Поиск вариантов экономного источника света привел к созданию осветительных приборов на светодиодах. В отличие от ламп накаливания, led лампы — это более сложная конструкция, состоящая из нескольких узлов. Чтобы эффективно использовать преимущества светодиодного светильника, нужно понимать, как каждый узел работает на общую задачу – создание качественного освещения и долговременную эксплуатацию без замены.

Светодиодная лампа – устройство, виды, достоинства

Стоимость светодиодного изделия значительно дороже лампы накаливания. Для того чтобы действительно получать экономический эффект от замены на долгие годы, нужно знать, что led лампы — это сложный прибор. Как его правильно выбрать и эксплуатировать, не будучи электриком?

История создания светодиода

Свечение полупроводника при прохождении по нему тока заметили в компании General Electric. Группой инженеров под руководством профессора Ника Холоньяка в 1962 году был создан светодиод. Диоды, в зависимости от материала изделия, могли светиться красным, зеленым или желтым цветом.

Однако высокий КПД при низком потреблении позволил светодиодам заменить индикаторные сверхмалые лампочки и цифровые матрицы на нитях накаливания. Первые дисплеи на полупроводниках были созданы в 1968 году в компании Hewlett-Packard инженерами группы Говарда Бордена и Джеральда П. Пигини. Однако, мощность и спектр светового потока не позволял создать в то время полноценный осветительный прибор.

Светодиод

Совершенствуя химический состав полупроводника удалось увеличить интенсивность светового потока до приемлемого уровня для создания источников освещения. Спектр излучения кристалла также можно корректировать добавками в материал или нанесением покрытия. Кристалл наращивается на контактную подложку и покрывается защитным слоем. Если изначально кристалл светит синим светом, желтое покрытие преобразует его в белый свет.

Светодиодные излучатели, используемые для полупроводниковых изделий, собираются по четырем технологиям:

• SMD. Самый распространенный в бытовых лампочках способ, при котором кристаллы плотно устанавливаются на поверхности излучателя. При небольших его размерах получается большее количество светодиодов, это дает интенсивный световой поток. Размещение на поверхности обеспечивает хороший отвод тепла;
• DIP. Излучатель состоит из одного мощного светодиода, свет от которого оптической линзой собирается и направляется для подсветки объектов, наличие которых хочет подчеркнуть дизайнер;
• Пиранья. В одном корпусе сборка из трех сверхсильно излучающих свет диодов. Могут быть многоцветными или подключаться к разным напряжениям. Очень востребованы в фарах у автомобилистов из-за яркости, надежности, устойчивости к вибрациям и долговечности;
• СОВ.  Светодиод впаивается в плату изделия. При этом обеспечивается лучший отвод тепла и не допускается окисление. Такое подключение позволяет получить самый мощный световой поток при любом напряжении. В кустарных условиях замена неисправного излучателя практически не реальна.

Технологии совершенствуются постоянно с целью избежать или уменьшить влияние тепла и истощение кристаллов светодиодов.

Главные враги светодиодов любого типа – перегрев и деградация

Полупроводниковый излучатель света очень мал и при прохождении тока сильно греется, а для создания мощного светового потока на небольшой площади приходится сосредотачивать несколько кристаллов. Плохой отвод тепла от работающих светодиодов может привести к ускоренному выходу изделия из строя.

Перегрев происходит в случае некачественной сборки производителем с нарушением технологии пайки, неправильным расчетом площади охлаждения, применения не качественных чипов. При ремонте изделий использование более мощных светодиодов на замену нарушает температурный режим и естественный ресурс его резко сокращается.

Процесс старения (деградация) кристалла происходит и при эксплуатации в расчетных условиях. Мощность излучения светодиода слабнет, спектр светового потока изменяется в худшую сторону. Со временем полупроводник истощается, а покрытие, корректирующее цвет, разрушается. Даже у качественных светильников свет тускнеет через несколько лет на 30%, а у бюджетных — до 60% от изначального.

Нарушение номинального режима для конкретного светильника — силы тока, теплового режима окружающей среды, попадание под солнечный свет (ультрафиолетовый) — сильно сокращают срок эксплуатации, указанный производителем в технической документации.

Устройство светодиодной лампы

Для обеспечения работы светодиодов в качестве осветительного прибора создана конструкция, состоящая из нескольких деталей и узлов. Что такое светодиодная лампа на 220 вольт можно понять по картинке ниже.

Как в лампе накаливания, электропитание бытового светодиодного светильника подводится через контакты винтового цоколя Е14 или Е27. Латунный цоколь с никелевым покрытием ввинчивается в соответствующий патрон и собирает электрическую цепь.

Узел управления изделием – драйвер, представляет собой электронную схему от простого диодного выпрямителя (моста) до сложного импульсного блока питания. Он может регулировать величину тока, стабилизировать питание, осуществлять защиту от перегрева предохраняя светодиоды от ускоренной деградации. Сложность и набор опций зависит от стоимости изделия.

Радиатор отвечает за отвод тепла от светодиодной матрицы. На маломощных приборах может отсутствовать. В мощных промышленных светильниках и лампах от 25 ватт рассеиватель тепла составляет основание изделия. Изготавливается радиатор из пластика — для бюджетных приборов, для среднего класса — из алюминия и композитов, а для премиального сегмента – из керамики.

Светодиодный излучатель – узел, состоящий из набора светодиодов, размещенных на монтажной плате. Она изготовлена из металла с высокой теплопроводностью и играет роль дополнительного радиатора (или основного в его отсутствие). Форма светового модуля (излучателя) и количество светодиодов определяет назначение прибора, создавая угол рассеивания, направление и качество светового потока.

Рассеиватель, чаще всего это пластиковые колбы для бюджетных изделий, для более дорогих применяется стекло. В некоторых светильниках рассеиватель может работать как оптическая линза или фильтр. При выборе следует учитывать материал этой детали, так как она способна снижать яркость света на 20%.

Виды драйверов

Независимо от сложности электронной схемы, узлы управления делятся на два типа по способу стабилизации тока: линейный и импульсный.

Простейшая схема линейной стабилизации представляет собой последовательное соединение потенциометра и светодиода. При изменении напряжения потенциометром поддерживается номинальный ток через излучающий полупроводник. В LED приборах для автоматического регулирования тока используются транзисторы и схемы с обратными связями.

Для небольших источников света потерями на регуляторе можно пренебречь, для мощных изделий они могут достичь сопоставимых величин с мощностью излучателя. Простота решения, надежность и невысокая цена являются преимуществом этого принципа.

Во втором случае стабилизация тока через светодиод происходит за счет поддержания напряжения конденсатора, подключенного параллельно полупроводнику. Конденсатор заряжается от широтно-импульсного стабилизатора. Отклонения в питающей сети обратными связями компенсируются и рабочее напряжение на светодиоде остается постоянным.

Рабочий ток в этом случае течет только через светодиоды и потери минимальны даже на очень мощных источниках света. КПД таких светильников может достигать 95%.  Драйвер не нуждается в мощном отводе тепла и отличается небольшими габаритами. Сложность схемы, высокая стоимость окупается производительность, а также сроком эксплуатации светильника.

Драйвер этого типа критичен к качеству частоты сети. Любое искрение проводки и наличие работающей сварки рядом сильно сокращает ресурс светильника с импульсным источником питания.

Принцип работы светодиодной лампы

Чтобы понять, как работает светодиодная лампа, нужно знать, что специальные полупроводники излучают свет при прохождении через них постоянного тока в прямом направлении, то есть плюс на аноде. Падение напряжения на один светодиод колеблется в диапазоне от 2 до 4 вольт. Для работы источника света с большим напряжением набираются цепочки последовательно соединенных элементов.

Устройство современной светодиодной лампы на 220 вольт выпрямляет переменный ток, стабилизирует его, понижая до номинального тока одного светодиода. В этом случае вся цепочка led- элементов работает стабильно и срок эксплуатации достигает объявленного производителем значения. КПД светодиодных приборов достигает 50%, что эффективнее ламп накаливания в 10 раз.

Виды светодиодных ламп

Существует несколько способов классификации светодиодных ламп.

По величине питающего напряжения

• до 4,5 вольт — малогабаритные переносные источники света от ультрафиолетового до инфракрасного спектра на батарейках или аккумуляторах;
• на 12 вольт постоянного тока — фары в автомобильной промышленности, в сырых помещениях для обеспечения электробезопасности и мощных переносных аккумуляторных светильников для туристов и шахтеров;
• для различных нужд с питанием от сети переменного тока 220 вольт.

По назначению

Светильники для уличного освещения выпускают в защищеном от влаги, а также пыли корпусе. Для коммунальных и заводских условий применяют особо прочные или антивандальные корпуса изделий. Бытовые приборы имеют различный дизайн, небольшую мощность, повышенные потребительские свойства: пожаробезопасность, качество света, отсутствие пульсаций.

По способу освещения

Рассеянный общий свет во внутренних помещениях. Спотовые источники света, формирующие направленный пучок света для подсветки и подчеркивания элементов интерьера. Линейные (трубчатые) светильники на замену люминесцентных изделий в шоурумах магазинов.

Конструкций и форм светильников на светодиодах множество, рынок предоставляет широкий выбор, главное надо знать, как выбирать на замену.

Типы цоколей

Для облегчения взаимозаменяемости приборов освещения различного принципа действия цоколь (это узел соединяющий прибор с электросетью через патрон) выполняют по стандартам.

Чаще всего используют винтовые цоколи Е27 — для бытовых изделий средней мощности, Е14 — для малогабаритных и Е40 — для мощных уличных светильников.

Подробнее читайте в статье «Цоколи светодиодных ламп«.

Штырьковый разъем для малогабаритных лампочек обозначается — G4, для встроенных, а также потолочных светильников — GU5.3 (GU10 вариант с расстоянием между штырьками 10 мм). Плоские источники света подключают разъемом GX53, а на замену люминесцентных ламп светодиодные изделия должны иметь штыревой контакт G13.

Замена ламп различного принципа работы и выпущенных различными производителями с штыревым патроном требует тщательного подхода.

Технические характеристики и маркировка светодиодных ламп

В связи с уходом с рынка РФ европейских брендов приборов освещения освобождающиеся доли займут китайские и российские производители, такие как Navigator, ЭРА. На упаковках продукции указывается технические характеристики изделия, в которых надо разбираться, даже не будучи электриком.

Мощность (в W, Вт)

Маркировка 7W LED = 75 W, означает, что светодиодное изделие, фактически потребляя 7 Вт электрической энергии эквивалентна лампочке накаливания в 75 Вт. Для соответствия фактической и эквивалентной мощностей существуют таблицы.

В быту достаточно фактической мощности изделий на светодиодах до 20 Вт, а в промышленности и на улице мощность может доходить и до 1000 Вт.

Световой поток

Яркость излучения указывается в люменах (Лм). Для сравнительной оценки стоит запомнить, LED светильник в 1000 Лм светит с яркостью 100 Вт лампы накаливания.

Срок службы

На упаковке он указан в часах. Если производитель поддерживает мировой стандарт L70, то указанное количество часов говорит через сколько времени яркость упадет на 30%. Для того, чтобы срок службы не сократить, надо знать условия эксплуатации, на какие рассчитывает производитель (указывается сбоку на коробке).

Тип цоколя

Если с винтовыми цоколями Е14, Е27, Е40 проблем нет, то к штыревым разъемам при замене ламп надо отнестись тщательнее.

Цветовая температура (обозначение в кельвинах К)

Полупроводниковые изделия в зависимости от материала диода, после покрытия люминофором, создают поток света разной теплоты.

Маркировка на упаковке сообщает:

• до 2800К. Спектр света похож на излучение маломощного изделия накаливания, желтый с красным оттенком, теплый;
• 3000К. Бело-желтоватый теплый свет, похож на галогенные источники света;
• 3500К. Белый естественный свет, комфортный для глаз цвета не искажает близок к излучению люминесцентных ламп;
• 4000К. Белый, холодный по ощущению свет, хорош для кабинета, офиса;
• 5000-6000К. Яркое дневное освещение производственных цехов;
• 6500К и выше. Холодный, контрастный, голубоватый свет больниц, фото и видеостудий.

Для дома лучше подбирать светодиодные светильник с более низкой цветовой температурой близкой к излучению ламп накаливания, а для мобилизации трудовых усилий — ближе к дневному или синему спектру.

Индекс цветопередачи

Он обозначает насколько цвета в доме будут искажены. На упаковке указаны цифрами от 100 до 1 рядом с обозначением Ra или CRI. В жилом помещении достаточно иметь этот параметр 80-90, а 100 говорит об отсутствии искажений.

Габаритные размеры (в мм)

Важен для замены ламп накаливания на светодиодные (у них габариты колбы несколько больше) в установленные светильники.

Угол рассеивания

Это параметр обозначает угол конуса света светильника. Светодиод излучает свет перпендикулярно плоскости расположения на плате. Поэтому для формирования угла конуса в изделии располагают led элементы в нужном положении. Это позволяет создавать точечные подсветки с 30 градусным потоком. Для спотов на потолке вполне приемлем угол в 90-100, а для дизайнерских идей может достигать и 360 градусов.

Коэффициент пульсаций

Важный параметр для комфортного освещения светодиодными светильниками. Для нормальной продукции может составлять 5%, если выше 35% вредно для глаз.

На коробке с led прибором может указываться: рабочий диапазон напряжений, при котором он надежно работает.

Также у некоторых изделий есть возможность подключения диммера (регулятора мощности изделия) для управления яркостью излучения по рекомендации производителя прибора в зависимости от типа, а также его модели.

Преимущества и недостатки светодиодных ламп

Несмотря на более сложный принцип работы, конструкцию и стоимость светодиодной лампы, они становятся все популярнее на рынке осветительных приборов. Рост доли полупроводниковых изделий обеспечивают следующие их преимущества перед конкурентами:

• высокий КПД полупроводниковых излучателей приводит к экономии электроэнергии. При одинаковой яркости с лампами накаливания энергопотребление в 8-9 раз меньше;
• правильно выбранный и правильно используемый светодиодный прибор может отработать в 25-30 раз дольше лампы накаливания;
• высокая пожаробезопасность, LED изделия почти не греются;
• широкий выбор спектра излучения, углов рассеяния, форм приборов позволяет выполнить любые фантазии дизайнеров;
• отсутствие в спектре светового потока ультрафиолетовой составляющей;
• не содержат токсичных веществ, безопасны для здоровья и окружающей среды при эксплуатации и утилизации.

Экономное энергопотребление, большой срок использования, широкая номенклатура изделий и экологичность выделяют полупроводниковые излучатели среди приборов освещения.

К недостаткам led-приборов, кроме повышенной цены, относят:

• потерю яркости кристаллов (деградацию) со временем;
• отрицательное влияние холодного белого цвета на выделение мелатонина (гормон сна, который отвечает за крепкий и здоровый сон), что приводит к различным нарушениям сна;
• усложнение электронных схем;
• высокий коэффициент пульсации;
• большое количество продукции низкого качества.

Типы светодиодных светильников

По области применения светодиодные светильники можно разделить на три типа:

1. Изделия для освещения улиц.
2. Осветительные приборы для производственных задач, офисов и ЖКХ.
3. полупроводниковые источники света для жилых помещений.

Гибкость преимуществ (выбор спектра света, угла рассеивания, экономичность) led изделий позволяет им осваивать новые ниши рынка осветительных приборов.

Светильники для уличного освещения

Критерии при выборе освещения улиц, площадей, дорог и парков:

• экономия электроэнергии. Экономические результаты при выполнении технических требования ГОСТ 17677-82 к качеству освещения улиц у светодиодных светильников значительно выше, чем у газоразрядных и натриевых ламп;
• ресурс при правильной эксплуатации (хороший теплоотвод и отсутствие перегрева) выше у led-изделий, чем у других светильников;
• конструкция корпуса должна защищать от климатических условий, не ухудшая охлаждение и прозрачность стекла излучателя;
• цветопередача светодиодных изделий лучше, чем у аналогов, а для конкретного случая оттенок и индекс его можно подобрать;
• большой ресурс светодиодного освещения дает большую экономию затрат на ремонте и утилизации продукции.

Номенклатура светодиодных изделий для наружного применения дает возможность выбрать лучший вариант.

Светильники для производственных целей, офисов и ЖКХ

В офисах и производственных цехах предъявляются повышенные требования к качеству освещения. Оно должно способствовать повышению производительности труда, предотвращать усталость и профессиональные заболевания. Возможности использования led освещения по комфортному спектру света, цветопередаче выше чем у других вариантов.

Особая ценность led светильников в освещении картинных галерей и музеев, где отсутствие ультрафиолетовой части спектра в световом потоке предохраняет картины, экспонаты, а также древности от ускоренного старения.

Для ЖКХ важно автоматическое управление помещений общего пользования, электрической и пожарной безопасности. Это можно легко и экономично реализовать на светодиодных светильниках. Рассеиватели таких приборов выполнены из крепкого поликарбоната, а корпуса оснащены антивандальными болтами и саморезами, которые без специального ключа не вскроешь.

Для жилых помещений, бытовых комнат светодиодные светильники выпускают малой мощности, но с разнообразными пожеланиями к качеству, а также направлению светового потока. Важно учитывать требования к пожарной, электрической безопасности изделий. Формы, внешний вид современных светодиодных приборов для дома может удовлетворить любые дизайнерские изыски, главное, чтобы бюджет выдержал.

Видеоролик о плюсах и минусах различных светодиодных ламп может оказаться полезным.

LED лампы. Где применяются? Типы ламп, разновидности цоколей, цветовая температура ламп.