Выбор, применение и характеристики светодиодов: полезные сведения и профессиональные рекомендации

Эти полупроводниковые приборы отличаются хорошими потребительскими характеристиками при разумной стоимости. Их применяют в быту, для решения коммерческих и производственных задач. Для правильного выбора надо знать не только общие характеристики светодиодов. Пригодятся сведения о современных моделях, электрических схемах рабочих устройств. В этой статье вы найдете ответы на эти и другие практические вопросы.

Что такое светодиод – принцип действия

На этом рисунке схематично изображено излучение (hv) c длиной волны (Lp) примерно 250 мкм. Оно создано в p-n переходе (полупроводник прямосмещенного типа) при рекомбинационном переходе инжектированных носителей на другой энергетический уровень.

В этой фразе есть несколько общеизвестных слов. Для расшифровки специфических терминов и понятий нужно изучить соответствующий раздел науки. Но на самом деле углубление в физику процесса не имеет практического значения. Вполне достаточно знать, что светодиод – полупроводниковый прибор. Он излучает в видимом диапазоне спектра при пропускании тока ограниченной величины в прямом направлении.

Мир светодиодов: краткий обзор предложений современных производителей

Первые удачные эксперименты были проведены более ста лет назад. Но только в конце 70-х прошлого века удалось создать образцы, пригодные для коммерческого применения.

Для зеленого цвета применяют AlGaInP (Алюминий-Галий-Фосфид индия). Красный получается с использованием AlGaAs (Алюминий-Арсенид галлия). Долгое время не могли найти комбинацию для синего. Только в 90-х годах был найден подходящий состав, за который авторы получили Нобелевскую премию. Сочетание перечисленных цветов позволило создать белый свет. С этого времени был дан старт массовому внедрению технологий данной категории в разные сферы человеческой деятельности.

Индикаторные светодиоды

Для концентрации светового потока функции отражателей выполняет опорная пластина и стенки. Такие приборы выпускают с выпуклыми линзами и прямоугольными торцами диаметром от 3 до 10 мм. Их подключают к источникам питания 2,5-5 В с ограничением по току до 20-25 мА. Угол рассеивания не превышает 140°. Яркость – до 1,1 люмен.

Индикаторные светодиоды ранее применяли для создания фонарей, светофоров, информационных стендов и рекламных табло. В наши дни появились новые модификации полупроводниковых приборов с большей силой света.

На практике пригодятся следующие преимущества индикаторных светодиодов:

• низкая стоимость;
• хорошая защищенность от влаги и других неблагоприятных внешних воздействий;
• безопасные токи и напряжение питания;
• небольшое потребление энергии.

Последний пункт надо дополнить низким выделением тепла. Такие устройства способны функционировать долгосрочно в широком температурном диапазоне без специальных охлаждающих радиаторов.

Осветительные светодиоды

Полупроводниковые приборы SMD, как наиболее распространенные изделия, подробно рассмотрены ниже. Их создают в стандартных размерах на специальной подложке, которая хорошо приспособлена для последующего монтажа на печатную плату.

Для улучшения защищенности полупроводники закрепляют на подложке внутри литого пластикового корпуса. Верхняя полусферическая часть образует линзу, что помогает сузить световой поток.

Следующая группа изделий создана специально для освещения. На подложке размещают синие светодиоды. Сверху – слой люминофора. В данном случае применяют большее количество кристаллов на единицу поверхности по сравнению с технологией SMD. Это позволяет получить сильный световой поток.

На фото изображены основные стадии производственного процесса:

1. Создается подложка из стекла нужной формы.
2. На ней закрепляют последовательно полупроводниковые кристаллы.
3. Сверху устанавливают слой люминофора.
4. Далее – финишное защитное покрытие.

В цоколе лампочки размещают блок питания, который создает постоянное напряжение с нужной силой тока.

К сведению! При сравнении разных видов изделий надо отметить позитивно ремонтопригодность SMD модификаций. Светодиоды COB при выходе из строя приходится заменять.

Плюсы и минусы осветительных светодиодов

Выяснив, какие бывают светодиоды, надо перечислить их преимущества по сравнению с альтернативными изделиями:

• Лучшие полупроводниковые приборы способны обеспечить более 200 люменов на 1 Вт энергии. Это потребление на 80-85 % меньше по сравнению с типовыми лампами накаливания.
• Качественные светодиодные светильники устойчивы к вибрациям, перепадам напряжения в сети. Долговечность лучших изделий приближается к 100 тыс. часов, что эквивалентно белее чем 11 годам непрерывной эксплуатации.
• Отсутствие ртутных и других вредных соединений вместе с прочной рассеивающей колбой повышает уровень безопасности.

Не забывайте, что в экономический расчет надо включать все сопутствующие расходы. Светодиодные источники, сделанные известными производителями, стоят дорого. Только через несколько лет получится окупить первоначальные инвестиции. Также надо отметить:

• Мерцание при недостаточно качественной сборке блока питания.
• Небольшой угол рассеивания.
• Различные технические характеристики в одной товарной партии.
• Узкий диапазон цветовой температуры, несоответствие параметра паспортным данным.

К сведению! Некоторые недостатки объясняются сомнительным происхождением готовой продукции. Для получения надежных гарантий приходится приобретать изделия известных торговых марок, что увеличивает затраты.          

Основные характеристики светодиодов

Изложенные ниже сведения следует изучить для более точного выбора изделий. В комплексной оценке учитывают следующие факторы:

• параметры источника питания;
• характеристики светового потока;
• потребление электроэнергии;
• долговечность.

Ток потребления

Приборы, которые причислены к индикаторной категории, потребляют не более 20 мА. Мощные осветительные светодиоды – до 300 мА и даже более того. Источник питания и провода должны быть рассчитаны на соответствующие нагрузки.

Следует подчеркнуть необходимость поддерживать стабильный ток светодиода. При незначительном повышении этого параметра меняются характеристики спектра, ускоряется деградация кристалла. Дальнейший рост приводит к разрушению полупроводника.

Напряжение

Этот параметр определяет падение напряжения на светодиоде при прохождении через него номинального тока. Точная величина указана в техническом паспорте изделия. Значение не является единым даже для одинаковых групп. Так, например, на белом индикаторном светодиоде падение может составить 3 В, а на красном – 1,8 В.

Сопротивление

С применением указанных на рисунке ниже приведен пример, как рассчитать сопротивление для светодиода. Падение напряжения на нем будет составлять 7,2 В:

Uип (постоянное напряжение источника питания) – Uр (падение напряжения на светодиоде) = 9-1,8.

Сопротивление вычисляют по закону Ома:

R=U/I=7,2/0,02=360 Ом.

К сведению! Выбирайте изделие из стандартной номенклатуры с большим значением. Помните о том, что резисторы выпускают в разных классах точности, поэтому разница параметров может превышать 10% в одной партии.

При последовательном подключении складывают падение напряжения на каждом полупроводниковом элементе. Расчеты выполняют по приведенной выше схеме.

Значительный разброс параметров полупроводниковых приборов будет сопровождаться разной интенсивностью свечения. Как отмечено ранее, даже небольшое превышение номинальной силы тока значительно ускоряет деградацию, увеличивает риск поломки изделия.

Мощность светодиодных ламп

При этих исходных параметрах прибор потребляет 0,048 Вт в час (1,152 Вт – за сутки, 34,56 – за месяц). Но требования возрастают, когда нужно создать достаточно сильный источник света.

Допустим, необходим прожектор мощностью 100 Вт который составляется из полупроводниковых одноваттных матриц с падением напряжения 3 В на каждой. При параллельном подключении понадобится применить источник тока на 33 А (100 × 0,33). Это очень много. Для прокладки сети питания понадобится алюминиевый проводник сечением более 8 мм кв., соответствующий стабилизатор.Разумеется, подобные решения нецелесообразны.

Подбирают количество элементов в каждой цепи так, чтобы напряжение питания составляло от 12 до 24 В. Для нашего примера можно применить группы по 8 светодиодов. Подойдет стабилизатор на ток 12×0,33=3,96 А, что не вызовет никаких существенных затруднений и лишних финансовых затрат.

Светоотдача, угол свечения

В наши дни почти забыты оценки эффективности осветительных приборов по мощности. Это правильно, так как «лампочка на 40 Вт» не является достаточно информативным определением. Действительное значение имеет то, какой именно результат будет обеспечен соответствующим устройством. Для этого применяют понятие светового потока. Он определяет количество энергии, которое перемещается волнами соответствующей части спектра через определенную площадь за единицу времени. Параметр измеряется в люменах.

К сведению! Современные полупроводниковые приборы способны при потреблении 1 Вт создавать поток света до 140 лм. Это более чем в 10 раз эффективнее по сравнению с классической лампой накаливания.

Узконаправленные источники применяют в нишах стен, для подсветки отдельных декоративных предметов, функциональных зон. Для увеличения угла рассеивания применяют специализированные линзы. Надо понимать, что наличие дополнительных элементов в оптическом тракте несколько снижает эффективность.

Цветовая температура

Он характеризует самые мощные составляющие в спектре излучения. Каждый человек по-своему воспринимает волны разной длины, поэтому точные универсальные рекомендации не уместны.

Для корректной оценки надо учитывать коэффициент цветопередачи (обозначение – «CRI»). При значении параметра более 80 можно говорить о хорошем качестве. В ртутных газоразрядных лампах, например, CRI от 40 до 60. Не сложно убедиться на практике в том, как сильно искажаются соответствующими уличными фонарями естественные оттенки.

Размер чипов, кристаллов, дополнительные критерии качества

Для тщательного сравнения продукции разных брендов надо проверять одновременно несколько важных параметров. Допустим, что надо купить мощные светодиоды для фонариков. Характеристики в рекламном объявлении подходят, а цены разумные. Не делайте поспешные выводы.

Убедитесь, что правильно приведены размеры кристалла. Иногда указывают «mil». Но это не привычные миллиметры, а обозначение тысячной одного дюйма. Для перевода используйте коэффициент 0,0254:

35mil×0,0254=0,889 мм.

Один кристалл на мощных светодиодах потребляет до 300 мА в нормальном (долговременном) режиме использования. По количеству этих элементов можно определить суммарные показатели светодиода.

Ответственные производители применяют стандартные равные размеры сторон 30-45 mil. Сомнения возникают при обнаружении меньших габаритов. Такие прямоугольники из полупроводников отличаются меньшими токами потребления (мощностью) на 50% и более того.

Совпадают посадочные размеры, похож внешний вид. Только после включения выясняется, что сила света меньше, либо спектр излучения не тот.

Эти данные помогут сделать правильный вывод:

• Эффективный отвод тепла обеспечивает медь. Основания из алюминия дешевле. Они выполняют свои функции недостаточно качественно, что затрудняет поддержание оптимального температурного диапазона.
• В изделиях известных торговых марок питание к кристаллу подводят двумя и большим количеством проводников из тончайших золотых нитей. Дешевая альтернатива – один медный проводник.
• Современные качественные светодиоды способны выполнять свои функции на протяжении 60 тыс. часов и даже более при температуре +100°C. Недорогие подделки сомнительного качества менее долговечны. Они выходят из строя при нагреве от +60°C до +95°C.

SMD светодиоды, характеристики, отличия популярных серий

Эти светодиоды в базовом оснащении защищены от перегрева. Стандартные размеры, форма и расположение выводов упрощают монтаж с применением средств автоматизации. Такой подход позволяет применять современные производственные технологии, снижать издержки.

2835 SMD LED: параметры, особенности применения

Этот прибор создан с применением полимерных материалов, которые отличаются стойкостью к высокотемпературным воздействиям. Они без повреждений выдержат +240°С. Но такие экстремальные режимы следует исключить, чтобы не повредить полупроводниковый кристалл. Типовая деградация в качественных изделиях этой серии не превышает 5% за 3 тыс. часов. Особенность. Этой серии являются увеличенные габариты контактных элементов для ускорения отвода тепла.

Технические характеристики SMD 2835 приведены в таблице:

Хорошие технические характеристики светодиода 2835 дополнены демократичной стоимостью. Эти приборы применяют для изготовления недорогих светильников, светодиодных лент.

Характеристики светодиодов 5050

Изделия этой серии отличаются хорошими показателями при компактных размерах. Именно на их основе в свое время были созданы первые специализированные лампы для автомобильной техники, светодиодные ленты. Разработчикам удалось разместить в небольшом корпусе три кристалла, которые при потреблении 1 Вт способны обеспечить световой поток до 80 лм.

Уровень деградации за 3 тыс. рабочих часов в этих изделиях был снижен на 20% по сравнению с предыдущим примером (серия 2835). В отдельных модификациях стали применять диоды разных цветов комбинации R-G-B. Применив соответствующие контроллеры, можно организовать раздельное управление работы кристаллами.

Светодиоды SMD 5730: характеристики, важные нюансы

Эти приборы – развитие популярной серии 5050. В таблице приведены средние данные по изделиям известных брендов с применением цветовой температуры кристаллов на уровне 6 тыс. Кельвинов.

Заметно увеличен световой поток, мощность. Улучшен теплоотвод. Деградация при контрольном времени 3 тыс. часов не превышает 1%. Эти приборы можно применять в схемах с питанием импульсным током (до 170 мА).

К сведению! Несмотря на повышение рабочей температуры, специалисты советуют строго соблюдать границы рекомендованного диапазона. В предельных режимах быстро вырабатывается ресурс.

Мощные светодиоды Cree

Если понадобились сверхяркие  светодиоды 3 Вольта надо обратить внимание на продукцию этого производителя из США.

Характеристики светодиодов Cree серии XM-L:

Эти приборы рассчитаны на максимальный ток потребления до 1050 мА, мощность – до 13 Вт. Падение напряжения составляет 11,3В при 350 мА. Коэффициент CRI более 90 обеспечивает отсутствие искажений в цветопередаче.

Для получения таких характеристик сверхяркие светодиоды данной серии были созданы по специальной технологии. Мощное излучение с равномерным распределением в спектре обеспечивают 4 области в одном кристалле. Такое решение позволило уменьшить размеры, увеличило прочность конструкции, устойчивость к механическим воздействиям.

Проверка светодиода с применением мультиметра

Для тестирования этих приборов подойдут те же методики, что и для обычных полупроводниковых диодов. Следует только учитывать большее падение напряжения (от 1,8 В в индикаторных до 11 В – в световых модификациях). При работе надо применять стандартные средства снятия электростатических зарядов, чтобы не повредить p-n переход.

Соблюдая полярность, касаются щупами выводов. Исправный прибор светится. Расположение анода и катода можно найти в техническом описании конкретного изделия.

Для более точной проверки понадобится стабилизированный источник питания.  Мультитестером замеряют ток и напряжение по стандартным схемам (последовательное и параллельное подключение). Далее выясняют соответствие полученных данных с номинальными вольтамперными характеристиками.

Маркировка светодиодов по цвету, правила расшифровки кода маркировки светодиодной ленты

С учетом этого параметра единой системы стандартов не существует. Маркировка светодиодов по цвету непосредственно на корпусе затруднена по причине миниатюрности изделий. Обозначения делают на лентах. Ниже приведена информация о продукции CREE.

Типовое название составлено следующим образом: АААВВВ-СК-0000-ZZZZZ. Первые три буквы («ААА») – это серия. Для рассмотренной выше модификации XM-L будут указано «XML». Следующие три позиции («BBB») – цвет:

• GRN, BLU, RED и другие обозначения понятны в переводе с английского (зеленый, синий, красный соответственно).
• WHT – белый цвет.
• Однако BWT – тоже белый, но в этом варианте речь идет о приборах второго поколения.
• HEW – еще одна модификация белого. Здесь отмечена особой аббревиатурой улучшенные энергетические характеристики прибора.

Далее на позициях «СК»указывают качество цветопередачи:

• Для светильников наружного освещения этот параметр не является определяющим. Такие светодиоды маркируют «01».
• Аббревиатурой L1 обозначают типовые изделия, характеристики которых определяются в технических паспортах.
• При значениях коэффициента цветопередачи CRI от 70; 80; 85; 90 и выше применяют сочетания B1; H1; P1; U1 соответственно.

Что можно сделать из светодиодов своими руками?

Далее приведены проекты, которые можно реализовать с применением этих полупроводниковых приборов. Для индивидуальных коррекций следует изучить актуальный ассортимент производителей.

Стабилизатор тока для светодиодов

Такая схема пригодится для оснащения автомобиля. При хорошем КПД выделяется немного тепла. Доступно изменение напряжения на входе в широком диапазоне при сохранении функциональности.

ДХО из светодиодов

В данном случае пригодится длительное сохранение работоспособности устройства в условиях сложной эксплуатации.

Мигающие светодиоды

Светомузыка на светодиодах

Индикатор напряжения на светодиодах

Электрические схемы подключения светодиодов

В этой части статьи рассмотрены способы подключения полупроводниковых источников света к сетям питания. Применение следующих правил и рекомендаций предотвратит повреждение и продлит срок службы светодиодов.

Подключение к сети 220 В

Резистор R1 ограничивает силу тока. Конденсатор C1 – гасит колебания. Для расчета характеристик резистора используйте рассмотренный выше алгоритм.

Подключение светодиодов к сети питания 12 В

Она обеспечивает ток потребления до 245 мА, напряжение от 12 до 24 В. Исходя из приведенных параметров выбирают подходящие светодиоды.

Если понадобилась дополнительная информация – пишите вопросы в комментариях к статье. Там же оставляйте свои предложения, приводите примеры удачных проектов.

Видео с пояснениями монтажа мощных светодиодов: