Как устроены светодиодные лампы высокой мощности?

Светодиодные источники света нашли широкое применение не только в быту, но и на промышленных объектах, в офисных комплексах, в сфере торговли и других отраслях. Однако если для жилых помещений вполне достаточно изделий мощностью до 14–16 Вт, способных генерировать световой поток в 1400 люмен, то для адекватного освещения гостиной в загородном доме или конференц-зала уже понадобятся устройства на 22-50 ватт. В свою очередь, для цехов и складов потребуются, как минимум, 100-ваттные модели, выдающие порядка 13–14 тысяч люменов.

Интересно, что по цене мощные светодиодные лампы оказываются в несколько раз дороже стандартных, и это вызывает закономерное недоумение у покупателей. Ведь если вспомнить о традиционных лампах накаливания, то стоимость 200-ваттных моделей ненамного выше 40-ваттных, в то же время их оптические свойства заметно различаются. Так почему же в случае с LED-устройствами разница столь существенна? Чтобы это понять, необходимо разобраться, какие именно технологии применяются в производстве светодиодных ламп высокой мощности.

Особенности высокомощных светодиодов

Первая, и основная причина дороговизны производительных LED-ламп — использование в их составе светодиодных модулей повышенной мощности. В основе большинства таких чипов лежат полупроводниковые гетерокристаллы сине-голубого свечения, получаемые из металлоорганического соединения методом газовой эпитаксии. Чтобы достичь цветовой температуры в 4 000 К, рекомендуемой СНиП 23-05-95, они покрываются желто-зеленым люминофором.

В некоторых моделях устанавливаются модули, содержащие четыре кристалла: красного, синего, голубого и белого свечения. Четырехцветные светодиоды позволяют добиться точной балансировки яркости по каждому оттенку, а значит — получить результирующий поток, оптические свойства которого приближены к естественному солнечному свету, что особенно важно при организации подсветки зимнего сада или оранжереи.

Готовая конструкция помещается в керамический корпус (может быть оснащен миниатюрным отражателем, уменьшающим потери бокового освещения) и заливается прозрачным силиконовым компаундом, из которого формируется полимерный купол, играющий роль фокусирующей линзы. Благодаря тому, что получившийся модуль имеет стандартный типоразмер (площадь основания обычно составляет 3.45x3.45 мм), его можно использовать в лампах любой конструкции, в том числе — оснащенных вторичной оптикой. Такие изделия пригодны для создания направленной подсветки рабочей зоны или расстановки световых акцентов.

Светодиоды рассчитаны на номинальный ток в 350 мА и максимальный рабочий ток до 1000 мА, а их потребляемая электрическая мощность варьируется в пределах от 1 до нескольких десятков ватт. Одной из отличительных черт высокомощных чипов является значительное тепловыделение (кристаллы разогреваются до 125–150°C), что провоцирует ускорение деградационных процессов в полупроводниковой структуре.

Для решения данной проблемы вместо алюминиевых MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board — печатная плата на металлической основе) и теплоотводящего фланца, соединяющего модуль с радиатором, используются медные компоненты. А наилучший результат достигается за счет размещения между кристаллом и подложкой тончайшего изолирующего слоя, теплопроводность которого в несколько сотен раз выше (вплоть до 385 Вт/м*К) по сравнению с традиционными диэлектриками (около 1–5 Вт/м*К).

Перечисленные особенности закономерно влияют на цену изделия, однако помогают и существенно повысить его надежность, нивелировав пагубное воздействие высоких температур. Как следствие, период наработки на отказ у высокомощных светодиодов достигает 50 000 часов и более.

LED-лампы мощностью от 100 Вт и выше

Когда речь заходит о высокомощных светодиодных лампах от 100 ватт, любая, даже самая “продвинутая” система пассивного охлаждения оказывается малоэффективной. Чтобы исключить вероятность термического повреждения люминофора и максимально продлить срок службы устройства, в составе осветительных приборов данного типа предусмотрен ряд дополнительных модулей, поддерживающих их работоспособность.

• Встроенный кулер

Помимо массивного радиатора, в каждую лампу устанавливается миниатюрный вентилятор, обеспечивающий непрерывную циркуляцию воздуха. Скорость его вращения управляется микроконтроллером и регулируется автоматически в зависимости от показаний термодатчиков. Благодаря этому, температура светодиодов во время работы не превышает 50°C.

• Система аварийного отключения

В случае значительного перегрева (например, при недостаточном кондиционировании помещения), лампа автоматически отключается, что позволяет предотвратить ее выход из строя. По достижении приемлемой температуры питание подается вновь. По этой причине мощные LED-лампы не рекомендуется устанавливать в герметичные светильники.

• Улучшенный драйвер

Выполнен на основе твердотельных конденсаторов. Обладает встроенной защитой от перепадов напряжения, короткого замыкания и холостого хода. Печатная плата также имеет специальное покрытие, защищающее распаянные на ней электронные компоненты от воздействия коррозионных агентов — такие устройства становятся пригодны для эксплуатации в неотапливаемых помещениях и на объектах с повышенной влажностью (склады, ангары).

Светодиодные лампы высокой мощности являются гораздо более сложными и комплексными устройствами, нежели подавляющее большинство бытовых моделей. Усложнение производства LED-чипов, необходимость разработки и внедрения вспомогательных компонентов — все это влияет на себестоимость изделия, а значит — и на его конечную цену. Однако взамен покупатель получает по-настоящему надежный продукт, рассчитанный на многие годы бесперебойной работы.