Как устроена светодиодная лампа: принцип работы. схемы лампы светодиодные

Четыре разновидности светодиодных устройств

В зависимости от размещения светодиодов подобные модели можно разделить на следующие категории:

1. DIP. Кристалл скомпонован с двумя проводниками, над которыми находится увеличитель. Модификация получила широкое распространение при изготовлении вывесок и гирлянд.
2. «Пиранья». Приборы собирают аналогично предыдущему варианту, но предусматривают четыре вывода.  Надежные и прочные конструкции чаще всего применяют для оснащения автомобилей.
3. SMD. Кристалл размещается сверху, что значительно улучшает отведение тепла, а также помогает уменьшить габариты устройств.
4. СОВ. В этом случае светодиод впаивается непосредственно в плату, что способствует увеличению интенсивности свечения и защите от перегрева.

Существенный недостаток COB-устройств — невозможность замены отдельных элементов, из-за чего приходится приобретать новый механизм из-за одного-единственного вышедшего из строя чипа.

В люстрах и других бытовых осветительных приборах обычно применяется конструкция SMD.

Включение в сеть переменного тока

Подключать светодиоды от БП не всегда целесообразно. Особенно, если речь идёт о необходимости сделать подсветку выключателя или индикатор наличия напряжения в сетевом удлинителе. Для подобных целей достаточно будет собрать одну из простых схем подключения светодиода к сети 220 В. Например, схема с токоограничительным резистором и выпрямительным диодом, защищающим светодиод от обратного напряжения. Сопротивление и мощность резистора вычисляют по упрощённой формуле, пренебрегая падением напряжения на светодиоде и диоде, так как оно на 2 порядка меньше напряжения сети:

Из-за большой мощности рассеивания (2–5 Вт), резистор часто заменяют неполярным конденсатором. Работая на переменном токе, он как бы «гасит» лишнее напряжение и почти не нагревается.

Материалы для сборки

Способов создания лампы своими руками великое множество. Наиболее распространены методы с использованием старого цоколя от перегоревшей люминесцентной лампы. Такой ресурс найдется у каждого в доме, поэтому проблем с поиском не будет. Помимо этого понадобятся:

1. Цоколь от перегоревшего изделия.
2. Непосредственно ЛЕД. Они продаются в виде светодиодных лент или отдельных светодиодов НК6. Каждый элемент имеет силу тока примерно 100–120 мА и напряжение около 3–3,3 Вольта.
3. Потребуется диодный мост или выпрямительные диоды 1N4007.
4. Нужен предохранитель, который можно найти в цоколе перегоревшей лампы.
5. Конденсатор. Его емкость, напряжение и другие параметры выбираются в зависимости от электрической схемы для сборки и количества светодиодов в ней.
6. В большинстве случаев потребуется каркас, на который будут крепиться светодиоды. Каркас можно сделать из пластика или подобного материала. Главное требование — не должен быть металлическим, токопроводящим и должен быть теплоустойчивым.
7. Для надежного прикрепления светодиодов к каркасу потребуется суперклей или жидкие гвозди (последние предпочтительней).

Один–два элемента из вышеперечисленного списка могут не пригодиться при некоторых схемах, в других случаях могут, наоборот, добавляться новые звенья цепи (драйвера, электролиты). Поэтому список необходимых материалов нужно составлять в каждом конкретном случае индивидуально.

Схемы светодиодных ламп

Прежде всего, следует выработать вариант сборки. Существует два основных способа, каждый из которых имеет собственные плюсы и минусы. Ниже мы рассмотрим их подробнее.

Вариант с диодным мостом

Схема включает четыре диода, которые подключаются разнонаправленно. Благодаря этому мост приобретает возможность трансформировать сетевой ток в 220 V в пульсирующий.

Схема светодиодного моста отличается простотой и логичностью. Выполнить ее может даже начинающий мастер, осваивающий азы самостоятельной работы

Происходит это следующим образом: при проходе по двум диодам синусоидальных полуволн, они изменяются, что вызывает потерю полярности.

При сборке к плюсовому выходу перед мостом подключается конденсатор; перед минусовой клеммой – сопротивление на 100 Ом. Еще один конденсатор устанавливается позади моста: он понадобится для сглаживания перепадов напряжения.

Изготовление светодиодного элемента

Наиболее простым способом создания LED светильника является выполнение источника света на основе сломанного светильника. Необходимо проверить работоспособность обнаруженных деталей, что можно сделать с помощью аккумулятора на 12 V.

Неисправные элементы нужно заменить. Для этого следует распаять контакты, убрав перегоревшие элементы, поставить на их место новые

При этом важно соблюдать чередование анодов и катодов, которые крепятся последовательно

Если требуется поменять лишь 2-3 штуки чипа, достаточно просто припаять их на участки, где ранее находились вышедшие из строя компоненты.

При полной самостоятельной сборке нужно соединять в ряд по 10 диодов, соблюдая правила полярности. Несколько выполненных цепей припаиваются к проводам.

При изготовлении лампы можно воспользоваться платами со светодиодами, которые можно найти в перегоревших устройствах

Важно лишь проверить их работоспособность. При сборке схем важно следить, чтобы спаянные концы не касались друг друга, поскольку это может привести к замыканию прибора и выхода системы из строя

При сборке схем важно следить, чтобы спаянные концы не касались друг друга, поскольку это может привести к замыканию прибора и выхода системы из строя

Приспособления для более мягкого света

Чтобы избежать мерцания, свойственного LED-светильникам, описанную выше схему можно дополнить несколькими деталями. Таким образом, она должна состоять из диодного моста, резисторов на 100 и 230 Ом, конденсаторов на 400 нФ и 10 мкФ.

Чтобы защитить устройство от перепадов напряжения в начале схемы помещается резистор в 100 Ом, за которым впаивается конденсатор 400 нФ, после него устанавливается диодный мост и еще один резистор на 230 Ом, за которым идет собранная цепочка светодиодов.

Приборы с резисторным сопротивлением

Подобная схема также вполне доступна начинающему мастеру. Для ее выполнения требуются два резистора 12k и две цепочки из одинакового числа светодиодов, которые припаиваются последовательно с учетом полярности. При этом одна полоса со стороны R1 подсоединяется катодом, а другая – с R2 – анодом.

Выполненные по этой схеме светильники имеют более мягкий свет, поскольку действующие элементы зажигаются по очереди, благодаря чему пульсация вспышек почти незаметна невооруженному глазу.

Для расчета мощности лампы необходимо знать величину тока, который проходит через светодиоды. Эту величину можно рассчитать по приведенной формуле. При этом нужно учесть, что на показатель падения напряжения в последовательно соединенных 12 светодиодах составляет примерно 36В

Устройства успешно применяются в качестве настольной лампы и в других целях. Для создания оптимального освещения специалисты рекомендуют применять ленты из 20-40 диодов. Меньшее количество дает небольшой световой поток, соединение большего числа элементов технически довольно сложно выполнить.

Принцип работы LED-устройства

Основой светодиодной лампы является односторонний полупроводник, величина которого составляет несколько миллиметров. В нем происходит однонаправленное движение электронов, что позволяет преобразовывать переменный ток в постоянный.

Состоящему из нескольких слоев кристаллу светодиода свойственны два типа электропроводимости: положительно и отрицательно заряженных частиц.

Сторона, где содержится минимальное количество электронов, получила названия дырочной (p-тип), тогда как другая с большим количеством этих частиц именуется электронной (n-тип).

Между двумя сторонами светодиодного элемента имеется условная граница – электронно-дырочный переход (p-n). Здесь частицы сталкиваются между собой, в результате чего наблюдается свечение.

При столкновении элементов на p-n-переходе они сталкиваются, генерируя частицы света фотоны. Если в это время поддерживать систему в постоянном напряжении, светодиод будет излучать стабильный поток света. Этот эффект используется во всех конструкциях LED-ламп.

Типы светодиодов

За счёт различных подходов к сборке полупроводниковых чипов удалось создать следующие разновидности светодиодных излучателей:

• DIP – светодиодные лампы, изготавливаемые на основе кристалла с размещённой сверху линзой и двумя подводящими проводниками. Этот вариант наиболее распространён на практике и используется для организации подсветки в различных световых устройствах;
• Так называемая «Пиранья», частично напоминающая предыдущую конструкцию, но имеющая четыре вывода. Увеличение числа контактов повышает её надёжность и способствует улучшению отвода тепла (смотрите рисунок ниже);

Лампа типа «Пиранья»

• SMD-светодиодные излучатели могут размещаться на плоских поверхностях, за счет чего удается уменьшить габариты светильника, а также улучшить теплоотводящие свойства. Они выпускаются в самых различных исполнениях и применяются в современных источниках светового излучения;
• Изделия, изготавливаемые по СОВ технологиям, согласно которым чип впаивается непосредственно в плату. За счет такого устройства полупроводниковый лед переход надёжно защищается от окисления и перегрева. Одновременно с этим существенно повышается интенсивность диодного свечения.

Обратите внимание! Особенность перечисленных выше исполнений состоит в том, что в случае перегорания светодиода его придётся менять полностью, поскольку отремонтировать эти изделия путём замены отдельного чипа невозможно. Ещё один недостаток таких светодиодов – их маленький размер, что вынуждает собирать их в группы по несколько штук

Кроме того, встроенный в них кристалл постепенно стареет, вследствие чего яркость лед излучателя со временем снижается. Далее будет рассмотрено устройство светодиодной лампы на 220в

Ещё один недостаток таких светодиодов – их маленький размер, что вынуждает собирать их в группы по несколько штук. Кроме того, встроенный в них кристалл постепенно стареет, вследствие чего яркость лед излучателя со временем снижается. Далее будет рассмотрено устройство светодиодной лампы на 220в.

Корпуса для светодиодных приборов

Перед сборкой важно определиться, где будет помещаться собранная схема. Существует несколько вариантов решения этой проблемы — для размещения устройства можно использовать:

• Цоколи ламп накаливания.
• Корпуса от перегоревших энергосберегающих или галогенных ламп.
• Выполненные своими руками приспособления.

Первый вариант имеет важное преимущество. При его использовании легко закрутить собранное светодиодное устройство в патрон, тем самым обеспечив теплообмен

Следует учесть, что помимо очевидного плюса, этот способ имеет и явные минусы. Собранная конструкция имеет не слишком эстетичный вид, кроме того, в этом случае сложно выполнить надежную изоляцию.

Для того чтобы воспользоваться перегоревшей лампой накаливания для создания светодиодной, нужно предварительно аккуратно отделить стеклянную колбу от цоколя, после чего извлечь спираль

В образовавшееся пространство осторожно укладывается собранная схема, а над платой укрепляется лампочка. Удобный и практичный вариант — поместить самодельный прибор в корпус энергосберегающей лампы

Для этого первоначально необходимо разобрать перегоревший прибор, достав из него преобразовательную плату

Удобный и практичный вариант — поместить самодельный прибор в корпус энергосберегающей лампы. Для этого первоначально необходимо разобрать перегоревший прибор, достав из него преобразовательную плату.

Собранную схему можно вставить, применив разные способы:

• Диоды помещаются в отверстия, которые проделываются в крышке под стеклянной колбой.
• Схему можно расположить внутри цоколя, что гарантирует теплообмен. В этом случае LED-элементы вставляются и закрепляются в уже имеющиеся отверстия.
• Плату можно спрятать в цоколь. Для выполнения процесса удобно воспользоваться обычной пластиковой крышкой от бутылки с водой.

Для размещения светодиодов мастера часто применяют сделанный своими руками кружок из пластика или картона, в котором сверлятся отверстия под диоды. При тщательно выполненной работе такие устройства смотрятся довольно эстетично.

Еще одним вариантом является применение корпуса галогенной лампы. Он не получил широкого распространения, поскольку в данном случае нет возможности закрутить светильник в патрон. Тем не менее подобная модификация используется для выполнения самодельных индикаторов и иных приборов.

Преимущество и недостатки самодельной лампы

Специализированные магазины предлагают большой выбор светодиодных аппаратов. Однако порой в ассортименте невозможно найти прибор, отвечающий необходимым параметрам. Кроме того, LED-приборы традиционно отличаются высокой стоимостью.

К недостаткам изделий следует отнести отсутствие гарантии от производителя. Кроме того, при небрежной сборке подобные устройства могут иметь непривлекательный внешний вид

Между тем, вполне возможно сэкономить средства и получить идеальную лампу, выполнив сборку самостоятельно. Сделать это несложно и достаточно будет элементарных технических знаний и практических умений.

Выполненное своими руками LED-устройство имеет ряд значительных преимуществ над приобретенным в магазине аналогом.  Они отличаются экономичностью: при аккуратной сборке и использовании качественных деталей период эксплуатации достигает 100 тысяч часов.

Такие приборы показывают высокую степень энергоэффективности, которая определяется соотношением потребляемой мощности и яркости выработанного света. Наконец, их стоимость на порядок ниже, чем фабричных аналогов.

Устройство LED-ламп

Светодиодная лампа состоит из шести следующих частей:

• светодиод;
• цоколь;
• драйвер;
• рассеиватель;
• радиатор.

Действующим элементом подобного прибора является светодиод, генерирующий поток световых волн.

Светодиодные приборы могут быть рассчитаны на различное напряжение. Наиболее востребованы небольшие изделия на 12-15 Вт и более крупные светильники на 50 ватт

Цоколь, который может иметь различный вид и размер, применяется и для других видов ламп – люминесцентных, галогенных, накаливания. В то же время некоторые LED-приборы, например, светодиодные ленты, могут обходиться без этой детали.

Важным элементом конструкции служит драйвер, преобразующий сетевое напряжение в тягу, на которой работает кристалл.

От этого узла во многом зависит эффективная работа лампы, кроме того, качественный драйвер, имеющий хорошую гальваническую развязку, обеспечивает яркий постоянный световой поток без намека на моргание.

Обычный светодиод производит направленный пучок света. Чтобы изменить угол его распределения и обеспечить качественное освещение, используется рассеиватель. Еще одной функцией этого компонента является защита схемы от механических и природных воздействий.

Радиатор предназначен для отвода тепла, излишки которого могут повредить прибору. Надежная работа радиатора позволяет оптимизировать работу лампы и продлить ей жизнь.

Чем меньше эта деталь, тем большую тепловую нагрузку придется выдерживать светодиоду, что скажется на быстроте его выгорания.

Состав и принцип работы светильника

Прежде, чем приступить к изготовлению светодиодного светильника своими руками, рассмотрим его конструкцию и принцип работы.
Диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток через p-n переход только в одном направлении. В результате выделения энергии при рекомбинации электронов и дырок излучаются фотоны с выделением световой и тепловой энергии.

Простейшим радиатором является алюминиевая подложка, на которой располагаются светодиоды, однако такого теплоотведения будет недостаточно, если прибор собирается на 3-х и более полупроводниках. В такие светильники устанавливают специальные металлические радиаторы. В комнатных приборах его заменяет корпус лампочки.Кроме радиатора, LED-изделие имеет отражатель и рассеиватель, которые могут заменить металлизированный рефлектор, и линза.
Обычно светодиоды выпускаются готовой сборкой, но для того, чтобы яркий свет прибора не раздражал глаза, используют матовую колбу, которой накрывают корпус светильника.

Устройство лампочки

Элементы схемы

Главный элемент управления – мощный n-канальный МОП транзистор IRF540, ток стока которого может достигать 23 А, а напряжение сток-исток – 100В. Рассматриваемое схемотехническое решение не предусматривает работу транзистора в предельных режимах. Поэтому радиатор ему не потребуется.

Сопротивление R2 отвечает за плавный розжиг светодиодов. Его значение должно быть в пределах 30–68 кОм и подбирается в процессе наладки исходя из личных предпочтений. Вместо него можно установить компактный подстроечный многооборотный резистор на 67 кОм. В таком случае можно корректировать время розжига с помощью отвертки.

Сопротивление R3 отвечает за плавное затухание светодиодов. Оптимальный диапазон его значений 20–51 кОм. Вместо него также можно запаять подстроечный резистор, чтобы корректировать время затухания. Последовательно с подстроечными резисторами R2 и R3 желательно запаять по одному постоянному сопротивлению небольшого номинала. Они всегда ограничат ток и предотвратят короткое замыкание, если подстроечные резисторы выкрутить в ноль.

Сопротивление R1 служит для задания тока затвора. Для транзистора IRF540 достаточно номинала 10 кОм. Минимальная емкость конденсатора С1 должна составлять 220 мкФ с предельным напряжением 16 В. Ёмкость можно увеличить до 470 мкФ, что одновременно увеличит время полного включения и выключения. Также можно взять конденсатор на большее напряжение, но тогда придется увеличить размеры печатной платы.

Собираем простую LED-лампу

Рассмотрим выполнение светильника в стандартном цоколе от люминесцентной лампы. Для этого нам придется несколько изменить приведенный выше список материалов. В этом случае мы используем:

• старый цоколь Е27;
• светодиоды НК6;
• драйвер RLD2-1;
• кусок пластика или плотного картона;
• суперклей;
• электропроводку;
• паяльник, плоскогубцы, ножницы.

Первоначально требуется разобрать светильник. У люминесцентных устройств подсоединение цоколя к пластинке с трубками осуществляется с помощью защелок

Важно обнаружить место крепежа и поддеть элементы отверткой, что позволит легко отсоединить патрон

Процесс сборки самодельной светодиодной лампы простой. В корпус от старого прибора вставляется драйвер, поверх которого устанавливается плата со светодиодами

Разбирая прибор, нужно соблюдать предельную осторожность, чтобы не нанести вреда трубкам, внутри которых находится ядовитое вещество. Одновременно необходимо следить за целостностью электропроводки, подсоединенной к цоколю, а также сохранять детали, содержащиеся в нем

Верхнюю часть с подсоединенными газоразрядными трубками мы используем для выполнения пластинки, необходимой для подсоединения светодиодов. Достаточно удалить трубчатые элементы, а в оставшиеся круглые отверстия закрепить LED-детали.

Для их надежного крепления лучше сделать дополнительную пластмассовую или картонную крышку, которая послужит для изолирования чипов.

В лампе будут применяться светодиоды НК6, каждый из которых состоит из 6 кристаллов с параллельным подключением. Они позволяют создать довольно яркий осветительный прибор при минимуме потребляемого электричества.

Для подключения каждого светодиода к крышке необходимо выполнить по два отверстия. Прокалывать их следует аккуратно в строгом соответствии схеме.

Пластиковая деталь позволяет прочно зафиксировать LED-элементы, тогда как использование картона требует дополнительного закрепления светодиодов к основанию при помощи жидких гвоздей либо суперклея.

Так как устройство рассчитано на применение шести светодиодов мощностью по 0,5 ватт каждый, в схеме нужно предусмотреть три параллельно подсоединенных элемента.

Эффектный светильник можно выполнить, используя светодиодную ленту. Этот элемент вставляется в трубку, применяющуюся для люминесцентного освещения

В конструкции, которая будет работать от электросети мощностью 220 В, нужно предусмотреть драйвер RLD2-1, который следует приобрести в магазине или выполнить самостоятельно.

Во избежание короткого замыкания перед началом сборки важно заизолировать драйвер и плату друг от друга, используя пластик или картон. Поскольку лампа почти не нагревается, не стоит беспокоиться о перегреве

Подобрав все компоненты можно собрать конструкцию по схеме, а затем подключить ее к электросети, чтобы проверить свечение.

Устройство, работающее от стандартного патрона с питанием 220В, имеет низкое энергопотребление и мощность равную 3 Ваттам. Последний показатель в 2-3 раза меньше, нежели у люминесцентных устройств и в 10 раз меньше, чем у ламп накаливания.

Хотя световой поток равен всего лишь 100-120 люменов, благодаря ослепительно белому цвету лампа кажется значительно ярче. Собранный светильник можно применять в качестве настольного либо для освещения компактного помещения, например, коридора или чулана.

Сборочный процесс

В первую очередь люминесцентную лампу надо разобрать. Нас в этой конструкции интересует цоколь с отражателем. Именно здесь расположены все необходимые детали, которые объединены в электрическую схему, включающую лампу. Разбирать ее надо аккуратно, не повредив тех самых деталей.

Обратите внимание, что сама схема КЛЛ для светодиодного светильника не подходит. Поэтому ее надо разобрать

Из цоколя нам пригодится предохранитель, его вытаскивать их схемы нет необходимости. Далее, пригодится и диод, кстати, его марка 1N4007. В новую схему придется добавить любой электролит, главное, чтобы его напряжение не было ниже 50 вольт, а емкость не меньше 100 мкФ. И еще одна деталь пригодиться – это конденсатор емкостью 1 мкФ напряжением 630 вольт.

Конечно, понадобятся сами светодиоды. Их можно взять из светодиодной ленты, которая разрезается на участки, включающих в себя по три светодиода. Такой отрезок питается от напряжения 12 вольт. В общем, понадобиться четыре отрезка светодиодной ленты.

На рисунке ниже показана схема сборки всех деталей.

Чтобы они в самом цоколе не болтались, необходимо их прикрепить, используя любой клеевой состав. Лучше чтобы это был супер-клей. А вот под куски светодиодной ленты нужно соорудить каркас. В принципе, это может быть любой легко гнущийся плотный материал. Идеально, если это не будет металл или любой другая токопроводящая конструкция.

Опытные мастера для таких дел используют пенокартон, потому что он легко поддается обработке. Его необходимо свернуть в трубочку так, чтобы диаметр наращиваемой конструкции был чуть меньше диаметра цоколя. Это делается для того, чтобы пенокартон вошел в цоколь, где его также приклеивают.

На схеме выше четко видно, что отрезки ленты соединены последовательно. Но в конструкции они будут располагаться одна над другой. Кстати, увеличить число отрезков (уровней) можно без проблем. Просто придется подбирать конденсатор и электролит под мощность всего светильника, увеличивая емкость.

Кстати, приклеивать ленту к основе лучше жидкими гвоздями, потому что, используя этот клей, можно выравнивать расположение светодиодов. Ведь жидкие гвозди сохнут дольше, чем супер-клей. К тому же саму ленту можно залить жидкими гвоздями, оставив снаружи только светодиоды, придав своеобразный дизайн светильнику. Клей  в данном случае будет играть и еще одну функцию – защитную, чтобы при механических нагрузках лента не повредилась.

Самое удивительное, что собранная своими руками такая лампа может работать даже при напряжении 40 вольт. Но это еще не все.

• При напряжении 220 вольт на каждом отрезке светодиодной ленты будет напряжение 11,5 вольт.
• При повышении напряжения до 240 вольт, напряжение на отрезках будет 12 вольт.

Отсюда вывод – перепады напряжения такой самодельной светодиодной лампе не страшны. Кстати, яркость такого источника света достаточно приличная. К примеру, если для сборки использовать ленту 5050 SMD, то каждый светодиод выделяет световой поток яркостью 10-15 люмен. Умножьте этот показатель на количество светодиодов, то в сумме получите общую яркость светильника, которая будет варьироваться в диапазоне 120-180 люмен. А это приличная яркость.

Конечно, у этого вида источника света есть и недостаток. Это электрическая связь открытого типа между светодиодами и сетью 220 вольт

Поэтому с такой светодиодной лампой надо обращаться очень осторожно, придерживаясь стандартных норм безопасности

Последовательное подключение

Собрать рабочую схему на одном светодиоде – несложно. Другое дело, когда их несколько. Как правильно подключить 2, 3 … N светодиодов? Для этого нужно научиться рассчитывать более сложные схемы включения. Схема последовательного подключения представляет собой цепь из нескольких светодиодов, в которой катод первого светодиода соединен с анодом второго, катод второго с анодом третьего и так далее. Через все элементы схемы течёт ток одинаковой величины:

А падения напряжений суммируются:

Исходя из этого, можно сделать выводы:

• объединять в последовательную цепь целесообразно только светодиоды с одинаковым рабочим током;
• при выходе из строя одного светодиода произойдёт обрыв цепи;
• количество светодиодов ограничено напряжением БП.

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin