Подробнее

Найдите ответы на все свои вопросы о светодиодах в оставшейся части нашего полного руководства по светодиодным светильникам:

Часть 1: Что такое светодиод и как работают светодиоды? (вы здесь!)
Часть 2: Преимущества светодиодов
Часть 3: Светодиоды по сравнению с традиционными лампами накаливания
Часть 4: Переход на светодиоды за 5 шагов
Часть 5: Как сделать Купить светодиоды
Часть 6: История светодиодов
Часть 7: Расширенные функции

Как работают светодиодные лампы?

предлагают альтернативу КЛЛ и лампам накаливания, но давайте начнем с самого начала.

Что означает светодиод? LED — это аббревиатура от LED, и они являются полупроводниками. Когда электроны проходят через этот тип полупроводника, он превращается в свет. По сравнению с лампами накаливания и CFL, светодиодные лампы более эффективно превращают энергию в свет.

Если вы разбираетесь в вопросах экономии денег и окружающей среды, вы, вероятно, проявили интерес к светодиодным лампам, потому что они даже более энергоэффективны и экологически безопасны, чем КЛЛ и лампы накаливания.

Чтобы найти больше вдохновения в освещении, ознакомьтесь с нашим руководством по лучшим умным лампочкам.

Нагреваются ли светодиодные лампы?

Поскольку светодиодные лампы лучше превращают энергию в свет, а не тепло, они холоднее во время работы, чем лампы накаливания и CFL.

Поскольку светодиоды создают свет, они немного нагреваются для своего размера. Светодиоды чувствительны к нагреванию, поэтому важно, чтобы тепло отводилось, чтобы не повредить полупроводники.Для этого им нужна система охлаждения. Большинство светодиодных ламп имеют пластину радиатора, которая отводит тепло от светодиодов. Производители делают пластину радиатора из различных материалов, но обычно она изготавливается из алюминия. Часто радиатор становится частью конструкции лампы.

Радиатор светодиодной лампы обычно весит несколько унций и может нагреваться при включении света. От пластины радиатора тепло перемещается в воздух, окружающий лампу.

Срок службы светодиодных лампочек дольше?

С возрастом светодиодные лампочки не просто перегорают. Вместо этого они тускнеют. Ожидается, что многие светодиодные лампы прослужат до 50 000 часов при яркости не менее 70%, чем в новых. Ниже 70% — это точка, при которой отрасль решила, что снижение яркости заметно.

Хотя заявленный срок службы большинства этих фонарей составляет до 10 лет, гарантия на них распространяется только на три года. Возможно, это связано с тем, что если вы используете светодиодную лампу непрерывно, она будет оставаться в пределах 70% лишь немногим менее трех лет.Однако, если вы посмотрите на этикетку «Факты освещения» на многих светодиодных лампах, то увидите, что срок их службы определяется годами. Это связано с тем, что промышленным стандартом является использование трех часов в день вместо 24 часов.

Как работают светодиодные фонари? Сложная технология, беспорядочный рынок

Светоизлучающие диоды (LED) быстро заняли центральное место в мире освещения. Обладая такими преимуществами, как высокая эффективность, длительный срок службы, высокая надежность, превосходная управляемость и исключительная гибкость конструкции, светодиодные лампы и светильники (далее вместе именуемые «светодиодные фонари» или «светодиодные осветительные устройства») уже приносят впечатляющую реальную ценность для бизнеса. практически в каждом секторе.В то время как индустрия освещения использует эту волну инноваций для новых возможностей роста, сложность светодиодных технологий порождает хитрую бизнес-практику, заключающуюся в обмане потребителей некачественной продукцией начального уровня. Вместо того, чтобы обеспечивать максимальную ценность для клиентов за счет сложных инженерных решений и конструктивного дизайна или использования новаторских технологий, в индустрии освещения, похоже, является практическим правилом мгновенное завоевание доли рынка, предлагая убойные цены за счет снижения производительности, надежности или безопасность.

Многомерная инженерная работа

Потребители, которые на цыпочках ожидали, что смогут воспользоваться преимуществами светодиодной технологии, оказались потеряны на рынке, наводненном продуктами разного качества. Часто их решения о покупке принимаются на основе поспешных суждений, основанных на их доверии или ожиданиях к новой технологии освещения. Дело в том, что светодиодное освещение намного сложнее традиционных технологий. Только при использовании качественных компонентов, а также синергетических оптических, тепловых, электрических и механических технологий светодиодные светильники могут предоставить все преимущества, которыми славятся светодиодные технологии.Технологии — это всего лишь средство реализации, именно то, как производители освещения проектируют, конструируют и производят свою продукцию, играет решающую роль в поддержании качества света, оптических характеристик и надежности системы светодиодных светильников.

Рынок грязного освещения

В истории электрического освещения переход к твердотельному освещению на основе светодиодов (SSL) является революционным. Обычные системы электрического освещения основывались либо на тепловом излучении (лампы накаливания и галогенные лампы) с использованием прямого ввода сетевого напряжения, либо на газовом возбуждении (люминесцентные, металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления) с мощностью, регулируемой простым ограничителем тока (балластом).Сегодняшние светодиодные фонари по своей сути являются электронными системами, потому что их электрическое / оптическое преобразование обеспечивается полупроводниковыми устройствами, и эти устройства приводятся в действие / управляются электронными схемами. От электрических устройств до электронных устройств — качественный скачок в технологии освещения коренным образом меняет то, как мы используем искусственное освещение. Однако человеческий мир было трудно синхронизировать с быстрым прогрессом в светотехнике:

1. Деловой мир не ищет ничего, кроме прибыли.Производители освещения стремятся упростить проектирование системы, чтобы сократить расходы, как это было в случае с обычными системами освещения. В этом есть положительные стороны. Снижение стоимости продукта может способствовать широкому распространению этой энергоэффективной и экологически чистой технологии освещения. К сожалению, до сих пор большая часть усилий по снижению затрат в осветительной отрасли была достигнута не за счет технологических достижений и инженерных усовершенствований, а за счет постоянного побивания рекордов приемлемого предела качества (AQL), ​​приемлемого предела надежности (ARL) и даже приемлемой безопасности. предел (ASL).В продуктах, доступных сегодня на рынке, часто можно встретить светодиоды с низким качеством цвета, радиаторы с низкой теплоемкостью и простые схемы драйверов с плохими характеристиками регулирования нагрузки.

2. Отсутствие стандартов заставляет производителей освещения открыто и беспричинно производить некачественную продукцию. Новые технологии по-прежнему регулируются старыми стандартами и правилами. Сертификаты и разрешения доступа на рынок, такие как стандарты UL, FCC, Energy Star, DLC, CE, CB PSE, RCM и CCC, либо регулируют только безопасность продукции, либо чрезмерно подчеркивают энергоэффективность.И даже безопасность продукции находится под угрозой на рынках, где нет применимых стандартов безопасности. Качество света и надежность продукции не находятся в поле зрения контролирующих органов. Фактически, качество света не менее важно, чем безопасность продукта, и надежность продукта должна быть ключевым компонентом программ оценки окупаемости инвестиций (ROI). Компоненты качества света, такие как качество цветопередачи, временные световые артефакты (мерцание) и контроль бликов, вызывающих дискомфорт или инвалидность, часто упускаются из виду.Плохое качество света не только влияет на зрение, но и может отрицательно сказаться на здоровье. В этом отношении светодиодные лампы имеют гораздо худшие характеристики, чем устаревшие лампы накаливания. Спектральное качество светодиодов, используемых в большинстве осветительных приборов общего назначения, не может сравниться с лампами накаливания, состав света которых аналогичен составу солнечного света. Лампы накаливания имеют низкий процент мерцания (6-11%), с другой стороны, светодиодные лампы нередко имеют высокий процент мерцания, составляющий 20-30%, потому что схемы драйверов с голыми костями обычно не имеют дополнительных компонентов для фильтрации. Из мерцания.

3. Коварные методы ведения бизнеса со стороны производителей освещения паразитируют на невежестве потребителей в области светодиодных технологий. Производители светодиодного освещения часто делают неоднозначные рекламные заявления. Они заявляют, что их продукция имеет срок службы 50 000–100 000 часов или 10–20 лет. Это очень обманчиво. Большинство людей не знают, что это в большинстве случаев срок службы светодиодного источника света. Срок службы светодиода не равен сроку службы светодиодной лампы или светильника. Только когда его светодиодный источник света соединен с характерно подобранным светодиодным драйвером и высокоэффективной системой управления температурой, светодиодный светильник может иметь такой же срок службы, как и светодиоды.Надежность светодиодных фонарей вызывает серьезную озабоченность. Плохое управление температурой и плохая конструкция схемы могут ускорить процесс старения светодиодов и привести к преждевременному выходу из строя схем драйверов. Производители светодиодного освещения никогда добровольно не улучшат качество света своей продукции, потому что мир потребителей не знает и не знает, чтобы критиковать их продукцию! Чаще всего ориентированные на потребителя светодиодные осветительные приборы, такие как светодиодные лампы, которые обычно используются в жилых помещениях, производятся с использованием самых дешевых компонентов и имеют наименее надежные схемы и наименее эффективные радиаторы.Эти дешевые лампочки обычно перегорают или мигают через год или два.

Мы чувствуем себя обязанными делиться своими знаниями с людьми. Это руководство предназначено для того, чтобы познакомить вас со всеми аспектами светодиодного освещения и рассеять туман, окружающий светодиодную технологию.

Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковое устройство, преобразующее электрическую энергию в свет посредством процесса, называемого электролюминесценцией. В общем, светодиод содержит светодиодный чип (или взаимозаменяемо известный как светодиодный кристалл), расположенный внутри корпуса.Светодиодный чип или светодиодный кристалл в основном представляет собой двухконтактный диод, состоящий из анода (+) и катода (-). Он сконструирован из цельного куска полупроводниковой пластины, тонкого диска, обычно сделанного из сапфира или кремния. На полупроводниковую пластину наносят положительно заряженный (P-тип) слой и отрицательно заряженный (N-тип) слой с использованием процесса, называемого металлоорганическим химическим осаждением из паровой фазы (MOCVD), который также известен как металлоорганическая парофазная эпитаксия (OMVPE). Положительный и отрицательный слои, которые действуют как анод (+) и катод (-) диода, соответственно, обычно изготавливаются из полупроводников III-V (элементы III и V групп Периодической таблицы), таких как нитрид галлия (GaN), галлий. фосфид (GaP), арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP).Полупроводниковый слой P-типа легирован акцепторными примесями, которые имеют меньше электронов в своей валентной зоне, чем полупроводниковый материал, который они заменяют в собственной решетке полупроводника. Полупроводниковый слой N-типа легирован донорными примесями, которые имеют избыток электронов в зоне проводимости.

Граница соединения, где встречаются положительный и отрицательный слои, называется «обедненной зоной», обычно известной как «p-n-переход». Когда образуется p-n-переход, часть свободных электронов из слоя N-типа начинает мигрировать через вновь образованный переход, чтобы заполнить дырки акцепторных примесей в слое P-типа.Диффузия электронов и дырок производит отрицательные ионы и, таким образом, создает обратное электрическое поле между положительной и отрицательной сторонами. Электрическое поле создает область обеднения, которая ограничивает дальнейшую диффузию носителей заряда, если прямое напряжение, которое достаточно велико для преодоления обратного электрического поля, не приложено к области истощения. Когда диод смещен в прямом направлении (включен), электроны «прыгают» через p-n переход, чтобы рекомбинировать с дырками и переходить в состояние с более низкой энергией.Избыточная энергия выделяется в виде фотона, который по сути представляет собой пакет электромагнитного излучения в видимом диапазоне спектра (свет).

Длина волны света, излучаемого во время электролюминесценции, может зависеть от ширины запрещенной зоны, которая представляет собой разницу в энергии между зоной проводимости и валентной зоной. Для светодиодов в целом требуется полупроводник с прямой запрещенной зоной, который обеспечивает более эффективную излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар, чем полупроводники с непрямой запрещенной зоной.Эпитаксиальные слои светодиодов обычно изготавливаются из кристаллов на основе галлия, таких как GaN и GaP. Светодиоды, изготовленные из полупроводников с прямой запрещенной зоной, делятся на два семейства: семейство нитридов и семейство фосфидов. Светодиоды из семейства нитридов, таких как композиции нитрида индия-галлия (InGaN), имеют большую запрещенную зону между положительным и отрицательным слоями и, следовательно, излучают свет в более коротковолновой (синей и зеленой) частях видимого спектра. Светодиоды из семейства фосфидов, таких как композиции фосфида индия-галлия-алюминия (InGaAIP), имеют небольшую запрещенную зону между слоями P-типа и N-типа и, следовательно, производят более длинноволновое излучение, видимое как янтарный или красный свет.

Как светодиоды излучают белый свет?

по своей сути являются узкополосными источниками света с полосой пропускания, ограниченной несколькими десятками нанометров. Человеческий глаз воспринимает электромагнитное излучение в узкой части спектра как отдельные, очень насыщенные цвета (красный, зеленый, синий). С другой стороны, белый свет, которому мы подвержены в течение дня (естественный дневной свет) и который нам необходим для ночной видимости (искусственный свет), имеет широкополосный спектр.Для получения белого света с помощью светодиодов с узким спектром спектра можно использовать один из двух методов: преобразование люминофора (ПК) или аддитивное смешение цветов.

Светодиоды с преобразованием люминофора (ПК), которые можно найти в подавляющем большинстве систем светодиодного освещения, создают белый свет, пропуская синий свет, излучаемый светодиодом InGaN, через слой преобразования люминофора. Слой люминофора поглощает синий свет с более высокой энергией и короткой длиной волны (обычно 440–475 нм) и преобразует часть синего света в широкий спектр (желтый).Желтое излучение, которое стимулирует как красный, так и зеленый рецепторы в глазу, затем смешивается с проходящим синим излучением, создавая таким образом комбинацию длин волн, которая воспринимается человеческим глазом как белая. Слой преобразования люминофора, также называемый элементом преобразования длины волны (WCE), может быть интегрирован в корпус светодиода или расположен удаленно. Различная цветность белого, например, теплый белый, нейтральный белый или холодный белый, может быть получена с использованием различных смесей люминофора. По сравнению со светодиодами, использующими другие типы схем излучения, светодиоды для ПК обладают четырьмя основными преимуществами: высокая светоотдача, простая архитектура, устойчивость цветности и стабильность цвета.На сегодняшний день наиболее эффективными светодиодами белого света являются светодиоды для ПК, изготовленные из InGaN. Светодиоды ПК, которые накачивают люминофор с синими светодиодами, также называются синими светодиодами накачки. Светодиоды для ПК могут быть выполнены в других комбинациях. Например, фиолетовые светодиоды накачки используют фиолетовые микросхемы для возбуждения трех люминофоров (красного, зеленого, синего). Основные различия между синими светодиодами помпы и фиолетовыми помпами заключаются в их цветопередаче и световой отдаче. Фиолетовые светодиоды накачки обычно имеют лучшую цветопередачу, чем синие светодиоды накачки, но эти светодиоды могут быть менее эффективными, чем синие светодиоды накачки, потому что полное преобразование длины волны фиолетового света приводит к значительным потерям энергии Стокса.

В методе смешения цветов для создания вторичных цветов используются трехцветные (RGB), четыреххромные (RGBW, RGBA) или даже пентахромные (RGBAW) светодиоды. Светодиодные чипы минимум трех основных цветов (красный, зеленый и синий) устанавливаются в непосредственной близости друг от друга. Длины волн этих цветных светодиодов смешиваются вместе, чтобы создать белый свет полного спектра, который стимулирует все три типа цветочувствительных колбочек (красный, зеленый и синий) в сетчатке человеческого глаза. Аддитивное смешение цветов основано на использовании многокристальных светодиодных модулей и требует сложной электроники для управления отдельными микросхемами, что, очевидно, не является экономически эффективным решением для общего освещения.Метод RGB также имеет эффективность белого света, которая значительно ниже, чем у светодиодов для ПК. Светодиодные модули смешивания цветов в основном используются в меняющих цвет или многоцветных осветительных приборах, которые предназначены для обеспечения гибкости при выводе цвета.

Светодиодные блоки

В профессиональной терминологии под светодиодом понимается корпус светодиода, а не светодиодный чип (голый светодиодный кристалл). Корпус светодиодов представляет собой сборку из одного или нескольких светодиодных кристаллов с механическими опорами, электрическими соединениями, путями теплопроводности и оптической изоляцией.Оголенный светодиодный кристалл — очень чувствительное и хрупкое устройство, подверженное физическим или химическим повреждениям. Снижение производительности может произойти, если он подвергается длительному воздействию влажности или коррозии. Более того, полупроводниковый кристалл по-прежнему является монохроматическим источником света, на который необходимо нанести люминофорное покрытие для получения белого света. Цели упаковки светодиодов — защитить светодиодный чип от повреждения, позволить светодиоду электрически и термически взаимодействовать с печатными платами с металлическим сердечником (MCPCB), чтобы обеспечить преобразование люминофора внутри корпуса (для синих или фиолетовых светодиодов накачки), и для обеспечения эффективного отвода света от светодиода.

Типовая конструкция мощного светодиода
(Изображение любезно предоставлено OSRAM Opto Semiconductors)

Типичный светодиодный корпус включает несущую подложку, которая обеспечивает механическую опору и термически соединяет светодиодные чипы. Светодиоды средней мощности поставляются с выводной рамкой, окруженной пластиковым корпусом. Электропроводящий слой соединяет положительный и отрицательный электроды микросхемы с выводной рамкой или электродами несущей подложки посредством соединения проводов или соединения кристаллов.Проволочное соединение — это основной метод соединения полупроводников, который сочетает в себе тепло, ультразвуковую энергию и силу для соединения небольших проводов, чтобы завершить электрический путь и путь теплопроводности. Материал соединительной проволоки, который в настоящее время используется в корпусах светодиодов, — это в первую очередь золото из-за его устойчивости к поверхностной коррозии, высокой электрической и теплопроводности, а также высокой производительности за счет процесса соединения золотых шариков. Из-за их относительно низкой стоимости медь и серебро все чаще используются в качестве альтернативных материалов для межсоединений.Однако соединение проводов может ограничивать упаковку и плотность мощности светодиодов, поскольку провода ограничивают теплопроводность корпусов светодиодов. Упаковка Flip-Chip позволяет припаивать кристалл непосредственно к подложке без использования соединительных проводов. Таким образом, светодиоды могут работать с более высокой плотностью тока, и возможны более компактные конструкции.

Типовая конструкция светодиода средней мощности
(Изображение любезно предоставлено OSRAM Opto Semiconductors)

Корпус светодиода имеет герметик, сформированный на подложке, чтобы покрывать кристалл светодиода и преобразовывать с понижением частоты часть коротковолнового света, излучаемого светодиодом (преобразование люминофора).Герметик обычно представляет собой смесь элемента, преобразующего длину волны, такого как люминофор YAG: Ce и органического полимера. В настоящее время в большинстве корпусов светодиодов средней мощности и во всех корпусах светодиодов высокой мощности используются силиконовые полимеры для инкапсуляции люминофора из-за их преимуществ в высокой термической стабильности, высокой оптической прозрачности, высоком показателе преломления и хорошей адгезии. Герметик наносится на верхнюю часть кристалла светодиода, а затем отверждается в виде прозрачного твердого слоя, который защищает светодиод. Наряду с инкапсуляцией люминофора, оптический элемент, такой как полусферическая линза, может быть установлен как часть корпуса для улучшения вывода света и, возможно, для обеспечения управления лучом.

— это важный процесс, который существенно влияет на тепловые характеристики, качество цвета, оптическую эффективность и сохранение светового потока светодиода. В зависимости от типа устройства упаковка может составлять от 40% до 60% общей стоимости светодиода. Ведущие производители светодиодов, такие как Cree, Osram, Nichia, Lumileds и Seoul Semiconductor, вкладывают значительные средства в упаковочные технологии и дизайн устройств. В сочетании с собственным производством, обеспечивающим строгий контроль процесса и использованием высококачественных компонентов и материалов, их продукция заслуживает хорошей узнаваемости бренда.В общем, вы не ошибетесь, используя источники света проверенных брендов. С другой стороны, есть несколько ненадежных поставщиков светодиодной упаковки, продукция которых имеет плохие цветовые характеристики и очень склонна к нарушениям связи и деградации люминофора.

Светодиодный флип-чип Samsung

Типы светодиодов

Выбор архитектуры светодиодного корпуса зависит от светоотдачи, оптической конструкции, форм-фактора и сценария применения системы освещения. Четыре основных светодиодных платформы используются в качестве источников света для светодиодных ламп и светильников:

Светодиоды средней мощности (0.От 1 до 0,9 Вт) являются универсальным выбором для приложений, где не требуется освещение высокой плотности или высокой мощности центрального луча (CBCP), а другие факторы, такие как стоимость, эффективность и гибкость монтажа светодиодов, вызывают большее беспокойство. Они обычно используются в качестве источников света для светодиодных ламп, линейных световых модулей и внутренней осветительной арматуры, такой как лампочки, световые трубки, потолочные светильники, troffers, настенные светильники, системы каналов, светодиодные панельные светильники с боковой подсветкой и светодиодные ленты. Основная проблема светодиодов средней мощности заключается в их ограниченных тепловых характеристиках, поскольку в этих корпусах светодиодов в качестве подложки корпуса используется пластиковая смола, такая как полифталамид (PPA) или эпоксидный компаунд (EMC).При высоких токах возбуждения и продолжительном времени работы подложка из пластмассы может обесцвечиваться, трескаться или расслаиваться, что приводит к ухудшению просвета и изменению цвета.

Светодиоды высокой мощности (от 1 до 5 Вт) — это источники света с высокой плотностью светового потока, которые излучают впечатляющее количество света в небольшом корпусе. Они обеспечивают решение для широкого спектра наружных и промышленных применений, таких как освещение высоких пролетов, прожекторное освещение, уличное освещение и освещение стадионов. В архитектуре мощных светодиодов используется либо большой кристалл, либо множество маленьких последовательно соединенных кристаллов для создания высоковольтного корпуса.Светодиодные матрицы в мощных корпусах часто выделяют значительное количество тепла вокруг области соединения светодиода. Высокая плотность оптического потока также вызывает значительные термические напряжения в люминофоре и связующих материалах, поскольку преобразование длины волны претерпевает стоксов сдвиг. Чтобы облегчить отвод тепла, светодиод установлен на керамической подложке, которая действует как высокоэффективный рассеиватель тепла. Благодаря эффективному регулированию температуры светодиоды высокой мощности обычно имеют лучший световой поток, чем светодиоды средней мощности.

Chip-on-Board (COB) предназначены для обеспечения высокого CBCP или «удара» для приложений направленного освещения в коммерческих выставочных залах, магазинах розничной торговли, гостиничных помещениях, музеях, художественных галереях и жилых домах высокого класса. Светодиоды COB в основном используются в встраиваемых даунлайтах, трековых светильниках, направленных прожекторах и прожекторах, а также в других светильниках, которые требуют точного формирования луча и равномерного освещения. В корпусе «микросхема на плате» — большой массив небольших кристаллов, установленных на MCPCB или керамическую подложку для получения высокой плотности мощности.Люминофорное покрытие нанесено на всю матрицу для получения однородной цветности и качества вывода. Прямое сопряжение с MCPCB или подложкой с низким тепловым сопротивлением позволяет массиву светодиодов высокой плотности обеспечивать надежный путь теплопроводности для эффективного рассеивания тепла от перехода к радиатору.

Светодиоды в корпусе со шкалой на кристалле (CSP) — это светодиоды без корпуса, металлизированные контакты P и N которых припаяны непосредственно к плате MCPCB. Это устраняет необходимость в традиционном вспомогательном креплении для прикрепления кристалла светодиода к выводной рамке или керамической подложке посредством соединения проводов и, следовательно, снижает тепловое сопротивление между кристаллом светодиода и MCPCB.Технология CSP позволяет значительно уменьшить размер светодиодного корпуса до размера, примерно такого же, как у светодиодного кристалла, что позволяет создавать более гибкие и компактные конструкции светодиодных модулей и осветительных приборов. В светодиодах CSP обычно используется матрица с перевернутым кристаллом в качестве основы, на которую можно наносить осаждение люминофора с помощью различных методов, таких как нанесение покрытия, трафаретная печать, напыление, погружение и ламинирование пленки.

Светодиодные индикаторы

Светодиод — это полупроводниковый диод, проводящий электричество только в одном направлении.Когда прямое смещение применяется к p-n-переходу, электроны и дырки рекомбинируют, чтобы излучать свет. Если диод смещен в обратном направлении (анод отрицателен по отношению к катоду), он будет сопротивляться току, и в p-n переходе не будет электролюминесценции. Если отрицательное напряжение превышает обратное напряжение пробоя светодиода, светодиод может немедленно выйти из строя и, как следствие, необратимо повредить его. Следовательно, светодиоды должны питаться постоянным током (DC), а не переменным током (AC), который имеет синусоидальную форму волны с его положительным и отрицательным полупериодами переключения с синусоидальной частотой 50 или 60 Гц.Поскольку электрическая сеть обеспечивает переменное напряжение, мощность, подаваемая на светодиод, должна быть преобразована в постоянный ток для постоянного прямого тока. Прямое напряжение светодиода очень низкое: от 2 до 3 В для светодиодов InAlGaP (красный, оранжевый и желтый) и от 3 до 4 В для светодиодов InGaN (зеленый и синий). Напряжение питания должно быть понижено для работы светодиода или цепочки (или цепочки) светодиодов.

Драйвер светодиодов — это электронное устройство, регулирующее мощность светодиодов. Он преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока с выходными сигналами, соответствующими электрическим характеристикам светодиодов, по одному или нескольким каналам.Драйвер светодиода обычно использует выпрямитель для преобразования коммерческой мощности переменного тока в мощность постоянного тока, схему фильтра пульсаций для удаления пульсаций, которые являются остаточными периодическими изменениями выходного постоянного тока, и схему преобразователя мощности для понижения мощности постоянного тока, соответствующей нагрузке на светодиоды. . Драйверы светодиодов могут быть разработаны для обеспечения вывода либо постоянного напряжения (CV), либо постоянного тока (CC). Драйвер постоянного тока обеспечивает фиксированный выходной ток (например, 350 мА, 700 мА или 1050 мА) на уровне драйвера, чтобы гарантировать минимальные изменения прямого напряжения на всей светодиодной нагрузке, независимо от количества светодиодов, потребляющих эту нагрузку.Драйвер постоянного напряжения обеспечивает постоянное выходное напряжение постоянного тока, обычно 12 В или 24 В, для ряда светодиодов или светодиодных модулей, которые в основном настроены для параллельного подключения. Каждый светодиод или светодиодный модуль поставляется со своим собственным линейным или импульсным регулятором тока для ограничения тока с целью поддержания постоянного выходного сигнала.

Изображение предоставлено Fulham Co., Inc

Импульсный источник питания

В типичном процессе регулирования нагрузки для светодиодного освещения драйвер светодиода преобразует сетевое напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока путем выпрямления.Преобразователь постоянного тока в постоянный получает выпрямленное постоянное напряжение и выдает выходной постоянный ток, который соответствует текущим проектным требованиям светодиодной нагрузки. Преобразование мощности DC-DC обычно обеспечивается импульсным источником питания (SMPS) (также называемым импульсным стабилизатором). Импульсный регулятор генерирует заданную величину мощности постоянного тока посредством модуляции «0/1» (переключение ВКЛ / ВЫКЛ). Существует множество топологий схем для SMPS, включая повышающую, понижающую, понижающую-повышающую и обратную. Импульсные регуляторы в целом обеспечивают высокую энергоэффективность и допускают широкий диапазон входного переменного напряжения (например,g., универсальное входное напряжение 120-277 В переменного тока, 50/60 Гц). Однако высокоскоростное переключение драйверов SMPS зависит от реактивных компонентов, таких как катушки индуктивности, конденсаторы и колебательные катушки. Это может генерировать высокочастотный шум и электромагнитные помехи (EMI), которые необходимо подавлять с помощью усовершенствованной схемы, экранирования и фильтрации. Таким образом, количество компонентов и сложность схемы увеличиваются.

Линейный источник питания

Линейные источники питания регулируют напряжение постоянного тока на резистивных нагрузках.Они могут быть такими же простыми, как регулятор напряжения, который включает в себя операционный усилитель и NPN-транзистор (переключатель питания). Резистор обратной связи подключен между выходом и регулировочным штырем, так что падение напряжения может быть обнаружено при протекании тока через резистор. Операционный усилитель управляет транзистором NPN для ограничения тока, когда падение напряжения достигает минимальной разности входных и выходных напряжений. Хотя это самое дешевое и простое решение, из-за низкой эффективности может выделяться значительное количество тепла.Усовершенствованные линейные регуляторы используют комбинацию как микросхем, так и дискретных устройств для достижения более высокой эффективности, а также уменьшения пульсаций с низкими уровнями электромагнитных помех и хорошим коэффициентом мощности (PF). Однако эффективность линейного драйвера светодиода, которая представляет собой отношение напряжения нагрузки к напряжению питания, обычно значительно ниже, чем у драйверов светодиодов SMPS. Диапазон напряжения питания линейных драйверов светодиодов значительно ограничен, поскольку напряжение нагрузки должно поддерживаться ниже напряжения питания. Тем не менее, линейные источники питания имеют ряд преимуществ, включая низкую стоимость, невосприимчивость к электромагнитным помехам, простую конструкцию и высокую надежность схемы.

Потребляемая мощность

Коррекция коэффициента мощности (PFC) светодиодных ламп не имеет отношения к конечным пользователям, но очень много значит для производителей освещения. Коэффициент мощности (PF) системы электроснабжения переменного тока относится к отношению потребляемой мощности к поставленной мощности и выражается числом от 0 до 1. Коэффициент мощности 1,0 означает, что нагрузка использует всю мощность, передаваемую через коммунальное предприятие. Только когда светодиодная нагрузка потребляет ток точно по фазе с напряжением линии питания, коэффициент мощности может быть равен 1.0 быть достигнуто. Это будет чисто резистивная нагрузка. Коэффициент мощности меньше 1 указывает на то, что часть мощности тратится впустую и может вернуть энергию в энергосистему общего пользования в противофазе. Чтобы обеспечить нагрузку с низким коэффициентом мощности, коммунальное предприятие должно генерировать вольт-амперы, превышающие минимальные, необходимые для питания переменного тока, что приводит к тому, что его инфраструктура работает с превышением мощности.

Большинство драйверов светодиодов спроектированы как импульсные источники питания, которые включают в себя реактивные компоненты. Реактивные компоненты будут создавать индуктивность и емкость, которые могут привести к разности фаз между входным напряжением и входным током и, как следствие, к снижению коэффициента мощности.Во многих странах существуют правила о минимальных требованиях к коэффициенту мощности для сетевого оборудования. Европейский стандарт требует, чтобы системы светодиодного освещения с потребляемой мощностью более 25 Вт имели коэффициент мощности выше 0,9. По этой причине драйверы SMPS должны использовать некоторую форму коррекции коэффициента мощности для формирования и выравнивания по времени входного тока в синусоидальную форму волны, которая находится в фазе с напряжением источника.

Общие гармонические искажения (THD) формы входного тока — еще одна проблема для коммунальных предприятий.Высокий коэффициент нелинейных искажений в распределительных сетях может привести к перегреву нейтральных проводов и распределительных трансформаторов, привести к отказу или неисправности электрооборудования и защитных реле, а также создать помехи для линий передачи данных. THD сетевого оборудования, включая светодиодные светильники для коммерческих, промышленных и наружных применений, следует поддерживать как можно ниже. Значение THD ниже 20% во всем диапазоне входного напряжения светодиодного светильника обычно приемлемо для различных стандартов и нормативов, а THD менее 10% легко соответствует требованиям самых строгих энергетических программ.Искажение формы тока вызвано нелинейными электрическими нагрузками. Гармонические искажения не возникают в реальных резистивных нагрузках, но встречаются в электрическом оборудовании, содержащем реактивные элементы. Это означает, что улучшение коэффициента мощности также может уменьшить гармоники.

Электробезопасность

Драйверы светодиодов с питанием от сети, предназначенные для работы от сети переменного тока, в целом можно разделить на изолированные и неизолированные. Изоляция используется для блокировки передачи высокого или опасного напряжения между цепями, чтобы предотвратить повреждение человеческого тела из-за поражения электрическим током и повреждения электрической цепи в результате непреднамеренного электрического тока.Этот процесс блокировки опасных потенциалов напряжения называется гальванической изоляцией. Выходная цепь изолированного драйвера светодиода гальванически изолирована от сети переменного тока. Гальванический изолятор обычно представляет собой трансформатор, у которого его первичная обмотка или сторона подключения к сети изолирована от вторичной обмотки при буферизации или изменении напряжений с использованием потока магнитного поля, создаваемого катушками проводов.

Использование преобразования изоляции увеличивает общую стоимость схемы и уменьшает доступное пространство схемы.Это приводит к распространению неизолированных драйверов светодиодов, в которых через схему драйвера существует путь пробоя высокого напряжения. В этом случае следует проявлять особую осторожность, поскольку электрическая безопасность светодиодных ламп, использующих неизолированную топологию, зависит исключительно от изоляции между токоведущими и доступными частями.

Неправильная конструкция также может привести к поражению электрическим током или повреждению цепи. Короткая длина пути утечки может привести к поражению электрическим током или возгоранию. Искра между электродами, вызванная ионизацией воздуха, может возникнуть, если между двумя проводящими частями нет достаточного зазора.

Управление температурой

Производительность и срок службы светодиодных фонарей в значительной степени зависят от их терморегулирования. Тепло — это побочный продукт светодиодного освещения. Когда электрический ток проходит через полупроводниковый переход, только менее 60% электрической энергии преобразуется в свет, а остаточная энергия выделяется в виде тепла. Процесс преобразования люминофора светодиодов с синей помпой также выделяет тепло. Обычно около 15–30% синих фотонов, поглощаемых люминофором, преобразуется в тепло в результате стоксова сдвига.Тепловая нагрузка на систему светодиодного освещения может быть усугублена расположенным рядом драйвером, который преобразует около 10% мощности переменного тока в тепло. Схемы с низким КПД, такие как линейные регуляторы со встроенным драйвером (DOB), могут выделять значительное количество тепла, которое необходимо рассеять.

Что делать, если есть плохой терморегулятор? Будет ускорен ряд механизмов отказа.

Температурный спад

Термическое падение относится к снижению оптической мощности в зависимости от повышения температуры.Температура перехода светодиода обычно должна поддерживаться в диапазоне от 70 ° C до 100 ° C. За пределами максимальной номинальной температуры перехода светодиоды InGaN могут терять до 25% своей оптической мощности. Температурный спад более серьезен для светодиодов AlGaInP, оптическая мощность которых может упасть до 70% при повышенных температурах перехода.

Люмен амортизация

измеряется в световом потоке, который относится к соотношению светового потока светодиода к его начальному световому потоку. Поскольку снижение светового потока до 70% от начального светового потока обычно считается самым низким пределом для большинства осветительных приборов, L70 — это время в часах, при котором световой поток светодиодов обесценивается до 70% процентов, если его начальное значение становится общепринятым показателем срока службы.Непрерывная работа при повышенной температуре резко ускоряет необратимое снижение яркости светодиода. Повышение температуры перехода на каждые 10 ° C приводит к сокращению срока его службы на 30–50%.

Сдвиг цвета

Повышение температуры перехода приведет к сужению энергетической запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной полупроводниковых слоев, что, в свою очередь, увеличивает длину волны света, излучаемого светодиодом, и изменяет цветовой вывод. Это просто обратимый сдвиг цвета.Более высокие температуры ускоряют разложение люминофора и герметика. Это может привести к необратимым изменениям цветности, которые могут быть даже более неприятными, чем уменьшение просвета.

Преждевременный отказ системы

В большинстве схем драйверов светодиодов используются электролитические конденсаторы для поглощения скачков напряжения, которые могут присутствовать в линии переменного тока. Под воздействием тепла электролит в конденсаторе будет испаряться с большей скоростью, пока в конечном итоге не потеряет свою емкость. В результате драйвер становится первым компонентом светодиодной системы освещения, который выходит из строя.По большому счету, срок службы светодиодной лампы определяется надежностью ее драйвера, а не светодиодов, которые по своей природе надежны и редко выходят из строя внезапно.

Изображение предоставлено Cree, Inc

Управление температурным режимом для светодиодных систем освещения требует комплексного системного подхода. Помимо работы светодиодов с оптимальным током возбуждения для предотвращения избыточного теплового преобразования, необходимо создать эффективный путь теплопроводности от кристалла до окружающей среды.Тепловое сопротивление компонентов вдоль теплового тракта необходимо снизить до минимума, чтобы обеспечить поддержание низкой температуры перехода при любых условиях привода и эксплуатации, в то время как другие термочувствительные компоненты и схемы не нагружаются отработанным теплом. Теплопроводность подложки светодиодных корпусов, надежность паяных соединений, характеристики MCPCB, характеристики материала термоинтерфейса (TIM), термостойкость компонентов схемы, а также конструкция и конструкция радиатора — все это важные элементы, которые следует учитывать при тепловом расчете.

Управление температурой на уровне системы (передача тепла от MCPCB к окружающей среде) обычно обеспечивается радиатором. Основная функция радиатора — отвод тепла от MCPCB, а затем конвекция и излучение тепла в окружающий воздух. Радиаторы могут быть изготовлены из различных теплопроводных материалов, таких как алюминий, медь, нержавеющая сталь, полимеры и керамика. Для изготовления металлических радиаторов используются различные методы, включая литье под давлением, ковку, экструзию, штамповку, склеивание, гибку, затачивание и механическую обработку.Большинство радиаторов для светодиодных светильников производятся методом литья под давлением, ковки или экструзии с использованием алюминиевых сплавов. Помимо использования материалов с высокой теплоотдачей, максимальное увеличение эффективной площади поверхности и коэффициента конвективной теплопередачи является неотъемлемой частью теплотехники. Каналы, ребра или другая геометрия часто встраиваются в радиатор для увеличения площади поверхности. Некоторые радиаторы разработаны с учетом аэродинамических характеристик для облегчения конвективной теплопередачи.

Когда тепловая нагрузка светодиодной системы освещения слишком высока, чтобы ею можно было управлять с помощью пассивного теплоотвода, можно использовать активные технологии охлаждения, включая вентиляторы, тепловые трубки, термоэлектрические охладители или другие системы теплопередачи, чтобы обеспечить дополнительную теплоемкость.Принудительная конвекция, обеспечиваемая электрическими вентиляторами, эффективно решает проблемы управления температурным режимом, связанные с конструкциями систем освещения, которые оставляют ограниченные площади поверхности для пассивного охлаждения. В светодиодных лампах высокой мощности, в модернизированных лампах с цоколем Mogul, в автомобильных лампах для фар и в мощных осветительных приборах, таких как светодиодные лампы для выращивания растений, часто используются вентиляторы для снижения конвективного теплового сопротивления внутри лампы или светильника.

Светодиодный радиатор

Оптический контроль

Светодиодная лампа или светильник обычно оснащается вторичной оптикой для изменения выходного луча светодиодов, регулирования распределения светового потока и устранения видимых горячих точек от точечных светодиодов для обеспечения визуального комфорта.Вторичная оптика также может быть визуально интегрирована в систему освещения в эстетических целях. Оптический дизайн для светодиодных светильников — это непростая задача, но захватывающая. В отличие от обычных источников света, которые обеспечивают ограниченную гибкость конструкции, направленность, твердотельные свойства и компактный форм-фактор светодиодов открывают множество возможностей для оптического управления. Вторичная светодиодная оптика включает линзы, отражатели, рефракторы, диффузоры и световоды. Шторы, перегородки и жалюзи также используются в некоторых приложениях, чтобы уменьшить или исключить прямой вид на светодиоды снаружи светильника.При разработке оптики для светодиодных систем освещения следует учитывать множество материалов. Важные свойства материала включают гибкость конструкции, эффективность передачи, характеристики отражения, показатель преломления, термическую стабильность, сопротивление воспламенению, ударопрочность, химическую стойкость и устойчивость к ультрафиолетовому излучению.

Оптические линзы проходят как минимум через две поверхности и фокусируют или рассеивают свет эффективнее, чем отражатели. Наиболее распространенными линзами в обычном освещении являются линзы Френеля и призматические линзы.Появление светодиодной технологии привело к появлению линз с полным внутренним отражением (TIR), которые подходят для широкого спектра применений в освещении благодаря своей высокой оптической эффективности, отличной управляемости лучом и меньшим физическим размерам. Оптика TIR, которая имеет преломляющую линзу, отформованную внутри рефлектора, сочетает в себе превосходную способность линзы собирать свет для лучей под малым углом и преимущество рефлектора в схождении лучей под большим углом. Линзы TIR могут управлять как прямыми, так и отраженными лучами для точного распределения света и равномерного освещения.Линзы обычно изготавливаются из стекла или прозрачного пластика. Большинство линз TIR изготавливаются из поликарбоната (ПК) или полиметилметакрилата (ПММА).

включают эллиптические, зональные, гиперболические, параболические и неконические отражатели. Конические отражатели обычно имеют самофланцевую конструкцию для устранения утечек света и регулируют световой поток от источника света посредством зеркального отражения, диффузного отражения и их смешанного сочетания. Металлические отражатели полируются или имеют химическое покрытие для придания зеркального блеска.Отражатели также могут быть огранены или сегментированы для улучшения однородности луча. Отражатели хорошо работают, когда источник света является всенаправленным, и предпочтительны в помещениях, где требуется свет высокой интенсивности. Однако они не обеспечивают такого большого контроля над направленными источниками света, как светодиодные линзы, и поэтому часто используются вместе с линзами для оптимизации распределения света.

Рассеиватели — это элементы управления светом, которые можно использовать по всей светодиодной матрице для рассеивания и перенаправления падающего света во многих направлениях.Рассеиватель создает диффузное рассеяние через свой материал, чтобы разрушить оптические изображения, затемнить внутреннюю часть светильников, подавить диодные изображения и уменьшить высокую яркость (блики) за счет увеличения площади, на которой свет выходит из светильника. Опаловые диффузоры создают кривые распределения силы света (LIDC) для равномерного распределения светового потока от источника света во всех направлениях. Гауссовские диффузоры обычно имеют поверхность, подвергнутую пескоструйной очистке, на которой лучи светодиодов высокой интенсивности рассеиваются в различных направлениях.Призматические диффузоры имеют геометрические формы, такие как пирамиды, шестиугольники, сферические купола и треугольные выступы, чтобы изменить распределение светового потока в наиболее желаемом LIDC, чтобы избежать высокой яркости. Призматические диффузоры еще называют рефракторами.

Световоды используются для равномерной транспортировки и распределения светового потока по более длинным путям и / или для перенаправления света в другие направления посредством полного внутреннего отражения (TIR). Принцип работы световода основан на законе Снеллиуса, который описывает взаимодействие света с материалом e.г. стекло или пластик: когда световые лучи попадают на границу между двумя средами, они изгибаются или преломляются на границе. Одним из наиболее известных осветительных приборов, использующих технологию световодов, являются светодиодные панельные светильники с боковой подсветкой, альтернативные светодиодным светильникам troffers. Светодиодный панельный светильник использует световодную пластину (LGP) для эффективного извлечения света из массивов светодиодов, устанавливаемых на краю, и равномерного распределения светового потока по всей поверхности панели для обеспечения однородного освещения.LGP обычно изготавливают из ПК или ПММА.

Изображение предоставлено Ledil Oy

Качество света

Хорошее освещение жизненно важно для зрения, активности и восприятия. Качество освещения напрямую влияет на нашу способность интерпретировать окружающую среду и взаимодействовать с объектами в пространстве. Некоторые элементы окружающей среды влияют на выполнение нашей задачи, визуальный комфорт, эстетическое восприятие, социальную коммуникацию, здоровье, безопасность и благополучие, такие как освещение. Качество света является первостепенной задачей в эпоху светодиодного освещения, в котором слишком много компромиссов между стоимостью и качеством света.Качество цвета светодиодов, способность драйвера уменьшать временные световые артефакты (TLA) и оптическая конструкция светильника для смягчения резкости светодиодов — все это важные компоненты, которые способствуют отличной композиции света. К сожалению, качество света часто снижается из-за минимально возможной цены. Это беспроигрышный рынок. Производители освещения имеют мизерную прибыль из-за жесткой конкуренции, а потребители неосознанно платят за свет низкого качества. Посмотрим, как ухудшается качество света светодиодных ламп и светильников.

Качество цвета

Способность источника света точно воспроизводить цвет различных объектов называется цветопередачей или качеством цвета. Качество цвета в настоящее время определяется ошибочной метрикой, называемой индексом цветопередачи (CRI), которая была установлена ​​Международной комиссией по освещению (CIE). Этот показатель точности цветопередачи количественно определяет относительное качество цвета искусственного источника света по сравнению с теоретическим излучателем черного тела или естественным светом.Индекс цветопередачи рассчитывается с использованием только восьми пастельных цветов, которые имеют хроматическую насыщенность от низкой до средней и не покрывают весь диапазон видимых цветов. Это означает, что расчеты CRI не учитывают способность источника света правильно отображать насыщенные цвета, такие как красный. В результате светодиоды, измеряемые этой системой, могут хорошо передавать цвета с низкой насыщенностью, но могут плохо работать с сильно насыщенными цветами.

Даже с учетом расчетов CRI большинство светодиодных продуктов, которые продаются обычным потребителям, имеют неутешительную ценность.CRI — это усредненный результат измерений цветопередачи восьми образцов цвета, а расчет CRI технически известен как Ra, где 100 — это наивысший балл. Индекс цветопередачи наивысшего качества, естественного дневного света, имеет Ra около 100. У устаревших ламп накаливания Ra больше 95! А как насчет светодиодных фонарей? CRI продуктов внутреннего светодиодного освещения обычно составляет 75-85! Чем выше цветовая температура или чем дешевле продукция, тем ниже индекс цветопередачи светодиодов.Светотехника прогрессирует, качество света ухудшается. Освещение с низким индексом цветопередачи сегодня является следствием флуоресцентного освещения, которое ужасно плохо передает цвета. Светодиоды могут излучать световой спектр, сопоставимый с естественным дневным светом. Как упоминалось ранее, производителей освещения не заставляют включать светодиоды с высоким индексом цветопередачи в свои продукты, потому что они не осведомлены о потребителях, а использование светодиодов с высоким индексом цветопередачи подорвет их конкурентоспособность по стоимости.

Плохой индекс цветопередачи означает, что источник света пропускает часть спектра, из-за чего все в пространстве кажется тусклым или безжизненным, как люминесцентная лампа.Отсутствие высоконасыщенных цветовых компонентов в радиометрическом спектре излучения делает оттенки кожи менее здоровыми. Светодиоды с низким индексом цветопередачи не могут передать насыщенные цвета произведений искусства, тканей и домашнего декора. Визуально сложные задачи, в том числе задачи по чтению и работа с деталями, а также все действия, связанные с выбором цвета или дизайном, зависят от освещения с высокой цветопередачей. Как правило, для жилых интерьеров необходим свет с минимальным индексом цветопередачи 90. CIE R9 (для цветопередачи красного) стал использоваться для общего светодиодного освещения, чтобы исправить проблему с некорректным стандартом CRI.Коммерческие приложения, например Индустрия гостеприимства, магазины элитной розничной торговли, музеи и галереи чрезвычайно требовательны к цветовым характеристикам источника света и требуют правильного количества спектрального содержания на каждой длине волны в видимом спектре белого света (400–700 нм).

Дешевые синие светодиоды для насосов присутствуют во многих продуктах внутреннего освещения начального уровня, таких как светодиодные лампы, светодиодные трубки, светодиодные светильники и потолочные светильники для скрытого монтажа. Люминофорное покрытие для этих светодиодов служит только для преобразования воспринимаемого белого цвета и изготовлено с использованием самой дешевой рецептуры.В светодиодах с высокой цветопередачей используется смесь люминофора, которая может возбуждать более широкий спектр света и, следовательно, требует более высоких затрат. Белый свет высокого качества также может быть создан с помощью фиолетовых светодиодов помпы. Свет, излучаемый кристаллами, производящими фиолетовый, преобразуется с понижением частоты люминофорной смесью, содержащей красный, зеленый и синий люминофоры. Эти светодиоды с высокой цветопередачей разработаны для высококачественного освещения и редко встречаются в осветительных приборах для жилых помещений. Возникает вопрос: разве мы не заслуживаем хорошего освещения в наших жилых помещениях?

Легкое мерцание

Опять же, вы пропустите дни освещения лампами накаливания, если вам скажут, что многие светодиодные лампы плохо работают в отношении освещения с низким уровнем мерцания, в то время как вы никогда не ошибетесь с какой-либо лампой накаливания в этом отношении.Лампы накаливания и галогенные лампы имеют минимальное мерцание, потому что они, как и солнце, являются тепловыми излучателями. Светодиоды работают через высокочастотные циклы включения / выключения, которые сливаются в устойчивый и непрерывный источник света с прерывистыми интервалами, незаметными для человеческого глаза. В отличие от тепловых радиаторов, которые имеют относительно долгое время действия, светодиоды по своей природе не имеют постоянного или очень короткого действия и нуждаются в постоянном токе для поддержания плавного выхода. Любое изменение прямого тока, подаваемого драйвером светодиода, может привести к практически мгновенному изменению светоотдачи светодиодов.Вот почему производительность светодиодных драйверов критически важна для системы светодиодного освещения.

Мерцание и другие TLA (стробоскопический эффект, фантомная матрица) в светодиодном освещении могут быть вызваны колебаниями напряжения в сети переменного тока, остаточной пульсацией в нагрузке светодиода или несовместимостью между схемой диммирования и драйвером светодиода. Чаще всего мерцание светодиода не видно человеческому глазу, потому что оно обычно происходит на частотах выше 80 герц (Гц). Хотя это и незаметно, высокочастотное мерцание все же может иметь нежелательные побочные эффекты.Длительное воздействие мерцания сильно утомляет человеческий глаз и вызывает усталость, нечеткость зрения и снижение зрительных способностей у людей, работающих в таких условиях. В определенных группах населения мерцание может быть триггером мигрени и светочувствительной эпилепсии. Опасные эффекты фантомного массива, вызванные высокочастотным мерцанием, могут отвлекать внимание при вождении в ночное время. Чтобы оставаться в безопасности, мерцание ниже как минимум 400 Гц должно контролироваться в допустимых пределах.

Высокопроизводительный драйвер светодиода обеспечивает отличное регулирование нагрузки, обеспечивая низкое мерцание освещения.Большая часть или все промежуточные гармоники выпрямленных сигналов и остаточная пульсация на выходе могут быть отфильтрованы с помощью подавителей пульсаций. Однако при проектировании схем драйверов решающее значение имеют ограничения по стоимости и форм-фактору. Поскольку нормативных требований к мерцанию нет, немногие производители светодиодного освещения считают его главным приоритетом. В результате схемные архитектуры светодиодных драйверов SMPS упрощаются до максимума, а подавление мерцания скомпрометировано. Линейные светодиодные драйверы, которые созданы для обслуживания рынков начального уровня, обычно имеют самый высокий процент мерцания — около 30 процентов при 120 Гц, в то время как Общество инженеров по освещению (IES) предполагает, что 10-процентное мерцание при 120 Гц должно быть верхним пределом.

блики

Одной из основных целей оптической конструкции для светодиодных систем освещения является уменьшение бликов. Светодиоды — это источники света высокой интенсивности, которые могут вызвать больший дискомфорт, чем обычные источники света. Источники с высокой яркостью, расположенные близко к направлению обзора, могут отвлекать и вызывать дискомфорт. В обычных применениях освещения блики можно уменьшить, рассеивая или экранируя источник света, затемняя свет для обеспечения комфортного соотношения яркости или регулируя углы, под которыми свет будет падать на поверхности комнаты.Однако современные светодиодные светильники часто проектируются таким образом, что светодиоды находятся в непосредственной близости от линз и рассеивателей, что обеспечивает компактный форм-фактор. Это затрудняет уменьшение общего количества света, попадающего в глаз. Например, светодиодные настольные лампы должны в идеале использовать оптическую архитектуру с боковой подсветкой для создания непрямого рассеивания света, чтобы резкий свет ярких светодиодов не бросался в глаза. Дело в том, что большинство светодиодных настольных ламп используют недорогую архитектуру с прямым освещением и редко используют абажуры для защиты источника света.В результате свет, излучаемый этими лампами, очень неприятен. Яркий свет может вызвать усталость, а в некоторых случаях отрицательно сказаться на здоровье, безопасности и производительности. Младенцы и дети еще не развили отвращение, и их линзы не могут избирательно отфильтровывать вредные длины волн в спектре. Из-за этого прямой взгляд на высокоинтенсивный, насыщенный синим светом белый свет может вызвать фотобиологические повреждения их глаз.

Цветовая температура

Коррелированная цветовая температура (CCT), выраженная в градусах Кельвина (K), количественно определяет относительный внешний вид цвета источника белого света.Использование CCT позволяет людям легко визуализировать цвет источника света. Шкала Кельвина начинается ниже для теплого белого (WW) в нижней части спектра, переходя от естественного белого (NW) света к холодному белому (CW) свету. На выбор CCT может повлиять приложение. В Соединенных Штатах в жилых и гостиничных приложениях обычно используются более низкие значения CCT, то есть 2700–3000 K, для создания теплой и уютной среды. В офисах, промышленных помещениях и классных комнатах обычно используется нейтральный или холодный белый цвет, т.е.е., 3500 K — 4500 K, чтобы повысить бдительность, внимание и концентрацию людей. Люди часто воспринимают выбор CCT как интуитивный процесс принятия решений. Однако в выборе CCT есть наука. Человеческий глаз улавливает невизуальную физиологическую и психологическую информацию об оптическом излучении в дополнение к поддержке зрения и зрительных рефлексов.

Холодный белый свет имеет высокий процент синего цвета в спектре. В теплом свете очень низкий процент синего, но высокий процент красного в спектре.Помимо палочек и колбочек, человеческий глаз имеет третий тип фоторецепторов, называемых по своей природе светочувствительными ганглиозными клетками сетчатки (ipRGC). IpRGC являются центральными фоторецепторами, которые обеспечивают циркадную и нейроэндокринную регуляцию. Фоточувствительность ipRGC в первую очередь обусловлена ​​фотопигментом, называемым меланопсином, который реагирует только на коротковолновый синий свет с максимальной светочувствительностью на длинах волн в основном между 459 и 484 нм. Когда человеческий глаз получает определенную дозу яркого холодного белого света, богатого коротковолновым синим светом, ipRGC будут работать через супрахиазматические ядра (SCN), подавляя высвобождение нейрохимического вещества, называемого мелатонином, одновременно способствуя выработке кортизола. и серотонин, который заставляет организм моделировать дневную физиологическую реакцию.С другой стороны, теплый белый свет, который сильнее в красной части спектра, поддерживает секрецию мелатонина, тем самым способствуя расслаблению и подготовке тела к восстановительному сну.

Воздействие света разной цветовой гаммы и интенсивности на биологические процессы человека является спектральной реакцией циркадной системы, развивающейся под влиянием естественной последовательности дня и ночи. В ходе эволюции человека динамика естественного дневного света установила циркадный ритм человека, который должен высвобождать мелатонин после захода солнца и подавлять выработку мелатонина в течение дня.В то время как холодный белый свет необходим в дневное время с точки зрения производительности и производительности, воздействие холодного белого света в ночное время нарушает циркадный ритм организма. Воздействие насыщенного синим светом с высокой CCT в ночное время блокирует запланированное высвобождение мелатонина. Нарушение циркадного ритма связано с увеличением заболеваемости в современном обществе.

Появление люминесцентных ламп стало катастрофой в истории искусственного освещения. Это заставляет большое количество людей в мире привыкать к чрезвычайно высокой температуре CCT (выше 6000 K) в ночное время.Яркий белый свет с сильным синим оттенком вызывает резкое подавление мелатонина в течение большей части ночи, подвергая эти группы населения риску нарушения циркадных ритмов и последующим последствиям для здоровья. За пределами США, некоторых европейских стран и Японии многие люди принимают флуоресцентный белый цвет (6000–6500 K) в качестве стандартного белого и продолжают использовать этот диапазон CCT для освещения жилых помещений в эпоху светодиодного освещения. Чего они не знают, так это того, что воздействие света в этом диапазоне CCT не только ставит под угрозу их циркадные ритмы, но и делает их более восприимчивыми к опасности синего света, фотохимическому повреждению сетчатки.

В США холодный белый свет определяется как белый свет с цветовой температурой около 4000 К или немного выше. В любом случае общего освещения CCT выше 5000 K используются редко. В Китае свет в диапазоне 6000–6500 K называется холодным белым, и этот диапазон CCT широко используется в жилых, коммерческих и промышленных помещениях. В то время как потребители не осведомлены об опасности освещения с высоким значением CCT, производители освещения в Китае никогда не пытались убедить потребителей держаться подальше от освещения с высоким CCT.Фактически, они любят использовать светодиоды с высоким CCT, потому что по сравнению со светодиодами с более низким CCT эти светодиоды имеют более низкую стоимость и более высокую эффективность, а также вызывают меньшую тепловую нагрузку.

В процессе фотолюминесценции стоксовы потери энергии происходят, когда более коротковолновые фотоны (синие фотоны) преобразуются в более длинноволновые фотоны, а потерянная энергия преобразуется в тепло. Чем выше CCT, тем меньше стоксовых потерь, поскольку только небольшая часть синего света преобразуется в свет с большей длиной волны.Напротив, светодиоды с более низким CCT имеют относительно низкую светоотдачу и более высокий тепловой поток из-за более высоких стоксовых потерь. Более того, чтобы сделать светодиоды теплого белого цвета, в слой люминофора необходимо добавить дополнительный красный или желтый люминофор, что увеличивает стоимость источника света. Высокие стоксовые потери и дополнительная стоимость люминофора также являются причинами, по которым большинство производителей освещения неохотно используют светодиоды с высоким индексом цветопередачи.

Управление освещением

Способность мгновенно реагировать на изменения потребляемой мощности позволяет очень динамично управлять светоотдачей светодиодов.Поскольку светодиодные фонари по своей сути являются электронными системами, элементы управления и регулировки яркости могут быть легко интегрированы в драйверы светодиодов, чтобы обеспечить адаптивное и динамическое освещение для пространств, где важна гибкость и необходимо создавать различные сцены. Адаптивное освещение с помощью светодиодных систем с регулируемой яркостью не только позволяет добиться максимальной экономии энергии за счет таких стратегий управления, как контроль занятости и сбор дневного света, но также позволяет использовать передовые приложения освещения, такие как ориентированное на человека освещение, основанное на технологии настраиваемого белого света, и атмосферное освещение, использующее затемнение. -тогревающая техника.Раньше динамическое представление сцен освещения требовало сложной и дорогостоящей интеграции оборудования и программирования. Сочетание интеллектуального светодиодного освещения с цифровыми системами управления обеспечивает гибкую платформу цифрового освещения, которую можно масштабировать для различных приложений для преобразования окружающей среды, создания зрелищ и создания визуальной драмы.

Световой поток светодиодов можно регулировать с помощью методов затемнения переменного или постоянного тока. Диммеры переменного тока используют диммеры с регулировкой фазы для прерывания формы волны переменного тока входного сигнала напряжения сети для снижения мощности осветительных нагрузок.Этот тип управления затемнением был разработан для ламп накаливания и других резистивных осветительных приборов. Следовательно, диммеры с фазовым управлением могут быть несовместимы напрямую с большинством светодиодных систем освещения, за исключением светодиодных ламп, питаемых от линейных светодиодных драйверов, которые работают от резистивных нагрузок. Линейные диммеры переменного тока включают в себя 2-проводные диммеры прямой фазы (передний фронт, симистор), 2-проводные диммеры обратной фазы (задний фронт) и 3-проводные (переключаемые горячие, диммированные горячие и нейтральные) диммеры прямой фазы.

DC использует снижение постоянного тока (CCR), широтно-импульсную модуляцию (PWM) или их комбинацию для регулировки светоотдачи светодиодов.CCR работает, регулируя ток, непрерывно протекающий к нагрузке светодиода, чтобы произвести линейное изменение светоотдачи. Диммирование CCR практически не мерцает, потому что ток постоянный. ШИМ-регулировка яркости работает путем переключения тока с высокой частотой от нуля до номинального выходного тока. Продолжительность рабочего цикла определяет светоотдачу. В отличие от диммирования CCR, которое может привести к небольшому смещению цвета, драйверы PWM могут обеспечить постоянный CCT, потому что светодиоды всегда получают питание при номинальном токе.Эта функция делает ШИМ очень желательным для приложений смешивания цветов RGB и настройки CCT, где точность имеет решающее значение. Поскольку регулирование яркости PWM основано на высокоскоростном переключении, могут возникать электромагнитные помехи (EMI). Сигналы ШИМ могут создавать помехи при передаче по длинным проводам. Таким образом, регулирование яркости с ШИМ не подходит для удаленных систем и приложений со строгими требованиями к электромагнитным помехам.