Виды светодиодов: разделение по классам и типам

Индикаторные и осветительные LED

Чтобы лучше понять, что такое светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.

Индикаторные лампы в основном используются для целей цветной индикации, а также для подсветки экранов, приборных панелей и других устройств. То есть это светодиоды относительно малой мощности (до 0,2 Вт) с умеренной яркостью.

Освещение Светодиод используется в внутреннем освещении в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется высокая интенсивность света. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.

Принцип работы.

Кристалл состоит из полупроводниковых материалов, расположенных слоями. Свечение появляется после протекания электричества между границами их контакта. В одном полупроводнике (n) преобладают электроны (отрицательные частицы), а в другом (p) — ионы — дырки (положительные частицы).

Полупроводниковые контакты способны проводить электричество только из p-слоя в n-слой, т.е в одну сторону.

Схема появления радиации.

Под действием электричества электроны из n-слоя и дырки из p-слоя начинают двигаться в сторону p-n перехода. Происходит рекомбинация дырки и электрона — между pn-границей протекает ток. Электроны переходят на более низкий энергетический уровень, с более высоких орбиталей на более низкие. Энергия высвобождается и излучается в виде фотонов.

Описанный процесс происходит во всех полупроводниковых диодах. Но длина волны фотона не всегда находится в спектре, видимом человеческому глазу. Для появления видимости необходимо движение элементарных частиц в определенном диапазоне: от 400 до 700 нм. Это достигается путем выбора определенных химических веществ. Каждый из них имеет определенную длину волны и цвет излучения.

Наиболее удачные материалы получены из соединений типа IIIBV и AIIBVI, где II, III, V и VI — валентности элементов. Например, уже упомянутый арсенид галлия, фосфат индия или селенид цинка и теллурид кадмия. Такие соединения называются прямыми разрывами. Можно получить самые разные светодиоды по свечению: от ультрафиолета до инфракрасного.

Другая группа включает непрямозонные полупроводники. Это карбид кремния, собственно кремний, германий и другие. Диоды от них светятся очень тускло. Однако научная работа по использованию таких веществ продолжается. Основной поиск решения ведется в технологиях квантовых точек и фотонных кристаллов.

Помимо света, p-n-переход также излучает тепло. Для его снятия нужен радиатор (часто эту роль играет корпус изделия) или радиатор.

Основные технические характеристики светодиодов

При выборе светодиодных ламп необходимо обращать внимание на их характеристики. Обычно параметры устройства указываются на упаковке или в техническом паспорте.

При покупке светодиодного устройства учитывайте следующие характеристики:

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

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

Возможность использования в определенных условиях и обеспечение необходимого уровня освещенности зависит от параметров диода.

Сила тока на кристалле

В продаже есть разные виды светодиодных блоков: на 1, 2, 3 или 4 кристалла. Светодиодные лампочки с 1 элементом рассчитаны на ток 0,02 А. С увеличением количества микросхем этот показатель увеличивается, например, ток потребления устройств на 4 микросхемы составляет 0,08 А (по 0,02 А на каждую микросхему).

Обратите внимание на следующее! Сила тока влияет на стабильность работы светодиодной лампы, при увеличении этого параметра увеличивается вероятность преждевременного выхода из строя. При сильных скачках тока светодиод сразу перегорает.

Чтобы продлить срок службы светодиодной лампы, к ней нужно подключить резистор, стабилизирующий ток. Чтобы выбрать прибор с подходящим сопротивлением, нужно учитывать характеристики светодиодной лампы. В этом вам поможет онлайн-калькулятор.

Напряжение

При выборе следует учитывать не напряжение питания светодиодного элемента, а размер капли. Этот показатель соответствует уровню напряжения на выходе после прохождения через него тока. Этот параметр вы можете найти на упаковке.

Существуют разные типы светодиодов, напряжение которых зависит от цвета свечения. Этот параметр для кристаллов с белым, зеленым, фиолетовым, синим светом находится в пределах от 2,2 до 4 В, для элементов с красным, оранжевым, желтым светом — от 1,6 до 2,2 В. Напряжение ультрафиолетовых диодов варьируется от 3,1 до 4,4 В, а инфракрасный — около 1,9 В.

При параллельном подключении разных типов светодиодов проверяйте уровень падения напряжения каждого элемента. При небольшом повышении напряжения увеличивается и ток, тогда устройство сгорит.

Сопротивление диодов

Даже светодиод может иметь разное сопротивление: дифференциальное (динамическое) и постоянное. На участке ВАХ (вольтамперная характеристика — зависимость силы тока от напряжения или наоборот на участке электрической цепи) динамическое сопротивление ничтожно мало и ниже сопротивления статическому току. На обратном пути динамическое сопротивление выше этого текущего показателя.

Сопротивление кристалла изменяется в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. Чем выше последнее значение, тем ниже первое значение.

Светоотдача, угол свечения

При сравнении яркости различных источников света необходимо учитывать характеристики светового излучения. Этот параметр различен для разных типов светодиодов, например, кристалл диаметром 5 мм излучает световой поток 1 — 5 Лм, а у сверхъярких диодов этот параметр выше.

Мощность светового излучения лампы с нитью накаливания (100 Вт) составляет 1000 Лм. Но при этом обычные лампочки имеют рассеянный свет, а светодиодные элементы – узконаправленный. Для корректного сравнения нужно учитывать угол свечения диода.

Различные типы светодиодов имеют угол рассеивания от 20 до 120°. Благодаря своей конструкции они излучают яркий свет в центре, а по краям степень свечения снижается. Это позволяет создавать качественное освещение с минимальным энергопотреблением.

Рассеивающие линзы используются для увеличения площади освещения светодиодного элемента.

Сравнение мощности светодиодных ламп с лампами накаливания

Если вы решили заменить обычные лампы современными светодиодными приборами, нужно учитывать мощность. Для расчета используйте поправочный коэффициент К = 8.

Например, если вы решили заменить лампочки на 100 Вт, вы можете рассчитать правильную мощность светодиодного элемента по следующей формуле: 100 Вт : 8 = 12,5 Вт. Облегчить выбор поможет приведенная ниже таблица, в которой указано соответствие мощности ламп накаливания и светодиодов:

Мощность светодиодной лампы (Вт)	Мощность лампы накаливания (Вт)
3	25
5	40
8	60
10	75
12,5	одна сотня

Еще одним важным параметром при выборе ламп является КПД. Рассчитать это значение помогает следующая формула: Лм:Вт. Средний показатель для обычных лампочек составляет от 10 до 12 Лм/Вт, а для разных типов светодиодов – от 130 до 140 Лм/Вт.

Цветовая температура как критерий комфортности восприятия света

Разные типы светодиодов различаются по температуре свечения, которая измеряется в К (Кельвинах). Этот параметр также стоит учитывать, если вы хотите, чтобы свет был приятным для восприятия.

Маркировка температуры накаливания обозначается четырьмя цифрами и буквой К. Учитывайте этот показатель при выборе лампы для конкретного применения:

Световая температура (К)	Светлый цвет	Область применения
2700 — 3500	Теплый белый	Такие кристаллы устанавливаются в светодиодные светильники для дома, офиса.
3500 — 5300	Нейтральный	Для производственных компаний.
От 5300	Холодно	Уличные или ручные фонари.
1800	Красный	Для создания декоративного освещения, освещения растений.
7500	Синий	Для растений, подчеркивающих декоративные элементы в интерьере.
3300	Желтый	Декоративное внутреннее освещение.

Все чаще температура света разных типов светодиодов определяется с учетом разных длин волн. В маркировке это выглядит так — λ, который измеряется в нм (нанометрах).

Размер чипа: условное обозначение в маркировке

Условное обозначение размера разных типов светодиодов состоит из 4-х цифр, которые указаны на табло. К наиболее популярным светодиодным приборам в зависимости от их геометрических параметров относятся 5050, 3528. Однако сейчас им на смену приходят более яркие изделия с маркировкой 5630, 5730.

Первые две цифры обозначают длину кристалла, а последние две – ширину в мм. Например, длина светодиодного блока 5630 составляет 56 мм, а ширина — 30 мм. Параметры сторон изделия разные, потому что на основе разное количество элементов. Например, блок 3528 содержит 1 кристалл, а блок 5050 содержит 3 элемента.

Размер кристалла

Размеры светодиодного элемента влияют на силу тока, проходящего через него. Квадратные устройства оснащены обычными диодами на 1 или 2 В, их размер составляет 30 или 45 мил (1 мил = 0,0254 мм). Более мощные устройства рассчитаны на 10, 20, 30, 50 или 100 вольт и имеют размеры 24 x 24 мила, 24 x 44 мила, 44 x 44 мила.

Маломощные изделия могут состоять из светодиодных элементов разных размеров. В них помещается 2-3 микросхемы, которые могут быть соединены последовательно и параллельно.

Устройство светодиода

Хотя светодиодов много, наиболее распространенная форма состоит из полимерного корпуса диаметром 5 мм с линзой, медной или алюминиевой основой, катода, параболического рефлектора (рефлектора) и кристалла, соединенного с анодом тонкой золотой проволокой.

Как работает светодиод?

Принцип работы изделия основан на взаимодействии двух полупроводников положительного и отрицательного типа (p-n переход). Когда электрический ток проходит через полупроводники, в точке контакта выделяется энергия, которая излучает свет. Это связано с переходом от одного типа проволоки к другому, когда ионы положительно заряженных дырок соединяются с отрицательно заряженными электронами.

Виды и основные параметры светодиодов

На схеме светодиод обозначен как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу, что указывает на его излучающую природу. В продаже имеется большое количество видов светодиодов, которые отличаются функциональностью, дизайном, мощностью, цветом свечения и другими характеристиками.

По своему назначению светодиоды делятся на два типа – индикаторные и осветительные.

Индикатор:

• сМД светодиоды;
• сверхлегкий Super Flux «Пиранья”;
• DIP-светодиод (корпус прямого подключения);
• Соломенная шляпа («соломенная шляпа»).

Осветительные приборы:

• Светодиоды COB (чип на плате;
• SMD-светодиоды;
• нить накаливания (светодиод накаливания).

Индикатор

Индикаторный светодиод характеризуется малой мощностью и умеренной яркостью. Они используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки экранов и приборных панелей. Варианты индикаторных светодиодов:

• ДИП-светодиоды. Кристаллический излучатель размещен в выходном корпусе, который обычно представляет собой выпуклую линзу. Минус — малый угол для рассеяния излучения.
• «Пиранья» — излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, что обеспечивает удобное крепление на плате. Есть спрос на осветительные приборы в автомобилях и в рекламных вывесках.
• «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухполюсник со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Используется в декоративных конструкциях и сигнальных фонарях.
• SMD-светодиоды. Устройства сверхвысокой яркости размещены в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа. В их маркировке указывают размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. Светодиодные ленты изготавливаются на основе SMD-светодиодов.

Осветительные приборы

Светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Разные по мощности и яркости свечению. Большинство осветительных приборов размещены в монтажных корпусах SMT. Доступен в двух белых цветах:

• холодный белый – холодный;
• теплый белый — теплый.

Светодиод SMD для освещения представляет собой теплорассеивающую подложку, на которую крепится излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

Индикаторные LED

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

DIP светодиоды

Светодиоды этого типа представляют собой светоизлучающий кристалл в выходном корпусе, часто с выпуклой линзой. Типы корпуса: цилиндрический, диаметром 3, 4, 5, 8, 10. мм, прямоугольный.

Доступен в очень широкой цветовой гамме — вплоть до ИК и УФ диапазонов. Они могут быть как одноцветными, так и разноцветными (когда в одном корпусе сосредоточено несколько кристаллов разного цвета), например, RGB.

Одним из недостатков этих светодиодов является малый угол рассеивания светового потока: обычно не более 60⁰.

Super Flux “Piranha”

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

Доступные варианты: красный, зеленый, синий и три белых (различия в температуре свечения). Доступен в корпусе с линзой (3 и 5 мм) и без. Угол рассеяния варьируется от 40⁰ до 120⁰.

Область применения Piranha — освещение автомобильных приборов, фар дальнего света, рекламных вывесок и т д

Straw Hat

Вместе с Piranha светодиоды типа соломенной шляпы («соломенная шляпа») имеют большой угол рассеивания светового потока. Внешне они напоминают обычные цилиндрические двухштырьковые светодиоды, 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 прочитать о назначении линзы для светодиода), за счет этого достигается угол рассеяния порядка 100-140⁰.

Доступны красные, синие, зеленые, желтые и белые светодиоды. Благодаря способности создавать ненаправленное излучение их можно использовать в декоративных целях, как замену аварийным светильникам и другим местам, где требуется равномерное освещение с малым энергопотреблением.

Читайте также: Как работает транзистор: простым языком для чайников, схемы

SMD светодиоды

В дополнение к выходным светодиодам также доступны светодиоды SMD-типа. К ним относятся сверхяркие цвета и белые светодиоды с эффектом прибл. 0,1 Вт в корпусе для поверхностного монтажа. Размеры корпуса обычно стандартны для всех SMD-элементов: 0603, 0805, 1210 и так далее, где в маркировке указывается длина и ширина в сотых долях дюйма или в миллиметрах. При этом есть варианты как с выпуклой линзой, так и без нее.

Благодаря простоте монтажа на основе этих светодиодов производятся светодиодные ленты. Например, в этой области широко известен светодиод Cree SMD 3528.

Применение светодиодов

Такие изделия активно используются в различных сферах: световая реклама, домашнее и промышленное освещение, автомобильное освещение, светофоры и дорожные знаки, дизайн интерьера, ландшафтное и архитектурное освещение и многое другое.

Преимущества светодиодов:

• значительная продолжительность операции;
• экологическая безопасность;
• высокая надежность и безотказность;
• экономьте электричество;
• качественное освещение;
• низкие эксплуатационные расходы.

Основные правила подключения светодиодов

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

• По длине ноги (кроме SMD). Более длинная ножка — это катод, а более короткая — анод. Светодиоды SMD имеют отсечку (ключ), которая всегда находится ближе к катоду.
• С мультиметром. Устройство установлено в режим «Percall». На провода устанавливаются красный и черный щупы. Если прибор загорится, значит, красный щуп был подключен к аноду, а черный к катоду. Если свечение не происходит, необходимо изменить положение щупов. Если результат не изменился (нет свечения), прибор вышел из строя.

Основные характеристики светодиодов

Две основные характеристики, указанные в паспорте светоизлучающего прибора:

• Падение напряжения на устройстве. Типичное значение — 3,2 В. Для каждого светодиода также есть максимально допустимые напряжения Umax и Umaxrev — для прямого и обратного включения.
• Марка актуальна. Обычно эти устройства рассчитаны на ток 20 мА.

Способы подключения

Самый простой вариант – подключиться к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый практичный и безопасный вариант — подключить светодиод к батарейке или аккумулятору, включив в цепь маломощный резистор. Его функция заключается в ограничении тока, протекающего через p-n переход, до определенного значения. Без этого элемента светодиод быстро потеряет свои рабочие свойства.

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

R = (Uпит — Uпаспорт.) / Iном., Ом, где:

• Upower — напряжение источника питания, В;
• Охранник. – падение напряжения, проходное значение, В;
• В пределах. — номинальный ток.

Полученное значение округляется в большую сторону до ближайшего номинального значения из ряда Е24. Затем рассчитайте силу, с которой резистор должен упасть.

P = Inom.2 x R, где R — значение сопротивления, выбранное из таблицы.

Все эти действия можно выполнить быстро и легко с помощью онлайн-калькулятора.

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

Блоки питания бывают нескольких видов:

• Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 В и 12 В. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленному в паспорте значению. Светодиоды подключаются через резисторы.
• Драйвер — импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, учитываемые при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной ток (рабочий ток). Драйвер имеет схему, стабилизирующую ток при перенапряжениях во входном напряжении 220 В. При подключении к драйверу светодиодного излучателя резистор не нужен.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении к источнику питания нескольких светоизлучающих устройств можно использовать два варианта подключения — последовательное и параллельное.

Последовательный

Последовательное соединение представляет собой полупроводниковую схему, в которой катод первого эмиттера припаян к аноду следующего и так далее. Через все элементы последовательной цепи проходит ток одинаковой величины, и падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирают равной или большей суммы мощностей каждого элемента.

Недостатки последовательного соединения:

• При значительном количестве элементов схемы необходимо выбирать высоковольтный блок питания.
• Если один светодиод выходит из строя, вся схема перестает работать.

В длинных лентах на 60-70 диодов падение напряжения ок. 3 В на каждый элемент, то есть такие полосы можно подключать к сети 220 В через выпрямитель.

Параллельно

При параллельном соединении напряжения на всех элементах цепи будут равны, а токи на каждый светодиод суммируются. Основная проблема в данном случае заключается в том, что светодиодные светильники, даже из одной партии, зачастую имеют разные характеристики. Поэтому, если поставить общий резистор, на лампочки может подаваться ток с разными значениями, в результате чего какие-то элементы будут светить слишком ярко, а какие-то — слабо. Решение проблемы — установка отдельных резисторов на каждый диод.

Недостатки параллельного подключения:

• большое количество элементов схемы из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
• значительное увеличение нагрузки при перегорании светодиодного диода (если для всей цепи используется мощный резистор).

Смешанный

Это наиболее подходящий вариант подключения светодиодов, так как позволяет хотя бы частично компенсировать недостатки последовательного и параллельного соединения. При этом цепочки последовательных элементов соединяются параллельно.

Этот метод используется в современных елочных венках или лентах. Преимущество такого решения: даже если одна или несколько параллельных цепочек выйдут из строя, остальные будут светить исправно.

Осветительные LED

Эти светодиоды используются для внутреннего и уличного освещения в составе светильников, автомобильных фонарей, светодиодных лент и т д. В связи с этим они обладают большой мощностью, высокой интенсивностью излучения, выпускаются только в белом цвете во внешнем корпусе.

Как правило, выпускаются две разновидности, отличающиеся цветовой температурой: холодный белый (cold white) и теплый белый (теплый белый).

Поскольку кристаллов, излучающих белый свет, в природе не существует, для смешивания трех основных цветов (RGB) при производстве светодиодов используются разные технологии. Цветовая температура результирующего белого света зависит от того, как они складываются.

Один из способов получить белое свечение — покрыть излучающий кристалл тремя слоями люминофора, причем каждый слой отвечает за свой основной цвет. Другой метод заключается в нанесении двух слоев люминофора на голубой кристалл.

Осветительные SMD LED

Большинство светодиодов также доступны в корпусах SMD. В отличие от индикаторов, они отличаются большей мощностью и выпускаются только белого цвета.

Стоит отметить, что в качестве индикаторов могут использоваться некоторые маломощные светодиоды, например упомянутый выше SMD 3528, поэтому здесь деление на типы достаточно условно.

Основная область применения SMD – светодиодные ленты и лампы, переносные лампы, автомобильные фары. При этом они дают достаточно направленное излучение (ок. 100⁰-130⁰), поэтому при освещении больших площадей нужно использовать большое количество этих светодиодов для равномерного освещения площади.

Конструктивно SMD-светильник представляет собой излучающий кристалл с люминофорным покрытием на теплорассеивающей подложке, как правило, из меди или алюминия. Есть версии как с линзами, так и без.

COB светодиоды

Широко используются светодиоды COB (Chip On Board). По сути, это объединение в одном корпусе большого количества (обычно несколько десятков) SMD-кристаллов, которые затем покрываются люминофором.

На картинке выше показаны для сравнения Cree SMD 5050 (слева) и COB — матрица из 36 микросхем (справа).

COB используется только для освещения. Их световой поток на порядок больше, чем у одиночных SMD. Однако следует отметить, что эти светодиоды не подходят для создания узконаправленного излучения из-за большого угла рассеивания светового тока. При этом создать абсолютно ненаправленное излучение также невозможно — угол рассеяния светодиодов меньше 180⁰.

Было замечено, что некоторым людям не нравится световой спектр светодиодов, таких как SMD или COB. Кроме того, недостаточное количество светодиодов при освещении больших площадей приводит к тому, что освещение носит дискретный характер, т.е ярко освещенные участки чередуются со слабоосвещенными. Это необходимо учитывать при выборе светодиодного освещения.

Filament LED

Этот тип светодиодов также в настоящее время используется только для освещения. Широко используется в качестве декоративного освещения помещений. Спектр свечения, в отличие от SMD и COB, гораздо более приятен для человеческого глаза и напоминает свет лампы накаливания. При этом сохраняются все присущие светодиоду преимущества: низкое энергопотребление и длительный срок службы.

В этом видео показано сравнение декоративной лампы накаливания мощностью 40 Вт и лампы накаливания мощностью 4 Вт:

Здесь видно, что при эффекте в 10 раз меньше световой поток, излучаемый лампой накаливания, в 3-4 раза больше.

При этом эффективность Filament даже выше, чем у тех же SMD — при той же мощности первый позволяет получить больше освещения. Это достигается с помощью технологии COG (Chip On Glass), когда светоизлучающие кристаллы устанавливаются на стеклянную подложку, а затем покрываются люминофором.

Сама подложка имеет цилиндрическую форму, что позволяет добиться угла рассеивания светового потока 360⁰. Это означает, что такие светодиоды очень хорошо создают ненаправленное излучение.

Лазерные диоды

И напоследок еще об одном типе, который нельзя отнести ни к индикаторным, ни к светодиодам — лазерный диод. Собственно, его можно считать натяжным светодиодом, так как по технологии производства он не имеет ничего общего с обычными светодиодами.

Лазерные диоды представляют собой специально обработанные полупроводниковые кристаллы, которые при активации генерируют очень узкий пучок света. При этом образцы нового поколения позволяют добиться угла расходимости луча в пределах 5-10⁰. Есть обе модели, работающие в видимом диапазоне и за его пределами (УФ и ИК).

Эти диоды широко используются в лазерных указках, целеуказателях, DVD-приводах, оптических компьютерных мышах и волоконно-оптических линиях связи.