Как работает светодиод и как устроен. Светодиод (сид, led, light emitting diode)

Светодиоды для человечества стали одним из наиболее распространенных источников света для промышленных и бытовых нужд. Этот полупроводниковый прибор имеет один электрический переход, он преобразует электроэнергию в энергию видимого светового излучения. Явление открыто Генри Джозефом Раундом в 1907 году. Первые эксперименты были поставлены советским физиком-экспериментатором О.В. Лосевым, которому в 1929 году удалось получить рабочий прототип современного светодиода.

Первые современные светодиоды (СД, СИД, LED ) были созданы в начале шестидесятых годов. У них было слабое красное свечение, их применяли в качестве индикаторов включения в самых разных приборах. В 90-х появились синие, желтые, зеленые и белые светодиоды. Их стали выпускать в промышленных масштабах многие компании. Сегодня LED-диоды применяются повсеместно: в светофорах, лампочках, автомобилях и так далее.

Устройство

Светодиод представляет полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который создает оптическое излучение при прохождении через него тока в прямом направлении.

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей;

1 — Эпоксидная линза
2 — Проволочный контакт
3 — Отражатель
4 — Полупроводник (Определяет цвет свечения)
5 и 6 — Электроды
7 — Плоский срез

В основании светодиода закрепляются катод и анод. Все устройство сверху герметично закрыто линзой. На катоде установлен кристалл. На контактах имеются проводники, которые подсоединены к кристаллу p-n-переходом (проволока соединения для объединения двух проводников с различными типами проводимости). Для создания стабильной работы светодиода применяется теплоотвод, который необходим для осветительных приборов. В индикаторных приборах тепло не имеет решающего значения.

DIP-диоды имеют выводы, которые монтируются в отверстия печатной платы, они при помощи пайки подсоединяются на электрический контакт. Имеются модели с несколькими кристаллами различного цвета в одном корпусе.

SMD-светодиоды сегодня являются наиболее востребованными источниками света любых форматов.

• Основа корпуса, куда крепится кристалл, является отличным проводником тепла. Благодаря этому в разы улучшился отвод тепла от кристалла.
• В структуре белых светодиодов между линзой и полупроводником имеется слой люминофора, который нейтрализует ультрафиолет и задает необходимую цветовую температуру.
• В SMD-компонентах, имеющих широкий угол излучения, линза отсутствует. При этом сам светодиод выделяется формой параллелепипеда.

Chip-On-Board (COB) представляют новейшее практическое достижение, которое должно занять в искусственном освещении лидерство в создании белых светодиодов.

Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:

• На алюминиевую основу посредством диэлектрического клея крепят десятки кристаллов без подложки и корпуса.
• Полученная матрица покрывается общим слоем люминофора. В итоге получается источник света, который имеет равномерное распределение светового потока без возможности появления теней.

Разновидностью Chip-On-Board является Chip-On-Glass (COG) технология, предусматривающая размещение на поверхности из стекла множества мелких кристаллов. К примеру, это филаментные лампы, где излучающим элементом является стеклянный стержень со светодиодами, которые покрыты люминофором.

Принцип действия

Несмотря на технологические особенности и разновидности, работа всех светодиодов основывается на общем принципе функционирования излучающего элемента:

• Преобразование электроэнергии в световой поток осуществляется в кристалле, который выполнен из полупроводников с самым разным типом проводимости.
• Материал с n­-проводимостью обеспечивают путем легирования его электронами, а материал с p-проводимостью при помощи дырок. В результате в сопредельных слоях появляются дополнительные носители заряда разной направленности.
• При подаче прямого напряжения стартует движение электронов, а также дырок к p-n-переходу.
• Заряженные частицы проходят барьер и начинают рекомбинировать, вследствие этого протекает электрический ток.
• Процесс рекомбинации электрона и дырки в зоне p-n-перехода идет выделением энергии в качестве фотона.

В целом, указанное физическое явление свойственно всем полупроводниковым диодам. Однако длина волны фотона в большинстве случаев располагается за пределами видимого спектра излучения. Чтобы элементарная частица двигалась в диапазоне 400-700 нм, ученые проводили множество опытов и экспериментов с разными химическими элементами. В итоге появились новые соединения: фосфид галлия, арсенид галлия и более сложные формы. У каждой из них своя длина волны, то есть свой цвет излучения.
К тому же, кроме полезного света, который испускает светодиод, на p-n-переходе образуется некоторое количество теплоты, которое уменьшает эффективность полупроводникового прибора. Именно поэтому в конструкции мощных светодиодов предусматривается эффективный отвод тепла.

Разновидности

На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:

• Осветительные, то есть с большой мощностью. Их уровень освещенности равен вольфрамовым и люминесцентным источникам света.
• Индикаторные – с небольшой мощностью, их применяют для подсветки в приборах.

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:

• Двойные GaP (галлий, фосфор) – имеют зеленый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
• Тройные AIGaAs (алюминий, мышьяк, галлий) – имеют желтый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
• Тройные GaAsP (мышьяк, галлий, фосфор) – имеют красный и желто-зеленый свет в структуре видимого спектра.

По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:

• DIP — устаревшая модель низкой мощности, их применяют для подсветки световых табло и игрушек.
• «пиранья» или Superflux – аналоги DIP, но с четырьмя контактами. Они применяются для подсветки в автомобилях, меньше нагреваются и лучше крепятся.
• SMD – самый распространенный тип, применяются во множестве источников света.
• COB – это усовершенствованные светодиоды SMD.

Применение

Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:

• Освещение.
• С использованием прямого света.

Светодиод в освещении применяется для освещения объекта, пространства или поверхности, вместо того, чтобы быть непосредственно видимым. Это интерьерная подсветка, фонарики, освещение фасадов зданий, освещение в автомобилях, подсветка клавиш мобильных телефонов и дисплеев и так далее. Широкое применение LED-диоды находят в коммуникаторах и сотовых телефонах.

Прямой светодиодный свет применяется для передачи информации, к примеру, в полноцветных видео дисплеях, в которых LED-диоды формируют пиксели дисплея, а также в алфавитно-цифровых табло. Прямой свет также применяется сигнальных устройствах. К примеру, это индикаторы поворота и стоп-сигналы автомобилей, светофоры и знаки.

Будущее светодиодов

Ученые создают светодиоды нового поколения, к примеру, на основе нано-кристаллических тонких пленок из перовскита. Они дешевые, эффективные и долговечные. Исследователи надеются, что такие LED-диоды будут применяться вместо обычных экранов ноутбуков и смартфонов, в том числе в бытовом и уличном освещении.

Создаются и волоконные LED-диоды, которые предназначены для создания носимых дисплеев. Ученые считают, что создаваемый метод производства волоконных светодиодов позволит наладить массовый выпуск и сделать интеграцию носимой электроники в одежду и текстиль совершенно недорогой.

Типичные характеристики

Светодиоды характеризуются следующими параметрами:

• Цветовая характеристика.
• Длина волны.
• Сила тока.
• Напряжение (тип применяемого напряжения).
• Яркость (интенсивность светового потока).

Светодиодная яркость пропорциональна протекающему через него току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость. Единицей силы света служит люмен на стерадиан, она также измеряется в милликанделах. Бывают яркие (20-50 мкд.), а также сверх яркие (20000 мкд. и более) LED-диоды белого свечения.

Величина падения напряжения – характеристика допустимых значений прямого и обратного включений. Если подача напряжений выше этих значений, то наблюдается электрический пробой.

Сила тока определяет яркость свечения. Сила тока осветительных элементов обычно равняется 20 мА, для индикаторных светодиодов она составляет 20-40 мА.

Цвет излучения светодиода зависит от активных веществ, внесенных в полупроводниковый материал.

Длина волны света определяется разностью энергий при переходе электронов на этапе рекомбинации. Она определяется легирующими примесями и исходным полупроводниковым материалом.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств светодиодов можно отметить:

• Малое потребление электроэнергии.
• Долгий срок службы, измеряемый 30-100 тысячами часов.
• Высокая светоотдача. Светодиоды дают 10-250250 люменов светового потока на ватт мощности.
• Нет ядовитых паров ртути.
• Широкое применение.

Недостатки:

• Низкие характеристики у некачественных светодиодов, созданных неизвестными производителями.
• Сравнительно высокая цена качественных светодиодов.
• Необходимость качественных источников питания.

Отправим материал вам на e-mail

Основные характеристики светодиодов SMD 5730

Современные изделия с геометрическими параметрами 5,7×3 мм. Благодаря своим стабильным характеристикам светодиоды SMD 5730 относятся к категории сверхъярких изделий. Для их изготовления используются новые материалы, благодаря чему они имеют повышенную мощность и высокоэффективный световой поток. SMD 5730 допускают эксплуатацию работать в условиях повышенной влажности. Они не боятся вибрации и температурных колебаний. Отличаются продолжительным сроком службы. Имеют угол рассеивания 120 градусов. После 3000 часов работы степень не превышает 1%.

Производители предлагают приборы двух видов: с мощностью 0,5 и 1 Вт. Первые маркируются SMD 5730-0,5, вторые – SMD 5730-1. Прибор может функционировать на импульсном токе. Для SMD 5730-0,5 номинальный ток равен 0,15 А, а при переходе на импульсный режим работы может достигать 0,18 А. Способен сформировать световой поток до 45 Лм.

Для SMD 5730-1 номинальный ток равен 0,35А, импульсный может достигать 0,8А при эффективности светоотдачи 110 Лм. Благодаря использованию в процессе производства термостойкого полимер, корпус прибора не боится воздействия достаточно высоких температур (до 250°С).

Cree: актуальные характеристики

Продукция американского производителя представлена в широком ассортименте. Серия Xlamp включает однокристальные и многокристальные изделия. Для первых характерно распределение излучения по краям прибора. Такое инновационное решение позволило наладить выпуск светильников с большим углом свечения при минимальном количестве кристаллов.

Серия XQ-E High Intensity является новейшей разработкой компании. Изделия обладают углом свечения 100-145 градусов. При сравнительно небольших геометрических параметрах 1,6 на 1,6 мм такие светодиоды имеют мощность 3 В при световом потоке 330 Лм. Характеристики светодиодов Cree на базе одного кристалла позволяют обеспечить качественную цветопередачу CRE 70-90.

Многокристальные LED-приборы имеют новейший тип питания 6-72 В. Их принято делить три группы в зависимости от мощности. Изделия до 4 Вт имеют 6 кристаллов и выпускаются в корпусах типа MX и ML. Характеристики светодиода XHP35 соответствуют мощность 13 Вт. Имеют угол рассеивания 120 градусов. Могут быть теплого или холодного белого цвета.

Проверка светодиода с помощью мультиметра

Иногда возникает необходимость в проверке работоспособности светодиода. Сделать это можно с помощью мультиметра. Тестирование выполняется в следующей последовательности:

Фото	Описание работ
	Готовим необходимое оборудование. Подойдет обычная китайская модель мультиметра.
	Выставляем режим сопротивления, соответствующие 200 Ом.
	Прикасаемся контактами к проверяемому элементу. Если светодиод является рабочим, то он начнет светиться.

Внимание! Если контакты перепутать местами, характерного свечения наблюдаться не будет.

Маркировка светодиодов по цвету

Чтобы приобрести светодиод нужного цвета, предлагаем ознакомиться с условным обозначением цветности, входящей в состав маркировки. У CREE оно располагается после обозначения серии светодиодов, и может быть:

• WHT , если свечение белого цвета;
• HEW , если высокоэффективного (high efficiency) белого;
• BWT для белого второго поколения;
• BLU , если свечение синего света;
• GRN для зеленого;
• ROY для королевского (яркого) синего;
• RED у красного.

Другие производители часто используют другое условное обозначение. Так KING BRIGHT позволяет подобрать модель с излучением не только определенного цвета, но и оттенка. Присутствующее в маркировке обозначение будет соответствовать:

• Красному (I, SR);
• Оранжевому (N, SE);
• Желтому (Y);
• Синему (PB);
• Зеленому (G, SG);
• Белому (PW, MW).

Совет! Ознакомиться с условными обозначениями конкретного производителя, чтобы сделать правильный выбор.

Расшифровка кода маркировки светодиодной ленты

Для изготовления светодиодной ленты используется диэлектрик, имеющий толщину 0,2 мм. На него наносятся токопроводящие дорожки, имеющие контактные площадки под чипы, предназначенные для монтажа SMD-компонентов. Лента включает отдельные модули, имеющие длину 2,5-10 см и рассчитанные на напряжение 12 либо 24 вольта. В состав модуля может входить 3-22 светодиода и несколько резисторов. Длина готовых изделий в среднем составляет 5 метров при ширине 8-40 см.

На бобину либо упаковку наносятся маркировку, в которой содержится вся актуальная информация о светодиодной ленте. Расшифровка маркировки можно увидеть на следующем рисунке:

Статья

Светодиод - диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.

Принцип работы светодиода

Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.

Светодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.

Где используются светодиоды

Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.

Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.

Когда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.

Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.

С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.

Каждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.

Цифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.

Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.

Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.

СВЕТОДИОД Графическое обозначение

Свободный перевод статьи "LED" из Википедии.

Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.

Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.

Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.

Изобретение и первые образцы

Электролюминесценция кристалла карбида кремния (зеленого цвета) была обнаружена в 1907 году английским ученым Раундом в лаборатории Маркони. Этому явлению тогда не придали значения. В 1923 году советский ученый О.В. Лосев , работая в НРЛ (Нижегородской радиолаборатории), проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). Длительные исследования позволили сформулировать основной принцип электролюминесценции полупроводниковых структур - инжекционная рекомбинация. В 1927 Лосев запатентовал принцип полупроводникового свечения. Изобретение было опубликовано в российских, немецких и английских научных журналах, но практического применения не получило. В 1955 году Р.Браунштейн из Radio Corporation of America заявил о наличии инфракрасного излучения арсенида галлия (GaAs) в комбинации с другими полупроводниковами сплавами. Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простой диодной структурой на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия, фосфида индия (InP) и кремниево - германиевого сплава (SiGe) при комнатной температуре.

В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.

Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.

В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.

Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.

Практическое использование первых светодиодов

Первое коммерческое использование светодиодов связано с их применением в качестве замены индикаторов, ранее основанных на использовании ламп накаливания. Из светодиодов изготавливали семисегментные индикаторы, встраивали в дорогие лабораторные приборы, использовали в тестовом оборудовании, но позже светодиоды стали применять при изготовлении телевизоров, радиоприемников, телефонов, калькуляторов и даже часов. Светодиоды красного свечения, применяемые для этих целей имели яркость, достаточную для использования лишь в качестве индикаторов. Светодиоды других цветов имели еще меньшую яркость. Все типы led выпускались в типоразмерах 3 или 5 мм.

Дальнейшее развитие светодиодных технологий

Первые сверхяркие светодиоды синего свечения на базе InGaN были продемонстрированы Ш. Накамурой из японской компании Nichia. Это положило начало новой эре в применении светодиодов - использование в качестве источника света для освещения. Комбинация синего света и желтого фосфора позволила получить белый свет.

Благодаря этому открытию светодиодные технологии начали бурно развиваться. В феврале 2008 года сотрудники Bilkent university в Турции заявили о получении 300 люмен видимого света на один ватт световой мощности. Это был белый цвет теплого оттенка, полученный с использованием нанокристаллов.

В январе 2009 года исследователи из Кембриджа под предводительством С. Хэмфри доложили о выращивании нитрида галлия на подложке из кремния. Этот способ позволяет сократить производственные затраты при производстве сверхярких светодиодов на 90% по сравнению с выращиванием структур на сапфировой подложке.

Физические аспекты

Принцип работы светодиода

Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход.

Изобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.

Электроны и дырки

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами (диэлектриками). При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике "сидит" в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Причем при росте температуры сопротивление полупроводников падает, то есть полупроводник при нагревании не уменьшает свою электропроводность, как металл, а, наоборот, увеличивает ее. Иначе говоря, в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.

При подведении энергии (теплоты или света) в кристаллических решетках полупроводников часть электронов "убегает" из верхних атомных оболочек, при этом образуется положительный заряд. То место, где в решетке не хватает электрона, называют "дыркой".

Под действием электрического напряжения электроны дрейфуют к одному электроду (положительному полюсу), а дырки - к другому (отрицательному), причем их место тут же занимают свободные электроны. Закономерности движения дырок таковы, что этим "пустым местам" физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и "эффективную массу".

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Если добавлять в полупроводник атомы других элементов, его проводимость можно существенно увеличить. При введении легирующих примесей в различные части кристаллической решетки полупроводника возникает так называемая примесная проводимость (в отличие от собственной проводимости), которая, в зависимости от валентности легирующих элементов, называется либо электронной (проводимостью n-типа), либо дырочной (p-типа).

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р-проводимостью, а другой - n-проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители (электроны или дырки), стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. На образующийся в этом слое p-n-переход можно воздействовать внешним напряжением, усиливая или, наоборот, "запирая" ток, проходящий через кристалл, - на основании этого принципа работают диоды и транзисторы. При положительной полярности внешнего напряжения (плюс - к p-зоне, минус - к n-зоне) барьер в p-n-переходе понижается, и происходит "перескакивание" (рекомбинирование) электронов и дырок в противоположные зоны, в результате чего выделяется энергия.

Сначала полупроводниковые приборы были только "гомопереходными" (как в случае с первым транзистором) - p-n-переход происходил внутри кристалла одного химического вещества. Но почти сразу появилась и идея гетероустройств, в которых такой переход образуется на стыке двух различных полупроводников. Реализация этой идеи позволила создать более миниатюрные приборы с большей эффективностью и функциональностью (так, первые в мире "гомопереходные" полупроводниковые светодиоды, а затем и лазеры могли работать только при температуре жидкого азота, а появившиеся позже гетеропереходные функционируют и при комнатной температуре).

Большинство материалов, используемых при производстве светодиодов, имеют очень высокий уровень отражения. Это необходимо для того, чтобы как можно больше света, производимого светодиодом, выходило с его поверхности за пределы корпуса. Именно поэтому этому посвящено большое количество исследований во всем мире.

Эффективность и параметры использования

Обычный светодиодный индикатор расчитан на мощность не более 30-60 мВт. В 1999 году компания Philips Lumileds представила мощный светодиод мощностью 1 Ватт. В этом светодиоде был использован полупроводниковый кристал гораздо большей площади, чем применяющиеся в обычных светодиодах индикаторного типа. Он был смонтирован на металлическом основании, что позволило организовать эффективный отвод тепла с кристалла.

Одной из ключевых позиций определения эффективности светодиода является световой выход на единицу мощности. Белый светодиод быстро достиг и превзошел показатели обычных систем на базе ламп накаливания. В 2002 году компания Lumileds произвела 5 Вт светодиод со значениями светового выхода на уровне 18-22 люмен/Ватт. Для сравнения, обычная лампа накаливания мощностью 60-100 Вт производит около 15 люмен на ватт. Люминесцентная лампа - около 100 Лм/Вт. Основной проблемой при разработке мощных светодиодов является падение светового потока при повышении тока, проходящего через кристалл.

В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода, производящий 24 мВт при токе 20 мА. Это позволило наладить коммерческого производство белых светодиодов с эффективностью 65 Лм/Вт при токе 20 мА, которые стали наиболее яркими на тот момент на рынке и превысили эффективность ламп накаливания более чем в четыре раза. В 2006 году эта же компания представила прототип белого светодиода со световым выходом 131 Лм/Вт на 20 мА.

Нужно отметить, что мощность СИД 1 Вт и более вполне достаточна для коммерческого применения в качестве источника основного освещения. Типовой ток подобных светодиодов - 350 мА. Хотя ведущие производители и производят светодиоды с эффективностью выше 100 Лм/Вт, в условиях реального использования многое зависит от условий эксплуатации и конструкции светильника. Энергетический департамент США, который в 2008 году проводил тестирование светодиодных ламп, представленных в широкой продаже, предоставил данные, говорящие о том, что большинство таких ламп имеет среднюю эффективность на уровне 31 Лм/Вт.

Компания Cree 19 Ноября 2008 года предоставила данные о лабораторном прототипе светодиода с эффективностью 161 Лм/Вт при комнатной температуре и температуре света 4689 К.

Неисправности и срок жизни светодиодов

Твердотельные устройства, такие как светодиоды, в очень малой степени подвержены повреждениям, когда работают при низких температурах и небольшом токе. Множество светодиодов, произведенных в 70-80 годах, работают по сей день. Теоретически, работоспособность светодиодов неограничена по времени, однако повышенный ток и высокая температура может легко вывести их из строя. Основной признак неисправности светодиода - сильное снижение светового выхода при номинальном рабочем напряжении. Разработка новых типов светодиодов привела к повышению рабочих токов и увеличению температуры кристалла. Реакция материалов, из которых производятся мощные светодиоды, на подобные условия, еще до конца не изучена, поэтому деградация кристаллов - одна из основных причин отказов. Светодиод считается неработоспособным, когда его световой выход падает на 75%.

Материалы

В следующей таблице указана зависимость цвета свечения светодиода от материала полупроводника

	Цвет	Длина волны (nm)	Вольтаж (V)	Материал полупроводника
	Инфракрасный	λ > 760	ΔV < 1.9	Gallium arsenide (GaAs) Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
	Красный	610 < λ < 760	1.63 < ΔV < 2.03	Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
	Оранжевый	590 < λ < 610	2.03 < ΔV < 2.10	Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)
	Желтый	570 < λ < 590	2.10 < ΔV < 2.18	Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)
	Зеленый	500 < λ < 570	1.9 [ 32] < ΔV < 4.0	Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) Gallium(III) phosphide (GaP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP)
	Синий	450 < λ < 500	2.48 < ΔV < 3.7	Zinc selenide (ZnSe) Indium gallium nitride (InGaN) Silicon carbide (SiC) as substrate Silicon (Si) as substrate - (в разработке)
	Фиолетовый	400 < λ < 450	2.76 < ΔV < 4.0	Indium gallium nitride (InGaN)
	Пурпурный	разные типы	2.48 < ΔV < 3.7	Dual blue/red LEDs, синий с красным фосфором, белый с пурпурным фильтром
	Ультрафиолетовый	λ < 400	3.1 < ΔV < 4.4	diamond (235 nm) [ 33] Boron nitride (215 nm) [ 34] [ 35] Aluminium nitride (AlN) (210 nm) [ 36] Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) - (down to 210 nm) [ 37]
	Белый	Широкий спектр	ΔV = 3.5	Синий/УФ диод и желтый фосфор

Синие светодиоды

Синий светодиод

Синие светодиоды базируются на сплавах GaN и InGaN. Комбинация с красным и зеленым светодиодами позволяет получить чистый белый цвет, но такой принцип формирования белого сейчас используется редко.

Первый синий светодиод был изготовлен в 1971 году Jacques Pankove (изобретателем нитрида галлия). Но он производил слишком мало света, чтобы его можно было использовать на практике. Первый яркий синий диод был продемонстрирован в 1993 году и получил широкое распостранение.

Белый свет

Существует два пути получения белого света достаточной интенсивности с применением светодиодов. Первый из них - объединение в одном корпусе кристаллов трех основных цветов - красного, синего и зеленого. Смешение этих цветов позволяет получить белый цвет. Другой путь - использование фософора для преобразования синего или ультрафиолетового излучения в белый цвет широкого спектра. Подобный принцип используется при производстве ламп дневного света.

Системы RGB

Белый цвет может быть получен смешением различных цветов, наиболее используемая комбинация - красный, синий и зеленый. Но из-за необходимости контролировать смешение и степень рассеивания цветов стоимость производства RGB-светодиодов довольно высока. Тем не менее этот метод интересен многим исследователям и ученым, так как позволяет получить разные оттенки цвета. При этом эффективность такого способа получения белого света очень высока.

Есть несколько типов многоцветных белых светодиодов - ди-, три-, и тетрахроматичные. Есть несколько ключевых особенностей каждого из этих типов, включая стабильность цвета, цветопередачу и световую эффективность. Высокая световая эффективность подразумевает низкий индекс цветопередачи (CRI). Например, дихроматичный белый светодиод имеет лучшую световую эффективность (около 120 Лм/Вт), но самый низкий CRI. Тетрахроматичный - небольшую световую эффективность, но превосходный CRI. Трихроматичный находится примерно посередине.

Хотя многоцветные светодиоды являются не самым оптимальным решением для получения белого цвета, их использование позволяет создавать системы, производящие миллионы различных оттенков цвета. Основная проблема при этом - разные значения световой эффективности для основных цветов. При повышении температуры это вызывает "уплывание" необходимого цвета и, как следствие, более жестких требований к системам питания и контроля.

Светодиоды на базе фосфора

Спектр белого светодиода определяется синим светом, который излучается кристаллом на базе GaN (пик в районе 465 Нм) и, проходя через желтый фосфор (500-700 Нм) преобразуется в белый. Использование фосфора разных типов и оттенков позволяет получать разные оттенки белого - от теплого до самого холодного. Так же зависит от этого и качество цветопередачи. Нанесение на синий кристалл нескольких слоев фосфора разных типов позволяет добиться самого высокого CRI .

СИД на базе фосфора имеют меньшую эффективность, чем обычные светодиоды, так как часть света рассеивается в слое фосфора, к тому же сам фосфор также подвержен деградации. Тем не менее это способ остается наиболее популярным при коммерческом производстве белых светодиодов. Наиболее часто используется желтый фосфорный материал Ce3+:YAG.

Также белые светодиоды могут быть изготовлены на базе ультрафиолетовых светодиодов с примененим фосфора красного и синего цвета с добавлением сульфида цинка (ZnS:Cu,Al) . Этот принцип аналогичен используемому в лампах дневного света. Этот способ хуже предыдущего, но позволяет добиться лучшей цветопередачи. К тому же ультрафиолетовые диоды имеют большую световую эффективность. С другой стороны, УФ излучение вредно для человека.

Органические светодиоды (OLED)

Если основа излучающей поверхности светодиода имеет органическое происхождение, такой светодиод называют OLED (Organic Light Emitting Diode). Излучающим материалом может быть небольшая молекула в фазе кристаллизации или полимер. Полимерные кристаллы могут быть гибкими, соответсвенно их называют PLED или FLED.

По сравнению с обычными светодиодами, OLED светлее, а полимерные вдобавок позволяют делать источник света гибким. В будущем на базе таких светодиодов планируется изготовление гибких недорогих дисплеев для портативных устройств, источников света, декоративных систем, светящейся одежды. Но пока уровень разработки OLED не допускает их коммерческое применение.

Светодиоды на квантовых точках (экспериментальная разработка)

Новая технология производства светодиодов, разработанная M.Bowers предполагает покрытие синего светодиода "квантовыми точками", которые начинают излучать белый свет при облучении синим светом светодиода. Эта технология позволяет получить теплый желто-белый свет, схожий со светом ламп накаливания. "Квантовые точки" это нанокристаллы полупроводника, имеющие уникальные оптические характеристики. Их цвет излучения может быть изменен в широких пределах - от видимого спектра до невидимого - любой цвет в пределах CIE диаграммы.

В сентябре 2009 года компания Nanoco Group объявила о заключении исследовательского соглашения с одной из крупнейших японских компаний. Темой исследований является дальнейшая разработка технологии "квантовых точек" для применения в жидкокристаллических телевизионных дисплеях.

Продолжение следует

Времена, когда светодиоды использовали только в качестве индикаторов включения приборов, давно прошли. Современные светодиодные приборы могут полностью взаимозаменить лампы накаливания в бытовых, промышленных и . Этому способствуют различные характеристики светодиодов, зная которые можно правильно подобрать LED-аналог. Использование светодиодов, учитывая их основные параметры, открывает обилие возможностей в сфере освещения.

Светодиод (обозначается СД, СИД, LED в англ.) представляет собой прибор, в основе которого лежит искусственный полупроводниковый кристаллик. При пропускании через него электротока создается явление испускания фотонов, что приводит к свечению. Данное свечение имеет очень узкий диапазон спектра, и цвет его находится в зависимости от материала полупроводника.

Светодиоды с красным и желтым свечением производят из неорганических полупроводниковых материалов на базе арсенида галлия, зеленые и синие изготавливают на основе индия-галлия-нитрида. Чтобы увеличить яркость светового потока используют различные присадки или применяют метод многослойности, когда слой чистого нитрида алюминия размещают между полупроводниками. В результате образования в одном кристаллике нескольких электронно-дырочных (p-n) переходов, яркость его свечения возрастает.

Различают два типа светодиодов: для индикации и освещения. Первые используют для индикации включения в сеть различных приборов, а также как источники декоративной подсветки. Они представляют собой цветные диоды, помещенные в просвечивающийся корпус, каждый из них имеет четыре вывода. Приборы, излучающие инфракрасный свет, используют в устройствах для удаленного управления приборами (пульт ДУ).

В области освещения используют светодиоды, излучающие белый свет. По цвету различают светодиоды с холодным белым, нейтральным белым и теплым белым свечением. Существует классификация применяемых для освещения светодиодов по способу монтажа. Маркировка светодиода SMD означает, что прибор состоит из алюминиевой или медной подложки, на которой размещен кристаллик диода. Сама подложка располагается в корпусе, контакты которого соединены с контактами светодиода.

Другой тип светодиодов обозначается OCB. В таком приборе на одной плате размещается множество кристаллов, покрытых люминофором. Благодаря такой конструкции достигается большая яркость свечения. Такую технологию используют при производстве с большим световым потоком на относительно малой площади. В свою очередь это делает производство светодиодных ламп наиболее доступным и недорогим.

Обратите внимание! Сравнивая лампы на SMD и COB светодиодах можно отметить, что первые поддаются ремонту путем замены вышедшего из строя светодиода. Если не работает лампа на COB светодиодах, придется менять всю плату с диодами.

Характеристики светодиодов

Выбирая для освещения подходящую светодиодную лампу, следует учитывать параметры светодиодов. К ним относят напряжение питания, мощность, рабочий ток, эффективность (светоотдача), температуру свечения (цвет), угол излучения, размеры, срок деградации. Зная основные параметры, можно будет без труда выбрать приборы для получения того или иного результата освещенности.

Величина тока потребления светодиода

Как правило, для обычных светодиодов предусмотрена сила тока величиной 0,02А. Однако бывают светодиоды, рассчитанные на 0,08А. К таким светодиодам относят более мощные приборы, в устройстве которых задействованы четыре кристалла. Они располагаются в одном корпусе. Так как каждый из кристаллов потребляет по 0,02А, в сумме один прибор будет потреблять 0,08А.

Стабильность работы светодиодных приборов зависит от величины тока. Даже незначительное увеличение силы тока способствует снижению интенсивности излучения (старению) кристалла и увеличению цветовой температуры. Это в конечном результате приводит к тому, что светодиоды начинают отливать синим цветом и преждевременно выходят из строя. А если показатель силы тока увеличивается существенно, светодиод сразу перегорает.

Чтобы ограничить потребляемый ток, в конструкциях LED-ламп и светильников предусмотрены стабилизаторы тока для светодиодов (драйверы). Они преобразуют ток, доводя его до нужной светодиодам величины. В случае, когда требуется подключить отдельный светодиод к сети, нужно использовать токоограничительные резисторы. Расчет сопротивления резистора для светодиода выполняют с учетом его конкретных характеристик.

Полезный совет! Чтобы правильно подобрать резистор, можно воспользоваться калькулятором расчета резистора для светодиода, размещенным в сети интернет.

Напряжение светодиодов

Как узнать напряжение светодиодов? Дело в том, что параметра напряжения питания как такового у светодиодов нет. Вместо этого используется характеристика падения напряжения на светодиоде, что означает величину напряжения на выходе светодиода при прохождении через него номинального тока. Значение напряжения, указанное на упаковке, отражает как раз падение напряжения. Зная эту величину, можно определить оставшееся на кристалле напряжение. Именно это значение берется во внимание при расчетах.

Учитывая применение различных полупроводников для светодиодов, напряжение у каждого из них может быть разным. Как узнать, на сколько Вольт светодиод? Определить можно по цвету свечения приборов. Например, для синих, зеленых и белых кристаллов напряжение составляет около 3В, для желтых и красных – от 1,8 до 2,4В.

При использовании параллельного подключения светодиодов идентичного номинала с величиной напряжения в 2В можно столкнуться со следующим: в результате разброса параметров одни излучающие диоды выйдут из строя (сгорят), а другие будут очень слабо светиться. Это произойдет ввиду того, что при увеличении напряжения даже на 0,1В наблюдается увеличение силы тока, проходящего через светодиод, в 1,5 раза. Поэтому так важно следить, чтобы ток соответствовал номиналу светодиода.

Светоотдача, угол свечения и мощность светодиодов

Сравнение светового потока диодов с другими источниками света проводят, учитывая силу издаваемого ими излучения. Приборы размером около 5 мм в диаметре дают от 1 до 5 лм света. В то время как световой поток лампы накаливания в 100Вт составляет 1000 лм. Но при сопоставлении необходимо учитывать, что у обычной лампы свет рассеянный, а у светодиода – направленный. Поэтому необходимо принимать во внимание угол рассеивания светодиодов.

Угол рассеивания разных светодиодов может составлять от 20 до 120 градусов. При освещении светодиоды дают более яркий свет по центру и снижают освещенность к краям угла рассеивания. Таким образом, светодиоды лучше освещают конкретное пространство, используя при этом меньше мощности. Однако если требуется увеличить площадь освещенности, в конструкции светильника используют рассеивающие линзы.

Как определить мощность светодиодов? Чтобы определить мощность светодиодной лампы, требующейся для замены лампы накаливания, необходимо применять коэффициент, равный 8. Так, заменить обычную лампу мощностью 100Вт можно светодиодным прибором мощностью не менее 12,5Вт (100Вт/8). Для удобства можно воспользоваться данными таблицы соответствия мощности ламп накаливания и LED-источников света:

Мощность лампы накаливания, Вт	Соответствующая мощность светодиодного светильника, Вт
100	12-12,5
75	10
60	7,5-8
40	5
25	3

При использовании светодиодов для освещения очень важен показатель эффективности, который определяется отношением светового потока (лм) к мощности (Вт). Сопоставляя эти параметры у разных источников света, получаем, что эффективность лампы накаливания составляет 10-12 лм/Вт, люминесцентной – 35-40 лм/Вт, светодиодной – 130-140 лм/Вт.

Цветовая температура LED-источников

Одним из важных параметров светодиодных источников является температура свечения. Единицы измерения этой величины – градусы Кельвина (К). Следует отметить, что все источники света по температуре свечения разделяют на три класса, среди которых теплый белый имеет цветовую температуру менее 3300 К, дневной белый – от 3300 до 5300 К и холодный белый свыше 5300 К.

Обратите внимание! Комфортное восприятие человеческим глазом светодиодного излучения непосредственно зависит от цветовой температуры LED-источника.

Цветовая температура обычно указывается на маркировке светодиодных ламп. Она обозначается четырехзначным числом и буквой К. Выбор LED-ламп с определенной цветовой температурой напрямую зависит от особенностей применения ее для освещения. Предложенная ниже таблица отображает варианты использования светодиодных источников с разной температурой свечения:

Цвет свечения светодиодов		Цветовая температура, К	Варианты использования в освещении
Белый	Теплый	2700-3500	Освещение бытовых и офисных помещений как наиболее подходящий аналог лампы накаливания
	Нейтральный (дневной)	3500-5300	Отличная цветопередача таких ламп позволяет применять их для освещения рабочих мест на производстве
	Холодный	свыше 5300	Используется в основном для освещения улиц, а также применяется в устройстве ручных фонарей
Красный		1800	Как источник декоративной и фито-подсветки
Зеленый		-
Желтый		3300	Световое оформление интерьеров
Синий		7500	Подсветка поверхностей в интерьере, фито-подсветка

Волновая природа цвета позволяет выразить цветовую температуру светодиодов, используя длину волны. Маркировка некоторых светодиодных приборов отражает цветовую температуру именно в виде интервала различных длин волн. Длина волны имеет обозначение λ и измеряется в нанометрах (нм).

Типоразмеры SMD светодиодов и их характеристики

Учитывая размер SMD светодиодов, приборы классифицируются в группы с различными характеристиками. Наиболее популярные светодиоды с типоразмерами 3528, 5050, 5730, 2835, 3014 и 5630. Характеристики SMD светодиодов в зависимости от размеров рознятся. Так, разные типы SMD светодиодов отличаются по яркости, цветовой температуре, мощности. В маркировке светодиодов первые две цифры показывают длину и ширину прибора.

Основные параметры светодиодов SMD 2835

К основным характеристикам SMD светодиодов 2835 относят увеличенную площадь излучения. В сравнении с прибором SMD 3528, который имеет круглую рабочую поверхность, площадь излучения SMD 2835 имеет прямоугольную форму, что способствует большей светоотдаче при меньшей высоте элемента (около 0,8 мм). Световой поток такого прибора составляет 50 лм.

Корпус светодиодов SMD 2835 выполнен из термостойкого полимера и может выдерживать температуру до 240°С. Следует отметить, что деградация излучения в этих элементах составляет менее 5% в течение 3000 часов функционирования. Кроме того, прибор имеет достаточно низкое тепловое сопротивление перехода кристалл-подложка (4 С/Вт). Рабочий ток в максимальном значении – 0,18А, температура кристалла – 130°С.

По цвету свечения выделяют теплый белый с температурой свечения 4000 К, дневной белый – 4800 К, чистый белый – от 5000 до 5800 К и холодный белый с цветовой температурой 6500-7500 К. Стоит отметить, что максимальная величина светового потока у приборов с холодным белым свечением, минимальная – у светодиодов теплого белого цвета. В конструкции прибора увеличены контактные площадки, что способствует лучшему отводу тепла.

Полезный совет! Светодиоды SMD 2835 могут быть использованы для любого типа монтажа.

Характеристики светодиодов SMD 5050

В конструкции корпуса SMD 5050 размещены три однотипных светодиода. LED источники синего, красного и зеленого цвета имеют технические характеристики, аналогичные кристаллам SMD 3528. Значение рабочего тока каждого из трех светодиодов составляет 0,02А, следовательно суммарная величина тока всего прибора 0,06А. Для того, чтобы светодиоды не вышли из строя, рекомендуется не превышать эту величину.

LED приборы SMD 5050 имеют прямое напряжение величиной 3-3,3В и светоотдачу (сетевой поток) 18-21 лм. Мощность одного светодиода складывается из трех величин мощности каждого кристалла (0,7Вт) и составляет 0,21Вт. Цвет свечения, испускаемый приборами, может быть белым во всех оттенках, зеленым, синим, желтым и многоцветным.

Близкое расположение светодиодов разных цветов в одном корпусе SMD 5050 позволило реализовать многоцветные светодиоды с отдельным управлением каждым цветом. Для регулирования светильников с использованием светодиодов SMD 5050 используют контроллеры, благодаря чему цвет свечения можно плавно изменять от одного к другому через заданное количество времени. Обычно такие приборы имеют несколько режимов управления и могут регулировать яркость свечения светодиодов.

Типовые характеристики светодиода SMD 5730

Светодиоды SMD 5730 – современные представители LED-приборов, корпус которых имеет геометрические размеры 5,7х3 мм. Они относятся к сверхярким светодиодам, характеристики которых стабильны и качественно отличаются от параметров предшественников. Изготовленные с применением новых материалов, эти светодиоды отличаются повышенной мощностью и высокоэффективным световым потоком. Кроме того, они могут работать в условиях повышенной влажности, устойчивы к перепадам температур и вибрации, имеют длительный срок службы.

Существует две разновидности приборов: SMD 5730-0,5 с мощностью 0,5Вт и SMD 5730-1 с мощностью 1Вт. Отличительной особенностью приборов является возможность их функционирования на импульсном токе. Величина номинального тока SMD 5730-0,5 составляет 0,15А, при импульсной работе прибор может выдерживать силу тока до 0,18А. Данный тип светодиодов обеспечивает световой поток до 45 лм.

Светодиоды SMD 5730-1 работают на постоянном токе 0,35А, при импульсном режиме – до 0,8А. Эффективность светоотдачи такого прибора может составить до 110 лм. Благодаря термостойкому полимеру, корпус прибора выдерживает температуру до 250°С. Угол рассеивания обоих типов SMD 5730 равен 120 градусам. Степень деградации светового потока составляет менее 1% при работе в течение 3000 часов.

Характеристики светодиодов Cree

Компания Cree (США) занимается разработкой и выпуском сверхъярких и самых мощных светодиодов. Одна из групп светодиодов Cree представлена серией приборов Xlamp, которые делятся на однокристальные и многокристальные. Одной из особенностей однокристальных источников является распределение излучения по краям прибора. Это инновация позволила выпускать светильники с большим углом свечения, используя минимальное количество кристаллов.

В серии LED-источников XQ-E High Intensity угол свечения составляет от 100 до 145 градусов. Имея небольшие геометрические размеры 1,6х1,6 мм, мощность сверхярких светодиодов – 3 Вольта, а световой поток – 330 лм. Это одна из новейших разработок компании Cree. Все светодиоды, конструкция которых разработана на базе одного кристалла, имеют качественную цветопередачу в пределах CRE 70-90.

Статья по теме:

Как сделать или починить LED-гирлянду самостоятельно. Цены и основные характеристики наиболее популярных моделей.

Компания Cree выпустила несколько вариантов многокристальных LED-приборов с новейшими типами питания от 6 до 72 Вольт. Многокристальные светодиоды делятся на три группы, в которые входят приборы с высоким напряжением, мощностью до 4Вт и выше 4Вт. В источниках до 4Вт собраны 6 кристаллов в корпусе типа MX и ML. Угол рассеивания составляет 120 градусов. Купить светодиоды Cree такого типа можно с белым теплым и холодным цветом свечения.

Полезный совет! Несмотря на высокую надежность и качество света, купить мощные светодиоды серии MX и ML можно по относительно небольшой цене.

В группу свыше 4Вт входят светодиоды из нескольких кристаллов. Самыми габаритными в группе являются приборы мощностью 25Вт, представленные серией MT-G. Новинка компании – светодиоды модели XHP. Один из крупных LED-приборов имеет корпус 7х7 мм, его мощность 12Вт, светоотдача 1710 лм. Светодиоды с высоким напряжением питания объединяют в себе небольшие габариты и высокую светоотдачу.

Схемы подключения светодиодов

Существуют определенные правила подключения светодиодов. Беря во внимание, что проходящий через прибор ток движется только в одном направлении, для длительного и стабильного функционирования LED-приборов важно учитывать не только определенное напряжение, но и оптимальную величину тока.

Схема подключения светодиода к сети 220В

В зависимости от используемого источника питания, различают два вида схем подключения светодиодов к 220В. В одном из случаев используется с ограниченным током, во втором – специальный , стабилизирующий напряжение. Первый вариант учитывает использование специального источника с определенной силой тока. Резистор в данной схеме не требуется, а количество подключаемых светодиодов ограничивается мощностью драйвера.

Для обозначения светодиодов на схеме используются пиктограммы двух видов. Над каждым схематическим их изображением находятся две небольшие параллельные стрелочки, направленные вверх. Они символизируют яркое свечение LED-прибора. Перед тем как подключить светодиод к 220В используя блок питания, необходимо в схему включить резистор. Если это условие не выполнить, это приведет к тому, что рабочий ресурс светодиода существенно сократится или он попросту выйдет из строя.

Если при подключении использовать блок питания, то стабильным в схеме будет лишь напряжение. Учитывая незначительное внутреннее сопротивление LED-прибора, включение его без ограничителя тока приведет к сгоранию прибора. Именно поэтому в схему включения светодиода вводят соответствующий резистор. Следует отметить, что резисторы бывают с разным номиналом, поэтому их следует правильно рассчитывать.

Полезный совет! Негативным моментом схем включения светодиода в сеть 220 Вольт с использованием резистора становится рассеивание большой мощности, когда требуется подключить нагрузку с повышенным потреблением тока. В этом случае резистор заменяют гасящим конденсатором.

Как рассчитать сопротивление для светодиода

При расчете сопротивления для светодиода руководствуются формулой:

U = IхR ,

где U – напряжение, I – сила тока, R – сопротивление (закон Ома). Допустим, необходимо подключить светодиод с такими параметрами: 3В – напряжение и 0,02А – сила тока. Чтобы при подключении светодиода к 5 Вольтам на блоке питания он не вышел из строя, надо убрать лишние 2В (5-3 = 2В). Для этого необходимо включить в схему резистор с определенным сопротивлением, которое рассчитывается с помощью закона Ома:

R = U/I .

Таким образом, отношение 2В к 0,02А составит 100 Ом, т.е. именно такой необходим резистор.

Очень часто бывает, что учитывая параметры светодиодов, сопротивление резистора имеет нестандартное для прибора значение. Такие ограничители тока нельзя отыскать в точках продажи, например, 128 или 112,8 Ом. Тогда следует использовать резисторы, сопротивление которых имеет ближайшее большее значение по сравнению с расчетным. При этом светодиоды будут функционировать не в полную силу, а лишь на 90-97%, но это будет незаметно для глаза и положительно отразится на ресурсе прибора.

В интернете представлено множество вариантов калькуляторов расчетов светодиодов. Они учитывают основные параметры: падение напряжения, номинальный ток, напряжение на выходе, количество приборов в цепи. Задав в поле формы параметры LED-приборов и источников тока, можно узнать соответствующие характеристики резисторов. Для определения сопротивления маркированных цветом токоограничителей также существуют онлайн расчеты резисторов для светодиодов.

Схемы параллельного и последовательного подключения светодиодов

При сборке конструкций из нескольких LED-приборов используют схемы включения светодиодов в сеть 220 Вольт с последовательным или параллельным соединением. При этом для корректного подключения следует учитывать, что при последовательном включении светодиодов требуемое напряжение представляет собой сумму падений напряжений каждого прибора. В то время как при параллельном включении светодиодов складывается сила тока.

Если в схемах используются LED-приборы с разными параметрами, то для стабильной работы необходимо рассчитать резистор для каждого светодиода отдельно. Следует отметить, что двух совершенно одинаковых светодиодов не существует. Даже приборы одной модели имеют незначительные отличия в параметрах. Это приводит к тому, что при подключении большого их количества в последовательную или параллельную схему с одним резистором, они могут быстро деградировать и выйти из строя.

Обратите внимание! При использовании одного резистора в параллельной или последовательной схеме можно подключать лишь LED-приборы с идентичными характеристиками.

Расхождение в параметрах при параллельном подключении нескольких светодиодов, допустим 4-5 шт., не повлияет на работу приборов. А если в такую схему подключить много светодиодов – это будет плохим решением. Даже если LED-источники имеют незначительный разброс характеристик, это приведет к тому, что некоторые приборы будут излучать яркий свет и быстро сгорят, а другие – будут слабо светиться. Поэтому при параллельном подключении следует всегда использовать отдельный резистор для каждого прибора.

Что касается последовательного соединения, то здесь имеет место экономное потребление, так как вся цепь расходует количество тока, равное потреблению одного светодиода. При параллельной схеме, потребление составляет сумму расходования всех включенных в схему LED-источников, включенных в схему.

Как подключить светодиоды к 12 Вольтам

В конструкции некоторых приборов резисторы предусмотрены еще на этапе изготовления, что дает возможность подключения светодиодов к 12 Вольт или 5 Вольт. Однако такие приборы не всегда можно найти в продаже. Поэтому в схеме подключения светодиодов к 12 вольт предусматривают ограничитель тока. Первым делом необходимо выяснить характеристики подключаемых светодиодов.

Такой параметр, как прямое падение напряжения у типовых LED-приборов составляет около 2В. Номинальный ток у этих светодиодов соответствует 0,02А. Если требуется подключить такой светодиод к 12В, то «лишние» 10В (12 минус 2) необходимо погасить ограничительным резистором. С помощью закона Ома можно рассчитать для него сопротивление. Получим, что 10/0,02 = 500 (Ом). Таким образом, необходим резистор с номиналом 510 Ом, который является ближайшим по ряду электронных компонентов Е24.

Чтобы такая схема работала стабильно, требуется еще вычислить мощность ограничителя. Используя формулу, исходя из которой мощность равна произведению напряжения и тока, рассчитываем ее значение. Напряжение величиной 10В умножаем на ток 0,02А и получаем 0,2Вт. Таким образом, необходим резистор, стандартный номинал мощности которого составляет 0,25Вт.

Если в схему необходимо включить два LED-прибора, то следует учитывать, что напряжение падающее на них, будет составлять уже 4В. Соответственно для резистора останется погасить уже не 10В, а 8В. Следовательно, дальнейший расчет сопротивления и мощности резистора делается на основании этого значения. Расположение резистора в схеме можно предусмотреть в любом месте: со стороны анода, катода, между светодиодами.

Как проверить светодиод мультиметром

Один из способов проверки рабочего состояния светодиодов – тестирование мультиметром. Таким прибором можно диагностировать светодиоды любого исполнения. Перед тем как проверить светодиод тестером, переключатель прибора устанавливают в режиме «прозвонки», а щупы прикладывают к выводам. При замыкании красного щупа на анод, а черного на катод, кристалл должен излучать свет. Если поменять полярность, на дисплее прибора должна отображаться показание «1».

Полезный совет! Перед тем как проверить светодиод на работоспособность, рекомендуется приглушить основное освещение, так как при тестировании ток очень низкий и светодиод будет излучать свет так слабо, что при нормальном освещении этого можно не заметить.

Тестирование LED-приборов можно произвести, не используя щупы. Для этого в отверстия, расположенные в нижнем углу прибора, анод вставляют в отверстие с символом «Е», а катод – с указателем «С». Если светодиод в рабочем состоянии – он должен засветиться. Этот метод тестирования подходит для светодиодов с достаточно длинными контактами, очищенными от припоя. Положение переключателя при таком способе проверки не имеет значения.

Как проверить светодиоды мультиметром, не выпаивая? Для этого необходимо припаять к щупам тестера кусочки от обычной скрепки. В качестве изоляции подойдет текстолитовая прокладка, которая укладывается между проводами, после чего обрабатывается изолентой. На выходе получается своеобразный переходник для подключения щупов. Скрепки хорошо пружинят и надежно фиксируются в разъемах. В таком виде можно подключить щупы к светодиодам, не выпаивая их из схемы.

Что можно сделать из светодиодов своими руками

Многие радиолюбители практикуют сборку различных конструкций из светодиодов своими руками. Собранные самостоятельно изделия не уступают по качеству, а иногда и превосходят аналоги производственного изготовления. Это могут быть цветомузыкальные устройства, мигающие конструкции светодиодов, бегущие огни на светодиодах своими руками и многое другое.

Сборка стабилизатора тока для светодиодов своими руками

Чтобы ресурс светодиода не выработался раньше положенного срока, необходимо чтобы ток, протекающий через него, имел стабильное значение. Известно, что светодиоды красного, желтого и зеленого цвета могут справляться с повышенной нагрузкой по току. В то время как сине-зеленые и белые LED-источники даже при небольшой перегрузке сгорают за 2 часа. Таким образом, для нормальной работы светодиода необходимо решить вопрос с его питанием.

Если собрать цепочку из последовательно или параллельно соединенных светодиодов, то обеспечить им идентичное излучение можно в том случае, если ток, проходящий через них, будет иметь одинаковую силу. Кроме того, импульсы обратного тока могут негативно повлиять на ресурс LED-источников. Чтобы такого не произошло, необходимо включить в схему стабилизатор тока для светодиодов.

Качественные признаки светодиодных светильников зависят от применяемого драйвера – устройства, которое преобразует напряжение в стабилизированный ток с конкретным значением. Многие радиолюбители собирают схему питания светодиодов от 220В своими руками на базе микросхемы LM317. Элементы для такой электронной схемы имеют небольшую стоимость и такой стабилизатор легко сконструировать.

При использовании стабилизатора тока на LM317 для светодиодов регулируют ток в пределах 1А. Выпрямитель на базе LM317L стабилизирует ток до 0,1А. В схеме устройства используют всего лишь один резистор. Его рассчитывают посредством онлайн калькулятора сопротивления для светодиода. Для питания подойдут имеющиеся подручные устройства: блоки питания от принтера, ноутбука или другой бытовой электроники. Более сложные схемы собирать самостоятельно не выгодно, так как их проще приобрести в готовом виде.

ДХО из светодиодов своими руками

Применение на автомобилях дневных ходовых огней (ДХО) заметно повышает видимость автомобиля в светлое время другими участниками дорожного движения. Многие автолюбители практикуют самостоятельную сборку ДХО с использованием светодиодов. Один из вариантов – устройство ДХО из 5-7 светодиодов мощностью 1Вт и 3Вт на каждый блок. Если использовать менее мощные LED-источники, световой поток не будет соответствовать нормативам для таких огней.

Полезный совет! При изготовлении ДХО своими руками, учитывайте требования ГОСТа: световой поток 400-800 Кд, угол свечения в горизонтальной плоскости – 55 градусов, в вертикальной – 25 градусов, площадь – 40 см².

Для основания можно использовать плату из алюминиевого профиля с площадками для крепления светодиодов. Светодиоды фиксируются на плате с помощью теплопроводного клеящего состава. В соответствии с типом LED-источников подбирается оптика. В данном случае подойдут линзы с углом свечения 35 градусов. Линзы устанавливаются на каждый светодиод отдельно. Провода выводятся в любую удобную сторону.

Далее изготавливается корпус для ДХО, служащий одновременно и радиатором. Для этого можно использовать П-образный профиль. Готовый светодиодный модуль располагают внутри профиля, закрепив его на винтах. Все свободное пространство можно залить прозрачным герметиком на силиконовой основе, оставив на поверхности только линзы. Такое покрытие будет служить в качестве влагозащиты.

Подключение ДХО к питанию производится с обязательным использованием резистора, сопротивление которого предварительно просчитывается и проверяется. Способы подключения могут быть разными, учитывая модель автомобиля. Схемы подключения можно отыскать в сети интернет.

Как сделать, чтобы светодиоды мигали

Наиболее популярными мигающими светодиодами, купить которые можно в готовом виде, являются приборы, регулируемые уровнем потенциала. Мигание кристалла происходит за счет изменения питания на выводах прибора. Так, двухцветный красно-зеленый LED-прибор излучает свет в зависимости от направления проходящего по нему тока. Эффект мигания в RGB-светодиоде достигается подключением трех выводов для отдельного управления к конкретной системе регулирования.

Но можно сделать мигающим и обычный одноцветный светодиод, имея в арсенале минимум электронных компонентов. Перед тем как сделать мигающий светодиод, необходимо выбрать работающую схему, которая будет простой и надежной. Можно использовать схему мигающего светодиода, которая будет запитана от источника с напряжением 12В.

Схема состоит из транзистора небольшой мощности Q1 (подойдет кремниевый высокочастотный КТЗ 315 или его аналоги), резистора R1 820-1000 Ом, 16-вольтового конденсатора С1 емкостью 470 мкФ и LED-источника. При включении схемы конденсатор заряжается до 9-10В, после этого транзистор на миг открывается и отдает накопленную энергию светодиоду, который начинает мигать. Данную схему можно реализовать только в случае питания от источника 12В.

Можно собрать более усовершенствованную схему, которая работает по аналогии с транзисторным мультивибратором. В схему входят транзисторы КТЗ 102 (2 шт.), резисторы R1 и R4 по 300 Ом каждый, чтобы ограничить ток, резисторы R2 и R3 по 27000 Ом, чтобы задавать ток базы транзисторов, 16-вольтовые полярные конденсаторы (2 шт. емкостью 10 мкФ) и два LED-источника. Данная схема питается от источника постоянного напряжения 5В.

Схема работает по принципу «пары Дарлингтона»: конденсаторы С1 и С2 попеременно заряжаются и разряжаются, что служит причиной открывания конкретного транзистора. Когда один транзистор отдает энергию С1, загорается один светодиод. Далее плавно заряжается С2, а ток базы VT1 снижается, что приводит к закрытию VT1 и открытию VT2 и загорается другой светодиод.

Полезный совет! Если использовать напряжение питания свыше 5В, потребуется применить резисторы с другим номиналом, чтобы исключить выход из строя светодиодов.

Сборка цветомузыки на светодиодах своими руками

Чтобы реализовать достаточно сложные схемы цветомузыки на светодиодах своими руками, необходимо сначала разобраться, как работает простейшая схема цветомузыки. Она состоит из одного транзистора, резистора и LED-прибора. Такую схему можно запитать от источника с номиналом от 6 до 12В. Функционирование схемы происходит за счет каскадного усиления с общим излучателем (эмиттером).

На базу VT1 поступает сигнал с изменяющейся амплитудой и частотой. В том случае, когда колебания сигнала превышают заданный порог, транзистор открывается и загорается светодиод. Минусом данной схемы является зависимость мигания от степени звукового сигнала. Таким образом эффект цветомузыки будет проявляться только при определенной степени громкости звука. Если звук увеличить. светодиод будет все время гореть, а при уменьшении – чуть вспыхивать.

Чтобы добиться полноценного эффекта, используют схему цветомузыки на светодиодах с разбивкой диапазона звука на три части. Схема с трехканальным преобразователем звука питается от источника напряжением 9В. Огромное количество схем цветомузыки можно найти в интернете на различных форумах радиолюбителей. Это могут быть схемы цветомузыки с использованием одноцветной ленты, RGB-светодиодной ленты, а также схемы плавного включения и выключения светодиодов. Так же в сети можно отыскать схемы бегущих огней на светодиодах.

Конструкция индикатора напряжения на светодиодах своими руками

Схема индикатора напряжения включает резистор R1 (переменное сопротивление 10 кОм), резисторы R1, R2 (1кОм), два транзистора VT1 КТ315Б, VT2 КТ361Б, три светодиода – HL1, HL2 (красные), HLЗ (зеленый). X1, X2 – 6-вольтовые источники питания. В данной схеме рекомендуется использовать LED-приборы с напряжением 1,5В.

Алгоритм работы самодельного светодиодного индикатора напряжения представляет собой следующее: когда подается напряжение, светится центральный LED-источник зеленого цвета. В случае падения напряжения, включается светодиод красного цвета, расположенный слева. Увеличение напряжения заставляет светиться красный светодиод, размещенный справа. При среднем положении резистора все транзисторы будут в закрытом положении, и напряжение поступит лишь на центральный зеленый светодиод.

Открытие транзистора VT1 происходит, когда ползунок резистора передвигают вверх, тем самым повышая напряжение. В этом случае поступление напряжения на HL3 прекращается, и оно подается на HL1. При перемещении ползунка вниз (понижение напряжение) происходит закрытие транзистора VT1 и открытие VT2, что даст питание светодиоду HL2. С незначительной задержкой LED HL1 погаснет, HL3 один раз мелькнет и засветится HL2.

Такую схему можно собрать, используя радиодетали от устаревшей техники. Некоторые собирают ее на текстолитовой плате, соблюдая масштаб 1:1 c размерами деталей, чтобы все элементы могли разместиться на плате.

Безграничный потенциал LED-освещения дает возможность самостоятельно конструировать из светодиодов различные светотехнические приборы с отличными характеристиками и достаточно низкой стоимостью.