Как работает LED-лампа: от диода к свету

Внутри обычной на вид светодиодной лампы вместе работают полупроводниковый кристалл, люминофор, драйвер и радиатор. Роль каждой части и практические выводы.

Снаружи светодиодная лампа похожа на старую лампу накаливания: та же грушевидная форма, тот же резьбовой цоколь. Внутри же происходит совсем другой процесс. Лампа накаливания светилась, потому что нагревалась металлическая нить, и большая часть энергии уходила в тепло. В светодиоде свет рождается внутри полупроводника за счёт движения электронов. Понимание этой разницы помогает и правильно выбирать лампы, и грамотно ими пользоваться.

Полупроводниковый переход: источник света

LED — сокращение от английского light-emitting diode, то есть светоизлучающий диод. Диод — полупроводниковый элемент, пропускающий ток в одном направлении. В нём два слоя: в одном избыток свободных электронов, в другом — места, где электронов не хватает, так называемые «дырки».

Когда на диод подаётся напряжение в прямом направлении, электроны и дырки движутся к границе слоёв и там рекомбинируют. При каждой такой встрече электрон отдаёт часть энергии в виде крошечной порции света — фотона. Энергия фотона, а значит и цвет света, зависит от полупроводникового материала — от химического состава, задающего ширину запрещённой зоны. Поэтому из разных материалов делают светодиоды красного, зелёного или синего свечения.

Отсюда важный вывод: в отличие от лампы накаливания, светодиоду не нужно раскаляться, чтобы светить. В этом главная причина его эффективности.

Откуда берётся белый свет

Отдельный светодиодный кристалл светит в узкой цветовой полосе, а белый свет — это смесь многих цветов. В бытовых лампах белый свет чаще всего получают так: кристалл синего свечения покрывают особым слоем — люминофором. Часть синего света люминофор преобразует в жёлтый и красноватый, и в смеси с оставшимся синим глаз воспринимает его как белый.

Состав и толщина люминофора определяют оттенок света. Люминофор с большей красной составляющей даёт тёплый белый, менее преобразующий — холодный белый. Качество цветопередачи тоже во многом зависит от смеси люминофоров: чем меньше провалов в спектре, тем естественнее выглядят цвета предметов.

Если присмотреться к светодиодной лампе, иногда видны маленькие жёлтые квадратики на кристаллах — это и есть слой люминофора. В филаментных лампах кристаллы расположены в ряд на тонких полосках и покрыты люминофором, что создаёт сходство со старой нитью накаливания.

Что находится внутри лампы

Если разобрать обычную светодиодную лампу E27, внутри окажется несколько основных частей:

• рассеиватель — смягчает точечную яркость кристаллов и равномерно распределяет свет;
• светодиодная плата — на ней расположены кристаллы, обычно это плата на алюминиевой основе, хорошо проводящая тепло;
• радиатор или корпус — передаёт тепло от кристаллов в окружающий воздух;
• драйвер — небольшая электронная схема, превращающая переменный ток сети в стабильный ток для светодиодов;
• цоколь — резьбовая часть, которая удерживает лампу в патроне и обеспечивает электрический контакт.

Каждый светодиодный кристалл работает от низкого постоянного напряжения, а в сети напряжение переменное и значительно выше. Поэтому подключить светодиод к розетке напрямую, без драйвера, нельзя. Драйвер также ограничивает ток: если ток через светодиод бесконтрольно растёт, кристалл быстро выходит из строя.

Тепло: скрытая проблема светодиодов

Светодиод отдаёт свет вперёд, а тепло — назад, в плату и корпус. Сам свет почти не несёт теплового излучения, но часть энергии внутри кристалла всё равно превращается в тепло. Если его не отводить, температура кристалла растёт. Высокая температура ускоряет падение светового потока, старит люминофор и сокращает срок службы элементов драйвера.

Срок службы светодиодов обычно измеряют не моментом, когда лампа гаснет, а временем, за которое поток падает до определённого уровня. Например, показатель L70 означает время, за которое световой поток снижается до 70 процентов от начального. Поэтому светодиодная лампа чаще не гаснет внезапно, а постепенно тускнеет с годами.

Чем эти знания полезны на практике

Понимая устройство лампы, проще делать повседневный выбор:

• в полностью закрытых плафонах без вентиляции тепло отводится плохо, поэтому для них выбирают лампы, паспорт которых допускает такое применение;
• если обычная лампа мерцает или гудит с диммером, причина обычно в драйвере: для работы с диммером предназначены диммируемые модели;
• если лампа слабо светится после выключения, дело, как правило, не в лампе, а в схеме подключения или выключателе с подсветкой;
• разница между тёплым и холодным светом заложена в основном в люминофоре, а не в кристалле, поэтому лампы одной мощности выпускаются в разных оттенках.

С 2021 года «Зафероглу Электрик» выпускает на заводе в Гяндже светодиодные лампы под названием Zəfər İşığı — от стандартных грушевидных моделей E27 до филаментных и спот-ламп.