Бп из энергосберегающей лампы со стабилизацией: Бп из энергосберегающей лампы со стабилизацией. Как сделать блок питания из энергосберегающих ламп. Схема драйвера для светодиодной лампы — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Бп из энергосберегающей лампы со стабилизацией. Как сделать блок питания из энергосберегающих ламп. Схема драйвера для светодиодной лампы

Не так давно спрос на энергосберегающие лампы был огромен, но срок их службы, не смотря на обещания производителей, оказался не больше полу года, а цена в 10 раз больше ламп накала. Поэтому, если у вас остались не рабочие энергосберегающие лампы, можно переделать их в светодиодные своими руками. Переделка энергосберегающей лампы в светодиодную, не такое сложное занятие, в данной статье подробно описан процесс переделки и схема.

Для начала, нужно вытащить из энергосберегающей лампы внутреннюю плату преобразователя и заменить на схему понижения напряжения для питания светодиодов. Ток питания светодиодов выставляется резистором 100-200 Ом, в пределах 20-50мА.

Итак, разбираем лампу, удаляя плату преобразователя и стеклянную колбу (как правило именно она сгорает быстрее всего). Остаётся патрон с вместительным цоколем. Там мы и расположим собранную схему со светодиодами и отражателем.

Светодиоды, конечно не дадут той яркости, что люминесцентная лампа, но если купить хорошие, то яркость 6 штук будет на довольно приличном уровне. Яркие светодиоды можно так же заказать на Алиэкспресс, благо их там очень много и стоят не так дорого.

Конечно можно просто купить светодиодную лампу, но куда интересней сделать её своими руками, при этом получив удовольствие от процесса и с пользой провести время.

Приобрел себе на пробу светодиоды 10 Вт 900лм теплого белого света на AliExpress. Цена в ноябре 2015года составляла 23 рубля за штуку. Заказ пришел в стандартном пакетике, проверил все исправные.

у которых сгорела нить накала в колбе. Как правило, у таких ламп преобразователь напряжения исправен, и его можно использовать в качестве импульсного блока питания или драйвера светодиода.
Разбираем люминисцентную лампу.

Для переделки я взял 20 Вт лампу, дроссель которой с лёгкостью может отдать в нагрузку 20 Вт. Для 10 Вт светодиода больше никаких переделок не требуется. Если планируется запитать более мощный светодиод, требуется взять преобразователь от более мощной лампы, либо установить дроссель с большим сердечником.

Установил перемычки в цепи розжига лампы.

На дроссель намотал 18 витков эмальпровода, подпаиваем выводы намотанной обмотки к диодному мосту, подаём на лампу сетевое напряжение и замеряем выходное напряжение. В моём случае блок выдал 9,7В. Подключил светодиод через амперметр, который показал проходящий через светодиод ток в 0,83А. У моего светодиода рабочий ток равен 900мА, но я уменьшил ток чтобы увеличить ресурс. Собрал диодный мост на плате навесным способом.

Схема переделки.

Светодиод установил на термопасту на металлический абажур старой настольной лампы.

Плату питания и диодный мост установил в корпус настольной лампы.

При работе около часа температура светодиода 40 градусов.

На глаз освещенность как от 100 ваттной лампы накаливания.

Планирую купить +128 Добавить в избранное Обзор понравился +121 +262

В этой статье Вы найдёте подробное описание процесса изготовления импульсных блоков питания разной мощности на базе электронного балласта компактной люминесцентной лампы.
Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.

Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для предобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Импульсный трансформатор для блока питания

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. Проверено на практике.

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт.
Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц
Температура трансформатора – 60ºС
Температура транзисторов – 42ºС

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.
Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.
Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.
Температура транзисторов – 75ºC.
Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².
Температура дросселя TV1 – 45ºC.
TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Выпрямитель

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.
2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.
Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку исследуемого ИБП от осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

Будьте осторожны, берегитесь ожога!
Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!
То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Как наладить импульсный блок питания?

Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Большое спасибо изготовителям современных энергосберегающих ламп. Качество их продукции постоянно заставляет шевелить мозгами и подталкивает к новым техническим решениям.
Вот и в этот раз рассмотрим тему переделки вышедшей из строя энергосберегающей лампы в светодиодную. Сегодня мы пойдем по более традиционному пути с использованием драйвера для светодиода, но… Самой интересной частью переделки является сам светодиод.
На днях мне попали в руки несколько образцов китайской электронной промышленности. Эти светодиоды сами по себе интересны, хотя и не обладают выдающимися характеристиками. Но одно то, что данный светодиод обеспечивает круговую диаграмму направленности, поднимает его на совершенно новый уровень и дает нам в руки прекрасный инструмент для модернизации систем освещения.

В качестве радиатора я использовал уже известный из прошлой статьи алюминиевый универсальный профиль АП888 производства ООО «Юг-сервис». К сожалению у меня остался только обрезок толщиной чуть более 10 мм. Было опасение, что для светодиода мощность 9 Вт его может не хватить. Но стремление провести эксперимент победило.
Маленький недостаток данного профиля по отношению к новому светодиоду – центральное отверстие диаметром 8 мм, а резьба «хвоста» светодиода М6.

Выход самый простой:
— рассверливаем отверстие до 10 мм;
— в гайку М6 вкручиваем болт;
— аккуратно, ударяя молотком по головке болта, запрессовываем гайку в профиль. Болт нужен для того, чтобы случайно не замять резьбу в гайке.

Светодиод 7В, мощностью 7-9 Вт, 12 В, 600-800 мА. В качестве драйвера я использовал широко распространенный драйвер на 700 мА для трех светодиодов того же китайского производства.
Дальше как всегда все просто. Разбирать энергосберегающую лампочку умеем, главное не разбить колбу. И готовим весь комплект для сборки.

1. Просверлить отверстия в крышке корпуса цоколя для крепления радиатора и провода.

2. Плюсовой провод драйвера подпаять к центральному контакту светодиода. Не забудьте предварительно продернуть его через радиатор и крышку цоколя.

3. Нанести теплопроводную пасту (КТП-8) на резьбу светодиода и вкрутить его на место. Крепим крышку корпуса цоколя к радиатору.

4. Минусовой провод драйвера необходимо соединить с радиатором.

5. Впаять сетевые провода драйвера в цоколь.

6. Собрать все во едино.

7. Модернизированная лампа готова к эксплуатации.

Что касается моих опасений по поводу перегрева светодиода из-за недостаточного размера радиатора, то можно сказать, что они оказались беспочвенными. Температура в точке «светодиод-радиатор» после нескольких часов работы остановилась в районе 59-62 ºС (температура окружающей среды 23 ºС). В принципе допустимо, но если радиатор увеличить на 5-10 мм, то можно вообще ни о чем не беспокоиться.
Все просто, красиво и самое главное – доступно и не дорого.

Тема переделки или модернизации вышедших из строя люминесцентных (энергосберегающих) ламп в светодиодные поднималась неоднократно. Да простят меня авторы этих статей, но большинство предложенных вариантов малоэффективны и уж точно не эстетичны. Виной тому сложности с элементной базой и комплектующими, а так же наш менталитет, когда мы пытаемся слепить конфетку из …
Но спасибо корейцам, выпустившим в прошлом году замечательный светодиодный модуль Seoul Semiconductors Acrich3, который подключается к сети переменного тока 220 В без дополнительного источника питания. Производитель гарантирует, что при соблюдении условий эксплуатации (рекомендуемая рабочая температура не выше 70 ºС) данный модуль честно отработает не менее 50 000 часов. Не будем вдаваться в технические подробности, все понятно из рисунка.

В качестве комментария
По роду своей деятельности имею богатый опыт работы с различными источниками питания. Так вот указанный корейцами ресурс блока питания в 15 000 часов завышен примерно в 2 раза, это при условии использования высококачественных электролитов. Китайский же ширпотреб, имеющийся сейчас в широкой продаже, явно не входит в категорию качественных товаров.

Итак, с источником света разобрались. Следующий шаг – как его охладить. Городить банальный ребристый радиатор – не эстетично и неудобно. И тут без везения не обошлось. Оказывается, в России разработан и выпускается радиаторный профиль АП888, специально предназначенный для модулей этой серии.

Профиль универсальный, предназначен для установки трех типов модулей Acriche: AW3221 (4 Вт) и Acrich3 на 8 и 12 Вт.

Дальнейшая работа по модернизации перегоревшей энергосберегающей лампы не составила никакого труда и заняла от силы 15-20 минут.

1 Отрезать радиатор в размер, необходимый для обеспечения эффективного охлаждения модуля. Поставщик профиля рекомендует следующие размеры для обеспечения рабочей температуры не более 70 ºС:
— 4 Вт – 10-15 мм;
— 8 Вт – 30-35 мм;
— 12 Вт – 40-45 мм.
В данном случае «кашу маслом не испортишь», и я для 8 Вт взял радиатор 50 мм.

3 Просверлить отверстия в крышке корпуса цоколя для крепления радиатора.

4 Все составные части – радиатор, модуль и фильтр к модулю, готовы к сборке.

5 Дальше все просто. Устанавливаем модуль на радиатор, не забудьте про теплопроводную пасту (рекомендую КТП-8). Крепим крышку корпуса цоколя к радиатору. Подпаиваем провода к модулю и фильтру. Затем все впаиваем в цоколь.

Каталог радиолюбительских схем. Как стабилизировать «электронный трансформатор»

Как стабилизировать «электронный трансформатор»

А.Е. Шуфотинский г. Кривой Рог
РА 1’2010
Как известно, «электронный трансформатор» оправдывает свое название. Величина эффективного напряжения на выходе почти линейно зависит от входного напряжения, и этот факт не позволяет использовать возможности низковольтных нагрузок в полной мере, в том числе и галогеновых ламп, но это поправимо.
В схему самого «электронного трансформатора» на выходе сетевого моста нужно добавить оксидный конденсатор С доп (рис.1) емкостью (в микрофарадах) примерно соответствующей мощности будущего устройства (в ваттах). Если мощность будущего устройства больше мощности исходного, то желательно заменить транзисторы более мощными и снабдить их радиаторами. Индуктивность L1 представляет собой катушку из нескольких витков обмоточного провода на ферритовом стержневом магнитопроводе диаметром 4…10 мм. Если вторичную обмотку трансформатора перемотать (или добавить такую же), можно использовать диодную спарку, например, СТВ-34.
Напряжение устройства без обратной связи должно быть примерно вдвое больше необходимого стабилизированного, а величина последнего ограничена только способностями быстродействующих диодов.
В роли «электронного трансформатора» может выступать преобразователь отработанной энергосберегающей лампы или электронный балласт (известно, что колбы у них выходят со строя значительно чаще), причем мощность последней может быть много меньше мощности будущего блока питания, надо только заменить резонансный дроссель трансформатором и установить (если нужно) транзисторы на радиаторы, а конденсатор С доп там уже есть.
Первый способ — внешняя стабилизация (рис.1). Компенсация изменения напряжения на выходе от входного напряжения и величины нагрузки производится с помощью симисторного регулятора. При мощности устройства не более 100 Вт, можно обойтись без симистора VS1, подключив фазовый регулятор DA1 непосредственно в разрыв сетевого провода, а при использовании «начинки» от лампы, нет необходимости в термисторе TR1. Магнитопроводом трансформатора может служить ферритовое кольцо, ферритовый горшок или магнитопровод ТВС (без зазора).

Негативом устройства является его недостаточное быстродействие, которое зависит, в первую очередь, от емкости СЗ, но если использовать стабилизатор в качестве зарядного устройства (и как стабилизатор тока, и как стабилизатор напряжения — для ускоренной зарядки аккумуляторов) или как источник высокого напряжения (для люстры Чижевского), то этот недостаток не мешает. Надо заметить, что конденсатор СЗ довольно критичная деталь — при недостаточной емкости устройство ведет себя непредсказуемо и даже возбуждается, а при большой — заметно «тормозит», при наладке, возможно, понадобится зашунтировать его резистором величиной несколько килоом.
Несмотря на относительную сложность устройства, у него есть неоспоримое преимущество: можно обойтись без вмешательства в схему самого электронного трансформатора, да и в роли модернизируемого последнего можно использовать обычный трансформатор и даже «черный ящик», питаемый от сети и выдающий какое-то напряжение любой формы.
Второй способ — внутренняя стабилизация (рис.2). Обратная связь вводится непосредственно в «электронный трансформатор»: на магнитопровод управляющего трансформатора Т1 наматывают дополнительную обмотку из , 4-6 витков (как правило, место для этого есть), которую подключают к основным электродам оптронного симистора, а сигнал обратной связи (аналогично вышеописанной схеме) подают на фотодиод симистора. Можно для этой цели применить и обычный симистор, но у него заметная асимметричность входной характеристики, поэтому требуется тщательный подбор прибора.
Третий способ (рис.3). Вместо симистора лучше использовать пару встречно-последовательно-включенных полевых транзисторов со встроенными диодами.
Описанные схемы обладают весьма высокой стабильностью, как по питающему напряжению, так и по току нагрузки. Для построения многоканальных блоков питания эти схемы тоже подходят: один канал (питающий самые ответственные каскады) контролируем обратной связью, а остальные (даже очень мощные) «пляшут» вокруг него.
Если мощность будущего блока питания невелика, вместо термистора ТR1 можно использовать ставшие ненужными резонансные дроссели из схем энергосберегающих ламп, которые, кроме ограничения зарядного тока, вместе с конденсаторами С1 и С2 (рис.2) послужат фильтрами радиопомех.
Все схемы электронных трансформаторов и электронных балластов строятся по схемам с обратной связью по току, поэтому их нельзя использовать с минимальной нагрузкой, так как они не запускаются. Чтобы использовать модернизированные схемы с малой нагрузкой, нужно организовать обратную связь по напряжению (рис.4), используя ту же обмотку управляющего трансформатора и намотав дополнительную обмотку (3-6 витков) на силовой трансформатор. В этом случае, кроме расширения возможностей блока питания, появляется очень ценное качество устройства — защита от перегрузок и коротких замыканий на выходе — при резком уменьшении напряжения на вторичных обмотках трансформатора срываются колебания автогенератора. После устранения нарушения, устройство, как правило, возобновляет свою работу автоматически.
Первое включение устройства необходимо производить при выведенном потенциометре обратной связи — движок внизу (по схеме), через лампу накаливания 220 В/25 Вт. Если лампа не
загорится в полный накал, то все в порядке — можно включать без нее (если источник маломощный, то лампа светиться не должна вообще).
На рис.5 показана практическая схема мощного (порядка 200 Вт, что далеко не предел) блока питания, основой которого служит электронный трансформатор мощностью всего 50 Вт.

Заменены только диодный мост, транзисторы и тороидальный трансформатор более мощными. Транзисторы установлены на радиаторы с площадью поверхности 100 кв. см каждый, диодная спарка — на радиаторе с площадью поверхности 200 см2. На схеме не отображен второй канал (не регулируемый), который можно назвать условно стабилизированный. Цепочка R7C7 служит для защиты от перенапряжения при отсутствии нагрузки. С помощью подстроенного резистора R6 производят точную установку выходного напряжения.
Входной дроссель L1 представляет собой 5 витков спаренного изолированного гибкого провода, намотанного на ферритовом кольце с наружным диаметром 12 мм. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце с наружным диаметром 10 мм и содержит соответственно 3, 3, 9 и 5 витков монтажного изолированного провода. Трансформатор Т2 намотан на магнитопроводе от ТВС-110ПЦ15 (без зазора), первичная обмотка содержит 50 витков гибкого изолированного провода сечением 0,5 кв. мм. Вторичные обмотки тоже можно намотать гибким изолированным проводом подходящего сечения (в данном случае — 2×4 и 7 витков провода сечением 2,5 кв. мм). С тем же успехом в качестве Т2 можно применить ферритовое кольцо (например, два сложенных вместе размерами 45x28x8 мм) или ферритовый горшок диаметром 48 мм.

Характеристики устройства показаны на рис.6, а (зависимость выходного напряжения от входного) и на рис.6, б (зависимость выходного напряжения от тока нагрузки). Пунктиром обозначено напряжение второго канала. Для уменьшения уровня пульсаций на выходе устройства (на частоте регулирования канала обратной связи) можно добавить еще одно звено LC-фильтра на выходе (рис.4). Для желающих повторить конструкцию необходимо напомнить о безопасности: схема имеет гальваническую связь с сетью — любые манипуляции с паяльником производят после отключения от сети, а потенциометр обязательно должен быть с изолированной ручкой.
Литература
1. Цибульский В. Экономичный блок питания // Радио. -1981.-№10. -С.56.
2. Барабошкин Д. Усовершенствованный экономичный блок питания // Радио. — 1985. — №6. -С.51.
3. Нечаев И. Регуляторы мощности на КР1182ПМ1 // Радио. — 2000. — №3. — С.53.
4. Титаренко А. «Сага» о регуляторах мощности//Радиоаматор. — 2002. — №2. — С.39.
5. Справочный лист «Оптотриаки» // Радиоаматор. — 2003. -№1.-С.ЗО.
6. Гайно Е., Москатов Е. Импульсный источник питания // Радио. — 2005. — №3. — С.30.

Источник материала

Бп для шуруповерта из энергосберегающей лампы. Как сделать блок питания из энергосберегающих ламп

Люминесцентная лампа является довольно сложным механизмом. В конструкции энергосберегающих ламп находится множество разных мелких составляющих, которые в совокупности и обеспечивают то освещение, которое выдаёт такое устройство. Основой всей конструкции энергосберегающих устройств является стеклянная трубка, которая наполнена парами ртути и инертным газом.

Импульсный блок и его назначение

С обоих концов этой трубки установлены электроды, катод и анод. После подачи на них тока, они начинают нагреваться. Достигнув необходимой температуры они выпускают электроны, которые ударяются об молекулы ртути и та начинает излучать ультрафиолетовый свет.

Ультрафиолет конвертируется в видимый для человеческого глаза спектр благодаря люминофору, который находится в трубке. Таким образом, лампа зажигается спустя некоторое время. Обычно скорость загорания лампы зависит от срока её выработки. Чем дольше лампа работала, тем больше будет промежуток между включением и полным зажиганием.

Чтобы понять предназначение каждой из составляющих ибп, следует разобрать по отдельности какие функции они выполняют:

R0 – работает ограничителем и предохранителем блока питания. Он стабилизирует и останавливает излишний поток питания тока в момент включения, который протекает через диоды выпрямляющего устройства.
VD1, VD2, VD3, VD4 – используются как мостовые выпрямители.
L0, C0 – фильтруют подачу тока и делают её без перепадов.
R1, C1, VD8 и VD2 – запускная цепь преобразователей. Процесс запуска происходит следующим образом. Источник зарядки конденсатора С1 является первый резистор. После того как конденсатор набирает такой мощности, что способен пробить динистор VD2, он самостоятельно открывается и попутно открывает транзистор, что вызывает автоколебание в схеме. Затем прямоугольный импульс направляется на катод диода VD8 и возникающий минусовый показатель закрывает второй динистор.
R2, C11, C8 – делают стартовый процесс преобразователей более лёгким.
R7, R8 – Делают закрытие транзисторов более эффективным.
R6, R5 – создают границы для тока на базах каждого транзистора.
R4, R3 – работают как предохранители в случае резкого повышения напряжения в транзисторах.
VD7 VD6 – предохраняют каждый транзистор бп от возвратного тока.
TV1 – обратный трансформатор для связи.
L5 – дроссель балластный.
C4, C6 – конденсаторы разделения, где всё напряжение и питание разделяется пополам.
TV2 – трансформатор для создания импульсов.
VD14, VD15 – диоды, работающие от импульсов.
C9, C10 – фильтрующие конденсаторы.

Благодаря правильной расстановке и тщательному подбору характеристик всех перечисленных составляющих, мы и получаем блок питания необходимой нам мощности для дальнейшего использования.

Отличия конструкции лампы от импульсного блока

Очень похожа по строению импульсного блока питания, из-за чего сделать импульсный бп можно очень легко и быстро. Для переделки, необходимо установить перемычку и дополнительно установить трансформатор вырабатывающий импульсы и который оснащён выпрямителем.

Для облегчения ибп, удалена стеклянная люминесцентная лампа и некоторые составляющие конструкции, которые были заменены специальным соединителем. Вы могли заметить, что для изменения необходимо выполнить всего несколько простых операций, и этого будет вполне достаточно.

Плата с энергосберегающей лампы

Выдаваемый показатель мощности, ограничен размером используемого трансформатора, максимальным возможным пропускным показателем основных транзисторов и габаритами охлаждающей системы. Чтобы увеличить немного мощность, достаточно намотать ещё обмотки на дроссель.

Импульсный трансформатор

Основной ключевой характеристикой импульсного блока питания есть возможность адаптироваться к показателям трансформатора, который используется в конструкции. А то, что обратный ток не нуждается в проходке через трансформатор, который мы сами сделали, значительно облегчает нам расчёты номинальной мощности трансформатора.

Таким образом, большинство ошибок при расчёте становятся незначительными благодаря использованию такой схемы.

Рассчитываем ёмкость необходимого напряжения

Для экономии используют конденсаторы с маленьким показателем ёмкости. Именно от них будет зависеть показатель пульсации входящего напряжения. Для снижения пульсации, необходимо увеличивать объём конденсаторов тоже делается для увеличения показателя пульсации только в обратном порядке.

Для снижения размеров и улучшения компактности, возможно, применять конденсаторы на электролитах. К примеру, можно использовать такие конденсаторы, которые вмонтированы в фототехнику. Они обладают ёмкостью 100µF х 350V.

Чтобы обеспечить бп показателем двадцать ватт, достаточно использовать стандартную схему от энергосберегающих светильников и вовсе не наматывая дополнительной намотки на трансформаторы. В случае, когда дроссель обладает свободным пространством и может дополнительно уместить витки, можно их добавить.

Таким образом, следует добавить два-три десятка витков обмотки, чтобы была возможность подзаряжать мелкие устройства или использовать ибп как усилитель для техники.

Схема блока питания на 20 ватт

Если вам требуется более эффективное увеличение показателя мощности, можно использовать самый простой провод из меди, покрытый лаком. Он специально предназначен для обмотки. Убедитесь что изоляция на стандартной обмотке дросселя достаточно качественная, так как эта часть будет находиться под значением входящего тока. Также следует оградить её от вторичных витков с помощью бумажной изоляцией.

Действующая модель БП мощность – 20 Ватт.

Для изоляции используем специальный картон толщиной 0.05 миллиметра или 0.1 миллиметра. В первом случае необходимо два слова, во втором достаточно одного. Сечение обмоточного провода используем из максимального больших, количество витков будет подбирать методом проб. Обычно витков необходимо достаточно мало.

Проделав все необходимые действия, вы получаете мощность бп 20 ватт и рабочую температура трансформатора шестьдесят градусов, транзистора сорок два. Большую мощность сделать не получиться, так как размеры дросселя ограничены и сделать большее количество обмотки не получится.

Уменьшение поперечного диаметра используемого провода конечно увеличит численность витков, но на мощность это повлияет только в минус.

Чтобы иметь возможность поднять мощность бп до сотни ватт, необходимо дополнительно докрутить импульсный трансформатор и расширить ёмкость фильтровочного конденсатора до 100 фарад.

Схема 100 ватт БП

Чтобы облегчить нагрузку и уменьшить температуру транзисторов, к ним следует добавить радиаторы для охлаждения. При такой конструкции, КПД получится в районе девяноста процентов.

Следует подключить транзистор 13003

К электронному балласту бп следует подключить транзистор 13003, который способен закрепляться с помощью фасонной пружины. Они выгодны тем, что с ними нет необходимости устанавливать прокладку из-за отсутствия металлических площадок. Конечно, их теплоотдача значительно хуже.

Лучше всего проводить закрепления с помощью винтов М2.5, с заранее установленной изоляцией. Также возможно использовать термопасту, которая не передаёт напряжение сети.

Убедитесь что транзисторы надёжно заизолированы, так как через них проходит ток и при плохой изоляции возможно короткое замыкание.

Подключение к сети 220 вольт

Подключение происходит с помощью лампы накаливания. Она будет служить защитным механизмом и подключается перед блоком питания.

В этом случае, лампа служит балластом, который имеет нелинейный показатель и отлично предохраняет ибп от неисправной работы сети. Значение мощности лампы необходимо подбирать таким же образом, как и мощность самого импульсного блока питания.

Одним из самых простых способов изготовления импульсного блока питания своими руками из «подручных средств» является переделка энергосберегающей лампы под такой блок питания. Так как основной причиной выхода из строя компактных люминесцентных ламп является перегорание одной из нитей накала колбы, то практически их все можно переделать под импульсный блок питания с нужным напряжением. В данном конкретном случае я переделывал схему электронного балласта 15 ваттной лампочки в импульсный блок питания 12 вольт 1 ампер. Такая переделка не требует огромных усилий и большого количества деталей, т.к. предполагаемая нагружаемая мощность меньше мощности самой энергосберегающей лампочки.

Каждый производитель ламп имеет свои собственные наборы деталей с определенными номиналами в схемах изготавливаемых электронных балластов, но все схемы типовые. Поэтому у себя на схеме я не приводил всю схему лампы, а указал только ее типовое начало и обвязку колбы лампы. Схема электронного балласта нарисована черным и красным цветом. Красным – выделены колба и конденсатор, подсоединенный к двум нитям накала. Их следует удалить. Зеленым цветом на схеме указаны элементы которые нужно добавить. Конденсатор С1 – следует заменить большей емкости, например, 10-20u 400v.

В левой части схемы добавлен предохранитель и входной фильтр. L2 выполнен на кольце от материнской платы, имеет две обмотки по 15 витков проводом от витой пары Ø – 0.5 мм. Кольцо имеет наружный диаметр 16мм, внутренний – 8,5мм, ширину – 6,3мм. Дроссель L3 имеет 10 витков Ø – 1 мм, выполнен на кольце от трансформатора другой энергосберегающей лампы. Следует выбирать лампу с бОльшей пустотой окна дросселя Tr1, так как его необходимо будет переделать в трансформатор. У меня получилось намотать по 26 витков Ø – 0.5 мм на каждую из половины вторичной обмотки. Такой вид намотки требует идеально симметричных половин обмотки. Чтобы добиться этого, рекомендую мотать вторичную обмотку сразу в два провода, каждый из которых будет служить симметричной половиной друг друга. Транзисторы оставил без радиаторов, т.к. предполагаемое потребление схемы меньше мощности, которую потребляла лампа. В качестве теста было подключено на максимальное свечение на 2 часа 5 метров RGB светодиодной ленты, потреблением 12v 1A.

Пока учёные укрощают скорость света, я вот решил укротить ненужные люминесцентные лампы, переделывая их в светодиодные. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) по немного уходят в прошлое, по понятным всем причинам: меньшая эффективность относительно светодиодных, экологическая небезопасность (ртуть), ультрафиолетовое излучение опасное для глаз человека, да и недолговечность.

Как и у многих радиолюбителей, накопилась целая коробка этого «добра». Менее мощные можно использовать как запчасти, ну а те что по мощнее, начиная с 20W можно переделать и источники питания. Ведь электронный балласт, это дешевый преобразователь напряжения, то есть простой и доступный импульсный блок питания которым можно питать приборы мощностью до 30-40W (зависит от КЛЛ), и даже больше если менять выходной дроссель и транзисторы. Тем радиолюбителям которые проживают в отдалённых местах, или в определённых ситуациях, эти «энергосберегалки» окажутся полезными. Так что, не спешите их выбрасывать после выхода из строя — а работают они не долго!

В моём случае, примерно год назад (весной 2014г.), начав экспериментировать с электронным балластом, в поисках корпуса под переделку в светодиодную лампу, возвращаясь вечером домой с работы, меня осенило — увидев на тротуаре банку из под колы. Ведь алюминиевый корпус из под 0,25L напитка, как раз подходит в качестве радиатора для рассеивания тепла светодиодной ленты. А также, идеально садится под корпус КЛЛ «Vitoone» с цоколем Е27, на 25 W. Да и в эстетике неплох!

Изготовив несколько переделанных LED-ламп, я начал их испытывать в разных условиях эксплуатации. Одна из них работает в подсобном помещении в жаре и морозе (с вентиляционными отверстиями), другая в жилом помещении (без отверстии в пластмассовом цоколе). Ещё одна подключена к трёхметровой светодиодной ленте. Прошел почти год, и они до сих пор безотказно служат! Ну, и учитывая то, что на тему светодиодов, статьей появляется все больше и больше, пришлось наконец-то написать и о моей испытанной временем идеи.

Обсудить статью ЛАМПА СВЕТОДИОДНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ

Несмотря на небольшие размеры энергосберегающих ламп, в них много электронных компонентов. По своему устройству это обычная трубчатая люминесцентная лампа с миниатюрной колбой, но только свернутой в спираль или иную пространственную компактную линию. Ее поэтому называют компактной люминесцентной лампой (в сокращении КЛЛ).

И для нее характерны все те же самые проблемы и неисправности, что и для больших трубчатых лампочек. Но электронный балласт лампочки, которая перестала светить, скорее всего, из-за перегоревшей спирали, обычно сохраняет свою работоспособность. Поэтому его можно использовать для каких-либо целей как импульсный блок питания (в сокращении ИБП), но с предварительной доработкой. Об этом и пойдет речь далее. Наши читатели узнают, как сделать блок питания из энергосберегающей лампы.

В чем разница между ИБП и электронным балластом

Сразу предупредим тех, кто ожидает получение мощного источника питания из КЛЛ – большую мощность получить в результате простой переделки балласта нельзя. Дело в том, что в катушках индуктивности, которые содержат сердечники, рабочая зона намагничивания жестко ограничена конструкцией и свойствами намагничивающего напряжения. Поэтому импульсы этого напряжения, создаваемые транзисторами, точно подобраны и определены элементами схемы. Но такой блок питания из ЭПРА вполне достаточен для питания светодиодной ленты. Тем более что импульсный блок питания из энергосберегающей лампы соответствует ее мощности. А она может быть до 100 Вт.

Наиболее распространенная схема балласта КЛЛ построена по схеме полумоста (инвертора). Это автогенератор на основе трансформатора TV. Обмотка TV1-3 намагничивает сердечник и выполняет при этом функцию дросселя для ограничения тока через лампу EL3. Обмотки TV1-1 и TV1-2 обеспечивают положительную обратную связь для появления напряжения, управляющего транзисторами VT1и VT2. На схеме красным цветом показана колба КЛЛ с элементами, которые обеспечивают ее запуск.

Пример распространенной схемы балласта КЛЛ

Все катушки индуктивности и емкости в схеме подобраны так, чтобы получить в лампе точно дозированную мощность. С ее величиной связана работоспособность транзисторов. А поскольку они не имеют радиаторов, не рекомендуется стремиться получать от переделанного балласта значительную мощность. В трансформаторе балласта нет вторичной обмотки, от которой питается нагрузка. В этом главное отличие его от ИБП.

В чем суть реконструкции балласта

Чтобы получить возможность подключения нагрузки к отдельной обмотке, надо либо намотать ее на дросселе L5, либо применить дополнительный трансформатор. Переделка балласта в ИБП предусматривает:

Для дальнейшей переделки электронного балласта в блок питания из энергосберегающей лампы надо принять решение относительно трансформатора:

использовать имеющийся дроссель, доработав его;
либо применить новый трансформатор.

Трансформатор из дросселя

Далее рассмотрим оба варианта. Для того чтобы воспользоваться дросселем из электронного балласта, его надо выпаять из платы и затем разобрать. Если в нем применен Ш-образный сердечник, он содержит две одинаковые части, которые соединены между собой. В рассматриваемом примере для этой цели применена оранжевая клейкая лента. Она аккуратно удаляется.

Удаление ленты, стягивающей половинки сердечника

Половинки сердечника обычно склеены так, чтобы между ними оставался зазор. Он служит для оптимизации намагничивания сердечника, замедляя этот процесс и ограничивая скорость нарастания тока. Берем наш импульсный паяльник и нагреваем сердечник. Прикладываем его к паяльнику местами соединения половинок.

Разобрав сердечник, получаем доступ к катушке с намотанным проводом. Обмотку, которая уже есть на катушке, отматывать не рекомендуется. От этого изменится режим намагничивания. Если свободное место между сердечником и катушкой позволяет обернуть один слой стеклоткани для улучшения изоляции обмоток друг от друга, надо сделать это. А потом намотать десять витков вторичной обмотки проводом подходящей толщины. Поскольку мощность нашего блока питания будет небольшой, толстый провод не нужен. Главное, чтобы он поместился на катушке, и половинки сердечника наделись на него.

Намотав вторичную обмотку, собираем сердечник и закрепляем половинки клейкой лентой. Предполагаем, что после тестирования БП станет понятно, какое напряжение создается одним витком. После тестирования разберем трансформатор и добавим необходимое число витков. Обычно переделка имеет целью сделать преобразователь напряжения с выходом 12 В. Это позволяет получить при использовании стабилизации зарядное устройство для аккумулятора. На такое же напряжение можно сделать и из энергосберегающей лампы, а также зарядить фонарик с питанием от аккумулятора.

Поскольку трансформатор нашего ИБП, скорее всего, придется доматывать, впаивать его в плату не стоит. Лучше припаять проводки, торчащие из платы, и к ним на время тестирования припаять выводы нашего трансформатора. Концы выводов вторичной обмотки надо очистить от изоляции и покрыть припоем. Затем либо на отдельной панельке, либо прямо на выводах намотанной обмотки надо собрать выпрямитель на высокочастотных диодах по схеме моста. Для фильтрации в процессе измерения напряжения достаточно конденсатора 1 мкФ 50 В.

Тестирование ИБП

Но перед присоединением к сети 220 В последовательно с нашим блоком, переделанным своими руками из лампы, обязательно соединяется мощный резистор. Это мера соблюдения безопасности. Если через импульсные транзисторы в блоке питания потечет ток короткого замыкания, резистор его ограничит. Очень удобным резистором в таком случае может стать лампочка накаливания на 220 В. По мощности достаточно применить 40–100-ваттную лампу. При коротком замыкании в нашем устройстве лампочка будет светиться.

Далее присоединяем к выпрямителю щупы мультиметра в режиме измерения постоянного напряжения и подаем напряжение 220 В на электрическую цепь с лампочкой и платой источника питания. Предварительно обязательно изолируются скрутки и открытые токоведущие части. Для подачи напряжения рекомендуется применить проводной выключатель, а лампочку вложить в литровую банку. Иногда они при включении лопаются, а осколки разлетаются по сторонам. Обычно испытания проходят без проблем.

Более мощный ИБП с отдельным трансформатором

Они позволяют определить напряжение и необходимое число витков. Трансформатор дорабатывается, блок снова испытывается, и после этого его можно применить как компактный источник питания, который намного меньше аналога на основе обычного трансформатора 220 В со стальным сердечником.

Чтобы увеличить мощность источника питания, надо применить отдельный трансформатор, сделанный аналогично из дросселя. Его можно извлечь из лампочки большей мощности, сгоревшей полностью вместе с полупроводниковыми изделиями балласта. За основу берется та же схема, которая отличается присоединением дополнительного трансформатора и некоторых других деталей, изображенных красными линиями.

Выпрямитель, показанный на изображении, содержит меньше диодов по сравнению с выпрямительным мостом. Но для его работы потребуется больше витков вторичной обмотки. Если они не вмещаются в трансформатор, надо применить выпрямительный мост. Более мощный трансформатор делается, например, для галогенок. Кто использовал обычный трансформатор для системы освещения с галогенками, знает, что они питаются достаточно большим по величине током. Поэтому трансформатор получается громоздким.

Если транзисторы разместить на радиаторах, мощность одного блока питания можно заметно увеличить. А по весу и габаритам даже несколько таких ИБП для работы с галогенными светильниками получатся меньше и легче одного трансформатора со стальным сердечником равной им мощности. Другим вариантом использования работоспособных балластов экономок может быть их реконструкция для светодиодной лампы. Переделка энергосберегающей лампы в светодиодную конструкцию очень проста. Лампа отсоединяется, а вместо нее подключается диодный мост.

На выходе моста подключается определенное количество светодиодов. Их можно подключить между собой последовательно. Важно, чтобы ток светодиода равнялся току в КЛЛ. можно назвать ценным полезным ископаемым в эпоху светодиодного освещения. Они могут найти применение даже после завершения своего срока службы. И теперь читатель знает детали этого применения.

Китайские шуруповёрты отличаются низкой ценой и плохими аккумуляторами, приходящими в негодность после первого года эксплуатации. Покупка нового аккумулятора не имеет смысла, поэтому встаёт вопрос о питании от сети. Данный блок питания состоит из доступных деталей и полностью помещается в корпусе аккумулятора.

В основе лежит плата от энергосберегающей лампы, импульсного трансформатора и выходного дросселя от компьютерного блока питания. У меня были две одинаковые платы от ламп 95 Вт, однако у обоих оказались сгоревшими полевые транзисторы, поэтому пришлось их менять. Схема лампы представлена на рисунке:

Детали, отмеченные красным цветом необходимо выпаять. С выходного дросселя от компьютерного блока питания L3 (смотри схему ниже) убираем все обмотки кроме той, которая намотана самым толстым проводом. Впаиваем новые детали согласно схеме:

Входную цепочку из предохранителя и термистора можно не ставить. Конденсатор С1 ставим максимально большей ёмкости. Если ваша энергосберегающая лампа сделана на биполярных транзисторах (чаще всего 13003, 13005), то их необходимо заменить на более мощные (13007, 13009). Так же возможно придётся заменить диодный мост D1-D4 и индуктивность L1. Чтобы избежать данных переделок необходимо брать плату от лампы как можно большей мощности.

Выходные диоды шотки D12, D13 (10А 100В) взяты с запасом, так как в ходе испытаний вышли из строя диоды от компьютерного блока питания mospec s20c40c. Автомобильная лампа EL используется в качестве подсветки, индикатора включения и нагрузки. Полевые транзисторы и диоды шотки снабжены радиаторами.

Работа шуруповёрта представлена на видео:

Драйвер для светодиодов из энергосберегающей лампы

Энергосберегающие лампы активно позиционировались как замена низкоэкономичным и ненадежным лампам накаливания. Постепенное снижение цен на «экономки» привело к тому, что они получили практически повсеместное распространение.

Прогресс не стоит на месте и на смену энергосберегающим люминесцентным лампам приходят светодиодные источники света. Имея большую экономичность, они превосходят энергосберегающие лампы по экологичности, поскольку люминесцентные лампы содержат ядовитую ртуть, а светодиоды абсолютно безопасны (подробнее о вреде светодиодных ламп).

Самый большой минус светодиодов – их высокая стоимость. Не удивительно, что многие занимаются переделкой энергосберегающих ламп в светодиодные, используя по максимуму доступную и недорогую элементную базу.

Использование платы питания энергосберегающей лампы в качестве драйвера для светодиодов

Теоретическое обоснование

Светодиоды работают при низком напряжении – порядка 2-3В. Но самое главное, для нормальной работы требуется не стабильность напряжения, а стабильность тока, по ним протекающего. При понижении тока снижается яркость свечения, а превышение приводит к выходу из строя диодного элемента. Полупроводниковые устройства, к которым относятся светодиоды, имеют ярко выраженную зависимость от температуры. При нагреве сопротивление перехода падает и возрастает прямой ток.

Простой пример: источник стабильного напряжения выдает 3В, при токе потребления светодиода 20мА. При повышении температуры напряжение на светодиоде остается неизменным, а ток возрастает вплоть до недопустимых значений.

Для исключения описанной ситуации, источники света на полупроводниках запитывают от стабилизатора тока, он же драйвер. По аналогии с люминесцентными лампами драйвер иногда называют балластом для светодиодов.

Наличие входного напряжение 220В вместе с требованием стабилизации тока приводит необходимости создания сложной схемы питания светодиодных ламп.

Практическая реализация идеи

Простейший источник питания светодиодов от сети 220В имеет следующий вид:

Примитивный источник питания для светодиодов от сети 220В

На приведенном рисунке резистор обеспечивает падение излишка напряжения питающей сети, а диод, включенный параллельно, защищает LED элемент от импульсов напряжения обратной полярности.

Как видно из рисунка, что можно проверить расчетами, требуется гасящий резистор большой мощности, выделяющий во время работы много тепла.

Ниже приведена схема, где вместо резистора используется гасящий конденсатор

Схема с гасящим конденсатором

Использование в качестве балласта конденсатора позволяет избавиться от мощного резистора и повысить КПД схемы. Резистор R1 ограничивает ток в момент включения схемы, R2 служит для быстрого разряда конденсатора в момент выключения. R3 дополнительно ограничивает ток через группу светодиодов.

Конденсатор С1 служит для гашения излишков напряжения, а С2 сглаживает пульсации питания.

Диодный мост образован четырьмя диодами типа 1N4007, которые можно выпаять из негодной энергосберегающей лампы.

Расчет схемы произведен для светодиодов HL-654h345WC с рабочим током 20мА. Не исключено применение аналогичных элементов с таки током.

Так же, как и в предыдущей схеме, здесь не обеспечивается стабилизация тока. Чтобы исключить выход светодиодов из строя, в схеме балласта для светодиодных ламп емкость конденсатора С1 и сопротивление резистора R3 выбраны с запасом, чтобы при максимальном входном напряжении и повышенной температуре светодиодов, ток через них не превышал допустимых значений. В нормальном режиме ток через диоды несколько менее номинального, но на яркости лампы это практически не сказывается.

Недостаток подобной схемы заключается в том, что использование более мощных светодиодов потребует увеличение емкости гасящего конденсатора, имеющего большие габариты.

Аналогично выполняется питание светодиодной ленты от платы энергосберегающей лампы. Важно, чтобы ток светодиодной ленты соответствовал линейке светодиодов, то есть 20мА.

Используем драйвер энергосберегающей лампы

Более надежна схема, когда используется драйвер из энергосберегающей лампы с минимальными переделками. В качестве примера на рисунке показана переделка энергосберегающей лампы мощностью 20Вт для питания мощного светодиода с током потребления 0.9А.

Переделка светодиодной лампы для питания светодиодов

Переделка электронного балласта для светодиодных ламп в данном примере минимальна. Большая часть элементов в схеме оставлена от драйвера старой лампы. Изменениям подвергся дроссель L3 и добавлен выпрямительный мост. В старой схеме между правым выводом конденсатора С10 и катодом диода D5 была включена люминесцентная лампа.

Теперь конденсатор и диод соединены напрямую, а дроссель используется в качестве трансформатора.

Переделка дросселя заключается в намотке вторичной обмотки, с которой и будет сниматься напряжение для питания светодиода.

Не разбирая дроссель, на него нужно намотать 20 витков эмалированного провода диаметром 0.4мм. При включении напряжение холостого хода вновь выполненной обмотки должно составлять около 9.5–9.7В. После подключения моста и светодиода, амперметр, включенный в разрыв питания LED элемента, должен показывать около 830–850мА. Большее или меньшее значение требует коррекции количества витков трансформатора.

Диоды 1N4007 или аналогичные, можно использовать от другой неисправной лампы. Диоды в экономках используются с большим запасом по току и напряжению, поэтому выходят из строя крайне редко.

Советы и предостережения

Все приведенные схемы светодиодных драйверов из энергосберегающей лампы, хоть и обеспечивают низковольтное питание, имеют гальваническую связь с сетью переменного тока, поэтому при работе по отладке нужно соблюдать меры предосторожности.

Наилучшим и самым безопасным будет использование при работе разделяющего трансформатора с одинаковыми первичной и вторичной обмотками. Имея на выходе те же самые 220В, трансформатор будет обеспечивать надежную гальваническую развязку первичной и вторичной цепей.

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)

Материалы по теме:

Импульсный блок питания 12 Вольт

В настоящее время широкое распространения получили компактные люминисцентные лампы, которые часто называют энергосберегающими. В корпусе, рядом с цоколем, у данного типа ламп расположена плата ЭПРА(электронный дроссель и стартер) которая производит запуск энергосберегающей лампы. Как правило лымпы данного типа выходят из строя из-за перегорания нитий накала, при этом само ЭПРА остается исправным. В данной статье будет описано как превратить ЭПРА от вышедшей из стороя энергосберегающей лампы в импульсный блок питания. Собранный блок питания выдавал напряжение 12Вольт при токе 0,5 Ампер и использовался для питания радиоприемника “Океан ” от сети 220 Вольт. В статье будет описано как перевести данный блок питание на другое напряжение и больший ток. Сначало рассмотрим типовую схему ЭПРА.

Номиналы деталей в схеме зависят от мощности лампы и её производителя. Так же могут быть и несущественные изменения в самой схеме ЭПРА. Все это не имеет значения , поскольку для превращения ЭПРА в блок питание переделка схемы не потребуется. Необходимо лиш установить перемычку между верхними выводами лампы EL1 (показано зеленой линией на схеме рис.1). Можно перемкнуть между собой перемычкой все четыре вывода шедшие к лампе, на работе схемы это ни как не скажется. Так же на дросель ДР1 потребуется намотать дополнительную обмотку, таким образом дроссель превратиться в трансформатор. Найти этот дроссель на плате ЭПРА не сложно, он намотон на Ш-образном магнитопроводе и расположен в центре платы.

Перед намоткой вторичной обмотки, поверх первичной обмотки наматывают несколько витков стеклоткани или изоленты. Поскольку первичная обмотка гальванически связана с сетью 220 Вольт. Вторичная обмотка для выходного напряжения 12Вольт содержит 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм. Точное количество витков подбирается эксперементально и зависит от типа лампы и напряжения которое следует получить на выходе блока питания. Диаметр провода для других выходных токов равен 0.8*I0.5, где I – необходимый выходной ток блока питания. Мощность лампы, от которой используется ЭПРА, должна быть равна или превышать мощность конструируемого блока питания. Можно использовать готовые трансформаторы от вышедших из строя импульсных блоков питания, которые впаиваются в плату ЭПРА вместо дросселя.

Эсли трансформатор не помещается на плате, его распологают рядом с платой и соединяют со схемой ЭПРА проводами. Переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора поступает на мостовой выпремитель, сглаживается конденсаторами С1 и С2 , и стабилизируется интегральным стабилизатором выполненным на микросхеме DA1. Указанные дополнительные компоненты(изображены синим цветом на схеме ) монтируется на отдельной плате.

После чего, данная плата соединяется с платой ЭПРА проводами. При настройки данного блока питания следует учитывать, чтобы при максимальной нагрузки напряжение на конденсаторе С2 было выше напряжения чем на конденсаторе С1 на 2,5 Вольта. Это минимально допустимое напряжение падения на интегральном стабилизаторе DA1 при котором обеспечивается его работа. Если это напряжение ниже, то следует увеличить количество витков вторичной обмотки трансформатора. Марка самой микросхемы DA1, зависит от напряжения которое необходимо получить на выходе. При указанной на схеме, оно равно 12 Вольт. Эсли на выходе необходимо получить регулируемое выходное напряжение, то в качестве DA1 следует использовать микросхему кр142ен12. Она обеспечит регулировку выходного напряжения в пределах 1.2-37 Вольт. Получившийся блок питания распологают в корпусе подходящих размеров.

Схему блока питания можно упростить. Если не требуется стабилизация выходного напряжения, то микросхему DA1 исключают из схемы устройства. А если выпремление выходного напряжения не требуется, например для питания лампы накаливания или низковольтного паяльника, то исключают из схемы и мостовой выпрямитель вместе со сглаживающими конденсаторами. При первом включении устройства в сеть 220 Вольт, в разрыв одного из проводов следует включить лампу накаливани мощностью 40-100 Ватт. Если эта лампа не горит или слабо накаляется блок питания собран правильно. А если горить в полный накал, то схема собрана неверно или в ней есть неисправные компоненты.

Использование балласта энергосберегающей лампы высоковольтных импульсов. Импульсный источник питания из лампочки КЛЛ своими руками

Для питания светодиодов в осветительных устройствах применяются специальные блоки — электронные драйверы, представляющие собой преобразователи стабилизирующие ток, а не напряжение на своём выходе. Но так как драйверы для них(заказывал тоже на AliExpreess) были еще в пути решил запитать от балласта от энергосберегающих ламп. У меня было несколько таких неисправных ламп. у которых сгорела нить накала в колбе. Как правило, у таких ламп преобразователь напряжения исправен, и его можно использовать в качестве импульсного блока питания или драйвера светодиода.
Разбираем люминисцентную лампу.

Схема переделки.

Светодиод установил на термопасту на металлический абажур старой настольной лампы.

Плату питания и диодный мост установил в корпус настольной лампы.

При работе около часа температура светодиода 40 градусов.

На глаз освещенность как от 100 ваттной лампы накаливания.

Эта светодиодная настольная лампа работает уже около месяца. Пока все нормально а дальше время покажет. В результате я получил бесплатный драйвер для светодиодов. Когда придут заводские драйвера сравню их работу с самоделкой.
Кому интересно можно посмотреть на видео.

Бум люминесцентных энергосберегающих ламп постепенно подходит к своему завершению. На смену им уже пришли светодиодные лампы, обладающие неоспоримыми преимуществами: лучшая экономичность, моментальный выход в рабочий режим, большой срок службы, они не содержат паров ртути и не излучают ультрафиолет после выгорания люминофора внутри колбы. Единственная заминка — это пока ещё высокая стоимость светодиодных ламп. Но если имеется вышедшая из строя люминесцентная энергосберегающая лампа, то её можно легко переделать в светодиодную, используя приведенные ниже способы.

Сначала небольшое предисловие.

Приобретённые несколько лет назад энергосберегающие лампы фирмы ECOLIGHT довольно таки быстро стали выходить из строя. Сначала перегорела нить накала в колбе одной лампы, но эта неисправность была оперативно устранена путём установки перемычки на печатной плате параллельно оборванной нити накала. Лампа замечательно зажигалась и от оставшейся целой нити накала. Затем та же участь постигла вторую лампу. После ремонта, поработав ещё где-то с полгода, перегорели и оставшиеся нити накала сначала в одной лампе, а через месяц и в другой. Связываться с люминесцентными лампами больше не захотелось, и возникла мысль о переделке вышедших из строя ламп в светодиодные.

Первая лампа имела мощность 18 Вт и довольно широкий корпус диаметром 55 мм, что натолкнуло на мысль установить в нём несколько десятков ультраярких белых светодиодов с рабочим током 20 мА, включив их в сеть последовательно через диодный мост, а в качестве гасящего балласта использовать конденсатор. В результате получилась схема, показанная на рисунке ниже:

Всего было использовано 40 светодиодов HL-654h345WC ø4.8 мм с яркостью 1,5 Cd и углом 140°. Схема собрана на двух печатных платах из одностороннего фольгированного стеклотекстолита:

Между собой платы скреплены при помощи одной стойки по центру. Вот что получилось в итоге:

Субъективно яркость свечения этой лампы оказалась примерно такая же, как и у 30-ваттной лампы накаливания, а потребляемая мощность — всего 1,1 Вт:

Оттенок лампы по сравнению с лампой накаливания получился намного холоднее.

Что интересно, однотипные и одинаковые по яркости светодиоды тёплого и холодного оттенка, имеющиеся в продаже, отличаются по цене в 4 раза, но даже применённые светодиоды тёплого свечения (более дорогие) по сравнению с лампой накаливания имеют синеватый оттенок. Что касается получившейся стоимости изготовленной светодиодной лампы, то она оказалась на уровне готовой покупной с аналогичным количеством светодиодов. Правда неизвестно, есть ли в этих готовых лампах на 220 В выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Скорее всего, нет, ведь проще и дешевле соединить последовательно пары встречно включённых светодиодов и добавить балластный конденсатор. И пусть себе мигает лампа с удвоенной частотой сети, ведь китайскому производителю нет никакого дела до зрения потребителя.

Учитывая довольно высокую стоимость сорока светодиодов (0.125$ * 40 = 5$), для переделки второй лампы мощностью 9 Вт в корпусе диаметром 38,5 мм

было решено использовать один мощный трёхваттный светодиод. Выбор пал на EDEX-3LA1-E1 стоимостью 1.875$, имеющий следующие характеристики:

цветовая температура………………………….3200 К;

световой поток (при токе 700 мА)…………..130 лм;

угол свечения…………………………………….135°;

рабочий ток………………………………………700 мА;

напряжение……………………………………….4 В.

К этим светодиодам в продаже имеются готовые радиаторы “STAR” стоимостью 0.156$:

Чтобы получить ток величиной до 700мА для запитки такого мощного светодиода было решено использовать уже имеющийся преобразователь в перегоревшей люминесцентной лампе. Замкнув все выводы колбы лампы и намотав на имеющийся на плате дроссель дополнительную обмотку, такой преобразователь можно превратить источник питания с минимальными затратами. По сути, из лампы получается готовый электронный трансформатор, необходимо только обеспечить стабилизированный ток для питания светодиода.

Вот схема энергосберегающей лампы, срисованная прямо с платы:

Для переделки её в электронный трансформатор достаточно выпаять колбу, замкнуть между собой точки 2 и 4 платы и намотать дополнительную обмотку на дроссель L2. К дополнительной обмотке подключается выпрямитель с фильтром.

Для стабилизации тока через светодиод первоначально был опробован способ, предложенный в . Суть его заключается в намотке дополнительной обмотки на управляющий трансформатор T1 и шунтировании её открывающимися полевыми транзисторами для срыва колебаний преобразователя при превышении выходного напряжения (тока). Однако ничего путного из этого не вышло. Как показал анализ работы приведенной выше схемы, для восстановления колебаний преобразователя необходимо время около 3 мс для заряда конденсатора C3 до напряжения пробоя динистора DB3 (30 В). Даже при очень кратковременном шунтировании дополнительной обмотки на Т1 время повторного запуска преобразователя составляло около 3 мс. В результате регулировочная характеристика преобразователя получается неполной. При попытке лишь “слегка” уменьшить выходное напряжение, к примеру до 90…95 %, на выходе фильтра выпрямителя (с дополнительной силовой обмотки дросселя) вместо постоянного напряжения сразу появлялись короткие положительные импульсы с относительно длительными провалами 3 мс. Т.е. пределы регулирования были возможны лишь на начальном небольшом участке работы преобразователя.

Поэтому было применено другое схемное решение, показанное на рисунке ниже:

Дополнительная схема представляет собой импульсный стабилизатор тока, собранный без применения специализированных микросхем на широко распространённой дешевой элементной базе. На дроссель лампы наматывается дополнительная обмотка, напряжение с которой подаётся на диодный мост VD1…VD4 с конденсаторами фильтра C1, C3. Использование мостовой схемы вызвано сложностью намотки на дроссель L2 вдвое большого числа витков с отводом от середины ввиду ограниченного места.

На микросхеме DA1 выполнен стабилизатор напряжения +2,5 В для питания компаратора DA2 и резистивного формирователя опорного напряжения R5, R6. Резистор R7 сопротивлением 0,1 Ом выполняет функцию датчика тока. На транзисторах VT1, VT2 собран силовой ключ. В исходном состоянии при подаче питания, пока ток через светодиод HL1 ещё не протекает, на выходе компаратора DA2 высокий уровень, VT1 закрыт а VT2 открыт через R4. Через дроссель L1 в нагрузку протекает нарастающий ток. При превышении на инвертирующем входе компаратора DA2 опорного напряжения последний переключается в состояние с низким уровнем на выходе. VT1 резко открывается и шунтирует переход з-и VT2, закрывая последний и вызывая ток самоиндукции в цепи VD5, L1, C4, C5, HL1, R7. После уменьшения напряжения на инвертирующем входе компаратора DA2 по мере разряда C4, C5, последний опять переходит в состояние с высоким уровнем на выходе. VT1 закрывается, VT2 открывается и весь процесс повторяется заново. Частота колебаний при входном напряжении 7 В составляет 50…70 кГц. Измеренный КПД импульсного стабилизатора тока составил 86%.

Величина тока через светодиод выбрана равной 0,6 А для более щадящего режима работы и меньшего его нагрева.

Процедура переделки энергосберегающей лампы

Вскрывается корпус лампы при помощи плоской отвёртки (крепление на защёлках). Верхняя часть с колбой осторожно утилизируется (Внимание! В колбе пары ртути! При повреждении колбы необходимо провести обработку окружающих контактировавших предметов раствором марганцовки ). Из платы конденсатор C5 можно выпаять, т.к. в работе он не участвует. Закорачиваются точки 2 и 4 на плате. Выпаивается дроссель L2 и проводом МГТФ-0,1 наматывается дополнительная обмотка из 14 витков (практически до полного заполнения зазора). Лучше использовать именно МГТФ для хорошей гальванической развязки.

Дроссель впаивается на место. Не помешает проверить ESR-метром электролит C3. При возможности его лучше заменить на новый ёмкостью 4,7…10 мкФ х 400 В (105°С). Это уменьшит пульсации частотой 100 Гц на выходе преобразователя.

После этого изготавливается плата из одностороннего фольгированного стеклотекстолита:

Для изготовления дросселя L1 использован готовый ДП2-0,1 на 100 мкГн. С него ножом снята штатная обмотка и намотана новая проводом ПЭВ2 ø0,3 мм в равномерно по всей длине сердечника в 3 слоя. Индуктивность дросселя 51 мкГн. Можно использовать и покупной дроссель подходящих габаритов с индуктивностью 47 мкГн и рассчитанный на ток не менее 1,5…2 А.

Транзистор VT2 IRLML6401 можно попробовать заменить на IRLML6402.

Диоды VD1…VD4 SS14 можно заменить на любые подходящие SMD-диоды Шоттки, рассчитанные на ток не менее 1А и обратное напряжение 30…40В, например SM5818, SM5819.

Диод VD5 SS24 (2А, 40В) заменим на SS22, 10BQ015 или аналогичные.

Как было сказано выше, светодиод распаивается на готовый радиатор “STAR”, который в свою очередь устанавливается на более массивный радиатор. В данном случае использован радиатор со старой материнской платы. С отрезанными “ушками” крепления его габариты 37,5 х 37,5 х 6 мм. Радиатор крепится к дополнительной плате на 3-х стойках М3х15. Сама плата крепится к верхней части корпуса лампы несколькими витками изоленты. Между штатной и дополнительной платами необходимо проложить изоляционную прокладку, вырезанную, например, из нефольгированного стеклотекстолита.

Первое включение доработанной лампы желательно производить с нагрузкой в виде 5-ваттного резистора сопротивлением 5…6 Ом с последовательно включённым амперметром. К сети 220 В лампу безопаснее включать через обычную лампочку накаливания на 40…60 Вт. В нормальном режиме работы её спираль светиться не должна. На катоде VD5 должны присутствовать прямоугольные импульсы частотой 50…70 кГц. Напряжение на C3 должно быть 5…8 В, ток через нагрузку 0,6 А. Более точно величину тока можно выставить подбором сопротивления резистора R5. После этого можно подключать светодиод.

Субъективно яркость свечения доработанной таким образом лампы соответствует лампе накаливания мощностью 30 Вт. Оттенок тёплый, но по сравнению с лампой накаливания немного холоднее. Измеренная потребляемая мощность составила 3,3 Вт:

Себестоимость второго варианта светодиодной лампы составила около 3.2 $.

Литература :

1) Как стабилизировать электронный трансформатор. А.Е.Шуфотинский. Радиоаматор №1/2010.

ID: 1371

Как вам эта статья?

Обсудить статью ЛАМПА СВЕТОДИОДНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ

Энергосберегающие лампы широко применяются в быту и на производстве, со временем они приходят в негодность, а между тем многие из них после несложного ремонта можно восстановить. Если вышел из строя сам светильник, то из электронной «начинки» можно сделать довольно мощный блок питания на любое нужное напряжение.

Как выглядит блок питания из энергосберегающей лампы

В быту часто требуется компактный, но в то же время мощный низковольтный блок питания, сделать такой можно, используя вышедшую из строя энергосберегающую лампу. В лампах чаще всего выходят из строя светильники, а блок питания остается в рабочем состоянии.

Для того чтобы сделать блок питания, необходимо разобраться в принципе работы электроники, содержащейся в энергосберегающей лампе.

Достоинства импульсных блоков питания

В последние годы наметилась явная тенденция к уходу от классических трансформаторных блоков питания к импульсным. Это связано, в первую очередь, с большими недостатками трансформаторных блоков питания, таких как большая масса, малая перегрузочная способность, малый КПД.

Устранение этих недостатков в импульсных блоках питания, а также развитие элементной базы позволило широко использовать эти узлы питания для устройств с мощностью от единиц ватт до многих киловатт.

Схема блока питания

Принцип работы импульсного блока питания в энергосберегающей лампе точно такой же, как в любом другом устройстве, например, в компьютере или телевизоре.

В общих чертах работу импульсного блока питания можно описать следующим образом:

Переменный сетевой ток преобразуется в постоянный без изменения его напряжения, т.е. 220 В.
Широтно-импульсный преобразователь на транзисторах превращает постоянное напряжение в прямоугольные импульсы, с частотой от 20 до 40 кГц (в зависимости от модели лампы).
Это напряжение через дроссель подается на светильник.

Рассмотрим схему и порядок работы импульсного блока питания лампы (рисунок ниже) более подробно.

Схема электронного балласта энергосберегающей лампы

Сетевое напряжение поступает на мостовой выпрямитель(VD1-VD4) через ограничительный резистор R 0 небольшого сопротивления, далее выпрямленное напряжение сглаживается на фильтрующем высоковольтном конденсаторе (С 0), и через сглаживающий фильтр (L0) подается на транзисторный преобразователь.

Запуск транзисторного преобразователя происходит в тот момент, когда напряжение на конденсаторе С1 превысит порог открытия динистора VD2. Это запустит в работу генератор на транзисторах VT1 и VT2, благодаря чему возникает автогенерация на частоте около 20 кГц.

Другие элементы схемы, такие как R2, C8 и C11, играют вспомогательную роль, облегчая запуск генератора. Резисторы R7 и R8 увеличивают скорость закрытия транзисторов.

А резисторы R5 и R6 служат как ограничительные в цепях баз транзисторов, R3 и R4 предохраняют их от насыщения, а в случае пробоя играют роль предохранителей.

Диоды VD7, VD6 – защитные, хотя во многих транзисторах, предназначенных для работы в подобных устройствах, такие диоды встроены.

TV1 – трансформатор, с его обмоток TV1-1 и TV1-2, напряжение обратной связи с выхода генератора подается в базовые цепи транзисторов, создавая тем самым условия для работы генератора.

На рисунке выше красным цветом выделены детали, подлежащие удалению при переделке блока, точки А–А` нужно соединить перемычкой.

Переделка блока

Перед тем как приступить к переделке блока питания, следует определиться с тем, какую мощность тока необходимо иметь на выходе, от этого будет зависеть глубина модернизации. Так, если требуется мощность 20-30 Вт, то переделка будет минимальной и не потребует большого вмешательства в существующую схему. Если необходимо получить мощность 50 и более ватт, то модернизация потребуется более основательная.

Следует иметь в виду, что на выходе блока питания будет постоянное напряжение, а не переменное. Получить от такого блока питания переменное напряжение частотой 50 Гц невозможно.

Определяем мощность

Мощность можно вычислить по формуле:

Р – мощность, Вт;

I – сила тока, А;

U – напряжение, В.

Например, возьмем блок питания со следующими параметрами: напряжение – 12 В, сила тока – 2 А, тогда мощность будет:

С учетом перегрузки можно принять 24-26 Вт, так что для изготовления такого блока потребуется минимальное вмешательство в схему энергосберегающей лампы мощностью 25 Вт.

Новые детали

Добавление новых деталей в схему

Добавляемые детали выделены красным цветом, это:

диодный мост VD14-VD17;
два конденсатора С 9 , С 10 ;
дополнительная обмотка, размещенная на балластном дросселе L5, количество витков подбирается опытным путем.

Добавляемая обмотка на дроссель играет еще одну немаловажную роль разделительного трансформатора, предохраняя от попадания сетевого напряжения на выход блока питания.

Чтобы определить необходимое количество витков в добавляемой обмотке, следует проделать следующие действия:

на дроссель наматывают временную обмотку, примерно 10 витков любого провода;
соединяют с нагрузочным сопротивлением, мощностью не менее 30 Вт и сопротивлением примерно 5-6 Ом;
включают в сеть, замеряют напряжение на нагрузочном сопротивлении;
полученное значение делят на количество витков, узнают, сколько вольт приходится на 1 виток;
вычисляют необходимое число витков для постоянной обмотки.

Более детальный расчет приведен ниже.

Испытательное включение переделанного блока питания

После этого легко вычислить необходимое число витков. Для этого напряжение, которое планируется получить от этого блока, делят на напряжение одного витка, получается количество витков, к полученному результату добавляют про запас примерно 5-10%.

W=U вых /U вит, где

W – количество витков;

U вых – требуемое выходное напряжение блока питания;

U вит – напряжение на один виток.

Намотка дополнительной обмотки на штатный дроссель

Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При намотке поверх нее дополнительной обмотки необходимо предусмотреть межобмоточную изоляцию, особенно если наматывается провод типа ПЭЛ, в эмалевой изоляции. Для межобмоточной изоляции можно применить ленту из политетрафторэтилена для уплотнения резьбовых соединений, которой пользуются сантехники, ее толщина всего 0,2 мм.

Мощность в таком блоке ограничена габаритной мощностью используемого трансформатора и допустимым током транзисторов.

Блок питания повышенной мощности

Для этого потребуется более сложная модернизация:

дополнительный трансформатор на ферритовом кольце;
замена транзисторов;
установка транзисторов на радиаторы;
увеличение емкости некоторых конденсаторов.

В результате такой модернизации получают блок питания мощностью до 100 Вт, при выходном напряжении 12 В. Он способен обеспечить ток 8-9 ампер. Этого достаточно для питания, например, шуруповерта средней мощности.

Схема модернизированного блока питания приведена на рисунке ниже.

Блок питания мощностью 100 Вт

Как видно на схеме, резистор R 0 заменен на более мощный (3-ваттный), его сопротивление уменьшено до 5 Ом. Его можно заменить на два 2-ваттных по 10 Ом, соединив их параллельно. Далее, С 0 – его емкость увеличена до 100 мкф, с рабочим напряжением 350 В. Если нежелательно увеличивать габариты блока питания, то можно подыскать миниатюрный конденсатор такой емкости, в частности, его можно взять из фотоаппарата-мыльницы.

Для обеспечения надежной работы блока полезно несколько уменьшить номиналы резисторов R 5 и R 6 , до 18–15 Ом, а также увеличить мощность резисторов R 7 , R 8 и R 3 , R 4 . Если частота генерации окажется невысокой, то следует увеличить номиналы конденсаторов C 3 и C 4 – 68n.

Самым сложным может оказаться изготовление трансформатора. Для этой цели в импульсных блоках чаще всего используют ферритовые кольца соответствующих размеров и магнитной проницаемости.

Расчет таких трансформаторов довольно сложен, но в интернете есть много программ, с помощью которых это очень легко сделать, например, «Программа расчета импульсного трансформатора Lite-CalcIT».

Как выглядит импульсный трансформатор

Расчет, проведенный с помощью этой программы, дал следующие результаты:

Для сердечника используется ферритовое кольцо, его внешний диаметр – 40, внутренний – 22, а толщина – 20 мм. Первичная обмотка проводом ПЭЛ – 0,85 мм 2 имеет 63 витка, а две вторичных тем же проводом – 12.

Вторичную обмотку необходимо наматывать сразу в два провода, при этом их желательно предварительно слегка скрутить между собой по всей длине, так как эти трансформаторы очень чувствительны к несимметричности обмоток. Если не соблюдать это условие, то диоды VD14 и VD15 будут нагреваться неравномерно, а это еще больше увеличит несимметричность что, в конце концов, выведет их из строя.

Зато такие трансформаторы легко прощают значительные ошибки при расчете количества витков, до 30%.

Так как эта схема изначально рассчитывалась для работы с лампой мощностью 20 Вт, то установлены транзисторы 13003. На рисунке ниже позиция (1) – транзисторы средней мощности, их следует заменить на более мощные, например, 13007, как на позиции (2). Возможно, их придется установить на металлическую пластину (радиатор), площадью около 30 см 2 .

Испытание

Пробное включение стоит проводить с соблюдением некоторых мер предосторожности, чтобы не вывести из строя блок питания:

Первое пробное включение производить через лампу накаливания 100 Вт, чтобы ограничить ток на блок питания.
К выходу обязательно подключить нагрузочный резистор 3-4 Ома, мощностью 50-60 Вт.
Если все прошло штатно, дать поработать 5-10 мин., отключить и проверить степень нагрева трансформатора, транзисторов и диодов выпрямителя.

Если в процессе замены деталей не были допущены ошибки, блок питания должен заработать без проблем.

Если пробное включение показало работоспособность блока, остается испытать его в режиме полной нагрузки. Для этого сопротивление нагрузочного резистора уменьшить до 1,2-2 Ом и включить его в сеть напрямую без лампочки на 1-2 минуты. После чего отключить и проверить температуру транзисторов: если она превышает 60 0 С, то их придется установить на радиаторы.

В качестве радиатора можно использовать как заводской радиатор, что будет наиболее верным решением, так и алюминиевую пластину, толщиной не менее 4 мм и площадью 30 кв.см. Под транзисторы необходимо подложить слюдяную прокладку, крепить их к радиатору нужно с помощью винтов с изолирующими втулками и шайбами.

Блок из лампы. Видео

О том, как сделать импульсный блок питания из эконом лампы, видео ниже.

Импульсный блок питания из балласта энергосберегающей лампы можно сделать своими руками, имея минимальные навыки работы с паяльником.

Со временем в бардачке любого радиолюбителя скапливается огромное количество электронной начинки от энергосберегающих лампочек, а многие радиокомпоненты из них можно активно использовать в других радиолюбительских направлениях. Так высоковольтный генератор из балласта обычной энергосберегающей лампы собирается за 5 минут, и вуа-ля питание генератора Тесла уже есть.

Как показала практика лампы дневного освещения работают годами. Но с течением времени их яркость свечения падает. Такие лампы, конечно, еще могут прослужить вам до тех пор пока колба заполненная инертным газом не пробьется высоковольтным разрядом, но доводить их до этого состояния не желательно, т.к при этом может сгореть и электронная часть, а вот ее еще можно поэксплуатировать.

Внутри энергосберегалки имеется электронная схема — балласт. Это готовый повышающий высоковольтный преобразователь типа AC-DC, он необходим для повышения стандартных 220 вольт до 1000 вольт. Внимание, на его выходе имеется опасное для жизни напряжение, потому во время экспериментов соблюдайте предельную осторожность и всегда помните об .

Для сборки схемы высоковольтного генератора, нам потребуется строчный трансформатор, его можно позаимствовать от блока строчной развертки , такие щас народ массово выкидывает, поэтому найти его вообще не проблема. Еще одним важным компонентом высоковольтной конструкции является конденсатор. Его кстати можно также найти в блоке строчной развертки, например 2200 пФ 5 кВ. Напряжение от балласта идет на обмотку строчного трансформатора не напрямую, а через конденсатор, такое подключение защищает схему балласта. О правильном извлечении строчного трансформатора, предлагаю узнать из видеосюжета:

При помощи мультиметра на трансформаторе находим обмотку с максимальным сопротивлением (кроме высоковольтной) и подаем на нее напряжение от балласта. Такой высоковольтный генератор может найти применение в опытах с электричеством. Если добавить два металлических стержня — получим «лестницу Иакова». Даже на ней можно собрать, т.к схема способна питать строчный трансформатор сутками, а напряжение на выходе строчного трансформатора 5 кВ.

Переделка драйвера энергосберегающей лампы. Драйвер для светодиодов из энергосберегающей лампы

Теоретическое обоснование

Светодиоды работают при низком напряжении – порядка 2-3В. Но самое главное, для нормальной работы требуется не стабильность напряжения, а стабильность тока , по ним протекающего. При понижении тока снижается яркость свечения, а превышение приводит к выходу из строя диодного элемента. Полупроводниковые устройства, к которым относятся светодиоды, имеют ярко выраженную зависимость от температуры. При нагреве сопротивление перехода падает и возрастает прямой ток.

Практическая реализация идеи

Простейший источник питания светодиодов от сети 220В имеет следующий вид:

Ниже приведена схема, где вместо резистора используется гасящий конденсатор

Конденсатор С1 служит для гашения излишков напряжения, а С2 сглаживает пульсации питания.

Используем драйвер энергосберегающей лампы

Переделка светодиодной лампы для питания светодиодов

Теперь конденсатор и диод соединены напрямую, а дроссель используется в качестве трансформатора.

Автор статьи наглядно показал, как разобрать и что можно добыть для повторного использования из старой энергосберегающей лампы. Таким образом можно «вернуть» часть денег заплаченных за эту лампу в свое время. Если же удастся сохранить корпус с цоколем, то его можно использовать для изготовления других ламп. Сейчас модно делать своими руками светодиодные лампы из подручных средств.

Перегоревшая энергосберегающая лампа

Привет всем,

сегодня я хочу показать вам, как вы можете сделать большую часть из этих денег вы вложили в энергосберегающие лампы путем извлечения его полезных деталей после он сгорел.

Цель:

Цель этой Instructable, чтобы показать вам источник свободной части можно использовать для следующих проектов и снижения потерь электроэнергии.

Вы можете получить эти детали из энергосберегающих ламп:

Конденсаторы
Диоды
Транзисторы
Катушки

Необходимые инструменты:

плоскую отвертку или пилу/режущий инструмент
оловоотсос
паяльник

Пожалуйста, прочитайте следующий текст для вашей же безопасности. Я не хочу, чтобы люди пострадали так что читайте и, пожалуйста, будьте осторожны.

Файл readme:

Перед началом убедитесь, что стеклянные тела энергосберегающая Лампа разбита! Если он сломан, нужно запечатать его в сумку или какой-то контейнер, чтобы избежать попадания воздействию ртути внутри лампы.
Будьте очень осторожны, чтобы не повредить стекло и корпус светильника! Не пытайтесь открыть лампу, повернув стекло кузова или пытается порвать или как-то так.
Не пытайтесь открыть лампу сразу после этого сгорел. Он содержит высоковольтный конденсатор, который должен выполнять первым! Не прикасайтесь к печатной плате, если Вы не знаете, если конденсатор остается заряженным или вы можете получить удар током!

Я думаю, что лучший совет, чтобы распоряжаться сгорел или разбитые энергосберегающие лампы, чтобы положить их в емкость (например, ведро с крышкой или как-то так) и хранить контейнер в безопасном месте, пока вы не найдете место, чтобы переработать их.
Пожалуйста, не выбрасывайте энергосберегающие лампы в мусорное ведро! Энергосберегающие лампы являются экологически опасными и могут нанести вред людям!

Шаг 2: Откройте корпус лампы

Разборка старой энергосберегающей лампы

Ок. Начнем. Сначала посмотрим на дела. Большинстве случаев либо приклеены или закрепить вместе. (Мой был обрезан вместе, как и большинство других ламп у меня до сих пор открыт.)

Вы должны быть в состоянии открыть дело, открыв его с помощью отвертки или разрезая его открыть с помощью пилы.

В обоих случаях вы должны быть осторожны, чтобы не повредить стеклянное тело! Будьте очень осторожны.

После того как вы открыли дело, нужно просто обрезать провода, ведущие в стеклянном корпусе, так что вы можете положить его в безопасное место, чтобы избавиться от этой опасности.

Шаг 3: удалите печатную плату из корпуса

Иногда корпус сохранить не удается.
Плата драйвера энергосберегающей лампы готовая к распайке.

Теперь вам необходимо извлечь плату из корпуса.

Будьте очень осторожны и не прикасайтесь к печатной плате голыми руками! Там есть высоковольтный конденсатор (большой электролитический конденсатор можно увидеть на фото) на плате, которая еще могла быть! Попробуйте удалить его из схемы путем перерезания ножки и положить его в безопасное место. (Убедитесь, что не касаетесь ногами!)

Как только высоковольтный конденсатор снимается с доски ничего не останется страха. Теперь можно приступить к отпаяйте все полезные элементы.

Шаг 4: Отпаяйте все полезные части

Детали, которые удалось отпаять

Теперь возьмите паяльник и оловоотсос свой и запчастей.

Как вы можете видеть на картинке есть много полезных деталей на печатной плате, так что вы должны быть в состоянии собрать большое количество полезных элементов для вашего проекта:)

Ну, вот и все. Надеюсь, я смог предоставить вам несколько полезных советов, и я надеюсь, вам понравился мой Instructable:)

Что можно сделать из старых шприцов. (0)
Встречайте. Подставка под микрофон, пистолет и продуктивная овощерезка. Все из старых шприцов. Вроде ничего особенного, но может приукрасить […]
Еще одна полезная вещь из алюминиевой банки. Попкорн заказывали? (0)
Что еще можно сделать из алюминиевой банки. Или еще один способ как сделать попкорн своими руками. Имея две банки и нижеприведенную инструкцию […]

Обсудить статью ЛАМПА СВЕТОДИОДНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ

Импульсный блок и его назначение

R0 – работает ограничителем и предохранителем блока питания. Он стабилизирует и останавливает излишний поток питания тока в момент включения, который протекает через диоды выпрямляющего устройства.
VD1, VD2, VD3, VD4 – используются как мостовые выпрямители.
L0, C0 – фильтруют подачу тока и делают её без перепадов.
R1, C1, VD8 и VD2 – запускная цепь преобразователей. Процесс запуска происходит следующим образом. Источник зарядки конденсатора С1 является первый резистор. После того как конденсатор набирает такой мощности, что способен пробить динистор VD2, он самостоятельно открывается и попутно открывает транзистор, что вызывает автоколебание в схеме. Затем прямоугольный импульс направляется на катод диода VD8 и возникающий минусовый показатель закрывает второй динистор.
R2, C11, C8 – делают стартовый процесс преобразователей более лёгким.
R7, R8 – Делают закрытие транзисторов более эффективным.
R6, R5 – создают границы для тока на базах каждого транзистора.
R4, R3 – работают как предохранители в случае резкого повышения напряжения в транзисторах.
VD7 VD6 – предохраняют каждый транзистор бп от возвратного тока.
TV1 – обратный трансформатор для связи.
L5 – дроссель балластный.
C4, C6 – конденсаторы разделения, где всё напряжение и питание разделяется пополам.
TV2 – трансформатор для создания импульсов.
VD14, VD15 – диоды, работающие от импульсов.
C9, C10 – фильтрующие конденсаторы.

Отличия конструкции лампы от импульсного блока

Плата с энергосберегающей лампы

Импульсный трансформатор

Рассчитываем ёмкость необходимого напряжения

Схема блока питания на 20 ватт

Действующая модель БП мощность – 20 Ватт.

Проделав все необходимые действия, вы получаете мощность бп 20 ватт и рабочую температура трансформатора шестьдесят градусов, транзистора сорок два. Большую мощность сделать не получиться, так как размеры дросселя ограничены и сделать большее количество обмотки не получится.

Схема 100 ватт БП

Следует подключить транзистор 13003

Убедитесь что транзисторы надёжно заизолированы, так как через них проходит ток и при плохой изоляции возможно короткое замыкание.

Подключение к сети 220 вольт

РЕМОНТ И ПЕРЕДЕЛКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЛАМП

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ЛАМПА ОТ 12В

Мотал на глаз и на память интерпритируя размер сердечников, по схеме непрерывной обмотки. Первой намотал коллекторную обмотку 10 витков проводом 0.4мм, второй базовою 6 витков проводом 0.2мм, проложил слой изоляции намотал внахлест нагрузочную обмотку проводом 0.1 получилось около 330-340 витков. В нагрузку подключил лампу от сканера 7w, устройство сразу заработало, чему свидетельствовал исходящий от лампы свет. Рядом лежала 13-ваттная энергосберегающая лампа со сгоревшей спиралью, решил попробовать осилит это детище подобную нагрузку, был приятно удивлен, при токе в пол ампера при напряжении 12 вольт лампа светит достаточно ярко.

Так же работает от двух литий-ионных аккумуляторов, правда потребляя на 150 ма больше. Во едино спаял навесным монтажом (4 деталюги) и все это чудесным образом разместилось в оригинальном корпусе из под балласта на 220.

Транзистор не особо греется, через пять минут работы на нем можно держать палец. Теперь эта конструкция поедет прямиком на дачу, где как обычно постоянно перебои с электричеством, можно будет чай попить или постель разложить при дневном свете.

Что можно сделать, если у Вас сгорела компактная люминесцентная лампа

Хотя на эконом лампы, в зависимости от производителя, существует гарантия и даже до 3-х лет. Но потребители могут столкнуться с тем что лампочка перегорела, а у вас не сохранилась упаковка, чек покупки, магазин переехал в другое место т.е по каким-то независящим от вас причинам вы не можете обменять поломанную вещь. Мы решили предложить Вам воспользоваться оригинальным решением по использованию, перегоревших эконом ламп которое мы нашли на просторах огромного Интернет-ресурса и предлагаем его Вам.

Помните, вы подвергаете жизнь опасности, попав под напряжение 220В!

Проще всего её выбросить в мусор, ну а можно из неё сделать … другую, а если ламп сгоревших накопилось несколько, то можно заняться и …. ремонтом.
Если вы хотя бы раз держали паяльник в руках, то эта статья для Вас.
Вы сделать самостоятельно электронный баласт для ламп дневного света и включить лампу до 30 Ватт, без стартёра и дросселя, с помощью маленькой платки снятой с нашей эконом лампы. При этом она будет зажигаться мгновенно, при понижении напряжения не будет ‘Моргать’.

Данная лампа перегорает двумя способами:
1) горит электронная схема

2) перегорает спираль накала

Для начала выясняем, что же произошло. Разбираем лампу (очень часто собраны на защелках, более дешовые варианты склены).

Отключаем колбу, откусываем провода питания:

Прозваниваем накалы колбы (для принятия решения выбросить колбу или нет)

Мне не повезло, перегорели обе спирали накала (первый раз в моей немалой практике, обычно одна, а когда сгорает схема то и ни одной). В общем если хотя бы одна сгорела колбу выбрасываем, если нет, то она рабочая, а сгорела схема.
Рабочую колбу отлаживаем на хранение (до следующей сгоревшей экономки) и потом к рабочей схеме цепляем колбу. Так из нескольких делаем 1, а может и больше (как повезёт).
А вот вариант изготовления лампы дневного света. Можно подключить, как и 6 Ваттную лампу с «китайского» фонаря (например, я обмотал её пластиком с зелёной бутылки, а схему спрятал в сгоревшее зарядное устройство, от мобильного телефона и получилась классная подсветка для аквариума) так и 30 Ваттную лампу дневного света:

Можно ли отремонтировать электронный балласт?

Люминесцентные лампы с электронным балластом сегодня можно встретить повсеместно. Очень популярны настольные лампы с прямоугольными плафонами и двухколенным держателем. Во всех магазинах электротоваров уже продаются лампы, вворачиваемые в обычные патроны с круглой резьбой вместо классических ламп накаливания. В частности, петербургский метрополитен в последнее время напрочь избавился от ламп накаливания, заменив их люминесцентными. Преимущество таких ламп очевидно — продолжительный срок службы, низкое потребление электроэнергии при высокой светоотдаче (достаточно сказать, что 11-Ваттная люминесцентная лампа заменяет 75-Вт лампу накаливания), мягкий свет со спектром, близким к естественному солнечному свету.
Ведущими производителями люминесцентных ламп являются фирмы Philips, Osram и некоторые другие. К сожалению, на отечественном рынке имеется достаточно китайских ламп низкого качества, которые выходят из стоя гораздо чаще, чем их фирменные собратья. Подробный рассказ об электронных балластах, о принципах работы, преимуществах, схемотехнических решениях есть в книге «Силовая электроника для профессионалов и любителей». Раздел книги называется «Балласт, с которым не утонешь. Новые методы управления люминесцентными осветительными лампами». Поэтому читатели, которым необходимо получить первоначальные
сведения об электронных балластах, могут обратиться к книге, ну а здесь рассматривается достаточно частный вопрос ремонта вышедших из стоя ламп.
История появления этой статьи связана с приобретением автором лампы неизвестной фирмы (фото 1). Данная лампа безотказно работала в люстре несколько месяцев, однако по истечении этого времени она просто перестала зажигаться. Ничего не оставалось сделать, как разобрать лампу, аккуратно (с боков) поддев тонкой отверткой корпус (он состоит из двух половинок, скрепляющихся между собой тремя выступами-защелками).

Разобранная лампа показана на фото 2. Она состоит из круглого цоколя, схемы управления (собственно электронного балласта) и пластмассового кружка, в который вклеена трубка, которая дает свет. При разборке лампы следует соблюдать осторожность, чтобы, во-первых, не разбить баллон и не повредить себе руки, глаза и прочие части тела, а во-вторых, чтобы не повредить электронную схему (не оторвать «дорожки») и корпус (пластмассовый).

Исследования, проведенные с помощью мультиметра, показали, что в баллоне лампы перегорела одна спираль. На фото 3, которое получено уже после вскрытия баллона, видно, что спираль перегорела, затемнив люминофор в окрестностях. Было сделано предположение, что с электронным балластом ничего не случилось (это позже подтвердилось). С большой долей уверенности можно утверждать, что нить лампы — самое слабое место, и в подавляющем большинстве вышедших из стоя ламп будет наблюдаться скорее перегорание нити, нежели выгорание электронной части схемы.
Кстати, об электронной схеме электронного баласта. Она показана на фото 4. Схема перерисована с печатной платы. Кроме того, на ней не показаны некоторые элементы, не затрагивающие основ работы балласта, а также не приведены номиналы. Балласт лампы представляет собой двухтактный автогенератор полумостового типа с насыщающимся трансформатором. Такой автогенератор хорошо описан в книгах и дополнительных пояснений не требует. На входе установлен диодный мост VD1-VD4 с фильтром С1, С2, L1. Конденсатор C1 препятствует проникновению высокочастотных помех в питающую сеть, конденсатор C2 служит фильтром сетевых пульсаций, дроссель L1 ограничивает пусковой ток и фильтрует ВЧ помехи. Дроссель L2 и конденсатор C3 являются элементами резонансного контура, напряжение в котором «зажигает» лампу. Конденсатор C4 — пусковой. Понятно, что при обрыве одной из нитей лампа уже не загорится.

Очень важный элемент схемы — предохранитель F1. Если в схеме электронного балласта что-то случится (например, «выгорят» транзисторы полумоста, создав «сквозной» ток, или пробьется конденсатор C1, С2, или пробьется диодный мост), предохранитель защитит сеть от короткого замыкания и возможного пожара. На фото 5 этот предохранитель показан.

Он представляет собой колбочку без классического держателя с длинными выводами, один из которых припаян к цоколю, а другой, к печатной плате балласта. Так что если предохранитель перегорел, скорее всего, что-то случилось в схеме балласта, и нужно проверять его элементы. А если нет, балласт наверняка цел.
Самое интересное, что такую энергосберегающую лампу можно отремонтировать, и обойдется это дешевле, чем приобрести новую лампу. Она будет выглядеть, конечно, не так красиво, как промышленная, но вполне прилично (если все делать аккуратно). Итак, нужно приобрести сменный элемент для настольной лампы, например, такой, как показан на фото 6. Производителем этой лампы является итальянская фирма Osram, мощность лампы — 11 Вт, что соответствует 75 Вт лампы накаливания.

На коробочке лампы есть интересная информация о потребляемой мощности других ламп, а также по надежности. Данная лампа мощностью 9 Вт заменит 60-Ваттную лампу накаливания, 9 Вт — 40- Ваттную, а 5 Вт — 25-Ваттную. Гарантированное время наработки на отказ — 10000 часов, что соответствует 10 лампам накаливания. Это — примерно 13 месяцев непрерывной работы. Цоколь дампы должен содержать четыре вывода, то есть две спирали (фото 7). У данной лампы правые два вывода относятся к одной спирали, левые два — к другой спирали. Если расположение спиралей неочевидно, всегда можно разыскать нужные выводы с помощью мультиметра — спирали имеют низкое сопротивление порядка нескольким Ом.

Выводы лампы необходимо осторожно, не допуская перегрева, облудить припоем.

Теперь займемся подготовкой основания, к которому будем крепить лампу. Кружок, похожий на имеющийся, залитый белой массой (фото 8), нужно изготовить новый и напильником подготовить площадку, к которой будет приклеена лампа (фото 9). Колбу лампы разбивать категорически не рекомендуется.

Дальше лучше проверить, как зажигается лампа. Подпаиваем выводы лампы к балласту (фото 11) и включаем балласт в сеть. Для приработки стоит его потренировать, включая-отключая несколько раз и выдержав во включенном состоянии несколько часов. Лампа светится достаточно ярким светом, и при этом греется, поэтому ее лучше положить на дощечку и накрыть несгораемым листом. Когда тренировка проведена, разбираем эту конструкцию и начинаем монтаж лампы.

Берем тюбик суперклея «Момент» и наносим на сопрягаемые поверхности несколько капель. Потом вставляем выводы в отверстия и плотно прижимаем детали друг другу, выдерживая полчаса в таком виде. Клей надежно «схватит» детали (фото 10). Лучше использовать этот клей, или дихлорэтан, поскольку для надежного крепления пластмасса в сопрягаемом месте должна немного расплавиться.

Осталось собрать лампу. Впаиваем балласт в цоколь, не забыв о предохранителе. Заранее (до впайки) нужно припаять четыре провода, которыми лампа будет связана с балластом. Подойдет любой провод, ну лучше, чтобы это был провод типа МГТФ во фторопластовой термостойкой изоляции (фото 12). Собирается лампа тоже просто — достаточно уложить провода внутри цоколя, или скрутить их жгутиком, и затем защелкнуть фиксаторы. Отверстия от прошлого баллона в целях электробезопасности лучше заклеить кружочками, ввырезанными из упаковки от молочных продуктов.

Отремонтированная лампа готова (фото 13). Ее можно ввернуть в патрон.
В заключение отмечу, что можно достаточно просторно фантазировать на тему электронных балластов. К примеру, вставить лампу в красивый светильник и подвесить его к потолку, используя части от сгоревшей лампы.

Клинья из эффективных зданий — Инициатива по снижению выбросов углерода

Один клин будет от жилого сектора.
Другой клин будет из коммерческого сектора.
Наибольшая экономия углерода приходится на отопление и охлаждение помещений, водонагревание, освещение и электрические приборы.

Отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) за 2001 год «Смягчение последствий» содержит исторические данные и прогнозы по всем секторам экономики и уровням промышленного развития.В отчете цитируется документ 1996 года, заказанный МГЭИК, в котором строительный сектор в целом имеет «технологический и экономический потенциал» для сокращения выбросов вдвое, по сравнению с конкретным базовым сценарием, с 3,9 ГтС / год до 2,0 ГтС / год. . Таким образом получается два клина. Один клин достигается в жилых, а другой — в коммерческих зданиях. В базовом случае две трети выбросов углерода приходится на жилые здания, но экономия углерода, достижимая в коммерческих зданиях, оценивается больше, чем в жилых домах (65% против45%).

Как в жилых, так и в коммерческих зданиях почти половина экономии достигается за счет зданий в развивающихся странах (S25, Таблица 3.5, стр. 189). В документе, однако, предупреждается, что только «от 35% до 60% мер по повышению эффективности, которые технически и экономически осуществимы … могут быть приняты на рынке с помощью известных и установленных подходов (S25, стр. 188, ссылка 13)».

Мы можем интерпретировать это наблюдение двумя способами, в зависимости от того, как мы рассматриваем бизнес как обычный.

Мы можем оценить экономию, доступную при использовании «известных и устоявшихся» подходов, как достаточно трудную для достижения, чтобы ее невозможно было получить в рамках «Бизнес как обычно». Тогда один клин будет доступен за счет реализации этих подходов, а второй клин будет доступен, если неизвестные и еще не отработанные подходы могут быть реализованы для реализации второй половины выявленного технического потенциала для экономии углерода.
Мы можем рассматривать экономию с помощью «известных и устоявшихся» подходов, чтобы быть частью «Бизнеса как обычно», и, следовательно, с большой вероятностью это произойдет без акцента на углерод.В этом случае будет доступен только второй вышеупомянутый клин.

Экономия углерода за счет нагрева воды в помещениях будет достигнута за счет синергизма между стратегиями повышения эффективности конечного использования, такими как изоляция стен и крыш, и стратегиями использования возобновляемых источников энергии, такими как солнечное нагревание воды и пассивное солнечное проектирование.

Часто возникают критические взаимодействия между двумя стратегиями, которые уменьшают комбинированный эффект по сравнению с суммой двух действий, действующих независимо. Подумайте о домашнем освещении и обезуглероживании электричества.

Расчет клиньев может различить два 2054 мира, один с половиной, а другой с полным смещением ламп накаливания (IB) с компактными люминесцентными лампами (CFB). На карту поставлено около 10 кгC / год для каждого светильника, если предположить: 1) лампы работают 4 часа в день; 2) CFB мощностью 15 Вт заменяет IB мощностью 60 Вт, обеспечивая тот же световой поток; и 3) углеродоемкость электроэнергии составляет 160 гКл / кВтч, как и в последние годы1. Если мы представим 50 миллиардов осветительных приборов в 2054 году (сегодня их около 10 миллиардов), то половина по сравнению с полным проникновением будет составлять четверть клина (25 миллиардов светильников при экономии 10 кгC / год).Но будет доступно менее одной четверти клина до такой степени, что углеродоемкость электричества упадет к 2054 году по сравнению с текущим значением.

Углеродоемкость электроэнергии снизилась на 28% за 29 лет с 1971 по 2000 год, с 204 гC / кВтч до 159 гC / кВтч, или на 0,9% / год (S24, стр. 411 и 413). Можно было бы ожидать значительного дальнейшего сокращения углеродоемкости электроэнергии в мире, где к глобальному углеродному выбросу относятся очень серьезно.

Электрически переключаемые стабилизированные полимером широкополосные инфракрасные отражатели и их потенциал в качестве интеллектуальных окон для энергосбережения в зданиях

Seppänen, O.А. и Фиск, В. Дж. Некоторые количественные отношения между качеством окружающей среды в помещении и производительностью труда или здоровьем. HVAC & R Res. 12, 957–973, (2006).

Артикул Google ученый

Овен, М. Б. К., Вейтч, Дж. А. и Ньюшем, Г. Р. Окна, вид и рабочие характеристики предсказывают физический и психологический дискомфорт. J. Environ. Psychol. 30, 533–541, (2010).

Артикул Google ученый

Сингх, А., Сиал, М., Грэди, С. К. и Коркмаз, С. Влияние экологичных зданий на здоровье и производительность труда сотрудников. Являюсь. J. Public Health 100, 1665–1668, (2010).

Артикул Google ученый

Холмс, М. Дж. И Хакер, Дж. Н. Изменение климата, тепловой комфорт и энергия: решение проблем дизайна 21 века. Energ. Корпус 39, 802–814, (2007).

Артикул Google ученый

Дорожная карта технологий — Энергоэффективные ограждающие конструкции.(МЭА, Париж, Франция, 2013 г.).

Очоа, К. Э., Овен, М. Б. К., ван Лоенен, Э. Дж. И Хенсен, Дж. Л. М. Соображения по критериям оптимизации дизайна окон, обеспечивающих низкое энергопотребление и высокий визуальный комфорт. Прил. Energ. 95, 238–245, (2012).

Артикул Google ученый

Гутьеррес, М. П. и Ли, Л. П. Мультимасштабное проектирование и интеграция функций устойчивого строительства. Science 341, 247–248, (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Hashemi, A. & Gage, S. Технические проблемы, влияющие на использование модифицированных панельных тепловых жалюзи в коммерческих зданиях. Строить. Серв. Англ. Res. Т. 35, 6–22, (2012).

Артикул Google ученый

Цемпеликос, А. и Афиенитис, А. К. Влияние дизайна и контроля затенения на охлаждение здания и потребность в освещении.Sol. Энергия 81, 369–382, (2007).

ADS Статья Google ученый

Li, W. et al. Влияние фотополимеризуемого мономера, содержащего водородную связь, на пропускание излучения в ближней инфракрасной области спектра нематических жидких кристаллов / мономеров композитов. J. Phys. Chem. С 112, 13739–13743, (2008).

CAS Статья Google ученый

Kwon, H.-K. и другие. Smart Windows с оптическим переключением и встроенными фотоэлектрическими устройствами.Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002 / aenm.201401347 (2015).

Раннерстром, Э. Л., Ллордес, А., Лунис, С. Д., Миллирон, Д. Дж. Наноструктурированные электрохромные интеллектуальные окна: традиционные материалы и плазмонные нанокристаллы, селективные в ближнем инфракрасном диапазоне. Chem. Commun. 50, 10555–10572, (2014).

CAS Статья Google ученый

Шибаев В., Бобровский А. и Бойко Н. Светочувствительные хиральные фотохромные жидкокристаллические полимерные системы.J. Photoch. Photobio. А 155, 3–19, (2003).

CAS Статья Google ученый

Баэтенс Р., Йелле Б. П. и Густавсен А. Свойства, требования и возможности интеллектуальных окон для динамического контроля дневного света и солнечной энергии в зданиях: современный обзор. Sol. Energ. Мат. Sol. С. 94, 87–105, (2010).

CAS Статья Google ученый

Йонссон, А.И Роос, А. Визуальные и энергетические характеристики переключаемых окон с просветляющими покрытиями. Sol. Энергия 84, 1370–1375, (2010).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Wang, J. et al. Двухфункциональное устройство для электрохромных окон с автономным питанием и прозрачных аккумуляторных батарей. Nat. Сообщество, DOI: 10.1038 / ncomms5921, (2014).

Chen, X. et al. Широкополосное отражение стабилизированных полимером хиральных нематических жидких кристаллов, индуцированное хиральным азобензольным соединением.Chem. Commun. 50, 691–694, (2014).

CAS Статья Google ученый

Дебие, М. Г. Коллекторы солнечной энергии с регулируемой передачей. Adv. Funct. Матер. 20, 1498–1502, (2010).

CAS Статья Google ученый

Ханделвал, Х., Лоонен, Р. К. Г. М., Хенсен, Дж. Л. М., Шеннинг, А. П. Х. Дж. И Дебие, М. Г. Применение широкополосного инфракрасного отражателя на основе двухслойной холестерической жидкокристаллической полимерной пленки для окон и его влияние на снижение энергопотребления в зданиях.J. Mater. Chem. А 2, 14622–14627, (2014).

CAS Статья Google ученый

Lampert, C. M. Покрытия с тепловыми зеркалами для энергосберегающих окон. Sol. Energ. Матер. 6, 1–41, (1981).

CAS Статья Google ученый

Loonen, R. C. G. M., Singaravel, S., Trčka, M., Cóstola, D. & Hensen, J. L. M. Поддержка на основе моделирования для разработки инновационных компонентов ограждающих конструкций зданий.Автомат. Констр. 45, 86–95, (2014).

Артикул Google ученый

Янг, Х. и др. Отражающие поляризаторы с регулируемой температурой полосы пропускания из композитов (полимерная сетка / жидкий кристалл / хиральная легирующая добавка). Прил. Phys. Lett. 82, 2407–2409, (2003).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Guo, R. et al. Хиральные полимерные сетки с широкой полосой отражения, достигаемой при различной температуре.Полимер 51, 5990–5996, (2010).

CAS Статья Google ученый

Llordes, A., Garcia, G., Gazquez, J. & Milliron, D. J. Настраиваемый коэффициент пропускания ближнего инфракрасного и видимого света в композитах из нанокристаллов в стекле. Nature 500, 323–326, (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Xianyu, H., Faris, S. & Crawford, G.P. Переключение холестерических жидких кристаллов в плоскости для приложений видимого и ближнего инфракрасного диапазона.Прил. Опт. 43, 5006–5015, (2004).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Ким, К.-Х. и другие. Холестерическая жидкокристаллическая ячейка с длинным шагом для переключаемого ахроматического отражения. Опт. Express 18, 16745–16750, (2010).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Е, Х., Мэн, Х. и Сюй, Б. Теоретические обсуждения идеального окна, идеального окна для регулирования ближнего инфракрасного солнечного спектра и текущего термохромного окна.Energ. Корпус 49, 164–172, (2012).

Артикул Google ученый

Лоонен, Р. К. Г. М., Трчка, М., Костола, Д. и Хенсен, Дж. Л. М. Адаптивные к изменению климата строительные оболочки: современное состояние и задачи будущего. Обновить. Sust. Energ. Ред. 25, 483–493, (2013).

Артикул Google ученый

Hoffmann, S., Lee, E. S. и Clavero, C. Исследование технического потенциала термохромных окон с переключением в ближнем инфракрасном диапазоне для коммерческих зданий.Sol. Energ. Мат. Sol. С. 123, 65–80, (2014).

CAS Статья Google ученый

Arsenault, H., Hébert, M. & Dubois, M.-C. Влияние цветотипа остекления на восприятие качества дневного света, схемы возбуждения и включения электрического света в офисных помещениях. Строить. Environ. 56, 223–231, (2012).

Артикул Google ученый

Рассчитано по данным, приведенным на сайте Национальной исследовательской энергетической лаборатории , http: // www.nrel.gov, США .

Уайт, Т. Дж., МакКонни, М. Э. и Баннинг, Т. Дж. Динамический цвет в холестерических жидких кристаллах, реагирующих на раздражители. J. Mater. Chem. 20, 9832–9847, (2010).

CAS Статья Google ученый

Митов М. Холестерические жидкие кристаллы с широкой полосой отражения света. Adv. Матер. 24. С. 6260–6276, (2012).

CAS Статья Google ученый

Малдер, Д.Дж., Шеннинг, А. П. Х. Дж. И Бастиаансен, К. В. М. Хирально-нематические жидкие кристаллы как одномерные фотонные материалы в оптических сенсорах. J. Mater. Chem. С. 2, 6695–6705, (2014).

CAS Статья Google ученый

Броер, Д. Дж., Мол, Г. Н., Хаарен, Дж. А. М. М. В. и Люб, Дж. Фотоиндуцированная диффузия в полимеризуемых хирально-нематических средах. Adv. Матер. 11. С. 573–578, (1999).

CAS Статья Google ученый

Инь, Ю.и другие. Влияние структуры мономера на морфологию полимерной сетки и электрооптические свойства холестерической текстуры, стабилизированной полимером в обратном режиме. J. Appl. Polym. Sci. 111, 1353–1357, (2009).

CAS Статья Google ученый

Hu, W. et al. Электрически управляемое селективное отражение хиральных нематических жидких кристаллов / хиральных ионных жидких композитов. Adv. Матер. 22, 468–472, (2010).

CAS Статья Google ученый

Хикмет, Р.А. М. и Кемперман, Х. Электрически переключаемые зеркала и оптические компоненты из жидкокристаллических гелей. Nature 392, 476–479, (1998).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Диркинг, И. Полимерная сеть — стабилизированные жидкие кристаллы. Adv. Матер. 12. С. 167–181, (2000).

CAS Статья Google ученый

Mitov, M. & Dessaud, N. Холестерические жидкокристаллические материалы, отражающие более 50% неполяризованного падающего света.Liq. Cryst. 34, 183–193, (2007).

CAS Статья Google ученый

Guo, J. et al. Стабилизированные полимером жидкокристаллические пленки, отражающие свет с правой и левой круговой поляризацией. Прил. Phys. Lett. 93, 201901, (2008).

ADS Статья Google ученый

Relaix, S. & Mitov, M. Влияние геометрических и электрических ограничений на характеристики холестерических жидких кристаллов, стабилизированных полимером, с полосой отражения света с двойной круговой поляризацией.J. Appl. Phys. 104, 033539, (2008).

ADS Статья Google ученый

White, T. J. et al. Полимерная стабилизация фотонастраиваемых холестерических жидких кристаллов. Мягкое вещество 5, 3623–3628, (2009).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Диркинг, И. Последние разработки в области жидких кристаллов, стабилизированных полимером. Polym. Chem. 1, 1153–1159, (2010).

CAS Статья Google ученый

Guo, J., Xing, H., Jin, O., Shi, Y. & Wei, J. Электрически индуцированное многоцветное гиперотражение и бистабильное переключение от полимерно-дисперсного холестерического жидкого кристалла и шаблонного спирального полимера . Мол. Cryst. Liq. Cryst. 582, 21–33, (2013).

CAS Статья Google ученый

Ли, К. М. и др.Регулируемые по цвету зеркала на основе электрически регулируемого расширения полосы пропускания в полимерстабилизированных холестерических жидких кристаллах. ACS Photonics 1, 1033–1041, (2014).

CAS Статья Google ученый

Broer, D. J., Lub, J. & Mol, G. N. Широкополосные отражающие поляризаторы из холестерических полимерных сетей с градиентом шага. Nature 378, 467–469, (1995).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Ван, Ф.и другие. Влияние термически индуцированной диффузии красителя на характеристики широкополосного отражения пленок холестерических жидких кристаллов. Композиты Часть B 46, 145–150, (2013).

CAS Статья Google ученый

Янг, Д. К., Чиен, Л. К. и Доан, Дж. У. Дисперсия холестерических жидких кристаллов / полимеров для создания матовых световых ставен. Прил. Phys. Lett. 60, 3102–3104, (1992).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Бине, К., Митов М. и Мозак М. Переключаемое широкополосное отражение света в холестерических жидких кристаллах, стабилизированных полимером. J. Appl. Phys. 90, 1730–1734, (2001).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

Судзуки Ю., Мизошита Н., Ханабуса К. и Като Т. Гомеотропно ориентированные нематические физические гели для электрооптических материалов. J. Mater. Chem. 13, 2870–2874, (2003).

CAS Статья Google ученый

Митов, М., Nouvet, E. & Dessaud, N. Стабилизированные полимером холестерические жидкие кристаллы как переключаемая фотонная широкая запрещенная зона. Евро. Phys. J. E 15, 413–419, (2004).

CAS Статья Google ученый

Оуэн, М. С. Справочник ASHRAE: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха . (2009).

Ройзин, Б., Бодарт, М., Денейер, А. и Д’Эрдт, П. Экономия энергии на освещении в офисах с использованием различных систем управления и их реальное потребление.Energ. Корпус 40, 514–523, (2008).

Артикул Google ученый

Ли, Д. Х. У., Чунг, К. Л., Вонг, С. Л. и Лам, Т. Н. Т. Анализ энергоэффективных осветительных приборов и средств управления освещением. Прил. Energ. 87, 558–567, (2010).

Артикул Google ученый

О’Брайен, В., Капсис, К. и Атиенитис, А. К. Ручные шаблоны оконных штор в офисных зданиях: критический обзор.Строить. Environ. 60, 319–338, (2013).

Артикул Google ученый

Arens, E. et al. Моделирование комфортных эффектов коротковолнового солнечного излучения в помещении. Строить. Environ. 88, 3–9, (2015).

Артикул Google ученый

Verbunt, P. P. C. et al. Управление излучением света в люминесцентных солнечных концентраторах с помощью молекул красителя, выровненных в плоском порядке жидкими кристаллами.Adv. Funct. Матер. 19, 2714–2719, (2009).

CAS Статья Google ученый

Дебие М. и Вербунт П. П. Тридцать лет исследований люминесцентных солнечных концентраторов: солнечная энергия для искусственной среды. Adv. Energy Mater. 2, 12–35, (2012).

CAS Статья Google ученый

Чжао, Ю., Мик, Г. А., Левин, Б. Г. и Лант, Р. Р.Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для сбора урожая в ближнем инфракрасном диапазоне. Adv. Опт. Матер. 2, 606–611, (2014).

CAS Статья Google ученый

Стабильность работы перовскитных светодиодов

Механизмы разрушения перовскитных светодиодов делятся на три категории: (i) миграция ионов, (ii) электрохимические реакции и (iii) межфазные реакции, как показано на рисунке 1. Как показано на рис. Первопричина деградации устройства первого порядка, миграция ионов внутри перовскитов может привести к миграции дефектов [41–44], аннигиляции и созданию галогенидных дефектов Френкеля [45–49], модификации при инжекции заряда [50–54] и искажению кристаллической решетки. [35, 43, 49, 55] (рисунок 1 (a)), в то время как миграция ионов через границу раздела может привести к коррозии электродов [36, 56–61] (рисунок 1 (b)).Электрохимические реакции, вызванные инжекцией заряда, приводят к разложению перовскитов на PbI ₂ на границе раздела анода [35, 49, 62] и образованию глубоких ловушек (межузельные частицы Pb ⁰) на границе раздела катода [63] (рисунок 1 (в)). Спонтанные химические реакции между перовскитами и другими материалами, контактирующими с перовскитами, включая металлы [36, 37], оксид индия-олова (ITO) [38], материалы для переноса заряда, такие как поли (3,4-этилендиокситиофен) -поли (стиролсульфонат) ( PEDOT: PSS) [39] и оксид цинка (ZnO) [40] также приводят к деградации устройства (рисунок 1 (d)).

Галогенидные перовскиты обладают смешанной электронной и ионной проводимостью [50, 64]. Для понимания ионной проводимости перовскитов были проведены как экспериментальные [35, 65–67], так и теоретические [64, 68–71] исследования. Юань и др. наблюдали образование PbI ₂ на стороне анода в боковой структуре устройства под действием внешнего смещения, и его распространение по направлению к катоду было изучено с помощью картирования энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). прямое экспериментальное свидетельство миграции галогенидных ионов [35].В другой работе те же авторы наблюдали накопление ионов метиламмония (MA ⁺) на катодной стороне с помощью фототермической резонансной микроскопии, показав, что MA ⁺ также является подвижным [65]. Чтобы понять механизмы миграции ионов, различные группы провели расчеты и обнаружили, что энергии активации миграции галогенид-иона и MA ⁺ находятся в диапазоне 0,1–0,6 эВ и 0,5–1,0 эВ соответственно [64, 68–70], подтверждая возможность миграции ионов в перовскитах.С другой стороны, энергия активации миграции Pb ²⁺, по расчетам, превышает 1,0 эВ [64], что слишком велико, чтобы быть подвижным. Низкая энергия активации миграции галогенид-иона делает его наиболее вероятным мобильным ионным компонентом в перовскитах и основной причиной различных явлений, о которых сообщалось, включая гистерезис в ФВ [72], гигантский переключаемый фотоэлектрический эффект [73], перемежаемость флуоресценции [74], фото- или электрическое усиление фотолюминесценции (ФЛ) [45, 47], инжекция заряда с переключаемой полярностью [50, 52] и фазовая сегрегация [75, 76].

Учитывая, что миграция ионов является термически активируемым процессом, общий подход к экспериментальному определению энергии активации заключается в проведении температурно-зависимых измерений, таких как спектроскопия импеданса [50], ионная проводимость [77] переходный ток [78] и переходная емкость [79] ]. Однако энергии активации, полученные разными группами, показывают большое расхождение в пределах от 0,1 до 1,0 эВ. Meggiolaro и др. объяснили это несоответствие разницей в размере зерен перовскитов, изготовленных разными группами [70].Посредством расчетных исследований они обнаружили, что образование дефектов облегчается на границах зерен, что указывает на то, что меньшие размеры зерен приводят к более низкой энергии активации из-за большей площади поверхности границ зерен [70]. В других экспериментальных работах также было обнаружено, что миграция ионов вдоль границы зерен происходит быстрее и более распространена по сравнению с путями внутри зерен [66, 80], что подтверждает аргумент о зависимости энергии активации от размера зерен.

Чтобы лучше понять роль миграции ионов в стабильности устройства, мы классифицируем миграцию ионов в перовскитных светодиодах на две категории: миграция ионов внутри слоя перовскита и миграция ионов через интерфейсы.Следует отметить, что эти два процесса могут сосуществовать, что усложняет анализ механизма деградации перовскитных светодиодов.

2.1.1. Миграция ионов внутри перовскита

Миграция ионов внутри перовскитов может привести к: (i) миграции дефектов [41–44], (ii) аннигиляции и созданию дефектов Френкеля [45–49], (iii) модификации при инжекции заряда [50– 54] и (iv) искажение кристаллической решетки [35, 43, 49] (рисунок 1 (a)). В следующем обсуждении мы покажем, что первые три последствия могут привести к частичным обратимым изменениям в эффективности устройства, в то время как последнее может произойти при высоком управляющем напряжении или длительной работе, что приведет к полностью необратимому ухудшению характеристик.Сосуществование различных явлений деградации, вызванных миграцией ионов, усложняет механизм деградации.

Миграция ионов по сути является миграцией дефектов. Чтобы понять, как миграция дефектов влияет на эффективность устройства, нам необходимо понять химию дефектов галогенидных перовскитов. По результатам расчетных исследований было сделано предположение, что большинство точечных дефектов, образующихся в перовскитах, являются мелкими дефектами, которые не вносят вклад в безызлучательную рекомбинацию, за исключением Pb ⁰ и межузельных атомов галогенидов, энергии которых близки к энергии средней запрещенной зоны. [9, 11].Как упоминалось ранее, Pb не считается подвижным из-за высокой энергии активации [64]. Следовательно, галогенид-ионы играют доминирующую роль в влиянии на эффективность устройства за счет миграции ионов. Миграция галогенидных внедрений вызывает изменение распределения центров закалки в перовските [41–44]. Deng и др. сообщили об индуцированном электрическим полем обратимом гашении ФЛ в перовскитах в низком электрическом поле, наблюдаемом с помощью микроскопии ФЛ на боковом устройстве (рис. 2) [43].Они обнаружили, что эффективность фотолюминесценции перовскитовой пленки на аноде со временем уменьшается, что объясняется накоплением галогенидных межузельных атомов на аноде [41, 42, 44]. Уменьшение эффективности фотолюминесценции может быть восстановлено путем устранения внешнего смещения, позволяющего галогенид-ионам диффундировать обратно к исходному распределению [43]. При увеличении приложенного электрического поля до определенного значения наблюдалось необратимое тушение ФЛ, и образование PbI ₂ свидетельствует о разложении перовскитов [43].В этом случае искажение кристаллической решетки вызывается миграцией ионов под действием такого высокого электрического поля, и деградация становится необратимой. В дополнение к накоплению галогенидных междоузлий, Cheng и др. предположили, что избыточные галогенидные вакансии, компенсируемые электронами, могут восстанавливать Pb ²⁺ до Pb ⁰, что также способствует тушению ФЛ на анодной стороне [44]. Хотя эти исследования проводились на боковой структуре устройства, эти явления могут помочь визуализировать эффекты миграции ионов на перовскитных светодиодах.Если зона рекомбинации в перовскитном светодиодах расположена близко к аноду, приложение прямого смещения может направить галогенидные промежуточные звенья к зоне рекомбинации, что приведет к снижению эффективности устройства. Эту деградацию также можно восстановить, применив обратное смещение для удаления межузельных галогенидов из зоны рекомбинации или сняв смещение, чтобы позволить ионам галогенидов диффундировать обратно к их первоначальному распределению. Напротив, если зона рекомбинации находится близко к границе раздела катода, приложение прямого смещения приводит к обратимому увеличению эффективности устройства из-за миграции галогенидных внедрений из зоны рекомбинации.Мы предполагаем, что этот механизм может быть одной из причин зависимости скорости сканирования, направления сканирования и предсмещения от эффективности устройства. Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять это явление.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. PL-изображение перовскита в боковой структуре устройства при различном электрическом поле. Гашение ФЛ на анодном узле обратимо при слабом электрическом поле (<0.9 В мкм м ⁻¹). Воспроизведено с разрешения [43]. Авторское право 2016 г., Королевское химическое общество.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Помимо миграции дефектов, обратимая деградация также может быть вызвана аннигиляцией и созданием галогенидных дефектов Френкеля [45–49]. Несколько групп сообщили о фотоиндуцированном усилении ФЛ в перовскитах, и они объяснили это явление аннигиляцией галогенидных дефектов Френкеля, вызванной миграцией ионов (рис. 3 (а)) [45, 47].При фотовозбуждении миграции ионов способствует электрическое поле, индуцированное заполнением ловушек, так что галогенидные вакансии и межузельные галогениды могут мигрировать, встречаться в перовските и аннигилировать, уменьшая плотность дефектов [45]. Уменьшение плотности дефектов за счет этой бимолекулярной рекомбинации приводит к увеличению эффективности ФЛ. При хранении перовскитов в темноте в течение некоторого времени эффективность ФЛ снижается из-за обратной диффузии ионов [45]. Подобное явление также наблюдалось при приложении электрического напряжения к светодиодам из перовскита [46, 48].Чжао и др. сообщили об обратимом повышении эффективности устройства за счет применения кратковременного электрического напряжения (рис. 3 (b)) [46]. Авторы обнаружили, что как эффективность ФЛ, так и время затухания ФЛ улучшились после электрического напряжения, что указывает на уменьшение плотности дефектов. В этом случае обратимое повышение эффективности объясняется аннигиляцией галогенидных дефектов Френкеля на границах зерен. Подобно фотоиндуцированному усилению ФЛ, когда они устраняют смещение в течение нескольких дней, эффективность устройства падает из-за воссоздания дефектов Френкеля, вызванных обратной диффузией ионов.Эффективность можно восстановить, снова применив к устройству кратковременное смещение. Однако, когда смещение увеличивается до 15 минут, происходит необратимая деградация, которую можно частично отнести к искажениям кристаллической решетки при такой продолжительной работе.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. (а) Усиление ФЛ перовскита при фотовозбуждении и релаксация в темноте.Синяя, зеленая и прочтенная кривые показывают темные, промежуточные и светлые области перовскитовой пленки при фотовозбуждении соответственно. Воспроизведено с разрешения [45]. Авторское право 2016, Издательская группа Nature. (б) Обратимое повышение эффективности устройства перовскитного светодиода за счет электрического напряжения [46]. Воспроизведено с разрешения [46]. Авторские права 2017, Wiley-VCH. (c) Инжекция тока, модифицированная электрическим полингом [52]. (d) Схематическая диаграмма, демонстрирующая, как накопление подвижных ионов на границе раздела электродов влияет на инжекцию заряда [52].Воспроизведено с разрешения [52]. Авторское право 2019 г., Американское химическое общество.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Наконец, миграция ионов может изменить инжекцию заряда в перовскитных светодиодах, что приведет к обратимому изменению эффективности устройства [50–54]. Несколько групп сообщили об исследованиях того, как миграция ионов влияет на инжекцию заряда и электролюминесценцию (EL) перовскитов. Чжан и др. зажали слой перовскита между двумя электродами с высокой работой выхода, где ЭЛ может быть достигнута путем инжекции электронов или дырок с любого направления [50].Они приписали ЭЛ с переключаемой полярностью миграцией ионов в перовскитной пленке и рассматривали устройство как светоизлучающие электрохимические ячейки (LEC). Формирование LEC происходит из-за накопления ионов на границе раздела электродов под действием приложенного поля, изменяя барьер инжекции заряда, так что инжекция заряда может быть облегчена независимо от смещения энергии на границе раздела электрод / перовскит. Аналогичные результаты были также получены Андричевичем и др. , где монокристаллический перовскит использовался в качестве эмиттера, а вертикально ориентированные углеродные нанотрубки использовались в качестве электродов [52].В их исследовании инжекция заряда может быть улучшена путем электрического опроса устройства, а изменение инжекции заряда является обратимым (рисунки 3 (c) и (d)). Bandiello и др. непосредственно изучали влияние миграции ионов на эффективность электролюминесценции перовскитов [51]. Они обнаружили, что эффективность устройства была улучшена за счет применения предварительного смещения, и приписали это явление улучшенной инжекции заряда, вызванной миграцией ионов. Однако они не могут исключить возможность того, что повышение эффективности может быть также связано с миграцией дефектов или аннигиляцией дефектов Френкеля, как обсуждалось ранее.Необходимы дополнительные исследования, чтобы дифференцировать эти различные процессы и понять взаимодействие этих механизмов в стабильности работы перовскитных светодиодов.

2.1.2. Миграция ионов через границу раздела

Миграция ионов через границу раздела в перовскитных светодиодах может привести к необратимой деградации из-за коррозии электрода [36, 56–61] (рисунок 1 (b)). И MA ⁺, и ионы галогенидов могут мигрировать через органическую прослойку, позволяя ионам галогенидов реагировать с металлическими электродами, такими как Al и Ag, образуя изолирующие компоненты (AlI ₃ и AgI) на границе раздела электродов [56, 60] .Этот процесс миграции ионов был широко исследован несколькими группами с использованием времяпролетной вторичной ионной масс-спектроскопии (рисунки 4 (а) и (b)) [56, 60] и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии [57]. В этих экспериментах было обнаружено, что концентрация галогенидов увеличивается в электроде, а также в органической прослойке после электрического полирования. Кроме того, образование галогенида серебра в серебряном электроде было подтверждено рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS) (рис. 4 (c)) [59, 61] и дифракцией рентгеновских лучей (рис. 4 (d)) [ 81].

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Концентрация (а) иона Br и (б) MA ⁺ в алюминиевом электроде перовскитного светодиода методом TOF-SIMS. Синяя и красная кривая представляют Т ₅₀ и Т ₁₀ соответственно. Воспроизведено с разрешения [56]. Авторское право 2019 г., Американское химическое общество. (c) Йодный сигнал, обнаруженный с помощью XPS на Ag-электроде перовскитного солнечного элемента с различным слоем блокировки ионов между перовскитом и электродом.CQD означает углеродные квантовые точки, а G-PCBM означает PCBM, легированный 2 мас.% Легированного N-легированным графеном [57]. Воспроизведено с разрешения [57]. Авторские права 2017, Издательская группа Nature. (d) XRD Ag на перовските с пассивирующими материалами на основе амина и без них (PEI — полиэтиленимин, а EDA — этилендиамин). Воспроизведено с разрешения [81]. Авторское право 2017 г., Американское химическое общество.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Коррозия электрода несколько влияет на стабильность устройства.Во-первых, образование изолирующих компонентов препятствует инжекции заряда, что приводит к отказу электролюминесценции в некоторых областях, показанных в виде темных пятен [56]. Во-вторых, потребление галогенид-ионов на границе раздела электродов обеспечивает движущую силу для извлечения ионов, дополнительно облегчая переход ионов от слоя перовскита к металлическому электроду [60]. В-третьих, поскольку границы зерен являются основным каналом миграции ионов, потеря ионов начинается с поверхностей границ зерен и формирует путь, который может расти геометрически и в конечном итоге превращаться в микроотверстия, приводящие к образованию шунтирующих путей и, следовательно, темных пятен [56, 60 ].Наконец, потеря галогенид-ионов и MA ⁺ может инициировать разложение кристалла перовскита, что влияет на перенос заряда и увеличивает плотность дефектов, что приводит к снижению эффективности устройства.

Помимо коррозии электрода, галогенид-ионы, мигрирующие в переносящие заряд слои, могут изменять свои транспортные свойства, тем самым влияя на эффективность устройства. Ли и др. сообщили о квазин-легирующем эффекте метилового эфира фенил-C ₆₁ -масляной кислоты (PCBM) за счет инфильтрации ионов йода в перовскитные солнечные элементы [82].Эффект легирования обусловлен термодинамически благоприятным образованием радикала галогенида PCBM. Благодаря эффекту n-легирования электронный транспорт PCBM увеличивается. Кроме того, молекулярная упаковка PCBM также была изменена со случайной на упорядоченную структуру из-за сильного взаимодействия с пропитанными ионами йода, что привело к увеличению напряжения холостого хода. Carrillo et al изучали реакцию между ионами йода и 2,2 ‘, 7,7′-тетракис [N, N-ди (4-метоксифенил) амино] -9,9’-спиробифлуореном (спиро-OMeTAD) [83 ], который обычно используется в качестве слоя для переноса дырок (HTL) в перовскитных устройствах.Как мы знаем, частичное окисление необходимо для улучшения дырочной проводимости спиро-OMeTAD за счет образования спиро-OMeTAD ⁺. Однако ионы йода могут восстанавливать эти окисленные молекулы до нейтральных частиц, что приводит к снижению дырочной проводимости [83]. Помимо ПХБМ и спиро-OMeTAD, ионы галогенидов могут также мигрировать в другие органические слои, такие как 2, 2 ‘, 2’ ‘- (1,3,5-бензинтриил) -трис (1-фенил-1-H-бензимидазол). ) (TPBi) [56], который обычно используется в качестве слоя переноса электронов (ETL) в перовскитных светодиодах.Однако влияние взаимодействия галогенид-ионов с TPBi пока не выявлено. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять его влияние на стабильность устройства.

Перовскиты могут подвергаться электрохимическим реакциям под действием внешнего смещения [35, 49, 62, 63], что является еще одним механизмом деградации перовскитных светодиодов (рисунок 1 (c)). Электрохимические реакции в перовскитах могут происходить как на границе раздела анода, так и катода. На границе раздела анода эти реакции приводят к межфазной деградации, и она распространяется к основной части перовскита за счет миграции ионов [35].Несколько исследований показали образование PbI ₂ на анодной стороне в боковой структуре устройства [35, 49, 62] (рисунок 5). Электрохимическая реакция была предложена следующим образом [35]:

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Образование и распространение PbI ₂ в результате электрохимической реакции на аноде. Воспроизведено с разрешения [35]. Авторское право 2015, Wiley-VCH.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Утечка газообразного йода делает разложение необратимым.Хотя прямое исследование электрохимических реакций при разложении перовскитных светодиодов отсутствует, мы предполагаем, что образование изолирующего PbI ₂ на границе раздела анода может препятствовать инжекции дырок, что приводит к смещению зоны рекомбинации в сторону анода и разложению пленка перовскита на границе анода создает дефекты, приводящие к тушению электролюминесценции. Однако во время работы устройства механизм деградации может быть дополнительно осложнен миграцией ионов, как мы обсуждали в последнем разделе.Поэтому необходимо приложить больше усилий для всестороннего понимания механизмов деградации перовскитных светодиодов.

Что касается катодной электрохимической реакции, Биркхолд и др. наблюдали снижение эффективности фотолюминесценции на катодной стороне в боковой структуре устройства при внешнем смещении, и это можно исправить, сняв смещение [63]. Чтобы понять, связано ли это явление только с миграцией ионов, они заблокировали инжекцию заряда, вставив тонкий изолирующий слой между перовскитом и электродами, а затем применив внешнее смещение.В этом случае миграция ионов все же имела место, но тушения ФЛ не наблюдалось. Поэтому авторы предположили, что снижение эффективности фотолюминесценции на границе катода происходит из-за электрохимической реакции, которая восстанавливает межузельные частицы Pb ²⁺ до Pb ⁰. Согласно результатам расчетов, междоузлия Pb ²⁺ представляют собой мелкие дефекты, которые не вносят вклад в безызлучательную рекомбинацию, а Pb ⁰ — глубокие ловушки, способные гасить ФЛ [63]. Следует отметить, что эта электрохимическая реакция также требует помощи миграции ионов, поскольку пересечение галогенид-ионов со стороны катода позволяет снизить содержание Pb ²⁺.Учитывая, что этот процесс обратим, он потенциально может способствовать обратимой деградации перовскитных светодиодов. Однако требуется подробное исследование, чтобы отличить его от других процессов миграции ионов, которые также могут привести к обратимой деградации.

Спонтанные межфазные реакции в перовскитных светодиодах — еще одна причина необратимой деградации устройства [36–40] (рисунок 1 (d)). В отличие от миграции ионов и электрохимических реакций, этот процесс не требует внешнего смещения.Как упоминалось в предыдущем разделе, галогенид-ионы могут реагировать с металлическими электродами (Al и Ag) посредством миграции через органический промежуточный слой. Следовательно, при непосредственном контакте перовскита с этими металлами происходит спонтанная химическая реакция [36]. Сообщалось также о реакциях между перовскитом и благородным металлом Au [36, 37]. В этом случае участвует тип реакции восстановления / окисления, называемый пониженным потенциалом осаждения, в котором Au действует как катализатор, приводящий к разложению перовскита [37].Помимо металлов, перовскиты также могут реагировать с ITO-электродом. Кернер и др. обнаружили, что ITO можно легко травить перовскитом, высвобождая ионы In ³⁺ в слой перовскита [38]. Авторы наблюдали InI ₃ с помощью РФЭС на верхней поверхности пленки перовскита, нанесенной на ITO после термического отжига.

PEDOT: PSS — это обычно используемый слой для инжекции дырок в перовскитных светодиодах. Однако кислотная природа PEDOT: PSS может травить ITO электрод [84], высвобождая металлические частицы In и Sn, которые диффундируют в слой перовскита.Эти металлические примеси In и Sn в перовскитах действуют как центры безызлучательной рекомбинации, что приводит к снижению эффективности устройства. Кроме того, PEDOT: PSS также может реагировать с перовскитом посредством адсорбции влаги в процессе производства [39]. Молекулы воды в PEDOT: PSS могут инициировать разложение перовскита [85], что приводит к межфазной деградации.

Перовскиты также могут разлагаться до PbI ₂ при повышенных температурах при прямом контакте с ZnO [40].Эта межфазная реакция может происходить во время процесса изготовления, когда требуется термический отжиг для облегчения кристаллизации, и во время работы устройства, когда рекомбинация носителей генерирует джоулев тепло. Было предложено два механизма такой реакции: один — это остаточный гидроксид на поверхности ZnO, приводящий к разложению перовскита; другой — депротонирование катиона метиламмония поверхностным кислородом ZnO [40].

Таким образом, механизм деградации перовскитных светодиодов сложен и включает в себя различные процессы (миграция ионов, электрохимические реакции и межфазные реакции), которые не являются независимыми и могут взаимодействовать друг с другом, приводя к деградации устройства.Как мы видим, миграция ионов не только является основной причиной деградации устройства, но также играет важную роль в двух других процессах. Для непрерывного протекания электрохимических и межфазных реакций требуется перенос массы за счет миграции ионов. Вклад каждого процесса может варьироваться в зависимости от конструкции устройства, баланса заряда, состава перовскита и условий движения, что приводит к разным характеристикам деградации. В исследованиях стабильности некоторые устройства показывают непрерывную деградацию, в то время как другие показывают первоначальное повышение эффективности, за которым следует снижение при длительной эксплуатации; некоторые деградации обратимы, а некоторые нет.Чтобы прояснить причину разницы, мы суммируем поведение деградации различных процессов в таблице 1. В этой таблице представлены основные рекомендации, которые могут помочь проанализировать различные характеристики деградации при испытании стабильности перовскитных светодиодов.

Таблица 1. Резюме деградации различных процессов.

Деградация	Реверсивный / Начальное увеличение	Необратимый
Миграция ионов внутри перовскита		Искажение кристаллической решетки
	Уничтожение и создание дефектов Френкеля
	Модификация по впрыску заряда
Миграция ионов через интерфейс
		Взаимодействие со слоем переноса заряда
Электрохимическая реакция
Межфазная реакция		Металлы, ITO, PEDOT: PSS, ZnO

Фундаментальный Взгляд на деградацию и стабилизацию тонкого слоя черного фосфора

Аннотация

Здесь мы разработали систематическое исследование окисления и пассивация механически расслоенного черного фосфора (БФ).Мы проанализировали сильная анизотропия BP по данным сканирующей рамановской микроскопии обеспечение точного метода мониторинга окисления БП через статистическая рамановская спектроскопия. Кроме того, различные факторы, влияющие на экологическая нестабильность БП, т. е. толщина, латеральная размеры или освещенность видимым светом, были исследованы в деталь. Наконец, мы обнаружили, что деградация многослойного БП хлопья размером <10 нм можно подавлять в течение нескольких месяцев с помощью ионных жидкостей, открывая путь для развития технологий на базе BP.

Введение

Черный фосфор (BP) в настоящее время привлекает огромное внимание как новый 2D-материал, свойства которого в некоторых случаях превосходят даже те из графена. Например, он показывает прямую запрещенную зону, которая охватывает широкий диапазон (0,3–2 эВ). ¹⁻⁶ Кроме того, BP демонстрирует отличную подвижность носителей до ~ . 1000 см ² · V ^–1 · s ^–1, хорошее соотношение включения / выключения по току ( около . 10 ⁴ –10 ⁵) и экзотическая анизотропия в плоскости что делает этот 2D-материал уникальным для тепловидения, термоэлектричества, зондирование, оптоволоконная связь и фотоэлектрическая энергия, и это только несколько (см.).^2,7−11 Однако одна серьезная проблема для реализации таких захватывающих приложений заключается в преодолении внутренней нестабильности однослойных и многослойных нанолистов. БП, который можно получить механическим отшелушиванием основной массы кристаллы ^1,8, а также отшелушивание растворителем. ^12,13 Эта нестабильность, особенно по отношению к окружающему кислороду и влаге приводит к быстрой окислительной деструкции. ¹⁴⁻¹⁸ Кроме того, световое излучение может способствовать деградации через фотоокисление.¹⁵ Хотя навалом кристаллы БП — более стабильные, тонкие чешуйки БП размером менее Толщина 10 нм разлагается за несколько дней, тогда как однослойные и многослойные образцы может даже испортиться в течение нескольких часов. ^8,16 Различная стабилизация разработаны маршруты для сохранения его внутренних свойств, в том числе Al ₂ O ₃, TiO ₂, сульфонатный лиганд титана (TiL ₄), функционализация полиимидом или арилдиазонием. ^7,19-23 Инкапсуляция с другими 2D-материалами также была исследована с использованием графен или гексагональный нитрид бора ( h BN).¹⁹ Тем не менее, эффективность защиты остается очень ограничен. Недавно сообщалось, что высокая температура кипения растворители, такие как 1-метил-2-пирролидон (NMP) или 1-циклогексил-2-пирролидон (CHP), как ожидается, образуют плотно упакованные сольватные оболочки в тесном близость к поверхности БП, действующая как барьер проникновения кислорода. ^12,14,17 Аналогично нековалентным функционализацию БП перилендиимидами (PDI), недавно продемонстрировали резкое повышение стабильности многослойного БП.²⁴ Кроме того, как сообщает Brent et al., Поверхностно-активное вещество стабилизированные нанолисты FL-BP в водной среде демонстрировали медленную деградацию образующий PO _x видов и показывающий метастабильный поведение. ²⁵ Хотя это многообещающие подходов, эффективная стабилизация АД также совместима с производство высокопроизводительных устройств остается нерешенной проблема. ⁴

(а) Представитель Рамановские спектры использованных подложек БП (синий) и SiO ₂ / Si для этого исследования.На вставке показано химическое структура БП, выделяя межслоевое расстояние 5,3 Å. (б) АСМ-изображение оригами-чешуйки БП с разными террасами. и ориентации из-за его складывания. Более тонкие области имеют толщину из около . 2,9 нм. (c) Нормированное затухание интенсивности кремния. график (%) измерен с использованием различных хлопьев. На вставке указана высота ниже 12 нм. Кривая может быть скорректирована по экспоненциальному типу затухания. I.

Окислительная деструкция БП — это химический процесс.После первооткрыватели химической функционализации графена, ^26-28 мы только недавно получили представление о нековалентной функционализации БП. ²⁴ Теперь представим подробный и систематические исследования окислительного разложения многослойных БП с беспрецедентной тщательностью. Наш подход — комбинированный мониторинг процесса деградации с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) и Рамановская спектроскопия, которая позволила нам установить простую в использовании калибровку кривые.Мы также выявили множество диагностических отпечатков пальцев. например, A ¹ _г / A ² _г соотношение в рамановских спектрах анизотропия и зависимость от длины волны лазера спектров комбинационного рассеяния света, а также влияние толщины чешуйки и ее латерального Габаритные размеры. Впервые мы также применили сканирующую рамановскую микроскопию. (SRM) и статистической рамановской спектроскопии (SRS) для количественной оценки процесс разложения. В этих исследованиях мы обнаружили неуловимые Рамановские сигнатуры БП, а именно полосы B _3g и B _1g, обусловленные турбостратным беспорядком между слоями.Мы дополнили наши результаты теорией функционала плотности (DFT). расчеты. Наконец, мы проанализировали два простых метода пассивации. маршруты с использованием коммерческих растворителей, таких как NMP и на основе имидазолия ионная жидкость (ИЖ). В частности, мы разработали беспрецедентную доработку. БП путем пассивации ИЖ в процессе объемного удаления с помощью растворителя ИЖ с поверхности чешуек БП, оставляя после себя очень тонкий, но высокоэффективный защитный слой. Последнее достижение может проложить способ использования защищенных пленок BP в реальных приложениях.

Результаты и Обсуждение

Для систематического и количественного анализа разложения поведения тонкослойного БП, мы приготовили нанолисты БП с применением микромеханических отшелушивание БП скотчем. ^1,8 Мы оптимизировали эта процедура, которая проводилась в инертных условиях заполненный аргоном перчаточный ящик (<0,1 ppm H ₂ O и O ₂), начиная с тонко измельченного образца. ¹⁵ Для рамановской спектроскопии и анализа АСМ полученные Хлопья БП наносились на подложки SiO ₂ / Si толщиной 300 нм.

Для поддержки наших экспериментов, фононные частоты моно-, би-, и объемное АД были рассчитаны с использованием скорректированного по Ван-дер-Ваальсу функционала плотности. теория (ДПФ). В частности, мы рассмотрели структурную анизотропию БП, что вводит своеобразную зависимость назначения симметрии колебаний решетки в выбранной системе координат. ^29,30 Для обеспечения совместимости с предыдущими отчетами ориентация в котором нормаль плоскостей BP параллельна оси y , а оси x и z — параллельно слоям.В результате для монослоя и В геометрии обратного рассеяния можно ожидать трех рамановских линий объемного БП: A ¹ _g при ∼355 см ^–1, B _2g при ∼434 см ^–1 и A ² _g при ∼460 см ^–1. В общем, многослойные 2D-материалы могут показывать дополнительные рамановские активные фононы по сравнению с объемные и однослойные. ³¹ Это тоже чехол для БП. Мы ссылаемся на вспомогательную информацию (SI 1 и 2) для подробного анализа нормальных режимов многослойного BP, вычисленные частоты и вычислительные детали.

Прежде чем мы рассмотрим анализ декомпозиции самого процесса, мы хотим сообщить о серии фундаментальных спектроскопических особенности, которые мы обнаружили и проанализировали систематически и в деталь. Эти особенности могут служить характеристикой и диагностикой. отпечаток пальца для тщательного наблюдения за разложением и защитой тонких пленок БП. Для обеспечения эффективного рамановского и АСМ-мониторинга разложения БП и его защиты представляли интерес хлопья. обнаруживается с помощью оптической микроскопии непосредственно перед рамановским или АСМ измерения не проводились.Мы применили статистическую рамановскую спектроскопию. анализ, поскольку это очень мощный метод, и недавно он был введен для количественного исследования функционализации графена, и это применение до сих пор не имеет прецедентов в химии BP. ^32,33 Ключевым моментом в нашем исследовании было изучение очень ярко выраженной влияние морфологии чешуйки БП, ее толщины и анизотропии по процессу окислительного разложения. Типичный рамановский спектр БП представлен в формате.В соответствии с предыдущими отчетами и наши вычисления DFT, три активных режима комбинационного рассеяния на частотах 362, 440 и 466 см ^–1 можно идентифицировать и присвоить согласно A ¹ _g, B _2g и A ² _g симметрии соответственно. ³⁰

Одна из основных проблем исключительно качественное расследование деградации БП, которая проводилась до сих пор, заключается в том, что он был основан только на исследовании АСМ, и этот метод вполне трудоемкий, что делает тщательный мониторинг (в том числе надежный замеры толщины) очень сложная задача.Поэтому быстро и для определения воздействия необходим надежный спектроскопический скрининг и степень экологической деградации хлопьев БП до их последующей обработки. После этого мы систематически изучили несколько чешуек разной толщины, сначала методом рамановской спектроскопии. а затем с помощью АСМ (б), что позволило нам установить фундаментальную калибровку кривая окислительной деструкции. Как показано в c, оказалось, что при сопоставлении нормализованная остаточная интенсивность рамановского кремния при 521 см ^–1 с толщиной, определенной методом АСМ на широком диапазоне образцов, можно получить надежную калибровочную кривую для определения толщину выбранной чешуйки БП с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света.Здесь важно поддерживать постоянные параметры сбора данных. и избегайте длительного воздействия света на свежеотшелушенные хлопья (см. экспериментальную информацию). Результирующий участок (см. в) очень точно описывается экспоненциальным распадом типа I. В качестве Первое понимание, когда остаточная интенсивность Si выше 30% по сравнению с к чистому субстрату, можно сделать вывод, что БП отслаивается под менее 10 нм. Следует отметить, что для в большинстве случаев однослойный БП не требуется, но хлопья в диапазоне около 10 нм представляют фундаментальный интерес.³

С развитием данной методологии мы способен учиться Рамановские особенности чешуек БП с контролируемой толщиной в первые стадии до наступления деградации. В этой строке анизотропия БП, который сильно влияет на электрические, тепловые и оптические свойства, был исследован. ¹¹ Как уже Сообщается, что интенсивность каждого индивидуального рамановского режима АД очень высока. в зависимости от относительного угла поворота образца в плоскость xz (направление входящего лазера по оси z ).³⁴ Для получения информации по анизотропии каждая отдельная чешуйка БП измерялась под разными углами методом сканирующей рамановской микроскопии (SRM) (а, в). ^24,33 Стоит отметить что, как правило, в SRM был выбран размер шага 1 мкм, так как это представляет собой достаточное разрешение и гарантировано относительно быстрые сопоставления с разумной точностью. Тем не менее, при необходимости, он возможно получение хлопьев БП с высоким разрешением, расположенных в непосредственной близости от друг к другу, уменьшив размер шага до 0,2 мкм (рисунок SI3).Однако эти рамановские сопоставления очень трудоемки и обычно требуют более 20 ч времени измерения.

(a) SRM-анализ той же исследуемой чешуйки, показывающий соответствующие A ¹ _g / A ² _g отображение соотношения полос измеряется в «HRR» (кресло), и (б) его соответствующая средние спектры комбинационного рассеяния света (возбуждение при 532 нм) областей, указанных на панель а. На вставке — изображение той же чешуйки, полученное с помощью оптической микроскопии. (c) SRM-анализ той же чешуйки, показывающий соответствующее рамановское отображение отношения A ¹ _g / A ² _g измеряется в «LRR» (зигзаг), и (d) соответствующий средние рамановские спектры.Стрелками отмечены относительные различия по интенсивности комбинационных мод A ¹ _g и A ² _g.

Как сообщает Martel и его сотрудники, соотношение A ¹ _g / A ² _g можно рассматривать как эффективное индикатор деградации АД. ¹⁵ Соответственно, сопоставления соотношений A ¹ _g / A ² _g отщепа, похожего на оригами, показанного на рисунке b.Наши исследования ясно показывают что поворот образца в плоскости xz на 90 ° сильно влияет на соотношение A ¹ _g / A ² _g, о котором пока не сообщалось. В Рамановская карта, полученная при 0 °, показывает, что направление поляризации падающего света была параллельна зигзагообразной кристаллографической ориентация и направление кресла для ориентации 90 °. ^35,36 Здесь следует упомянуть, что, по словам Дрессельхауса и его сотрудников, максимальные интенсивности комбинационного рассеяния БП также сильно зависят от высоты хлопьев при вращении.³⁰ Кроме того, точное определение кристаллографической ориентации с помощью рамановской спектроскопии для заданной толщины и длины волны возбуждения требует дальнейших исследований. Для хлопьев толщиной менее ок. . 10 нм (как тот, который представлен в этом исследовании) и измеренный используя длину волны возбуждения 532 нм, главная ось A _g как сообщается, имеет зигзагообразную ориентацию кристалла (рис. SI4). ^30,35,36 Для ясности с этого момента мы будем определять область с высоким коэффициентом как «HRR», а область с низким коэффициентом как «LRR».b, d — средние рамановские спектры выбранной области (оранжевый), которые хорошо иллюстрируют разницу в соотношении A ¹ _g / A ² _g для обеих ориентаций, выделенных зелеными и синими стрелками. Более того, колебательная комбинационная мода БП A ² _g является наиболее подверженной влиянию при вращении. с точки зрения общей интенсивности, что хорошо согласуется с недавними отчеты (рисунок SI5). ^11,34,35 Как и ожидалось, согласно 2-кратной симметрии кристаллов БП, дальнейшее вращение образца на 180 ° в аналогичном значении A ¹ _g / A ² _g отношение к величине, измеренной при 0 ° (SI 4 и SI 6).Эти рамановские сопоставления позволяют быстро определять ориентации образца относительно поляризации лазера для хлопьев ниже около . 10 нм, проложив способ изучения влияния анизотропии на окисление БП ( см. ниже ).

Кроме того, влияние возбуждения длина волны на Спектры комбинационного рассеяния БП и особенно отношения A ¹ _g / A ² _g. Для этого расслоили АД до монослоя и измерили по зигзагу направление (LRR) с использованием различных длин волн возбуждения в диапазоне от От 457 до 633 нм.Важно подчеркнуть, что эти эксперименты должно быть выполнено менее чем за 30 минут в условиях окружающей среды, чтобы избегать разрушения чешуек, что четко отражается на изображение АСМ с образованием дырок и преимущественного пузыря образование по краям. ^12,24 b показывает рамановские одноточечные спектры, нормализованные по сравнению с режимом A ² _g. Этот сюжет ясно подтверждает уменьшение моды A ¹ _g при увеличении лазерного энергии.Эта тенденция была подтверждена для FL-BP, а также для насыпного BP. и действителен в обеих ориентациях. Однако для объема в случае HRR, A ¹ _г / A ² _г соотношение не уменьшается так сильно, как в FL-BP. Для сравнения, при измерении в LRR интенсивность моды A ¹ _g существенно уменьшается при длине волны возбуждения 457 нм, независимо от толщину (В и СИ 5). Систематическое вымирание из A ¹ _г / A ² _г соотношение для увеличение энергии возбуждения может быть связано с ранее сообщенным анизотропное электрон-фононное и электрон-фотонное взаимодействие в БП, что также приводит к иной поляризационной зависимости Режимы A ¹ _g и A ² _g.³⁰

(а) Вверху: типичное изображение АСМ монослоя БП, показывая образование мелких капелек и дырок из-за деградации. Нижний: Профиль высоты показывает толщину ок. . 1 нм. (б) Зависимость от длины волны A ¹ _g / A ² _g соотношение Рамановский анализ для монослоя, нескольких слоев ( около ,7 нм) и массивных образцов, подчеркивая различия между HRR и LRR. (c) Средние рамановские спектры (532 нм) массивный образец после длительного сбора данных, показывающий полосы B _3g (196 см ^–1) и B _1g (235 см ^–1), соответствующие турбостратному беспорядку между слоями, и наличие краевых фононных мод.

Кроме того, мы обнаружили слабые сигналы комбинационного рассеяния света на 195 и 230,5 см ^–1 для объемного БП (> 50 нм). Они хорошо подходят к двум рамановским активным фононным модам с частотами 196 см ^–1 (симметрия B _3g) и 235 см ^–1 (симметрия B _1g) из наших вычислений DFT (вспомогательная информация S1), которые должны быть обнаружены только в пересечении конфигурация рассеяния на основании правил оптического отбора. Появление этих комбинационных мод в геометрии обратного рассеяния могло бы объясняется турбостратным разупорядочением уложенных слоев, поскольку связано с наличием краевых фононных мод (в).³⁷ Наблюдение для этих турбостратных пиков требуется длительное время сбора данных.

Оснащенный этим набором диагностических рамановских инструментов, мы в очень хорошей позиции, чтобы количественно проследить окислительную деградацию многослойного БП с высоким уровнем точности. Поэтому мы провели Рамановские сопоставления из нескольких выборок с течением времени, измерения каждые 24 h, используя длину волны возбуждения 532 нм и проведенную статистику (SI 7). Процесс окисления можно контролировать как в HRR, так и в LRR.При продолжающемся времени окисления наблюдается четкое эволюция гистограмм отношения A ¹ _g / A ² _g в сторону более низких распределений, которое становится более очевиден после 72 часов деградации окружающей среды (а, б). c, d показывает среднее значение, извлеченное из всех гистограммы, чтобы легко проследить развитие отношения A ¹ _g / A ² _g от времени. Наш анализ показывает, что для обеих ориентаций характеристическое соотношение A ¹ _g / A ² _g уменьшается.Это отражает полезность этой методологии для мониторинга окисления Хлопья БП. ^12,15,24

(а) Гистограмма отношения интенсивностей A ¹ _г / A ² _г в HRR и (b) LRR исходного АД в инертных условиях и через 72 ч подвергнут воздействию окружающей среды. условия. (c) A ¹ _g / A ² _g эволюция соотношения интенсивностей во времени для HRR и (d) LRR, показывающая типичный экспоненциальный спад.(e) Влияние толщины на окружающую среду деградация: изменение нормированной интенсивности A ¹ _г со временем указывает на более быстрое разрушение хлопьев ниже 10 нм. (е) Влияние площади поверхности чешуек на окружающую среду разложение: степень разложения составляет менее половины для хлопьев с> около . 7 мкм ² по сравнению с те из около . 2 мкм ².

Примечательно, что эту тенденцию легче проследить. в HRR, потому что здесь снижение более выражено.Следовательно, HRR более чувствителен для мониторинга деградации АД через SRS. В качестве как следствие, мы всегда выбирали ориентацию HRR для контроля процесса окисления.

Параллельно снимки АСМ были приобретены, чтобы следить за окислительным поведением, что обычно отражается в появлении капель. Зилетти и коллеги показали, что деградация BP начинается с образование гидрофильных форм P _x O _y после хемосорбции кислорода, которые поглощает воду, что приводит к образованию фосфора и фосфора кислоты.³⁸ Также было продемонстрировано, что сама вода не окисляет БП, пока она должным образом дегазирована, и что нетронутая поверхность BP гидрофобна, но постепенно превращается гидрофильный за счет окисления. ^39,40 Эти изначально маленькие выпуклости со временем развиваются, пока не будет наблюдаться окончательное слияние, демонстрируя резкое увеличение объема (SI 8). ¹⁶ Однако влияние толщины и поперечных размеров на кинетике окисления остается не понятно.В этом направлении исследования SRS и AFM проводились с образцы разной высоты, чтобы определить, есть ли никакой зависимости от толщины. Стоит отметить, что в нашем исследований, испаренные слои оксида алюминия не использовались для предотвращения деградация, в отличие от предыдущих отчетов. ^7,22 Действительно, для образцов толщиной более 10 нм не наблюдалось уменьшения отношения A ¹ _g / A ² _g больше (SI 9). По этой причине мы решили следить за окислением, измеряя общую интенсивность для каждого индивидуума БП Рамановский режим.e показывает временную зависимость среднего значения колебательной моды A ¹ _g, которая ясно демонстрирует, что деградация усиливается с уменьшением толщины чешуек. В этом отношении, чешуйка FL-BP высотой 7 нм теряет примерно 50% общей интенсивность, тогда как чешуйки толщиной более 20 нм деградировали менее чем на 10%. Коррелированные графики, отображающие развитие потеря интенсивности комбинационного рассеяния для режимов B _2g и A ² _g следует той же тенденции (SI 10).Однако важно отметить, что в случае самых тонких хлопьями наблюдается разница в потере интенсивности A ¹ _g и A ² _g Рамановский режим около 12%, что объясняет, почему уменьшение соотношения A ¹ _г / A ² _г может четко наблюдаться только для FL-BP (<10 нм) образцы.

Учитывая, что окисление БП следует «послойный эффект истончения сверху вниз », окисляются только верхние слои, тогда как слои под определенным количеством окисленных слоев остаются кристаллический.¹⁶ Мы предполагаем, что окисленные слои не вносят вклад в общий сигнал комбинационного рассеяния, что означает, что понижение соотношения A ¹ _g / A ² _g должно быть связано с аддитивным эффектом пика A ¹ _g, который характерен для «внеплоскостной» ” колебательной моды и, как известно, чувствительна к толщине листов БП менее 10 нм. ⁸ Следовательно, для образцов толщиной менее 10 нм окисленные слои снижают интенсивность режима A ¹ _g, потому что их относительный процент в хлопьях ФЛ-БП значительно выше, чем в насыпных БП, при этом предположение, что количество окисленных слоев более или менее одинаково для всех хлопьев БП, независимо от их высоты.

Кроме того, эволюция интенсивностей комбинационного рассеяния для первичного БП хлопья сопоставимой толщины ( около , 10 нм, SI 11), но контролировались разные области. В качестве изображенные на f, поперечные размеры чешуек оказывают огромное влияние. Например, деградация хлопья размером 2 мкм ² происходит вдвое быстрее, чем для хлопьев 7 мкм ². Через 5 дней мониторинга, деградация по сравнению с поперечными размерами хлопья следует экспоненциальному распаду.

Наблюдалось такое же поведение для нормированной интенсивности график A ¹ _g в зависимости от времени (SI 12 и 13).Эти исследования ясно демонстрируют важность установления четко определенных критериев выборки, а именно: поперечное расширение, толщина и ориентация для количественного описать процесс деградации БП.

Умеет внимательно следить окисление БП, мы начали разработанные надежные концепции для пассивации и защиты тонких Фильмы БП. С 2014 года было предложено несколько маршрутов для избегать деградации АД; большинство из них сосредоточены на предотвращении его воздействия к атмосферным условиям с использованием физической инкапсуляции с другими 2D-материалы или испаряющиеся слои оксида металла поверх хлопьев.^7,19,41 Более простой подход использование высококипящих растворителей на основе пирролидонов, таких как N -метил-2-пирролидон (NMP) или 1-циклогексил-2-пирролидон (CHP), что позволяет значительно повысить стабильность БП до около . 8 дн. ^12,14,18 Чтобы проиллюстрировать этот эффект пассивации, мы разработали прямой сравнение тонких хлопьев БП, обработанных NMP и THF, с идентичными толщина и сопоставимая площадь. ТГФ можно рассматривать как инертный растворитель. в сторону BP.²⁴ Фактически деградация образцов обработанные THF идентичны нетронутым (а).

(a) Эффект пассивации NMP по сравнению с инертным растворитель (THF) и нетронутый образец на около . Чешуйки толщиной 5 нм с сопоставимыми площадь. (b) Влияние толщины на деградацию защищенного NMP Хлопья хранятся в темноте, стабильность явно превышает 25 дней. (c) Влияние непрерывного освещения видимым светом на 5 и 9 хлопья толщиной нм. (d) Исследование во времени профиля высоты с помощью АСМ чешуйки 9 нм. защищен NMP через 2, 8 и 20 дней в условиях окружающей среды.

Видно, что NMP-защищенный хлопья имеют гораздо более длительный срок службы при мониторинге полной рамановской интенсивности. В ходе наших исследования стабильности, мы обнаружили, что также NMP-пассивированный БП хлопья демонстрируют ярко выраженную кинетику окисления, зависящую от толщины. Толще хлопья даже более устойчивы после защиты NMP, чем более тонкие (б).

Кроме того, воздействие света играет решающую роль в деградации BP. Чтобы продемонстрировать это, мы наблюдали за хлопьями АД, находящимися в постоянном освещение (галогенная лампа 150 Вт) методами SRS, SRM и AFM.Мы нашли это хранение хлопьев БП, защищенных NMP, в темноте резко увеличивает время жизни, в отличие от образцов, которые постоянно освещались. Действительно, образцы толщиной менее 10 нм могут выдержать до 30 дней в условиях окружающей среды при хранении в темноте (c). Соответствующие изображения АСМ показывают, что образование фосфорной кислоты (и водопоглощение) на поверхности хлопьев намного медленнее для образцов, хранящихся в темноте (SI 14). Это очень важно для практического использования, так как открывает возможность транспортировки и манипулирование образцами в течение нескольких недель с минимальной деградацией если условия хранения подходящие.

Хотя вполне успешно, пассивация хлопьев высококипящей точечные растворители оказываются проблематичными для изготовления электрические контакты в наноустройствах. В этом смысле защитный слой со способностью легко сниматься очень желательно. Ионные жидкости (IL) — очень перспективный вариант, так как они успешно применялись в качестве затворных диэлектриков для двухслойных электрических транзисторов БП (ЭДЛТ). ⁴² Более того, Чжао и его коллеги уже сообщили те высококонцентрированные дисперсии БП, которые стабильны во время один месяц можно получить обработкой ультразвуком в различных ионных жидкостях (Иллинойс).⁴³ В этой линии мы использовали 1-бутил-3-метилимидазолий тетрафторборат (BMIM-BF ₄), коммерческий экологически чистый дружественный IL, который очень стабилен, имеет полярный характер и высокий вязкость. Первые попытки показали впечатляющую стойкость к деградации. в течение нескольких недель без значительного снижения интенсивности комбинационного рассеяния света, явно превосходящие характеристики хлопьев, защищенных NMP.

Исследования пассивации БП ИЖ до сих пор всегда осуществляется на основе насыпного покрытия.^43,44 Здесь мы впервые сообщаем об очень тонком покрытии с ИЖ, что делает эту технологию весьма привлекательной для практического применения. Для этого было проведено сравнительное исследование с выбранными хлопьями, имеющими аналогичных толщин и площадей (5–10 нм; 2–7 мкм ²). Как показано на, капля BMIM-BF ₄ была нанесена на подложках. Затем подложки промывали ацетонитрилом. и изопропиловый спирт в центрифуге для удаления избытка ИЖ. и оставить после себя очень плотно переплетенную пленку.За деградацией следили пользователя SRM.

Ионная жидкостная пассивация. (a) Эволюция интенсивности A ¹ _г со временем, подчеркивая выдающуюся стабильность хлопьев, защищенных ИЖ. Образцы остаются стабильными при покрытии BMIM-BF ₄ капель, тогда как чистые незащищенные хлопья BP при одинаковой толщине и поперечных размерах полностью исчезают после ок. . 7 дней. Через 7 дней удаление ИЖ. покрытие промывкой приводит к образованию целых хлопьев без признаков разложения, демонстрируя такое же начальное значение интенсивности A ¹ _г.Исследование стабильности показывает, что срок службы составляет более 40 дней. (б) Топография АСМ изображение очищенных хлопьев после удаления покрытия IL, показывающее толщину от 6 до 10 нм. (c) SRM тех же хлопьев, что и на панели b, выделение эволюция интенсивности A ¹ _г после 8, 26 и 32 дня удаления ИЖ.

Чистые хлопья без ИЖ сохранялись около 7 дней, в то время как покрытые тонким слоем ИЖ показали впечатляющую стабильность. Удаление ИЖ через 7 дней приводит к незначительному снижению в полосах комбинационного рассеяния менее 5%.Это означает, что хлопья БП могут храниться в ионных жидкостях без разложения, действительно, образцы погруженные в ИЖ без процедуры промывки остаются полностью стабилен в течение нескольких месяцев, что позволяет легко транспортировать без ухода условий окружающей среды. Как видно из а, средняя нормализованная интенсивность эволюция спектров комбинационного рассеяния со временем показывает уменьшение ~ . 30% через 47 дней. Эта деградация в основном объясняется к непрерывному лазерному облучению для измерения SRM с течением времени (каждый Рамановское отображение длится около 30 минут).Как показывает AFM (b), только второстепенные остатки остались на поверхности хлопья БП. С помощью этого эксперимента мы продемонстрировали что пассивация ИЖ приводит к эффективной защите АД, которое можно частично восстановить, просто промыв подходящим растворитель, совместимый с разработкой (опто) электронных устройств.

Чтобы получить больше информации о химии и структуре, мы проанализировали образец ИЛ-БП, хранившийся в условиях окружающей среды через 58 дней после его хранения. подготовка с помощью сканирующей передачи с атомным разрешением и коррекцией аберраций электронная микроскопия (STEM) — электронная спектроскопия потерь энергии (EELS) на 80 кВ (дополнительные сведения об эксперименте см. В дополнительной информации).Взвешенные образцы ИЛ-БП падали на медные сетки ТЕМ с углеродным покрытием в условиях окружающей среды. условий и промывают этанолом перед сушкой. Кроме того, мы измерили после обработки сетки ТЕМ плазменной обработкой во время За 5 мин до введения в микроскоп. Малое увеличение кольцевые изображения светлого поля (ABF) демонстрируют чешуйчатую морфологию, соответствующую с изображениями АСМ (а, слева). Обычно после нескольких часов деградации исходное АД образцы демонстрируют сильно деградированные края, аморфные края и наличие отверстий.²⁴ Напротив, атомное разрешение Изображения ABF, на изображении (справа) видна высококристаллическая чешуйка BP с очень незначительная степень аморфизации по краям и ступенчатая морфология по краям после 58 дней подготовки и хранения в условиях окружающей среды. условия. Кольцевое темное поле с высоким углом с атомным разрешением (HAADF) изображения получены вдоль кристаллографической оси [112]. b показывает необработанный Изображение HAADF (слева) вместе с изображением с фильтром Фурье (в центре) и увеличенный вид с наложенным эскизом кристаллической структуры (справа).Хлопья кристаллические на больших боковых расстояниях порядка десятых долей микрометра. Мы также проанализировали химический состав хлопьев EELS. c изображает средний спектр, измеренный в середине часть хлопья, стоящая в вакууме (см. область, отмеченную красным стрелка на а). Кромка P L _2,3 хорошо видна, с началом около 132 эВ. Никаких следов C K-ребра или O K-ребра не наблюдалось (около 284 и 532 эВ соответственно), что свидетельствует о впечатляющей стойкости к внешним воздействиям. хлопьев, пассивированных ИЖ.Выдающаяся стабильность IL-BP хлопья объясняется высоким поверхностным натяжением ИЖ, кулоновским сил, амфифильных взаимодействий и / или π – π взаимодействия между положительными ароматическими ядрами BMIM-BF ₄ и BP, создавая компактный пассивирующий слой на поверхностях нанолистов БП, препятствуя проникновению кислорода и воды. ^24,45,46 Кроме того, имидазолы являются отличные кандидаты для улавливания и нейтрализации реактивных промежуточные супероксидные анионы O ₂ (водн.) ^{• —}, ^15,47 и недавние биохимические анализы продемонстрировали что имидазол IL может очень эффективно связывать несколько реактивных формы кислорода, ⁴⁸, таким образом сводя к минимуму воздействие фотоокисления хлопьев БП.

Анализ STEM-EELS. (а) Низкое увеличение (слева) и большое увеличение (справа) изображения хлопьев ABF. Изображение с большим увеличением было приобретен на краю отдельно стоящего участка отщепа (область, отмеченная с красной стрелкой слева). (b) Изображение HAADF с атомным разрешением (слева), вместе с фильтром Фурье (БПФ, в центре) и увеличенным изображением (справа конец), полученный вниз по ориентации [112]. Эскиз конструкции вниз по этой оси наложено на левое изображение (в масштабе), показаны атомы P в синем.(c) Спектр EEL, полученный на отдельно стоящей части хлопья, не показывающие намеков на основные сигналы C или O (в пределах экспериментальных шум). Данные получены при 80 кВ.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

границ | Стабилизированные ионами цинка аптамерные нанопласты с черным фосфором для улучшенной фототермической / химиотерапии рака простаты

Введение

Рак простаты — второе по распространенности злокачественное новообразование среди мужчин во всем мире (Heidenreich et al., 2014). Локализованный рак простаты на ранней стадии можно эффективно лечить с помощью гормональной и лучевой терапии с меньшими трудностями, однако лечение рака предстательной железы на поздней стадии остается серьезной проблемой из-за его частых патофизиологических изменений, эпителиально-мезенхимального перехода и лекарственной устойчивости (Chen et al. ., 2018; Mollica et al., 2019; Wang et al., 2019c). К сожалению, большинство пациентов с раком простаты уже находятся на поздней стадии на момент консультации (Wang et al., 2019c; Teo et al., 2019). Химиотерапия часто используется для лечения прогрессирующей стадии агрессивного и метастатического рака простаты, тем не менее, химиотерапия, такая как терапия таксанами, не дает хорошего ответа у половины пациентов (Li and Mahato, 2014, 2015). Исследования и разработка новых лекарств — это потенциальный вариант, однако длительные и значительные вложения в разработку новых молекул лекарств неизбежно приводят к высокой стоимости лечения. Поэтому крайне актуальна разработка высокоэффективного и относительно доступного метода лечения рака простаты, особенно рака простаты на поздних стадиях.

В настоящее время, с появлением некоторых новых терапевтических методов, таких как генная терапия, фотодинамическая терапия (PDT), фототермическая терапия (PTT) и т. Д., Комбинация двух или более процедур стала многообещающей стратегией для повышения терапевтической эффективности химиотерапии ( Cheng et al., 2017a; Guo et al., 2019). Благодаря неинвазивным, контролируемым и высокоселективным характеристикам лечения рака, PTT привлекает широкое внимание в последние несколько десятилетий (Yang et al., 2018; Cheng et al., 2019; Wang et al., 2019a). На сегодняшний день сообщалось о различных типах фототермических агентов, включая углеродные наноматериалы, полупроводниковые наночастицы, наноструктуры на основе металлов, органические полимеры и металлоорганические каркасы (Li et al., 2015; Cheng et al., 2017c; Yin et al., al., 2017; Zhang et al., 2017; Liang et al., 2019).

В качестве нового 2D-материала нанолисты черного фосфора (BP NS) обладают превосходным коэффициентом экстинкции и высокой эффективностью фототермического преобразования, что позволяет использовать BP NS как многообещающие фототермические агенты (Sun et al., 2015; Луо и др., 2019b). Кроме того, БП НП полностью соответствуют строгим требованиям безопасности при клиническом использовании. Метаболизм БП представляет собой фосфат или фосфонат, которые не вызывают определенных иммунных ответов (Liu et al., 2019a; Luo et al., 2019a; Yang et al., 2019). Кроме того, сравните с другими 2D-наноматериалами, такими как ксены, борные NS, антимонен и MXene (Liu et al., 2017; Tao et al., 2019; Xue et al., 2019a; Tang et al., 2020), BP NS обладают большой удельной площадью поверхности из-за конфигурации гофрированной плоскости и, таким образом, могут служить в качестве эффективной платформы доставки для множества различных грузов, таких как противораковые препараты, ментальные ионы, нацеленные молекулы и т. д., образуя синергетические терапевтические системы.

Однако, хотя БП является наиболее стабильным аллотропом фосфора, БП подвержен деградации при воздействии условий окружающей среды (Liu et al., 2019b; Tao et al., 2019). БП очень реактивен к воде и кислороду, вызывая изменения состава и физических свойств БП (Favron et al., 2015; Ryder et al., 2016). Биомедицинские применения БП сильно ограничены из-за его нестабильности в условиях окружающей среды. Один атом P BP ковалентно связан с другими тремя однослойными атомами P, тем самым обнажая пару неподеленных парных электронов (Ziletti et al., 2015). Такие неподеленные пары электронов будут легко реагировать с кислородом с образованием P _x O _y, который впоследствии удаляется водой, что приводит к разрушению P-сети НЗ BP (Zhou et al., 2016; Liu et al. , 2019а). Таким образом, предполагается, что это эффективная стратегия смягчения окисления НП БП в окружающей среде, если электроны неподеленной пары могут быть стабилизированы за счет оккупации другими элементами (Zhao et al., 2016; Guo et al., 2017). В данном случае ион цинка (Zn ²⁺) был использован для взаимодействия с БП с образованием НС БП, модифицированных Zn ²⁺.Координация Zn ²⁺ с неподеленной парой электронов BP может препятствовать реакции между P и O ₂, таким образом, в конечном итоге улучшая стабильность BP.

Что еще более важно, орган с самым высоким уровнем цинка в организме человека — это простата. Zn может подавлять активность митохондриальной аконитазы, что имеет большое значение для поддержания здоровья и нормального функционирования простаты (Kelleher et al., 2011). Однако концентрация Zn резко снижается при злокачественных новообразованиях предстательной железы (Коленко и др., 2013; Xue et al., 2019b). Zn в эпителиальных клетках простаты присутствует в форме Zn ²⁺. Хотя конкретный механизм еще предстоит изучить, сообщалось, что повышение уровня Zn ²⁺ в клетках рака простаты может ингибировать пролиферацию, инвазию и метастазирование клеток, а также индуцировать его апоптоз посредством ингибирования некоторых клеточных сигнальных путей ( Uzzo et al., 2006; Yan et al., 2010; Chen et al., 2013). Следовательно, ожидается, что введение Zn ²⁺ в нашу систему может не только улучшить стабильность BP, но также усилить терапевтический эффект комбинированной фототермической / химиотерапии против рака простаты.

Для повышения эффективности комбинированного лечения рака простаты наделение такой терапевтической системы свойством нацеливания на опухоль является многообещающей стратегией. Аптамеры (Apts), одноцепочечные олигонуклеотиды РНК или ДНК, были показаны как превосходные нацеливающие агенты для эффективного проникновения в биологические компартменты с неиммуногенностью (Li et al., 2017; Liu et al., 2018). Различные аптамеры могут быть получены путем химического синтеза с низкими затратами. Как один из ДНК-аптамеров, AS1411 Apt способен связываться с нуклеолином (NCL) с высокой специфичностью и сродством (Tao et al., 2016). NCL — это многофункциональный белок, сверхэкспрессируемый на плазматической мембране в различных солидных опухолях, включая рак простаты, который был широко признан привлекательным опухолевым маркером (Kim et al., 2012). Здесь, чтобы улучшить способность активного нацеливания на опухоль, наша система была дополнительно модифицирована NH ₂ -PEG-Apt.

В этом исследовании мы сконструировали многофункциональную систему на основе BP NS для Zn ²⁺ улучшенного комбинированного химио / фототермического лечения рака простаты.Модификация Apt позволила этой платформе обладать отличным свойством нацеливания на опухоль, увеличивая накопление наночастиц в участках опухоли. Кроме того, конъюгация с ионами цинка также может улучшить стабильность БП.

Материалы и методы

Материалы

БП оптом закуплен у Smart-Elements (Вена, Австрия). МТТ, 1-метил-2-пирролидинон (NMP), диметилсульфоксид (DMSO), трис- (2-карбоксиэтил) -фосфин гидрохлорид (TCEP) и 4 ‘, 6-диамидино-2-фенилиндол (DAPI) были приобретены у Sigma. -Олдрич (Св.Луис, Миссури, США). Ацетат цинка был получен от Aladdin (Лос-Анджелес, Калифорния, США). Метокси-PEG _2k -амин (NH ₂ -PEG) и малеимид-PEG _2k -амин (NH ₂ -PEG-MAL) были предоставлены Shanghai Yare Biotech, Inc. (Шанхай, Китай). Гидрохлорид доксорубицина (DOX) был приобретен у Dalian Meilun Biology Technology Co., Ltd. (Далянь, Китай). Минимальная основная среда Дульбекко (DMEM), стрептомицин, пенициллин, FBS были приобретены в Thermo Fisher Scientific (Уолтем, Массачусетс, США).Клетка рака простаты человека (РС3) была получена из Медицинского университета Гуйлиня (Гуйлинь, Гуанси, Китай).

Приготовление БП НС

Нанолисты

BP (BP NS) были синтезированы с помощью модифицированного метода жидкого эксфолиации (Zeng et al., 2018). Вкратце, 5 мг нерасфасованного кристаллического порошка BP диспергировали в 20 мл раствора NMP, а затем смесь подвергали обработке ультразвуком в ледяной бане с использованием мощности 700 Вт в течение 8 часов (цикл включения / выключения: 2 с / 4 с. ). Полученную коричневую суспензию центрифугировали при 3000 об / мин в течение 15 мин для удаления нерасширенной основной массы БП.Супернатант осторожно собирали и центрифугировали еще 15 мин при 10000 об / мин. Осадок собирали и ресуспендировали в NMP. БП NS хранили при 4 ° C для дальнейших экспериментов.

Приготовление BP-P-Apt

20 OD Apt-SH растворяли в 1 мл трис-буфера (pH = 7,4, 10 мМ) с последующим добавлением 2 мг NH ₂ -PEG-MAL и 40 мкг TCEP. Смесь перемешивали в темноте в течение 3 часов с получением NH ₂ -PEG-Apt. Затем к вышеуказанному раствору добавляли 2 мг БП NS.После обработки зонда ультразвуком в течение 10 минут и перемешивания в течение 5 часов, BP-P-Apt получали центрифугированием в течение 15 минут при 10000 об / мин и дважды промывали деионизированной водой.

Конъюгация ионов цинка

7,5 мг ацетата цинка смешивали с 5 мл суспензии нанолистов BP-P-Apt (0,5 мг / мл ^–1 BP) и подвергали зондовой обработке ультразвуком в течение 3 мин. После перемешивания в течение 3 ч раствор смеси центрифугировали при 10000 об / мин в течение 15 мин. Осадок (Zn-BP-P-Apt) собирали и промывали деионизированной водой.

Загрузка лекарств

Два миллиграмма Zn-BP-P-Apt диспергировали в 2 мл водного раствора DOX (1,5 мг мл ^–1), а затем перемешивали в течение 6 часов в темноте. После центрифугирования (10000 об / мин, 15 мин) конечный продукт Zn-BP-P-Apt / D отделяли и промывали, а затем лиофилизировали для дальнейшего использования.

Характеристики NS

Изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), были получены с использованием просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai G2 F30. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) выполнялась на микроскопе Bruker Diension Icon.Рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) проводили с использованием спектрометра Kratos Axis Ultra DLD с излучением Al Kα (фотоны 1486,6 эВ, 150 Вт). Размер и дзета-потенциал образцов измеряли на Malvern Mastersizer 2000 (Zetasizer Nano ZS90, Malvern Instruments Ltd., Великобритания).

pH / NIR, двойное реагирование на DOX, выпуск

Эксперименты по высвобождению лекарственного средства Zn-BP-P-Apt / D исследовали в PBS с различными значениями pH. Для каждого исследования 2 мл суспензии Zn-BP-P-Apt / D (5 мг / мл ^–1) помещали в диализный мешок (MWCO 3500, Шанхай, Сангон, Китай).Затем диализный мешок погружали в 10 мл буферной среды PBS (pH = 5,0 или 7,4) и осторожно встряхивали при 37 ° C (120 об / мин). В заранее определенные моменты времени суспензию Zn-BP-P-Apt / D с pH 5,0 облучали 808 нм лазером NIR (6 мин, 1,0 Вт см ^–2). Через заданные интервалы времени собирали 0,5 мл внешней среды для высвобождения и добавляли равный объем свежей среды к старому PBS. Кумулятивное количество DOX, высвобожденного из НЧ, измеряли с помощью флуоресцентной спектрофотометрии.

In vitro Фототермический эффект

Фототермические характеристики приготовленных наночастиц оценивали путем измерения изменений температуры с помощью инфракрасной тепловизионной камеры (Ti450, Fluke, США).НЧ Zn-BP-P-Apt / D с различными концентрациями от 50 до 200 мкг / мл ^–1 облучали лазером с длиной волны 808 нм (Shanxi Kaisite Electronic Technology Co., Ltd., Сиань, Китай) при плотностях мощности 0,5, 1,0 и 2,0 Вт см ^–2 в течение 10 мин. Для сравнения фототермического эффекта различных НЧ, BP, Zn-BP-P-Apt / D и вода подвергались воздействию лазера с длиной волны 808 нм в течение 10 минут с плотностью мощности 1,0 Вт см ^–2.

Оценка устойчивости БП НС

Чтобы оценить влияние координации Zn ²⁺ на стабильность БП, чистые НС БП и Zn-BP-P-Apt / D с одинаковым количеством концентрации БП (100 мкг / мл ^–1) диспергировали в воде и подвергались воздействию воздуха в течение 6 дней, а затем их фототермические свойства проверялись через заданные промежутки времени.Затем чистые НС БП и Zn-БП диспергировали в воде и выдерживали на воздухе в течение 2 суток. Морфологию этих двух образцов наблюдали с помощью сверхглубокого трехмерного микроскопа.

Культура клеток и клеточное поглощение

Клетки рака предстательной железы человека (PC3) культивировали в среде DMEM с высоким содержанием глюкозы, содержащей 20% FBS, стрептомицин (100 мкг / мл ^-1) и пенициллин (100 единиц / мл ^-1). Условия культивирования клеток при 37 ° C и 5% CO ₂.

клеток PC3 (10 ⁶ клеток на лунку) высевали в чашку Петри со стеклянным дном диаметром 20 мм в течение ночи.Затем добавляли свежую среду, содержащую ДОКС или нагруженные ДОКС НС БП в концентрации 5 мкг / мл ^–1 ДОКС, и инкубировали в течение 2 часов. После этого клетки трижды промывали PBS, фиксировали 4% (мас. / Об.) Раствором формальдегида в течение 20 минут и последовательно окрашивали DAPI в течение 10 минут. Наконец, клетки наблюдали с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CLSM, Olympus Fluoview FV-1000, Токио, Япония).

In vitro Анализ цитотоксичности

Для оценки цитотоксичности иона цинка клеткам PC3 (примерно 10 ⁵ клеток на лунку) позволяли культивировать в 96-луночных планшетах в течение ночи.После этого старую среду DMEM заменяли свежей культуральной средой, содержащей различные концентрации иона цинка (1, 2,5, 5, 7,5, 10, 20 и 30 мкг мл ^–1), и инкубировали еще 24, 48 и 72 часа. , соответственно. Жизнеспособность клеток определяли с помощью МТТ-анализа. Процент жизнеспособности клеток измеряли путем сравнения с группой, получавшей только среду (отрицательный контроль).

Оценку цитотоксичности DOX на клетках PC3 проводили с использованием процедуры, аналогичной описанной выше, за исключением того, что концентрация DOX составляла 0.05, 0,1, 0,5, 1, 2,5, 5 и 10 мкг мл ^–1.

Повышение содержания иона цинка при химиотерапии DOX оценивали с помощью анализа МТТ. Концентрация иона цинка составляла 1 мкг / мл ^–1, а концентрация DOX составляла от 0,05 до 10 мкг / мл ^–1. Время культивирования 48 ч.

Для оценки комбинированной фототермической химиотерапии, усиленной ионом цинка, клетки PC3 с плотностью 10 ⁵ клеток на лунку культивировали в 96-луночных планшетах. После инкубации в течение ночи свежая питательная среда, содержащая различные образцы с разными концентрациями (0.1, 0,5, 1, 2,5 и 5 мкг DOX mL ^–1) добавляли в каждую лунку. Для групп облучения БИК клетки подвергали воздействию лазера БИК при мощности 1 Вт / см ^–2 в течение 10 мин после добавления НЧ в течение 4 ч. Затем клетки инкубировали еще 48 ч и рассчитывали жизнеспособность клеток с помощью МТТ-анализа.

In vitro Исследование фототермической терапии Клетки

PC3 сначала высевали в 96-луночный планшет на 24 часа. После этого культуральную среду каждой лунки обновляли, и клетки инкубировали с BP, BP-P и BP-P-Apt в различных концентрациях в течение 4 ч при 37 ° C.Затем клетки подвергали облучению лазером с длиной волны 808 нм (1 Вт / см ^–2) в течение 10 мин. Обработанные клетки снова инкубировали еще 12 часов. Наконец, жизнеспособность клеток оценивали с помощью МТТ-анализа.

Учреждение модели опухоли

Самок мышей с комбинированным иммунодефицитом (SCID) были приобретены в Центре лабораторных животных Университета Сунь Ятсена. Эксперименты на животных проводились в соответствии с протоколами, утвержденными Административным комитетом по исследованиям на животных Университета Сунь Ятсена.Для разработки модели опухоли клетки PC3 (1 × 10 ⁶) в 100 мкл PBS вводили подкожно в область правого бока каждой мыши. Размеры опухолей измеряли цифровым штангенциркулем через день. Объем опухоли (V) рассчитывали по уравнению: V = 0,5 × a × b ², где a и b представляли длину и ширину опухоли соответственно.

In vivo Инфракрасное тепловидение

Когда объем опухолей PC3 достигал примерно 500 мм ³, мышам вводили PBS, Zn-BP-P / D и Zn-BP-P-Apt / D через хвостовую вену.Через 24 часа мышей анестезировали и участки опухоли облучали лазером NIR с длиной волны 808 нм (1,5 Вт / см ^–2, 5 мин). Во время облучения использовалась инфракрасная тепловизионная камера для отслеживания изменений температуры и инфракрасных термографических карт.

In vivo Биораспределение

Мышам с опухолями вводили внутривенно 100 мкл DOX, Zn-BP-P / D и Zn-BP-P-Apt / D (100 мкл, 5 мг DOX мл ^–1) соответственно. Через 3 или 24 часа мышей умерщвляли и собирали сердце, печень, селезенку, легкие, почки и опухоль.Впоследствии распределение DOX в этих тканях было измерено с использованием системы Maestro ^TM Automated In-Vivo Imaging (CRi Maestro ^TM, США).

In vivo Анализ противоопухолевой терапии и гистохимии

Когда объем опухоли достиг 80 мм ³, мышей с опухолью PC3 случайным образом разделили на 6 групп ( n ≥ 5) и лечили (1) PBS, (2) DOX, (3) BP-P / D , (4) BP-P-Apt / D, (5) BP-P-Apt / D + NIR и (6) Zn-BP-P-Apt / D + NIR (фиксированная концентрация DOX при 5 мг кг ^{— 1}, 100 мкл).Инъекция проводилась каждые 4 дня. Группы NIR облучали лазером с длиной волны 808 нм при плотности мощности 1,0 Вт / см ^–2 в течение 5 минут после внутривенной инъекции в течение 24 часов. Объем опухолей и массу тела мышей контролировали каждые 2 дня. После 16 дней лечения все мыши были умерщвлены. Опухоли и основные органы, включая сердце, печень, селезенку, легкие и почки, были рассечены, промыты и использованы для гистологического анализа и иммунофлуоресцентного окрашивания TUNEL.

Результаты и обсуждение

Получение Zn-BP-P-Apt / D

Синтетический процесс наноплатформы Zn-BP-P-Apt / D показан на схеме 1.Используемые в данной работе НП БП были успешно приготовлены по модифицированной методике жидкого отшелушивания из объемного БП. NH ₂ -PEG-Apt был впервые модифицирован на поверхности БП NS посредством электростатической адсорбции для повышения способности к нацеливанию, а также биосовместимости. Затем ион цинка конъюгировали с поверхностью НП БП, и загрузочное содержание Zn ²⁺ составляло около 12,8% (см. Дополнительный рисунок S1). Ожидалось, что конъюгация Zn ²⁺ усилит терапевтический эффект комбинированной фототермической / химиотерапии.Между тем, введение Zn ²⁺ также способствовало повышению стабильности НС БП. После этого для химиотерапии загружали противоопухолевый препарат DOX с загрузочным содержанием (LC) 15,2% (дополнительный рисунок S2).

СХЕМА 1. Схематическое изображение процесса изготовления и комбинированной противоопухолевой терапии Zn-BP-P-Apt / D.

Характеристики НС на базе БП

ПЭМ был использован для характеристики морфологии нанолистов на основе БП и БП.Как показано на рисунках 1C-F, размер чистого BP и модифицированного BP NS составлял примерно 200–300 нм, что составлено с учетом анализа динамического светорассеяния (рисунки 1A, B и дополнительный рисунок S3). После введения Apt и Zn ²⁺ морфология BP не показала какой-либо очевидной разницы (Фигуры 1D, E). На рисунке 1F, когда лекарства загружены на НП БП, на ПЭМ-изображении, очевидно, может наблюдаться более шероховатая поверхность, что указывает на успешную загрузку лекарств. АСМ-изображение (дополнительный рисунок S5) показало, что высота Zn-BP-P-Apt / D составляла около 5.1 нм.

Рис. 1. Распределение размеров DLS для (A), BP NS и (B), Zn-BP-P-Apt / D. ПЭМ-изображения (C) листов BP, (D) BP-P-Apt, (E) Zn-BP-P-Apt и (F) Zn-BP-P-Apt / D .

Как показано на фиг. 2C, исходный дзета-потенциал чистого BP был около -28,3 мВ, а дзета-потенциал впоследствии увеличился до -24,1 мВ после введения NH ₂ -PEG-Apt на поверхность BP. При конъюгации Zn ²⁺ дзета-потенциал PB-P-Apt-Zn изменился до -5.3 мВ. Наконец, после загрузки DOX оно увеличилось до 12,7 мВ.

Рис. 2. XPS-спектры BP, BP-P-Apt, Zn-BP-P-Apt и Zn-BP-P-Apt / D. (A) Узкое сканирование пиков Zn2p (B) Обзор всех протестированных пиков. Дзета-потенциалы НЧ на основе БП. (C) Дзета-потенциалы НЧ на основе БП. 1, 2, 3 и 4 представляют BP, BP-P-Apt, Zn-BP-P-Apt и Zn-BP-P-Apt / D соответственно. (D) Профили высвобождения лекарственного средства Zn-BP-P-Apt / D при pH 7,4 и pH 5,0 с или без облучения NIR, ↓: облучение NIR в течение 10 мин.

Химический состав различных NS был исследован с помощью XPS (рисунки 2A, B и дополнительный рисунок S4). На рис. 2А показаны спектры Zn2p четырех образцов. Пики Zn2p при 1045,3 и 1022,2 эВ наблюдались для Zn-BP-P-Apt и Zn-BP-P-Apt / D, но пики Zn2p не были обнаружены для незащищенных BP и BP-P-Apt, что свидетельствует об успешном конъюгации. иона цинка. По сравнению с BP-P-Apt-Zn интенсивность пика Zn2p для Zn-BP-P-Apt / D была слабее, что было связано с загрузкой DOX. Более того, интенсивность пика P2p для чистого BP, BP-P-Apt, Zn-BP-P-Apt и Zn-BP-P-Apt / D постепенно снижалась (дополнительный рисунок S4A).Эта тенденция объясняется отсутствием Р-элемента в PEG, Apt, Zn ²⁺ и DOX. Таким образом, этот результат снова свидетельствует об успешной модификации соответствующих соединений.

Высвобождение лекарства, зависящее от pH и температуры

Как видно из рисунка 2D, кумулятивное количество DOX, высвобожденного из Zn-BP-P-Apt / D в течение 24 часов, составило около 43,1%. Напротив, только 22,4% DOX было высвобождено за тот же период при pH 7,4. Это показало, что кислая среда ускоряет высвобождение загруженного DOX.Это может быть связано с тем, что кислая среда может увеличивать растворимость DOX в воде, что приводит к более быстрому высвобождению лекарства. Такое поведение при выпуске было очень значимым. DOX не будет высвобождаться из Zn-BP-P-Apt / D, когда NS циркулируют в нейтральной среде крови (pH = 7,4). Как только эти NS попадают в область опухоли, кислая среда опухоли ускоряет высвобождение противоопухолевых препаратов. Стимулируется 3 циклами включения / выключения лазера с длиной волны 808 нм, кумулятивная скорость DOX при pH 5.0 увеличился до 56,8% через 24 часа, что доказывает поведение высвобождения лекарственного средства, индуцированное фототермической реакцией. Эти результаты свидетельствуют о высвобождении Zn-BP-P-Apt / D лекарственного средства в зависимости от pH и температуры, что может не только уменьшить побочные эффекты лекарств, но и улучшить скорость его использования. Кроме того, были протестированы профили высвобождения лекарственного средства Zn-BP-P-Apt / D при pH 6,5 и 6,0 (дополнительный рисунок S6).

Фототермические свойства различных НЗ

Для исследования фототермических свойств различных НС вода, водные растворы БП и Zn-BP-P-Apt / D подвергались лазерному облучению с длиной волны 808 нм.Температурные изменения отслеживались и количественно оценивались с помощью инфракрасной тепловизионной камеры (рис. 3). Согласно уравнениям во вспомогательной информации, эффективность фототермического преобразования BP NS, Zn-BP-P-Apt и Zn-BP-P-Apt / D была рассчитана отдельно и составила 29,6, 27,1 и 24,3%. Как показано на рисунке 3А, температура раствора БП (100 мкг / мл ^–1) увеличилась на ~ 29,6 ° C после облучения (1 Вт / см ^–2) в течение 10 минут, в то время как чистая вода почти не нагревается при облучении, Это указывает на то, что BP может эффективно преобразовывать ближний инфракрасный свет в тепловую энергию.Повышение температуры Zn-BP-P-Apt / D было примерно на 3 ° C ниже, чем BP (ΔT = 26,6 ° C). Однако это изменение температуры было достаточно большим, чтобы вызвать необратимый апоптоз клеток из-за гипертермии (Wust et al., 2002). Затем мы исследовали влияние плотности мощности NIR-лазера на гипертермию, вызванную Zn-BP-P-Apt / D (рис. 3C). Дисперсию Zn-BP-P-Apt / D при 100 мкг BP mL ^–1 облучали лазером с длиной волны 808 нм с различной плотностью лазерной мощности, что означает, что изменение температуры дисперсии все еще может достигать примерно 16.1 ° C даже при плотности мощности 0,5 Вт / см ^–2. Более того, Zn-BP-P-Apt / D проявлял зависящие от концентрации фототермические свойства (рис. 3B). Как показано на рисунке 3D, после облучения лазером NIR в течение 4 циклов процесс изменения температуры не показал каких-либо значительных изменений, что свидетельствует об удовлетворительной фотостабильности Zn-BP-P-Apt / D.

Рис. 3. (A) Изменения температуры чистой воды, BP NS и Zn-BP-P-Apt / D. (B) Кривые повышения температуры суспензии Zn-BP-P-Apt / D с различными концентрациями при плотности мощности 1.0 Вт см ^–2. (C) Кривые изменения температуры суспензии Zn-BP-P-Apt / D с концентрацией 100 мкг / мл ^–1 при различных мощностях лазера. (D) Нагревание суспензии Zn-BP-P-Apt / D в воде в течение четырех циклов включения / выключения лазера с помощью БИК-лазера с длиной волны 808 нм при плотности мощности 1,0 Вт / см ^–2.

Оценка устойчивости

Чтобы изучить, может ли координация с Zn ²⁺ улучшить стабильность БП, были протестированы фототермические характеристики чистого БП и Zn-BP-P-Apt / D (100 мкг БП / мл ^–1) в воде, подвергающейся воздействию воздуха. (Рисунки 4A, B).Температура чистого БП повысилась примерно на 29,8 ° C в течение 10 минут, но облучение повысило температуру только на 20 ° C через 6 дней, поэтому фототермические характеристики БП были быстро ослаблены из-за его деградации. Напротив, Zn-BP-P-Apt / D был явно более фототермически стабильным. Повышение температуры изменилось только примерно на 3,3 ° C (с 26,4 до 23,1 ° C) через 6 дней. Следовательно, координация с Zn ²⁺ может значительно стабилизировать АД.

Рис. 4. Кривые фототермического нагрева (A), чистого BP и (B), Zn-BP-P-Apt / D, диспергированных в открытой воде в течение 0, 1, 3 и 6 дней.В качестве источника излучения использовался лазер с длиной волны 808 нм при плотности мощности 1 Вт / см ^–2. Оптические изображения чистого БП на Si / SiO ₂ после воздействия влажного воздуха при комнатной температуре в течение (C) 0 и (D) 48 ч, изображения чистого Zn-BP после (E) 0 и (F) 48 ч (шкала = 10 мкм).

Затем мы визуально наблюдали стабильность BP и Zn-BP-P-Apt / D с помощью сверхглубокого трехмерного микроскопа (Рисунки 4C – F). Находясь на воздухе при комнатной температуре и влажности 95% в течение 48 часов, можно было явно отметить деградацию голого БП, особенно по краям.Напротив, поверхность НС Zn-BP-P-Apt / D практически не изменилась, что доказывает надежную стабильность Zn-BP-P-Apt / D. Эти результаты в совокупности прямо продемонстрировали, что координация между ионом цинка и НП БП может эффективно препятствовать окислению БП во влажном воздухе, тем самым улучшая его стабильность.

Поглощение сотовой связи

Сообщалось, что аптамеры AS1411 могут связываться с различными опухолевыми клетками (Tao et al., 2016). Чтобы подтвердить это, клеточное поглощение загруженных DOX или DOX НП против клеток PC3 было оценено с помощью CLSM.Как показано на фиг. 5A, по сравнению с группой Zn-BP-P / D, группа Zn-BP-P-Apt / D демонстрировала более сильный флуоресцентный сигнал, подразумевая, что модифицированные аптамером NP были способны эффективно связываться с клетками PC3. Для дополнительной проверки способности аптамеров нацеливаться на опухоль в группу Zn-BP-P-Apt / D добавляли избыточное количество свободных аптамеров AS1411. После 2-часовой совместной инкубации интенсивность красной флуоресценции резко снизилась. Причиной этого может быть то, что большое количество свободных аптамеров AS1411 связывается с нуклеолином (рецепторами Apt) на плазматической мембране, тем самым в значительной степени ингибируя связывание между Zn-BP-P-Apt / D и нуклеолином.

Рис. 5. (A) Изображения, полученные с помощью лазерной сканирующей конфокальной микроскопии клеток PC3, обработанных DOX, Zn-BP-PEG / D, Zn-BP-P-Apt / D, Zn-BP-P-Apt / D с свободный Apt, и время инкубации составляло 2 часа. (B) Жизнеспособность клеток PC3, инкубированных с различными концентрациями BP, BP-PEG и BP-P-Apt при облучении лазером NIR. (C) In vitro цитотоксичность BP, BP-P и BP-P-Apt проверена методом МТТ (808 нм, 1 Вт см ^–2, 10 мин, ** P <0.01).

Интересно, что мы обнаружили, что группа свободного DOX показала самую сильную красную флуоресценцию, даже лучше, чем Zn-BP-P-Apt / D. Это можно объяснить тем фактом, что DOX может свободно и быстро проникать через плазматическую мембрану и ядерную мембрану за счет эффекта пассивной диффузии из-за своего небольшого размера молекулы (Cheng et al., 2017b). Однако микроокружение in vivo намного сложнее, благодаря замедленному высвобождению и активному нацеленному эффекту на опухоль, нагруженные DOX НП могут улучшить биосовместимость in vivo и биораспределение противоопухолевого препарата, тем самым усиливая его терапевтический эффект.

In vitro Фототермическая терапия
Для проверки фототермической цитотоксичности различных наноматериалов на основе НП БП in vitro был проведен МТТ-анализ на клетках РС3. Как показано на фиг. 5B, BP, BP-P и BP-P-Apt проявляли фототермический эффект, зависящий от концентрации. Как и ожидалось, из-за активной способности нацеливаться на опухоль, модифицированные Apt НП BP (BP-P-Apt) показали наивысшую фототермическую цитотоксичность, и около 87,8% клеток PC3 были убиты при концентрации BP-P-Apt 50 мкг / мл ^-1, что намного выше, чем у ВР (70.8%) и группы BP-P (72,7%) в той же концентрации. Напротив, одно только NIR-облучение показало незначительную цитотоксичность по отношению к клеткам PC3.
In vitro Цитотоксичность
Чтобы оценить цитотоксичность НП на основе BP по отношению к клеткам PC3, использовали анализ МТТ. Как показано на фиг. 5C, НП BP, BP-P и BP-P-Apt проявляли незначительную цитотоксичность. Например, клетки PC3, обработанные BP-P-Apt, все еще имели жизнеспособность около 91,8% даже при концентрации 100 мкг / мл ^–1 через 48 часов, что подтверждает превосходную биосовместимость голых НП.И токсичность Zn ²⁺ по отношению к клеткам PC3 показала зависимость от времени и дозировки. Zn ²⁺ начал проявлять очевидную цитотоксичность по отношению к клеткам PC3 после 48 или 72 часов обработки, когда его концентрация превышает 5 мкг / мл ^–1 (рис. 6A). Также была изучена цитотоксичность DOX по отношению к клеткам PC3 (рис. 6В). На рисунке 6C показана комбинированная цитотоксичность Zn ²⁺ и DOX по отношению к клеткам PC3 (при фиксированной концентрации Zn ²⁺, равной 1 мкг / мл ^–1). Можно было наблюдать, что ион цинка может увеличивать терапевтическую эффективность in vitro DOX по отношению к клеткам PC3 до определенной степени для всех протестированных концентраций DOX.
Рисунок 6. (A) Относительная жизнеспособность клеток PC3 после инкубации с различными концентрациями Zn ²⁺ в течение 24, 48 и 72 часов. (B) Жизнеспособность клеток PC3 после инкубации с DOX в различных концентрациях в течение 24, 48 и 72 часов. (C) Жизнеспособность клеток PC3, обработанных DOX или DOX + Zn ²⁺ (концентрация Zn ²⁺ составляла 1 мкг / мл ^–1) при различных концентрациях DOX в течение 48 часов. (D) Жизнеспособность клеток PC3, обработанных различными образцами с или без облучения лазером NIR при различных концентрациях DOX в течение 48 часов. (* p <0,05, ** p <0,01, *** p <0,001).
Затем мы исследовали комбинированную цитотоксичность иона цинка, DOX и фототермической терапии (рис. 6D). НП БП, нагруженные DOX, но без Apt и Zn ²⁺ (обозначаемые как BP-P / D), показали умеренную цитотоксичность, с жизнеспособностью клеток около 57,1% при 5 мкг DOX мл ^–1 через 48 часов.Напротив, после введения Apt, BP-P-Apt / D проявлял более сильную токсичность по отношению к клеткам PC3 из-за активной способности Apt к нацеливанию на опухоль. После облучения с помощью NIR BP-P-Apt / D показал лучшую токсичность для уничтожения опухолевых клеток по сравнению с другими формулами без облучения NIR, что означает, что комбинированная химио / фототермическая терапия может оказывать лучший терапевтический эффект, чем одна химиотерапия. Более того, после конъюгации Zn ²⁺ группа Zn-BP-P-Apt / D + NIR показала лучший эффект уничтожения опухолевых клеток, что свидетельствует о важности синергетического действия комбинированной химио- / фототермической терапии, усиленной ионами цинка, при раке простаты.
In vivo Фототермическая визуализация
ИК тепловизионное изображение NSs на основе PBS и BP in vivo исследовали при облучении лазером с длиной волны 808 нм (1,5 Вт / см ^–2) в течение 5 минут через 24 часа после инъекции. Как показано на фигуре 7A и дополнительной фигуре S7, температура опухоли в группе, получавшей PBS, немного повысилась после 5-минутного лазерного облучения. Иными словами, в группе, получавшей Zn-BP-P / D, гипертермия быстро возникла в области опухоли и достигла примерно 47.3 ° С. Zn-BP-P-Apt / D показал лучшие характеристики, чем Zn-BP-P / D, и температура поднялась примерно до 51,2 ° C в течение 5 минут, что было достаточно высоким, чтобы убить опухолевые клетки. Эти результаты продемонстрировали, что Zn-BP-P-Apt / D может эффективно накапливаться в опухолевых участках и действовать как превосходные фототермические агенты, вызывая гипертермию in vivo для эффективного уничтожения опухолевых клеток.
Рисунок 7. (A) In vivo ИК-тепловые изображения мышей с опухолью PC3, обработанных лазером 808 нм в течение 300 с. (B) Ex vivo флуоресцентные изображения основных органов и опухолей после инъекции мышам свободного DOX, Zn-BP-P / D и Zn-BP-P-Apt / D через 3 и 24 часа. H, Li, S, Lu, K и T обозначают сердце, печень, селезенку, легкие, почки и опухоль соответственно.
In vivo Биораспределение
in vivo Биораспределение нагруженных DOX и DOX НП исследовали на голых мышах с опухолями PC3 после инъекции в хвостовую часть. Интенсивность флуоресценции DOX регистрировали через 3 или 24 часа после инъекции (фигура 7B).Через 3 часа DOX в НС Zn-BP-P / D и Zn-BP-P-Apt / D в основном распределялся по опухоли, в то время как относительно высокая интенсивность флуоресценции DOX могла быть обнаружена не только в опухоли, но и в печени. бесплатная группа DOX. Через 24 часа после инъекции. Интенсивность DOX стала слабее в опухолевых участках для группы свободного DOX, что означает короткое время его удерживания в крови и тканях. Напротив, гораздо более сильные сигналы флуоресценции DOX в опухоли наблюдались в обеих группах BP, нагруженных DOX, через 24 часа. Как и ожидалось, Zn-BP-P-Apt / D показал самый сильный сигнал DOX в опухоли, что указывает на превосходную способность нацеливания на опухоль.В целом, распределение сигналов DOX для НП на основе БП, особенно для Zn-BP-P-Apt / D, выявило преобладающее накопление в опухоли, закономерность, ожидаемую для биораспределения наночастиц.
In vivo Терапевтический эффект
На основе результатов in vitro, вдохновляющих результатов, было исследовано in vivo Zn ²⁺ усиленная химио- / фототермическая терапия. Как показано на фиг. 8A, B, в течение 16-дневного периода лечения наблюдался быстрый рост опухолей в группе, получавшей PBS.Объем опухоли мышей, которым вводили свободный DOX, мог быть частично, но не значительно уменьшен по сравнению с контрольной группой, показывая, что эта доза введенного DOX была недостаточной для эффективного уничтожения опухолевых клеток. Напротив, эффективные противоопухолевые эффекты были замечены в группах BP-P / D и BP-P-Apt / D по сравнению со свободным DOX. Это объясняется большим накоплением DOX в опухолевых участках из-за эффектов ЭПР (Cheng et al., 2017d; Wang et al., 2019b). Кроме того, BP-P-Apt / D показал более эффективный эффект удаления опухоли, чем BP-P / D, что предполагает хорошую способность Apt к нацеливанию на опухоль.Опухоли PC3 дополнительно подавлялись в группе BP-P-Apt / D после фототермической обработки. Интересно, что кривая роста опухоли в группе Zn-BP-P-Apt / D + NIR показала самую низкую скорость роста, и три мыши в этой группе были полностью вылечены через 16 дней. Этот результат доказал самый превосходный эффект подавления опухоли Zn-BP-P-Apt / D + NIR, который был приписан усиленной Zn ²⁺ комбинированной химио / фототермической терапии.
Рисунок 8. (A) Фотографии опухолей, взятых у мышей на 16 день. (B) Кривые роста опухоли после различных обработок. (C) TUNEL флуоресцентное окрашивание срезов опухоли в конце противоопухолевого эксперимента in vivo * p <0,05, ** P <0,01). (Масштаб = 200 мкм).
Противораковая эффективность Zn-BP-P-Apt / D дополнительно анализируется с помощью анализа мечения концов дезоксиуридинтрифосфатных никелевых концов (TUNEL), опосредованного терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой, который обычно используется для исследования внутриопухолевых уровней апоптоза.Как показано на Фигуре 8C, несколько TUNEL-положительных клеток (зеленый цвет) наблюдались в группах PBS и чистых DOX, тогда как значительные TUNEL-положительные апоптотические клетки наблюдались в группе Zn-BP-P-Apt / D NS.
Изучена потенциальная токсичность различных НП на основе БП. Во время лечения не наблюдалось значительного снижения массы тела мышей (дополнительный рисунок S8), что свидетельствует о незначительных побочных эффектах NS. Более того, как показано на дополнительном рисунке S10, гистологическая оценка основных органов, окрашенных гематоксилином и эозином (H&E), не показала очевидного воспалительного поражения или повреждения органов во всех основных органах после лечения.Это еще раз продемонстрировало хорошую биосовместимость НП. Следовательно, свежеприготовленные НП Zn-BP-P-Apt / D показали большой потенциал для усиленной двухмодальной терапии рака Zn ²⁺.
Заключение
Таким образом, система нанопрепаратов, направленная на опухоль (Zn-BP-P-Apt / D NS), была успешно разработана для комбинированной химиофотермической терапии рака простаты. Эксперимент по высвобождению лекарства показал поведение высвобождения лекарства в зависимости от pH и NIR-излучения. Анализ цитотоксичности показал, что Zn ²⁺ сам по себе может до некоторой степени ингибировать пролиферацию клеток рака простаты.Между тем эффективность фототермической / химиотерапии была дополнительно увеличена за счет введения Zn ²⁺ в эту многофункциональную наноплатформу. Кроме того, координация Zn ²⁺ улучшила стабильность НС БП, что имеет большое значение для замедления деградации его фототермических характеристик. Более того, модификация PEG-Apt позволила увеличить время циркуляции крови и целенаправленно накапливаться на участках опухоли. Как in vitro, , так и in vivo противоопухолевые анализы продемонстрировали превосходную терапевтическую эффективность этой системы нанопрепаратов для лечения рака простаты.
Заявление о доступности данных
Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительные материалы, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.
Заявление об этике
Исследование на животных было рассмотрено и одобрено Административным комитетом по исследованиям на животных Университета Сунь Ятсена.
Авторские взносы
Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (81660425), Научных исследований и развития технологий города Гуйлинь (20170226), Фонда естественных наук Гуанси (2018GXNSFAA281270, 2019GXNSFAA 185034) и Комиссии по науке, технологиям и инновациям Шэньчжэня. Муниципалитет (JCYJ20180307153300735, JCYJ2018 0507181654186, JCYJ20170818162637217 и JCYJ20160531 195129079).
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Дополнительные материалы
Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2020.00769/full#supplementary-material
Список литературы
Chen, W., Yang, W., Chen, P.Y., Huang, Y.Z., and Li, F. (2018). Наночастицы дисульфирама меди, полученные с использованием комплекса стабилизированного иона металла-лиганда, предназначены для лечения лекарственно-устойчивого рака простаты. ACS Appl. Матер. Интер. 10, 41118–41128.DOI: 10.1021 / acsami.8b14940
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Chen, X. C., Che, X. Y., Wang, J. B., Chen, F., Wang, X.J., Zhang, Z. W., et al. (2013). Цинк сенсибилизирует клетки рака простаты к сорафенибу и регулирует экспрессию ливина. Acta Biochimica Et Biophysica Sinica 45, 353–358. DOI: 10.1093 / abbs / gmt017
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Cheng, W., Liang, C.Y., Wang, X.S., Цай, Х. И., Лю, Г., Пэн, Ю. М. и др. (2017a). Мезопористый кремнеземный носитель, управляемый лекарственными средствами и реагирующий на микроокружение опухоли: универсальная наномедицина «четыре в одном» для направленной терапии рака с множественной лекарственной устойчивостью. Nanoscale 9, 17063–17073. DOI: 10.1039 / c7nr05450e
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Cheng, W., Liang, C.Y., Xu, L., Liu, G., Gao, N. S., Tao, W., et al. (2017b). Модифицированный полидофамином мезопористый диоксид кремния, функционализированный TPGS, в качестве наноносителей лекарств для усиленной химиотерапии рака легких против множественной лекарственной устойчивости. Малый 13: 1700623. DOI: 10.1002 / smll.201700623
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Cheng, W., Nie, J. P., Gao, N. S., Liu, G., Tao, W., Xiao, X. J., et al. (2017c). Многофункциональная наноплатформа против рака с множественной лекарственной устойчивостью: объединение лучших методов таргетной химио / генной / фототермической терапии. Adv. Funct. Матер. 27: 1704135
Google Scholar
Cheng, W., Nie, J.P., Xu, L., Liang, C.Y., Peng, Y., Liu, G., и другие. (2017г). pH-чувствительный носитель для доставки на основе конъюгированных с фолиевой кислотой модифицированных полидофамином мезопористых наночастиц диоксида кремния для направленной терапии рака. ACS Appl. Матер. Интер. 9, 18462–18473. DOI: 10.1021 / acsami.7b02457
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Cheng, W., Zeng, X. W., Chen, H. Z., Li, Z. M., Zeng, W. F., Mei, L., et al. (2019). Универсальные полидофаминовые платформы: синтез и перспективные применения для модификации поверхности и передовой наномедицины. Acs Nano 13, 8537–8565. DOI: 10.1021 / acsnano.9b04436
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Favron, A., Gaufres, E., Fossard, F., Phaneuf-L’Heureux, A. L., Tang, N. Y. W., Levesque, P. L., et al. (2015). Эффекты фотоокисления и квантового ограничения в расслоенном черном фосфоре. Nat. Матер. 14, 826–832. DOI: 10.1038 / nmat4299
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Го, Д. X., Ян, Х.Л., Чжан Ю. и Чен Л. (2019). Создание наночастиц восстановленного оксида графена из мезопористого кремнезема для фототермической химиотерапии. Micropor. Мезопор. Мат. 288, 109608. DOI: 10.1016 / j.micromeso.2019.109608
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Guo, Z. N., Chen, S., Wang, Z. Z., Yang, Z. Y., Liu, F., Xu, Y.H., et al. (2017). Модифицированный металл-ионами черный фосфор с повышенной стабильностью и характеристиками транзистора. Adv. Матер. 29, 1703811.DOI: 10.1002 / adma.201703811
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Heidenreich, A., Bastian, P.J., Bellmunt, J., Bolla, M., Joniau, S., van der Kwast, T., et al. (2014). Рекомендации ЕАУ по раку простаты. Часть II: лечение распространенного, рецидивирующего и устойчивого к кастрации рака простаты. Eur. Урол. 65, 467–479. DOI: 10.1016 / j.eururo.2013.11.002
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Келлехер, С.Л., Маккормик, Н. Х., Веласкес, В., Лопес, В. (2011). Цинк в специализированных секреторных тканях: роль в поджелудочной железе, простате и молочной железе. Adv. Nutr. 2, 101–111. DOI: 10.3945 / an.110.000232
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ким, Дж. К., Чой, К. Дж., Ли, М., Джо, М. Х. и Ким, С. (2012). Молекулярная визуализация терапевтического зонда, нацеленного на рак, с использованием наночастиц, конъюгированных с нуклеолиновым аптамером и молекулярным маяком микроРНК-221. Биоматериалы 33, 207–217. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2011.09.023
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ли, Б., Е, К. С., Чжан, Ю. Х., Цинь, Дж. Б., Цзоу, Р. Дж., Сюй, К. Б. и др. (2015). Фототермическая синергетическая терапия на основе нанокристаллов биметаллических сульфидов, а не нанокомпозитов. Adv. Матер. 27, 1339–1345. DOI: 10.1002 / adma.201404257
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ли, Ф., и Махато Р. И. (2015). miRNAs как мишени для лечения рака: разработка и доставка терапевтических средств. Предисловие. Adv. Препарат доставки Rev. 81, v – vi. DOI: 10.1016 / j.addr.2014.11.005
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ли, Ф. К., Мэй, Х., Гао, Й., Се, X. Д., Не, Х. Ф., Ли, Т. и др. (2017). Совместная доставка кислорода и эрлотиниба с помощью липосомных комплексов, модифицированных аптамером, для устранения индуцированной гипоксией лекарственной устойчивости при раке легких. Биоматериалы 145, 56–71.DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2017.08.030
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Liang, X., Ye, X.Y., Wang, C., Xing, C.Y., Miao, Q. W., Xie, Z. J., et al. (2019). Фототермическая иммунотерапия рака препаратом черного фосфора, покрытого мембраной эритроцитов. J. Control. Выпуск 296, 150–161. DOI: 10.1016 / j.jconrel.2019.01.027
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лю Г., Цай Х. И., Цзэн X.W., Qi, J. Y., Luo, M. M., Wang, X. S., et al. (2019a). Стабильная система доставки лекарств на основе нанолистов черного фосфора посредством самостабилизации лекарств для комбинированной фототермической и химиотерапии рака. Chem. Англ. J. 375: 121917. DOI: 10.1016 / j.cej.2019.121917
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лю, X., Бай, Ю. Ф., Сюй, Дж., Сюй, К. К., Сяо, Л. П., Сунь, Л. П. и др. (2019b). Прочный амфифобный многослойный нанолист из черного фосфора с повышенной стабильностью. Adv.Sci. 6: 1
1. DOI: 10.1002 / advs.201
1
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лю, Г. Ю., Цзоу, Дж. Х., Тан, К. Ю., Ян, X. Y., Чжан, Ю. В., Чжан, К., и др. (2017). Нанолисты Ti3C2 MXene с модифицированной поверхностью для фототермической / фотодинамической / химиосинергической терапии опухолей. ACS Appl. Матер. Интер. 9, 40077–40086. DOI: 10.1021 / acsami.7b13421
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лю, Х.Р., Май, Дж. Х., Шен, Дж. Л., Вольфрам, Дж., Ли, З. К., Чжан, Г. Д. и др. (2018). Новый ДНК-аптамер для двойного нацеливания на полиморфно-ядерные миелоидные супрессорные клетки и опухолевые клетки. Theranostics 8, 31–44. DOI: 10.7150 / thno.21342
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ло, М. М., Ченг, В., Цзэн, Х. В., Мэй, Л., Лю, Г., и Дэн, В. Б. (2019a). Функционализированные фолиевой кислотой квантовые точки черного фосфора для таргетной химиофотермической комбинированной терапии рака. Фармацевтика 11: 242. DOI: 10.3390 / фармацевтика11050242
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ло, М. М., Фань, Т. Дж., Чжоу, Ю., Чжан, Х., и Мэй, Л. (2019b). 2D Биомедицинские приложения на основе черного фосфора. Adv. Funct. Матер. 29: 1808306. DOI: 10.1002 / adfm.201808306
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Mollica, V., Di Nunno, V., Cimadamore, A., Lopez-Beltran, A., Cheng, L., Santoni, M., et al.(2019). Молекулярные механизмы, связанные с резистентностью к ингибированию гормонов при раке простаты. Ячейки 8:43. DOI: 10.3390 / Cell8010043
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Райдер, К. Р., Вуд, Дж. Д., Уэллс, С. А., Янг, Ю., Джаривала, Д., Маркс, Т. Дж. И др. (2016). Ковалентная функционализация и пассивация расслоенного черного фосфора с помощью химии арилдиазония. Nat. Chem. 8, 597–602. DOI: 10.1038 / nchem.2505
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Солнце, З.Б., Се, Х. Х., Тан, С. Ю., Ю, Х. Ф., Го, З. Н., Шао, Дж. Д. и др. (2015). Квантовые точки сверхмалого черного фосфора: синтез и использование в качестве фототермических агентов. Angewandte Chemie-Int. Эд. 54, 11526–11530. DOI: 10.1002 / anie.201506154
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Tang, Z. M., Kong, N., Ouyang, J., Feng, C., Kim, N.Y., Ji, X.Y., et al. (2020). Научно-ориентированный дизайн и синтез многофункциональных наноматериалов для биомедицинских приложений по фосфору. Matter 2, 297–322. DOI: 10.1016 / j.matt.2019.12.007
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Tao, W., Kong, N., Ji, X.Y., Zhang, Y.P, Sharma, A., Ouyang, J., et al. (2019). Новые двумерные моноэлементные материалы (ксены) для биомедицинских приложений. Chem. Soc. Ред. 48, 2891–2912. DOI: 10.1039 / c8cs00823j
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Тао, В., Цзэн, X. W., Wu, J., Zhu, X., Yu, X.H., Zhang, X. D., et al. (2016). Модификация поверхности новых биоконъюгатов наночастиц и аптамер на основе полидофамина для нацеливания на рак молочной железы in vivo и усиления терапевтических эффектов. Theranostics 6, 470–484. DOI: 10.7150 / thno 14184
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Тео, М. Ю., Раткопф, Д. Э., и Кантофф, П. (2019). Лечение распространенного рака простаты. Annu. Rev. Med. 70, 479–499.
Google Scholar
Уццо, Р.Г., Криспен, П. Л., Головин, К., Махов, П., Хорвиц, Э. М., Коленко, В. М. (2006). Разнообразные эффекты цинка на факторы транскрипции NF-каппа B и AP-1: последствия для прогрессирования рака простаты. Канцерогенез 27, 1980–1990. DOI: 10.1093 / carcin / bgl034
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wang, Q., Zhang, X.Y., Sun, Y., Wang, L.T., Ding, L., Zhu, W.H., et al. (2019a). Наночастицы сополимера в золотой клетке как мультимодальная синергетическая платформа для фотодинамической / фототермической / химиотерапии против летального андроген-устойчивого рака простаты. Биоматериалы 212, 73–86. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2019.05.009
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wang, M. Q., Liang, Y., Zhang, Z. C., Ren, G. H., Liu, Y.J., Wu, S. S., et al. (2019b). Наночастицы Ag @ Fe3O4 @ C для химико-фототермического синергетического таргетинга на основе мультимодальных изображений для лечения рака. Анал. Чим. Acta 1086, 122–132. DOI: 10.1016 / j.aca.2019.08.035
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ван, Х.S., Chen, H.Y., Zeng, X. W., Guo, W.P., Jin, Y., Wang, S., et al. (2019c). Эффективная нацеленная доставка лекарств от рака легких с помощью системы наночастиц / МСК. Acta Pharmaceutica Sinica B 9, 167–176. DOI: 10.1016 / j.apsb.2018.08.006
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wust, P., Hildebrandt, B., Sreenivasa, G., Rau, B., Gellermann, J., Riess, H., et al. (2002). Гипертермия в комплексном лечении рака. Ланцет Онкол. 3, 487–497.
Google Scholar
Xue, T. Y., Liang, W. Y., Li, Y. W., Sun, Y. H., Xiang, Y. J., Zhang, Y. P., et al. (2019a). Сверхчувствительное обнаружение miRNA с помощью сенсора поверхностного плазмонного резонанса на основе антимонена. Nat. Commun. 10:28.
Google Scholar
Xue, Y. N., Yu, B. B., Liu, Y. N., Guo, R., Li, J. L., Zhang, L. C., et al. (2019b). Цинк повышает химиочувствительность клеток рака простаты к паклитакселу, ингибируя эпителиально-мезенхимальный переход и индуцируя апоптоз. Простата 79, 647–656. DOI: 10.1002 / pros.23772
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ян М., Хардин К. и Хо Э. (2010). Дифференциальный ответ на цинк-индуцированный апоптоз при доброкачественной гиперплазии предстательной железы и раковых клетках простаты. J. Nut. Biochem. 21, 687–694. DOI: 10.1016 / j.jnutbio.2009.04.002
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ян, Г. Б., Чжан, Р., Лян, К., Чжао, Х., И, X., Шен, С. Д. и др. (2018). Нанокомпозиты WS2 @ Fe3O4 / sSiO (2) с покрытием из диоксида марганца для ph-чувствительной МР-визуализации и синергетической терапии с повышенным содержанием кислорода. Малый 14: 1702664. DOI: 10.1002 / smll.201702664
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Yang, X.Y., Wang, D.Y., Zhu, J. W., Xue, L., Ou, C.J., Wang, W.J., et al. (2019). Функциональные нанолисты черного фосфора для направленной на митохондрии фототермической / фотодинамической синергетической терапии рака. Chem. Sci. 10, 3779–3785. DOI: 10.1039 / c8sc04844d
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Инь, Д. Ю., Ли, X. Л., Ма, Ю. Ю., и Лю, З. (2017). Прицельная визуализация рака и фототермическая терапия с помощью золотых наностержней, отпечатанных моносахаридами. Chem. Commun. 53, 6716–6719. DOI: 10.1039 / c7cc02247f
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Цзэн, X. W., Luo, M. M., Liu, G., Wang, X. S., Tao, W., Lin, Y.X., et al. (2018). Модифицированная полидофамином нанокапсула черного фосфора с повышенной стабильностью и фототермическими характеристиками для мультимодального лечения опухолей. Adv. Sci. 5: 1800510. DOI: 10.1002 / advs.201800510
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Zhang, Q., Zhang, L.Y., Li, S. N., Chen, X.J., Zhang, M.J., Wang, T. T., et al. (2017). Разработал синтез наночастиц Au / Fe3O4 @ C janus для двухмодальной визуализации и активно направленной химиофотермической синергетической терапии раковых клеток. Chemistry-a Eur. J. 23, 17242–17248. DOI: 10.1002 / chem.201703498
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Zhao, Y. T., Wang, H.Y., Huang, H., Xiao, Q. L., Xu, Y.H., Guo, Z. N., et al. (2016). Поверхностная координация черного фосфора для надежной устойчивости на воздухе и в воде. Angewandte Chemie-Int. Эд. 55, 5003–5007. DOI: 10.1002 / anie.201512038
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чжоу, Q.Х., Чен, К., Тонг, Ю. Л. и Ван, Дж. Л. (2016). Разложение многослойного черного фосфора под действием света в окружающей среде: механизм и защита. Angewandte Chemie-Int. Эд. 55, 11437–11441. DOI: 10.1002 / anie.201605168
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Зилетти А., Карвалью А., Кэмпбелл Д. К., Кокер Д. Ф. и Нето А. С. (2015). Кислородные дефекты в фосфорене. Phys. Rev. Lett. 114: 046801.
Google Scholar
.

Бп из энергосберегающей лампы со стабилизацией. Как сделать блок питания из энергосберегающих ламп. Схема драйвера для светодиодной лампы

Каталог радиолюбительских схем. Как стабилизировать «электронный трансформатор»

Бп для шуруповерта из энергосберегающей лампы. Как сделать блок питания из энергосберегающих ламп

Импульсный блок и его назначение

Отличия конструкции лампы от импульсного блока

Импульсный трансформатор

Рассчитываем ёмкость необходимого напряжения

Подключение к сети 220 вольт

В чем разница между ИБП и электронным балластом

В чем суть реконструкции балласта

Трансформатор из дросселя

Тестирование ИБП

Более мощный ИБП с отдельным трансформатором

Драйвер для светодиодов из энергосберегающей лампы

Теоретическое обоснование

Практическая реализация идеи

Используем драйвер энергосберегающей лампы

Советы и предостережения

Материалы по теме:

Импульсный блок питания 12 Вольт

Использование балласта энергосберегающей лампы высоковольтных импульсов. ﻿ Импульсный источник питания из лампочки КЛЛ своими руками

Достоинства импульсных блоков питания

Схема блока питания

Переделка блока

Определяем мощность

Новые детали

Блок питания повышенной мощности

Испытание

Блок из лампы. Видео

Переделка драйвера энергосберегающей лампы. Драйвер для светодиодов из энергосберегающей лампы

Теоретическое обоснование

Практическая реализация идеи

Используем драйвер энергосберегающей лампы

Шаг 2: Откройте корпус лампы

Шаг 3: удалите печатную плату из корпуса

Шаг 4: Отпаяйте все полезные части

Импульсный блок и его назначение

Отличия конструкции лампы от импульсного блока

Импульсный трансформатор

Рассчитываем ёмкость необходимого напряжения

Подключение к сети 220 вольт

Клинья из эффективных зданий — Инициатива по снижению выбросов углерода

Комментарии

Стабильность работы перовскитных светодиодов

2.1.1. Миграция ионов внутри перовскита

2.1.2. Миграция ионов через границу раздела

Фундаментальный Взгляд на деградацию и стабилизацию тонкого слоя черного фосфора

Аннотация

Введение

Результаты и Обсуждение

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

границ | Стабилизированные ионами цинка аптамерные нанопласты с черным фосфором для улучшенной фототермической / химиотерапии рака простаты

Введение

Материалы и методы

Материалы

Приготовление БП НС

Приготовление BP-P-Apt

Конъюгация ионов цинка

Загрузка лекарств

Характеристики NS

pH / NIR, двойное реагирование на DOX, выпуск

Оценка устойчивости БП НС

Культура клеток и клеточное поглощение

Учреждение модели опухоли

Результаты и обсуждение

Получение Zn-BP-P-Apt / D

Характеристики НС на базе БП

Высвобождение лекарства, зависящее от pH и температуры

Фототермические свойства различных НЗ

Оценка устойчивости

Поглощение сотовой связи

Заключение

Заявление о доступности данных

Использование балласта энергосберегающей лампы высоковольтных импульсов. Импульсный источник питания из лампочки КЛЛ своими руками