Как определить параметры светодиода?

Главные три типа светодиодов

Рассмотрим более подробно основные виды светоизлучающих диодов, имеющие различное конструктивное исполнение и производимые по разной технологии.

Выводные светодиоды

Для выводных светодиодов характерно наличие, так называемых, «ножек», предназначенных для их монтажа в отверстиях печатной платы. Этот тип продукции применяется для индикации и подсветки.

Отдельные модификации используются в бытовых фонарях, переносных светильниках, «лазерных» указках. Встречаются 3 типовых модификации корпусов:

Цилиндрические светодиоды

SMD светодиоды

SMD светодиоды устанавливаются на плату методом поверхностного монтажа. Их основой является светодиодный чип (кристалл), размещенный в прямоугольном или квадратном корпусе. Плюсовой и минусовой выводы выполнены в виде металлических полосок.

Процесс создания СМД-диода состоит из четырех этапов: выращиванию кристалла, планарной обработки пленки, бинирования (сортировки чипов по категориям – бинам), размещения полученных чипов в специализированный корпус. Кристаллы выращиваются при помощи технологии, использующей металлоорганическую эпитаксию: послойное наращивание кристаллической структуры и создание контактных отводов от каждого p-n перехода.

Выращенные кристаллы размещаются на подложке, отводящей излишки тепла. При наличии эффективного теплоотвода даже мощные модели работают в стабильном рабочем режиме. Срок беспроблемной службы составляет несколько лет.

На поверхность готовых чипов наносят один из вариантов оптического покрытия, чаще всего люминофор. На мощных светоизлучающих диодах монтируют пластиковую фокусирующую линзу, формирующую диаграмму направленности светового потока.

Светодиодные светильники комплектуются сборкой SMD-диодов, обеспечивающей требуемую величину светового излучения, измеряемую в люменах.

COB-светодиоды

Идея COB-матрицы состоит в размещении большого числа светодиодных элементов на общей подложке. Такое решение обеспечивает более высокую плотность кристаллов на единицу площади по сравнению с SMD-технологией (дискретные чипы в отдельных корпусах).

В итоге компактная матрица излучает суммарный световой поток с лучшей интенсивностью и однородностью. Керамическая или алюминиевая подложка с диодами герметично заливается люминофором. Для отвода излишков тепла готовая плата устанавливается на радиатор.

COB-диоды соединяются последовательно в кластеры. При питании 9 вольт – 3 штуки, 12 вольт – 4 штуки. Рабочий ток нормируется, исходя из вида используемых кристаллов. Соединение созданных кластерных цепочек выполняется параллельно в соответствии с требуемой выходной мощностью/яркостью.

Сколько вольт имеет прямое напряжение светодиода

Если изучить стандартную вольт-амперную характеристику светодиода, можно заметить на ней несколько характерных точек:

1. В точке 1 p-n переход начинает открываться. Через него начинает идти ток и LED начинает светиться.
2. При увеличении напряжения ток достигает рабочего значения (в данном случае 20 мА), и в точке 2 напряжение является рабочим для данного LED, яркость свечения становится оптимальной.
3. При дальнейшем увеличении напряжения ток растет, и в точке 3 достигает своего максимально допустимого значения. После этого он быстро выходит из строя, а кривая ВАХ растет только теоретически (штриховой участок).

Надо заметить, что после окончания перегиба и выхода на линейный участок ВАХ имеет большую крутизну, что ведет к двум последствиям:

• при увеличении тока (например, при неисправности драйвера или отсутствии балластного резистора) напряжение растет слабо, поэтому можно говорить о постоянном падении напряжения на p-n переходе, независимо от рабочего тока (эффект стабилизации);
• при небольшом увеличении напряжения ток растет быстро.

Каковы основные характеристики светодиодов?

При выборе таких элементов для той или иной цели, каждый обращает внимание на их технические данные. Основное, на что следует обратить внимание, приобретая приборы на их основе:

• ток потребления;
• номинальное напряжение;
• потребляемая мощность;
• температура цвета;
• сила светового потока.

Это то, что мы можем увидеть на маркировке светодиодных ламп. На самом же деле, характеристик намного больше. О них сейчас и поговорим.

Ток потребления светодиода – что это такое

Ток потребления светодиода равен 0.02 А. Но это относится лишь к элементам с одним кристаллом. Существуют и более мощные световые диоды, в составе которых может быть 2, 3 и даже 4 кристалла. В этом случае ток потребления будет увеличиваться, кратно числу чипов. Именно этот параметр и диктует необходимость подбора резистора, который впаивается на вводе. В этом случае сопротивление светодиода не дает высокому току мгновенно сжечь LED элемент. Это может произойти по причине высокого тока сети.

RGB прожекторы с контроллером и пультом ДУ действительно хороши

Номинальное напряжение

Напряжение светодиода имеет прямую зависимость от его цвета. Это происходит по причине разности материалов для их изготовления. Рассмотрим эту зависимость.

Цвет светодиода	Материал	Прямое напряжение при 20 мА
		Типовое значение (В)	Диапазон (В)
ИК	GaAs, GaAlAs	1,2	1,1-1,6
Красный	GaAsP, GaP, AlInGaP	2,0	1,5-2,6
Оранжевый	GaAsP, GaP, AlGaInP	2,0	1,7-2,8
Желтый	GaAsP, AlInGaP, GaP	2,0	1,7-2,5
Зеленый	GaP, InGaN	2,2	1,7-4,0
Голубой	ZnSe, InGaN	3,6	3,2-4,5
Белый	Синий/УФ диод с люминофором	3,6	2,7-4,3

Сопротивление световых диодов

Сам по себе один и тот же светодиод может иметь различное сопротивление. Меняется оно в зависимости от включения в цепь. В одну сторону – около 1 кОм, в другую – несколько МОм. Но здесь есть свой нюанс. Сопротивление светодиода нелинейно. Это значит, что оно может изменяться в зависимости от подаваемого на него напряжения. Чем выше напряжение, тем ниже будет сопротивление.

Точечный потолочный светильник на диодах очень экономичен

Светоотдача и угол свечения

Угол светового потока светодиодов может различаться, в зависимости от их формы и материала изготовления. Он не может превышать 120. По этой причине, если требуется большее рассеивание, применяют специальные отражатели и линзы. Это качество «направленного света» и способствует наибольшей силе светового потока, которая может достигать 300-350 Лм у одного светодиода на 3 Вт.

Мощность светодиодных ламп

Мощность светодиода – величина сугубо индивидуальная. Она может варьироваться в диапазоне от 0.5 до 3 Вт. Определить ее можно по закону Ома P = I×U, где I – сила тока, а U – напряжение светодиода.

Мощность – довольно важный показатель. Особенно когда необходимо рассчитать какой блок питания необходим для того или иного количества элементов.

Цветовая температура

Этот параметр схож с другими лампами. Наиболее приближены то температурному спектру к светодиодным люминесцентные лампы. Измеряется цветовая температура в К (Кельвин). Свечение может быть теплым (2700-3000К), нейтральным (3500-4000К) или холодным (5700-7000К). На самом деле оттенков много больше, здесь указаны основные.

На такой платформе могут быть сотни кристаллов

Размер чипа LED элемента

Этот параметр самостоятельно измерить при покупке не удастся и сейчас уважаемому читателю станет понятно почему. Самые распространенные размеры – это 45х45 mil и 30х30 mil (соответствуют 1 Вт), 24х40 mil (0.75 Вт) и 24х24 mil (0.5 Вт). Если перевести в более привычную систему измерений, то 30х30 mil будут равны 0.762х0.762мм.

Чипов (кристаллов) в одном светодиоде может быть много. Если элемент не имеет слоя люминофора (RGB – цветной), то количество кристаллов можно подсчитать.

Важно! Не стоит приобретать очень дешевые светодиоды китайского производства. Они могут оказаться не только низкого качества, но и характеристики их чаще всего завышены.
Подделку довольно тяжело отличить от оригинала при покупке

Как узнать на какое напряжение рассчитан светодиод

Все вышесказанное относится к обычным LED, работающим без дополнительных встроенных элементов. Существующие технологии позволяют встраивать в корпус прибора добавочные комплектующие. Например, гасящие резисторы. Так получают светодиоды на большее напряжение – 5,12 или 220 В. Визуально определить напряжение зажигания таких приборов практически невозможно. Поэтому остается один путь.

Если предыдущие способы не дали результата и есть уверенность, что LED исправен, надо пробовать подавать на него повышенное напряжение. Сначала 5 В, потом увеличить напряжение до 12 В, если результата нет – можно попробовать повышать далее, вплоть до 220 В. Но до таких величин лучше не экспериментировать – это напряжение опасно для человека. Кроме того, в случае ошибки можно получить разрушение корпуса светодиода. При этом может произойти небольшой хлопок, оплавление изоляции проводов, возгорание и т.д. В настоящее время технологии шагнули далеко вперед, и светодиод стоит не настолько дорого, чтобы из-за него рисковать оборудованием и здоровьем.

Источник

Устройство, конструкция и технологические отличия

Существует много признаков, по которым можно классифицировать светодиоды на группы. Одним из них является технологическое отличие и небольшое различие в устройстве, которое вызвано особенностью электрических параметров и будущей сферой применения светодиода.

DIP

Излучающий кристалл располагается на катоде, который имеет форму флажка, и соединяется с анодом тончайшим проводом. Существуют модели с двумя и тремя кристаллами разного цвета в одном корпусе с количеством выводов от двух до четырёх. Кроме этого, внутри корпуса может быть встроен микрочип, управляющий очередностью свечения кристаллов либо задающий чистоту его мигания.

В попытках нарастить световой поток, появился аналог с усовершенствованным устройством в DIP корпусе с четырьмя выводами, известный как «пиранья». Однако увеличенная светоотдача нивелировалась размерами светодиода и сильным нагревом кристалла, что ограничило область применения «пираньи». А с появлением SMD технологии их производство практически прекратилось.

SMD

Основа корпуса, на которую крепится кристалл, является хорошим проводником тепла, что в разы улучшило отвод тепла от светоизлучающего кристалла. В устройстве белых светодиодов между полупроводником и линзой присутствует слой люминофора для задания нужной цветовой температуры и нейтрализации ультрафиолета. В SMD-компонентах с широким углом излучения линза отсутствует, а сам светодиод имеет форму параллелепипеда.

COB

технологии COB

Разновидностью COB является Chip-On-Glass (COG), которая подразумевает размещение множества мелких кристаллов на поверхности из стекла. В частности, широко известны филаментные лампы на 220 В, в которых излучающим элементом служит стеклянный стержень со светодиодами, покрытыми люминофором.

Таблица напряжения светодиодов

Чтобы светодиод обеспечивал при работе все характеристики, заданные его конструкцией и технологией изготовления, ему нужно обеспечить расчетное электропитание. Например, подать на его анод и катод напряжение, которое будет немного больше прямого напряжения p-n перехода. Избыток напряжения следует «погасить» на последовательно включенном резисторе. Резистор называется токоограничивающим. Он служит для того, чтобы не допустить превышения тока через p-n переход.

Таблица. Прямое напряжение p-n перехода светодиода цветного свечения.

Цвет свечения	Напряжение рабочее, прямое, В
белый	3,5
красный	1,63–2,03
оранжевый	2,03–2,1
желтый	2,1–2,18
зеленый	1,9–4,0
синий	2,48–3,7
фиолетовый	2,76–4
инфракрасный	до 1,9
ультрафиолетовый	3,1–4,4

Мощные светодиоды, их характеристики

Мощные светодиоды на основе COB-матриц. У крупных моделей в углах корпуса имеются отверстия для крепления. Модели небольших размеров крепятся пайкой на печатную плату.

В дополнение к обычным характеристикам светодиодов у мощных моделей добавляются несколько дополнительных характеристик:

• номинальная мощность, Вт;
• размер чипа, мм;
• номинальный рабочий ток кристалла или матрицы;
• срок службы, связанный со стандартами L 70, L80 и др.

Маломощные светодиоды

По величине потребляемой мощности – это светодиоды от 0,05 до 0,5 Вт, рабочий ток – 20-60 мА (средней мощности – 0,5-3 Вт, ток 0,1-0,7 А, большой – более 3 Вт, ток 1 А и более).

Конструктивно к маломощным светодиодам относятся несколько групп LED-излучателей света:

• светодиоды в корпусах SMD обычные и сверхъяркие;
• диоды типа DIP в цилиндрических корпусах – для монтажа в отверстия печатных плат;
• в корпусах типа «пиранья» – для монтажа в отверстия.

Маломощные светодиоды в разных корпусах.

На картинке светодиоды сверху вниз:

1. В цилиндрических корпусах типа DIP – с гибкими проволочными выводами для пайки в отверстия платы.
2. В корпусах типа «пиранья», они же Superflux, пайка в отверстия.
3. В корпусах с планарными выводами для монтажа на контактные площадки одно- и двухсторонних печатных плат или в «колодцы» многослойных плат.

Какие виды светодиодов существуют и где они применяются

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

Индикаторные светодиоды

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

Осветительные светодиоды

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

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

smd 2835

Однокристальный светодиод повышенной мощности. Выпускается в трех исполнениях: 0.2, 0.5 и 1 Вт. Излучает белый свет различной цветовой температуры, по размерам корпуса совпадает с прибором 3528, но отличается от последнего прямоугольной линзой (у 3528 она круглая).

smd 2835 (слева) и smd 3528

Из-за высокой популярности приборов выпускается очень много подделок, в которые устанавливаются кристаллы меньшей мощности. Так, хотя китайский smd 2835 и выпускается официально, но оснащается он кристаллом всего 0.09 Вт. Внешне отличить его от одноваттного бывает невозможно из-за добавленного в компаунд люминофора, поскольку он непрозрачен, соответственно, оценить размеры кристалла на глаз не получится.

Прибор используется в мощных осветительных лампах, бытовых и уличных светильниках, прожекторах, светодиодных лентах.

Если тебя заинтересовал светодиод smd 2835, более подробную информацию ты можешь почерпнуть из этой статьи.

Особенности разных видов светодиодов

Используемые сегодня светодиоды имеют ряд отличительных характеристик, поэтому их можно классифицировать сразу по нескольким признакам.

DIP

Одним из первых светодиодов стал стандарт DIP, расшифровывающийся, как Direct In-Line Package, который был создан и получил свое широкое применение еще в XX веке. Конструкция этого элемента представляет собой миниатюрную стеклянную или пластиковую беспигментную колбу, выполняющую функцию своеобразной линзы, способной фокусировать и направлять свет в конкретном направлении.

В этом случае кристалл размещается непосредственно на катоде, тогда как с анодом его соединяет соответствующий провод. И катод, и анод выпирают из-под колбы, в результате чего образуется некое подобие ножек, которые припаиваются к ленте, после чего все свободное пространство изолируется от внешней среды с помощью специального герметика. За частоту и интенсивность мерцания, уровень яркости и порядок/силу подачи тока на проводящий кристалл отвечает микрочип, которым в некоторых конструкциях можно управлять.

SMD

Главным конкурентом для DIP является стандарт SMD, который получил ряд существенных отличий. Среди них – особенности крепления кристалла, который в случае с SMD размещается на теплоотводящей подложке с вмонтированными в нее же контактами. Соединение с анодом выполняется анодным проводом, как и у DIP. То же самое можно сказать и об управляющем микрочипе, который здесь также имеется.

А вот линза получила овальную форму, хотя сегодня довольно широко применяется другая технология, которая вообще не предполагает использования защитных корпусов. То есть герметический состав для обеспечения изоляции наносится прямо поверх кристаллов, что чревато определенными ограничениями по уровню яркости. Так, обозначенный показатель редко когда превышает 8 тысяч кандел на квадратный метр. Однако миниатюрный размер LED-элементов позволяет использовать их для оснащения как домашних, так и уличных интерьерных экранов и панелей.

COB

Этот стандарт, расшифровывающийся, как Chip-On-Board, появился относительно недавно, но уже успел занять лидирующие позиции на рынке благодаря особенностям своей конструкции и направленности света. Главная отличительная характеристика таких LED заключается в том, что к подложке крепится большое количество кристаллов, надежная фиксация которых обеспечивается за счет специального диэлектрического состава.

Такой подход позволяет создавать равномерный источник света без теневых помех, которые наблюдаются в других конструкциях. В качестве наглядного примера можно привести такую популярную продукцию, как филаментные лампочки, рассчитанные на 220 вольт, в основе которых лежит стержень из стекла, полностью покрытый светодиодами и защитным люминофором.

Проводя сравнительную характеристику среди всех перечисленных стандартов, стоит отметить, что все они имеют приблизительно одинаковый срок службы, рассчитанный в своем максимуме на 150 тысяч часов. Однако при сопоставлении SMD и DIP становится очевидно, что первый явно проигрывает последнему по уровню яркости. В то же время оба они уступают COB, давая рассеивающий свет, тогда как этот стандарт по праву считается лучшим решением в коммерческом сегменте осветительных приборов направленного типа.

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск «даташит КД411АМ»

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение U_обр — это  такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток I_обр — сила тока  при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести  к полному тепловому разрушению диода.  В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток I_пр — это  максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении.  В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота F_d , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

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.

Рекомендации по работе с COB светодиодами

COB используются для индикации и освещения, световой поток мощнее, чем у СМД. Но СОВ LED излучают свет под углом 180 градусов, поэтому не пригодны для систем с узконаправленным излучением.

Светильники из этих матриц подвергаются различным экспериментам, по результатам можно сделать определенные выводы:

• это лучший вариант для коммерческих светильников с направленным лучом света;
• хорошо подходят для уличных прожекторов с мощностью до 50 Вт;
• для промышленных светильников «колокол» это не лучший вариант (особенно, если мощность более 50 Вт).

При выборе стоит помнить о том, что СОВ деградируют быстрее, чем СМД. В промышленности мешает такой фактор, как ослепление, мешающие работе. 

Для жилых помещений производятся компактные прожекторы для декоративной подсветки и акцентирования отдельных элементов интерьера. Приборы с мощностью 7-9 Вт пригодны для архитектурной подсветки. CREE предлагает точечные настенные и потолочные светильники, излучающие свет без бликов и хорошо работающие с диммером.

Домашние мастера пытаются делать светильники своими руками, используя низкопрофильные держатели для СОВ-светодиодов. Они избавляют от необходимости работать с паяльником и специальными инструментами при установке матрицы в корпус светильника. Большинство этих изделий комплектуется пластинами, удерживающими диод, и проводами.

Схемы подключения светодиодов – как все правильно выполнить

Подобные элементы можно подключить двумя способами – последовательно и параллельно. При этом нельзя забывать, что световой диод должен быть расположен правильно. В противном случае схема работать не будет. В обычных элементах с цилиндрической формой это можно определить так: на катоде (-) виден флажок, он немного крупнее анода (+).

Такова схема последовательного подключения световых диодов

Как рассчитать сопротивление светодиода

Расчет сопротивления светового диода очень важен. Иначе элемент просто сгорит, не выдержав величины тока сети.

Разберемся, как рассчитать сопротивление для светодиода.

Сделать это можно по формуле:

R = (VS – VL) / I,где

• VS–напряжение питания;
• VL –номинальное напряжение для светодиода;
• I – ток светодиода (обычно это 0.02 А, что равно 20 мА).

При желании возможно все. Схема довольно проста – используем блок питания от сломанного мобильного телефона или любой другой. Главное, чтобы в нем был выпрямитель

Важно не переусердствовать с нагрузкой (с численностью диодов), иначе есть риск сжечь блок питания. Стандартное зарядное устройство вполне выдержит 6-12 элементов

Можно смонтировать цветную подсветку для клавиатуры компьютера, взяв по 2 синих, белых, красных, зеленых и желтых элемента. Получается довольно красиво.

При желании возможно все. Схема довольно проста – используем блок питания от сломанного мобильного телефона или любой другой. Главное, чтобы в нем был выпрямитель

Важно не переусердствовать с нагрузкой (с численностью диодов), иначе есть риск сжечь блок питания. Стандартное зарядное устройство вполне выдержит 6-12 элементов

Можно смонтировать цветную подсветку для клавиатуры компьютера, взяв по 2 синих, белых, красных, зеленых и желтых элемента. Получается довольно красиво.

Полезная информация! Напряжение, которое выдает блок питания равно 3.7 В. Это значит, что диоды нужно соединить последовательно скоммутированными парами параллельно.

Параллельное и последовательное соединение: как они выполняются

По законам физики и электротехники при параллельном соединении напряжение распределяется равномерно по всем потребителям, оставаясь неизменным на каждом из них. При последовательном монтаже поток делится и на каждом из потребителей оно становится кратным их количеству. Иными словами если взять 8 световых диодов, соединенных последовательно, они будут нормально работать от 12 В. Если же из подключить параллельно – они сгорят.

Параллельно подключенные последовательные тройки световых диодов

Подключение световых диодов на 12 В как самый оптимальный вариант

Любая светодиодная лента рассчитана на подключение к стабилизатору, выдающему 12 или 24 В. На сегодняшний день на прилавках российских магазинов представлен огромный ассортимент изделий различных производителей с этими параметрами. Но все же преобладают ленты и контроллеры именно 12 В. Это напряжение более безопасно для человека, да и стоимость таких приборов более низка. О самостоятельном подключении к сети 12 В говорилось чуть выше, ну а с подключением к контроллеру проблем возникнуть не должно – к ним прилагается схема, с которой разберется даже школьник.

Идеальная подсветка потолка при помощи светодиодной ленты

Как подключить LED-ленту

Светильники на гибкой основе по способу подключения делятся на несколько категорий:

1. Монохромные 220 В. Подключаются к сети через выпрямительное устройство.
2. Монохромные низковольтные. К этой категории относятся LED-светильники на рабочее напряжение 5/12/24/36 вольт. Их лучше всего запитывать от блоков питания на соответствующее напряжение. Если лента применяется на автомобиле, ее можно подключать непосредственно к бортсети.
3. RGB-светильники. Для полной реализации возможностей такие LED-ленты запитываются от источника соответствующего напряжения, а управляются от промышленного или самодельного контроллера. Можно включить на постоянное свечение, но экономический смысл отсутствует – монохромная лента стоит дешевле.
4. Светильники на основе адресных элементов. Напряжение на шины питания подается от отдельного источника, управление производится только посредством контроллера – другого способа нет.

Многообразные виды светодиодных лент позволяют реализовать практически любые варианты освещения для любых целей. Решение об экономической и эстетической целесообразности всегда принимается пользователем.