Яркие светодиоды: конструкция и принцип работы, где используются, виды сверхярких ламп

Какие бывают сверхяркие светодиоды

Сверхяркие светодиоды – это источники светодиодного освещения мощностью от 1 Ватта с силой тока 300 мА и выше, обладающие высокой яркостью свечения. Светодиод мощностью 10 Ватт получают при использовании 10 таких светоизлучающих диодов в виде матрицы.

Как устроен сверхъяркий светодиод

Ультраяркий светодиод имеет такую же конструкцию, как и обычный, c той лишь разницей, что светоизлучающие кристаллы в нем устанавливаются на специальное основание, а в мощном сверхъярком led в конструкции предусмотрен теплоотвод. Во всем остальном – это такой же светоизлучающий диод с p-n переходом, который в результате протекания электрического тока создает оптическое излучение.

Разновидности

Деление сверхярких светодиодов на виды является довольно условным, т.к. каждый имеет свои уникальные характеристики.

На сегодняшний день основными странами-производителями ультраярких светодиодов являются США (компания «CREE»), Тайвань (компания «Epistar») и, конечно же, Китай.

Наиболее полную классификацию таких светоизлучающих диодов предоставила компания «CREE», в соответствии с которой их можно разделить на следующие типы:

  • в стандартных корпусах круглого (3 и 5мм) или овального (4 и 5мм) сечения с двумя выводами STD (серии 374, 503, 512, 535, 4SM, 5SM и т.д.);
  • в корпусе типа P4 («Пиранья») (серии Р41, Р42, Р43);
  • в корпусах для поверхностного монтажа PLCC (серии LM1, LM3, LM4, LA1, LN6, LP6 и т.д.).

Последняя группа led является наиболее разнообразной и востребованной. В нее входят светодиоды разных цветов с различным количеством кристаллов. Они также отличаются углами рассеивания и размерами.

На фото показан внешний вид ультраярких и мощных светоизлучающих диодов согласно классификации фирмы «CREE».

Мощные сверхяркие

В отдельную группу можно выделить мощные сверхяркие светодиоды XLamp. Их главной конструктивной особенностью является наличие радиатора для отвода тепла, вызванного большим рабочим током (350мА и выше).

Чем эффективнее отвод тепла – тем больше время работы сверхъяркого мощного светодиода.

Данная группа имеет три варианта исполнения – XR, XP и MC. Они отличаются между собой формами и размерами корпусов. Именно они нашли широкое применение во внутреннем и наружном освещении автомобилей.

Светодиоды SMD

LED SMD также можно условно отнести к мощным сверхъярким светоизлучающим диодам. Они имеют несколько серий (3528, 5050,3014, 3020, 2835 и т.д.). Но самым востребованным на рынке светодиодного освещения является SMD 5050.

Он нашел широкое применение в светильниках благодаря белому цвету свечения. Мощность такого led может достигать 1Вт, поэтому его корпус имеет теплоотвод.

На фото мы можем увидеть, как выглядит LED SMD 5050.

Характеристики

Самой важной из всех характеристик является рабочий ток. Ультраяркие мощные светодиоды работают на постоянном токе, и превышение его значения приводит к выходу из строя led. Средний рабочий ток сверхъяркого равняется 15 – 20мА, ток мощного ультраяркого светодиода может достигать и 1А.

Рабочим напряжением (далее U) называют величину падения напряжения на светодиоде. Светоизлучающие диоды выпускаются с рабочим U равным 1,5 – 4 В. Диоды разных цветов имеют различное U(самое низкое имеют диоды инфракрасного цвета – 1,5-1,9В, а самое высокое – белый диод – 3-3,7В). Одним драйвером с постоянным выходным U = 12В возможно подключение, например, четырех светоизлучающих диодов с рабочим U = 3В или двенадцати светодиодов с рабочим U = 1В.

Средний показатель мощности для ультраярких светодиодных источников составляет 0,2-0,3Вт, а для мощных сверхярких источников — 1 Вт.

Если на коробке мощного светодиода указаны ток и напряжение, но не указана мощность, определить ее довольно легко, перемножив указанные значения между собой.

Для получения необходимой интерьерной подсветки важными показателями будут: цвет свечения, угол рассеивания, световой поток.

Сверхяркие мощные светодиоды представлены в следующей цветовой гамме: янтарный, оранжевый, синий, зеленый, красный и белый. В свою очередь белый цвет может выдавать холодный белый свет (5000 – 7000K), белый (3500-5000К), теплый белый (2700-3500К).

Угол рассеивания варьируется от 15º до 120º в зависимости от типа. Самый маленький угол рассеивания имеет серия в стандартном корпусе круглого сечения, а самый большой – серия PLCC. Использование сверхярких светодиодов с разными углами рассеивания дает возможность расставлять необходимые акценты в интерьере.

Световой поток играет важную роль для получения заданного уровня освещенности помещения.

Особенности питания

Перед подключением светодиода необходимо внимательно изучить, на какой ток и напряжение он рассчитан. Ультраяркие подключают через драйвер, который дает возможность стабилизировать ток, необходимый для нормальной работы LED. Драйвер с выходным напряжением 12В подключается к сети 220В.

Ниже приведена простейшая схема подключения нескольких светодиодов через драйвер.

Особенности монтажа

Основным условием при установке и подключении led является необходимость соблюдения полярности питания.

Мощные сверхяркие светодиоды нуждаются в дополнительном охлаждении, так как во время работы они интенсивно нагреваются.

В мощных ультраярких led температура нагрева кристалла влияет на нормальную работу сверхяркого светодиода, поэтому при его монтаже необходимо сделать теплоотвод, который можно осуществить с помощью радиатора.

Применяемые теплопроводящие основания являются проводниками электричества, поэтому при установке светоизлучающего диода необходимо обеспечивать их электроизоляцию.

Кроме того, светоизлучающий диод — хрупкое изделие, следует осторожно устанавливать во избежание деформации его корпуса.

Автор видео рассказывает про виды и применение мощных светодиодов, а в конце дает не большой, но познавательный урок по монтажу smd led, показывает, как определить полярность и припаять.

Плюсы и минусы

Сверхъяркие led становятся все более востребованными на рынке освещения. Причина кроется в преимуществах, которыми обладают данные источники света:

  • большой срок эксплуатации (50 000-100 000 часов);
  • высокая экономичность;
  • устойчивость к перепадам напряжения;
  • возможность работы при низких температурах окружающей среды;
  • компактность. Сверхяркие светодиоды имеют небольшие размеры, что позволяет монтировать их в совсем маленькие приборы;
  • экологичность (отсутствие ртути, паров газов или других опасных веществ);
  • ударопрочность и виброустойчивость;
  • светодиодные технологии обеспечивают большое разнообразие при проектировании интерьерного, декоративного освещения, а также цифровой контроль цвета и интенсивности света;
  • устойчивость к многократным включениям.

Как видим, параметры работы подобных устройств выгодно отличаются от других источников света. Но кроме достоинств, имеются и некоторые недостатки:

  • высокая цена, значительно увеличивающая срок окупаемости осветительного прибора;
  • низкие технические характеристики в некачественных изделиях;
  • необходимость применения драйверов, что увеличивает стоимость;
  • невозможность использования регуляторов освещения для всех видов сверхярких светодиодов. Устройство этих регуляторов сложнее, чем для традиционных источников света, что также сказывается на их стоимости;
  • заявленные названия цветопередачи не всегда соответствуют реальным характеристикам;
  • небольшой угол рассеивания света;
  • сложности в получении равномерного освещения из-за уникальности характеристик каждого LED и т.д.

Несмотря на перечисленные недостатки при правильном подходе к выбору и монтажу часть их можно нивелировать.

Особенности применения

Сегодня, благодаря положительным качествам, сверхяркие светодиоды нашли широкое применение:

  • в качестве светоизлучающих элементов в светофорах, дорожных знаках и светодиодных экранах;
  • в автомобилестроении (приборы освещения и индикации внутри автомобиля и снаружи); Существуют комплекты, в которых ультраяркие светодиоды на напряжение 12В уже готовы к подключению в электрическую схему питания автомобиля;
  • в рекламной сфере;
  • в ландшафтном освещении, освещении жилых и общественных зданий и т.д.

Итоги

Сверхяркие светодиоды позволяют получать большой световой поток при малом потреблении электроэнергии. Такие свойства позволят решить вопрос с большими затратами электроэнергии на освещение, которые на сегодняшний день остаются значительными, а также создать необходимый уровень освещения внутри зданий и снаружи.

Виды светодиодных ламп освещения и их характеристики

Экономить электроэнергию становится не просто модно, но и выгодно. С появлением разных видов светодиодных ламп стало возможным значительно сократить расходы на электричество как быту, так и на производстве. При этом их свет по качеству превосходит свет обычных ламп накаливания, а ресурс работы в несколько раз больше, чем у популярных недавно галогенных энергосберегающих лампочек.

Параметры для классификации

Единой общепринятой классификации видов светодиодных ламп и их характеристик пока что еще нет. Разные производители вводят свою маркировку и номенклатуру изделий. Но можно примерно классифицировать по таким параметрам:

  • сфера применения;
  • конструкция и световой поток;
  • тип применяемых светодиодов;
  • вид цоколя.

По сфере применения

Эта классификация наиболее понятная и простая. В зависимости от того, где будут применяться те или иные виды диодных ламп, зависят их параметры работы и размеры.

Источники света для офиса и дома на основе светодиодов предназначены для замены традиционных энергоемких ламп накаливания. Их размеры и форма практически идентичны тем, которые есть у ламп с нитью накала.

Уличные светодиодные источники света используются для подсветки сооружений, парков, дорог. Во многих городах уличные фонари заменяют на светодиодные светильники. Особенность таких ламп в их надежной защите от воздействия влаги и пыли.

Прожекторы как класс ранее не существовали — очень дорого обходились комплектующие для производителя. Отдельные прожекторы конструировались на основе мощных светодиодов и были всего лишь опытными и выставочными экземплярами. С улучшением технологии производства и снижением стоимости светодиодов стало возможно производить мощные и относительно недорогие ЛЕД прожекторы.

Автомобильные источники света включают в себя довольно много разновидностей светодиодных ламп — для подсветки салона, для индикации световых сигналов (габаритов, стопов, поворотов), для подсветки номера, для фар. Их форма и размеры такие же, как и у обычных автоламп. Автомобилисты предпочитают обычным лампам различные виды диодных лампочек по нескольким причинам:

  • более длительный срок службы;
  • экономичность, что важно при выключенном двигателе — не разряжается аккумулятор;
  • большая яркость;
  • безопасность — отсутствуют при разбитии осколки стекла, так как колба таких ламп изготавливается из прозрачного пластика.

Источники света на светодиодах для растений обладают особым свойством — они излучают много ультрафиолета. Для роста и жизни растений в тепличных условиях это важное свойство.

Промышленные светильники, как и уличные, оснащаются повышенной защитой от загрязнения. И их световая мощность на порядок выше бытовых, чтобы осветить значительные по размерам промышленные здания.

По конструкции и световому потоку

Существует всего три вида. Первый предназначен для общего использования. Он дает рассеянный световой поток и предназначен для освещения помещений и офисов. По своей форме такие лампочки напоминают груши (как у лампочек накаливания), «кукурузины» или свечи.

Читайте также:  Бесплатное электричество своими руками: видео, методы и возможности в домашних условиях, альтернативы

Второй тип — для получения акцентированного светового потока. Его применяют для подсветки витрин, различных небольших площадок и т. п. По конструкции напоминают светильники типа «спот» или миниатюрные прожекторы. Светильники линейного вида относятся к третьему типу. Они задуманы как замена люминесцентных источников света. По форме полностью с ними одинаковые.

По разновидности светодиодов

Первые лампочки этого типа производились с использованием индикаторных светодиодов. Сейчас их найти уже трудно, но возможно. Они воспринимаются больше как раритет для коллекций, нежели светотехническое оборудование для каждодневного использования. Их безопасность и качество излучаемого света намного ниже современных образцов.

Лампы на основе диодов SMD типа наиболее распространены. Малый нагрев и небольшие габариты делают возможным их применение в широких областях деятельности человека.

Более мощные лампы сконструированы на диодах мощностью 1, 2 или 5 Вт. Но у них большой недостаток — это сильный нагрев при работе. Организовать эффективный отвод тепла в небольшом корпусе нет возможности. Поэтому у них сравнительно большие корпусы, что делает их применение ограниченным.

Более современная технология основана на применении СОВ диодов. Они интегрируются напрямую в плату, а это повышает надежность и увеличивает отвод тепла. Световой поток более равномерный. Сами диоды можно изготовить любой формы.

Специалисты прогнозируют в будущем широкое использование ламп на основе филаментных диодов. Их технология производства еще находится на стадии развития. Опытные экземпляры имеют световую мощность с одним филаментом до 1,3 Вт, а световой поток равномерно распространяется во всех направлениях.

По виду цоколя

Существующие типы светодиодных ламп освещения по конструкции цоколя делятся на 3 основных класса. А именно:

  • резьбовой цоколь «Эдисона» (маркировка E);
  • штыревой цоколь (маркировка G);
  • контакты люминесцентных ламп (обозначается буквой T).

Наиболее распространен цоколь типа E. Цифры после буквы соответствуют его диаметру. У типа G цифра после буквы информирует о количестве контактов. Этот тип мало распространен, так как такие лампы нельзя подключать к сети 220 V напрямую без блока питания. Светодиодные аналоги люминесцентных ламп в своей маркировке цоколя также имеют цифру. Она обозначает расстояние между контактами в восьмых частях дюйма. Например: Т5 — это 5/8 дюйма, Т8 — 8/8 дюйма и т. д.

Несколько важных замечаний

При покупке LED лампы в интернет-магазине следует обратить особое внимание на размер колбы. На фотографиях лампочки кажутся одинаковыми по размеру с традиционными. Но часто их размер намного больше и они или не помещаются в плафон, или не эстетично торчат из него.

При замене галогенных ламп на светодиодные следует помнить, что блок питания от первых не подходит для подключения вторых. LED светильникам требуется свой источник питания.

Регулятор яркости (диммер) от ламп накаливания и галогенок также не подходит для светодиодных образцов. Есть некоторые виды LED лампочек, яркость которых можно регулировать. Но и диммер у них совсем с другими характеристиками.

Краткая историческая справка

Явление испускания электромагнитного излучения при прохождении тока через p-n переход было открыто еще в начале прошлого века британцем Раундом. Оно многие годы не имело применения на практике: сила излучения и его спектр не подходили для использования в быту из-за низкого качества самих полупроводников, образующих p-n переход.

В середине шестидесятых годов прошлого столетия появились первые индикаторные светодиоды красного цвета. Они и стали прародителями современных светодиодных ламп. Примерно через 30 лет сотрудниками компании Nichia были изобретены сверхяркие светодиоды. На них крепится специальная линза с люминофорным слоем, который отвечает за цветовую температуру получаемого светового потока.

Современные светодиодные лампы всех типов содержат четыре основных элемента, помещенных в общий корпус: непосредственно светодиод, оптическую систему, блок питания и радиатор для отвода излишней тепловой энергии.


Сверхяркие светодиоды. Типы и устройство. Работа и применение

Сверхяркие светодиоды – это специальные полупроводниковые приборы, которые выделяются высочайшей яркостью свечения. Подобные изделия появились в результате развития технологического процесса в светодиодной технике. Благодаря этому образовалась отдельная ниша, в которой стали использоваться светодиоды высокой яркости. Эти изделия имеют свои специфические характеристики, плюсы и минусы, которые выделяют их среди остальных элементов. К примеру, они отличаются высокой мощностью и светоотдачей.

Однако подобные светодиоды все еще остаются достаточно дорогими вследствие их конструктивных особенностей. Поэтому еще сравнительно недавно такие светодиоды использовались ограниченно. Однако сегодня они находят все большее применение в самых разных областях. Спрос на данные изделия растет с каждым днем. Планируется, что лет через 5-10 подобные светодиоды будут применяться повсеместно.

Виды
Сверхяркие светодиоды в большинстве случаев имеют следующую классификацию:
  • Epistar. Представляют диоды высокого качества, которые выделяются компактными габаритами. Их особенностью являются длительный период работы. Такие изделия широко применяются в различных областях.

  • Cree. Подобные световые диоды действуют на базе карбида кремния, а также нитрида галлия. Эти изделия также выделяются продолжительным временем работы. К тому же диоды этого вида потребляют минимум электрической энергии, в частности это 12 вольт. В большинстве случаев их применяют для освещения пешеходных и подземных переходов, автомобильных дорог. К тому же производители используют их в осветительных приборах, к примеру, в фонарях. Необходимо отметить, что светодиоды cree выделяются высоким качеством, вследствие чего их стоимость несколько выше моделей других разновидностей.

  • Smd . Относятся к распространенной светодиодной продукции. Эти изделия часто встречаются в различных областях. В особенности они популярны для подсветки зданий и сооружений, в том числе интерьерного дизайна внутри помещений. К примеру, при помощи светодиодных лент smd создаются уникальные в дизайнерском плане интерьеры помещений. Однако подобные ленты чаще всего используются совместно со специальными драйверами, то есть блоками питания. Подобные приборы снижают действующее напряжение с 220 до 12 вольт.

На данный момент главными производителями указанных светодиодов являются американские, тайванские и китайские компании.

Отдельной группой выступают светодиоды XLamp , которые выделяются особой мощностью. Их конструктивное исполнение предполагает присутствие теплоотводящего радиатора, что вызвано большим током в 350мА и выше. Благодаря эффективному отводу тепла данный вид светодиода также может работать длительное время. Данная группа делится на три вида: MC, XP и XR . Отличие указанных видов изделий заключается в разных габаритах и формах. Светодиоды XLamp в большинстве случаев применяются для наружного и внутреннего освещения автомобилей.

Устройство

Сверхяркие светодиоды практически всегда имеют конструкцию, которая практически полностью повторяет устройство стандартного светодиода. Типичные изделия монтируются на стандартное основание, тогда как продукция высокой яркости монтируется на теплоотводящую подложку. В остальном – это типичный диод с p-n переходом.

Так, благодаря техническим новациям компании CREE, устройство светодиодов группы XR имеет следующее строение:
  • В виде корпусного основания выступает подложка, выполненная из металла и керамики, которая выделяется высокой теплопроводностью. В результате обеспечивается минимальное тепловое сопротивление, в том числе электроизоляция корпуса кристалла от теплоотводящего элемента.
  • Кристаллы создаются из кристаллов карбида кремния.
  • Материал подложки выполнен из карбида кремния, а также нитрида алюминия. Благодаря этому решается проблема появления механических напряжений в кристалле вследствие смены температуры.
  • Металлический корпус также выступает в качестве рефлектора.
  • Плавающая линза выполнена из кварцевого стекла. Она установлена в корпусе не жестко и сохраняет свое положение благодаря адгезии к желеобразному герметику. В результате она как бы плавает. Использование такой конструкции дает возможность исключить появление механических напряжений. Также это дает возможность выполнить автофокусировку в широчайшем диапазоне температур;

Показатели указанных светодиодов находятся в прямой зависимости от вида кристаллов, которые установлены в них. Ранее кристаллы были небольшого размера, однако в последнее время промышленность использует новые кристаллы, которые выделяются достаточно большой площадью, в том числе высокой световой отдачей. Они способны действовать при больших токах, а значит светить очень ярко.

Принцип действия

Сверхяркие светодиоды вне зависимости от вида действуют по одинаковому принципу. Диоды выполнены в виде чипа, из полупроводникового материала. Для образования р-n перехода чип покрывается легированными примесями. Подобная конструкция свойственна моделям светодиодов типа cree и smd. Принцип действия в данном случае базируется на перетекании электрического тока от р-анода к n-катоду. В результате напряжение передается в одном направлении.
Цвет и длина волны светового излучения зависит от ширины рабочей зоны р-n перехода. Довольно часто для изготовления подобного перехода применяется германий и кремний. Для создания высокой яркости применяется сапфир в виде подложки.

Применение

Сверхяркие светодиоды находят довольно широкое применение.
  • Они применяются для подсветки в жидкокристаллических дисплеях мобильников и коммутаторов.
  • Для производства светодиодной рекламы.
  • Для автомобильной светотехники, в частности для подсвечивания салона, а также индикации поворотов, элементов торпеды. Они часто монтируются в фарах, стоп-сигналах и габаритных огнях.
  • Они выступают в качестве светоизлучающих элементов в дорожных указателях и светофорах.
  • Довольно часто их используют для освещения помещений мастерских, различных производств, в том числе домов, квартир, подсобных помещений и так далее.
  • В качестве сигнальных излучающих элементов в авиации, судоходстве и на железной дороге.
  • Для подводного освещения.
  • Для ландшафтного освещения.
  • Сверхяркие светодиоды широко применяются в медицинской отрасли. В частности, их используют в эндоскопических приборах, дерматоскопах, лампах и ином оборудовании.
  • Подобные светодиоды часто используются для тюнинга машин. При помощи них можно заменить практически все стандартные лампочки. К примеру, в автомобильных магазинах продаются готовые комплекты, которые можно сразу включить в электрическую схему машины без каких-либо усовершенствований.
  • Для рекламной сферы и так далее.

Светодиоды высокой яркости создают значительный световой поток при небольшом потреблении электрической энергии. Благодаря указанным свойствам можно решать проблемы значительных затрат электрической энергии на освещение, которые на данный момент все еще являются существенными. К тому же при помощи подобных светодиодов можно создать требуемый уровень освещения помещений.

Читайте также:  Гирлянда из ламп: преимущества и недостатки, простые способы изготовления своими руками, техника безопасности
Плюсы и минусы

Сверхяркие светодиоды за последние несколько лет стали невероятно востребованными. Причин тому несколько:

  • Энергоэффективность. На данный момент это наиболее экономичные источники света, потребляющие минимум электрической энергии. При применении подобных изделий удается сэкономить порядка 80% электрической энергии.
  • Существенный срок службы.
  • Возможность функционирования в широких температурных режимах.
  • Минимальный нагрев.
  • Наличие ударопрочности, в том числе в ряде случаев и влагостойкости.
Как выбрать

  • Если Вы хотите приобрести сверхяркие светодиоды, то для начала следует определиться, где Вы их будете применять. Эти изделия могут иметь разное напряжение, что определяется назначением и моделью. В большинстве случаев оно составляет в пределах 1,5-4 В, но может быть и 12 В. В большинстве случаев это влияет на цвет излучения. К примеру, низкое напряжение, как правило, обеспечивает инфракрасный цвет, тогда как высокое обеспечивает создание белого цвета. Средняя мощность для весьма сильных диодов равняется 1 Вт, для типичных представителей – порядка 0,3 Вт.
  • В магазине можно приобрести светодиоды в разных цветовых решениях: белые, синие, красные, оранжевые и другие модели.
  • Не стоит прельщаться дешевыми изделиями. Вызвано это тем, что яркие светодиоды, произведенные с нарушением технологии или некачественных материалов, через определенное время понизят свою светоотдачу. К примеру, дешевые модели спустя 4 тысячи часов работы лишаются порядка 35% яркости. Тогда как качественные светодиоды даже через 50 тысяч часов работы сохраняют свою яркость практически на прежнем уровне. Колебания яркости могут быть не более 20%
Экономия в будущем

На данный момент широкое внедрение указанных светодиодов невозможно, так как они стоят довольно дорого. Однако в будущем внедрение новых разработок и технологий позволит внедрить их повсеместно. К примеру, города и каждый житель смогут значительно экономить электроэнергию, расходы снизятся в 14-18 раз.

Характеристики видов и типов светодиодов

Длительное время светодиоды использовались только в качестве индикаторов для различных приборов. Современные устройства вполне могут заменить любые источники света для освещения домов, промышленных зданий, офисов, улиц и т. д.

На рынке освещения представлены разные виды светодиодов, которые отличаются характеристиками.

Чтобы знать, как выбрать led-устройства в зависимости от целей, нужно знать, как они устроены, работают, изучить основные параметры.

Что такое светодиод

Внешне светоизлучающий диод выглядит как кристалл на металлической основе, покрытый пластиковой линзой. Осветительный элемент состоит из таких частей:

  • основа из алюминия или меди;
  • полупроводниковый кристалл;
  • катод (-) и анод (+);
  • слой силикона;
  • линза из пластика;
  • защитный корпус.

На металлической основе зафиксирован катод и анод. На первом электроде закреплен полупроводниковый чип (кристалл). Контакты имеют проводники, которые подсоединяются к чипу p-n-переходом (электронно-дырочный переход). На этом участке с помощью соединительной проволоки объединяются 2 полупроводника с дырочным и электронным типом проводимости. Сверху конструкция покрыта слоем силикона и пластиковой колбой и помещена в корпус с выводами для подключения к цепи.

Устройство и принцип действия

Светодиоды излучают свет благодаря наличию p-n-перехода. На этом участке контактируют носители заряда p- и n-типа. Катод (n-тип) – это полупроводник с отрицательным зарядом, а анод (p-тип) является носителем положительного заряда (дырки). То есть, в первом образуются дырки (участки, где нет электронов), а второй скапливает электроны. На их поверхности размещены контактные площадки из металла, к которым прикреплены выводы методом пайки.

Когда к полупроводнику р-типа поступает положительный заряд, а к электрону n-типа – отрицательный, то на границе между диодом и катодом начинает протекать ток. При прямом включении отрицательные и положительные электроны встречаются, и на участке перехода (p-n-переход) происходит их рекомбинация (обмен). При подаче отрицательного напряжения со стороны катода на область р-типа, то происходит прямое смещение. Свечение появляется при выделении фотонов в результате обмена.

Основные технические характеристики светодиодов

При выборе led-лампочек нужно обращать внимание на их характеристики. Обычно параметры устройства указаны на упаковке или в техническом паспорте.

При покупке светодиодного устройства учитывайте такие его характеристики:

  • величина тока потребления кристалла;
  • напряжение;
  • сопротивление;
  • световой поток, угол излучения;
  • цветовая температура.

Кроме того, необходимо знать, как расшифровать маркировку на плате, которая указывает на размер ЛЕД-элемента. Эти значения помогут вам узнать длину и ширину чипа, определить силу тока кристалла.

От параметров диода зависит возможность его применения в определенных условиях и обеспечение необходимого уровня освещенности.

Сила тока на кристалле

В продаже есть разные виды led-устройств: на 1, 2, 3 или 4 кристалла. Светодиодные лампочки с 1 элементом рассчитаны на ток 0.02 А. При увеличении количества чипов этот показатель увеличивается, например, ток потребления устройств на 4 чипа равен 0.08 А (по 0.02 А на каждый кристалл).

Внимание! Сила тока влияет на стабильность работы ЛЕД-лампы, если этот параметр увеличивается, то повышается вероятность преждевременной ее поломки. При сильных скачках тока светодиод перегорает сразу.

Чтобы продлить срок эксплуатации ЛЕД-светильника, нужно подключить к нему резистор, который стабилизирует ток. Чтобы подобрать прибор с подходящим сопротивлением, нужно учитывать характеристики светодиодной лампы. Сделать это поможет онлайн-калькулятор.

Напряжение

При выборе следует учитывать не напряжение питания ЛЕД-элемента, а величину его падения. Этот показатель соответствует уровню напряжения на выходе, после того, как через него проходит ток. Этот параметр можно найти на упаковке.

Существуют разные виды светодиодов, напряжение которых зависит от цвета свечения. Этот параметр у кристаллов с белым, зеленым, фиолетовым, синим светом находиться в диапазоне от 2.2 до 4 В, у элементов с красным, оранжевым, желтым светом – от 1.6 до 2.2 В. Напряжение ультрафиолетовых диодов колеблется от 3.1 до 4.4 В, а инфракрасных – около 1.9 В.

При соединении разных видов светодиодов параллельным способом нужно контролировать уровень падения напряжения каждого элемента. При незначительном повышении напряжения увеличивается и ток, тогда устройство сгорит.

Сопротивление диодов

Даже один светодиод может иметь разное сопротивление: дифференциальное (динамическое) и постоянному току. На участке ВАХ (вольт-амперная характеристика – зависимость тока от напряжения или наоборот на участке электроцепи) динамическое сопротивление незначительное и ниже сопротивления статического тока. На обратном пути динамическое сопротивление выше этого показателя тока.

Мощные сверхяркие светодиоды — особенности монтажа, питания, конструкции

Осветительными приборами, где в качестве источников света используются сверхяркие светодиоды, уже никого не удивишь. Спрос на такие устройства неизменно растет, это напрямую связано с низким энергопотреблением этих приборов. Учитывая, что на освещение тратится около 25-35% потребляемой электроэнергии, экономия будет весьма ощутимой.

Различные виды сверхярких светодиодных источников освещения

Но учитывая относительно высокую стоимость сверхярких светодиодов, в силу их конструктивных особенностей, говорить о полном переходе на этот тип освещения еще не своевременно. По мнению специалистов, этот процесс займет от 5 до 10 лет, именно столько понадобится на отладку и внедрение новых технологий.

Кратко об эффективности

Эффективностью осветительного прибора принято считать соотношение вырабатываемого светового потока (измеряется в люменах) к потребляемой электроэнергии (ватт). Качественная лампа с нитью накала имеет эффективность около 16 люменов на ватт, флуоресцентная (энергосберегающая) — в четыре раза больше (64 лм/Вт), для длинных дневных ламп этот показатель в районе 80 лм/Вт.

КПД сверхярких светодиодов, выпускающихся массово на текущий момент, примерно такой же, как у ламп дневного света. Обратите внимание, что мы говорим именно про массовую продукцию. Что касается теоретического предела для сверхярких светодиодных источников, то он определен порогом в 320 лм/Вт.

Как обещают многие производители, в ближайшие несколько лет КПД можно будет повысить до уровня 213 лм/Вт.

Влияние особенностей конструкции на стоимость

Для изготовления сверхярких светодиодных источников света может применяться один из двух способов:

  • чтобы получить свет, близкий по спектру к белому, используются три кристалла установленных в одном корпусе. Один красный, второй синий и третий зеленый;
  • применяется кристалл, излучающий в голубом или ультрафиолетовом спектре, он подсвечивает линзу покрытую люминофором, в результате излучение преобразуется в свет, близкий по спектру к природному.

Не смотря на то, что первый вариант более эффективен, его реализация обходится несколько дороже, что отрицательно отражается на распространенности. Помимо этого спектр света, излучаемый таким источником, отличается от природного.

У приборов, изготовленных по второй технологии, меньше эффективность. Стоит также учитывать, что люминофор содержит в себе сложный по составу композит на основе церия и иттрия, которые сами по себе стоят недешево. Собственно, этим и объясняется относительно высокая стоимость сверхярких светодиодов белого света. Конструкция такого устройства показана на рисунке.

Устройство сверхяркого светодиода

Обозначения:

  • А – печатный проводник;
  • В – основание с повышенной теплопроводимостью;
  • C – защитный корпус устройства;
  • D – паста-припой;
  • E – кристалл светодиода, излучающий ультрафиолетовый или голубой свет;
  • F –люминофорное покрытие;
  • G – клей (может быть заменен эвтектическим сплавом);
  • H – провод, соединяющий кристалл и вывод;
  • K – отражатель;
  • J – теплоотводящее основание;
  • L – вывод питания;
  • M – диэлектрическая прослойка.

Особенности монтажа

На работу сверхярких светодиодов оказывает влияние степень нагрева кристалла и самого p-n перехода. От первого напрямую зависит срок эксплуатации устройства, от второго – уровень светового потока. Поэтому для длительной службы сверхярких светодиодов необходимо организовать надежный теплоотвод, делается это при помощи радиатора.

Следует принять во внимание, что теплопроводящие основания этих полупроводников, как правило, проводят электричество. Поэтому когда устанавливается несколько элементов на один радиатор, следует позаботиться о надежной электроизоляции оснований.

Хороший теплоотвод значительно увеличивает срок службы сверхярких светодиодов

Остальные правила монтажа практически такие же, как у обычных диодов, то есть необходимо соблюдение полярности, как при установке самой детали, так и подключении питания.

Особенности питания

Учитывая относительно высокую стоимость сверхярких светодиодов, очень важно использовать для их работы надежные и качественные источники питания, поскольку эти полупроводниковые элементы критичны к токовой перегрузке.

После нештатного режима прибор может остаться работоспособным, но мощность излучаемого светового потока существенно сократится. Помимо этого такой элемент с большой вероятностью станет причиной поломки и других, совместно подключенных светодиодов.

Читайте также:  Инверторный газовый генератор: что это такое, чем отличается от обычного

Прежде, чем говорить о драйверах для сверхярких светодиодов, коротко расскажем об особенностях их питания. В первую очередь необходимо принять во внимание следующие факторы:

  • мощность светового потока, излучаемая этими элементами, напрямую зависит от величины протекающего через них электротока;
  • для сверхярких светодиодов характерна нелинейная ВАХ (вольт-амперная характеристика);
  • температура оказывает сильное влияние на ВАХ этих полупроводниковых приборов.

Ниже показано изменение ВАХ при температуре полупроводникового элемента (сверхяркий smd-светодиод) 20 °С и 70 °С.

Изменение характеристик от влияния температуры

Как видно из графика, при подаче на полупроводник стабильного напряжения величиной 2 В, электроток, проходящий через него, меняется в зависимости от температуры. При нагреве кристалла 20°С он будет равен 14 мА, когда температура повысится до 70°С, этот параметр будет соответствовать 35 мА.

Результатом такой разницы будет изменение мощности светового потока при одном и том же питающем напряжении. Исходя из этого, необходимо стабилизировать не напряжение, а электроток, проходящий через полупроводник.

Такие блоки питания называются светодиодными драйверами, они представляют собой обычные стабилизаторы тока. Это устройство можно приобрести готовое или собрать самостоятельно, в следующем разделе мы приведем несколько типичных схем драйверов.

Самодельный светодиодный драйвер

Предоставим вашему вниманию несколько вариантов драйверов на основе специализированных микросхем компании Monolithic Power System, использование которых существенно упрощает конструкцию. Схемы приводятся в качестве примера, полное описание типового включения можно найти в даташит на микросхемы.

Вариант первый на базе понижающего преобразователя МР4688.

Пример включения МР4688

Данный драйвер может работать с напряжениями от 4,5 до 80 В, порог максимального выходного электротока 2 А, что позволяет запитать светильник на сверхярких светодиодах большой мощности. Уровень электротока, проходящего через светодиоды, регулируется сопротивлением RFB . Реализация ШИМ-диммирования с частотой 20 кГц позволяет плавно изменять протекающий через светодиод электроток.

Второй вариант драйвера на базе микросхемы МР2489. Ее компактный корпус (QFN8 или TSOT23-5) делает возможным размещение драйвера в цоколе MR16, используемый галогенными лампами, что позволяет заменить последние светодиодными. Типовая схема подключения МР2489 показана на рисунке.

Драйвер на базе МР2489

Приведенная выше схема позволяет включать два параллельных светодиода, у каждого из которых рабочий ток 350 мА.

Последний вариант драйвера на базе микросхемы МР3412, который может быть использован в переносных фонариках. Отличительная особенность такой схемы – возможность работы от пальчикового элемента питания АА.

Драйвер для фонарика на базе МР3412

Виды светодиодов – принцип работы, от чего зависит яркость свечения

Первые светодиоды (СД, СИД, LED) разработали в начале шестидесятых годов на смену миниатюрным лампам накаливания. Это были красные лампы с очень слабым свечением и применялись как индикаторы включения в различных приборах.

В начале девяностых, был создан синий светодиод, следом появились зеленые, желтые и белые. Сейчас светодиод один из наиболее широко востребованных осветительных элементов. Это световое устройство в пластиковом литом корпусе (разного цвета) с двумя выводами со впаянным кристаллом.

Корпус выполняет две функции – является линзой и защитным покрытием. Питание светодиода обеспечивается током, для чего в цоколь встроен преобразователь напряжения. Яркость свечения пропорциональна напряжению.

Устройство элемента

Светодиод состоит из следующих частей:

  • основание;
  • линза;
  • катод (-);
  • анод (+);
  • кристалл (полупроводниковый чип);
  • отражатель (рассеиватель).

В основании закреплены катод и анод, сверху все устройство герметично закрыто линзой (колбой). На катоде закреплен кристалл. На контактах установлены проводники, подсоединенные к кристаллу p-n-переходом (соединительная проволока, объединяющая два проводника с разными типами проводимости).

Теплоотвод необходим для поддержания стабильной работы светодиода. В индикаторных светодиодах тепло не накапливается за счет невысокой мощности. Для осветительных – основание напрямую припаивается к поверхности для обеспечения теплоотвода.

Принцип работы диодов для чайников

Чтобы понять, как работает светодиод, нужно знать, что такое p-n-переход. Это область, в которой соприкасаются полупроводники p и n типа, в результате чего один тип проводимости переходит к другому. N тип содержит электроны проводимости как носители заряда. Полупроводник p типа носитель положительного заряда (дырки).

Анод (p типа) является положительным электродом, катод (n типа) это отрицательный электрод. Внешняя поверхность катода и анода содержит контактные металлические площадки с припаянными выводами. Когда к аноду подается положительный заряд электричества, а к катоду отрицательный, то на р-n переходе между кристаллом катодом начинает течь ток.

Если включение прямое, то электроны из n и области и дырки из p-области устремятся навстречу друг другу. В процессе легирования (обмена электронами) на границе дырочно – электронного перехода произойдет их обмен. Если отрицательное напряжение подается со стороны материала n-типа, то происходит прямое смещение. При рекомбинации (обмене) выделяется энергия в виде фотонов.

Чтобы поток фотонов преобразовать в видимый свет, материал подбирают так, что длина волны фотонов находится в пределах видимой области цветового спектра длиной волны от 700 до 400 нм.

Чтобы упрастить работу с диодными осветительными приборами или, например, гирляндами, узнайте как проверить светодиод мультиметром.

Существующие на сегодняшний день светодиоды бывают следующих видов:

  • индикаторные – с маленькой мощностью, для подсветки в приборах;
  • осветительные – с большой мощностью, уровень освещенности соответствует обычным (люминесцентным и вольфрамовым) источникам света.

По типу соединения индикаторные делятся на:

  • тройные AIGaAs (алюминий – галлий – мышьяк) – оранжевый и желтый свет в областях видимого цветового спектра;
  • тройные GaAsP (галлий – мышьяк – фосфор) – желто-зеленый и красный свет в областях видимого спектра;
  • двойные GaP (галлий – фосфор) – оранжевый и зеленый свет в областях видимого спектра.

Светодиодные элементы различаются по типу корпуса:

  • DIP – оснащены встроенной оптической системой из линзы, кристалла и парой контактов. Устаревшая модель самой низкой мощности, используются для подсветки игрушек, световых табло;
  • Superflux или «пиранья» – аналогичные DIP, оснащены четырьмя контактами, лучше крепятся и меньше нагреваются за счет радиатора для светодиода. Используются для подсветки в автомобилях;
  • SMD – наиболее распространенный тип для множества источников света. Представляют собой чип (кристалл), смонтированный непосредственно на поверхности платы;
  • COB – усовершенствованные светодиоды SMD. Оснащены несколькими кристаллами (чипами), установленными на одну плату. Монтируются на керамические и алюминиевые основания.

Более совершенные модели СОВ все же не всегда могут заменить SMD светодиоды.

Основные технические характеристики

Диодные лампы характеризуются следующими основными параметрами:

  • яркость (интенсивность светового потока);
  • напряжение (тип используемого напряжения);
  • сила тока;
  • длина волны и цветовая характеристика.

Яркость

Яркость воспринимается зрительными ощущениями, поскольку освещённость предмета на сетчатке глаза пропорциональна его яркости. Складывается она из нескольких параметров. называется Световой поток это количество световой энергии. Единица измерения люмен.

Единицей силы света является один люмен на стерадиан, также измеряемый в канделах: 1 cd. Измеряется яркость в милликанделах. Различают яркие (20 – 50 мкд.) и сверх яркие (20000 мкд. и выше) светодиоды белого свечения. Светодиодная яркость пропорциональна величине протекающего через него тока, т. е. чем выше напряжение, тем больше яркость.

Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про возможности и область применения диммеров.

Напряжение

Напряжение, необходимое для работы светодиода, это не напряжение питания, а величина падения напряжения на светодиоде. Колебания напряжения питания вызывает перегорание светодиода. Напряжение напрямую зависит от цвета.

Сравнительная характеристика светодиодов разного цвета

ЦветДлина волны, нмНапряжение, В
Инфракрасныйот 760до 1,9
Красный610-760от 1,6 до 2,03
Оранжевый590-610от 2,03 до 2,1
Желтый570-590от 2,1 до 2,2
Зеленый500-570от 2,2 до 3,5
Синий450-500от 2,5 до 3,7
Фиолетовый400-450от 2,8 до 4,0
Ультрафиолетовыйдо 400от 3,1 до 4,4
Белыйширокий спектрот 3,0 до 3,7

Для нормальной работы при подключении светодиода необходимо правильно отследить ток, а не напряжение.

Сила тока

Работает светодиод на постоянном или пульсирующем токе. Поднимая или снижая интенсивность можно варьировать яркость свечения. Рабочий ток индикаторных светодиодов 20 – 40 мА. Сила тока осветительных элементов составляет от 20 мА. СОВ (на 4 чипа), например, рассчитаны на 80 мА. Одноваттные светодиоды потребляют приблизительно 300-400 мА.

Длина волны и цветовая характеристика

Излучаемый диодом цвет зависит от длины волны светового излучения. Измеряется она нанометрами (0.000000001 метра). Монохроматическое (одночастотное) излучение связано с длиной волны, перемещающейся внутри. Границы длины волны соотносятся с основными цветами определенным образом.

Цвет излучения светодиода меняется при внесении в полупроводниковый материал активных веществ. Для получения светодиодов красного цвета в качестве полупроводников используется алюминий индий – галлий (AllnGaP), для цветов сине – голубого и зеленого спектра – индий – нитрид галлия (InGaN).Чтобы получить, например, белый свет, кристалл синего светодиода покрывают тонким слоем люминофора, который излучает жёлтый и красный свет под действием синего спектра.

В результате смешивания цветов получается белый свет. Белые светодиоды определяются цветовой температурой, измеряемой в К.

Рекомендуем Вам также ознакомиться с тем, как работает датчик движения.

Светодиодная плата

Плата предназначена для крепления светодиодов в любом необходимом количестве и положении. Форма платы бывает:

  • прямоугольная;
  • линейка;
  • круглая;
  • квадратная;
  • звездчатая
  • произвольная.

Светодиодная плата изготавливается из диэлектрического материала. Основной функцией ее является теплоотвод.

  • металлические (односторонние, двухсторонние и многослойные);
  • изолированные металлические подложки (односторонние, двухсторонние и многослойные, жестко – гибкие).

Платы, изготовленные из алюминия, не нуждаются в вентиляторах для принудительного охлаждения. Все элементы конструкции обретают более продолжительный срок службы за счет отсутствия перегрева.

Дополнительную информацию об история возникновения и принципах функционирования светодиодных элементов смотрите на видео:

Светодиоды это один из новейших источников освещения, имеет широкий спектр применения и большие перспективы. Благодаря соотношению всех параметров светодиодный тип освещения может стать ведущим среди множества осветительных приборов и разнообразных источников света.

Добавить комментарий