика и замена светодиодов

Прежде, чем приступить к ремонту, снимают рассеиватель. Способы демонтажа различаются в зависимости от конструкции лампы. Большая часть рассеивателей снимается отверткой, для чего ею нужно его поддеть в нескольких местах, найдя слабое место.

Светодиоды нужно осматривают: черные точки на некоторых элементах говорят об их выходе из строя. Осматривается и качество пайки – оборвавшийся контакт в последовательной цепочке светодиодов прерывает цепь их питания. То же происходит и при выходе из строя любого из диодов.

Исправность светодиодов проверяется мультиметром. Измеряется их сопротивление в прямом направлении. Оно должно быть небольшим, величина для сравнения определяется на исправных элементах. При проверке работоспособные диоды тускло светятся. Можно поверить светодиоды, подав на них напряжение от батарейки с напряжением 9 В через резистор сопротивлением 1 кОм.

Обнаруженные неисправные элементы выпаиваются из платы, и на месте их установки впаивается перемычка. При наличии лампы-донора светодиоды заменяют, или используют детали от светодиодной ленты с похожей конструкцией и характеристиками.

Выпаивают светодиоды аккуратно. Для этого сначала разогревают припой с одной стороны и удаляют его с помощью отсасывающих устройств. При их отсутствии после полного расплавления припоя на одном из выводов он удаляется путем энергичного встряхивания платы. Остатки удаляются чистым жалом (можно тоже предварительно его встряхнуть) с обильным количеством канифоли. Второй вывод отпаять уже проще.

После установки перемычки вместо диода вся лампа будет светиться тусклее. Это связано с тем, что общее сопротивление цепи хоть и незначительно, но уменьшится. Ток через лампу увеличится, в итоге на конденсаторе будет оставаться большее напряжение. При удалении одного-трех диодов это не скажется на работе лампы. Но когда их останется мало, то увеличение тока станет настолько ощутимым, что оставшиеся детали будут перегреваться, процесс выхода из строя приобретет лавинообразный характер. Поэтому при массовом характере поломки светодиодов оставьте лампу в качестве донора деталей, заменив ее новой.

Ремонт драйвера

Слабым местом драйверов являются токоограничивающие резисторы . Их проверяют в первую очередь. Заменить сгоревшие элементы можно такими же или ближайшими по величине сопротивления.

Проверка полупроводниковых диодов выпрямителя и конденсатора производится мультиметром в режиме проверки сопротивления. Однако есть более быстрый способ проверить исправность этого участка схемы. Для этого измеряется напряжение на конденсаторе фильтра. Ожидаемая величина подсчитывается путем умножения паспортного напряжения на одном диоде на их количество. Если измеренное напряжение не соответствует требуемому или равно нулю, поиск продолжается: проверяется конденсатор и диоды. Если напряжение в норме – ищите обрыв между светодиодами и драйвером.

Проверку диодов мультиметром можно провести, не выпаивая их из платы. Короткое замыкание в диоде или его обрыв будут видны. При замыкании прибор в обоих направлениях покажет ноль, при обрыве сопротивление в прямом направлении будет не соответствовать сопротивлению открытого p-n-перехода. Его вы узнаете на исправных элементах. Короткое замыкание в диодах дополнительно приводит к выходу из строя ограничительного резистора.

Ремонт трансформаторного драйвера немногим сложнее обычного. А вот с инверторным придется повозиться. Деталей в нем больше, а главное – в его состав всегда входит микросхема. Для того, чтобы сделать заключение о ее неисправности, понадобится либо изучит в деталях принцип работы драйвера, либо убедиться в исправности всех окружающих ее деталей.

В лампах применяются светодиоды в качестве источника света. Лампы на светодиодах используются для освещения улиц, в промышленности и в быту. Это самые чистые с экологической точки зрения источники освещения.

Их безопасность основана на применении в изготовлении компонентов, не имеющих вредности. Не используется ртуть, поэтому в случае перегорания или разрушения лампы на светодиодах не опасны.

Устройство, принцип действия

Основными составляющими светодиодной лампы являются:

Корпус.
Цоколь.
Драйвер.
Светодиоды.

Обозначают светоизлучающий диод буквенным сокращением СИД или СД. На английском языке его обозначение LED. Он является в составе светодиодной лампы источником света.

Схема его принципа работы совпадает с процессом любого полупроводникового диода из германия или кремния с р-n переходом. При подаче к аноду положительной разницы потенциалов, а к катоду отрицательной, происходит движение электронов к аноду, движение дырок к катоду. Ток идет по диоду в одном направлении прямо.

Но, в составе другие материалы из полупроводников, при бомбардировке которых в прямом направлении дырками и электронами осуществляют рекомбинацию, переводят их на следующий энергетический уровень. В результате выделяются фотоны, которые являются элементарными частицами излучения волн светового диапазона.

В электросхемах светодиоды обозначают как обычные диоды, добавляют к ним стрелки (излучение света).

Полупроводники имеют различные свойства излучения фотонов. Прямозонные проводники – вещества нитрид галлия и арсенид галлия прозрачны для световых волн видимого спектра. Выделение света происходит в результате замены слоев р-n перехода.

В светодиоде слои располагаются:

1 — Анод
2 — Катод
3 — Активный слой на основе In-GaN
4 — Буферный слой на основе GaN
5 — Сапфировая подложка
6 — Токопроводящий слой n-GaN
7 — Токопроводящий слой p-GaN

Имеются площадки контактов в слоях для катода и анода.

При переходе электронов в фотоны теряется энергия по следующим причинам:

Световые волны преломляются на выходе из полупроводника в месте кристалл – воздух, длина волны искажается.
Внутри слоя часть частиц света теряется, хотя слой очень тонкий.

Световой поток может повыситься, если использовать подложку из сапфира. В лампах такие конструкции нашли применение. В обычных светодиодах для индикаторов подложка не применяется.

Такие диоды имеют линзу из рефлектора, направляющего свет и эпоксидной смолы. Соответственно назначению лампы угол распространения света имеет широкий интервал от 5 до 160 градусов.

Дорогостоящие диоды для ламп производят с ламбертовой диаграммой, то есть в пространстве яркость светодиода постоянная, независимо от угла, направления света.

Размеры кристалла малы, от одного кристалла будет мало света. В лампах содержится группа светодиодов. Сделать освещение равномерным сложно, так как каждый диод – это точечный источник света.

1 — Вывод 1
2 — Корпус
3 — ЧИП
4 — Слой люминофора
5 — Проводник
6 — Рефлектор
7 — Вывод 2
8 — Теплоотвод
9 — Изолятор
10 — Печатная плата

Узкий спектр волн света от полупроводниковых диодов приводит к утомляемости глаз, дискомфорту, в отличие от солнца или ламп накаливания. Чтобы как-то исправить этот недостаток, в конструкцию светодиодов ввели слой люминофора.

Размер потока света, излучаемого полупроводниковым диодом, зависит от силы тока р-п перехода. При большем токе излучение выше, до определенного порога.

Габариты светодиодов малы, поэтому применять большие токи не получается. Ток для индикаторных диодов не превышает 20 мА. Для более мощных ламп освещения делается отвод тепла и защитные меры, которые имеют ограничения.

Поток света в лампе возрастает по мере увеличения тока, затем снижается из-за потери тепла. Выделение тепла не происходит при свечении светодиодной лампы, они считаются холодным светом.

Но, это не значит, что лампа не нагревается. Ток, проходящий через светодиод, в различных контактах проходит через сопротивления участков, что вызывает нагревание лампы. Энергия теряется из-за тепла, при повышении тока тепло может вывести из строя конструкцию лампы на светодиодах.

Кристаллы светодиодов в лампах могут достигать большого количества (более 100). Для подведения тока оптимальной величины сделаны платы из стеклотекстолита с дорожками, проводящими ток, и имеющими разную конфигурацию.

Кристаллы светодиодов припаивают к контактным площадкам по группам, последовательно подают питание, одинаковый ток пропускают по каждой цепочке. Эта схема простая в техническом плане, но имеет серьезный недостаток. Если нарушится какой-либо контакт, то перестают светить все звенья цепи, лампа выходит из строя.

К каждой группе диодов подводится напряжение постоянной величины от устройства – драйвера. Раньше он назывался источником питания. Драйвер преобразовывает напряжение входа сети в питающее напряжение светодиодов. Входное напряжение может быть как 220 В (в квартире), так и 12 В (в автомобиле).

Подключение стабилизированного постоянного тока к каждому светодиоду параллельно выполнить трудно, редко применяется. Драйверы имеют различные схемы: трансформаторная и т.д. Распространенные варианты схем зависят от конфигурации.

Драйверы имеют низкую стоимость при условии, если они подключаются к постоянному напряжению, защищенному от скачков, перепадов и импульсов, не имеют резистора, ограничивающего ток, в цепи выхода питания. Это используется в фонариках на аккумуляторах, в них светодиоды соединены с аккумуляторами.

Они запитаны повышенным током, ярко светят, перегорают довольно часто. Если в драйверах нет защиты от скачков напряжения, то дешевые лампы быстро выгорают, не отработав ресурса по гарантии.

Блоки питания качественного изготовления не нагреваются, перегруженные драйверы нагреваются, энергия расходуется на потерю тепла. Эти потери довольно значительные, они могут превышать энергию выделяемых фотонов (света).

Квартирные лампы на светодиодах имеют цоколь Е27. Он дает возможность применять лампы в обычных патронах. Импортные лампы снабжены другими цоколями, для которых нужны соответствующие патроны, с отличием в шаге резьбы и диаметре. Напряжение питания может быть 110 В. Лампы для автомобилей тоже бывают разными по конструкции цоколей.

Чтобы защитить светодиоды, не нужны герметичные колбы, не требуется выкачивать из них воздух или создавать среду газа. Светодиоды закрыты материалами из пластика, пропускающего свет.

Размещение частей на светодиодах отличается у производителей, для различных целей. Последовательность монтажа у них одинаковая: от драйвера к светодиодной плате, закрывается защитным стеклом. Могут устанавливаться экраны защиты от нагрева, и т.д.

Устройство и конструктивные особенности разных производителей может значительно отличаться в аналогичных лампах, но принципы конструирования у них общие.

Виды и применение лампы на светодиодах

По применяемости лампы на светодиодах делятся:

Для дома и офиса.
Уличные.
Прожекторы.
Автомобильные.
Лампы на светодиодах для растений (ультрафиолетовые).
Светильники для зданий.

По конструкции и световому потоку лампы на светодиодах делятся:

Общего назначения, для офисов и жилых помещений, похожи на лампы накаливания, свечи, «кукурузы».
Направленного света – для подсветки витрин, площадей.
Линейные, в виде трубки, похожи на люминесцентные лампы. Применяются для торговых залов и офисов.

По используемым типам светодиодов на:

Индикаторных диодах. К ним относятся лампы на диодах 3 мм и на «Пираньях». Качество света от таких ламп низкое.
SMD диодах, распространенные, имеют малый размер, не греются, широкое применение.
Диодах 1, 3, 5 Вт, нагрев значительный.
СОВ диодах, по новой технологии, преимущество перед другими: более надежны за счет монтажа диодов сразу на плату, равномерный световой поток, разные исполнения формы ламп.
Филаментных диодах, освещение на 360 градусов, малая цена, теплоотвод.

Разделение по типу цоколей

Широко распространены цоколи «Эдисона» с резьбой и обозначением буковой Е с цифрой. Цифра – это диаметр цоколя в мм (Е27, Е14, Е40). Цоколь G – штыревое соединение. Цифра указывает расстояние между штырями (выводами). Такие лампы подключаются только через блок питания. Цоколь Т используется для замены ламп люминесцентных, измеряется в дюймах.

Достоинства, недостатки, особенности

К достоинствам относятся:

Экономия электроэнергии, энергоэффективность, потребляют в 5 раз меньше энергии.
Срок эксплуатации, составляет для разных типов 30-50 тысяч часов работы.
Механическая прочность.
Безопасность, не содержат вредных веществ, нет сильного нагрева, применяют в любых светильниках, для натяжных потолков.
Широкий интервал температуры использования, работают до -60 градусов мороза.
Быстрый запуск, сразу светят ярко.
Надежность при частых выключениях и включениях.
Экологически безопасны, можно утилизировать с обычным мусором.

К недостаткам относится:

Большие размеры из-за технической стороны устройства.
Боятся перегрева, эффективность уменьшается, тускнеют.
Не в любую люстру могут поместиться из-за увеличенного размера.
Световой поток направленный, по бокам и сзади светит хуже.
Стоимость выше других типов ламп, с каждым годом цена снижается.

Особенности

Лампы на светодиодах состоят из платы со светодиодами, цоколя, корпуса, блока питания, колбы матовой. Ток сразу преобразуется в свет, минуя стадию нагрева, как в лампах накаливания. Потери на нагрев наименьшие, светодиоды экономичны, безопасны.

Светодиоды придуманы еще в 70-х годах, но использовались лишь в приборах, индикаторах, экранах. Светодиоды голубого цвета высокояркие изготовлены в 1993 году, белые в 1996 году. Современные светодиоды имеют отдачу света до 170 лм / Вт.

На наших с вами глазах происходит настоящая революция в освещении: мир стремительно переходит на светодиоды. Всего пять лет назад светодиодные лампы ещё были технической новинкой, а сейчас светодиодное освещение используется во всех сферах жизни: светодиодные фонари можно встретить даже в деревнях, многие офисы, отели и общественные здания освещаются светодиодными светильниками, подавляющая часть концертного и театрального освещения стала светодиодной. Лампы этого типа появляются и во многих квартирах, ведь их можно купить даже в продовольственных магазинах, а в товарах для дома их ассортимент шире, чем ламп других типов.

Светодиодная лампа — это достаточно сложное электронное устройство с несколькими десятками деталей, от которых зависит качество света, безопасность его для здоровья и долговечность лампы.

⇡ Плюсы и минусы

У светодиодных ламп много плюсов по сравнению с обычными лампами накаливания:

Экономичность — при том же количестве света современная светодиодная лампа потребляет в 7-10 раз меньше электричества.
Долговечность — светодиодная лампа служит в 15-50 раз дольше обычной.
Небольшой нагрев — ребёнок не обожжётся о светодиодную лампу в настольной лампе.
Одинаковая яркость при разном напряжении сети — в отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы светят так же ярко при пониженном напряжении в сети.
Возможность установить светодиодную лампу, гораздо более яркую, чем лампа накаливания, в светильник, имеющий ограничение по мощности.
Свет хороших ламп визуально неотличим от света ламп накаливания.

Плюсы есть и при сравнении с компактными люминесцентными (энергосберегающими) лампами (КЛЛ):

Экологичность — отсутствие опасных веществ (в колбе любой КЛЛ содержится ртуть).
Экономичность — лампа потребляет меньше энергии при том же световом потоке.
Светодиодная лампа мгновенно зажигается на полную яркость, а КЛЛ плавно набирает яркость от 20% до 100% за минуту при комнатной температуре и гораздо медленнее при низких температурах.
У КЛЛ плохой спектр, состоящий из пиков нескольких цветов. Спектр светодиодной лампы гораздо ближе к естественному освещению и свету лампы накаливания.

Но, конечно, есть и минусы:

Высокая цена.
Присутствие на рынке ламп с плохим качеством света (пульсация, плохие цветовые характеристики, некомфортная цветовая температура, несоответствие светового потока и эквивалента лампы накаливания заявленным).
Проблемы у некоторых ламп с выключателями, имеющими индикатор.
Регулировку яркости (диммирование) поддерживают только некоторые дорогие модели.

Разберёмся с экономией

Главное преимущество светодиодных ламп — экономия электричества. При том же количестве света, излучаемого лампой, светодиодная лампа потребляет в 7-10 раз меньше электроэнергии, чем обычная лампа накаливания. Уже сейчас можно купить 6-ваттные светодиодные лампы-«груши» и 4-ваттные лампы-«свечки», которые дают столько же света, сколько 60- и 40-ваттная лампа накаливания соответственно.

Я посчитал, какими будут расходы на электроэнергию при освещении двухкомнатной квартиры обычными и светодиодными лампами. Конечно, это приблизительный расчёт, но он позволяет составить представление о порядке цифр возможной экономии.

На упаковке любой лампы накаливания указан срок службы 1 000 часов. Если лампы действительно проработают 1 000 часов (к сожалению, часто они перегорают гораздо раньше), в коридоре и комнате лампы придётся поменять дважды в год, а на кухне и в спальне один раз. При стоимости лампы 30 рублей на покупку новых ламп уйдёт 690 рублей. Светодиодные лампы не придётся менять каждые полгода, ведь срок их службы составляет 15-50 тысяч часов. Это от 7 до 22 лет при использовании по 6 часов в день.

На покупку ламп для этой квартиры уйдёт 4 045 рублей (7 ламп E27 6 Вт по 240 руб., 11 "свечек" 4 Вт по 215 руб.), и окупятся они менее, чем за год.

Светодиодные и энергосберегающие лампы

Светодиодные лампы, несомненно, являются энергосберегающими, но слово "энергосберегающие" закрепилось за компактными люминесцентными лампами (КЛЛ), а КЛЛ и светодиодные лампы — совсем разные вещи.

КЛЛ появились в широкой продаже лет десять назад, и ожидалось, что они заменят лампы накаливания. Однако КЛЛ оказались тупиковой ветвью эволюции. У этих ламп много недостатков: в трубке лампы содержится ртуть, лампа медленно разгорается и совсем не светит на морозе, у КЛЛ плохой спектр, состоящий из пиков нескольких цветов.

С 1 июля 2016 года в соответствии с Постановлением Правительства РФ №898 от 28.08.2015 всем государственным и муниципальным предприятиям и учреждениям будет запрещено покупать через систему госзакупок любые лампы, содержащие ртуть (в том числе КЛЛ). Уже сейчас количество КЛЛ в магазинах постоянно снижается, и скоро они исчезнут совсем.

Сравним спектр света лампы накаливания, люминесцентной лампы и светодиодной лампы.

Спектр светодиодной лампы гораздо ближе к естественному освещению и свету лампы накаливания.

Немного истории

Впервые свечение полупроводникового перехода обнаружил в 1923 году советский физик Олег Лосев. Первые светодиоды называли "Losev Light" (свет Лосева). Сначала появился красный светодиод, затем в начале 70-х годов появились жёлтые и зеленые светодиоды. Cиний светодиод был создан в 1971-м Яковом Панчечниковым, но он был очень дорог. В 1990 году японец Суджи Накамура создал дешёвый и яркий синий светодиод.

После появления синего светодиода стало возможным делать белые источники света с тремя кристаллами (RGB). Такие источники до сих пор используются в концертном и декоративном освещении.

В 1996 году появились первые белые светодиоды, использующие люминофор. В них свет синего или ультрафиолетового светодиода преобразуется в белый с помощью специального химического вещества, нанесённого поверх светоизлучающих кристаллов.

Люминофорный светодиод

В 2005 году эффективность таких светодиодов достигла 100 лм/Вт, что позволило начать использовать люминофорные светодиоды для освещения. Сейчас самые эффективные белые светодиоды дают уже 200 лм/Вт, серийные лампы со стандартными цоколями — до 125 лм/Вт.

Виды светодиодных лампы

Светодиодные лампы повторяют все возможные виды ламп накаливания, галогенных и люминесцентных ламп. Выпускаются обычные лампы-"груши", "свечки" и "шарики" с цоколями E27 и E14, "зеркальные" лампы R39, R50 с цоколями E14, и R63 с цоколем E27, споты с цоколями GU10 и GU5.3, капсульные микролампы с цоколями G4 и G9, лампы для потолков с цоколем GX53.