Что такое светодиодная лампа и как она работает


устройство, принцип работы, виды, характеристики

Среди владельцев частных домов, дач и квартир все чаще и чаще в обиходе используется светодиодная лампа. Это самые новые виды осветительных приборов, которые привнесли принципиально новые варианты эксплуатации электрооборудования. Они относятся к категории энергосберегающих лампочек, но помимо этого обладают и другими весомыми преимуществами. Далее мы более детально разберемся в устройстве и принципах работы светодиодных ламп.

Устройство и принцип работы

Чтобы разобраться в принципиальных отличиях светодиодной лампы, как электрического оборудования, в сравнении с другими приборами, следует детально рассмотреть ее конструктивные особенности и назначение каждого из элементов.

Рис. 1. Конструкция светодиодной лампы

Конструктивно led лампочка состоит из:

  • Светодиодов – в старых моделях присутствовал только один кристалл, излучавший свет, однако эта технология имела ряд сложностей, поэтому современные модели включают несколько единиц или целую матрицу.
  • Колбы или рассеивателя  — может изготавливаться из стекла или полимера. Предназначен для боле плавного перераспределения светового потока от точечных источников в окружающее пространство.
  • Стабилизатора тока или драйвера – предназначен для преобразования поступающей на контакты диодной лампочки электрической величины, не зависимо от уровня напряжения и мощности, в строго установленную величину электротока.
  • Цоколя – предназначен для соединения светодиодных ламп с электрической сетью. Чаще всего используются стандартные цоколя E и G, реже бывают другие конструкции.

Дополнительно лампа содержит полимерный или металлический корпус. Однако в led светильниках может быть встроенная матрица, и она монтируется в светодиодный прожектор напрямую.

Принцип действия светодиодной лампы заключается в такой последовательности передачи электрической энергии:

  • При помещении электролампы в патрон и подаче на нее переменного напряжения сети светодиодный источник получает питание.
Рисунок 2. Принцип действия светодиодной лампы
  • Как видите на рисунке 2, переменное напряжение сети в светодиодной лампе изначально поступает на выпрямительный мост, где преобразуется в выпрямленное. Конденсатор, установленный после моста дополнительно сглаживает пульсации.
  • Выпрямленное напряжение переходит далее от выпрямительного устройства на микроконтроллер, контролирующий величину вырабатываемого электротока.
  • Затем питание поступает на импульсный трансформатор, который и выдает электрическое напряжение непосредственно к источнику освещения.
  • При достижении нужного уровня электротока происходит свечение светодиодов.

В данном примере приведен принцип действия и конструкция светодиодной лампы с гальванической развязкой. Это более дорогой, но и более надежный способ предохранить человека от поражения электротоком. На практике случаются и более дешевые светодиодные лампы, их продукция использует более дешевые платы драйвера или способы преобразования, которые не обеспечивают должного уровня безопасности и продолжительности эксплуатации.

Виды

На сегодняшний день производители светодиодных ламп предоставляют потребителям довольно широкий выбор разнообразных моделей, призванных удовлетворить потребности даже самых требовательных покупателей. Поэтому выделяют несколько параметров, по которым и различают виды светодиодных ламп:

  • тип цоколя;
  • форма колбы и самой лампы;
  • напряжение питания;
  • тип светодиодов и способ их размещения;
  • световое излучение – мощность и теплота.

У светодиодных ламп часто встречается цоколь для патронов E27 – стандартный вариант, используемый в люстрах для освещения помещения и т.д. Также часто встречаются модели  E14 с диаметром цоколя 14мм, их еще называют миньонами. В некоторых вариантах встречаются штырьковые цоколи G13, G5, GU10, MR – это варианты под современные софиты и специализированные плафоны в люстрах.

Рис. 3. Типы цоколей

Значительно реже встречаются светодиодные лампочки с цоколем B или H, как специализированные варианты для узкопрофильного оборудования.

Если рассматривать вопрос о форме, то можно выделить такие виды:

  • грушеобразная – классический вариант, может использовать как матовый рассеиватель, так и прозрачную колбу, в некоторых моделях совмещается полупрозрачный и непрозрачный корпус;
  • грибовидная – используется в точечных светильниках, так как поверхность, излучающая световой поток сравнивается с корпусом софита;
  • кукуруза – длинная модель с цилиндрическим расположением светодоидов, прекрасно подходит для горизонтального расположения в плафонах, прожекторах уличного освещения и т.д.;
  • свеча – декоративная светодиодная лампа, устанавливаемая в настольные лампы, ночники или подсветки.

Как частные варианты вы можете встретить и другие формы, однако здесь мы рассмотрели наиболее популярные из них.

Рис. 4. Форма светодиодных ламп

По напряжению питания светодиодные лампы подразделяются на те, которые подключаются к бытовой сети 220В, и те, которым требуется низкое напряжение постоянного тока – 24В, 12В.

В зависимости от типа светодиодов, выделяют лампочки с монокристаллическими панелями, где обеспечивается точечное освещение за счет единственного кристалла. Но такие варианты сегодня редко встречаются, чаще используются 8 – 10 и более небольших кристаллов, которые могут отличаться габаритами для разных моделей. Особенно хорошо их видно на светодиодных лентах или лампах с прозрачным стеклом. Но некоторые энергосберегающие технологии используют светодиодные нити в газовой смеси.

Рис. 5. По типу светодиодов

Яркость свечения определяется мощностью светодиодной лампы, чем выше мощность, тем более ярко она будет светить. Для бытовых помещений подойдут модели от 3 до 10Вт, производственным потребуется уже около 20Вт, в уличные светильники устанавливают от 30 до 100Вт. Температуру свечения можно выбрать любую, в зависимости от поставленных задач – от теплой до холодной.

Температура свечения

Преимущества и недостатки

Как мы уже отмечали ранее, такой тип осветительных приборов стал популярным за счет значительных преимуществ перед их ближайшими конкурентами. К преимуществам светодиодных ламп относят:

  • Продолжительный срок эксплуатации – от 10 до 100 тысяч часов, в сравнении с лампочкой накаливания, которая может обеспечить только 1 тысячу часов.
  • Куда более эффективная светоотдача – от 90 до 120Лм/Вт, лампы накаливания могут похвастаться лишь 5 – 8Лм/Вт, а  люминесцентные светильники 25 – 50Лм/Вт.
  • Обладает широкой гаммой цветовых температур, что делает их использование комфортным для любых помещений и нужд, а RGB светодиодные ленты могут выдавать несколько вариантов цвета свечения.
  • Не боятся разгерметизации и нарушения целостности колбы, в отличии от устройств с нитью накаливания, галогенных ламп и других газосодержащих, будет с тем же успехом светить даже без наружного рассеивателя.
  • Широкий диапазон рабочих температур – светодиодные аналоги не теряют своих характеристик в промежутке от – 60 до + 60°С.
  • Устойчивы к незначительным отклонениям рабочего напряжения от номинального значения.
  • Не выделяют вредных веществ, в отличии от люминесцентных ламп, которые содержат ртуть.

К недостаткам светодиодных ламп следует отнести их относительно высокую себестоимость, но она с лихвой окупается рабочими параметрами и сроком эксплуатации. Также существуют ситуации, когда лампочки накаливания нельзя или нецелесообразно менять на светодиодные модели.

Технические характеристики

Перед выбором конкретного осветительного устройства необходимо определиться с его основными параметрами. Из всего многообразия, которое вам следует учитывать, мы выделим:

  • Мощность – определяет, сколько электрической энергии будет потребляться из сети при работе прибора. Показатель мощности важен как в части расчета за потребленную электроэнергию, так и в части количества получаемого света.
  • Спектр излучения – теплый в пределах 2700 – 3300 К, дневной от 3500 до 6000К, холодный – от 6000К. Этот параметр указывается на упаковке светодиодной лампы.
  • Коэффициент цветопередачи – на изделии маркируется буквами CRI или Ra. Показатель 100 является максимальным – это  уровень естественного дневного света, чуть хуже – от 100 до 90 для рабочих зон, лабораторий и т.д. В пределах 90 – 80 обычные жилые помещения, менее 80 подойдут для коридоров, подвалов и некоторых складов.
  • Угол рассеивания и тип потока – могут характеризоваться направленным световым потоком или рассеянным.
  • Уровень светоотдачи – определяет эффективность каждого ватта переработанной электроэнергии по отношению к выработанному световому потоку.

Область применения

Если еще десять – двадцать лет тому назад светодиодные лампы были настоящей диковинкой, то сегодня они стали полноправными фаворитами рынка. Их можно встретить в самых различных сферах человеческой деятельности:

  • В освещении открытых территорий, площадок, парков;
  • Для освещения бытовых и производственных помещений;
  • Создания декоративной подсветки и украшения, как помещений, так и элементов ландшафта;
  • В пожароопасных зонах и особо влажных помещениях;
  • В автомобилях и механизации транспортных средств;
  • Для работы устройств сигнализации, телемеханики и управления.

Но и этот список не является окончательным, за счет развития и совершенствования технологий, светодиодные лампы продолжают расширять область применения.

Как работают светоизлучающие диоды

Диод - это простейший полупроводниковый прибор. Вообще говоря, полупроводник - это материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников сделано из плохого проводника, в который были добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется легирование .

В случае светодиодов материалом проводника обычно является арсенид алюминия-галлия (AlGaAs).В чистом арсениде алюминия-галлия все атомы идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов (отрицательно заряженных частиц) для проведения электрического тока. В легированном материале дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дыры, по которым электроны могут уходить. Любое из этих изменений делает материал более проводящим.

Объявление

Полупроводник с дополнительными электронами называется материалом N-типа , так как в нем есть дополнительные отрицательно заряженные частицы.В материале N-типа свободные электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.

Полупроводник с дополнительными дырками называется материалом P-типа , так как он фактически содержит дополнительные положительно заряженные частицы. Электроны могут прыгать от отверстия к отверстию, перемещаясь из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В результате кажется, что сами отверстия перемещаются из положительно заряженной области в отрицательно заряженную.

Диод состоит из секции материала N-типа, прикрепленной к секции материала P-типа, с электродами на каждом конце. Это устройство проводит электричество только в одном направлении. Когда на диод не подается напряжение, электроны из материала N-типа заполняют дырки из материала P-типа вдоль соединения между слоями, образуя зону обеднения. В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в исходное изолирующее состояние - все дырки заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых пространств для электронов, и электричество не может течь.

Чтобы избавиться от зоны истощения, вы должны заставить электроны двигаться из области N-типа в область P-типа, а дырки - в обратном направлении. Для этого вы подключаете сторону N-типа диода к отрицательному концу цепи, а сторону P-типа к положительному концу. Свободные электроны в материале N-типа отталкиваются отрицательным электродом и притягиваются к положительному электроду. Отверстия в материале P-типа перемещаются в другую сторону. Когда разность напряжений между электродами достаточно высока, электроны в зоне истощения выталкиваются из своих отверстий и снова начинают свободно перемещаться.Зона истощения исчезает, и заряд перемещается по диоду.

Если вы попытаетесь пропустить ток другим способом, когда сторона P-типа подключена к отрицательному концу цепи, а сторона N-типа подключена к положительному концу, ток не будет течь. Отрицательные электроны в материале N-типа притягиваются к положительному электроду. Положительные отверстия в материале P-типа притягиваются к отрицательному электроду. Ток не течет через переход, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении.Зона истощения увеличивается. (См. «Как работают полупроводники» для получения дополнительной информации обо всем процессе.)

Взаимодействие между электронами и дырками в этой установке имеет интересный побочный эффект - он генерирует свет!

.

Как работают светодиодные лампы

Хотя в наши дни вы не найдете светодиоды в слишком многих бытовых осветительных приборах, есть несколько веских причин, чтобы их было больше.

Во-первых, это снижение потребления энергии. Светодиодный метод получения света теряет гораздо меньше энергии на тепло, чем другие технологии освещения. Он значительно более эффективен, чем метод вакуума / нити накаливания, используемый в лампах накаливания - иногда примерно на 85 процентов эффективнее; и это даже примерно на 5 процентов эффективнее, чем подход с плазменной трубкой CFL [источник: Тауб].

Объявление

Один осветительный прибор с лампой накаливания мощностью 60 Вт потребляет около 525 кВтч электроэнергии в год; поместите в этот светильник светодиодную лампу GeoBulb, и годовое потребление энергии будет примерно 65 кВтч [источник: Sundance]. Годовое сокращение выбросов CO 2 исчисляется сотнями фунтов на одну лампу.

Но энергоэффективность - это только часть истории. Другая часть - это экономия времени: вы можете прожить 20 лет без замены светодиодной лампы.Твердотельные лампы, такие как светодиоды, являются более стабильными источниками света, чем лампы накаливания или люминесцентные лампы, и разница поразительна: срок службы обычной лампы накаливания составляет около 750 часов; Геобульба действует 30 000 часов [источник: Sundance].

Некоторые светодиодные лампы служат до 50 000 часов [источник: Linden].

Из-за этого преимущества по времени все становится немного более запутанным, когда вы переходите к вопросу о стоимости. Замена 60-ваттной светодиодной лампы стоит около 100 долларов, и даже версии с меньшей мощностью, используемые для таких вещей, как точечное освещение, будут стоить от 40 до 80 долларов.Это по сравнению с лампой накаливания за 1 доллар и люминесцентной лампой за 2 доллара.

Реальность такова, что даже при цене 100 долларов за одну лампочку светодиоды в конечном итоге сэкономят деньги, потому что вам понадобится только одна лампа каждые десять или два года, и вы тратите меньше денег на домашнее освещение, которое может составлять около 7 процентов ваш счет за электричество [источник: Greener Choices]. Но первоначальная стоимость по-прежнему остается непомерно высокой. Многие люди просто не могут потратить тысячу долларов на 10 лампочек.

Другая основная проблема светодиодов - ухудшение цвета света до чего-то голубоватого - решена в новых моделях.Светодиоды могут давать такой же мягкий белый свет, как и обычные лампы. (Хотя Energy Star действительно рекомендует искать этикетку Energy Star при покупке светодиодных ламп, поскольку организация проверяет стабильность цвета в рамках своих критериев сертификации.)

Так что цена действительно единственная проблема светодиодных лампочек прямо сейчас. Но это может скоро измениться.

.

Что означает светодиод и как он работает? | Домашняя страница Руководства

Даниэль Хольцер Обновлено 17 декабря 2018 г.

Энергоэффективность в моде не без оснований. Выбор энергоэффективного освещения снижает счета за коммунальные услуги и снижает нагрузку на невозобновляемые источники энергии, на которые приходится 89 процентов производства энергии в США (см. Ссылки 4). Светодиоды, самые эффективные лампы на рынке, начинают появляться вместе с лампами накаливания и компактными люминесцентными лампами в хозяйственных магазинах и магазинах товаров для дома.Однако они являются загадкой для многих, так как их внутреннее устройство несколько отличается от стандартных ламп.

Определение

LED означает «светоизлучающий диод». Диод - это электрический компонент с двумя выводами, которые проводят электричество только в одном направлении. Под действием электрического тока диод излучает яркий свет вокруг маленькой лампочки. Обычно диоды используются во многих технологиях, таких как радио, телевизоры и компьютеры, в качестве электрического компонента для проводимости.(См. Ссылки 1)

Как они работают

Подключение диода к электрическому току возбуждает электроны внутри диода, заставляя их испускать фотоны, которые мы видим как свет. Цвет света является прямым результатом энергетической щели в полупроводнике диода. Это означает, что светодиоды легко и ярко воспроизводят спектр цветов, потребляя при этом очень мало электроэнергии. (См. Ссылки 1)

Важность

В поисках энергоэффективного освещения светодиоды оказались наиболее эффективными из имеющихся ламп.По данным Министерства энергетики США, светодиоды с рейтингом Energy Star потребляют как минимум на 75 процентов меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания, и служат в 25 раз дольше. Светодиоды даже превосходят лампы CFL (компактные люминесцентные лампы) по эффективности, прежде всего потому, что их срок службы вдвое больше, чем у CFL. Светодиоды более эффективны, чем лампы накаливания и КЛЛ, потому что они излучают свет в определенном направлении - вместо того, чтобы рассеивать его во всех направлениях - и они не требуют и не выделяют большое количество тепла. Лампы накаливания и КЛЛ выделяют большую часть своей энергии в виде тепла - 90% и 80% соответственно.(См. Ссылки 1)

Соображения

Самая большая проблема для потребителей при покупке светодиодов для освещения жилых помещений - это первоначальная стоимость. В зависимости от размера и марки лампы светодиоды могут стоить от двух до шести раз дороже КЛЛ. При замене лампочек на несколько осветительных приборов идея потратить сотни долларов на лампочки отпугивает многих потенциальных клиентов. Однако производство светодиодов не только улучшается, но и увеличивается, что означает большую доступность для потребителей в ближайшем будущем.(См. Ссылку 3)

.

Как работают лампочки | HowStuffWorks

До изобретения лампочки освещение мира после захода солнца было сложной, трудной и опасной задачей. Чтобы полностью осветить просторную комнату, потребовалась связка свечей или факелов, а масляные лампы, хотя и были достаточно эффективными, имели тенденцию оставлять остатки сажи на всем, что находится поблизости.

Когда в середине 1800-х годов наука об электричестве действительно начала развиваться, изобретатели повсюду требовали разработать практичное и доступное электрическое устройство для домашнего освещения.Англичанин сэр Джозеф Суон и американец Томас Эдисон сделали это правильно примерно в одно и то же время (в 1878 и 1879 годах соответственно), и за 25 лет миллионы людей во всем мире установили электрическое освещение в своих домах. Простая в использовании технология была таким усовершенствованием по сравнению со старыми способами, что мир никогда не оглядывался назад.

Объявление

Самое удивительное в этом историческом повороте событий заключается в том, что сама лампочка не может быть проще.Современная лампочка, которая не претерпела кардинальных изменений со времен модели Эдисона, состоит всего из нескольких частей. В этой статье мы увидим, как эти части соединяются, чтобы часами давать яркий свет.

Основы света

Свет - это форма энергии, которая может выделяться атомом. Он состоит из множества маленьких частиц, подобных пакетам, которые имеют энергию и импульс, но не имеют массы. Эти частицы, называемые световыми фотонами , являются основными единицами света.(Для получения дополнительной информации см. Как работает свет.)

Атомы испускают световые фотоны, когда их электронов возбуждаются. Если вы читали «Как работают атомы», то знаете, что электроны - это отрицательно заряженные частицы, которые движутся вокруг ядра атома (которое имеет чистый положительный заряд). Электроны атома имеют разные уровни энергии, в зависимости от нескольких факторов, включая их скорость и расстояние от ядра. Электроны разных уровней энергии занимают разные орбитали.Вообще говоря, электроны с большей энергией движутся по орбиталям дальше от ядра. Когда атом получает или теряет энергию, изменение выражается движением электронов. Когда что-то передает энергию атому, электрон может быть временно переведен на более высокую орбиталь (дальше от ядра). Электрон удерживает это положение лишь на крошечную долю секунды; почти сразу же он возвращается к ядру, к своей исходной орбитали. Когда он возвращается на свою первоначальную орбиталь, электрон выделяет дополнительную энергию в виде фотона, в некоторых случаях светового фотона.

Длина волны излучаемого света (которая определяет его цвет) зависит от того, сколько энергии выделяется, что зависит от конкретного положения электрона. Следовательно, разные виды атомов будут испускать разные виды световых фотонов. Другими словами, цвет света определяется тем, какой атом возбужден.

Это основной механизм, работающий почти во всех источниках света. Основное различие между этими источниками - процесс возбуждения атомов.

В следующем разделе мы рассмотрим различные части лампочки.

.

Смотрите также