Лампа накаливания — что может быть проще? Вольфрамовая нить, напрямую соединяемая с электросетью, стеклянная колба, заполненная азотом или аргоном, жестяной цоколь — вот и всё. Неудивительно, что себестоимость изделия при массовом производстве (а другого-то и нет) менее 10 центов. Но лампы накаливания весьма «расточительны» — в свет преобразуют не более 4% общей подводимой энергии. Тут явно есть что улучшить!

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(42). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

В свете борьбы за экономию ресурсов лампы накаливания свой век отжили и должны уступить место более эффективным светоизлучателям. В обозримой перспективе эту роль будут играть светодиоды, массовое производство которых стало возможным сравнительно недавно. Между тем само явление электролюминесценции было открыто более ста лет назад.

В 1907 году английский изобретатель Генри Раунд заметил разноцветное свечение, возникавшее в месте контакта острого металлического проводника и кристаллов карбида кремния. Об этом интересном эффекте он написал в журнал Electrical world. В 1923 году советский инженер Олег Лосев повторил опыт Раунда и даже получил авторское свидетельство на устройство, названное им «световым реле» — без какого-либо, впрочем, теоретического обоснования.

Прошло почти 40 лет, прежде чем Ник Холоньяк, инженер американской фирмы General Electric, создал первый практически применимый светодиод, работающий в красном диапазоне. Правда, стоимость прибора превышала 200 долларов (в современных ценах можно смело умножить на восемь), поэтому о массовом внедрении говорить пока было рано.

И только в начале 1990‑х усилиями инженера Сюдзи Накамуры из японской корпорации Nichia Chemical Industries и специалистов по физике полупроводников из Нагойского университета Исаму Акасаки и Хироши Амано был получен дешёвый синий светодиод с высокой световой отдачей. За это открытие японцев в 2014 году наградили Нобелевской премией по физике. Теперь инженеры могли получать белый свет, причём с высокой энергетической эффективностью. А первый светодиодный модуль Pastelite выпустила в 2003 году компания Citizen Electronics, спровоцировав настоящую «световую гонку»: сегодня светодиоды применяются везде, где только можно, от разнообразных индикаторов до подсветки жидкокристаллических дисплеев, от фонариков до оптоволоконных коммуникаций, от рождественских гирлянд до авиационных прожекторов (первенцем стал сверхуспешный Airbus A320, оборудованный в 2007 году светодиодным освещением).

Почему же светодиоды, обладающие бесспорными преимуществами — высочайшей светоотдачей, надёжностью, малым энергопотреблением — пришли в наши дома только недавно? Всё дело в обвязке. Чтобы светодиод работал долго и надёжно, ему нужны тепличные в какой-то мере условия. Во-первых, протекающий ток ни в коем случае не должен превышать пороговое значение. Во-вторых, светодиоду противопоказана обратная полярность, когда «плюс» и «минус» меняются местами — достаточно нескольких вольт «неправильного» напряжения, чтобы прибор вышел из строя! Сравните с лампой накаливания: обвязки в ней — стальные электроды, подводящие ток к спирали. Сам ток переменный, при этом допускаются довольно большие отклонения от стандартных значений.

Но ради энергосбережения мы применяем более сложные технические решения, ставшие возможными благодаря развитию микроэлектроники. Полвека назад ни одному из футурологов и в голову не могло прийти, что в банальном осветительном приборе — лампочке — будет работать фактически микропроцессор…

Устройство современной светодиодной лампы довольно сложно и скрыто матовым светорассеивающим колпаком-полу­сферой. Под ним — круглая алюминиевая плата с впаянными светодиодами в окружении резисторов, ограничивающих максимальный ток. Плата через прослойку специальной теплопроводной пасты крепится к ребристому радиатору-«стакану» из анодированного алюминия. Его задача — обеспечить эффективный отвод тепла от платы со светодиодами и платы блока электронного управления, который располагается под светодиодами.

В «стакане» монтируется драйвер — импульсный стабилизатор тока, преобразующий сетевые 220 вольт в импульсы постоянного тока, зажигающие светодио­ды. Драйвер соединён с латунным цоколем, который вкручивается в патрон. Все электрические компоненты надёжно изолированы от внешних поверхностей и ни при каких обстоятельствах не ведут к поражению током.

Главная задача блока электронного управления (да-да, в лампочке!) — обес­печение работы в строго определённом режиме: ток, протекающий через светодиод, должен быть постоянным.

Стабилизация вовсе не означает, что сила тока всё время постоянна.

Тут нам придётся сделать небольшое отступление. Всеобщая компьютеризация породила стремление обрабатывать любые сигналы цифровыми методами. Пожалуй, самый наглядный пример — современные усилители низкой частоты. Их смысл и назначение в усилении слабых электрических сигналов, поступающих от источника, будь то микрофон, датчик звукоснимателя гитары или винилового проигрывателя. Основная проблема заключалась в том, что форма и характер сигналов неизбежно искажались, то есть на выходе получалась не увеличенная копия исходного процесса, а нечто похожее, но не совпадающее с оригиналом на 100%.

Долгие десятилетия инженеры бились над уменьшением степени этого несоответствия. Если в дешёвых устройствах ещё можно было мириться со значительными искажениями сигнала, то аппаратура классов hi-fi и hi-end стоила в десятки раз дороже, а проблемы были те же. Дело в том, что у активных элементов — ламп и транзисторов — зависимость выходного тока от управляющего напряжения нелинейна, и особенно это заметно при обработке слабых и мощных, близких к предельным сигналов. На какие только ухищрения не шли инженеры и конструкторы, добиваясь хотя бы относительной линейности передачи!

Цифровые методы обработки сигналов позволили решить эту задачу парадоксальным путём. Оказывается, любой непрерывно меняющийся (аналоговый) сигнал можно представить как последовательность одинаковых импульсов тока: чем выше текущий уровень сигнала, тем чаще они следуют. А импульсы — как раз то, в чём сильны транзисторы, работающие в режиме ключа. В самом деле, линейность здесь совсем не нужна, ведь ток либо есть, либо его нет. Важнее скорость, с которой транзисторы переключаются из одного состояния в другое, а с этим у современных высокочастотных устройств проблем нет: это десятки и сотни мегагерц! Метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (pulse-width modulation — PWM) сегодня применяется практически повсеместно, вытеснив традиционные аналоговые агрегаты даже из такой консервативной отрасли, как звуковая техника. Да, ещё одно важное преимущество ШИМ — очень высокий КПД, приближающийся к 95–98%.

Впрочем, если бы дело ограничивалось генерацией стабильного тока, реализованной в компактной и дешёвой схеме, это было бы не так интересно. Вдохновлённые невероятными успехами микроэлектроники, инженеры захотели нагрузить обвязку дополнительными функциями — например, заставить поддерживать постоянную яркость в разных условиях эксплуатации (светоотдача светодиодов сильно зависит от температуры окружающей среды, а со временем они «выгорают», то есть тускнеют).

Возможности современных микросхем позволяют включить такие сервисные функции, как дистанционное включение-выключение, управление яркостью и цветностью. Последнее обстоятельство открывает путь к формированию полноцветных изображений, в которых каждый пиксел формируется триадой разноцветных светодиодов (красного, синего и зелёного).

За эти и другие функции отвечает специализированная микросхема — контроллер (её ещё называют светодиодным драйвером). Он постоянно сравнивает текущий ток с эталонным, значение которого «прошито» в памяти. Если они различаются, контроллер посылает на импульсный стабилизатор специальные высокочастотные управляющие сигналы, уменьшающие или увеличивающие частоту импульсов, то есть регулирует ток, отдаваемый выходными транзисторами.

В зависимости от мощности лампы и её конструкции сила тока может составлять от нескольких милли- до многих ампер. Но даже значительные токи не становятся препятствием для чисто электронного управления, что позволяет отказаться от таких привычных устройств, как выключатели, особенно при эксплуатации в пожаро- и взрывоопасных средах. В контроллер встраивается термодатчик, прерывающий подачу тока при перегреве колбы, и ограничитель предельного напряжения, который бережёт лампу от опасных всплесков тока. Цепи питания, контроллер и цоколь гальванически развязаны, что исключает поражение током даже при неисправности лампы. Встроив в контроллер средства приёма и декодирования радиосигналов (bluetooth или wi-fi) или инфракрасных лучей, мы получили возможность управлять освещением дистанционно — через компьютер или датчики движения или звука, — не протягивая сотни и сотни метров лишних проводов.

Есть у светодиодов и ещё одна функция, совершенно недоступная лампам накаливания, — индивидуальная настройка на заданные пользователем значения яркости и цветности. Как это выглядит? Покупатель вворачивает в патрон «светодиодку» и через пульт дистанционного управления настраивает желаемый уровень освещённости. Он записывается в памяти контроллера, и теперь лампа будет включаться не на полную мощность, а в соответствии с заданными параметрами.

Дальше — больше: инженеры научились программировать динамические изменения тока. И вы наверняка встречались с подобными устройствами, украшая новогоднюю ёлку разноцветными гирляндами, играющими светом. Отсюда уже недалеко до умного дома с интеллектуальной системой освещения, которая самостоятельно регулирует работу ламп (естественно, светодиодных) по гибкой схеме, которую ограничивает только фантазия.