Как устроена светодиодная лампа: принцип работы

Прежде чем продолжить читать, обязательно ознакомьтесь с этой информацией. Любой источник электроэнергии опасен для жизни, если не соблюдать правила безопасности. Описанные здесь схемы создания LED не имеют трансформаторов и, следовательно, представляют опасность. Сборку таких схем можно выполнять людям, которые имеют элементарные знания основ электротехники.

Светоизлучающий диод — это электронное устройство, излучающее свет, когда через него проходит ток. Светодиоды при своих небольших размерах чрезвычайно эффективны, очень яркие, при этом состоят из дешёвых и доступных электронных компонентов. Многие думают, что светодиоды — просто обычные светоизлучающие лампочки, но это совсем не так.

История светодиодов

Капитан Генри Джозеф Раунд, один из пионеров радио, во время эксперимента заметил необычное свечение, испускаемое карбидом кремния. Свои наблюдения он опубликовал в General World, но объяснить природу явления он не мог.

Русский учёный Олег Лосев наблюдал излучение света кристаллами — диодами. В 1927 году он опубликовал подробности своей работы в российском журнале и оформил патент на «Световое реле».

В 1961 году инфракрасный диод создали Б. Биард и Г. Питмен. Однако отцом-основателем светодиода по праву считывается Ник Холоняк. Его ученик Дж. Крэфорд в 1972 г. создал светодиод жёлтого цвета. В конце 80-х годов благодаря исследованиям русского учёного Ж. И. Алферова были открыты новые светодиодные материалы, которые дали толчок дальнейшему развитию светодиодов.

В начале 70-х впервые были изобретены светодиоды зелёного цвета, в 1971 году появился синий светодиод, который был очень неэффективным. Прорыв сделали японские учёные только в 1996 году, которые изобрели дешёвый светодиод синего цвета.

Принцип работы LED

Наиболее распространённые светодиоды состоят из галлия (Ga), мышьяка (As) и фосфора (P). Светодиод представляет собой диодный PN-переход, который излучает свет вместо тепла, генерируемого обычным диодом. Когда PN- переход находится в прямом смещении, некоторые из дырок объединяются с электронами N-области, а некоторые из электронов N объединяются с дыркой из P-области. Каждая комбинация излучает свет или фотоны.

Как устроена светодиодная лампа на 220 вольт? Светодиоды имеют полярность и, следовательно, не работают, если они подключены в обратном направлении. Самый простой способ проверить полярность общего светодиода — это определить на глаз толщину электродов. Более толстым является катод (-). Свет излучается от катода. Более тонкий электрод представляет собой анод (+). Некоторые производители выпускают светодиоды таким образом, что длина проводов катода и анода различна, анод (+) длиннее катода (-). Это также облегчает определение полярности. Некоторые изготовители изготавливают оба провода электродов одинаковой длины, в этом случае можно определить полярность, воспользовавшись мультиметром.

Преимущества и недостатки светодиодных ламп

Достоинства LED:

• Энергоэффективный источник света;
• небольшой размер, прочность и устойчивость к ударам и вибрации;
• очень быстро включаются без прогрева;
• хорошее разрешение цвета;
• могут интегрироваться в систему управления;
• могут работать от портативной батареи;
• нет вредных веществ, таких как свинец или ртуть;
• производят холодный свет, могут быть идеальными для роста растений;
• не имеют мощных разрядов, которые могут оказать пагубное воздействие на глаза;
• в качестве датчика температуры различают горячую и холодную воду;
• не имеют ультрафиолетового излучения, устраняя возможность повреждения кожи;
• они не обжигают;
• залиты толстой эпоксидной смолой, невероятно прочные;
• не ржавеют;
• не привлекают насекомых;
• работают до 50 000 часов;
• подлежат вторичной переработке;
• не излучают радиочастотные помехи.

Недостатки светодиодов LED:

• Могут быть ненадёжным для наружных применений с большими температурными перепадами.
• Необходимость дополнительно использовать радиаторы для защиты полупроводников от теплового воздействия.

Светодиод используется в самых разных областях применения:

• Уличное освещение и светофоры;
• индикаторные огни на устройствах, игрушках, одежде;
• медицина;
• освещение;
• автомобиль;
• сигнализаторы;
• компьютерная техника;
• телерадиотехника.

Преимущества и недостатки светодиодных ламп.

Плюсы

• энергоэффективность – потребляемая мощность в 8-10 раз меньше, чем у ламп накаливания;
• большой срок службы – светят примерно в 25 раз дольше ламп накаливания;
• практически не нагреваются;
• широкий выбор цветовых температур позволяет «играть» с освещением интерьера;
• стабильная яркость при перепадах напряжения;
• мгновенное включение;
• количество включений не влияет на работоспособность;
• стойкость к механическим повреждениям и вибрациям;
• возможность применения в «умном доме»;
• отличные декоративные качества – выпускается множество интересных форм и размеров;
• не привлекают мошек и других насекомых из-за отсутствия ультрафиолетового свечения;
• безопасная утилизация и эксплуатация из-за отсутствия в составе опасных веществ.

Минусы

• сравнительно высокая стоимость, хотя она постоянно снижается;
• мерцание (пульсация), которое невидно невооруженному глазу, но очень опасно для зрения (более распространено в дешевых моделях, которые часто производятся без драйвера);
• сложность конструкции приводит к повышению стоимости и снижению надежности в сравнении с лампами накаливания;
• непригодны для использования при очень низких и очень высоких температурах;
• во многих моделях яркость невозможно регулировать при помощи диммера;
• если используется выключатель с подсветкой, то LED лампа может мерцать или светиться в выключенном состоянии (как этого избежать, читайте в статье «Почему моргает светодиодная лампа»);
• снижение яркости в процессе эксплуатации;
• высокий процент брака среди изделий, особенно среди недорогих.

В заключение стоит отметить, что светодиодные источники света – действительно экономичные осветительные приборы. Только перед выбором надо внимательно изучить технические характеристики.

Во-первых, ими экономически целесообразно заменять лампы накаливания мощностью свыше 60 Вт. Иначе стоимость самой светодиодной лампы не окупится.

Во-вторых, стоит заменять только источники света в светильниках, которые работают максимальное количество часов в день.

И, в-третьих, специалисты советуют вначале опробовать несколько марок светодиодных ламп, чтобы определить, чья цветовая температура (и другие параметры) устроит ваши глаза на 100%.

• Что такое светодиод (устройство, параметры, маркировка)
• Устройство и особенности лампы КЛЛ
• Антибактериальная (бактерицидная) лампа: полезные и негативные свойства

Светодиодное освещение с питанием от сети

Но для построения светодиодной схемы освещения необходимо построить специальные источники питания с регуляторами, трансформаторами или без них. В качестве решения нижеприведенная схема демонстрирует конструкцию светодиодного контура с питанием от сети без использования трансформаторов.

Схема светодиодной лампы на 220 В

Для питания этой цепи используется переменный ток 220 В, который подаётся в качестве входного сигнала. Ёмкостное реактивное сопротивление понижает напряжение переменного тока. Переменный ток поступает на конденсатор, пластины которого непрерывно заряжаются и разряжаются, а связанные токи всегда поступают в пластинки и выходят из них, что вызывает реактивное сопротивление, направленное против потока.

Реакция, создаваемая конденсатором, зависит от частоты входного сигнала. R2 сбрасывает накопленный ток из конденсатора, когда вся цепь выключена. Он способен хранить до 400 В, а резистор R1 ограничивает этот поток. Следующий этап схемы светодиодной лампы своими руками — это мостовой выпрямитель, который предназначен для преобразования сигнала переменного тока в постоянный ток. Конденсатор C2 служит для устранения пульсации в выпрямленном сигнале постоянного тока.

Резистор R3 служит в качестве ограничителя тока для всех светодиодов. В схеме использованы белые светодиоды, которые имеют падение напряжения около 3,5 В и потребляют 30 мА тока. Поскольку светодиоды подключены последовательно, потребление тока очень мало. Поэтому эта схема становится энергоэффективной и имеет бюджетный вариант изготовления.

Светодиодная лампа из отходов

LED 220 В может быть легко выполнена из неработающих ламп, ремонт или восстановление которых нецелесообразны. Лента из пяти светодиодов приводится в действие с использованием трансформатора. В цепи 0,7 uF / 400V полиэфирный конденсатор C1 снижает напряжение сети. R1 — это резистор для разрядки, который поглощает накопленный заряд от C1, когда вход переменного тока выключен.

Резисторы R2 и R3 ограничивают подачу тока при включении схемы. Диоды D1 — D4 образуют мост-выпрямитель, который выпрямляет пониженное напряжение переменного тока, а C2 действует как конденсатор фильтра. Наконец, стабилитрон D1 обеспечивает управление светодиодами.

Порядок изготовления настольной лампы своими руками:

• Разберите и осторожно удалите разбитые стекла.
• Аккуратно откройте сборку.
• Снимите электронику и удалите её.
• Соберите схему на 1 мм ламинатном листе.
• Отрежьте круглый лист ламината (ножницами).
• Отметьте положение шести круглых отверстий на листе.
• Просверлите отверстия в соответствии со светодиодами заподлицо в шести отверстиях.
• Используйте наконечник клея, чтобы удерживать светодиодную сборку в нужном положении.
• Закройте сборку.
• Убедитесь, что внутренняя проводка не касается друг друга.
• Теперь осторожно протестируйте на 220 В.

LED для автомобиля

Используя ленту LED, можно легко изготовить самодельную красивую наружную подсветку автомобиля. Нужно использовать 4 светодиодных полосыы по одному метру для чёткого и яркого свечения. Для обеспечения водонепроницаемости и прочности соединения тщательно обрабатывают термоклеем. Правильное выполнение электрических соединений проверяется мультиметром. Реле IGN получает питание, когда двигатель работает и выключается после отключения двигателя. Чтобы понизить автомобильное напряжение, которое может достигать 14,8 V, в схему включается диод, обеспечивающий долговечность светодиодов.

Светодиодная лампа своими руками на 220в

Цилиндрическая лампа LED обеспечивает правильное и равномерное распределение генерируемой освещённости на всех 360 градусах, так что все помещение равномерно освещено.

Лампа оснащена интерактивной функцией защиты от перенапряжений, обеспечивающей идеальную защиту устройства от всех импульсов переменного тока.

40 светодиодов объединены в одну длинную цепь светодиодов, соединённых последовательно одна за другой. Для входного напряжения 220 В можно подключить около 90 светодиодов в ряд, для напряжения 120 В — 45 светодиодов.

Как сделать лампочку своими руками

Схема состоит из высоковольтного конденсатора, низкореактивного сопротивления для понижения тока, двух резисторов и конденсатора на положительном источнике для снижения входного напряжения и колебаний сети. Фактически коррекция всплеска производится C2, установленным после моста (между R2 и R3). Все мгновенные скачки напряжения эффективно поглощаются этим конденсатором, обеспечивая чистое и безопасное напряжение для встроенных светодиодов на следующем этапе схемы.

Список деталей:

• R1 = 1M ¼ Вт;
• R2, R3 = 100 Ом, 1 ватт;
• C1 = 474/400 В или 0,5 мкФ/400 В PPC;
• C2, C3 = 4,7 мкФ/250 В;
• D1-D4 = 1N4007;
• рассеиватель.

Самодельные LED имеют защиту, а их срок службы увеличен путём добавления стабилитрона по линиям питания. Показанное значение zener составляет 310 В/2 Вт, и подходит, если LED включает в себя светодиоды от 93 до 96 В. Для другого, меньшего количества светодиодных строк необходимо уменьшить значение zener в соответствии с общим вычислением прямого напряжения светодиодной строки.

Например, если используется 50 светодиодная строка, а светодиод имеет 3,3 В, то рассчитываем 50×3,3 = 165 В, поэтому стабилизатора на 170 В будет достаточно, чтоб защитить светодиод.

Автоматическая цепь ночного освещения LED

Схема автоматически включит ночью лампу и отключит через заданное время, используя несколько транзисторов и таймер NE555. Схема недорогая и простая в установке. В качестве датчика здесь используется LDR. В дневное время сопротивление LDR будет низким, напряжение на нем упадет, а транзистор Q1 будет находиться в режиме проводки. Когда освещённость в помещении падает, сопротивление LDR увеличивается, как и напряжение на нем. Транзистор Q1 выключается. База Q2 подключена к эмиттеру Q1 и поэтому Q2 смещается и, в свою очередь, включает IC1.

NE555 автоматически включается при включении питания. Автоматический запуск происходит с помощью конденсатора C2. Выход IC1 остаётся высоким в течение времени, определяемого резистором R5 и конденсатором C4. Когда на выходе IC1 поступает транзистор Q3, он включается, запускает триггер T1 и лампа светится. В цепь входит 9-вольтная батарея для питания таймера во время сбоёв питания. Резистор R1, диод D1, конденсатор C1 и Zener D3 образуют секцию питания схемы. R7 и R8 являются токоограничивающими резисторами .

Схема светодиодного освещения своими руками

Примечания:

1. Предустановка R2 может использоваться для настройки чувствительности схемы.
2. Предустановку R5 можно использовать для настройки времени включения лампы.
3. При R5 @ 4,7M время включения будет около трёх часов.
4. Мощность L1 не должна превышать 200 Вт.
5. Для BT136 рекомендуется использовать радиатор.
6. IC1 должен быть установлен на держателе.

Характерные поломки

Так как вы решили ремонтировать LED лампочку своими руками, предполагается, что у вас есть тестер или мультиметр и вы умете проводить элементарные измерения. Еще необходим будет паяльник, но с тонким жалом и маломощный. Без него можно обойтись, но надо будет искать замену. Паять паяльником тоже надо хоть немного уметь. А еще надо бы иметь пинцет, кусачки и утики. Утики или утконосы — это ручной инструмент, похожий на миниатюрные пассатижи с длинными захватами — ими удобно держать мелкие детали, но можно обойтись и пинцетом. А еще запчасти. Их придется приобретать по мере выявления неисправности. Хорошо, если есть вторая нерабочая лампа. Ее можно использовать как донор — забирать оттуда нужные детали.

Заявленный срок службы светодиодных ламп чуть ли не полвека, а через полгода накапливается несколько штук нерабочих

Пробой светодиода

Как уже говорили, в светодиодной лампочке кристаллы подключены последовательно. С выхода одного провод идет на вход другого и так оббегает все элементы. Схема очень простая. Но если хоть один кристалл не рабочий, лампочка не будет гореть. А выходят из строя кристаллы часто, поэтому первым делом проверяем их. Тем более, их легко найти в любой модели. Схема для проверки не нужна.

Для начала внимательно осмотрите все кристаллы. Те, которые нормально себя «чувствуют» имеют светлую ровную окраску. Вас должны насторожить темные пятна. Если на кристаллах есть темные, почти черные точки, эти светодиоды, скорее всего, пробиты. Их меняем однозначно. Если поверхность немного темнее, кристаллы еще светят, но уже «на последнем дыхании» и скоро перегорят, то их тоже лучше заменить сейчас.

Выгоревший светодиод имеет на поверхности темное пятно

Чтобы убедиться в исправности или неисправности светодиодов, можно использовать мультиметр. Его переключают в режим прозвонки, щупы прикладывают к контактам светодиода. Если ток для работы светодиода нужен небольшой, исправные светодиоды загораются. Второй вариант проверки — батарейка на 3-4 Вольта, к контактам которой припаяны провода. Эти провода (с соблюдением полярности) прикладываем к кристаллам. Исправные загораются, а неисправные остаются темными.

Как выпаять поврежденные светодиоды

До этого момента все просто и понятно, ремонт светодиодной лампочки трудностей, пока, не представляет. Теперь надо решить, как паять мелкие светодиоды. Вся штука в том, что они припаяны на подложку, хорошо проводящую тепло. То есть, прогревая контакт одного светодиода вы, одновременно, греете всю плату. Если действовать маломощным паяльником понадобится слишком много времени. Мощный — тоже не вариант, так как перегреть очень легко. Максимальная температура, которую кристаллы выносят без последствий — 80 °C. При дальнейшем нагреве быстро идет разрушение, поэтому при ремонте светодиодной лампочки основная задача — как можно меньше нанести вреда остальным элементам.

Точечного нагрева все равно не выйдет, но можно попытаться нанести минимальный урон соседним кристаллам. Для этого сначала выкусываем/выламываем пластину кристалла, а оставшиеся металлические ножки прогреваем маломощным (на 20 Вт) паяльником и удаляем.

Выпаиваем поврежденные светодиоды

Если маломощного паяльника нет, можно использовать утюг. Его надо жестко закрепить (например, при помощи струбцины) и выставить на средний режим. Для минимизации «поля нагрева» лучше использовать носик утюга. Греть в этом случае будем всю плату. Вернее, греть будем тот край, на котором находится поврежденный светодиод, но прогреваться будет вся плата. И в этом минус этого способа — от перегрева кристаллы мутнеют и быстро выходят из строя. Поэтому весь фокус в том, чтобы, как только будет возможно, быстро удалить поврежденный кристалл.

Перед началом работы все неисправные кристаллы окрашиваем маркером. Поворачиваем плату так, чтобы место с прогоревшими элементами было на платформе утюга. Постоянно тянем поврежденный элемент вверх, зажав его щипцами. Как только он оторвался, пробуем расположенные рядом поврежденные. Если они оторвались — отлично. Нет — поворачиваем плату так, чтобы больше нагревался поврежденный элемент. Потом сразу снимаем плату и оставляем остывать. Никаких специальных средств для быстрого остывания! Просто положите, пусть сама охлаждается.

Как припаять новые светодиоды

На месте выпаянных светодиодов остаются контактные площадки. На них наносим каплю флюса для пайки, сверху выкладываем исправные (с соблюдением полярности) и снова прогреваем, но на этот раз на кристалл надавливаем. Когда его ножки «войдут» в припой, плату снимаем или переворачиваем. Если светодиода нет, можно вместо него впаять отрезок проволоки. Светить лампа будет чуть тусклее, но работать будет. Да, это работает, только если на плате десять и больше кристаллов.

В некоторых случаях вместо сгоревших светодиодов можно использовать проволочные перемычки

В видео представлен другой способ замены. Нужно найти похожий светодиод на ленте, вырезать его и вместе с подложкой припаять на место удаленного.

Еще один способ пайки мелких светодиодов. Он, кажется, наиболее реальным без применения спецтехники. Можно выпаять диоды при помощи небольшой газовой горелки.

Повреждения в драйвере

Если визуально все светодиоды нормальные или их уже поменяли, ремонт светодиодной лампочки продолжаем, рассматривая драйвер. Некоторые повреждения легко установить визуально. Почерневшие или треснувшие резисторы, вздутые емкости. Если присмотреться, то это все заметно. Если визуально ничего не определяется, берем тестер, проверяем целостность компонентов.

Могут быть сгоревшие сопротивления и вздутые конденсаторы

Еще бывает так, что все элементы абсолютно нормальны, а светодиодная лампочка все равно не горит. Скорее всего, это плохая сборка. Надо проверять все места пайки. Если недостаточно прогреть место пайки, через время от постоянных температурных изменений контакт ухудшится или пропадет совсем. В первом случае лампочка то горит, то нет. Во втором, просто перестает работать. Подносим все места пайки к свету и внимательно смотрим. Если обнаруживаем трещину в пайке — это оно. Холодная пайка. Далее просто хорошо прогреваем это место паяльником.

Холодная пайка — одна из причин поломки светодиодных ламп

Очень редко выходят из строя диодные мосты, поэтому их проверяем в последнюю очередь. Если диод таки пробит, его выпаиваем, повторно проверяем (по идее, их проверять надо только выпаяв), если повреждение подтвердилось, ставим аналогичный. Не перепутайте подключение, иначе работать ничего не будет. В общем, ремонт светодиодной лампочки не слишком сложная задача. Обойдется он значительно меньше, чем новая лампочка. А вы, по пути, можете усовершенствовать конструкцию. В результате перегорать ЛЭД лампочки будут реже. В любом случае вы ничего (почти) не теряете.

Мероприятия по борьбе с мерцанием светодиодов

Светодиодная лампа из энергосберегающей своими руками имеет огромное преимущество, но нужно потрудиться, чтобы при работе самоделки пользователей не беспокоило излишнее мерцание LED:

1. Управляйте светодиодными продуктами с использованием источника питания светодиода, который предназначен для их расчётной нагрузки.
2. Убедитесь, что все используемые продукты LED совместимы с цепями управления и источником питания.
3. Проверьте отсутствие проводов и других неисправностей светильника и убедитесь, что диммеры не перегружены.
4. Рассмотрите возможность использования постоянного тока светодиодного драйвера.
5. При установке системы поэкспериментируйте, чтобы узнать, есть ли минимальный уровень затемнения, который вам мешает.

Чтобы избежать влияния мерцания светодиодов, нужно всегда помнить о вышеуказанных моментах.

Общие принципы работы светодиодных ламп

Свечение, производимое светодиодными лампами, создается полупроводниковым кристаллом, покрытым люминофором. Управление всеми процессами осуществляется с помощью сложного электронного блока. Его основной задачей является обеспечение строго заданных режимов работы лампы. Если же определенные режимы не будут соблюдаться, то светодиоды очень быстро выйдут из строя, а сама лампа перегорит.

С помощью электронных регулировок больший расход электрической энергии на световое излучение, а не на выделение тепла. Таким образом, коэффициент полезного действия данного типа ламп поддерживается на высоком уровне.

Электронное управление создает безопасные условия при эксплуатации светодиодных ламп, предотвращает поражение электротоком. Еще одной важной задачей устройства является поддержание яркости на одном и том же уровне при работе в различных условиях. На качество свечения не должны влиять ни жара, ни холод, ни какие-либо сетевые помехи.

За счет электроники стало возможным повысить функциональность ламп. Они могут дистанционно включаться и выключаться, яркость и цветность регулируется в широком диапазоне.Таким образом, электронное управление является основой нормального функционирования всех светодиодных ламп.