Маленький кристалл с большими возможностями: характеристики светодиодов

Разновидности светодиодов

Существуют самые разные светодиоды, параметры и характеристики которых полностью зависят от их видов:

1. Моргающие: используются в индикаторах для привлечения внимания. Этот вид практически не отличается от обычных, однако для его изготовления применяется встроенный кругооборот мультивибратора, который мерцает с перерывом в 1 секунду. Основные виды таких диодов распространяют однотонные световые лучи, более сложные по своим характеристикам могут вспыхивать несколькими оттенками поочередно либо одновременно, благодаря параметру RGB.

2. Многоцветные моргающие светодиоды, характеристики которых достаточно разнообразны и могут быть представлены в двух разных кристаллах, работающих один навстречу другому, поэтому, когда загорается первый, то полностью гаснет второй. При помощи тока, который движется в начальном направлении, появляется один цвет, а в противоположном – другой. Благодаря такому виду работы образуется и третий цвет, так как два основных смешиваются.

3. Трехцветные светодиоды, параметры и характеристики которых заключаются в наличии нескольких светоизлучающих диодов, не связанных друг с другом, но совмещеных в одном корпусе. Они работают по отдельности, могут светиться одновременно, но управление у них остается совершенно разным.

4. Светоизлучающие RGB-диоды с синими, красными и зелеными элементами, в которых используется связь с четырьмя проводами и единым общим катодом либо анодом.

5. Монохромные дисплеи с семью сегментами, а так же с применением starburst – формата. Такие экраны показывают все цифры, а некоторые даже определенный набор букв. Использование Starburst позволяет отображать все символы.

Достаточно распространенные в 80-х годах алфавитно-цифровые и числовые дисплеи стали менее популярны после появления ж/к мониторов.

Выбор светодиодов для фонарика

Выбирая диод для фонаря, следует учитывать следующее:

• оптическая система;
• светосила;
• назначение;
• особенности конструкции. Имеется в виду защита от механических повреждений, пыли, влаги, а также способ удержания прибора в руке;
• мощность ламп;
• ёмкость аккумуляторов;
• цветовая температура;
• оптическая система.

Для сборки мощного фонарика рекомендуется устанавливать светодиоды от фирмы Cree из линейки XM-L и XM-L2. В прожекторные модели лучше покупать чипы из серии MKR и MT-G2. Для самого яркого фонаря приобретают диоды Luminus SST.

Рис.5 – диод из серии Luminus SST.

Также необходимо учесть угол свечения. Светодиоды серии XR, XM и XP имеют угол от 90 до 120°, а световой поток составит 280 Лм. Мощность прибора в данном случае не превысит 2 Вт. Поскольку самое мощное изделие требует силы тока до 13000 мА, его показатель может достигать 40 Вт. В фонарь иногда устанавливается несколько разновидностей аккумуляторов, а именно:

• литий-полимерные;
• литий-ионные;
• никель-кадмиевые;
• никель-ионные.

Если это карманный фонарик, подойдут обычные пальчиковые батарейки. В профессиональные модели устанавливают аккумулятор. Самым лучшим вариантом считаются литий-ионные, обладающие большей мощностью при компактных размерах, а также отличающиеся высокой теплоотдачей. Единственный их минус – быстрая разрядка при низких температурах.

Тип исполнения и назначение

Если вдаваться в детали, то этот раздел станет очень обширным. Ведь каждый производитель выпускает сотни видов светодиодов, отличающихся геометрическими размерами. И всё же существуют признаки, по которым можно их упорядочить. Перечислим основные типы светодиодов.

1. Слаботочные. Сверхъяркие двухвыводные светодиоды в круглом прозрачном корпусе 3, 5 или 10 мм. Чаще всего данный тип светодиодов применяют в качестве индикаторов, рекламно-информационных модулях или светофорах. Вторая подразновидность слаботочных светодиодов – компоненты в SMD корпусе прямоугольной или квадратной формы размером до 3х3,5 мм. SMD варианты наиболее часто используются в построении бегущих строк и систем индикации.
2. Мощные SMD. Собраны на одном кристалле без линзы, применяется данный тип в светодиодных лампах и лентах широкого потребления. Также есть варианты, собранные на нескольких кристаллах с общей линзой. Многокристальные виды светодиодов используются для промышленного и декоративного освещения.
3. COB-модули. Изделия белого свечения могут достигать размера 38х38 мм в квадратном исполнении и 50х6 мм в форме линеек. Из-за повышенного светового потока востребованы в конструировании прожекторов и фонарей уличного освещения.
4. Filament LED. Выполнен в виде стержня длиной около 30 мм с множеством кристаллов на поверхности. В настоящее время возможности филаментных светильников только раскрываются. Пока Filament LED массово применяются только для создания нитевидных ламп на 220В.
5. OLED. Этот тип тонкопленочных органических светодиодов применяется для построения органических дисплеев.
6. Излучающие диоды в ИК и УФ-диапазоне. Выпускают как в корпусе с выводами, так и в SMD исполнении. Среди товаров широкого потребления их можно увидеть в пультах ДУ и лампах для сушки ногтей.

В заключение стоит отметить, что приведенная классификация светодиодов не является полной и может быть ещё дополнена подвидами и группами. То же самое касается постоянно расширяющейся сферы применения. Но общая концепция, которую выдвигают лидеры в производстве оптоэлектроники Nichia, Cree и Philips в данной статье описана максимально подробно.

Актуальные производители и модели

Лидирующие позиции в сегменте рынка светодиодного оборудования и сопутствующих элементов занимают европейские концерны Philips и Osram.

Они предлагают клиенту широчайший ассортимент сертифицированной продукции, соответствующей всем самым жестким международным требованиям к качеству источников подачи света.

LED-лампы от Phillips и Osram считаются одними из самых надежных, отлично выдерживают интенсивные эксплуатационные нагрузки и наполняют помещения приятным, не раздражающим глаза, светом

Нормальное качество при невысокой цене демонстрирует продукция компании «Ферон» из России. Линейка светодиодных изделий представляет лампы разной конфигурации, включая модули, предназначенные для встраивания в мебель.

Заслуженным успехом у покупателей пользуются лед-лампы, выпущенные под брендом Gauss отечественной компанией «Ватрон». Торговая марка продает как бюджетные, так и премиум модули и дает 3-летнюю гарантию на свои товары.

Чтобы LED-лампа оправдала ожидания, покупать ее следует не на рынке или столике у метро, а в специализированных фирменных магазинах. Это поможет защититься от бракованной или откровенно некачественной продукции

Российская фирма Era – новичок на рынке светодиодов, однако, ее неизменно качественная продукция уже успела приглянуться клиентом.

Сейчас компания активно развивает производство и в будущем собирается потеснить конкурентов и даже опередить их в битве за покупателя.

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.

Принцип работы светодиода

Несмотря на рассмотренные технологические особенности, работа всех светодиодов базируется на общем принципе действия излучающего элемента. Преобразование электрического тока в световой поток происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с разным типом проводимости. Материал с n­-проводимостью получают путем его легирования электронами, а материал с p-проводимостью – дырками. Таким образом, в сопредельных слоях создаются дополнительные носители заряда противоположной направленности.

Вообще, данное физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Но в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра излучения. Чтобы заставить элементарную частицу двигаться в диапазоне 400-700 нм ученым пришлось провести немало экспериментов с подбором подходящих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и более сложные их формы, каждая из которых характеризуется своей длиной волны, а значит, и цветом излучения.

Кроме полезного света, испускаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется некоторое количество теплоты, которая снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому в конструкции мощных светодиодов должна быть продумана возможность реализации эффективного отвода тепла.

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.

Разновидности белого цвета

Чаще всего в быту, для декораций и освещения используются белые светодиоды, характеристики которых зависят от их тона.

Теплый белый свет: его цветовая температура составляет 2700 К, и он отличается небольшим желтоватым оттенком, похожим на пламя, которое излучает свеча. Именно такой оттенок характерен для ламп накаливания, он успокаивает и расслабляет

Важно отметить, что использование матового или прозрачного плафона будет менять оттенок на более мягкий либо насыщенный. Этот вид света не основной, но он прекрасно подойдет для дополнительного и декоративного освещения, будет идеальным для установки в спальнях

Благодаря ему можно создать в помещении гармонию и домашнее тепло.

Натуральный белый свет: его цветовая температура составляет 4200 К, он является самым популярным и чаще всего используемым. Подходит для применения в качестве основного источника освещения помещений как коммерческого характера, так и бытового. Можно использовать для всех типов поверхностей, таких как кухонная столешница либо рабочий стол в кабинете. Как и теплый свет, натуральный имеет несколько оттенков. Светильники и лампы с матовым рассеиванием будут иметь совсем другой спектр насыщенности, чем приборы с прозрачной колбой. Он способствует получению более точного и направленного света, нежели матовый, через который излучаются мягкие блики ненавязчивого оттенка.

Холодный белый свет: его цветовая температура составляет 6000 К. Имеет своеобразный голубоватый оттенок. Этот тон является очень ярким и чаще всего используется для офисов, а также как локальное освещение. Достаточно широкое распространение получил на парковках, в подъездах, на придомовой территории, а также в парках, алеях и скверах. Часто устанавливается для подсветки уличных реклам, коммерческих вывесок и прочего.

Виды фонариков со светодиодами

Выделяют несколько разновидностей фонариков, в которых используются светодиоды, а именно:

• в виде брелока. Это миниатюрное изделие для освещения предметов, находящихся на расстоянии 1-2 метров или ближе;
• универсальный. Пригодится на улице, где нет освещения, а также в быту. Фонарь компактный и удобно лежит в руке. Зачастую имеет металлический или пластиковый корпус. Оптимальным показателем светового потока для этой разновидности является 30 Люмен;
• тактический. Приобретают охотники, спасатели, военные и работники других спецслужб. Данные устройства отличаются надежностью, расширенным функционалом и энерговооруженностью. Световой поток может превышать 300 Люмен;
• туристический. Изделие отличается повышенной энерговооруженностью, возможностью регулировать угол светового луча и многофункциональностью. Большинство моделей оснащены дополнительными аксессуарами, например, сигнальным устройством;
• лампа. Подходит для освещения места привала в туристическом походе или палатки;
• подводный. Используется дайверами и является водонепроницаемым;
• поисковый. Фонарик предназначен для ношения в руке. Отличается повышенной яркостью и дальностью свечения (до 300 метров). Имеет отсек для батарей.

Рис.1 – виды фонариков.

Говоря о светодиодах, в зависимости от разновидности фонаря в них устанавливают чипы типа SMD, LED или сверхъяркие пятимиллиметровые диоды для фонарей сигнального типа. Именно последними чипами раньше оснащались практически все светодиодные фонари.

Рис.2 – сверхъяркий диод 5 мм.

Их главное преимущество – это низкая энергопотребляемость и компактность. Первые мощные фонарики оснащались несколькими сигнальными диодами, установленными на одну плоскость. У каждого из них был свой отражатель, который направлял световой поток в одну точку с остальными. Данная конструкция применяется до сих пор для поисковых приборов.

Конструкция ламп на светодиодах

Внешне источники света, использующие эффект испускания фотонов при прохождении электрического тока через полупроводник, почти не отличаются от ламп накаливания. Главное то, что у них есть привычный металлический цоколь с резьбой, который в точности повторяет все типоразмеры ламп накаливания. Это позволяет ничего не менять в электрооборудовании помещения для их подключения. Однако внутреннее устройство светодиодной лампы 220 вольт очень сложное. Она состоит из следующих элементов:

1) контактного цоколя;

2) корпуса, одновременно играющего роль радиатора;

3) платы питания и управления;

4) платы со светодиодами;

5) прозрачного колпака.

Плата питания и управления

Разбираясь как устроены светодиодные лампы 220 вольт, в первую очередь стоит понять, что полупроводниковые элементы не могут быть запитаны от переменного тока и напряжения такой величины. Иначе они попросту сгорят. Поэтому в корпусе этого источника света обязательно находится плата, которая снижает напряжение и выпрямляет ток. От устройства этой платы во многом зависит долговечность лампы. Точнее, какие элементы стоят на ее входе. В дешевых, кроме резистора перед выпрямляющим диодным мостом, ничего нет. Нередко случаются чудеса (обычно в лампах из Поднебесной), когда нет даже этого резистора и диодный мост напрямую подключен к цоколю. Такие лампы светят очень ярко, но срок их службы чрезвычайно низок, если они не подключены через стабилизирующие устройства. Для этого можно использовать, например, балластные трансформаторы.

Наиболее распространены схемы, в которых в цепи питания управляющей схемы лампы создан сглаживающий фильтр из резистора и конденсатора. В самых дорогих светодиодных лампах блок питания и управления построен на микросхемах. Они хорошо сглаживают броски напряжений, но их рабочий ресурс не слишком высок. В основном, из-за невозможности наладить эффективное охлаждение.

Плата светодиодов

Как бы ученые ни старались, изобретая все новые вещества с высокой эффективностью излучения в видимой части спектра, принцип работы светодиодной лампы остается прежним, и каждый её отдельный светящийся элемент очень слаб. Чтобы достичь требуемого эффекта, их группируют по несколько десятков, а иногда и сотен штук. Для этого используется плата из диэлектрика, на которую нанесены металлические токопроводящие дорожки. Она очень похожа на те, что используются в телевизорах, материнских платах компьютеров и других радиотехнических устройствах. Плата светодиодов выполняет еще одну важную функцию. Как вы уже заметили, в блоке управления нет понижающего трансформатора. Поставить его, конечно, можно, но это приведет к увеличению габаритов лампы и ее стоимости. Проблема понижения питающего напряжения до номинала, являющегося безопасным для светодиода, решается просто, но экстенсивно. Все светящиеся элементы включены последовательно, как в елочной гирлянде. Например, если в цепь 220 вольт включить последовательно 10 светодиодов, то каждому достанется 22 V (правда, величина тока при этом останется прежней). Недостатком этой схемы является то, что перегоревший элемент обрывает всю цепь и лампа перестает светить. У нерабочей лампы из десятка светодиодов могут быть неисправными лишь один или два. Есть умельцы, которые перепаивают их и живут спокойно дальше, но большинство неискушенных пользователей выбрасывают всё устройство на помойку.

Прозрачный колпак

В основном этот элемент играет роль защиты от пыли, влаги и шаловливых ручек. Однако есть у него и утилитарная функция. Большинство колпаков светодиодных ламп выглядят матовыми. Это решение могло бы показаться странным, ведь сила излучения светодиода ослабляется. Но его полезность для специалистов очевидна. Колпак матовый потому, что на его внутреннюю стороны нанесен слой люминофора – вещества, начинающего светиться под воздействием квантов энергии. Казалось бы, тут, что называется, масло масляное. Но люминофор имеет спектр излучения в несколько раз более широкий, чем у светодиода. Он приближен к естественному солнечному. Если оставить светодиоды без такой «прокладки», то от их свечения глаза начинают уставать и болеть.

Виды и характеристики светодиодов.

Светоизлучающие диоды различают по конструкции корпуса:

1. DIP – маломощные индикаторные цилиндрические элементы. Востребованы для подсветок экранов, индикации, световых гирлянд.
2. «Пиранья» — четырехконтактный DIP. Они крепче держатся на своем месте и меньше греются. Востребованы в автомобильной промышленности для подсветок.
3. SMD – внешне выглядит, как параллелепипед. За счет своей надежности и универсальности востребованы во многих отраслях светотехнической промышленности.
4. PCB Star светодиоды. Разновидность SMD.
5. СОВ – плоский SMD. Новейший тип.

Независимо от исполнения корпуса выделяют светодиоды:

1. Двухцветные. Они излучают одновременно два цвета. Обладают тремя контактами, один из которых общий.
2. Полноцветные RGB (красный-зеленый-синий). Изготавливаются из трех полупроводниковых кристаллов под общей линзой, обладают четырьмя электродами. По одному выводу для каждого полупроводникового элемента и один общий вывод. В SMD у прибора будет шесть выводов.

Пропорциональное смешение цветов дает всевозможные оттенки света. Например, при включении на 100% красного и зеленого получится желтый.

1. Адресные светодиоды − разновидность полноцветных. Отличаются от обычных RGB тем, что включаются по собственному индивидуальному коду. Востребован в лентах, где на адресном светодиоде можно задать неповторяющийся цветовой оттенок. При этом led-диод обладает собственным адресом, на который поступают команды от специального управляющего драйвера. Управление цветами происходит через микрочипы, которые встраиваются рядом с адресными светодиодами.
2. Сверхмощные (сверхяркие) светодиоды – элементы мощностью выше 1 Вт с силой тока от 300 мА. (Мощность обычных светодиодов измеряется чаще всего в милливаттах). Такие устройства светят очень ярким светом. Используются в фонариках, фарах, прожекторах и т.п.

Также led-элементы подразделяются на:

1. Индикаторные — маломощные.
2. Осветительные — приборы большой мощности.
3. Инфракрасные – излучают невидимый человеческому глазу инфракрасный спектр.

Инфракрасные диоды. Благодаря специально подобранным материалам проводников они испускают невидимые глазу инфракрасные лучи. Они безвредны для живых существ, но заметны для электронных систем регистрации. Востребованы во многих технических устройствах  и станках во всевозможных отраслях промышленности.

Индикаторные led-диоды. Выступают в роли индикаторов для техники,  подсветок дисплеев и т.п. Их делят по типу используемых полупроводников на:

• двойные – светят зеленым и оранжевым;
• тройные – светят желтым и оранжевым;
• тройные – светят красным и желто-зеленым.

Независимо от вида светодиоды характеризуются некоторыми параметрами.

Цвет излучения. Обусловлен химическим составом полупроводников. Некоторые вещества и соответствующие им цвета обозначены в таблице.

Яркость. Она пропорциональна силе тока, текущей сквозь элемент. Среди led-диоды, которые светят белым светом, выделяют яркие (20-25 милликандел) и сверхяркие (свыше 20 тысяч милликандел).

Сила тока. Светодиоды весьма чувствительны к силе тока. При превышении ее значения выше номинального led может перегореть. Поэтому не рекомендуется превышать максимальный прямой ток элемента. Точные значения для конкретного светодиода приводятся в техническом описании.

Падение напряжения. Характеризует допустимую разницу между величинами входного и выходящего напряжения. У значения напряжения для светодиодов есть максимальное значение, превышение которого приведет к поломке led. Значения указываются в техническом описании.

Полярность. Поскольку ток в светодиоде течет только от p -слоя к n -слою, для предотвращения поломок стоит полярность. Обычно ее определяют по внешнему виду, маркировке или особым пометкам на корпусе. (Подробнее смотрите в статье «определение полярности»). Также узнать полярность можно из технической документации.

Угол рассеивания света. Определяется формой линзы, конструкцией кристалла и от используемых для изготовления кристалла веществ. Может меняться от 15 до 180 градусов.

Преимущества светодиодного освещения

Будучи относительно новой технологией, светодиоды в большинстве случаев лучше многих источников освещения по качеству света, энергооэффективности, экологичности и рентабельности. Характеристики светодиодов превосходят параметры ламп высокого накаливания практически во всех областях применения, но такое освещение еще не может решить всех поставленных задач. Диоды белого оттенка уже прекрасно зарекомендовали себя как альтернатива люминесцентным трубчатым и лампам высокого давления. Но еще должно пройти небольшое количество времени, пока такие технологии начнут использовать в системе общественного пользования.

Цвет

Светодиоды различаются по длине волны излучаемого света. Различные цвета (излучение различных длин волн) получаются при использовании разных полупроводниковых материалов в основе светодиодов. На сегодняшний день возможно изготовление светодиодов любого видимого цвета (длины волн видимого спектра от 400 до 760 нм), а также  инфракрасных и ультрафиолетовых

Отдельно внимание следует обратить на светодиоды белого цвета излучения. Их получают путем нанесения специального люминофора на светодиоды синего цвета (реже на ультрафиолетовые)

Люминофор преобразует синий свет в белый, при этом эффективность светодиода естественно уменьшается.

Различные виды белых светодиодов условно классифицируются еще по типу оттенков белого света: теплые, нейтральные и холодные. Характеристикой цветности в таком случае выступает коррелированная цветовая температура, которая измеряется в Кельвинах . Для теплых диодов она составляет 2600-3700 К, для нейтральных 3700-5000 К, для холодных – 5000-10000 К

Важно отметить, что при прочих одинаковых параметрах кристалла, чем более теплый оттенок имеет светодиод, тем ниже его эффективность. Соответственно чем холоднее (больше доли синего света в общем потоке), тем диод эффективнее

 Считается, что для помещений лучше подходят светодиоды теплого цвета, а для уличного освещения – холодного.