Освещение

Анатомия светодиодных ламп

7 апреля 2015 г. в 10:26

Эффективность компактных люминесцентных ламп достигла предела, а эффективность светодиодных ламп продолжает свой рост. Цены на светодиодные лампы продолжают падение, что повышает их привлекательность и делает их альтернативой люминесцентным лампам.

Cветодиодная революция в технологии освещения продолжается. Производительность светодиодных ламп (LED-ламп) быстро увеличивается, а цена падает. В прошлом году светодиодные лампы формата A19 – стандартный бытовой формат — продавались по цене от 10 до 30 долл. Существовала сильная зависимость между ценой и качеством изделия. В этом же году продукцию, занимающую в рейтинге по качеству верхние позиции, можно приобрести уже за 7 дол.

LED-лампы, по сравнению с компактными люминесцентными лампами (КЛЛ), имеют примерно одинаковую эффективность — от 50 до 60 лм/Вт. Однако, эффективность LED-ламп продолжает расти, в то время как эффективность КЛЛ уже достигла предела. LED-лампа мощностью 7,5 Вт излучает 485 лм, т.е эффективность этой LED-лампы составляет 65 лм/Вт. Те же 485 люмен обеспечит старомодная 40-Вт лампочка накаливания, но при этом её эффективность составит только 12 лм/Вт, т.е. будет в пять раз меньше.

При замене в настольном светильнике обычной лампы на LED-лампу, включая и уже упоминавшуюся выше LED-лампу, обнаружится, что помимо направленного вниз, на поверхность стола светового потока, какая-то часть светового потока направлена вверх. Это связано с горизонтальным размещением светодиодных излучателей внутри корпуса LED-лампы. Для решения этой проблемы, в лампах компании Philips используются три вертикально ориентированные LED-панели. Несмотря на имеющиеся проблемы, LED-светильники, настольная лампа или лампа направленного действия обеспечивают равномерное освещение рабочей поверхности и не нагревают освещаемую поверхность.

Конструкция настольной лампы предполагает установку в неё лампочки, которая излучает свет во всех направлениях. Цоколь лампы обеспечивает соединение с линией электроэнергии, а абажур выполняет функции отражателя. Абажур, будучи открытым сверху и снизу, также обеспечивает естественную конвекцию воздуха и позволяет устранить нежелательное тепло. Он также позволяет легко заменять недолговечные лампочки.

По мере создания новых осветительных ламп совершенствовалась и конструкция электрической настольной лампы, и этот процесс происходил на протяжении более века. Конструкция современных настольных ламп значительно отличается от их предшественников – масляных ламп.

У самых первых электрических ламп не было высокой эффективности и они не сразу стали популярными, но они обладали определёнными преимуществами, и использование керосиновых ламп стало сокращаться. В течение некоторого времени — вероятно, весьма быстро — конструкции светильников будут развиваться, чтобы адаптироваться к особенностям светодиодных источников. Когда срок службы светодиодных источников будет измеряться десятилетиями, и их замена больше не будет проблемой, конструкции светильников будут принимать различные формы и очертания. А пока фирмы продолжают производить LED-лампы по конструкции совпадающие с лампой Эдисона, что сродни забиванию квадратного в сечении колышка в круглое отверстие.

Strategies Unlimited (исследовательская компания, специализирующаяся на маркетинговых исследованиях на рынке светодиодной продукции) прогнозирует, что —«объём мирового рынка источников освещения, необходимого для замены существующих источников освещения, вырастет с 2,2 млрд долл. в 2011 г. до 3,7 млрд долл. в 2016 г.» Как отмечают эксперты, LED-лампы обеспечивают существенно более приятное освещение чем КЛЛ, и рынок их ожидает с нетерпением. LED-лампы служат дольше КЛЛ, они не содержат ртути и мгновенно включаются. У КЛЛ же, по сравнению с LED-лампами, есть одна неприятная особенность – КЛЛ требуется значительное время для перехода в режим максимального уровня освещённости.

Компоненты конструкции LED-лампы

LED-лампы являются сложными электронными устройствами. Светодиоды являются полупроводниковыми диодами, для питания которых требуется низкое напряжение постоянного тока — как правило, около 3 В. В зависимости от географического положения сетевое напряжение в домах — 220 В или 110 В переменного тока. Упомянутая выше лампа LG не имеет режима димминга. В более дорогих моделях заложена функция димминга, хотя, по мере падения цен на LED-лампы, в новых лампах эта функция может стать стандартной.

Подобно КЛЛ, внутри LED-лампы находится небольшая плата управления.Компоненты конструкции LED-лампы


Печатная плата

На рисунке видно, что печатная плата покрыта компаундом

На печатной плате этой лампы находится трансформатор, несколько конденсаторов и транзисторов.

На установленной вертикально дочерней плате находится контроллер LED-лампы HS01G (полумостовой резонансный контроллер).

Наблюдая излучаемый лампой большой световой поток, очень необычно осознавать реальный размер светодиодов. В LED-лампе используется от 16 до 48 светодиодов, каждый размером не менее 0,5 х 0,5 мм. По сравнению с этими размерами зерна риса (размером в среднем 5 х 2 мм) кажутся просто огромными! Светодиоды сгруппированы в матрицу четыре на четыре и размещены под желтыми флюоресцирующими куполами, которые, преобразуют излучаемый нитрид-галлиевыми кристаллами светодиодов поток синего света в поток белого света.

Термин «фосфор» обычно используется для обозначения флюоресцирующей среды, даже если в этой среде нет фосфора. В светодиоде излучателем является эмиттер, который состоит из мелких частиц ИАГ (иттрий-алюминиевого граната) и бария, стронция и силиката кальция, удерживаемых вместе чистым силиконом. Для достижения холодного или тёплого оттенка белого светового потока используются различные материалы.

Светодиоды

Четыре светодиода, каждый размером 0,5мм x 0.5мм x 0.1мм установлены на плату под жёлтыми куполами

Поскольку светодиоды выделяют тепло, необходимо, чтобы конструкция задней части эмиттеров позволяла рассеивать тепло.

Конструкция эмиттеров позволяет отводить тепло

Кристалл светодиода крупным планом

Каждый светодиодный кристалл имеет очень маленькие размеры и устанавливается с помощью вспомогательных материалов. Кристалл светодиода разрезается по диагонали, при этом формируются две излучающие поверхности. Каждая из распиленных частей кристалла представляет собой очень тонкий слой нитрида галлия (GaN) толщиной всего 7 микрон и размещается на сапфировой подложке толщиной 0,1 мм. Сапфировая подложка служит основой для установки нитрид-галлиевого кристалла.Вид светодиодного кристалла в электронном микроскопе. Один из встраиваемых электродов подключён к катоду, а другой электрод к аноду

Сапфировая подложка снижает плотность дислокаций в кристалле GaN. Во время работы кристалла подложка работает как радиатор, рассеивая выделяющуюся тепловую энергию. Основание излучающего GaN-кристалла толщиной около 6 микрон не используется для создания светового потока и обеспечивает лишь механическую связь с сапфировой подложкой. Толщина слоя, в котором прогрессивно нарастает мощность излучаемого сигнала, составляет около 1 микрона. Область наиболее интенсивного светового излучения находится примерно на 100 нм ниже верхней поверхности кристалла.

Поперечный вид светодиодного кристалла показан на следующем фото.

С помощью электронного микроскопа можно наблюдать и слой GaN.Поперечныйвидкристалла. Шкала линейки 0,1 мм. На верхней поверхности виден тонкий слой GaN. Ближе к центру виден электрод, соединённый с катодом.

Множество квантовых ям InGaN

Слой GaN. Синие стрелки показывают приблизительный район, где формируется световой поток. Над этой областью кристалла GaN находится легированная область р-типа; ниже области – легирование n-типа.

Синий свет генерируется в очень тонкой области, содержащей несколько квантовых ям InGaN с разной концентрацией индия. Область, где располагается «множество квантовых ям» (МКЯ) имеет толщину порядка 50 нм, т.е. её толщина меньше показанной на предыдущем рисунке стрелки. Через р-область протравлен канал и т.о. МКЯ имеет контакт с n-областью перехода. Поскольку свет не может выделяться из области травления, площадь этой области сведена к минимуму. Тем не менее, эта область достаточна для того чтобы обеспечить хороший контакт, установить электрод для подачи тока и избежать проблем, связанных с неравномерным распределения тока.

Очень приятным для глаз является излучаемый LED-лампой световой поток с цветовой температурой около 3000 К. Флюоресцирующая среда преобразует излучаемый кристаллом поток синего света в световой поток, спектр которого очень близок к солнечному свету. При этом отсутствует избыточное тепло, возникающее при инфракрасном излучении. Некоторые производители устанавливают внутри колбы лампы красные светодиоды, что добавляет в световой поток компоненты, находящиеся в конце спектра видимого света, где чувствительность человеческого глаза не так велика.

С добавлением красных светодиодов увеличивается сложность схемы, потому что необходимо управлять двумя наборами светодиодов, отличающимися напряжением включения. Однако одновременно повышается эффективность лампы, обеспечивая больший световой поток при той же потребляемой мощности.


Заключение

Спектр излучения лампы  ограничен видимым светом. Пиковый уровень при длине волны 450 нм соответствует излучению синего светодиода.

С понижением цен на LED-лампы их привлекательность растёт и они становятся прекрасной альтернативой содержащим ртуть компактным люминесцентным лампам. У LED-ламп, также как и у КЛЛ, слабым звеном конструкции является печатная плата. Однако встречаются производители, конструкция печатной платы которых имеет отличное качество, что должно обеспечить срок службы изделия сверх ожидаемых значений.

Автор:
Мартин Симард-Нормандин — президент и главный исполнительный директор
компании MuAnalysis (Оттава, Канада)

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Дубровская Ирина Борисовна
Все новости и публикации пользователя Дубровская Ирина в персональной ленте вашего личного кабинета на Elec.ru
Подписаться
Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Светодиодные светильники уличного освещения

Светодиодные светильники — это универсальный источник освещения, который отличается повышенным сроком работы. Относительно высокая стоимость таких светильников окупается за счет экономии энергоресурсов уменьшения затрат обслуживание приборов освещения. Выдерживают высокие перепады температур, срок службы составляет 80 000 и более часов. Корпус уличных светодиодных светильников выполняется из алюминия или из алюминиевого сплава, позволяющего эффективно отводить тепло от светодиодов и не допускать их перегрев. Торцевые крышки отдельных моделей — из ударопрочного пластика, стойкого к атмосферным воздействиям. Защитное стекло отсутствует или выполняется из светостабилизированного прозрачного монолитного поликарбоната. Применяются два типа рассеивателя: прозрачное стекло и рассеивающая линза, которые не искажают световой поток. Климатическое исполнение светодиодных светильников — У1 (эксплуатация в умеренных климатических зонах, на открытом воздухе при температурах -45°…+40° с воздействием любых атмосферных факторов) или УХЛ1 (эксплуатация в умеренных и холодных климатических зонах, на открытом воздухе при температурах -60°…+40° с воздействием любых атмосферных факторов). Размеры светильников варьируются по длине, высоте и глубине в зависимости от выбранной модели.
Устюжанина Мария · Точка опоры · 17 июня · Россия · Свердловская обл
Светодиодные светильники уличного освещения

ПРОДАМ: Эколюмен УСС-36 Уличный LED светодиодный светильник. В разы экономичнее ламп ДРЛ и ДНАТ.

Уличные светодиодные светильники производства ООО «Старая Крепость» Большой срок службы и малое энергопотребление дает возможность с большой экономией заменить светильники с лампами дрл250, дрл400, дрл700, днат. В 3-4 раза экономичнее ламп ДРЛ. Участвуем в энергосервисных контрактах. Ищем дилеров. Эколюмен УСС-36 Уличные светодиодные светильники Потребляемая мощность, не более, Вт 36 Световой поток, Лм 4200 Габарит. размер, мм 500×160×150 Цена 2900 Замена светильников: Светодиодные светильники с высотой размещения до: Освещение улиц, автодорог, дворовых территорий, площадей, железнодорожных платформ и переходов, автостоянок и парковок, фасадов зданий и др. объектов. Светильники нашего производства обладают следующими преимуществами: • Низкое энергопотребление. Экономия по сравнению с лампами ДРЛ в 4-5 раз. • Не требуют обслуживания, замены ламп, пра с привлечением автовышек. • Долгий срок службы. До 100000 часов или 25 лет. Окупаемость от 6 мес. • Защита от кратковременных перенапряжений, грозозащита и термозащита. • Диапазон входного напряжения 150…265В. • Возможно исполнение с напряжение питания 12-24в. • Температура эксплуатации от -40 до +50°C. • Безопасность для окружающей среды. Не требуется утилизация ламп. • Излучают постоянный качественный световой поток без пульсаций. • Широкая диаграмма света с углом рассеивания 120°. • Отсутствие пусковых токов и моментальное включение. • Выход на полную мощность за 1 секунду даже при температуре -40°C. • Выполнены в герметичном и прочном корпусе IP67. • Крепление на консольную трубу (монтаж на столбы, мачтовые опоры) или настенный • поворотный кронштейн (освещение территорий, фасадов и т. д.) • Гарантия 3 года. www.ecolumen.ru
Иванов Сергей · Вертекс · 19 июня · Россия · Удмуртская Респ
Вертекс, ООО

ПРОДАМ: Уличные светильники «Арктика» Duray

Мощные светодиодные светильники способны полностью заменить традиционные источники света в освещении придомовых территорий, улиц и дорог. Высокие светотехнические характеристики светодиодов OSRAM и многоуровневая защита, создают стабильную и энергоэффективную систему освещения городской среды. Серия отлично подходит для освещения городской среды благодаря новому дизайну эргономичного литого корпуса и высоким техническим характеристикам, в т. ч. IP66, готовность к подключению системы Управления светом и возможность регулировки угла наклона светильника. Надежность и качество светильника соответствует всем требованиям и нормам. Область применения: автомобильные дороги и магистрали, территории предприятий и торговых центров, городские улицы, проспекты, дворы и парки. Виды уличных светильников: По типу крепления: — Консольные светильники. Самыми распространенными осветительными приборами, используемыми для уличного освещения, являются консольные светильники, проще говоря — светильники на столбы. — Настенные уличные светильники. При освещении придомовой территории и детских площадок используются настенные светильники, которые крепятся на специальные кронштейны. Могут оснащаться датчиками, реагирующими на движение. По виду ламп: — ДНаТ — дуговые трубчатые натриевые лампы высокого давления. Используются в магистральном освещении, на аэродромах, в промышленных зонах; — ДРЛ — ртутные газоразрядные лампы высокого давления. Применяются при освещении дорог; — LED — светодиодные светильники. Имеют широкий спектр применения — от детских площадок до промышленных зон и магистралей.
Пелевин Андрей · Дюрэй · 20 июня · Россия · Пермский край
Уличные светильники «Арктика» Duray

ПРОДАМ: Эколюмен УСС-100 Уличный LED светодиодный светильник. В разы экономичнее ламп ДРЛ и ДНАТ.

Уличные светодиодные светильники производства ООО «Старая Крепость» Большой срок службы и малое энергопотребление дает возможность с большой экономией заменить светильники с лампами дрл250, дрл400, дрл700, днат. В 3-4 раза экономичнее ламп ДРЛ. Участвуем в энергосервисных контрактах. Эколюмен УСС-100 Уличные светодиодные светильники Потребляемая мощность, не более, Вт 100 Световой поток, Лм 12500 Габарит. размер, мм 500×320×150 Цена 4200 Замена светильников: Светодиодные светильники с высотой размещения до: Освещение улиц, автодорог, дворовых территорий, площадей, железнодорожных платформ и переходов, автостоянок и парковок, фасадов зданий и др. объектов. Светильники нашего производства обладают следующими преимуществами: • Низкое энергопотребление. Экономия по сравнению с лампами ДРЛ в 4-5 раз. • Не требуют обслуживания, замены ламп, пра с привлечением автовышек. • Долгий срок службы. До 100000 часов или 25 лет. Окупаемость от 6 мес. • Защита от кратковременных перенапряжений, грозозащита и термозащита. • Диапазон входного напряжения 150…265В. • Возможно исполнение с напряжение питания 12-24в. • Температура эксплуатации от -40 до +50°C. • Безопасность для окружающей среды. Не требуется утилизация ламп. • Излучают постоянный качественный световой поток без пульсаций. • Широкая диаграмма света с углом рассеивания 120°. • Отсутствие пусковых токов и моментальное включение. • Выход на полную мощность за 1 секунду даже при температуре -40°C. • Выполнены в герметичном и прочном корпусе IP67. • Крепление на консольную трубу (монтаж на столбы, мачтовые опоры) или настенный • поворотный кронштейн (освещение территорий, фасадов и т. д.) • Гарантия 3 года.
Иванов Сергей · Вертекс · 19 июня · Россия · Удмуртская Респ
Вертекс, ООО

ПРОДАМ: Эколюмен УСС-170 Уличный LED светодиодный светильник. В разы экономичнее ламп ДРЛ и ДНАТ.

Уличные светодиодные светильники производства ООО «Старая Крепость» Большой срок службы и малое энергопотребление дает возможность с большой экономией заменить светильники с лампами дрл250, дрл400, дрл700, днат. В 3-4 раза экономичнее ламп ДРЛ. Участвуем в энергосервисных контрактах. Ищем дилеров. Эколюмен УСС-170 Уличные светодиодные светильники Потребляемая мощность, не более, Вт 170 Световой поток, Лм 20800 Габарит. размер, мм 1000x320x150 Цена 10800 Замена светильников: Светодиодные светильники с высотой размещения до: Освещение улиц, автодорог, дворовых территорий, площадей, железнодорожных платформ и переходов, автостоянок и парковок, фасадов зданий и др. объектов. Светильники нашего производства обладают следующими преимуществами: • Низкое энергопотребление. Экономия по сравнению с лампами ДРЛ в 4-5 раз. • Не требуют обслуживания, замены ламп, пра с привлечением автовышек. • Долгий срок службы. До 100000 часов или 25 лет. Окупаемость от 6 мес. • Защита от кратковременных перенапряжений, грозозащита и термозащита. • Диапазон входного напряжения 150...265В. • Возможно исполнение с напряжение питания 12-24в. • Температура эксплуатации от -40 до +50°C. • Безопасность для окружающей среды. Не требуется утилизация ламп. • Излучают постоянный качественный световой поток без пульсаций. • Широкая диаграмма света с углом рассеивания 120°. • Отсутствие пусковых токов и моментальное включение. • Выход на полную мощность за 1 секунду даже при температуре -40°C. • Выполнены в герметичном и прочном корпусе IP67. • Крепление на консольную трубу ( монтаж на столбы, мачтовые опоры ) или настенный • поворотный кронштейн ( освещение территорий, фасадов и т.д.) • Гарантия 5 www.ecolumen.ru
Иванов Сергей · Вертекс · 19 июня · Россия · Удмуртская Респ
Вертекс, ООО
ЗАО «ЗЭТО» — является одним из ведущих российских производителей электротехнического оборудования высокого, среднего и низкого напряжения, хорошо известным как в России, так и за рубежом.