Как устроена светодиодная лампа

С развитием электротехники традиционная лампа накаливания перестает быть единственным вариантом для освещения жилья. На смену ей пришли сначала люминесцентные, а затем и светодиодные (LED) источники света. Светодиодные лампы – энергоэффективные, яркие, безопасные для окружающей среды. Но их устройство заметно сложнее. В статье будет рассмотрено устройство светодиодной лампы, ее плюсы и минусы.

Принцип работы и устройство ламп.

Светодиодный источник света состоит из нескольких элементов, соединенных в одном корпусе. Это цоколь, драйвер, радиатор, светодиод и светорассеивающая колба.

• Цоколь – элемент, который вкручивается в патрон люстры или другого светильника. Чаще всего для бытового применения выпускают винтовой цоколь типа Е27 и Е14. Он изготовлен из латуни с никелевым антикоррозийным покрытием. Для других нужд выпускаются источники света со штырьковым цоколем.
• Драйвер – элемент, который стабилизирует поступающее напряжение, преобразуя переменный ток в постоянный. Также он обеспечивает питание светодиода. Драйвер состоит из микросхем, импульсного трансформатора, конденсаторов. В недорогих LED изделиях драйвер может отсутствовать. Вместо него применятся простой блок питания, не обеспечивающий стабилизации тока и напряжения. Также драйвер не устанавливают в миниатюрных лампочках из-за нехватки места внутри корпуса.
• Радиатор – элемент, который отводит тепло от светодиодов и обеспечивает для них оптимальный температурный режим работы. Обычно он составляет видимую часть корпуса осветительного прибора. Радиатор может изготавливаться из различных материалов: от дорогой керамики до дешевого пластика. Алюминиевые и композитные материалы занимают среднюю нишу: они достаточно бюджетны и качественно отводят тепло.
• Рассеиватель – прозрачный «колпак», который помогает распределять свет в пространстве. Изготавливается в виде полусферы для рассеивания пучков света под широким углом. В качестве материала применяют поликарбонат или пластик. Кроме этого рассеиватель предотвращает попадание внутрь корпуса пыли и влаги. Для смягчения резкости света и уменьшения раздражающего влияния на глаза этот элемент изнутри покрывают люминофором. При этом достигается цветовая температура, аналогичная естественному освещению.
• Светодиоды – главный рабочий элемент лампы. За счет работы диода и появляется свечение.

Принцип работы светодиодных ламп основан на физических процессах в полупроводниках. Свечение появляется после прохождения электрического тока через границу соприкосновения двух полупроводников (n и p), в одном из которых должны преобладать отрицательно заряженные электроны, а в другом – положительно заряженные ионы. Стоит отметить, что данные материалы пропускают ток только в одну сторону. При его прохождении в носители заряда осуществляют рекомбинацию – электроны переходят на другой энергетический уровень. В результате появляется видимое глазу световое излучение. Кроме свечения происходит еще и выделение тепла, которое отводится от светодиода при помощи радиатора.

На заре появления светодиоды могли испускать только определенную световую волну: зеленую, красную или желтую. Поэтому LED-элементы встраивались в электрические схемы в виде индикаторов. В процессе развития микроэлектроники были найдены материалы, позволяющие получить световую волну широкого спектра. Однако полностью эта проблема не решена: в свечении светодиодных ламп преобладает или синяя длина волны или красная с желтым.  По этой причине они и делятся на холодные и теплые соответственно.

Виды и типы светодиодных ламп.

Четкая классификация у светодиодных ламп отсутствует: изделия производятся слишком разных форм, цветов и конфигураций.  

По способу применения:

1. Источники света общего назначения для освещения квартир и офисов. Характеризуются углом рассеивания от 20⁰ до 360⁰.
2. Изделия направленного света. Такие лампочки называют спотами. Они используются для создания подсветок или выделения интерьерных зон в комнате.
3. Изделия линейного типа, схожие с привычными люминесцентными лампами. Изготавливаются в виде трубок. Применяются в технических помещениях, офисах, залах магазинов и в других пространствах, где важна пожарная безопасность. Создают яркую, красивую подсветку, которая подчеркнет необходимые детали.

По назначению светодиодные лампы делятся на:

1. Изделия для уличного применения. Изготавливаются в пыле- и влагозащищенном корпусе.
2. Изделия для производственных целей, коммунальных служб. Дополняются антивандальным прочным корпусом. Изготавливаются с особыми требованиями к характеристикам освещения: стабильность, срок службы, условия эксплуатации.
3. Бытовые лампы. Характеризуются невысокой мощностью, стильным дизайном, электро- и пожаробезопасностью, качеством светового потока (индекс цветопередачи, коэффициент пульсации и др.).

Исходя из потребляемого напряжения тоже выделяют три вида ламп:

1. С питанием 4 В. Маломощные светодиоды, которые потребляют от одного до 4,5 В. Излучают свет разных длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.
2. С питанием 12 В. Такое напряжение безопасно для человека, поэтому эти источника света подходят для помещений с повышенной влажностью. Часто выпускаются  со штырьковыми цоколями, что усложняет процесс подключения. Дополнительная трудность может быть в необходимости специального блока питания, который снизит напряжение сети до 12 В. Удобны для использования автолюбителям и туристам: они могут организовать освещение от аккумулятора.
3. С питанием 220 В. Самый распространенный вид. Широко применяются для бытовых нужд.

Типы цоколей.

Чтобы LED источники света подходили к уже применяемой схеме электроснабжения домов, их оснащают винтовыми цоколями. В качестве альтернативы светильникам галогенного типа выпускают лампы со штырьковыми цоколями. Основные типы представлены в таблице.

Тип цоколя	Назначение	Фото
Е27	Самый распространенный винтовой тип для бытовых источников света.
Е14	Винтовой цоколь для маломощных ламп.
Е40	Винтовой цоколь для мощных источников света ( в основном уличных).
G4	Штырьковые контакты для маленьких лампочек.
GU5.3	Штырьковый контакт для мебельных и потолочных источников света.
GU10	Аналогично GU5.3, но расстояние между контактами составляет 10 мм.
GX53	Штырьковый контакт для плоских светильников.
G13	Контакт, аналогичный люминесцентным трубчатым лампам.

Технические характеристики и маркировка светодиодных ламп.

Выпуском светодиодных источников света занимается множество мировых и российских компаний: OSRAM, Gauss, ASD, Philips, Navigator, ЭРА и другие. О самых популярных из них можно прочитать в статье «Рейтинг светодиодных ламп 2019 года».

Перед покупкой LED лампы стоит внимательно изучить технические ее свойства, указанные на упаковке. Их довольно много. Чтобы не запутаться, рассмотрим их подробнее.

Мощность (измеряется в Вт). Показывает, сколько электричества потребляет осветительный прибор. По этому параметру светодиодные источники света на порядок превосходят лампы накаливания. На упаковке указывается фактическая и эквивалентная мощность. Лампа на рисунке фактически потребляет 9 Вт. Она заменяет лампу накаливания мощностью 75 Вт. За счет этого достигается экономия электроэнергии и семейного бюджета.

Мощность промышленных и уличных светодиодных источников света может доходить до 1000 Вт. Но для бытовых нужд фактической мощности от 2 до 20Вт вполне хватит. Для удобства пользователей составлены специальные таблицы с эквивалентными мощностями.

Мощность светодиодных, Вт	Мощность люминесцентных, Вт	Мощность ламп накаливания, Вт
1	3	15
3	7	35
5	11	50
7	15	70
9	19	90
12	25	120
15	31	150
18	36	180

Световой поток (измеряется в Лм). Этим параметром описывается яркость. Чтобы было понятнее можно представить свет от ламп накаливания мощностью 40, 60 и 100 Вт. Их световой поток аналогичен яркости LED-элементов в 400, 600 и 1000 Лм соответственно. Для удобства стоит запомнить последнюю пару цифр и ориентироваться по ним: традиционная 100 ваттная лампа «Ильича» имеет яркость в 1000 Лм.

Срок службы в часах. Количество часов, которое проработает источник света. По этому показателю LED-элементы лидируют: в среднем они работают в 25 раз больше, чем традиционные лампы.

Однако стоит иметь в виду, что яркость лампы напрямую зависит от количества выработанных часов. Чем старше лампа, тем тусклее она светит. В мире принят стандарт L70. И если на упаковке написано, что световой поток по L70 равен 50000 часов, то означает, что по истечении времени яркость составит всего 70% от первоначальной.

Некоторые производители указывают большой срок службы, но приписывают, что гарантируют его при определенных условиях работы: например, если лампа будет работать в сутки не более трех часов. Это тоже прописывается на упаковке, но как правило сбоку.

Тип цоколя. На рисунке указан тип цоколя Е14 − для небольших светильников.

Цветовая температура (измеряется в К). Характеризует теплоту света. Из-за конструктивных особенностей светодиоды способны давать световой поток разной теплоты: с преобладанием синего спектра или красного с желтым.

Цветовая температура имеет широкий диапазон:

• До 2800 К – теплый желтый свет с красным оттенком (аналогичен лампам накаливания небольшой мощности);
• 3000 К – теплый белый свет с желтым оттенком (аналог – галогенные источники света);
• 3500 К – естественный нейтральный белый свет (аналог – люминесцентные лампы; цвет не искажает цветовосприятие, глаза не устают);
• 4000 К – холодный белый (хорошо освещает пространство, подходит для кухни, офисов, кабинетов);
• 5000-6000 К – дневной свет (очень яркий, подходит только для производственных помещений);
• 6500 К и выше – холодный дневной с голубоватым оттенком (применяется в больницах, технических помещениях, при фото- и видеосъемке).

При подборе цветовой температуры для освещения жилого помещения стоит отметить, что чем она ниже, тем более способствует расслаблению и спокойствию. Более холодные цвета бодрят и настраивают на рабочую обстановку.

 Индекс цветопередачи. Определяет, будет ли искажение цветов в помещении. Обозначается латинскими буквами CRI или Ra и цифрами от 1 до 100. Чем ниже его значение, тем сильнее искажение цветов. При индексе 100 искажения не будет совсем. Для использования в доме советуют применять лампы с индексом цветопередачи не менее 80-90.

Габаритные размеры (указываются в мм). Размеры светодиодных источников света чуть больше, чем у аналогичных ламп накаливания. Поэтому, подбирая лампочку к определенному плафону или светильнику, не забудьте проверить габариты. Иначе есть вероятность, что она просто не поместится, куда нужно.

 Угол рассеивания. Это угол, на который расходятся световые лучи от источника. Чем параметр выше, тем больше освещаемая площадь. Из-за конструктивных особенностей светодиод всегда светит в основном прямо. Поэтому в лампу встраивают несколько LED-элементов. В зависимости от их расположения внутри корпуса светильника угол рассеивания света может составлять от 30⁰ до 360⁰.

Это позволяет создавать, как узконаправленные световые потоки, так широко освещать помещение. Дает возможность для интересных дизайнерских решений. Выбирать угол рассеивания стоит исходя из задачи светильника: для потолочных спотов достаточно 90⁰-180⁰, а для точечной подсветки подойдет и 30⁰.

Также на упаковках указывается:

• в каком диапазоне напряжений работает источник света (чем он шире, тем выше вероятность того, что источник света, особенно недорогой, не перегорит при скачках в электросети);
• возможность подключения через диммер – обозначается вот таким значком;
• коэффициент пульсации (мерцания). Определяется равномерностью свечения. У хороших светодиодных ламп он составляет около 5%, что комфортно для глаз. Источники света с коэффициентом пульсации выше 35% использовать не стоит.

Как подключить светодиодную лампу.

Подключение аналогично лампам накаливания и люминесцентным — следует обесточить патрон и вкрутить в него лампу.

Если необходимо подключить несколько LED источников света, то возможны следующие варианты соединения:  последовательный и параллельный.

Последовательный вариант требует минимального количества проводов, но применяется крайне редко. Причиной этому служат два недостатка. Во-первых, при перегорании одной лампочки из строя выходит вся цепь. Во-вторых, лампы работают не в полную силу, так как при последовательном соединении напряжение суммируется. Пожалуй, единственные случаи, где оправдано последовательное соединение – это елочная гирлянда и освещение подъездов. В этих случаях допустимы низкие показатели мощности у многих источников света.

Схема довольно проста:

• от распределительной коробки фаза идет на выключатель;
• от выключателя фаза переходит к светодиодной лампе;
• ко второму контакту последней лампы в цепи подключают нулевой провод;
• от ламп к друг к другу переходит фазовый провод.

Параллельный способ применяется чаще всего. Главное преимущество – подача одинакового напряжения ко всем лампочкам в цепи. В случае перегорания из цепи выпадает лишь, вышедший из строя источник света, который легко заменить.

Параллельно можно соединить двумя способами: лучевым и по шлейфной схеме.

Лучевой метод отличается надежностью. Хотя при этом требуется большое количество кабеля. И важно продумать момент соединения всех элементов. Чаще всего для этого используют клеммную колодку. С одной стороны на ее перемычки подают фазу.  С обратной стороны подключают провода, тянущиеся от лампочек. Внутри клеммную колодку рекомендуется заполнить антиокислительной пастой. Также вместо колодки использовать скрутку проводов со спайкой.

При использовании шлейфной схемы фазный и нулевой провода от щитка и выключателя подключаются к первой лампочке. От нее кабель подается на вторую и так далее. Таким образом, каждая лампочка (кроме последней) соединяет с четырьмя проводами: двумя фазными и двумя нулевыми.

Подключение лампочек, работающих от напряжения 12В, аналогично, только в схему необходимо включить понижающий трансформатор.

Преимущества и недостатки светодиодных ламп.

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%.

---