Классификация светодиодов по напряжению

Светодиоды: классификация, назначение, основные характеристики

В данной статье собрана подробная информация о светодиодах. Описаны их характеристики, виды и спецификации.

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

1. Основные характеристики светодиодов:

• сила света (эффективность);
• угол излучения;
• мощность;
• рабочий ток;
• цвет (температура свечения);
• деградация светодиода.

2. Индикаторные светодиоды (ILT) (3; 4,8; 5, 8, 10 мм светодиоды с линзой)
3. СМД (SLT) светодиоды (3528, 5050)
4. Мощные (PLT) светодиоды
5. RGB светодиоды

ВОПРОС 1. Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

Рис.1 Устройство и внешний вид индикаторных светодиодов.

Р ис.2 Обозначение светодиода на схеме

Существуют следующие основные характеристики светодиодов:

Эффективность (светоотдача).

Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:

• лампочка накаливания 8-12 Лм/Вт;
• люминесцентные (энергосберегающие) лампы 30-40 Лм/Вт;
• современные светодиоды 120-140 Лм/Вт;
• газоразрядные лампы (ДРЛ) 50-60 Лм/Вт.

Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

Цветовая температура.

Рис.3 Шкала световых температур

Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.

2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания.
4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет.( white neutral или сокращенно NW)
6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)

По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими.Нашей компание используются светодиоды с нейтральным светом .Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета : красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB(полноцветный светодиод).

Мощность светодиодов.

Малой мощности: до 0,5 Вт (20-60 мА).

Рис.4 Маломощные индикаторные светодиоды

Рис.5 Маломощные smd (slt) светодиоды

Средней мощности: 0,5-3 Вт (100-700 мА).

Рис.6 Светодиоды SEOULSEMICONDUCTOR, Корея, 0,5 Вт (150 мА)

Рис.7 Светодиоды Epistar , Тайвань, 1 Вт , 300 мА

Рис.8 Светодиоды NICHIA, Япония, 1 Вт, 300 мА

Большой мощности: более 3-х Вт (1000 мА и более).

Рис.9 Сверхмощный светодиод 20W

Угол свечения.

Как правило 120-140 градусов, в индикаторных 15-45 градусов.

Деградация (ресурс) светодиодов.

Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более. Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация. Как правило: в пределах первых 1000 часов. Этим пользуются недобросовестные производители.

Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В наших светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой. Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло. Главное: в точке пайки светодиода соблюдать температурный режим не более 65 градусов Цельсия. В наших светильниках это достигается. Соответственно, находясь в рабочем режиме, ресурс диодов в предлагаемых светильниках составляет декларируемые 40-50 тысяч часов.

ВОПРОС 2 . Индикаторные светодиоды (ILT) сегодня являются лидерами в повсеместном использовании. Появившись в 60-х годах, они быстро завоевали популярность, вытеснив лампы накаливания, используемых в качестве подсветки и индикации. А использование в данных светодиодах кристаллы с повышенной яркостью позволяют использовать их в мощных светоизлучающих устройствах (фонари, стоп-сигналы, индикаторные огни, светофоры, DIP-ленты и т.д.). На сегодняшний день практически ни одна бытовая техника не обходится без индикаторного светодиода. Существуют следующие стандартные типоразмеры индикаторных светодиодов : 3; 5; 4,8; 8 и 10мм.

Рис.10 Индикаторные светодиоды в схемотехнике

Рис.11 Индикаторные светодиоды в фонарях

Рис.12 Индикаторные светодиоды в светофорах

Рабочий ток таких светодиодов как правило 20-40мА , световая отдача может доходить для белого света 3-5Лм со светодиода. Угол излучения у данных светодиодов либо узкий (15-45 градусов) , либо широкий (110-140 градусов). Температура света и цветовая характеристика такая же как и у всех светодиодов. Возможно производство в 2-х цветной компоновке.

Рис.13 Индикаторный 2-х цветный светодиод.

Использование интегрированного резистора позволяет использовать индикаторные светодиоды для напряжения питания 12В.

Рис.14 Индикаторные светодиоды в DIPленте.

ВОПРОС 3. SMD-поверхностный монтаж — технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.

Рис.15 Конденсатор поверхностного монтажа на плате, макрофотография

Наиболее популярные SMD(SLT) светодиоды это светодиод 3528 и 5050.

Светодиоды 3528

Рис.16 Светодиод 3528

• Рабочий ток 20-25 мА;
• Мощность 0,07 Вт;
• Световой поток 3-7 Лм;
• Напряжение питания 3-3,2 В (для белого светодиода);
• Цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий, желтый:
• Норма упаковки – бабина 2000 штук.

Использование : Светодиодные ленты, лампы, автолампы, панели, светильники.

Рис.17 Светодиодная автолампа на светодиодах 3528

Светодиоды 5050

Рис.18 Светодиоды 5050

В светодиоды 5050 используются однотипные кристаллы как и в светодиоде 3528 , только в количестве 3-х штук. А использование 3-х кристаллов разных цветов (красного, зеленого и синего) позволяют получить маломощный RGB светодиод.

Основные характеристики:
-Рабочий ток 60-75мА
-Мощность 0,21Вт
-Световой поток 10-21Лм
-напряжение питания 3-3,2В (для белого светодиода)
-цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий , желтый, RGB
-норма упаковки – бабина 1000 штук.

Использование : Светодиодные ленты, лампы, автолампы, модули, панели, светильники.

Рис.19 Светодиоды 5050 в светодиодном модуле

ВОПРОС 4. Для производства светодиодного оборудования компания Светодиодное освещение использует светодиоды средней и большой мощности . Все они маркируются как светодиоды PLT. Сравнительная характеристики используемых светодиодов представлена в Таблице 1.

Потреб. Мощность,
Вт

Световой поток,
(эффективность)
Лм/Вт

Светодиоды: виды и схема подключения

Светодиодами называют полупроводниковые приборы, которые при подаче напряжения создают оптическое излучение. Их международное буквенное обозначение – LED (LightEmittingDiode).

Содержание статьи

• Устройство светодиода
• Как работает светодиод?
• Виды и основные параметры светодиодов
• Применение светодиодов
• Основные правила подключения светодиодов
• Основные характеристики светодиодов
• Способы подключения
• Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания
• Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

Устройство светодиода

Хотя и существует множество светодиодов, самая распространённая форма состоит из 5-миллиметрового полимерного корпуса с линзой, медного или алюминиевого основания, катода, параболического рефлектора (отражателя) и кристалла, который соединяется с анодом при помощи тонкой золотой проволоки.

Как работает светодиод?

Принцип работы изделия основывается на взаимодействии двух полупроводников, положительного и отрицательного типа (p-n-переход). Когда электрический ток проходит через полупроводники, в месте соприкосновения выделяется энергия, излучающая свет. Это обусловлено переходом от одного типа проводимости к другому, когда ионы положительно заряженных дырок соединяются с отрицательными зарядами электронов.

Виды и основные параметры светодиодов

На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

По назначению светодиоды разделяют на два вида – индикаторные и осветительные.

• светодиоды SMD;
• сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
• DIP светодиоды (Direct In-line Package);
• Straw Hat («соломенная шляпа»).

• COB (Chip On Board) светодиоды;
• SMD LED;
• филаментные (Filament LED).

Индикаторные светодиоды отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

• DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
• «Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
• «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
• SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

• cool white – холодный;
• warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

Применение светодиодов

Такая продукция активно применяется в разных областях: световая реклама, домашние и промышленные осветительные приборы, автомобильная светотехника, светофоры и дорожные знаки, дизайн помещений, ландшафтная и архитектурная подсветка, а также многое другое.

• значительная длительность эксплуатации;
• экологическая безопасность;
• высокая надежность и безотказность;
• экономия электроэнергии;
• высокое качество освещения;
• низкие эксплуатационные расходы.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

• По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
• С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Основные характеристики светодиодов

Две главные характеристики, указываемы в паспорте светоизлучающего прибора:

• Падение напряжения на приборе. Типичное значение – 3,2 В. Также для каждого светодиода существуют максимально допустимые напряжения Umax и Umaxобр – для прямого и обратного включений.
• Номинальный ток. Обычно эти приборы рассчитаны на силу тока в 20 мА.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

• Uпитания – напряжение электропитания, В;
• Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
• Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном. 2 х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

• Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
• Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

• При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
• При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

• большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
• существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.

Виды светодиодов и их характеристики

Светодиодное освещение является на сегодняшний день наиболее эффективным, и в этом контексте вовсе не удивительно, что год за годом светодиоды претерпевают определенную эволюцию. Их мощность становится все больше, корпуса оптимизируются под те или иные цели, не говоря уже о цвете излучаемого света.

Цвет может быть практически любым, достаточно производителю подобрать соответствующий состав полупроводника и легирующих примесей, чтобы ширина запрещенной зоны для рекомбинирования электронов и дырок дала бы необходимый цвет.

Между тем, все современные светодиоды можно в некоторой степени классифицировать по видам, то есть по наиболее отчетливым отличительным признакам, чем мы и займемся — рассмотрим несколько видов наиболее распространенных светодиодов, начиная с индикаторных, заканчивая осветительными. Кстати, сразу можно отметить, что эволюцию свою светодиод начал по большому счету с индикаторного предка.

Индикаторные светодиоды для выводного монтажа

Индикаторные светодиоды выводного монтажа с круглой или прямоугольной линзой по сей день можно встретить где угодно, начиная с зарядных устройств мобильных гаджетов, заканчивая индикаторами сложного медицинского оборудования. Даже в качестве осветительных светодиодов иногда применяют индикаторные, но такие решения встречаются в последнее время все реже и реже.

Индикаторные светодиоды с выпуклыми круглыми линзами диаметром 3, 5, 8 и 10 мм — характерные представители данного вида. Именно с них, кстати, стартовало такое направление в полупроводниковой технологии, как осветительные светодиоды (для фонариков, например). Однако ток индикаторного светодиода не позволит получить достаточно света, и в промышленных масштабах применять такие светодиоды для освещения просто не целесообразно, особенно сегодня.

Для индикаторов они подходят, даже светодиодные табло и бегущие строки собирали одно время только из таких светодиодов за неимением альтернативы. Маленькие индикаторные светодиоды слабо греются и хоть как-то светятся — что еще нужно от индикатора.. Напряжение от 2,5 до 5 вольт при токе от 10 до 25 миллиампер — не более.

Цвета: белый, красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, ультрафиолетовый. Индикаторные светодиоды бывают и многоцветными RGB, когда под одной линзой скрыто три перехода, а снизу имеется четыре вывода, то есть индикатор получится более функциональным, а светодиодное табло — цветным (смотрите — Применение светодиодов в электронных схемах).

Телесный угол рассеивания — до 140 градусов для прямоугольной линзы, и до 130 градусов — для линзы круглой. Яркость свечения индикаторного светодиода — от 100 до 1000 милликанделл в среднем.

Яркие светодиоды выводного монтажа

За индикаторными светодиодами появились яркие светодиоды с круглыми линзами до 10 мм диаметром, которые стали уже широко применять в карманных фонариках. При потреблении до 30 мА при 2 — 4 вольтах питания, сила их света достигает 5000 милликанделл.

Светодиоды индикаторные и осветительные SMD (Surface Mounted Device)

Эта разновидность индикаторных светодиодов, предназначенная специально для поверхностного монтажа на печатную плату. Такие светодиоды выпускаются в стандартных корпусах типа SMD, размером от 0603 до 7060, причем наиболее распространены размеры от 1608 до 3528. Видимый телесный угол — от 20 до 140 градусов, а средняя яркость 300 — 400 милликанделл.

Их мощностные характеристики сходны с индикаторными светодиодами выводного монтажа. Тем не менее, светодиоды поверхностного монтажа можно монтировать на плату в больших количествах на малой площади, и таким путем получить светодиодную лампу или световую панель любого размера. Светодиодные ленты — также набор SMD-светодиодов на подложке.

Светодиоды «Пиранья»

Особая группа светодиодов, широко применяемых в рекламной промышленности и в автотюнинге — сверхъяркие светодиоды «Пиранья» прямоугольной формы. Светодиоды отличаются особой формой основания, и улучшенными рассеивающими свойствами. Они удобно и жестко крепятся четырьмя выводами на печатную плату или на другое плоское основание.

Цвета: белый, красный, зеленый и синий. Размеры — от 3 до 7,7 мм. Благодаря подложке большей площади и высокой теплопроводности, ток через светодиод может доходить до 50 мА при напряжении до 4,5 вольт. Угол рассеяния достигает 120 и более градусов.

Осветительные светодиоды COB (Chip On Board)

Светодиодное освещение — самая широкая на сегодня область применения светодиодов. Излучение может быть теплым и холодным, белым, желтым или любого другого оттенка, близким по цвету к лампам дневного света, к лампам накаливания, или даже к солнечному свету, в зависимости от требуемой цветовой температуры, и главным образом, на стадии производства, — от состава полупроводника и люминофора.

Наиболее распространенный способ изготовления осветительных светодиодов — нанесение люминофора на синий светодиод. В результате свет излучаемый светодиодом получается желтым, зеленым, красным и т. д. Свет приближен по свойству к люминесцентному.

Светодиоды COB – это множество полупроводниковых кристаллов, установленных на одной подложке, и залитые люминофором. Как и в случае с монтажом нескольких SMD светодиодов на плате, здесь получается похожий результат — большая яркость благодаря суммарному световому потоку от нескольких маленьких источников света. Но источники (кристаллы) расположены на подложке плотнее, поэтому и световой поток получается больше, чем при монтаже SMD на плате.

COB-светодиоды конечно пригодны и в качестве индикаторов. Светотехническое оборудование, в свою очередь, стало с COB-светодиодами значительно дешевле, не только в силу автоматизации процесса изготовления, но и благодаря более экономичному нанесению материалов.

Важно, однако, всегда помнить, что такому светодиоду требуется обеспечить обязательный отвод тепла, а мощным и очень мощным (от 3 до 100 Ватт) требуется радиатор, иначе произойдет быстрое тепловое разрушение кристаллов.

Отремонтировать такую COB матрицу невозможно, и если испортится часть кристаллов, то придется менять всю подложку целиком на новую, поэтому лучше сразу создать ей приемлемые условия в плане охлаждения.

Параметры питания, как правило — от 3 до 35 вольт, в зависимости от конкретной модели, и ток — от 100 мА до 2,5 А и даже более.

Светодиоды filament (в форме нити накала)

Этот тип светодиодов обладает еще лучшими световыми свойствами, чем COB. На стеклянную подложку монтируется множество кристаллов, затем они заливаются флуоресцентным составом. Технология называется Chip On Glass – чип на стекле.

Видимый телесный угол получается 360 градусов, и световая отдача именно поэтому превосходит матрицы с плоскими подложками. Одна 6 ваттная лампа на базе filament-светодиодов по количеству излучаемого света соответствует 60 ваттной лампе накаливания.

Вообще все представленные на рынке светодиоды невозможно четко и более точно классифицировать, ведь идет процесс эволюции полупроводниковых источников света, и одни являются разновидностью других. Светодиодные ленты по сути — SMD светодиоды на подложке, а светодиодные индикаторы — набор индикаторных светодиодов. Поэтому наш краткий обзор наиболее выразительных позиций закончен.

Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики

Светодиоды стремительно вытесняют лампы накаливания практически из всех областей, где их позиции казались непоколебимыми. Конкурентные преимущества полупроводниковых элементов оказались убедительными: низкая стоимость, долгий срок службы, а главное – более высокий КПД. Если у ламп он не превышал 5%, то некоторые производители светодиодов декларируют превращение в свет не менее 60% потребленной электроэнергии. Правдивость этих заявлений остается на совести маркетологов, но быстрое развитие потребительских свойств полупроводниковых элементов ни у кого сомнений не вызывает.

Что такое светодиод и его принцип работы

Светодиод (СД, LED) представляет собой обычный полупроводниковый диод, изготовленный на основе кристаллов:

• арсенида галлия, фосфида индия или селенида цинка – для излучателей оптического диапазона;
• нитрида галлия – для приборов ультрафиолетового участка;
• сульфида свинца – для элементов, излучающих в инфракрасном диапазоне.

Выбор данных материалов обусловлен тем, что p-n переход диодов, изготовленных из них, при приложении прямого напряжения излучает свет. У обычных диодов из кремния или германия такое свойство выражено очень слабо – свечение практически отсутствует.

Излучение светодиода не связано со степенью нагрева полупроводникового элемента, его вызывает переход электронов с одного энергетического уровня на другой при рекомбинации носителей зарядов (электронов и дырок). Свет, испускаемый в результате, является монохроматическим.

Особенностью такого излучения является очень узкий спектр, и выделить нужный цвет светофильтрами затруднительно. А некоторые цвета свечения (белый, синий) при таком принципе изготовления недостижимы. Поэтому в настоящее время распространена технология, при которой внешняя поверхность светодиода покрывается люминофором, а его свечение инициируется излучением p-n перехода (которое может быть видимым или лежать в УФ-диапазоне).

Устройство светодиода

Светодиод изначально был устроен так же, как и обычный диод – p-n переход и два вывода. Только корпус из прозрачного компаунда или из металла с прозрачным окном для наблюдения свечения. Но в оболочку прибора научились встраивать дополнительные элементы. Например, резисторы – чтобы включать светодиод в цепь нужного напряжения (12 В, 220 В) без внешней обвязки. Или генератор с делителем для создания мигающих светоизлучающих элементов. Также корпус стали покрывать люминофором, который светится при зажигании p-n перехода – так удалось расширить возможности LED.

Тенденция к переходу на безвыводные радиоэлементы не обошла и светодиоды. SMD-приборы стремительно захватывают рынок осветительной техники, имея преимущества в технологии производства. Такие элементы не имеют выводов. P-n переход монтируется на керамическом основании, заливается компаундом и покрывается люминофором. Напряжение подводится через контактные площадки.

В настоящее время светотехнические устройства стали оснащаться светодиодами, изготовленными по COB-технологии. Суть её в том, что на одной пластине монтируется несколько (от 2-3 до сотен) p-n переходов, соединяемых в матрицу. Сверху все помещается в единый корпус (или формируется модуль SMD) и покрывается люминофором. У такой технологии большие перспективы, но вряд ли она полностью вытеснит другие исполнения СД.

Какие виды светодиодов существуют и где они применяются

Светодиоды оптического диапазона применяются в качестве элементов индикации и в качестве осветительных приборов. Для каждой специализации существуют свои требования.

Индикаторные светодиоды

Задача индикаторного светодиода – показать состояние прибора (наличие питания, аварийный сигнал, срабатывание датчика и т.п.). В этой сфере широко применяются LED со свечением p-n перехода. Приборы с люминофором применять не запрещено, но особого смысла нет. Здесь яркость свечения не на первом месте. В приоритете контрастность и широкий угол обзора. На панелях приборов применяют выводные светодиоды (true hole), на платах – выводные и SMD.

Осветительные светодиоды

Для освещения, наоборот, в основном применяют элементы с люминофором. Это позволяет получить достаточный световой поток и цвета, близкие к естественным. Выводные СД из этой области практически выдавлены SMD-элементами. Широкое применение находят COB-светодиоды.

В отдельную категорию можно выделить приборы, предназначенные для передачи сигналов в оптическом или ИК-диапазоне. Например, для пультов дистанционного управления бытовой аппаратурой или для охранных устройств. А элементы УФ-диапазона могут использоваться для компактных источников ультрафиолета (детекторы валют, биологических материалов и т.д.).

Основные характеристики светодиодов

Как и любой диод, LED имеет общие, «диодные» характеристики. Предельные параметры, превышение которых ведет к выходу прибора из строя:

• максимально допустимый прямой ток;
• максимально допустимое прямое напряжение;
• максимально допустимое обратное напряжение.

Остальные характеристики носят специфический «светодиодный» характер.

Цвет свечения

Цвет свечения – этот параметр характеризует СД оптического диапазона. У осветительных приборов в большинстве случаев белый с различной световой температурой. У индикаторных может быть любым из видимой цветовой гаммы.

Длина волны

Этот параметр в определенной степени дублирует предыдущий, но с двумя оговорками:

• у приборов ИК и УФ диапазонов видимого цвета нет, поэтому для них эта характеристика единственная, характеризующая спектр излучения;
• этот параметр больше применим для светодиодов с непосредственным излучением – элементы с люминофором излучают в широкой полосе, поэтому однозначно их свечение длиной волны не охарактеризовать (какая длина волны может быть у белого цвета?).

Поэтому длина излучаемой волны – достаточно информативная цифра.

Потребляемый ток

Потребляемый ток – это рабочий ток, при котором яркость излучения оптимальна. При его небольшом превышении не происходит скорого выхода прибора из строя – и в этом его отличие от максимально допустимого. Снижение его также нежелательно – интенсивность излучения упадет.

Мощность

Потребляемая мощность – здесь все просто. На постоянном токе – это просто произведение потребляемого тока на приложенное напряжение. Путаницу в это понятие вносят производители светотехники, указывая на упаковке крупными цифрами эквивалентную мощность – мощность лампы накаливания, световой поток которой равен потоку данного светильника.

Видимый телесный угол

Видимый телесный угол проще всего представить в виде конуса, исходящего из центра источника света. Данный параметр равен углу раскрыва этого конуса. Для индикаторных светодиодов он определяет, как срабатывание сигнализации будет видно со стороны. Для осветительных элементов от него зависит световой поток.

Максимальная сила света

Максимальная сила света в технических характеристиках прибора указывается в канделах. Но на практике удобнее оказалось оперировать понятием светового потока. Световой поток (в люменах) равен произведению силы света (в канделах) на видимый телесный угол. Два светодиода с равной силой света дают разное освещение при разном угле. Чем больше угол, тем больше световой поток. Так удобнее для расчета систем освещения.

Падение напряжения

Падение напряжения при прямом токе – это напряжение, которое падает на светодиоде в открытом состоянии. Зная его, можно рассчитать напряжение, потребное, например, для открывания последовательной цепочки светоизлучающих элементов.

Как узнать, на какое напряжение рассчитан светодиод

Самый простой способ узнать номинальное напряжение светодиода – обратиться к справочной литературе. Но если попался прибор неизвестного происхождения без маркировки, то его можно подключить к регулируемому источнику питания и плавно поднимать напряжение с нуля. При определенном напряжении светодиод ярко вспыхнет. Это и есть рабочее напряжение элемента. При такой проверке надо иметь в виду несколько нюансов:

• испытуемый прибор может быть со встроенным резистором и рассчитан на достаточно высокое напряжение (до 220 В) – не каждый источник питания имеет такой диапазон регулировки;
• излучение светодиода может лежать вне видимого участка спектра (УФ или ИК) – тогда момент зажигания визуально не определить (хотя свечение ИК-прибора в некоторых случаях можно увидеть через камеру смартфона);
• подключать элемент к источнику постоянного напряжения надо со строгим соблюдением полярности, в противном случае легко вывести LED из строя обратным напряжением, превышающим возможности прибора.

Если нет уверенности в знании цоколевки элемента, лучше поднять напряжение до 3…3,5 В, если светодиод не зажегся — убрать напряжение, поменять подключение полюсов источника и повторить процедуру.

Как определить полярность светодиода

Для определения полярности выводов существует несколько методов.

1. У безвыводных элементов (включая COB) полюсность напряжения питания обозначается прямо на корпусе – символами или приливами на оболочке.
2. Так как светодиод имеет обычный p-n переход, его можно прозвонить мультиметром в режиме проверки диодов. Некоторые тестеры имеют измерительное напряжение, достаточное для зажигания светодиода. Тогда правильность подключения можно контролировать визуально по свечению элемента.
3. Некоторые приборы производства CCCP в металлическом корпусе имели ключ (выступ) в районе катода.
4. У выводных элементов вывод катода более длинный. По этому признаку определить цоколевку можно только у непаянных элементов. У бывших в употреблении LED выводы укорачиваются и изгибаются для монтажа произвольным образом.
5. Наконец, узнать расположение анода и катода возможно тем же методом, что и для определения напряжения светодиода. Свечение будет возможно только при правильном включении элемента – катод к минусу источника, анод – к плюсу.

Развитие технологий не стоит на месте. Ещё несколько десятилетий назад светодиод был дорогой игрушкой для лабораторных опытов. Сейчас без него трудно представить жизнь. Что будет дальше – покажет время.

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Что измеряется в люменах и какие нормы освещенности на 1 квадратный метр?

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

Как выбрать светодиодную ленту для подсветки, типы светодиодных лент, расшифровка маркировки

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое цветовая температура светодиодных ламп?

Светодиоды – как работает, полярность, расчет резистора

Светодиоды – одни из самых популярных электронных компонентов, использующиеся практически в любой схеме. Словосочетание “помигать светодиодами” часто используется для обозначений первой задачи при проверке жизнеспособности схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиода, сделаем краткий обзор их видов, а также разберемся с такими практическими вопросами как определение полярности и расчет резистора.

Устройство светодиода

Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Светодиод состоит из нескольких частей:

• анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл;
• катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл;
• отражатель;
• кристалл полупроводника;
• рассеиватель.

Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.

Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.

Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.

Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.

RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.

Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:

• ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;

• полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.

По типу исполнения выделяют:

Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света. Dip светодиоды

Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.

• Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам. Smd

• Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров. Cob
• Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды. Волоконные
• Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп. Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно. Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий. Filament

• Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии. Oled

• В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.

Светодиоды могут быть:

• мигающими – используются для привлечения внимания;
• многоцветными мигающими;
• трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
• RGB;
• монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.

Полярность светодиодов

При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.

Полярность моно определить несколькими способами:

• Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
• При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.

• При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
• По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.

Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.

Расчет сопротивления для светодиода

Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.

Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.

Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.

Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.

Когда нужно использовать токоограничивающий резистор:

• когда вопрос эффективности схемы не является основным – например, индикация;

• лабораторные исследования.

В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах.

Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора: