На якій напрузі працюють світлодіодні лампи

Телефонуйте нам з 9 до 18 у робочі дні →

+38 050 821-38-41 або +38 044 346-93-05 або ж ви можете →

Принцип роботи світлодіодних ламп

У статті висвітлюється питання конструкції та принципів дії світлодіодів. Окрема увага приділяється зібраним на їх основі лампам, світильникам та механізму включення їх в електромережу.

Потреба у проектуванні та монтажі внутрішніх та зовнішніх систем освітлення зростає з кожним роком. Використовувати для вирішення таких завдань старі, перевірені часом лампи розжарювання недоцільно: вони недовговічні і мають надто велике споживання електрики при малій світловіддачі. Їх переграють так звані енергозберігаючі лампочки, але й тут є суттєвий мінус – використання у конструкції токсичних матеріалів, насамперед ртуті. Знайти для себе розумну альтернативу можна, вивчивши, як працює світлодіодний світильник. Про це й йтиметься у статті.

Що таке світлодіод?

Десь у 1907 році відомий на той час винахідник та експериментатор англієць Генрі Раунд вперше виявив явище, яке згодом назвав електролюмінесценцією. Вивчаючи особливості поширення електричного струму у різних матеріалах. Як досвідчена система була використана пара «метал-карборунд». При подачі напруги останнього спостерігалося світіння.

Поняття напівпровідників на той час ще не існувало. Але вже тоді вчені напевно розуміли, що було відкрито потенційно перспективну технологію. Справа в тому, що у звичайній лампочці світіння генерується за рахунок розігріву вольфрамової нитки.Тобто не сам електричний струм, а температура понад 2500 К стає причиною. У вищезгаданому досвіді світло також виділяється при подачі на контакти струму, але температура не умовою, а наслідком процесу. Електричне поле збуджує атоми, викликаючи їхню рекомбінацію, світлове і теплове випромінювання.

Тим часом, якщо докладніше вивчити питання напівпровідників, то виявиться, що далеко не кожен із них здатний працювати так, як працює світлодіод. Прикладом є гомогенний p-n-перехід, у якому ширина забороненої зони часто відповідає необхідному енергетичному потенціалу. Крім того, сам кристал має дефекти, кількість яких не дозволяє провести рекомбінацію ідеально.

Гетерогенна структура кристала, яку вдається одержати, використовуючи епітаксійну технологію. Якщо простіше, то все зводиться до його лабораторного вирощування. Для цього використовується спеціальна підкладка сапфірова, яку поміщають в камеру. Туди подається газова суміш, що містить необхідні компоненти. За створених умов вони поступово осідають на підкладці, формуючи багатошарову структуру. Точність вирощування контролюється аж до атомного шару. Крім активних шарів цьому етапі створюються контактні виходи – для анода і катода.

Структура світлодіоду

Цей мініатюрний кристал є основним елементом світлодіода, який також входять:

• Основа/підкладка. Елемент конструкції, на якому безпосередньо вмонтовується кристал. Виготовляється з міді або алюмінію – матеріалів із високим коефіцієнтом теплопровідності (ефективність тепловідведення є основою нормальної роботи напівпровідника);



• Корпус. Вузол, у якому збираються всі елементи світлодіода.Забезпечує габаритні та монтажні розміри приладу;



• Струмопровідна група. Комбінація катода та анода, які з одного боку з'єднуються відповідними виходами на кристалі, з другого – утворюють контактні ніжки для інтеграції приладу в електросхему;



• Лінза. Елемент конструкції, що забезпечує спрямоване поширення пучка світла;



• Люмінофор. В'язкий склад, яким покривається зверху кристал. Найчастіше має жовтий колір. Він захищає чіп від контакту з довкіллям, але основна його роль – забезпечення необхідного кольору та яскравості випромінювання.

Останній компонент використовується у так званих білих світлодіодах. Справа в тому, що власне випромінювання матеріалу, з якого виготовляється кристал, має синій, зелений, жовтий або інший колір, але не білий. При проходженні люмінофором, в останньому також генеруються світлові хвилі, які в комбінації дають необхідний колір.

Пристрій принцип роботи лід лампи

Тепер перейдемо до наступної стадії розвитку технології – укрупнення окремих напівпровідникових приладів у макроструктурі. Відбувається це шляхом інтеграції окремих світлодіодів на підготовлену друковану плату із контактним розведенням. Плата, незалежно від форми, виготовляється з матеріалів із хорошою теплопровідністю, наприклад того ж алюмінію. Нагадаємо, що тепло, яке виділяється при рекомбінації дірок/електронів, потрібно максимально відводити, оскільки перегрів негативно позначається на характеристиках приладу та його довговічності.

Цікаво! Розміщення та напайка світлодіодів на плату відбувається у спеціальному роботизованому комплексі з піччю.Таким чином, досягається висока точність, швидкість монтажу та точкове нагрівання контактних зон, що дозволяє виключити термічне пошкодження елементів.

Підключивши складання до ланцюга живлення, можна створити лампу чи світильник. І той, і інший варіант освітлювального приладу є комбінацією плат зі світлодіодами. У першому випадку вступним елементом є стандартний цоколь, а в другому - провід з вилкою для включення безпосередньо в розетку. Таке рішення дозволяє використовувати їх як змінні джерела освітлення у звичайних світильниках з спочатку встановленими лампами розжарювання. Загальним для приладів є наявність монтажного тепловідвідного корпусу і насадки - розсіювача.

Лід драйвер для світлодіодних світильників: принцип роботи

Розглядаючи пристрій та особливості функціонування освітлювальних приладів такого типу, не можна оминути питання їх живлення. Справа в тому, що світлодіод та зібраний на його базі прилад є низьковольтним обладнанням. Щоб адаптувати його до параметрів роботи стандартної мережі, потрібно використовувати спеціальний вступний елемент драйвер. Не варто плутати його зі звичайним блоком живлення, який обмежує напругу: у разі світлодіодів контролювати доводиться саме струм. Наприклад, якщо на інформаційній табличці драйвера зазначено «300 мА / 3 Вт», то контрольована напруга дорівнюватиме 10 В. Тобто блок може контролювати систему з будь-якої кількості світлодіодів, сумарний струм і напруга яких не перевищують цих значень: вище цих параметрів на контакти не надійде.

Робота на знижених струмах є одним із механізмів продовження терміну служби світлодіодних світильників.Якщо керуватися ним при виборі конкретного пристрою, потрібно робити ставку на менш потужне. Наприклад, до ламп або світильників з паспортним струмом 350 мА, рекомендується купувати драйвери, розраховані на 300-330 мА.

Існує також окрема група драйверів, принцип роботи яких базується на підключенні конкретного числа світлодіодів. І тут доведеться враховувати як струмові, а й компоновочні характеристики.

І світло, і колір: як працюють світлодіодні лампи нового покоління

Яскраві та екологічні – сьогодні світлодіоди знайшли широке застосування як побутові джерела світла: в офісах, магазинах та домашніх світильниках. Проте вони мають свої особливості, а пристрій складніше, ніж здається здавалося б.

Чому при світлодіодному освітленні червоне яблуко може бути синім? Що таке люмінофори та навіщо вченим знадобилося їх дослідити?

Про це та багато іншого порталу наука.рф розповіла автор розробки нових оптичних матеріалів для світлодіодів, лауреат стипендії Президента РФ для молодих учених у 2021-2023 роках, доцент кафедри хімічної технології та нових матеріалів хімічного факультету Московського державного університету (МДУ) ім. М.В. Ломоносова Діна Дейнеко.

У пошуках ідеального кандидата

Однією з головних особливостей світлодіодних ламп є колірні характеристики. Так, при певному освітленні колір предметів може виглядати неприродно. Наприклад, чи помічали колись, що червоне яблуко може здатися трохи синім? Справа в тому, що багато білі світлодіоди містять люмінофори - речовини, здатні перетворювати поглинається енергію на світлове випромінювання в тому чи іншому діапазоні (таке явище називається фотолюмінесценцією).Однак у такого випромінювання можуть бути провали в червоній області спектра. Щоб виправити подібні дефекти та наблизити освітлення до натурального, для білих світлодіодів потрібні люмінофори саме цього кольору.

Вже довгий час вчені всього світу займаються пошуком та синтезом нових люмінофорів. Головне завдання – зібрати люмінесцентний шар для ламп із простих та водночас ефективних хімічних елементів. Але досі у запропонованих сполук виявлялися ті чи інші недоліки. Так, у тих, що були на основі силікатів, частина енергії переходила в тепло, а компоненти, до складу яких входили нітриди, складна технологія виробництва.

«Необхідно підібрати об'єкти, що підходять під важливі технологічні критерії: стабільність (як хімічна, так і при дії підвищених температур), доступність синтезу, відсутність необхідності у спеціальній утилізації та, нарешті, можливість отримати ефективні, «яскраві» люмінофори», – пояснює фахівець.

Російські дослідники під керівництвом кандидата хімічних наук Діни Дейнеко запропонували використати фосфат кальцію. Незважаючи на просту хімічну формулу, його будова є досить складною. У цьому можна вводити різні елементи, не порушивши структуру. Крім того, такі сполуки надзвичайно стабільні, а отже, люмінофори на їх основі прослужать довго без будь-якої деградації. Ще одна перевага – фосфат кальцію плавиться без розкладання лише за нормальної температури близько 1500 °C. Таких температур у LED-пристроях, звісно, ​​не буває. Проте нові елементи точно підійдуть для ламп високої потужності і не виділятимуть шкідливих речовин.

Не вимагає дорогих металів

Ще одна загальна проблема всіх LED-пристроїв у тому, що для їх виробництва необхідні дорогі рідкісноземельні елементи (РЗЕ). Дейнеко вивчила кристалічні структури, до яких можна додавати рідкісноземельні метали, активні з погляду люмінесцентних властивостей. У ході експериментів у зразки вводилися РЗЕ у різних кількостях та поєднаннях. Важливо було отримати при їх мінімальній витраті найінтенсивніші властивості. Так з'ясувалося, що люмінофори на основі фосфатів кальцію мають ще одну перевагу: в порівнянні з іншими варіантами вони вимагають найменшої кількості цінних металів.

Сама технологія отримання нових пігментів є відносно простою. Спочатку вихідні реагенти ретельно перемішуються у спеціальних млинах, потім поміщаються у піч, де проходять теплову обробку.

«В ідеалі люмінофор можна отримати за одну стадію: змішали та поставили в піч. Але так не завжди. Потрібно уважно стежити за процесом та за необхідності коригувати, щоб змінювати розмір часток. З одного боку, що менше частка, то легше її наносити. Але тоді площа їхньої загальної поверхні стає більшою. А це означає, що на ній можуть виникати дефекти», – розповідає авторка дослідження.

Висвітлити міські вулиці… та імплантати

Дослідження проводяться за підтримки Російського наукового фонду (РНФ), а результати неодноразово були представлені на різних виставках. За словами Діни Дейнеко, розробкою вже зацікавились у Мурманській області. У цьому регіоні штучне освітлення дуже важливе з урахуванням тривалої полярної ночі, а нові люмінофори за знижених температур працюють ефективніше.

Наразі вчені також досліджують пігменти, які будуть корисні у біомедичній медицині.Наприклад, при виготовленні кісткових імплантатів, щоб контролювати процес загоєння та відновлення кісткових тканин, можна візуалізувати окремі елементи. Нові речовини також створюються на основі фосфатів, проте тут вже важливо враховувати біосумісність.

Загалом, на думку фахівця, перспективний напрямок у цій галузі – персоналізація, причому як освітлення, так і медичних технологій. Проте, щоб активніше впроваджувати подібні розробки, необхідно налагодити у Росії виробництва повного циклу, зокрема LED-устройств.

Ганна Шиховець