Как устроены светодиодные лампы. Как устроена светодиодная лампа и принцип ее работы

В отличие от прозрачных ламп накаливания, основное устройство светодиодной лампы скрыто под непрозрачным корпусом. Чтобы узнать, что скрывается внутри экономичного осветительного прибора, его потребуется разобрать, приложив небольшие усилия.

Эксперименты показали, что устройства светодиодных лампочек на 220 В от разных производителей имеют незначительные отличия. Поэтому весь ассортимент LED-ламп с цоколем Е14 и Е27 можно разделить на три группы: фирменные, низкокачественные китайские и филаментные.

Фирменные изделия

Конструкция LED-лампы на 220 В от производителей светодиодной продукции с мировым именем аналогична ниже представленному фото. Среди огромной массы лампочек на российском рынке внешне такой образец имеет одно явное отличие – объемный радиатор. Он может быть с ребристой или гладкой поверхностью; металлического цвета или покрыт белым полимером. Но в любом случае такая лампа имеет больший вес в сравнении с дешёвым, некачественным аналогом.

Верхняя часть изделия (рассеиватель) выполняется из стекла или матового пластика в форме полусферы. Как правило, он закреплен на радиатор при помощи специальных защелок или герметика. Под рассеивателем находится печатная плата с SMD-светодиодами, которая надёжно закреплена на радиаторе. Ниже размещается ещё одна плата с радиоэлементами драйвера. Надёжный драйвер – это блок с гальванической развязкой и функцией стабилизации выходного тока. Вся схема драйвера имеет высокую плотность монтажа и состоит из импульсного трансформатор, микросхем, нескольких полярных конденсаторов и множества планарных элементов.
Блок драйвера расположен внутри корпуса, который, в свою очередь, соединяет цоколь и радиатор. Электрический контакт между блоком драйвера и платой со светодиодами может быть обеспечен с помощью пайки или коннектора.

Низкокачественные китайские лампочки

Ниже представлена светодиодная лампа в разобранном виде от неизвестного китайского изготовителя.
В отличие от предыдущего образца, в данном устройстве отсутствует радиатор и драйвер. Вместо драйвера установлен простой блок питания на основе неполярного конденсатора, который не способен надежно стабилизировать выходной ток. Размещается блок питания в центре платы со светодиодами. С одной стороны – это диодный мост с резисторами.
С другой – два конденсатора.
В результате простоты такой конструкции стоимость изделия имеет гораздо меньшую стоимость.

Функцию охлаждения в таких лампочках выполняют небольшие отверстия в корпусе. Их эффективность крайне мала, что подтверждено перегоранием кристаллов светоизлучающих диодов. Плата крепится к пластиковому корпусу при помощи защелок. Электрически плата соединяется с цоколем двумя запаянными проводами. Простота такой конструкции не надежна и не способна обеспечить долгосрочную работоспособность устройства.

Filament лампы

Разнообразие лампочек на светодиодах с цоколем Е14 и Е27 не перестаёт расширяться. Очередным ноу-хау стали, так светодиодные лампы филамент (от англ. filament – нить), которые внешне очень схожи с лампами накаливания. Ученым удалось на практике реализовать светодиодный конструктив, визуально напоминающий нить накала и не требующий дополнительного теплоотвода. Использование филамент лампы (ФЛ) в быту, как правило, основывается на эстетических соображениях.
В устройстве светодиодной лампы filament основным элементом являются светодиодные нити, от количества которых зависит суммарная мощность изделия. Каждый отдельный филамент – это тонкий стеклянный стержень, поверхность которого равномерно покрыта электрически связанными SMD-светодиодами. Сверху по всей длине нанесён слой люминофора, что придаёт нити жёлтый оттенок. Отвод тепла в ФЛ происходит через тонкую стеклянную колбу, внутренний объём которой заполнен газовой смесью.

Зачастую нехватка места для драйвера вынуждает производителей устанавливать модуль питания низкого качества непосредственно в цоколе осветительного прибора. Результат такого подхода – чрезмерно высокий , негативно воздействующий на зрение. Чтобы избавиться от вредного мерцания и составить конкуренцию обычным LED лампам, фирмы-изготовители модернизировали конструкцию ФЛ. Между цоколем и колбой стали делать вставку в виде пластикового кольца, за которым скрывается высококачественный драйвер.

Каждый из рассмотренных образцов пользуется спросом на потребительском рынке, а значит, будет развиваться дальше. Возможно, вскоре в устройстве светодиодной лампы на 220В появятся новые функциональные блоки, о назначении которых мы обязательно расскажем в своих статьях.

Читайте так же

Что такое светодиоды?

Светодиод (light emitting diode, LED) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение и состоящий из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Какие преимущества светодиода?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. При должном теплоотводе светодиод мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК- излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый - смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4° до 140°. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача - величина светового потока на один ватт электрической мощности. Другой интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

В рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то как раз делать нельзя, - а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо - доподлинно не известно, потому что, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют. Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально.

Где сегодня целесообразно применять светодиодные изделия?

Светодиодные находят применение практически во всех областях светотехники, незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

Какие светодиоды лучше?

Конечно, однозначного ответа на такой вопрос быть не может. В настоящее время производителей светодиодов можно сравнить с автопроизводителями. Ведь у всех них машины выпускаются на четырех колесах, оснащены двигателем, подушками безопасности и автомагнитолой! Но для их сравнения сопоставляют многочисленные технические характеристики, а не голословно утверждается, что BMW лучше Lexus или Audi лучше Volvo.

При выборе светодиодов необходимо обращать внимание на следующие характеристики, которые обычно бинуются (BIN) по группам:

• яркость (60-70 Lm, 70-80 Lm, 80-90 Lm);
• угол (80°-90°, 90°-100°, 100°-110°);
• цветовая температура (5000-5500K, 5000-6000K, 5000-7500K, 5000-10000K);
• напряжение (2,8-3V, 2,8-3,2V, 2,8-3,6V).

Чем лучше сбинованы светодиоды, тем более однородными характеристиками они будут обладать, а значить тем надежнее получится конечное изделие. И надо отметить, чем меньше диапазон BIN, тем дороже светодиод (ведь светодиоды в таком случае приходится сортировать).

Соответственно для ответа на вопрос какие светодиоды лучше, необходимо сравнить однотипные виды с похожими техническими характеристиками и их соответствие заявленным BIN от производителей.

Что такое IP? Как расшифровать степени пыле- и влаго- защиты (степени защиты IP)?

Для многих многоквартирных домов актуальна проблема освещения лестничных площадок: хорошую лампу туда ставить жалко, а дешевые быстро выходят из строя.

С другой стороны качество освещения в данном случае не является критичным, так как люди находятся там очень недолго, то вполне можно поставить туда лапочки с повышенными пульсациями. А раз так, то схема светодиодной лампы на 220 В получиться совсем простой:

Список номиналов:

• C1 – значение емкости по таблице, 275 В или больше
• C2 – 100 мкФ (напряжение должно быть больше чем падает на диодах
• R1 – 100 Ом
• R2 – 1 MОм (для разряда конденсатора C1)
• VD1 .. VD4 – 1N4007

Я уже приводил схему подключение светодиодной ленты к сети 220В так вот её можно упростить выкинуть стабилизатор тока. Упрощенная схема не будет работать в широком диапазоне напряжений, это плата за упрощение.

Конденсатор C1 является тем компонентом, который ограничивает ток. И выбор его значения очень важен, его величина зависит от напряжения питания, напряжения на последовательно включенных светодиодах и требуемого тока через светодиоды.

Для 1 светодиода в сборке фильтрующий конденсатор C2 следует увеличить до 1000мкФ, а для 10 светодиодов, до 470мкФ.

По таблице можно понять, что для получения максимальной мощности (чуть более 4 Вт) нужен конденсатор на 1мкФ и 70 последовательно включенных светодиодов на 20мА. Для более мощных источников света лучше подойдет схема светодиодной лампы на 220 в использующая широтноимпульсную модуляцию для преобразования и стабилизации тока через светодиоды.

Схемы на основе широтноимпульсной более сложные, но зато обладают преимуществами: им не требуется большой ограничивающий конденсатор, эти схемы обладают высоким КПД и широким диапазоном работы.

Я заказал несколько светодиодных светильников в Китае. В основе преобразователей этих ламп лежат микросхемы драйверов разработанных в том же Китае, конечно качество работы этих схем ещё не дотягивает до западных стандартов, но вот стоимость более чем демократичная.

Итак, конкретно в последних светодиодных лампах была установлена микросхема WS3413D7P, являющаяся светодиодным драйвером с активным корректором коэффициента мощности.

Что же мы видим на схеме? Все тот же диодный мост VD1 — VD4, сглаживающий конденсатор С1. Остальные же компоненты работают нужны для работы микросхемы D1. Резистор R1 нужен для питания самой микросхемы в начальный момент времени, а после запуска микросхема начинает питаться со своего выхода через цепочку R5, VD5. Конденсатор С2 фильтрует питания собственных нужд. Конденсатор С3 служит для задания частоты преобразования. Резистор R2 нужен для измерения тока через светодиоды. Делитель на резисторах R3, R4 позволяет микросхеме получать информацию о напряжении на светодиодной сборке. Катушка индуктивности L1 и конденсатор C4 нужны для преобразования импульсной энергии в постоянную.

Существует куча других разновидностей микросхем, но основных типов высоковольтных драйверов светодиодов всего три: на основе емкостного гасящего сопротивления, активный гасящий стабилизатор тока и импульсный стабилизатор тока.

Навигация по записям

14 thoughts on “Схема светодиодной лампы на 220 в ”

1. Игорь

   Даже с «выброшенным» стабилизатором, светодиодная лампочка для подъезда получается слишком дорогой. Там лучше вкрутить обычную лампочку «Ильича Эдисона» с диодом, который монтируется в слегка модернизированный патрон.

   1. Валерий

      Не в патрон, в выключатель, там больше места.

2. Greg

   Не знаю, что слишком дорогого увидел здесь Игорь, но, уж если экономить по полной, то можно выкинуть сопротивления и мост. Останутся: С1, как реактивное сопротивление, один диод для выпрямления переменки и С2 (емкость увеличить в 2-3 раза) для сглаживания пульсаций. Затраты на питание и замену ламп накаливания гораздо выше, чем, даже первоначальный вариант схемы. Очень уж они неэкономичны, причем, во всех ракурсах. От них и избавляются поэтому везде, где только можно. А в подъездах — это архиважно и архинужно, как говаривал Ильич.

3. admin Автор записи

   У лампы накаливая маловат ресурс, на коробке пишут 1000ч, при круглосуточной работе это 42 дня. В лучшем случае лампочка прослужит несколько месяцев.
   Питание лампы однополупериодным напряжением должно значительно увеличить ресурс (якобы до 100 раз), вот только светоотдача упадет больше чем в два раза. И лампочка будет мерцать с частотой 50Гц.
   Чтобы вернуть частоту к 100Гц, достаточно включить две одинаковых лампочки последовательно — и ресурс возрастет и частота не снизиться.

4. олександр

   В первой схеме конденсатор С1 надо брать на большее допустимое напряжение в сети 220 в это действующее напряжение Максимальное 220*1,42= примерно 320 в к тому же как правило На конденсаторе указывается на постоянное напряжение а в сети 50 герц. Я рекомендую брать не меньше 450 В. Один диод как пишет Greg не пойдет так на светодиоды или выпрямительный диод будет действовать обратное напряжение.Я рекомендую Выкинуть диодный мост и С2 параллейно светодиодам в обратной полярности поставить диол один период пойдет через светодиод другой через силовой диод. Светодиод можно взять из не исправных фонариков.

5. Greg

   Ну, обратное напряжение светодиоды должны выдержать, но идея хороша. Зачем терять один период? С2 — выбрасываем, да, а вместо предложенного Олександром силового, ставим еще один световой — пусть моргают попеременно, усиливая общий световой поток и защищая друг дружку от обратного напряжения. А учитывая, что сверхъярких светодиодов, в некоторые фонарики тулят штук по 20, наковырять можно много. Можно и целиком взять, у многих ручных фонарей — ручка выполнена в виде удлиненной лампочки кругового рассеивания.

6. олександр

   Данную схему можно не только в подъезде как предполагает (Игорь) но где угодно, например освещение приусадебного участка по схеме Greg через понижающий трансформатор для безопасности и две группы светодиодов включенных параллейно и в противоположной полярности.или освещение кессона, душа летнего.

7. Анатолий

   Я часто видел в подъездах мерцающие лампочки накаливания, где использовался «хитрый» патрон с одним диодом. По моему самое то для подъезда, экономия энергии и непрезентабельный вид. Вот для дома схема №1 вполне подойдёт, скопирую её себе.

8. Николай

   разобрал «замолчавшую» светодиодную лампу на 11 ватт(100 эквивалента к накаливанию). То что автор называет драйвером, обычный инвертор, схема которого вошла в быт повсеместно, от лампочек до компьютеров и сварочных аппаратов. Так вот на моей лампе стоит 20 диодных светоизлучающих элементов. Исследуя их я пришел к выводу, что они включены как елочная гирлянда — последовательно. Обнаружить неисправный диод не составило труда. Припаяв перемычку из резистроа порядка 50 ом, лампа восстановилась. Так что светоизлучатели работают не при 9.8 иольтах а на всё напряжение выдаваемое инвертором. То есть 220 вольт.
   Дале — у меня есть фонарь ЭРА летучая мышь, с 6 вольтовым АКБ и люминесцентной лампой. Эта лампа светит очень гумозно при своих 7 ваттах. А АКБ хватает на 4 часа. Что я сделал — выпаял из схемы «драйвера» диодный мост и плату со светоизлучателями. В точки пайки проводов от инвертора обозначенные + и — , впаял этот мост соблюдая полярность. На вход моста подал переменное напряжение которое вырабатывал штатный генератор «Эры». Лампа заработала как надо. Светоотдача осталась той же как и от сети 220 вольт. Поскольку холостой ход генератора обеспечивал это напряжение на светоизлучателях.
   Как то вот так.

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

Преимущества энергосберегающих ламп

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

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

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

Практические схемы светодиодных ламп

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

Рисунок 1. Схема светодиодной лампы фирмы «СЭА Электроникс»

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

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

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

Рисунок 2. Структурная схема BP5041.

Микросхема выполнена в корпусе типа SIP показанный на рисунке 3.

Рисунок 3.

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4. Микросхема HV9910.

Рисунок 5. Структурная схема микросхемы HV9910.

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

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

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

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

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

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

Рисунок 6. Самодельная светодиодная лампа.

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

Более простая схема светодиодной лампы показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 8.

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

Рисунок 9. Печатная плата и расположение деталей на ней.

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

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

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

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

Устройство и принцип работы светодиодных ламп . Основные части осветительного прибора:

Светодиоды;
- драйвер;
- цоколь;
- корпус.

Принцип его работы полностью повторяет процессы, происходящие в обыкновенном полупроводниковом диоде с p-n переходом из кремния или германия: при подаче положительного потенциала к аноду, а отрицательного к катоду в материалах начинается движение отрицательно заряженных электронов к аноду, а дырок к катоду. В итоге, диод пропускает электрический ток только одного прямого направления.

Однако, светодиод выполнен из других полупроводниковых материалов, которые при бомбардировке в прямом направлении носителями зарядов (электронами и дырками) осуществляют их рекомбинацию с переводом на другой энергетический уровень. В итоге происходит выделение фотонов - элементарных частиц электромагнитного излучения светового диапазона.

Даже в электрических схемах в качестве их обозначений используются обозначения обычных диодов, только с добавлением двух стрелочек, обозначающих излучение света.

Полупроводниковые материалы обладают разными свойствами выделения фотонов. Такие вещества, как арсенид галия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), являясь прямозонными полупроводниками, одновременно прозрачны для видимого спектра световых волн. При замене ими слоев p-n перехода происходит выделение света.

Расположение слоев, используемых в светодиоде, показано на рисунке ниже. Их маленькая толщина порядка 10÷15 нм (наномикрон) создается специальными методами химического осаждения из газовой фазы. В слоях размещены контактные площадки для анода и катода.

Как при любом физическом процессе, во время преобразования электронов в фотоны существуют потери энергии, обусловленные следующими причинами:

Часть световых частиц просто теряется внутри даже такого тонкого слоя;
- при выходе из полупроводника возникает оптическое преломление световых волн на границах кристалл/воздух, искажающее длину волны.

Применение специальных мер, например, использование сапфировой подложки, позволяет создать бо́льший световой поток. Такие конструкции применяются для установки в лампы освещения, но не для обычных светодиодов, используемых в качестве индикаторов, показанных на рисунке ниже.

Они имеют линзу, выполненную из эпоксидной смолы и рефлектор для направления света. В зависимости от назначения свет может распространяться в широких диапазонах угла 5-160°.

Дорогие светодиоды, выпускаемые для ламп освещения, производители изготавливают с ламбертовской диаграммой. Это означает, что их яркость постоянна в пространстве, не зависит от направления излучения и угла наблюдения.

Габариты кристалла весьма маленькие и от одного источника можно получить небольшой поток света. Поэтому для ламп освещения такие светодиоды объединяют довольно большими группами. При этом, создать от них равномерное освещение во все стороны весьма проблематично: каждый светодиод является точечным источником.

Частотный спектр световых волн от полупроводниковых материалов значительно уже, чем от обычных ламп накаливания или солнца, что утомляет глаза человека, создает определенный дискомфорт. С целью исправления этого недостатка в отдельные конструкции светодиодов для освещения вводится слой люминофора.

Величина излучаемого светового потока полупроводниковых материалов зависит от тока, проходящего через p-n переход. Чем больше ток, тем выше излучение, но до определенного значения.

Маленькие габариты, как правило, не позволяют использовать токи, превышающие 20 миллиампер для индикаторных конструкций. У мощных осветительных ламп применяется теплоотвод и дополнительные меры защиты, использование которых, однако, строго ограничено.

При запуске световой поток лампы пропорционально возрастает с увеличением тока, но затем из-за образования тепловых потерь начинает снижаться. Следует понимать, что процесс выделения фотонов из проводника не связан с тепловой энергией, светодиоды относятся к источникам холодного света.

Однако, проходящий через светодиод ток в местах контактов различных слоев и электродов преодолевает переходное сопротивление этих участков, вызывающее нагрев материалов. Выделяемое тепло вначале только создает потери энергии, но при увеличении тока может повредить конструкцию.

Количество светодиодных кристаллов, установленных в одну лампу, может превышать сотню работающих элементов. На каждый из них необходимо подвести оптимальный ток. Для этого создают стеклотекстолитовые платы с токопроводящими дорожками. Они могут иметь самую различную конструкцию.

К контактным площадкам плат припаиваются светодиодные кристаллы. Чаще всего их формируют в определенные группы и запитывают последовательно друг с другом. Через каждую созданную цепочку пропускают один и тот же ток.

Такую схему проще реализовать технически, но она обладает одним главным недостатком - при нарушении одного любого контакта вся группа перестает светить, что является основной причиной поломки лампы.

Драйверы . Подвод постоянного напряжения к каждой группе светодиодов выполняется от специального устройства, которое раньше называли блоком питания, а сейчас - термином “драйвер”.

Данное устройство несет функции преобразования входного напряжения сети, например, ~220 Вольт квартирной или 12 Вольт автомобильной сети в оптимальную величину питания каждой последовательной группы.

Подвод одного стабилизированного тока к каждому кристаллу по параллельной схеме технически сложен и применяется в редких случаях. Работа драйвера может проводиться на основе трансформаторной или иной схемы. Среди них распространены следующие варианты. В зависимости от конфигурации и количества примененных элементов они могут быть разными:

Самые простые и дешевые драйверы рассчитаны на питание от стабилизированного напряжения, сеть которого защищена от бросков и импульсов перенапряжений. У них даже может отсутствовать токоограничивающий резистор в выходной цепи питания, что характерно для аккумуляторных фонариков, светодиоды которых зачастую подключены непосредственно к выходу АКБ .

В результате, пиолучается, что они питаются завышенным током и хотя светят довольно ярко, очень часто перегорают. При использовании дешевых ламп с драйверами без защиты от перенапряжений осветительной сети светодиоды тоже часто выгорают, не выработав заявленного ресурса.

Качественно сконструированные блоки питания практически не выделяют тепло при работе, а у дешевых или перегруженных драйверов часть электроэнергии расходуется на нагрев. Причем, такие бесполезные потери электрической мощности могут быть сопоставимы, а в отдельных случаях превышать энергию, расходуемую на выделение фотонов.