Как устроена светодиодная лампа и принцип ее работы

Подключение светодиода к сети 220 В на примере выключателя с подсветкой

Сейчас уже никого не удивишь выключателем с интегрированной подсветкой в виде светодиода. Разобрав его и разобравшись мы получим еще один способ, благодаря которому можем подключить любой светодиод к сети 220 В.

Во всех выключателях с подсветкой используется резистор с номиналом не менее 20 кОм. Ток в этом случае ограничивается порядка 1А. При включении в сеть такой светодиод будет светиться. Ночью его легко можно различить на стене. Обратный же ток в этом случае будет очень маленьким и не сможет повредить полупроводник. В принципе, такая схема также имеет право на существование, но свет от такого диода будет все-таки ничтожно маленьким. И стоит ли овчинка выделки — не понятно.

Советы по выбору и подключению

Выбирая светодиодную лампочку стоит учитывать не только мощность, но и вырабатываемый световой поток. Данные характеристики можно найти на упаковке. К примеру, лампа мощностью 60 Вт излучает поток 800 Лм, а на 100 Вт – 1600 Лм. Также рекомендуется учесть следующее:

• цвет освещения. Перед покупкой нужно понять, какая лампа нужна, с теплым или холодным оттенком. Лампочка накаливания имеет характеристики 2700-2800К (теплые тона). Свечение с показателями 4000К имеет белый цвет. Для дома рекомендуется подбирать теплые тона, так как они подчеркнут домашний уют;
• частота включения и выключения. Частое включение может повлиять на срок службы лампочки. Она может перегореть из-за некачественной электронной схемы. Существует мнение о том, что светодиодную лампу не стоит устанавливать в комнаты, в которых свет будет часто включаться и выключаться. Например, если нужна лампочка для санузла, стоит приобрести дорогую модель, так как дешевый аналог перегорит достаточно быстро;
• совместимость с диммером. Диммер – это регулятор, с помощью которого можно регулировать интенсивность света. Далеко не все лампы совместимы с этим устройством.

Температура свечения LED-лампочки.

Чтобы не прогадать, перед покупкой лампочки её нудно внимательно осмотреть и проверить на наличие видимых дефектов

Также стоит обратить внимание не радиатор, он не должен быть наборным. От этого зависит срок службы изделия

Если он будет покрыт термопластиком, это лучший из вариантов. В момент включения лампа не должна мерцать. Если на глаз это незаметно, на неё следует посмотреть через камеру телефона. Мерцающую лампочку покупать не стоит.

Виды светодиодов

Диоды различают по форм-фактору, яркости свечения, типу луча света, мощности, габаритам. Но классифицировать их по таким признакам неудобно, поскольку модификаций может быть множество. Поэтому светодиоды подразделяют на классы:

1. Индикаторные
2. Осветительные

Индикаторные используются для цветовой подсветки, акцентирования и индикации. Светодиоды этой группы отличаются умеренной яркостью свечения, незначительной мощностью — не более 0.2 Вт. Применяются для подсветки приборных панелей, дисплеев, электроприборов.

Индикаторный тип светодиодов.

Осветительные LED-источники служат для производства светодиодных лампочек, работающих от сети 220 В. Они подходят для потолочных или настенных светильников, автомобильных фар, настольных ламп и фонарей. Их отличительная особенность — внушительная мощность (до десятков ватт). Мощный световой поток позволяет использовать такие изделия при освещении внутренних помещений, территорий.

По характеристикам свечения легко понять, что именно осветительные светодиоды ставят в лампочки на 220 В. Их выпускают в двух цветовых температурах (преимущественно) — холодный и теплый белый. Дополняют ударостойким корпусом для поверхностного монтажа, а также делят на подвиды.

Типы осветительных светодиодов 

К основным типам осветительных источников света относят:

• слаботочные повышенной яркости SMD диоды (модули или кластеры могут дополняться линзой для увеличения угла рассеивания) — характеристики светового потока зависят от количества использованных в модуле светодиодов;
• COB-кластеры (линейное, круглое или квадратное исполнение, отличаются большим количеством кристаллов) — широко применяются для производства уличных осветительных приборов: фонарей, прожекторов;
• Filаmеnt (стержень из большого числа LED-кристаллов, в длину может достигать 20 см) — используется для изготовления лампочек, имитирующих лампы накаливания, подходит для производственных помещений;
• OLED-светодиоды (имеют дисплейный тип, органическое тонкопленочное строение) — инновационные источники света используются в дизайнерских люстрах, декоративных светильниках.

Органические OLED-светодиоды

Несмотря на технологические различия между типами светодиодов, их функционирование основывается на общем принципе работы излучающего кристалла — преобразование электрической энергии в световой поток. Сами кристаллы изготавливают из полупроводников с заданными параметрами проводимости.

Принципиальная схема драйвера

На рисунке представлены две принципиальные схемы драйвера для 3w светодиода на основе PT4115. Первая схема питается источником постоянного тока напряжением от 6 до 30 вольт. Вторую схему дополняет диодный мост, питается она источником переменного тока с напряжением 12-18В.

Важным элементом обоих схем является конденсатор C_IN. Он непросто сглаживает пульсации, но и компенсирует энергию, накопленную в катушке индуктивности в момент закрытия ключа (МОП-транзистора). Без C_IN индуктивная энергия через диод Шоттки D поступит на вывод VIN и спровоцирует пробой микросхемы по питанию. Поэтому включение драйвера без входного конденсатора категорически запрещено.

Индуктивность L подбирается исходя из количества светодиодов и тока в нагрузке.

Несмотря на имеющиеся табличные данные, допускается монтаж катушки с отклонением номинала индуктивности в большую сторону. При этом снижается эффективность всей схемы, но схема остается работоспособной. На малых токах индуктивность должна быть больше, чтобы компенсировать пульсации, возникающие из-за задержки при переключении транзистора.

Резистор R_S выполняет функцию датчика тока. В первый момент времени, при подаче входного напряжения ток через R_S и L равен нулю. Затем внутрисхемный CS comparator сравнивает потенциалы до и после резистора R_S и на его выходе появляется высокий уровень. Ток в нагрузке, ввиду наличия индуктивности, начинает плавно нарастать до величины, определяемой R_S. Скорость увеличения тока зависит не только от величины индуктивности, но и от размера напряжения питания.

Работа драйвера основана на переключении компаратора внутри микросхемы, который постоянно сравнивает уровни напряжения на выводах IN и CSN. Отклонение тока через светодиод от расчетного не превышает 5%, при условии монтажа резистора R_S с максимальным отклонением от номинала 1%.

Для включения светодиода на постоянную яркость вывод DIM остаётся не задействован, а ток на выходе определяется исключительно номиналом R_S. Управление диммированием (яркостью) можно осуществляться одним из двух вариантов.Первый способ предполагает подачу на вход DIM постоянного напряжения в диапазоне от 0,5 до 2,5В. При этом ток будет меняться пропорционально уровню потенциала на выводе DIM. Дальнейший рост напряжения, до 5В, не влияет на яркость и соответствует 100% току в нагрузке. Снижение потенциала ниже 0,3В приводит к отключению всей схемы. Таким образом, можно эффективно управлять работой драйвера без снятия напряжения питания. Второй способ подразумевает подачу сигнала с широтно-импульсного преобразователя с выходной частотой 100-20000 Гц.

Устройство LED-лампы

Пользователям, желающим ознакомиться с тем, что это такое, придется разобраться с конструкцией и принципом работы светодиодной лампочки. Прежде всего, классический LED светильник представляет собой сборное устройство, состоящее из следующих основных узлов (фото ниже):

• Нескольких светодиодных излучателей, размещенных на теплоотводящей алюминиевой подложке (радиаторе).
• Матового куполообразного рассеивателя, конструкция которого обеспечивает равномерность распределения светового потока.
• Электронного преобразователя (драйвера), снабжающего LED светодиоды питанием нужного качества.
• Стандартного цоколя (E14, E 27, E 40 и других типов).

Важно! В простейших моделях лампочек от китайского производителя может устанавливаться один мощный светодиод. При рассмотрении различных вариантов исполнения светодиодных лампочек важно научиться различать их по величине питающего напряжения

При рассмотрении различных вариантов исполнения светодиодных лампочек важно научиться различать их по величине питающего напряжения

Как сделать простую светодиодную лампочку

Для того, чтоб собрать светодиодную лампу нам потребуется старая люминесцентная лампа, точнее ее основание с цоколем, длинный кусок 12 В светодиодной ленты,и пустая алюминиевая 330 мл банка

Для питания такой лампы понадобится источник постоянного напряжение на 12 В такого размера, чтобы без проблем вошел внутрь банки.

Итак, теперь само изготовление:

1. Обмотайте лентой банку, как показано на рисунке.
2. Припаяйте провода от светодиодной ленты к выходу источника питания (ИП).
3. Вход ИП проводами припаяйте к цоколю основания лампы.
4. Сам источник надежно закрепите внутри банки, предварительно вырезав достаточное по размеру отверстие для пропускания ИП внутрь.
5. Приклейте банку с лентой к основанию корпуса с цоколем и лампа готова.

Конечно, такая лампа не шедевр дизайнерского искусства, но зато сделана своими руками!

Типы светодиодов

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

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

Разные способы сборки чипов позволяют создавать 4 основных типа светодиодов:

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

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

Типы светодиодов

Рассмотрим, какие светодиоды используются в лампах. В настоящее время существует огромное количество подвидов и групп, которые являются типами светодиодных осветительных приборов, но к самым основным видам относятся следующие:

• Слаботочный сверх яркий источник и smd-светодиод. Такие варианты очень часто используются в качестве индикаторов. Светодиод может быть собран на одном кристалле без использования линзы или на нескольких кристаллах с применением общей линзы.
• COB-модуль квадратного или линейного исполнения с белым свечением, что делает такой тип популярным в прожекторах и фонарях, используемых в уличном освещении.
• Filаmеnt – стержневой вариант, достигающий в длину четверти метра и состоящий их очень большого количества кристаллов. Филаментный тип особенно популярен в производстве нитевидных светильников на 220В.
• Дисплейного типа OLED-светодиоды, отличающиеся очень характерным тонкопленочным и органическим строением.

Не менее популярны светодиоды, которые используются в изготовлении ДУ-пульта, а также ламп медицинского или косметического назначения.

Таким образом, вне зависимости от типовых особенностей, основные узлы светодиодной лампы представлены цокольной частью, встроенным драйвером или стабилизатором тока, корпусом-рассеивателем, а также непосредственно светоизлучающими диодами.

Составляющие схемы

Стандартные бытовые
энергосберегающий лампы любой мощности имеют одну схему работы и включают
следующие элементы со своими особыми функциями:

1. На пусковом конденсаторе происходит зажигание лампы.
2. Фильтр электромагнитных помех предотвращает мерцание и прочие сбои, идущие из сети.
3. Стабилизирующий фильтр-емкость обеспечивает подачу тока заданных параметров, тем самым продлевая срок эксплуатации прибора.
4. Токоограничитель защищает схему от избытка напряжения и поддерживает его постоянное значение.
5. Транзисторы биполярные.
6. Предохранитель-резистор предотвращается электронику от резкого повышения напряжения в сети.

Основные компоненты
энергосберегающей лампы показаны на рисунке ниже:

Если энергосберегающая лампа вдруг перестала светить, ее можно попытаться восстановить своими руками. Необходимо сделать ремонт колбы или электронной схемы. Для доступа запчастей потребуются другие аналогичные лампочки, для разборки – плоская отвертка, а для прозвонки компонентов – мультиметр

Особую осторожность нужно проявлять при контакте с колбой. Ни в коем случае нельзя ее повреждать, так как выход находящихся в ней паров ртути опасен для здоровья!

Изготовить своими руками

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

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

Драйвер LED-лампы

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

Схема питания LED-лампы является чаще всего бестрансформаторной, и следует соблюдать осторожность при монтаже своими руками на металлическом светильнике, чтобы не было замыкания фазы или нуля на корпус. Конденсаторы подбираются по таблице, в зависимости от количества светодиодов

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

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

Настольная лампа на светодиодах

Конструкция светодиодных ламп

Нужно описать устройство светодиодной лампы. Ее основные комплектующие:

• светодиод;
• блок питания (драйвер);
• цоколь;
• корпус.

Светодиод

Он и выступает основным элементом, дающим свет. Аналогичную функцию в лампе накаливания выполняла вольфрамовая нить, расположенная в плафоне, в котором был создан вакуум. При прохождении по ней электрического тока нить светилась. Светодиод тоже излучает свет, когда на него подается напряжение. Но при этом он затрачивает намного меньше электроэнергии, что приводит к значительной экономии. Это и служит основным преимуществом led лампочки. Вдобавок к этому при ее изготовлении не требуется откачивать воздух из корпуса. Светодиодные лампочки преобладают и над люминесцентными, т. к. у последних для свечения применяются пары ртути. Диодные приборы освещения лишены этого компонента, поэтому являются экологически чистыми.

Светодиоид — основная часть конструкции лед-лампы

Для того чтобы разобраться, почему led лампы потребляют гораздо меньше электроэнергии, чем другие устройства освещения, необходимо знать, как работает светодиод.

• Это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет). При этом ток через СД должен проходить в прямом направлении, а не в обратном.
• Чтобы понять, что такое светодиод, необходимо знать его устройство. В состав светоизлучающего диода входит полупроводниковый кристалл, т. е. элемент, к сторонам которого присоединены материалы с переменной проводимостью. Она зависит от наличия и количества примесей.
• Полупроводники подбирают так, чтобы в одном из них носителями электрического тока выступали электроны (отрицательно заряженные частицы), а в другом — дырки (положительно заряженные частицы). При встрече противоположно заряженные частицы соединяются (рекомбинируют). Этот процесс сопровождается излучением.
• Таким образом, подведенное электричество непосредственно преобразуется в свет, при этом потери очень низкие. Вот почему для светодиодных ламп характерна небольшая мощность.

Блок питания

Со светодиодом все понятно, а вот насчет блока питания может возникнуть вопрос: какое он имеет предназначение для такого простого устройства, как лампочка? Да и лампа накаливания работает без драйвера. Объяснение заключается в том, что светодиоды не могут потреблять напряжение 220 вольт (из розетки в жилых помещениях) или 12в, которые дает аккумуляторная батарея автомобиля. Преобразователем напряжения выступает блок питания. Существуют разные варианты электронных схем драйвера. Но все они имеют общие функциональные узлы:

1. Диодный мост. Он предназначен для выпрямления переменного тока. К нему поступает квартирное или автомобильное переменное напряжение, значение которого все время меняется с отрицательного на положительное, т. е. с «—» на «+». Диодный мост преобразовывает его в постоянное напряжение, в результате чего ток на выходе только одной полярности, одного знака. Именно при таком напряжении светодиод будет работать непрерывно, что обеспечит постоянное излучение.
2. Конденсатор. Это радиодеталь, предназначенная для сглаживания пульсаций напряжения.
3. Резистор. Еще 1 радиодеталь, предназначенная для уменьшения тока до нужной величины.

Блок питания обеспечивает защиту от перепадов напряжения

Это описание того, как устроен блок питания в самом общем виде. В зависимости от цены количество компонентов в них может отличаться. Например, самый дешевый вариант драйвера рассчитан на стабилизированное напряжение. Т.к. в составе простого блока питания может не быть токоограничивающего резистора на выходе, то потребляемое напряжение должно быть защищено от бросков и импульсов. Чаще всего аккумуляторные фонарики имеют такие дешевые драйверы. Из-за этого ток, поступающий на них, является большим. Это способствует яркому свечению и частому перегоранию. Для светодиода такой блок питания не обеспечивает защиту от перенапряжения. В результате СД выходит из строя раньше, не выработав свой ресурс.

Цоколь и корпус

Цоколь и корпус зависят от сферы применения лед лампы

Лед лампы снабжаются разными цоколями в зависимости от области применения и напряжения, на которое рассчитано осветительное устройство. Корпусом для ламп служат материалы из пластика, способные пропускать свет. В отличие от ламп накаливания, нет необходимости откачивать из плафона воздух, или наполнять специальными газами, как в люминесцентных лампах.

Рассмотренная конструкция описывает и устройство светодиодных ламп на 220в.

Работа с патроном

Патроны в светодиодных лампах бывают трёх видов. Они отличаются методами крепления к корпусу и проводам, подводящим ток. На каждой детали есть маркировка. Буква означает систему штыревого подключения, а число — расстояние между штырями, измеряющееся в миллиметрах. Для нормальной работы светодиода нужно подключить только один провод к каждому патрону. Поэтому его не нужно демонтировать, достаточно подсоединить по одному кабелю к клеммной колодке.

Обычно мастера стремятся выполнить всю работу профессионально. В этом помогают специальные клеммные колодки. Они позволяют не изолировать провода, повышают надёжность их подключения. Одна колодка даёт возможность подсоединить сразу несколько мест установки. Если нет возможности приобрести эти детали, то необходимо демонтировать патроны. Старые модели крепят к корпусу винтами. В них провода заводят в отверстия на внутренней стороне и закрепляют. В места присоединения вставляют подпружиненные втулки. Так обеспечивается фиксация лампы между двумя патронами, а также исключается влияние габаритов арматуры конструкции.

В том случае, когда в устройстве два патрона и больше, к одной свободной клемме добавляют ещё одну перемычку. Но у этой схемы есть слабая сторона: если извлечь лампу из элемента, который получает питание, то и остальные светильники погаснут. Это обусловлено тем, что к соседним патронам подходит напряжение сквозь перемычку внутри прибора. Когда провод зажмут с винтами, его дёргают и тянут, так как он может находиться не на клемме и оставаться незакреплённым.

Патроны современных производителей крепят пластиковыми или металлическими пластинами. Для их демонтажа сжимают защёлки друг к другу пинцетом, это позволяет элементу легко выйти из выемки. На одной стороне конструкции находятся плоские пружины. Для подсоединения всех патронов к кабелю, проводящему питание, их соединяют перемычками. Длина крепления зависит от расстояния между соседними элементами. Затем остаётся только смонтировать патроны обратно в светильник и подсоединить провод к колодке для подачи питания. Также подключают и элементы, расположенные на противоположной стороне.

После этого достаточно закрепить светильник на потолке, подключить питание к клеммам на колодке и заменить люминесцентную лампу на светодиодную. На всю работу в неторопливом режиме и без опыта и особых умений уйдёт не более часа.

Кол-во блоков: 18 | Общее кол-во символов: 29680
Количество использованных доноров: 6
Информация по каждому донору:

1. https://ledjournal.info/vopros-otvet/zamena-ljuminescentnyh-lamp-na-svetodiodnye.html: использовано 3 блоков из 4, кол-во символов 5886 (20%)
2. https://svetosmotr.ru/kak-peredelat-svetilnik-dnevnogo-sveta-v-svetodiodnyj/: использовано 4 блоков из 5, кол-во символов 7181 (24%)
3. https://220v.guru/elementy-elektriki/lampy/podklyuchenie-i-zamena-lyuminescentnyh-lamp-na-svetodiodnye.html: использовано 3 блоков из 6, кол-во символов 5364 (18%)
4. https://LampaGid.ru/elektrika/montazh/svetodiodnye-lampy-vmesto-lyuminescentnyh: использовано 2 блоков из 3, кол-во символов 3856 (13%)
5. https://esvetilnik.ru/articles/articles/postanovlenie-pravitelstva-o-zamene-osveshcheniya-v-byudzhetnykh-uchrezhdeniyakh-na-svetodiodnoe: использовано 4 блоков из 5, кол-во символов 4548 (15%)
6. https://www.lighteco.ru/article/7-main-reasons: использовано 2 блоков из 2, кол-во символов 2845 (10%)

Схема типового LED драйвера мощной лампочки на 220 В

Для того чтобы снизить уровень выдаваемой мощности преобразователя (ведь по факту уже в 2 раза меньше нагрузка), пришлось вникнуть в схему драйвера и изменить токозадающим резистором значение выхода.

Можно конечно было просто перерезать дорожку на выходе и поставить туда резистор по-мощнее, но не факт что его мощность не расплавила бы пластиковый корпус лампы.

В общем найдя похожую по схемотехнике включение микросхемы преобразователя, удалось выяснить что ток задаётся парочкой низкоомных резисторов. Он был задан на 100 миллиампер сопротивлением 2 Ома. Поставив 4 Ома его значение изменилось на 60 миллиампер, а 5,6 Ом снизили его до 40 мА. На этом и остановился.

LED лампа вновь вернулась с респауна на своё законное место в настольном светильнике. Насколько хватит её теперь сказать трудно, но в любом случае получен превосходный опыт ремонта подобных устройств и при следующем перерождении просто придётся перепаять все SMD светодиоды, вновь подняв её мощность до 100%.

   Обсудить статью ТРЕТЬЯ ЖИЗНЬ СВЕТОДИОДНОЙ ЛАМПЫ