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
DIP расшифровывается как Dual In-line Package. Конструкция приборов интересна, но существенно устарела. Выделяют следующие размеры светодиодов:
- 1,0 см.
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:
- LED-диоды;
- драйверы;
- корпус;
- радиатор;
- цоколь.
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 лампах накаливания свет получается от раскаленной до бела вольфрамовой нити, по сути - от тепла. Словно раскаленные угли в печи, подогреваемой тепловым действием электрического тока, когда электроны быстро-быстро колеблются и сталкиваются с узлами кристаллической решетки проводящего металла, при этом излучают видимый свет, на который приходится, однако, всего менее 15 % всей затрачиваемой электрической энергии, питающей лампу.
Светодиоды, в отличие от ламп накаливания, излучают свет вовсе не за счет тепла, а благодаря особенности своей конструкции, принципиально нацеленной на то, чтобы энергия тока шла именно на испускание света, причем определенной длины волны. В результате КПД светодиода, как источника света, превышает 50%.
Ток здесь проходит , при этом на переходе происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов (квантов) видимого света с определенной частотой, а значит - с определенным цветом.
Любой светодиод принципиально устроен следующим образом. Во-первых, как отмечалось выше, здесь присутствует электронно-дырочный переход, состоящий из контактирующих друг с другом полупроводников p-типа (основные носители тока - дырки) и n-типа (основные носители тока - электроны).
Когда в прямом направлении через этот переход пропускается ток, то в месте контакта полупроводников двух противоположных типов происходит переход заряда (носители заряда перескакивают между энергетическими уровнями) из области с одним типом проводимости - в область с другим типом проводимости.
При этом электроны со своим отрицательным зарядом соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот то момент и рождаются фотоны света, частота которых пропорциональна разности энергетических уровней атомов (высоте потенциального барьера) между веществами с двух сторон от перехода.
Конструктивно светодиоды бывают различных форм. Наиболее простая форма - пятимиллиметровый корпус - линза. Такие светодиоды часто можно встретить в качестве индикаторных на различной бытовой технике. Сверху корпус светодиода имеет форму линзы. Снизу внутри корпуса установлен параболический рефлектор (отражатель).
На рефлекторе находится кристалл, который излучает свет в месте прохождения тока через p-n-переход. От катода - к аноду, с рефлектора - в сторону тонкой проволочки электроны движутся через кубик - кристалл.
Этот полупроводниковый кристалл - главный элемент светодиода. Здесь он имеет размер 0,3 на 0,3 на 0,25 мм. Кристалл соединяется с анодом перемычкой из тонкой проволоки. Полимерный корпус представляет собой одновременно прозрачную линзу, которая фокусирует свет в определенном направлении, при этом получается ограниченный угол расхождения светового пучка.
На сегодняшний день доступны светодиоды всех цветов радуги, начиная от ультрафиолетового и белого, заканчивая красным и инфракрасным. Наиболее распространены: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и белый цвета светодиодов. И цвет свечения здесь определяется отнюдь не цветом корпуса!
Цвет зависит от длины волны фотонов, излучаемых на p-n-переходе. Например красный цвет красного светодиода имеет характерную длину волны от 610 до 760 нм. Длина волны, в свою очередь, зависит от материала, который использовался в производстве конкретного для данного светодиода. Так, для получения цвета от красного до желтого, применяют примеси алюминия, индия, галлия и фосфора.
Для получения цветов от зеленого до голубого - азот, галлий, индий. Для получения белого цвета, к кристаллу добавляют специальный люминофор, который преобразует синий цвет в белый при помощи .
Первые светодиоды (СД, СИД, LED) разработали в начале шестидесятых годов на смену миниатюрным лампам накаливания. Это были с очень слабым свечением и применялись как индикаторы включения в различных приборах.
В начале девяностых, был создан синий светодиод, следом появились зеленые, желтые и белые. Сейчас светодиод один из наиболее широко востребованных осветительных элементов. Это световое устройство в пластиковом литом корпусе (разного цвета) с двумя выводами со впаянным кристаллом.
Корпус выполняет две функции – является линзой и защитным покрытием. Питание светодиода обеспечивается током, для чего в цоколь встроен преобразователь напряжения. Яркость свечения пропорциональна напряжению.
Устройство элемента
Светодиод состоит из следующих частей:
- основание;
- линза;
- катод (-);
- анод (+);
- кристалл (полупроводниковый чип);
- отражатель (рассеиватель).
В основании закреплены катод и анод, сверху все устройство герметично закрыто линзой (колбой). На катоде закреплен кристалл. На контактах установлены проводники, подсоединенные к кристаллу p-n-переходом (соединительная проволока, объединяющая два проводника с разными типами проводимости).
Теплоотвод необходим для поддержания стабильной работы светодиода. В индикаторных светодиодах тепло не накапливается за счет невысокой мощности. Для осветительных – основание напрямую припаивается к поверхности для обеспечения теплоотвода.
Светодиод изнутри
Принцип работы диодов для чайников
Чтобы понять, как работает светодиод, нужно знать, что такое p-n-переход. Это область, в которой соприкасаются полупроводники p и n типа, в результате чего один тип проводимости переходит к другому. N тип содержит электроны проводимости как носители заряда. Полупроводник p типа носитель положительного заряда (дырки).
Анод (p типа) является положительным электродом, катод (n типа) это отрицательный электрод. Внешняя поверхность катода и анода содержит контактные металлические площадки с припаянными выводами. Когда к аноду подается положительный заряд электричества, а к катоду отрицательный, то на р-n переходе между кристаллом катодом начинает течь ток.
Если включение прямое, то электроны из n и области и дырки из p-области устремятся навстречу друг другу. В процессе легирования (обмена электронами) на границе дырочно – электронного перехода произойдет их обмен. Если отрицательное напряжение подается со стороны материала n-типа, то происходит прямое смещение. При рекомбинации (обмене) выделяется энергия в виде фотонов.
Чтобы поток фотонов преобразовать в видимый свет, материал подбирают так, что длина волны фотонов находится в пределах видимой области цветового спектра длиной волны от 700 до 400 нм.
Принцип работы светодиода
Виды
Существующие на сегодняшний день светодиоды бывают следующих видов :
- индикаторные – с маленькой мощностью, для подсветки в приборах;
- осветительные – с большой мощностью, уровень освещенности соответствует обычным (люминесцентным и вольфрамовым) источникам света.
По типу соединения индикаторные делятся на:
- тройные AIGaAs (алюминий – галлий – мышьяк) – оранжевый и желтый свет в областях видимого цветового спектра;
- тройные GaAsP (галлий – мышьяк – фосфор) – желто-зеленый и красный свет в областях видимого спектра;
- двойные GaP (галлий – фосфор) – оранжевый и зеленый свет в областях видимого спектра.
Светодиодные элементы различаются по типу корпуса:
- DIP – оснащены встроенной оптической системой из линзы, кристалла и парой контактов. Устаревшая модель самой низкой мощности, используются для подсветки игрушек, световых табло;
- Superflux или «пиранья» – аналогичные DIP, оснащены четырьмя контактами, лучше крепятся и меньше нагреваются за счет . Используются для подсветки в автомобилях;
- SMD – наиболее распространенный тип для множества источников света. Представляют собой чип (кристалл), смонтированный непосредственно на поверхности платы;
- COB – усовершенствованные светодиоды SMD. Оснащены несколькими кристаллами (чипами), установленными на одну плату. Монтируются на керамические и алюминиевые основания.
Фото лампы с новыми типами светодиодов SMD
Более совершенные модели СОВ все же не всегда могут заменить SMD светодиоды.
Основные технические характеристики
Напряжение
Напряжение, необходимое для работы светодиода, это не напряжение питания, а величина падения напряжения на светодиоде. Колебания напряжения питания вызывает перегорание светодиода. Напряжение напрямую зависит от цвета.
Для нормальной работы при подключении светодиода необходимо правильно отследить ток, а не напряжение.
Сила тока
Работает светодиод на постоянном или пульсирующем токе. Поднимая или снижая интенсивность можно варьировать яркость свечения. Рабочий ток индикаторных светодиодов 20 – 40 мА. Сила тока осветительных элементов составляет от 20 мА. СОВ (на 4 чипа), например, рассчитаны на 80 мА. Одноваттные светодиоды потребляют приблизительно 300-400 мА.
Длина волны и цветовая характеристика
Излучаемый диодом цвет зависит от длины волны светового излучения. Измеряется она нанометрами (0.000000001 метра). Монохроматическое (одночастотное) излучение связано с длиной волны, перемещающейся внутри. Границы длины волны соотносятся с основными цветами определенным образом.
Цвет излучения светодиода меняется при внесении в полупроводниковый материал активных веществ. Для получения светодиодов красного цвета в качестве полупроводников используется алюминий индий – галлий (AllnGaP), для цветов сине – голубого и зеленого спектра – индий – нитрид галлия (InGaN).Чтобы получить, например, белый свет, кристалл синего светодиода покрывают тонким слоем люминофора, который излучает жёлтый и красный свет под действием синего спектра.
В результате смешивания цветов получается белый свет. Белые светодиоды определяются цветовой температурой, измеряемой в К.
Лампы с диодами могут быть разных цветов
Светодиодная плата
Плата предназначена для крепления светодиодов в любом необходимом количестве и положении. Форма платы бывает:
- прямоугольная;
- линейка;
- круглая;
- квадратная;
- звездчатая
- произвольная.
Светодиодная плата изготавливается из диэлектрического материала. Основной функцией ее является теплоотвод.
Виды плат:
- металлические (односторонние, двухсторонние и многослойные);
- изолированные металлические подложки (односторонние, двухсторонние и многослойные, жестко – гибкие).
Платы, изготовленные из алюминия, не нуждаются в вентиляторах для принудительного охлаждения. Все элементы конструкции обретают более продолжительный срок службы за счет отсутствия перегрева.
Дополнительную информацию об история возникновения и принципах функционирования светодиодных элементов смотрите на видео:
Светодиоды это один из новейших источников освещения, имеет широкий спектр применения и большие перспективы. Благодаря соотношению всех параметров светодиодный тип освещения может стать ведущим среди множества осветительных приборов и разнообразных источников света.
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. 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
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 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.
Одной из основных причин, почему на правительственном уровне было обращено внимание на необходимость замены ламп накаливания светодиодными, является экономия электроэнергии. Но это не единственное их достоинство.
Преимущества светодиодов
Говоря об обычных лампах, люди сразу вспоминают о том, что они недолговечны. Правда, цена на них вполне приемлемая, а замена одного освещающего элемента другим чрезвычайно проста. Но не все знают, что, например, люминесцентные осветительные приспособления еще и вредны из-за постоянного мерцания, которое становится причиной раздражительности и повышенной утомляемости человека.
Лампочка светодиодная создана по другой технологии. Она вырабатывает свет, близкий к дневному. Это обеспечивает больший комфорт для глаз человека. Помимо удобства, также важна и экономия. Потребление электроэнергии в светодиодных лампах практически в 10 раз меньше, чем в обычных. Кроме того, они более долговечны.
Это достигается благодаря производства светодиодов. Они состоят из нескольких прослоек, в которые входит сапфировая подложка, буферный Gan, токопроводящий n-GaN, активный InGaN, еще один токопроводящий p-GaN слои. Также в каждый светодиод включен анод и катод. Активная часть состоит из тонких слоев полупроводников n- и p-типов. Это все позволяет преобразовывать электроны в фотоны. Правда, достигнуть 100% конверсии не под силу даже этой технологии.
Но для получения необходимо его преобразование из других спектров, а это влечет за собой повышение себестоимости. Конечно, такие светодиодные лампочки для дома достаточно дороги. Но если высчитать себестоимость часа работы, то окажется, что они в разы экономичнее привычных ламп накаливания.
Лучшие варианты
Если выбирать наиболее оптимальный вариант освещения, то желательно обратить внимание не на продукцию безымянных китайских производителей, а на зарекомендовавшие себя компании. На отечественном рынке можно найти лампы «Оптоган». Также в продаже часто встречается продукция российских производителей Radiy и SvetaLED. Кроме того, лучшие светодиодные лампочки выпускают такие компании, как Maxus, Intelite, Geen, Electrum, Delux, Eurolamp.
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. , 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 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 , 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. 5000-6000К, что соответствует белому холодному свету.
Размеры совпадают с обычной лампочкой Ильича. Материал «колбы» - матовое стекло. На мой взгляд, идеальная замена 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 , 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 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 , 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 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.
Светодиод представляет собой двухпроводный полупроводниковый источник света. Когда подходящий ток подается на выводы, электроны способны рекомбинировать с электронными дырами внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света определяется зазором энергетической зоны полупроводника.
Что такое светодиод
Светоизлучающий диод является оптоэлектронным устройством, способным излучать свет, когда через него проходит электрический ток. Светоизлучающий диод только пропускает электрический ток в одном направлении и производит некогерентное монохроматическое или полихроматическое излучение от преобразования электрической энергии.
Он имеет несколько производных :
- OLED.
- AMOLED.
- FOLED.
Из-за световой эффективности светодиоды на современном этапе представляют собой 75% рынка внутреннего и автомобильного освещения. Они используются при строительстве телевизоров с плоским экраном, а именно: для подсветки ЖК-экранов или источника электроэнергии. Используются в качестве основного освещения в OLED-телевизорах.
Первые светодиоды, поступившие в продажу, производили инфракрасный, красный, зеленый, а затем желтый свет. Выход синего светодиода, связанный с техническим и монтажным прогрессом, позволяет покрыть диапазон длины волны излучения, простирающийся от ультрафиолетового (350 нм) до инфракрасного (2 тыс. нм), который отвечает многим потребностям. Многие устройства оснащены составными светодиодами (три в одном компоненте: красный, зеленый и синий) для отображения многих цветов.
Светодиодная лампа
Светодиодные лампы - это светотехнические изделия для бытового, промышленного и уличного освещения, в которых источником света являются светодиоды. По сути это набор светодиодов и схемы питания для преобразования сетевой энергии на постоянный ток низкого напряжения.
Светодиодный светильник представляет собой отдельное и самостоятельное устройство. Его корпус чаще всего индивидуален по конструкции и специально спроектирован под различные источники освещения. Большое количество ламп и их малый размер позволяют расположить их в разных местах, собирать панели, использовать для подсветки дисплеев, телевизоров.
Освещение общего назначения требует белого света. Принцип работы светодиодной лампы основан на излучении света в очень узком диапазоне длин волн: то есть, с цветовой характеристикой энергии полупроводникового материала, который используется для изготовления светодиодов. Для излучения белого света от светодиодной лампы надо смешивать излучения от красного, зеленого и синего светодиодов или использовать люминофор для преобразования частей света в другие цвета.
Один из методов - RGB (red, green, Blue), это использование нескольких светодиодных матриц, каждая из которых излучает различную длину волн, в непосредственной близости, для создания общего белого цвета.
История создания первых ламп
Первое излучение света полупроводником датируется 1907 годом и было открыто Генри Джозефом Раундом. В 1927 году Олег Владимирович Лосев подал первый патент на то, что впоследствии будет называться светоизлучающим диодом.
В 1955 году Рубин Браунштейн обнаружил инфракрасное излучение арсенида галлия - полупроводник, который позже будет использоваться Ником Холоньяком-младшим и С. Беваккой для создания первого красного светодиода в 1962 году. В течение нескольких лет исследователи ограничились некоторыми цветами, такими как красный (1962), желтый, зеленый и более поздний синий (1972).
Вклад японских ученых
В 1990-х годах исследования Shuji Nakamura и Takashi Mukai of Nichia в полупроводниковой технологии InGaN позволили создать синие светодиоды высокой яркости, а затем адаптироваться к белым, добавив желтый люминофор. Это продвижение позволило использовать новые крупные приложения, такие как освещение и подсветка телевизионных экранов и ЖК-экранов. 7 октября 2014 года Шудзи Накамура, Исаму Акасаки и Хироши Амано получили Нобелевскую премию по физике за работу над голубыми светодиодами.
Принцип работы устройства
Когда диод смещен вперед, электроны быстро движутся через соединение. Они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре, после того как электроны начинают движение от n-типа к кремнию p-типа, диод соединяется с отверстиями, а затем исчезает. Следовательно, он делает полный атом более стабильным и дает небольшой импульс энергии в виде фотона света.
Принцип образования световой волны
Чтобы разобраться как устроен светодиод, необходимо узнать о его материалах и их свойствах. Светодиод представляет собой специализированную форму PN-перехода, которая использует составное соединение. Составным должен быть полупроводниковый материал, используемый для соединения. Обычно используемые материалы, включая кремний и германий, являются простыми элементами, и соединение, изготовленное из этих материалов, не излучает свет. Что же касается таких полупроводников, как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия - они являются составными, и соединения из этих материалов излучают свет.
Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Арсенид галлия имеет валентность трех, а мышьяк - валентность пяти. Это и называют полупроводником группы III-V. Существует ряд других полупроводников, которые соответствуют обозначенной категории. Есть полупроводники, которые образуются из материалов группы III-V.
Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия.
Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. Конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область располагается как можно ближе к поверхности устройства для поглощения конструкцией минимального количества света.
Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение следует оптимизировать, а материалы должны быть правильными. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии алюминий добавляется к полупроводнику в видимый красный спектр с последующим получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Можно добавить и фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются иные материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция используется для получения желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.
Квантовая теория
Поток тока в полупроводниках обусловлен обоими потоками свободных электронов в противоположном направлении. Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.
Рекомбинация показывает, что электроны в зоне проводимости спускаются к валентной зоне. Когда они перескакивают из одной полосы в другую, то излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотона равна запрещенной энергетической щели.
Отображено математическое уравнение :
H известна как постоянная Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света. Частотное излучение связано со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, а уравнение станет таким:
Исходя из этого уравнения можно понять, как работает светодиод, основываясь на том, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна запрещенной щели. В целом полное излучение электромагнитной волны при рекомбинации имеет вид инфракрасного излучения. Невозможно увидеть длину волны инфракрасного излучения, потому что она находится вне видимого диапазона.
Инфракрасное излучение называется теплотой, потому что кремний и германиевые полупроводники не являются прямыми щелевыми полупроводниками, а относятся к непрямым промежуточным разновидностям. Но в полупроводниках с прямым зазором максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не происходит одномоментно с электронами. Поэтому во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, и импульс электронной зоны будет изменен.
Преимущества и недостатки
Как и любое устройство светодиод также имеет ряд своих особенностей, основные преимущества и недостатки.
Главные преимущества выглядят так:
Из недостатков можно отметить такие:
