Светодиод: принцип работы, виды, маркировка и технические характеристики (размеры, тип устройства)

Обновлено: 17.04.2024

В настоящее время светодиоды обрели широкую популярность. При этом четко разделить их по мощности, яркости свечения, области применения, форм-фактору и другим параметрам не представляется возможным, поскольку у каждого производителя своя классификация. Тем не менее, различные виды светодиодов можно объединить в классы по некоторым характерным признакам.

Индикаторные и осветительные LED

Чтобы яснее представлять, какие бывают светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.

Индикаторные используются в основном в целях цветовой индикации, а также при подсветке дисплеев, приборных панелей и других приборов. То есть это светодиоды сравнительно небольшой мощности (до 0.2 Вт) с умеренной яркостью.

Осветительные LED используются при освещении помещений в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется получить высокую интенсивность свечения. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.

Индикаторные LED

Индикаторные светодиоды, в свою очередь, можно разбить на несколько групп.

DIP светодиоды

Светодиоды этого типа представляют собой светоизлучающий кристалл в выводном корпусе, часто с выпуклой линзой. Типы корпусов: цилиндрические, диаметром 3, 4, 5, 8, 10… мм, и прямоугольные.

Выпускаются в очень широком диапазоне цветов - вплоть до ИК и УФ диапазонов. Могут быть как одноцветными, так и многоцветными (когда в одном корпусе сосредоточено несколько кристаллов разных цветов), — например, RGB.

Одним из недостатков этих LED можно отметить невысокий угол рассеяния светового потока: обычно не более 60⁰.

Super Flux “Piranha”

Конструктивно светодиоды Пиранья представляют собой сверхъяркие светодиоды в прямоугольном корпусе с четырьмя выводами. Такая конструкция позволяет надежно закрепить светодиод на плате.

Доступные разновидности: красный, зеленый, синий и три белых (различаются температурой свечения). Выпускаются в корпусах с линзой (3 и 5 мм) и без нее. Угол рассеяния варьируется в пределах от 40⁰ до 120⁰.

Область применения Piranha - подсветка автомобильных приборов, дневных ходовых огней, рекламных вывесок и т.д.

Straw Hat

Наряду с Piranha, большим углом рассеяния светового потока обладают светодиоды типа Straw Hat («соломенная шляпа»). Внешне они напоминают обычные цилиндрические двухвыводныне LED, но с меньшей высотой и увеличенным радиусом линзы, за что и получили свое название.

Излучающий кристалл в этих светодиодах расположен ближе к передней стенке линзы (не забудьте почитать про назначение линзы для светодиода), благодаря чему достигается угол рассеяния порядка 100-140⁰.

Выпускаются красные, синие, зеленые, желтые и белые LED. Благодаря способности создавать ненаправленное излучение, могут использоваться в декоративных целях, в качестве замены ламп аварийной тревоги и других местах, где требуется равномерная подсветка с низким энергопотреблением.

SMD светодиоды

Кроме выводных LED, выпускаются светодиоды типа SMD. Сюда следует отнести сверхъяркие цветные и белые светодиоды мощностью около 0.1 Вт в корпусе для поверхностного монтажа. Размеры корпусов обычно стандартные для любых элементов типа SMD: 0603, 0805, 1210 и т.д., где маркировка обозначает длину и ширину в сотых долях дюйма или в миллиметрах. При этом существуют как разновидности с выпуклой линзой, так и без нее.

Благодаря простоте монтажа, на основе этих LED выпускаются светодиодные ленты. Например, широкую известность в этой области приобрел светодиод Cree SMD 3528.

Осветительные LED

Эти светодиоды применяются при освещении помещений и улиц в составе фонарей, автомобильных фар, светодиодных лент и т.д. В связи с этим обладают большой мощностью, высокой интенсивностью излучения, и выпускаются только в белом цвете в корпусах для поверхностного монтажа.

Обычно производятся две разновидности, различающиеся цветовой температурой: cool white (холодный белый) и warm white (теплый белый).

Поскольку кристаллов, излучающих белый свет, в природе не существует, при производстве осветительных светодиодов прибегают к различным технологиям смешения трех базовых цветов (RGB). От способа их сложения зависит цветовая температура получаемого белого света.

Одним из способов получения белого свечения является покрытие излучающего кристалла тремя слоями люминофора, причем каждый слой отвечает за свой базовый цвет. Другой метод состоит в нанесении двух слоев люминофора на кристалл голубого цвета.

Осветительные SMD LED

Большинство осветительных светодиодов также выпускаются в корпусах SMD. В отличие от индикаторных, характеризуются большей мощностью и производятся только в белом цвете.

Стоит отметить, что некоторые осветительные LED небольшой мощности, например упомянутые выше SMD 3528, могут использоваться в качестве индикаторных, поэтому здесь разделение на типы довольно условное.

Основная область применения SMD - светодиодные ленты и лампы, переносные фонари, фары автотранспорта. При этом они дают довольно направленное излучение (порядка 100⁰-130⁰), поэтому при освещении больших территорий приходится использовать большое количество этих LED для равномерной засветки площади.

Конструктивно осветительные SMD представляют собой покрытый люминофором излучающий кристалл на теплоотводящей подложке, обычно медной или алюминиевой. Встречаются как разновидности с линзой, так и без нее.

COB светодиоды

Большое распространение получили светодиоды типа COB (Chip On Board, чип на плате). По сути, это интеграция большого количества (обычно несколько десятков) кристаллов SMD в одном корпусе, которые потом покрываются люминофором.

На картинке вверху показаны для сравнения Cree SMD 5050 (слева) и COB - матрица из 36 чипов (справа).

COB используются только для освещения. Их световой поток на порядок больше, чем у одиночных SMD. Однако следует учесть, что эти светодиоды не подойдут для создания узконаправленного излучения ввиду большого угла рассеяния светового потока. При этом создать абсолютно ненаправленное излучение тоже не получится - угол рассеяния светодиодов менее 180⁰.

Замечено, что некоторым людям неприятен спектр свечения светодиодов типа SMD или COB. Кроме того, недостаточное количество светодиодов при засветке больших площадей приводит к тому, что освещенность носит дискретный характер, то есть сильно освещенные участки чередуются со слабо освещенными. Это нужно учитывать при выборе осветительных LED.

Filament LED

Этот тип светодиодов также используется пока только для освещения. Широкое распространение получили в качестве декоративной подсветки помещений. Спектр свечения, в отличие от SMD и COB, гораздо приятнее человеческому глазу и напоминает свет лампы накаливания. При этом сохраняются все присущие LED достоинства: низкое энергопотребление и долгий срок службы.

В этом ролике демонстрируется сравнение декоративной лампы накаливания мощностью 40 Вт и лампы Filament на 4 Вт:

Здесь видно, что при мощности в 10 раз меньше, световой поток, отдаваемый лампой Filament, в 3-4 раза больше.

В то же время КПД Filament даже выше, чем у тех же SMD, — при одинаковой мощности первые позволяют получить большую освещенность. Это достигается за счет технологии COG (Chip On Glass, чип на стекле), при которой светоизлучающие кристаллы устанавливаются на стеклянную подложку, а затем покрываются люминофором.

Сама подложка имеет цилиндрическую форму, что позволяет получить угол рассеяния светового потока 360⁰. То есть такие LED очень хороши при создании ненаправленного излучения.

Лазерные диоды

И напоследок еще об одном типе, который нельзя отнести ни к индикаторным, ни к осветительным LED, - лазерный диод. Собственно, светодиодом его можно считать с натяжкой, поскольку по технологии производства он не имеет ничего общего с обычными LED.

Лазерные диоды представляют собой особым образом обработанные полупроводниковые кристаллы, которые при подаче напряжения генерируют очень узкий пучок света. При этом образцы нового поколения позволяют получить угол расхождения луча в пределах 5-10⁰. Встречаются как модели, работающие в видимом диапазоне, так и вне его (УФ и ИК).

Широкое применение эти диоды нашли в лазерных указках, целеуказателях, DVD-приводах, оптических компьютерных мышах, линиях оптоволоконной связи.

Четко классифицировать все многообразие светодиодов достаточно сложно, поскольку редко те или иные LED производятся для каких-то конкретных целей. Тем не менее, основные направления их применения, — индикация и освещение, — пока остаются прежними, и приведенная здесь классификация подойдет для создания общего представления о видах светодиодов.

Изначально светодиоды использовались в качестве индикаторов или в небольших устройствах. Например, в гирляндах или выключателях как подсветка. Современные приборы способны полностью заменить привычные лампы в домашних, уличных условиях, в промышленности, офисах. Чтобы сделать оптимальный выбор, необходимо ознакомиться с основными моментами перед покупкой.

Классификация светодиодов по их области применения

Элементы led-освещения различаются по области их применения. Основные типы светодиодов: индикаторные и осветительные. Устройства не одинаковы, каждые имеют свои отличительные особенности и технические параметры.

Индикаторные светодиоды

Первый LED-светильник появился в середине прошлого века. Прибор имел тусклое красноватое свечение, небольшую энергетическую эффективность. Несмотря на недостатки, разработки в данном направлении были продолжены. Спустя 20 лет появились варианты с желтым и зеленым оттенком. К началу 90-х сила светового потока достигла 1 Люмена. К началу 2000-х значение достигло уровня 100 Люменов.

В 1993 году японские инженеры представили светодиод синего цвета. Свет устройства стал значительно ярче предшественников. С этого момента на рынке стали появляться устройства с разным свечением - сочетание синего, зеленого, желтого и красного позволяют создавать любой цвет и оттенок.

В настоящее время разработки продолжаются. Появляются новые виды светодиодов. При этом сохраняется низковольтное потребление при увеличении силы светового потока.

Осветительные светодиоды

Первые модели с низкой светимостью (DIP) были пригодны для индикаторной работы (например, в темноте виден выключатель - горит небольшой красный светодиод). Современные устройства позволяют освещать значительные площади - бытовые и промышленные помещения. Мощность светодиода выросла - LED-прибор для фонарика с показателем 3Вт аналогичен лампе накаливания на 25-30Вт. Потребление электроэнергии меньше примерно в 10 раз.

Такие светодиоды получили название осветительные благодаря основной области применения. Используются в лентах, фарах, лампах, других изделиях. Изготавливаются в отдельных корпусах, которые допускают поверхностный монтаж.

Основное отличие - выдают только белый свет холодного или теплого оттенков. Классификация:

SMD - популярны модели с рассеивающим элементом на 100-130°; подложка для лампы из меди или алюминия, не нагреваются;
СОВ - более мощные, сверхъяркие, состоят из множества небольших кристаллов, угол рассеивания значительный;
Filament - обладают самым низким КПД (в сравнении с SMD), часто используются как декоративные элементы, изготавливаются различных размеров и форм.

Исходя из назначения и параметров помещения, выбирают оптимальный вариант. Характеристики осветительных устройств указаны на упаковке и в технической документации.

Преимущества и недостатки

Все больше пользователей стремятся заменить устаревшие лампы накаливания на современные модели ЛЕД-светильников. Основные плюсы использования светодиодов:

экономия электроэнергии без ущерба для светового потока лампы;
прочные материалы корпуса и внутренних элементов: малая вероятность механических повреждений;
длительный срок использования: в несколько раз превышает аналогичный показатель лампочек Ильича;
размер: диоды компактны и достаточно мобильны;
высокая яркость;
безопасность: минимальное напряжение сети - 3-24В.

Из недостатков отмечают высокую стоимость и необходимость в постоянном напряжении. Цена на изделия постепенно снижается благодаря высокому покупательскому спросу.

Основные характеристики

Технические параметры светодиодов отличаются в зависимости от модели. Общими показателями являются:

потребляемый ток;
напряжение номинального характера (вольтаж изделия);
мощность затрачиваемой электроэнергии (вольтамперный график);
температура свечения;
светимость (уровень светового потока).

Существуют и другие характеристики, но к ним обращаются в редких случаях. Для бытового использования достаточно учитывать только данные параметры светодиодов.

Ток потребления светодиода

Показатель позволяет выяснить количество тока, потребляемого электрически прибором (светодиодом). Для устройств с одним действующим кристаллом достаточно значения 0,02А. Если количество больше, характеристика повышается кратно числу элементов. По данному параметру подбирают резистор (стабилизатор), который устанавливается на вводе.

Стабилизатор позволяет сохранить прибор в рабочем состоянии при падениях напряжения независимо от причины. Более того - колебания величины тока светодиода изменяет цветовую температуру света от теплого к более яркому, холодному. Если скачок напряжения значительный, без дополнительного резистора диод сгорит мгновенно.

Чтобы правильно подобрать стабилизатор для преобразования тока, можно использовать специальный онлайн-калькулятор.

Номинальное напряжение

Величина напряжения - это количество тока в проводнике на выходе. Для изготовления LED-светодиодов используют разные материалы, электрические характеристики которых напрямую влияют на уровень допустимого напряжения и цвет освещения. Благодаря такой зависимости можно узнать, на какое напряжение рассчитаны конкретные светодиоды даже «на глаз». Например, если свечение желтое или красное, напряжение находится в пределах 1,9-2,5 Вольт, синее - около 3 Вольт.

Показатели тока и напряжения светодиода должны соответствовать. В противном случае диоды либо быстро сгорят, либо не будут выдавать свет на заявленном уровне.

Чтобы узнать, на сколько Вольт светодиод, можно использовать мультиметр или определить по цвету свечения. Для первого способа понадобится мультиметр и резистор - на дисплее после сборки появится значение.

Сопротивление световых диодов

Итоговое сопротивление зависит от электрической цепи, в которую подключается элемент. Один и тот же светодиод может показывать разное значение. Например, на входном - около 1 кОм, на выходном - несколько МОм. Однако сопротивление не является линейной характеристикой. Показатель обратно пропорционален напряжению, которое подается к электросети. Чем выше напряжение питания светодиодов, тем ниже уровень сопротивления устройства.

Светоотдача и угол свечения

Сравнить уровень светоотдачи различных ламп достаточно сложно. Например, светодиод размером 5 мм отдает свет на 1-5 Лм, а лампа накаливания в 70 Вт - 750 Лм. Угол рассеивания подбирается, исходя из площади помещения. В коридоре достаточно диода на 30°, в комнате лучше использовать элементы на 90-120° или несколько одновременно. Максимальный угол LED-светильников составляет 120°. Наиболее освещенное место - центр, к периферии свет рассеивается.

Мощность светодиодных ламп

Мощность диода зависит от нескольких связанных показателей. Для светодиодов величина колеблется в пределах от 0,5 до 3 Вт. Рассчитывается по закону Ома: необходимо перемножить значения силы тока и напряжения. Также определяется и вольт-амперная характеристика (ВАХ) светодиода.

От уровня мощности и ВАХ светодиода зависит выбор блока питания устройства. Не допускается использовать несоответствующие элементы - лампы сгорят при чрезмерном уровне напряжения и подачи тока.

Цветовая температура

Данный показатель является схожим с характеристиками других осветительных приборов, особенно к светодиодным люминесцентным устройствам. Обозначение температуры светодиода указывается в К (Кельвинах), иногда на упаковках встречается соответствующая диаграмма - шкала, на которой диапазон указан цветом. Соответствие света и значения:

2700-3000 - теплый, желтоватый;
3500-4000 - дневной, нейтральный;
5500-7000 - холодный, с синевой.

Представлены основные оттенки. На практике цветов значительно больше. Подбирают температуру исходя из назначения помещения, необходимого уровня комфорта и предпочтений пользователей. Например, в спальню рекомендуют устанавливать светильники с теплым светом, а в комнаты без окон - с естественным оттенком.

Размер чипа LED-элемента

При покупке узнать размер чипа можно только по информации на упаковке. Самостоятельно проверить правильность указанных данных не получится. Средние размеры устройств: 45×45 ml, 24×40 ml и 24×24 ml на 1Вт, 0,75Вт и 0,5Вт соответственно. В привычной системе измерения - 30х30 ml равны 0,76х0,76 мм. Вследствие небольшого размера узнать точные размеры можно, разобрав устройство полностью.

Количество чипов (кристаллов) разное, зависит от модели и разновидности светодиода. В цветных элементах (RGB), которые не содержат люминофорного покрытия, их число можно посчитать.

Проверка светодиода с помощью мультиметра

Мультиметр - это специальный тестер для электротехнических изделий, объединяющий функции разных устройств. На внешней панели расположен переключатель и несколько положений, одно из них - для проверки светодиодов. Порядок действий:

Включить прибор, установить нужный режим.
Специальными щупами коснуться «ножек» светодиода (отходящих проводов).
Если на экране появилась цифра 1 - сменить полярность, повторить касание щупами.
Если появился звук и диод начал светиться - все исправно, если нет - светодиод нерабочий.

Когда заведомо известно, что LED-светильник исправен, но мультиметр показывает другое, нужно проверить правильность сборки схемы: положение тестера, соединение контактов. Если и в данном случае мультиметр показывает неисправность, из строя вышел резистор.

Цветовая маркировка световых диодов

С одной стороны, цветовая маркировка позволяет определить вид и характеристики светодиода, с другой - единых обозначений не существует. Каждый производитель использует свои значения. В России есть цветовая маркировка, но ее редко используют - список элементов из цифр и букв слишком большой, запомнить достаточно сложно, расшифровка неудобна для обычного покупателя.

Более простое буквенное обозначение принимают за общепринятое (неофициально). Используют в основном для светодиодных лент. Кроме общих характеристик указывают степень защиты элемента от проникновения мусора и влаги - IP и цифры от 0 до 6.

Чтобы выбрать хороший вариант для замены устаревших лампочек, необходимо выяснить, какие бывают светодиоды, и установить параметры подключаемой электрической сети: соответствие напряжения, силы тока, сопротивления.

Ориентироваться на стоимость нельзя - марки дешевых светодиодов часто имеют завышенные параметры, используют неустойчивые материалы.

Светодиод - это устройство для освещение, ставшие крайне популярными в последнее десятилетие. Он имеет маленькие размеры, различный спектр света, долгий срок эксплуатации, минимальное энергопотребление. Любой светодиод состоит из кристалла, находящимся на токопроводящей основе. К этой пластинке подключены контакты и особая оптическая система. В английском языке светодиод называется LED и переводится как light emitting diode.

Для достижения большого пространства между линзой и кристаллом заполняется силиконом, а пластина является кроме базой, также теплоотводом. В статье подробно рассмотрены все особенности устройства светодиодов и принцип их работы. В качестве бонуса статья содержит два ролика и одну подробную статью.

Различные светодиоды.

Технические характеристики

Часто в руки попадает светодиод, параметры которого нам не известны. Подключение светодиода напрямую к источнику питания, при малейшем превышении номинального рабочего напряжения резко увеличит протекающий через него ток и выведет из строя. Обычно в таких случаях я “на глазок” включал последовательно с ним резистор 1- 1.5КОм (при низковольтном питании) и светодиод работал уже в довольно широких приделах напряжения. Но бывают случаи, когда необходимо более точно определить параметры неизвестного светодиода, а идентифицировать его марку нет возможности.

Светодиод это устройство с односторонней проводимостью на базе полупроводниковых кристаллов, преобразующее электрический ток в световое излучение в узком диапазоне спектра посредством диффузии электронно-дырочного перехода.

Более-менее точно определить параметры можно экспериментально, используя его стабилизирующие свойства по следующей методике, для ее реализации нам потребуется блок питания с плавной регулировкой выходного напряжения от нуля до 10-12в, тестер (мультиметр) и конечно же ваши очумелые ручки. Сразу оговорюсь что к лазерным светодиодам такая методика не подходит. Исследуемый светодиод в соответствии с полярностью (полярность можно прозвонить при помощи того-же мультиметра, но если ошибитесь - ничего страшного, светодиод просто не будет светится) подключают к регулируемому блоку питания включив последовательно в цепь резистор сопротивлением около 500 Ом.

Постепенно увеличивают напряжение выдаваемое блоком питания, постоянно измеряя и сравнивая значения напряжения на выводах блока питания и ножках светодиода т.е. до токоограничивающего резистора и после него. Удобнее когда блок питания имеет собственную индикацию выдаваемого напряжения или проводить измерения двумя вольтметрами.

Таблица использования светодиодных источников с разной температурой свечения.

Если светодиод не светится возможно он инфракрасный (посмотрите на него через объектив цифрового фотоаппарата). Запоминаем это напряжение, добавляем процентов 15-20 (в зависимости от яркости свечения), это будет приближенное номинальное напряжение исследуемого светодиода. Если напряжение на ножках светодиода и выходе блока питания изменяется пропорционально от нуля до максимального значения выдаваемого вашим блоком питания (но не более 20 вольт), при этом свечения светодиода не наблюдается, значит вероятнее всего светодиод неисправный или неправильно соблюдена полярность при подключении.

Светодиодные лампы.

Если напряжение на ножках светодиода и выходе блока питания изменяется пропорционально от нуля до почти максимального значения, но светодиод нормально светится начиная с 3-5 вольт, то скорее всего токоограничивающий резистор находится внутри светодиода. В этом случае лучше просто ограничить значение тока протекающего через светодиод не более 17-20 мА ориентируясь по яркости свечения светодиода. Затем выставив на регулируемом блоке питания ноль вольт, подключаем к нему светодиод напрямую или для гарантии через резистор сопротивлением 10 ОМ, включив в цепь миллиамперметр (А) и плавно поднимаем напряжение до расcчитанного (измеренное плюс 10-15 %).

Таблица зависимости рабочего напряжения светодиода от его цвета.

[stextbox протекающий через светодиод в этом состоянии будет в пределах его номинального значения. Определенные таким образом значения параметры светодиода будут довольно “грубыми” но ими уже можно руководствоваться при расчете или попытке подобрать по ним светодиод из справочника. Чтобы “набить руку и глаз :-))” можно сначала поэкспериментировать со светодиодами с известным характеристиками.[/stextbox]

Из чего состоит

Светодиод - диод с p-n переходом, испускающим определённый спектр при пропускании тока в прямом направлении. Цвет свечения напрямую зависит от материалов полупроводника. Важно помнить, что в обратном направлении светодиод ток не пропускает. Светодиод начинает испускать фотоны при переходе напряжения через определённое значение, причём для каждого цвета оно разное - именно поэтому каждому цвету желательно подбирать свой резистор, иначе мы сталкиваемся с частой ошибкой - подключение RGB-светодиода через одинаковые резисторы, что приводит к неравномерной интенсивности цветов. Важно помнить, что хоть светодиоду и необходимо некоторое конкретное напряжение для работы, более важным параметром является ток.

У каждого типа светодиодов он также свой, но имеются средние значения. Например, для большинства 3 - и 5 мм светодиодов максимальный ток чуть превышает 20 мА. Однако, лучше держать его чуть пониже для увеличения ресурса - около 10 мА. Если Вам не нужно освещать им конкретную площадь, то будет достаточно и меньшего тока, например, для индикации события.

Красный, синий, желтый, зеленый светодиоды.

Плюсы светодиодов:

Яркие точные цвета
Большой срок службы (стремится к бесконечности)
Большой КПД, малый нагрев
Миниатюрный размер кристалла

Недостатки:

Необходима схема ограничения тока (сложнее, чем ограничение напряжения для ламп накаливания)
Неизбежное повреждение при превышении тока

Разновидности

Светодиоды отличаются по:

Размеру внешнего корпуса
Форме корпуса (круглые - самые популярные, но прямоугольные тоже часто встречаются)
Типу линзы (направленная - прозрачная - или рассеивающая, матовая)

По форме светодиоды бывают самые разнообразные, но кристалл в основе не зависит от внешней оболочки. По размеру - от самых мелких светодиодов в корпусе типоразмера 0402 (0.5×1мм) до 100-ваттных светодиодов размером 50×50 мм. В зависимости от эффекта, ставят несколько кристаллов одного или разных цветов.

Одного - для повышения мощности, в таком случае они подключаются параллельно и в итоге фокусируются как единый светодиод. Разных - для многоцветного эффекта, например, для индикации (обычно синий-красный, встречается во многих аккумуляторных устройствах как индикатор работы/зарядки) или для отображения большого спектра цветов (как например RGB-светодиод, способный отобразить все возможные цвета - состоит из 3 кристаллов, красного (R), зелёного (G), синего (B)).

Параметры редких светодиодов представлены в таблице ниже:

Таблица основных параметров редких светодиодов.

[stextbox отличаются по длине волны - они способны точно испускать свет определённого спектра, в частности, ультрафиолетовыми светодиодами можно засвечивать фоторезист, а фидосветодиоды ускоряют рост растений. Граничное напряжение светодиода меняется от 1.9 В (инфракрасный) до 3.7 В (белый). Часто светодиоды собирают в последовательные сборки (например, в дешёвых светодиодных лентах), чтобы запитать, например, 5 2.2-вольтовых светодиодов от 12В, потеряв всего 1В на резисторе.[/stextbox]

Если Вы используете светодиоды на большой ток, то, скорее всего, придётся ставить мощные резисторы, на которых всё равно будет теряться большое количество тепла. В таком случае можно использовать импульсные стабилизаторы тока (на основе DC-DC преобразователей или самодельные) - при большом КПД они обеспечивают большой ток и практически не греются! Светодиоды от 100 мА желательно подключать уже именно так. Понятно, что все светодиоды имеют различные характеристики, но как же найти нужный номинал резистора для правильного подключения светодиода? В этом деле нам поможет давно забытый школьный курс физики, а именно закон Ома.

Контакты светодиода

Для примера, возьмём светодиод с падением напряжения 2В, который нам нужно запитать от 3.3 В. Ток возьмём по среднему для всех «мелких» светодиодов значению - 20 мА, а чтобы не убить его раньше времени - 15 мА. Разница в напряжении между напряжением питания и напряжением, нужным для светодиода, составляет 3.3 - 2 = 1.3 В. Вспоминаем закон Ома для замкнутой цепи - I = U/R. Преобразуем её относительно сопротивления . Поделим 1.3 на 0.015 (15мА в А), получим 86.7 Ом. Значение крайне нестандартное, поэтому возьмём ближайшее удобное (в большую сторону) - например, 100 Ом. Светодиоду по режиму будет только лучше, а ток изменится незначительно (13 мА) - невооружённым взглядом вы вряд ли заметите это изменение.

Как подключить

В сети часто встречаются схемы параллельного или последовательного подключения светодиодов, при которых задействуется всего 1 резистор. Схемы имеют право на жизнь, но лишь в случае низкого тока через светодиоды и только при условии одинаковости всех диодов. Допустим, несколько светодиодов для индикации какого-либо события так подключить можно, но только обычных (часто применяемых, 3 или 5мм диодов с током до 20мА и напряжением примерно 2-3В) и с маленьким током (около 5мА). Мощные светики по 200мА не рекомендуется подключать таким образом - во-первых, у них могут сильнее различаться характеристики из-за неравномерного нагрева кристаллов, а вот-вторых понадобится мощный резистор, который и то, возможно, будет греться.

Лучше подключать каждый светодиод со своим резистором, или использовать линейные или импульсные стабилизаторы тока. Из-за уникальности каждого светодиода при подключении большого их количества может накопиться довольно большое отклонение от теоретических расчётов параметров, чему будут результатом сгоревшие диоды. Одно из интересных применений светодиодов - засветка фоторезиста для изготовления печатных плат. Если вы когда-либо занимались этой технологией или хотя бы читали о ней, Вы явно видели засветку с помощью лампы, похожей на энергосберегающую. Такие лампы малоэффективны, на засветку требуется порядка 10 минут, а с помощью самодельного устройства из 100 УФ-светодиодов мы достигли времени засветки 35 секунд! Для регулировки тока применялось 5 линейных стабилизаторов тока на 200мА, итоговый ток - 10мА на светодиоде, что продлит срок службы!

Свечение красного светодиода.

Использование

Единственный недостаток технологии - высокая стоимость. На данный момент цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем люмена излученного лампой накаливания. Впрочем производители прогнозируют снижение этого показателя в ближайшие годы в 10 раз. Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х - 70-х годах прошлого столетия. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Долго не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. Голубые светодиоды удалось изготовить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. Однако, у светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и оказались недолговечны. Первый голубой светодиод удалось изготовить на основе пленок нитрида галлия на сапфировой(!) подложке.

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Белый света от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый — смешать цвета по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы. Третий способ - это когда желто-зеленый или зелено-красный люминофор наносятся на голубой светодиод. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Получается целый осветительный комплекс, которым можно управлять вручную или посредством программы. Такие эффекты широко используются дизайнерами и производителями елочных гирлянд и аналогичных устройств. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Недостатком системы является неодинаковый цвет в центре светового пятна и по краям. Кроме этого, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки их: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

[stextbox выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).[/stextbox]

Более подробно о светодиодах можно прочитать в статье Устройство современных светодиодов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Читайте также: