светодиодных ламп, которые должны заменить собой обычные лампы Ильича. Такие лампы скоро поступят в продажу в Москве и Санкт-Петербурге.
Конечно, всё было обставлено с пафосом: первым оценил новинку В.В.Путин. Мне удалось достать лампочку от «Оптогана» одним из первых, к тому же в руках у меня оказались ещё одна лампочка российского производства («СветаLED» или «SvetaLED»), правда побитая жизнью, но рабочая, и китайский NoName, которую с лёгкостью можно купить на ebay или dealextreme.com.
Как Вы думаете, почему все так озабочены заменой ламп накаливания, которые стали символом целой эпохи, на газоразрядные и светодиодные?
Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т.е. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить - график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах.
Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело - промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т.д. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.
Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.
В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея - это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.
Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого.
Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (E g), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.
Схема расположения зон в полупроводнике. E g - запрещённая зона, E F - энергия Ферми, цифрами указано распределение электронов по состояниям при T>0
Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости n и p и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей.
На стыке полупроводников p и n типа возникающие после облучения светом заряды разделяются и «уходят» каждый к своему электроду
Теперь вернёмся к светодиодам. Получается, что можно провернуть и обратное: подключить полупроводник p-типа к плюсу на батарейке, а n-типа - к минусу, и… И ничего не произойдёт, никакого излучения в видимой части спектра не будет, так как наиболее распространенные полупроводниковые материалы (например, кремний и германий) - непрозрачны в видимой области спектра. Всему виной то, что Si или Ge являются не прямозонными полупроводниками.
Но есть большой класс материалов, которые обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются прозрачными. Яркие представители - GaAs (арсенид галия), GaN (нитрид галлия).
Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и непонятнее становится поведение светодиодов.
Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al.
Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).
Схематичное представление устройства светодиода
Есть ещё одна проблема, которая мешает реализовать 100% конверсию (преобразование 1 электрона в 1 фотон) электричества, и заключается она в том, что даже такие тонкие слои полупроводников в определённой степени поглощают свет. Даже не то, чтобы сильно поглощают, просто свет «блуждает» внутри кристалла из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе кристалл/воздух: увеличивается длина пути до выхода света из кристалла и, в конечном счёте, такой блуждающий фотон может поглотиться.
Один из путей решения - использование структурированных подложек. Например, в современной светодиодной промышленности широко используется метод формованной сапфировой подложки.
Такое микроструктурирование приводит к повышению эффективности светоотдачи всего диода.
Часть методическая
Все измерения спектров ламп были сделаны в течение 30 минут (т.е. фоновый сигнал менялся слабо) в затемнённой комнате с помощью спектрометра Ocean Optics QE65000.
Помимо 10 зависимостей на каждый вид ламп был измерен темновой спектр, который затем вычитали из спектров лампочек. Все 10 зависимостей для каждого образца суммировались и усреднялись. Дополнительно каждый итоговый спектр был нормирован на 100%.
Спектрометр Ocean Optics - отличный инструмент в умелых руках
Часть практическая
Итак, приступим. В наличии у нас есть шесть лампочек: 3 для полного разбора и ещё 3 для сравнения (так сказать контрольные образцы):
1. Лампочка Ильича
2. Лампочка Ильича М (т.е. газоразрядная лампа, формой повторяющая привычную лампочку Ильича)
3. Спираль Ильича (обычная газоразрядная лампа)
4. LED-лампа от «Оптогана»
5. LED-лампа от «СветаLED»
6. LED-лампа из Китая NoName
Все лампочки в сборе. Можем начинать!
Спектры
Ничего сверхъестественного тут мы не увидели. Лампочка Ильича безбожно пускает всё электричество в нагрев и цвет её то ли жёлтый, то ли оранжевый.
Все ртутные лампы имеют полосатый спектр, который в человеческом глазе, как одновременное включение 3 пикселов (RGB) на экране (синие линии - ~420 нм, зелёные — ~550 нм, оранжевые и красные - всё, что выше 600 нм), преобразуется в белый.
Спектр трёх лампочек сравнения (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)
А вот у светодиодных ламп спектр разительно отличается. Есть две компоненты: собственно, синяя от самого диода, и вторая, размазанная по всему спектру, - от люминофора или, по-русски, флуоресцентного красителя, который наносят на сами светодиоды и заливают сверху защитным слоем полимера. Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии (испускания) люминофора определяет цветовую температуру лампы. Мы можем видеть, что у «Оптогана» самый тёплый свет, а у Китая самый холодный.
Выгодно использовать 1 люминофор для регулирования цветовой температуры, таким образом, толщина слоя люминофора в купе с мощностью светодиода и определяет цветовую температуру. Стоит отметить, что в лампочках из Китая и от «Светланы» используется, по всей видимости, один и тот же люминофор, а вот «Оптоган» применяет свой собственный (существенное отличие максимума полосы испускания люминофора).
Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы Ильича (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)
Лампочка от Светланы нам досталась в поломанном виде, и спектр мы снимали уже без матового стекла. Однако позвольте продемонстрировать аналогичную ситуацию на примере лампы из Китая, благо их было две штуки. Нормированные спектры мало различаются между собой, а небольшое увеличение интенсивности можно списать на то, что более длинноволновое излучение лучше рассеивается на матовом стекле.
Сравнение ламп китайского производства с и без стеклянной колбы (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)
Цена, материалы и характеристики
Справа на лево: Оптоган, СветаLED и NoName Китай
Китайский NoName
Лампочка из Китая была заказана через dealextreme.com и доставлена в Россию в течение 2 месяцев (сами понимаете, Почта России). Её стоимость около 14$ или примерно 420 рублей, включая доставку. Цветовая температура 5000-6000К, что соответствует белому холодному свету.
Размеры совпадают с обычной лампочкой Ильича. Материал «колбы» — матовое стекло. На мой взгляд, идеальная замена обычной лампе накаливания, если бы цветовая температура была на 1000-2000К ниже указанной.
«Оптоган»
Лампочка была представлена простым смертным на специальной презентации. Дизайн от Артемия Лебедева , благородные материалы корпуса - поликарбонат и алюминий с фирменной символикой «Оптогана». Цветовая температура 3050 К. Очень мягкая и приятная лампа, но цена кусается - 995 рублей за штуку. Кому она нужна за такие деньги?!
Кстати, с качеством у Оптогана пока проблемы: тест на выносливость не проходит. Пару раз ввернул/вывернул и получил следующий результат:
Хлипкое крепление. Дамская лампочка, что тут ещё сказать!
«СветаLED»
LED-ламы этой фирмы пока ещё не появились на российском рынке, но говорят, что цена будет около 450-500 рублей. Однако ко мне в руки она попала, упакованной в стильную коробочку (видимо, какая-то пилотная партия), на которой значится температура 3500-4500К (это всё равно, что указать, что длина экватора от 35 000 км до 45 000 км).
Радиатор запрятан под алюминиевым колпаком (мелочь, а приятно, как будто держишь в руках обычную лампочку Ильича, только немножко «переделанную»), а вокруг алюминиевого диска со смонтированными светодиодными модулями всё обильно замазано термопастой типа КТ-8. Говорят, что «Светлана» каким-то образом относится к военным, которые, видимо, живут по принципу Джейми Хайнемана: «Сомневаешься - смажь!». К примеру, у китайской лампы термопаста нанесена только под самими светодиодными модулями.
Те, кто нещадно бил лампочки «СветаLED» и NoName из Китая говорят, что стекло довольно хрупкое, и по качеству (чисто субъективная оценка) уступает лампочкам накаливания.
Драйвер
Ниже представлены все 3 драйвера вместе. Оцените сложность исполнения каждого из них…
Сверху вниз: «Оптоган», «СветаLED» и Китай
Начнём с самого нижнего. Китайский драйвер, честно говоря, мне понравился: мощные конденсаторы, катушки, немножко преобразующей электроники (диодный мост и т.д.). Всё выполнено очень компактно, из-за чего сама лампа имеет довольно скромные размеры. Также, большим плюсом является то, что все подводящие провода длинные, т.е. реально можно «отремонтировать» лампу!
Или использовать драйвер после срока службы лампы в каких-то иных целях. Конечно, большинству обычных пользователей до этого нет дела, но всё-таки это можно отнести к потенциальным плюсам. Сама подложка со светодиодными чипами крепится на 2 миниатюрных болтика (ведь китайская же…), так что, в прямом смысле, с лампой можно обходиться как с конструктором.
Драйвер из китайской NoName LED-лампочки
Проводки действительно очень длинные…
Лампа производства компании «Оптоган» имеет очень сложный драйвер с твердотельными конденсаторами и, как меня убеждали специалисты, с импульсным блоком питания (хотя все светодиодные лампы должны иметь такой блок питания). При этом сам драйвер наравне со светоизлучающим модулем является «фишкой» фирмы и её основной гордостью. Ходят слухи, что компания будет вести R&D в области минимизации этого драйвера и, возможно, в ближайшем будущем уменьшит размер своей гигантской лампочки до приемлемых размеров.
Гордость «Оптогана» - драйвер и светоизлучающий модуль - рядом с главным фейлом - цоколем
«СветаLED». Назвать это драйвером язык не поворачивается. Даже у Китая есть какие-то «плюшки», которые улучшают потребительские свойства лампы (например, защищают от мигания), но здесь нет ничего ровным счётом, кроме диодного моста, предохранителя, огромнейшего конденсатора (10 мкФ, 450 В - много это или мало?! стоит сказать, что энергии, запасённой в конденсаторе, хватает на то, чтобы лампочка светила 1,5 минуты после отключения питания) и, по всей видимости, коммутатора нагрузки. Всё настолько просто и примитивно, что я сначала был слегка удивлён. Истинное детище сумрачного российского гения …
Тоже гордость…сумрачного российского гения
Возможно, что простота исполнения - козырь лампочки «СветаLED». Мерцания с частотой 50 Герц, скорее всего, среднестатистический глаз вряд ли увидит, да и неоткуда им там взяться, так как мощный конденсатор всё сглаживает, а люминофор и подавно не сможет так быстро высвечивать закачанную в него энергию. Отсюда должна вытекать низкая стоимость лампы… хм, но где-то тут есть подвох, так как лампа планируется к выпуску по цене, близкой к китайскому аналогу с учётом разовой доставки в Россию!
Важно помнить, что помимо всего прочего важными и зависящими от устройства драйвера параметрами являются: коэффициент пульсаций, которые могут негативно влиять на умственную активность человека, и фоновое электромагнитное излучение, которое неизбежно возникает из-за использования различных «выпрямляющих» схем. Но это уже совсем другая история…
Светодиоды
Вот мы и дошли до самого лакомого кусочка нашего исследования. В Интернете есть множество публикаций, где приводится сравнение спектров ламп разных производителей, их потребительских характеристик (дизайн, срок службы и т.д.), но сейчас мы опустимся чуть ниже, чтобы стать ближе к самим светоизлучающим элементам ламп.
Сразу оговорюсь, что все 3 лампы примерно одной и той же мощности 5-6 Вт (если внимательно посмотреть технические характеристики лампы «Оптогана», то мы обнаружим изображение данного чипа, рассчитанный на 5 Вт, тогда как заявленная мощность лампы 11 Вт) и имеют примерно одинаковую светоизлучающую площадь. Итого мы имеем световой поток на Вт (люмен на Вт): Китай - 70-90, Оптоган - 65, Светлана - 75. Мне кажется, это важно, если уважаемые читатели захотят сравнить лампы между собой!
Если честно, то к китайскому светодиоду, именно к самому чипу, я проникся симпатией. Красота его внутреннего устройства просто восхитительна. Мне повезло: пока я отрывал все слои с этого светодиода, нечаянно повредил большой диод-чип, в результате чего обнажилась микроструктурированная сапфировая подложка:
Оптические микрофотографии китайского чипа вид сверху: золотистые полосы на чипе - токоподводящие контакты.
Слоистая структура светоизлучающего чипа при максимальном увеличении на оптическом микроскопе. Темная область соответствует сапфировой подложке. Стрелками отмечены отдельные слои или группы слоёв.
Кстати, сам чип изолирован от внешнего мира как минимум 3 слоями, но мне кажется, что их всё-таки там 4. Первый - полимер с люминофором, превращающий часть излучения в синей области спектра в жёлто-оранжевую. Второй - небольшой слой мягкого полимера, затем выпуклая оболочка (а-ля линза) из твёрдого полимера, и ещё два слоя из мягкого и твёрдого полимеров.
Мне хотелось бы отметить, что по сравнению с остальными лампами китайская максимально просто устроена. Всего 4 проводка соединяют большой чип с окружающим миром (у остальных ламп их гораздо больше), всего 1 светоизлучающий чип на диод, который уже непосредственно монтируется на плату, грамотно разведённые токоподводящие контакты на самом чипе, позволяющие равномерно по всей поверхности протекать электрическому току. Каких-то явных, существенных недостатков мне найти не удалось.
SEM-изображения структурированной сапфировой подложки
Слоистая структура выдаёт, что мы на правильном пути (следствие метода создания чипов — MOCVD), но разглядеть отдельные слои активной области вряд ли удастся…
Чип и контакты, которые его питают
Приступим к лампочке от «Оптогана». Самое странное, на мой взгляд, - расположение светоизлучающего модуля. По центру. И у Китая, и у «Светланы» несколько «миниатюрных» модулей мощностью по 1 Вт равномерно распределены по подложке, таким образом, теплоотвод от светодиодов этих фирм намного лучше, чем от модуля «Оптогана».
Да, я прекрасно понимаю, что светодиодный модуль «Оптогана» выполнен из меди, она хорошо проводит тепло, а большой радиатор эффективно его рассеивает. Но лампочка от «Оптогана» имеет огромные размеры, которые, кстати, ещё и обусловлены тем, что надо как-то крепить поликарбонатную колбу, и влезет не в каждый патрон.
Такой светодиодный модуль устроен довольно просто: в шахматном порядке под полимерным слоем, окрашенным жёлто-оранжевым люминофором, расположены отдельные диоды, которые соединены друг с другом.
SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя
Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:
Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя
Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:
Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий
Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:
SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)
А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению - оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)
После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми
И последняя лампа - «СветаLED». Первое, что удивляет, - подложка со светодиодными модулями - внимание! - прикручена на здоровенный болтик к остальной лампе (прям как в Китае делали). Когда разбирал, думал, что может мешать «оторвать» её от остальной лампы, а потом увидел болтик… Кстати, на обороте этой алюминиевой подложки маркером! написан какой-то номер. Такое создаётся ощущение, что на заводе Светланы под Питером работают гастарбайтеры, которые собирают эти лампы вручную. Хотя нет, погодите, ведь лампочки производят военные… …
Мало того, что подложка со светодиодами прикручена на шурупчик, так на обратной стороне написан номер… МАРКЕРОМ - ручная работа…
Сами модули намертво посажены на алюминиевую подложку: оторвать целиком не получается. Видимо припаяны, чтобы улучшить теплопроводность. Здесь я много комментировать не буду, так как все комментарии приведены выше при обсуждении лампы «Оптогана».
Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки
На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.
SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).
Всё та же знакомая микроструктурированная сапфировая подложка…
Не вызывает ли эта картинка эффекта déjà vu?! Стрелочками указан буферный слой.
К сожалению, сайт компании, производящей лампы «СветаLED», выполнен истинными дизайнерами: много красивых картинок и мало смысла, нет нормальных дотошных спецификаций, как, например, на сайте «Оптогана» (кстати, он существует на двух доменах RU и COM с примерно одинаковым содержанием). К тому же, есть сайт, посвящённой только 1 лампочке, есть сайт собственно самой компании, но спецификации вообще почему-то лежат на совершенно ином ресурсе.
Наверняка в наше время нет таких людей, которые ни разу не сталкивались со светодиодами. Ведь сейчас они повсюду – их используют и для простых фонариков, и для ламп домашнего освещения, и для фонарных столбов на улицах, и для автомобилей, и даже для чайников с подсветкой. И это не удивительно, ведь на данный момент более экологичного и энергосберегающего, да к тому же еще и столь компактного вида осветительных приборов не существует.
Конечно, почти каждый видел свечение работающего LED-компонента и знает, что такое светодиод, но очень многие даже представления не имеют, как устроен этот элемент освещения. А ведь такие знания могут пригодиться, и потому имеет смысл попытаться разъяснить устройство светодиода и принцип его работы, рассказать о существующих в наше время видах и модификациях.
Вообще начало этим компактным световым элементам было положено в середине прошлого столетия и применялись они лишь для индикации подсветки в различных приборах, т. к. свет их был не очень ярким, можно сказать, даже тусклым. Однако все изменилось в конце ХХ века с появлением синего светового диода, а уже после появились яркие элементы подобного типа зеленого, желтого и белого цвета.
Светодиод представляет собой миниатюрный световой прибор в корпусе из литого пластика различных цветов с двумя и более контактами на основе кристалла. На сегодняшний день это довольно распространенный вид освещения.
Кто-то может сказать, что в эти дебри не стоит и лезть, что это все очень сложно, но на самом деле светодиоды просты, как все гениальное, и понять, как работает светодиод, не составит труда. Итак, приступим.
Классификация светодиодов
Классифицируют светодиоды по многим характеристикам, но основной из них является небольшая технологическая разница в устройстве, которая вызвана различием по электрическим параметрам, равно как и областью использования осветительного прибора на кристаллах. А из чего состоит светодиод, можно увидеть на картинке выше.
Различают несколько конструкций светодиодов в зависимости от того, как он устроен.
DIP
Имеет корпус в виде цилиндра на два контакта. Это первый из изобретенных светодиодов. Сама его оболочка из эпоксидной смолы, закругленная сверху, работает как линза, направляя световой поток в нужном направлении. Выводные контакты утапливаются ножками в специальные отверстия печатной платы и припаиваются. Сам излучатель располагается на катоде, имеющем форму флажка и присоединенном к аноду тонким проводком.
Различные модификации могут иметь и два, и три кристалла различных цветов, объединенных одним корпусом с двумя-четырьмя выводами. К тому же некоторые могут быть оборудованы и встроенным микроконтроллером, который управляет режимами включения или задает время мерцания кристаллов.
Подобные DIP-элементы являются слаботочными. Используют их в основном, как индикаторы или в качестве световых элементов гирлянд.
DIP-светодиод
Конечно, как и любой прибор, его пытались усовершенствовать с целью наращивания светового потока, в результате чего был произведен более высокотехнологичный светодиод в том же корпусе на четыре вывода. Такая конструкция светодиода была названа «пиранья».
Но увеличившийся световой поток привел, естественно, и к увеличению элемента, и к нагреву кристаллов, в результате этого «пиранья» не получила широкого применения. Ну а при появлении на рынке радиоэлектроники SMD-компонентов, имеющих другое строение, смысл в производстве подобных светодиодов и вовсе пропал.
SMD
Данный компонент на кристаллах отличен от предыдущего в первую очередь тем, что его монтаж производится непосредственно на поверхность печатной платы. По сути, его изобретение произвело прорыв в данной области. И если при монтаже DIP-светодиодов можно был крепить элементы лишь только по одной стороне платы, т. к. токопроводящие дорожки находились на другой, то с приходом SMD-компонентов появилась возможность монтировать двухсторонние печатные платы.
Это, вкупе с более мелкими габаритами элементов, позволило значительно снизить размеры приборов на их основе и полностью автоматизировать процесс сборки печатных плат.
На сегодняшний день подобные светодиоды являются самыми востребованными и используются для изготовления различных световых приборов. Основание корпуса SMD-светодиода, сверху которого закреплен кристалл, служит ему также и радиатором. К тому же слой люминофора между линзой и полупроводником (от чего зависит цвет светодиода) может иметь различный состав и позволяет нейтрализовать излучение ультрафиолета.
SMD-светодиод
Есть и такие SMD-светодиоды, у которых нет линзы. Такой элемент выпускается в форме прямоугольника или квадрата и имеет более широкий угол излучения.
СОВ (Chip-On-Board)
Расшифровка названия данного компонента в переводе с английского звучит как «чип на доске». Новейшая разработка, которая, скорее всего, очень скоро станет лидером среди светодиодов в создании искусственного освещения.
Отличаются подобные компоненты тем, что на алюминиевом основании (подложке) посредством диэлектрического клея закрепляется не один, а множество кристаллов, не имеющих корпусов, а после готовая матрица покрывается полностью люминофором.
В итоге получившийся таким образом светодиод равномерно распределяет световой поток, исключающий тенеобразование.
Существует и СОВ – это компоненты, созданные по технологии COG (Chip-On-Glass, что означает «чип на стекле»). Кристаллы здесь размещены не на алюминиевой подложке, а на стеклянной. Как раз на основе светодиодов, созданных по такой технологии, появилась возможность производства довольно известных филаментных ламп, которые работают от сети с напряжением 220 вольт. Излучателем в них служит стержень из стекла с кристаллами, на которые нанесен слой люминофора.
СОВ-светодиод
Принцип действия светодиода
Независимо от описанных технических классификаций принцип работы всех без исключения светодиодов основан на излучающем элементе. Кристалл, который является по своей сути полупроводником, имеющим различные типы проводимости, преобразует электрический ток в свечение. N-проводимый материал получается при помощи легирования электронами, ну а p-проводимый – дырами. В итоге происходит создание новых носителей заряда с противоположной направленностью.
В результате, когда подается прямое напряжение, электроны, как и дыры, начинают движение в сторону p-n-перехода. При преодолении барьера заряженными частицами начинается их рекомбинация. В итоге это и создает возможность прохождения электрического тока. Ну а в процессе рекомбинирования электроны и дыры уже выделяют фотоны.
Применение подобного физического явления относится ко всем элементам, подпадающим под определение полупроводникового диода. Проблема в том, что пределы видимого спектра излучения расположены ближе длины фотонов. По этой причине учеными была проведена огромная работа над тем, чтобы упорядочить движение частиц, заставив их двигаться в промежутке от 400 до 700 нм.
Но зато после всех проведенных экспериментов появилось несколько новых соединений вроде арсенида галлия и фосфида галлия, ну и, конечно, их более сложных форм, которые имеют различную длину волн, т. е. цвет излучения.
Конечно же, при подобной работе по выделению света должно образовываться и тепло, хотя и в небольших количествах, ведь законы физики никто не отменял. По этой причине (ведь нагрев снижает производительность полупроводников) при установке светодиодов большой мощности появляется необходимость охлаждения, для чего и требуется радиатор. Роль такого охлаждающего элемента в СОВ, к примеру, и играет алюминиевое основание, на котором расположены кристаллы.
Спектры излучения
Современные светодиоды имеют шесть основных спектров, т. е. их свечение может быть желтым, зеленым, красным, синим, голубым и белым. И самым сложным для ученых оказалось создание голубого светового элемента на кристаллах.
Вообще частота исходящих от светодиодов излучений лежит в узком направлении. Опираясь на все данные, ее можно назвать монохромной. И естественно, что она имеет кардинальное отличие от частоты солнечного излучения или ламп накаливания.
Уже не первый год ведутся споры по поводу влияния подобного излучения на зрение человека, равно как и на весь организм в целом. Но проблема заключается в том, что все подобные дискуссии так до сих пор ни к чему и не привели, потому как нет ни одного документального доказательства о проведении исследований в этой области.
Преимущества
Если рассматривать преимущества светодиодов, то их наберется весьма значительное количество.
Во-первых, они очень экономичны в плане расхода электроэнергии. На сегодняшний день нет световых приборов, которые могли бы с ними соревноваться по этому параметру. Причем это никак не отражается на силе светового потока, излучаемого элементами на кристаллах.
К экономичности можно отнести и срок службы подобных LED-компонентов, т. к. частое приобретение приборов освещения негативно сказывается на финансовом состоянии. Если посмотреть на статистику, то светодиодные лампы приходится покупать в 10 раз реже, чем люминесцентные, а лампочки накаливания вообще меняются чаще в 35–40 раз. В то же время расход электроэнергии при использовании светодиодов в сравнении с «лампочкой Ильича» ниже на 87%!
Во-вторых, светодиодные лампы удобны и просты в подключении и не требуют при этом каких-то особых навыков. К тому же, к примеру, в тех же рекламных щитах при выходе из строя нескольких элементов не произойдет ничего страшного. На его работе это никак не отразится. Ну а при огромном сроке службы светодиодов решается и проблема их замены. А главное удобство – это то, что работать такие элементы могут практически при любой температуре.
В-третьих, это, конечно, их надежность. Ведь для того, чтобы расколоть лампу накаливания или люминесцентную трубку, не нужно прикладывать особых усилий. А вот со светодиодом придется повозиться. Эпоксидный корпус так легко не расколоть.
Нельзя обойти вниманием и эстетическую сторону данного вопроса, ведь возможность игры с цветом при применении этих источников освещения практически ничем не ограничена, кроме воображения, фантазии человека. Работу со светодиодами можно сравнить с искусством рисования художником своих полотен.
А потому, несмотря на то, что в наше время продажи подобных световых элементов пока не слишком внушительны, скорее всего, пройдет совсем немного времени, и светодиоды выйдут на первое место по этому показателю, вытеснив остальные виды освещения с прилавков магазинов электротехники.
Светодиодные лампы уже давно и прочно вошли в наши дома. Мы постоянно их видим на прилавках на прилавках наших магазинов, рынках. Недавно мы научились правильно , в зависимости от производителя и . Но для полной картины необходимо понимать об устройстве светодиодных ламп и принципах работы. LED лампы выпускают в разных формах и под разное напряжение. Однако, устройство ламп как на 12 В так и светодиодных ламп на 220 В принципиально не различаются. Часто от обывателей приходится слышать вопрос: "Для чего мне это нужно?". Сейчас в стране огромное количество разнообразных светодиодных ламп на любой вкус, производителя и цены. Не факт, что приобретая твердотельный источник освещения Вы получите качество. Хорошо, если продукт отработает больше положенного срока, а если гарантия прошла и лампа перегорела, перестала светить? Что делать? Снова идти на рынок выбирать и без того недешевую лампу? Вряд ли... Ее надо ремонтировать. А знать устройство, схемы питания светодиодных ламп на 220 В, 12 В, чтобы с легкостью их ремонтировать - необходимо.
Основные составные части светодиодных ламп
Светодиоды, LED, LEDs;
- светодиодные драйверы;
- цоколь;
- корпус
- радиатор
Светодиоды, устанавливаемые в современных светодиодных лампах
Ранее, на заре становления твердотельного освещения, устройство светодиодных ламп не сильно различалось, в силу скудного наличия светодиодов. Самыми распространенными светодиодами были 3-5мм чипы. С течением времени большим спросом пользовались лампы с 10 мм светодиодами. Сейчас в светодиодные лампы монтируют сверхяркие светодиоды разнообразных типов. Наиболее распространены: , SMD3528, SMD5730, SMD2835, 3W, 1W, 5W сверхяркие светодиоды. О том, почему именно такие светодиоды популярны - углубляться не будем, так же как и об устройстве светодиодных чипов - об этом Вы узнаете, прочитав другие наши материалы.
Количество светодиодов в лампе может ограничиваться только фантазией производителя. Естественно, что их напаивают не просто так, а используют ряд расчетов, в которых учитывается оптимальный ток потребления. Напаиваются светодиоды на платы (текстолитовые или алюминиевые) и соединяют в группы, соединенные последовательно. Таких групп может быть большое количество. При последовательном соединении групп, ток через них будет проходить постоянный. У такого подключения есть один недостаток: как только выйдет из строя один светодиод, то перестает работать вся конструкция. Но вышедший из работы светодиод - не преграда для тех, кто на "ты" с паяльником и способен ремонтировать светодиодную лампу.
Платы для светодиодных ламп имеют разнообразную форму. От прямоугольной, до круглой и также ограничивается только "хотелками" производителя.
Платы для светодиодов
Драйверы для светодиодных ламп
Питание светодиодных ламп осуществляется при помощи постоянного напряжения к каждой группе светодиодов при помощи специального устройства - светодиодных драйверов. преобразуют входное напряжение в оптимальную величину питания каждой группы светодиодов.
Еще раз напомним, что соединение групп (плат) светодиодных ламп осуществляется последовательно. Стабилизированное напряжение по параллельной схеме очень редко, т.к. технически произвести это сложно. Наиболее распространены трансформаторные схемы драйверов. Посмотрим на некоторые из них:
Другие схемы подключения светодиодных ламп можно посмотреть
Драйверы могут быть как открытого типа, так и в корпусе. Располагаются драйверы или в корпусе ламп, светильников, или непосредственно в корпусе, если позволяет место.
Простые и дешевые драйверы необходимы для питания от стабилизированного напряжения. У таких моделей часто отсутствует токоограничивающий . Такие драйверы можно наблюдать в , где светодиоды подключаются непосредственно к аккумуляторной батарее.
В этом случае светодиоды получают завышенный ток и нередко быстро выходят из строя. Множество дешевых светодиодных ламп с драйверами без защиты от перенапряжения быстро выгорают.
Множество китайских экземпляров непонятного производства, для удешевления конструкции устанавливают простейший ограничитель тока на основе конденсатора, т.е. внутри мы можем увидеть токоограничивающий конденсатор, диодный мост и сглаживающий конденсатор. Лампы с такими "драйверами" стоит обходить стороной. Они не только не экономят Вам энергию должным образом, но и негативно влияют на Ваше здоровье. Чем же это так плохо, прочитать в .
Схема простейшего "драйвера"
Фото простейшего "драйвера" светодиодных ламп
Дорогие и качественные светодиодные драйверы практически не выделяют тепло. Дешевые наоборот. И такие потери в драйверах сопоставимы с выделением тепла от ламп накаливания, что делает абсолютно бессмысленным замену обычного освещения на светодиодное.
Цоколь светодиодных ламп
Большинство LED ламп в наших квартирах оснащены цоколем Е27 - это обычный патрон ламп накаливания. Также не плохо пользуются спросом и цоколи Е14, для настенных светильников и ночников.
У зарубежных потребителей в основном используются патроны Е26 - у них цоколь больше и другой шаг резьбы. Иностранные сети рассчитаны на питание 110 В и лампы рассчитываются под это напряжение.
Корпус светодиодной лампы
Особенность корпуса светодиодных источников света от ламп накаливания - не обязательное создание герметичных колб и отсутствие газовой среды. Хотя, с 2015 года особую популярность набирают филаментные filament лампы, которые полностью повторяют устройство лампы накаливания и им необходима газовая среда. Такие лампы намного ярче своих "собратьев" при том же потреблении энергии. Устройство филаментных ламп Обзор недорогой и яркой филаментной лампы Ideal китайского производства
У обычных светодиодных ламп колба закрывается или поликарбонатным пластиком или стеклом. Светопропускаемость немного падает, особенно, если колба матовая, но это уже издержки производства.
Светодиоды очень боятся перегрева. Поэтому для долгой их службы необходим хороший отвод тепла. Помимо того, что платы в последнее время выполнены на алюминиевой пластине - этого недостаточно. И в дорогих экземплярах устройство светодиодных ламп подразумевает установку дополнительного радиатора. В зависимости от используемых светодиодов радиаторы используют разных размеров, но не менее 10 кв.см на 1 светодиод. Добиться при таких условия минимальных размеров лампы проблематично, поэтому производители часто экспериментируют с оребрением и другими свойствами алюминия.
Установка дополнительных радиаторов также увеличивает стоимость конечного продукта.
Устройство светодиодных ламп, компоновка составных частей
Устройство светодиодных ламп у всех производителей отличается. От предназначения ламп, но общий принцип остается одинаковым: монтаж ведется от цоколя в следующей последовательности - светодиодный драйвер, радиатор, плата со светодиодами, колба.
Посмотрим устройство светодиодных ламп некоторых производителей:
Здесь мы видим: пластиковый "цоколь", полноценный драйвер, алюминиевый корпус (он же выполняет роль радиатора), в нем установлена плата со светодиодами, линза. Стоит отметить, что лампы с такими линзами имеют наибольшую светоотдачу.
Устройство лампы Gauss:
Здесь мы также видим пластиковый цоколь, полноценный драйвер, алюминиевый корпус (он же радиатор), алюминиевая плата со светодиодами. Такое устройство лампы также подразумевает, что она прослужит достаточно долго.
Сегодня мы рассмотрели устройство светодиодной лампы и принцип ее работы. Конечно, этого не достаточно для выбора хорошей, долговечной лампы. Нужно еще знать характеристики LED ламп, разбираться в брэндах и понимать, какое освещение Вы хотите получить. По началу это кажется достаточно сложно, но если набраться терпения и потратить не много времени, то можно больше не "париться" по поводу как устроена светодиодная лампа, принципе ее работы и по каким характеристикам стоит их .