Светилов
Назад

Подробное описание характеристик и видов светодиодов

Время на чтение: 21 минута
0
2922

Что такое светодиод

Светодиод – это твердотельный электрический источник искусственного света, изготовленный из полупроводниковых материалов p- и n- проводимости. Используя несколько технологий – напыление через маски, травление, эпитаксиальное осаждение и пр., получают p-n переход.

В полупроводниковом материале p-типа носителями тока являются «дырки» – атомы кристалла полупроводника, у которых легированием специальными металлами создают нехватку электронов. В n-материалах носителями являются избыточные электроны в кристалле.

«Дырка» фактически неподвижна. Она имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Электрон, «перескакивая» с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего, передвигает в обратном направлении «дырку».

Принцип работы или что обеспечивает свет

Подключая к p-n переходу постоянное напряжение определенной величины и полярности, вызывают в переходе электрический ток в виде встречного потока носителей электрического заряда - «дырок» – положительных «частиц» и электронов – отрицательных. При встрече этих потоков в p-n-переходе происходит их рекомбинация или слияние. В «дырку» попадает свободный электрон с повышенной энергией, и она исчезает.

Подробное описание характеристик и видов светодиодов
Схема работы светодиода.

Справа n-полупроводниковая часть кристалла, «обогащенная» свободными электронами, слева – p-полупроводниковая часть с положительными «частицами» – «дырками».

Энергия высвобождается в виде квантов света. Они эмиттируются, т.е. излучаются из торца кристалла. Поток квантов попадает на отражатель. Его полированная поверхность отражает свет в нужном направлении. Особой конфигурацией поверхности формируют требуемую диаграмму направленности светового потока.

Схема получения света в p-n-переходе
Схема получения света в p-n-переходе.

Напряжение для питания перехода прикладывается «+» – к аноду диода, который на электрических схемах изображается треугольником, а «-» – к катоду, изображаемому поперечной черточкой.

Конструкция светодиода

Конструкция светодиода в вертикальном разрезе.
Конструкция светодиода в вертикальном разрезе.

Сиреневым цветом изображена теплоотводящая подложка. Серыми трапециями – сечения светоотражающего рефлектора-отражателя кольцевой конфигурации из алюминия. В центре голубой – чип-кристалл светодиода с подключенными золотыми или серебряными проволочками, подпаянными к выводам анода и катода.

Достоинства и недостатки

Светодиоды – СИД (светоизлучающий диод) или LED, от английского Light Emitting Diode – как источники электрического искусственного света обладают множеством достоинств. По сравнению с традиционными лампами накаливания ЛН, в т.ч. и галогенными, они более энергоэффективны. Это подтверждается таким параметром, как светоотдача. Например, светоотдача, т.е. отношение количества света, которое выдает источник света к потребленной мощности у разных источников имеет такие значения, в Лм/Вт:

  • у обычных ламп накаливания – от 4-5 до 12-13;
  • у галогенных – от 14 до 17-18;
  • у люминесцентных – от 45-50 до 70;
  • у разрядных металлогалогенных – от 75-80 до 100-105;
  • у светодиодов и мощных разрядных натриевых ламп – около 110-115;
  • у перспективных светодиодов – около 250-270.

К другим достоинствам относятся:

  • длительный срок эксплуатации, который больше номинального срока службы ламп накаливания в 10-100 раз;
  • к.п.д. значительно больший, чем у других источников света;
  • высочайшая надежность обеспечена механической прочностью твердотельного кристалла, пайкой по большим плоскостям контактных площадок, небольшими размерами и массой корпуса приборов и пр.;
  • электрическая безопасность – рабочее напряжение не превышает 12-18 В и только некоторые светодиодные изделия питаются от сети 230 В напрямую;
  • безопасность для здоровья человека и природы – материалы, используемые в конструкции нейтральны или малоопасны, в то время в других энергоэффективных источниках света – разрядных лампах, люминесцентных трубчатых, компактных, индукционных и т.п. используется ртуть – материал 1-й группы опасности, который имеет свойства накапливаться в организме человека и животных;
  • достаточно высокое качество света: разная цветовая температура, точное цветовоспроизведение, малый уровень пульсаций светового потока и т.п.;
  • работа в разных климатических условиях: при высокой влажности и запыленности воздуха, при температуре минус 50-60℃;
  • мгновенный выход на рабочий режим. Разрядным лампам на это требуется от 30 сек до нескольких минут;
  • неограниченное число включений. Люминесцентные источники света имеют от 7-8 до 20-25 тыс. включений;
  • высокая стабильность параметров во времени.

Тематическое видео

Белые светодиоды с трехкомпонентным люминофором имеют в спектре излучения 3-5 спектральных линий, а современные газоразрядные лампы – 2-3. Поэтому светодиоды имеют более высокий коэффициент цветопередачи, чем люминесцентные лампы.

Но светодиоды имеют и недостатки:

  • ограничение по верхней рабочей температуре, не превышающей 80-100℃;
  • высокая стоимость, но она компенсируется длительной работой и минимумом техобслуживания.

У некоторых разновидностей светодиодов при производстве обеспечивают нужный оттенок белого света – от супертеплого до очень холодного, или практически любой цвет. Регулируемые светодиоды – RGB-триады, тройки разноцветных кристаллов в одном корпусе, позволяют получить любой белый или цветовой оттенок. В светильниках, лентах и линейках, модулях на светодиодной основе эти возможности еще больше.

Классификация

Светодиоды – устройства довольно «молодые». Их окончательная классификация еще не сложилась. Поэтому многие известные производители используют собственные системы видов и типов.

По одной из них светодиоды по назначению группируют так:

  1. Индикаторные.
  2. Осветительные.

Индикаторные в своей группе делятся на следующие виды.

DIP-диоды

Аббревиатура получена от Dual In-line Package или «двойное размещение в линию». Обычно корпусы – цилиндры, но есть и параллелепипеды. На нижнем торце проволочные аксиальные выводы, параллельные основной оси симметрии корпуса. Вывод катода меньшей длины, чем анода.

Подробное описание характеристик и видов светодиодов
ДИП-светодиод над печатной платой, видна пайка в металлизованные отверстия.

Деление на типы – по диаметру корпуса и линзе на верхнем торце. Диаметры от 2-3 до 20 мм и более. Цвет свечения – любой, белых оттенков несколько.

Один из типов – мигающий 2-мя цветами, имеет 3 вывода.

Диоды Straw Hat

Дословный перевод – соломенная шляпа или брыль. Применяя к светодиодам корпус похож на шляпу с округлым верхом.

Вариант ДИП-светодиода под названием Straw Hat
Вариант ДИП-светодиода под названием Straw Hat или «соломенная шляпа».

Видны выводы разной длины, короткий – катод. Видны и ограничители высоты установки. Под линзой – кристалл с желтым люминофором.

Super Flux “Piranha”

Прямой перевод – сверхпоток. Piranha – перевод на русский язык – пиранья. Название светодиод получил из-за особенностей металлических выводов в виде узких полосок. Для упрощения установки в отверстия печатной платы у концов выводов при штамповке срезали углы. Так получились острые «зубы» хищной рыбы.

На выводе отштампованы «плечики» – ограничители, задающие высоту корпуса над платой. Так открыли корпус для охлаждения воздухом снизу. Кристаллы для пассивного охлаждения разместили на верхних торцах выводов.

Разместив в корпусе 2 или 3 чипа, увеличили поток света. А диод попал в группу сверхъярких.

светодиод «пиранья».
Светодиод вида «пиранья» в прозрачном корпусе.

Виден кристалл, «накрытый» линзой и зауженные выводы-формирователи высоты установки.

SMD-светодиоды

Аббревиатура от Surface Mounted Device, перевод с английского – устройство, установленное на поверхность. Имеют вид прямоугольных корпусов из пластика или керамики. Выводы – снизу и на боковой части корпуса в виде контактных площадок.

Чаще всего – осветительные, но при малой мощности могут быть и индикаторными. Мощности от мВт (милливатт) до Вт. Свечение – любой цвет или оттенок белого света.

Читайте также

Характеристики и внешний вид SMD светодиодов

 

OLED

Кроме твердотельных светодиодов на основе полупроводниковых металлов – кремния, германия, арсенида галия и пр., имеется группа светодиодов на пленках из органических соединений. Их называют органические или OLED-светодиоды – Organic Light Emitting Diode.

Они также, как и полупроводниковые диоды, излучают свет, но не твердотельной структурой, а тонкими пленками. Пока основное применение находят при разработке одноцветных дисплеев. Имеющиеся недостатки цветных OLED-пленок – разное по длительности время работы пленок разного цвета свечения. По минимуму это около 12-15 тыс. часов.

Такие светодиоды после совершенствования будут широко применяться в сотовых телефонах, автомобильных и судовых GPS-навигаторах, в ночных прицелах и приборах для ночной охоты и стрельбы и пр.

OLED - органические светодиоды

Филаментные

В 2012-2013 г. появились необычные светодиоды, которые назвали Filament. По сути – это COB-матрицы в виде длинных цилиндров диаметром 2-3 и длиной 15-30 мм. На стеклянный или сапфировый цилиндр наклеены 28-30 синих кристаллов с вкраплениями нескольких красных. Их соединяют в последовательные цепочки, и после проверки исправности заливают желтым люминофором.

Такая технология изготовления филаментных модулей получила название Chip-On-Glass или COG.

Готовые COG-матрицы размещают на арматуре обычных ламп накаливания, устанавливают в цоколь и помещают в стеклянную или пластмассовую колбу. Для охлаждения светодиодов колбу заполняют гелием.

Мощность ламп – от 2-3 до 10-12 Вт. Световой поток соответствует световой эффективности обычных светодиодов в 80-100 Лм/Вт.

В результате получили светодиодный ретрофит лампы накаливания. Часто лампу некорректно называют светодиодной лампой накаливания.

Термин ретрофит произошел от англ. retrofit – модернизация или модификация. Это новые источники света в корпусах с традиционными габаритами.

Филаментная светодиодная лампа в колбе «шар»
Филаментная светодиодная лампа в колбе «шар».
Филаментная лампа повышенной мощности в вытянутой колбе
Филаментная лампа повышенной мощности в вытянутой колбе.

На рисунках выше разные по мощности и производителям филаментные светодиодные лампы. В стеклянной колбе с цоколем Е27 на арматуре для нитей накаливания закреплены филаментные COL-модули.

Светодиоды вида PCB Star

Аббревиатура светодиодов этого вида образована от английского словосочетания Printed Circuit Board. Его перевод – печатная плата.

Плата диодов вида PCB Star.
Плата диодов вида PCB Star.

Плата диодов вида PCB Star. Производитель – американская компания CREE, Модель диода XML. Желтый прямоугольник – это COB-матрица мощного диода.

Плата изготавливается из металла, хорошо проводящего тепло, например, алюминия. Конфигурация платы – 6-ти лучевая звезда. Светодиодная COB-матрица на заводе монтируется в центре платы-звезды. Плата окрашивается в черный цвет для повышения пассивного рассеивания тепла, которое выделяет мощный работающий светоизлучающий прибор.

Мощные светодиоды вида PCB Star
Мощные светодиоды вида PCB Star.

6 «звездочек» слева – диоды разной мощности и оттенков белого света. Две снизу – более мощные элементы с большими кругами желтого люминофора. Справа столбик из 4-х шт. – диоды для планарного монтажа на поверхность контактных площадок на печатной плате.

Габаритный чертеж мощного планарного светодиода
Габаритный чертеж мощного планарного светодиода на плате-звезде.

Габаритный чертеж мощного планарного светодиода на плате-звезде. Высота конструкции – 6,6 мм, диаметр корпуса диода с планарными выводами – 8 мм, размер Star-платы – 22 мм.

Светодиодная COB-матрица

Если на теплопроводящую подложку из искусственного кристалла сапфира или кремния приклеить диэлектрическим клеем несколько десятков полупроводниковых кристаллов синего свечения, соединить их проводниками в последовательно-параллельные группы и залить сверху желтым люминофором, получим светодиодный модуль. Это COB-матрица. Аббревиатура образована от англоязычного словосочетания Chip-On-Board. Его переводят как «кристаллы на плате».

Смотреть исходное изображениеСветодиодная круглая COB-матрица
Светодиодная круглая COB-матрица, залитая желтым люминофором. По «ободку» расположены коричневые контактные площадки для подключения питающих и/или управляющих цепей.

В COB-матрицах применяют бескорпусные светодиодные кристаллы-чипы без подложек. Размещение чрезвычайно плотное. По такой технологии производят значительную часть мощных светодиодов, включающую сотни кристаллов. Хороший обдуваемый вентилятором радиатор-теплоотвод, иногда с использованием тепловых трубок, позволяет достичь мощности 150-200 Вт и более в одном корпусе. Матрица обеспечивает направленный поток с углом рассеивания 100-150 градусов по уровню 0,7 от максимума излучения.

Читайте также

Описание светодиодов типа COB

 

Типы светодиодов

К разным типам светодиодов можно отнести:

  • одиночные светодиоды на одном кристалле большой мощности (COB-матрице);
  • пары светодиодов в одном корпусе – индикаторные диоды, мигающие попеременно двумя цветами, например, красным и желтым;
  • тройки или триады излучателей трех основных цветов – красного, зеленого и синего или RGB: Red – Красный, Green – Зеленый, Blue – Синий.
Трехкристальный светодиод
Трехкристальный светодиод в SMD-корпусе для монтажа на поверхности печатной платы.

Если в трехкристальном светодиоде кристаллы одного цвета свечения – имеем сверхъяркий светодиод. При разных цветах света кристалла получаем RGB-триаду или многоцветный управляемый светоизлучающий прибор.

SMD – аббревиатура от английского словосочетания Surface Mounted Device, устройство поверхностного монтажа. Используется для автоматизации размещения и пайки электронных компонентов на печатных платах, в т.ч. и светодиодов. Применяют в лентах, линейках, модулях и обычных печатных платах.

К основным цветам относится и пара цветов YB – Yellow, желтый и Blue, синий. Есть и другие комбинации цветов, дающих после смешивания белый цвет.

Характеристики светодиодов

Светодиоды описываются множеством характеристик и параметров. Важнейшие из них:

  • сила света и энергетическая эффективность – Лм и Лм/Вт;
  • угол расхождения светового потока по уровням 0,5 или 0,7, градусы – у обычных от 120 до 140 град., у индикаторных моделей – от 15 до 45 град.;
  • мощность, потребляемая при работе, Вт – малая – до 0,5, средняя – 0,5-3, большая – более 3;
  • рабочий ток через диод, мА или А;
  • цвет или оттенок белого света, цветовая температура, градусы Кельвина, К – от 2000-2500 К – теплый белый и до 6500-9500 К – белый холодный.

Есть и другие характеристики, но они используются реже. Например, вольт-амперная характеристика, ВАХ светодиода – кривая зависимости тока через переход от приложенного к нему рабочего напряжения. Применяется при электрических расчетах режима работы светодиода.

Размеры светодиодов

Размеры светодиода определяются габаритами его корпуса. Для корпусов SMD – длина, ширина, толщина. Первые две величины заложены в обозначении, например, SMD2835, где две пары цифр – это 2,8 мм – ширина и 3,5 мм – длина. Толщину корпуса нужно брать из описания или паспорта на диод.

Для цилиндрических DIP-диодов важные характеристики – диаметр корпуса и его высота с линзой. При этом нужно учесть длину проволочных выводов и рекомендации производителя по их изгибу перед монтажом.

Длина волны светодиода

Такая характеристика светодиодов, как длина волны используется очень редко. Чаще называют цвет свечения.

Оттенок цветаДлина волны, нм
Инфракрасный (невидимый)760-880
красный620-760
оранжевый585-620
желтый575-585
желто-зеленый555-575
зеленый510-555
голубой480-510
синий450-480
фиолетовый390-450
Ультрафиолетовый (невидимый)10-390

Длина волны свечения диода измеряется в нанометрах – нм. В паспортных данных изделия она указывается не всегда.

Цветовая маркировка

У каждого производителя собственная маркировка светодиодов. Например, в обозначении светодиода – LED-WW-SMD5050 его буквенные и цифровые элементы имеют расшифровку:

  • LED – светодиод;
  • WW – цвет свечения Warm White – белый теплый 2700-3500 K;
  • SMD – корпус для поверхностного монтажа;
  • 5050 – размеры корпуса в десятых долях миллиметра – 5,0×5,0.

Варианты аббревиатур оттенков белого света:

  • DW – Day White – белый дневной (4000-5000 K);
  • W – White, белый чистый (6000-8000 K);
  • CW или WC – Cool White – белый холодный (8000-10 000 K);
  • WSC – White Super Cool – белый суперхолодный , цветовая температура 15 000 К с характерным синеватым оттенком;
  • NW – Neutral White – нейтральный белый – 5000 K.

Есть и другие обозначения светодиодов и цветов, система пока окончательно не стандартизована, поэтому производители используют разные числовые значения и названия оттенков белого света.

Таблица напряжения светодиодов

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

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

Цвет свеченияНапряжение рабочее, прямое, В
белый3,5
красный1,63–2,03
оранжевый2,03–2,1
желтый2,1–2,18
зеленый1,9–4,0
синий2,48–3,7
фиолетовый2,76–4
инфракрасныйдо 1,9
ультрафиолетовый3,1–4,4

Мощные светодиоды, их характеристики

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

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

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

Маломощные светодиоды

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

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

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

На картинке светодиоды сверху вниз:

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

Применение светодиодов

Сферы применения светодиодов постоянно расширяются. Первоначально они использовались как световые индикаторы в схемах включения или работы электронной аппаратуры. Например, включение передатчика, переход на повышенную или пониженную мощность и т.д. Могли фиксировать автоматическое включение, например, при появлении сигнала вызова или для привлечения внимания. Использовались мигающие или одноцветные светодиоды – красные, желтые, зеленые, синие.

Высокая энергетическая эффективность и потребность в экономичном освещении заставила производителей увеличивать световой поток. Стали использовать включение корпусных светодиодов в автономные конструкции в виде линеек или модулей.

Малогабаритные сверхъяркие DIP-светодиоды соединяли в последовательно-параллельные цепочки и питали их прямо от сети 220 В. Поместив такие последовательные группы диодов в прозрачную гибкую ПВХ-трубку и залив их прозрачным герметиком, получили «гибкий неон» – светящийся «жгут». Его можно проложить по бортику бассейна, бордюру дорожки, украсить крышу дома или дерево в саду.

Появление гибких многослойных плат и SMD-корпусов для поверхностного монтажа привело к созданию гибких светодиодных лент.

Вначале это были средства декоративной отделки интерьера помещений. Увеличение мощности SMD-диодов и плотности их размещения на плате позволило начать использование светодиодных лент вначале для вспомогательного, а потом и основного освещения. Увеличение степени пылевлагозащиты лент привело к их использованию для декоративной подсветки, а потом и основного освещения в условиях улицы.

лента с боковым свечением.
Светодиодная лента с боковым свечением.

Одновременно шла разработка светодиодных ламп для замены ламп накаливания в светильниках – бра, люстрах, настольных лампах. Появились лампы-ретрофиты – полные аналоги ламп накаливания и люминесцентных трубок по форме, размерам колб, напряжению питания. Началась постепенная замена ламп накаливания на светодиодные ретрофиты. При этом прекращалось производство ЛН – вначале 100 Вт и более, потом 75, 60 и т.д.

Светодиодное освещение появилось на улицах, перекрестках, площадях, автомобильных магистралях и стоянках.

Разработка мощных единичных светодиодов, особенно в корпусе Emitter или PCB Star, способствовала появлению фонариков со встроенным аккумулятором. Яркость и длительность свечения после одного цикла заряда в разы превосходила прежние модели.

Появились малогабаритные прожекторы как белого света, так и цветного.

Отличная управляемость светодиодов электронными средствами - контроллерами и диммерами – регуляторами яркости, позволила использовать мощные прожекторы в светодинамической иллюминации улиц и площадей городов и поселков в любом регионе страны.

Современное применение светодиодов

Светодиодные ленты типа RGB, RGBW и RGBWW дали возможность не только получить мощные потоки белого света, но и в широких пределах изменять его белый оттенок от желтоватого теплого до синеватого и голубого холодного.

Читайте также
Отличия RGB, RGBW и RGBWW светодиодных лент

 

Управляемость новых источников света позволяет широко использовать их в световой рекламе – «бегущих строках», световых табло, информационных экранах и т.п.

Используют эти яркие цветные и белые источники света в фасадной рекламе и на крышах – плоские и объемные буквы и рисунки, фирменные названия, изображения товарных знаков и многое другое.

И все эти конструкции работают много дольше аналогов на обычных лампах, почти не требуя обслуживания и потребляя при этом в разы меньше электроэнергии.

Технические возможности светодиодов и светотехнической аппаратуры постоянно растут. Стоимость светодиодов уменьшается, а применение расширяется.

Автор:
Попков Алексей
Поделиться
Комментарии:
Комментариев еще нет. Будь первым!
Имя
Укажите своё имя и фамилию
E-mail
Без СПАМа, обещаем
Текст сообщения
Отправляя данную форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и правилами нашего сайта.

Adblock
detector