Светодиоды справочник характеристики. Светодиоды: характеристики, принцип работы и применение

Что такое светодиоды и как они работают. Каковы основные характеристики светодиодов. Какие бывают виды светодиодов. Где применяются светодиоды в современной технике. Как рассчитать параметры светодиодной схемы.

Что такое светодиод и как он устроен

Светодиод (LED — Light Emitting Diode) — это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. В отличие от обычных ламп накаливания, светодиоды преобразуют электрическую энергию непосредственно в световую, что обеспечивает их высокую энергоэффективность.

Основными элементами конструкции светодиода являются:

• Полупроводниковый кристалл (чип)
• Корпус с контактными выводами
• Линза для фокусировки света
• Теплоотвод

Принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции — излучении света при прохождении электрического тока через p-n переход. При подаче прямого напряжения электроны из n-области инжектируются в p-область, где рекомбинируют с дырками, выделяя энергию в виде фотонов.

Основные характеристики светодиодов

При выборе и использовании светодиодов важно учитывать их ключевые параметры:

Цвет излучения

Длина волны излучаемого света определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. Наиболее распространены следующие цвета светодиодов:

• Красный (620-630 нм)
• Оранжевый (610-620 нм)
• Желтый (585-595 нм)
• Зеленый (520-530 нм)
• Синий (460-470 нм)
• Белый (комбинация синего и желтого люминофора)

Яркость свечения

Яркость светодиода измеряется в канделах (кд) или миллиамперах (мА). Типичные значения для маломощных светодиодов составляют 1-20 мА, для мощных — до нескольких ампер. Яркость напрямую зависит от протекающего тока.

Прямое напряжение

Напряжение, при котором светодиод начинает проводить ток и излучать свет. Типичные значения:

• Красные, желтые: 1.8-2.2 В
• Зеленые, синие: 3.0-3.5 В
• Белые: 3.0-3.6 В

Угол обзора

Определяет ширину светового пучка. Стандартные значения: 15°, 30°, 60°, 120°. Узкий угол дает более направленный свет.

Виды светодиодов и их применение

Существует множество разновидностей светодиодов, различающихся по конструкции, мощности и назначению:

Индикаторные светодиоды

Маломощные светодиоды в стандартных корпусах диаметром 3-5 мм. Применяются для индикации, подсветки приборных панелей, декоративного освещения.

SMD-светодиоды

Светодиоды для поверхностного монтажа. Компактные размеры позволяют создавать тонкие светодиодные панели и ленты. Широко используются в мобильных устройствах, бытовой технике.

Мощные светодиоды

Светодиоды мощностью от 1 Вт и выше. Применяются для создания ярких осветительных приборов, прожекторов, автомобильных фар.

COB-светодиоды

Технология «чип на плате» позволяет создавать компактные и яркие светодиодные модули. Используются в современных светильниках и лампах.

Преимущества и недостатки светодиодов

Светодиодные источники света обладают рядом важных преимуществ по сравнению с традиционными лампами:

Преимущества:

• Высокая энергоэффективность (до 150 лм/Вт)
• Длительный срок службы (до 100 000 часов)
• Малые размеры и вес
• Отсутствие ртути и других вредных веществ
• Мгновенное включение без мерцания
• Широкие возможности управления яркостью и цветом

Недостатки:

• Относительно высокая стоимость
• Необходимость стабилизации тока питания
• Чувствительность к перегреву
• Возможное негативное влияние синего света на зрение

Расчет параметров светодиодной схемы

При подключении светодиода к источнику питания необходимо правильно рассчитать токоограничивающий резистор. Формула для расчета:

R = (U_пит — U_св) / I_св

где:

• R — сопротивление резистора (Ом)
• U_пит — напряжение питания (В)
• U_св — прямое напряжение светодиода (В)
• I_св — рабочий ток светодиода (А)

Пример расчета: Для подключения красного светодиода (U_св = 2В, I_св = 20 мА) к источнику 5В потребуется резистор:

R = (5В — 2В) / 0.02А = 150 Ом

Применение светодиодов в современной технике

Благодаря своим уникальным свойствам, светодиоды нашли широкое применение в различных областях:

Освещение

Светодиодные лампы и светильники постепенно вытесняют традиционные источники света благодаря высокой эффективности и долговечности. Они применяются для:

• Бытового освещения (лампы, люстры, точечные светильники)
• Офисного освещения (панели, линейные светильники)
• Уличного и архитектурного освещения
• Промышленного освещения

Индикация и подсветка

Компактные размеры и низкое энергопотребление делают светодиоды идеальными для:

• Индикаторов состояния на электронных устройствах
• Подсветки дисплеев и клавиатур
• Декоративной подсветки интерьеров
• Рекламных вывесок и табло

Автомобильная светотехника

Светодиоды активно внедряются в автомобильную промышленность:

• Фары головного света
• Дневные ходовые огни
• Габаритные огни и стоп-сигналы
• Подсветка приборной панели и салона

Технологии производства белых светодиодов

Получение белого света с помощью светодиодов возможно несколькими способами:

Люминофорные светодиоды

Наиболее распространенный метод — нанесение желтого люминофора на синий светодиод. Часть синего излучения преобразуется в желтый свет, в результате получается белый. Преимущества:

• Простота конструкции
• Высокая эффективность
• Хорошая цветопередача

RGB-светодиоды

Белый свет получается смешением излучения красного, зеленого и синего светодиодов. Преимущества:

• Возможность управления цветовой температурой
• Получение любых оттенков белого

Недостатки: более сложная конструкция и управление, меньшая эффективность.

Перспективы развития светодиодных технологий

Светодиодная отрасль продолжает активно развиваться. Основные направления исследований:

• Повышение энергоэффективности (до 200-250 лм/Вт)
• Улучшение цветопередачи
• Снижение стоимости производства
• Разработка гибких и прозрачных светодиодов
• Создание органических светодиодов (OLED)

Ожидается, что в ближайшие годы светодиоды практически полностью вытеснят традиционные источники света в большинстве областей применения, открывая новые возможности для энергосбережения и создания инновационных световых решений.

Сверхяркие светодиоды: особенности и характеристики

С целью повышения рейтинга продаваемой продукции, а также увеличения продаж, производители и маркетологи взяли на вооружение термин «сверхяркий светодиод». Отсутствие каких-либо норм и стандартов даёт право применять его ко всем видам современных светодиодов без исключения.

Содержание

• 1 Немного теории
• 2 Разновидности
• 3 Технические характеристики

Немного теории

Понятие «сверхяркий светодиод» возникло в 90-х годах прошлого века, когда были изобретены дешёвые синие и белые светоизлучающие диоды, световой поток которых стал в несколько тысяч раз больше, чем у диффузных аналогов. Сегодня технология производства кристаллов продолжает совершенствоваться, что наглядно демонстрирует ежегодный рост светоотдачи.

Световая отдача серийно выпускаемых светодиодов перешагнула рубеж в 100 лм/Вт, а в лабораторных образцах достигает 140 лм/Вт. И это не предел. Получается, что каждый вновь изобретенный кристалл светит ярче своего предшественника, а значит, может называться сверхярким.

Разновидности

Чтобы внести ясность в постоянно прогрессирующий рынок светодиодной продукции, было решено разделить все светодиоды на группы и серии. Основным критерием такого деления является потребляемая мощность. Например, крупнейший производитель светодиодов в США, компания Cree, разделяет всю свою продукцию на две группы. В первую группу вошли мощные светоизлучающие диоды (XLamp) с потреблением более 300 мА (1 Вт), а во вторую – сверхяркие светодиоды (High Brightness), потребляющие до 0,5 Вт, но обладающие высокой светоотдачей. Группа сверхярких светодиодов Cree насчитывает несколько семейств, наиболее известными из которых являются PLCC, P4, известные как пиранья, а также светоизлучающие диоды в круглом корпусе с диаметром в 5 мм.

Другие компании-изготовители также придерживаются определённой градации, в которой есть место сверхярким светодиодам. Как правило, они образуют группу элементов малой и средней мощности. Компания Samsung известна на российском рынке своими высокоэффективными smd 5630 серии 541, а также smd 2835 серии 228F. Линейка сверхярких светодиодов Lumileds состоит из серий: Luxeon 3014, Luxeon 3020, Luxeon 3030.

Технические характеристики

Ввиду разнообразия моделей, рассматривать все технические характеристики не имеет смысла. Всем светодиодам, в том числе и сверхярким, присущи одни и те же параметры, которые подробно описаны в данной статье. Поэтому кратко затронем только основной важных параметр и рассмотрим несколько наиболее популярных моделей.

Основной технической характеристикой сверхяркого светодиода средней мощности является световой поток (лм). Среди параметров слаботочных моделей вместо него часто фигурирует сила света (кд).

Например, двухвыводные круглые светодиоды от Cree серии С503 с минимальным углом свечения 15° характеризуются силой света 11-40 кд, что примерно в 10 тыс. раз больше, чем у советского АЛ307. Светодиоды с такой яркостью, измеренной при токе в 20 мА, поистине заслуживают звания High Brightness.

Дополнительно увеличить световую отдачу (силу света) можно при помощи оптического коллиматора.

Всем известные четырёхвыводные P4-пиранья, от компании Cree, обладают световым потоком в 5–8 лм (I=70 мА) с углом свечения 40-120°. Несколько лет назад это считалось огромным достижением. Размещенные в квадратном корпусе со встроенной линзой и, благодаря устойчивости к вибрации, они до сих пор находят применение.

Семейство PLCC является самым многочисленным из группы сверхярких светодиодов от Cree и насчитывает более 20 моделей. Весь модельный ряд предназначен для поверхностного монтажа и отличается высокими цветовыми характеристиками (разнообразием бинов). В самой яркой модели (однокристальный белый PLCC-4) световой поток равен 7 лм при номинальном токе 30 мА. За рубежом PLCC часто используются в архитектурном освещении.

Белые яркие SMD светодиоды от Samsung серии 541 с углом рассеивания 120° способны произвести до 38 лм при токе 65 мА. Не отстаёт от них и продукция Lumileds. Например, линейка Luxeon 3030 выделяется световым потоком 72–109 лм, в зависимости от цветовой температуры. Стоит учесть, что столь высокие значения светоотдачи Luxeon 3030 измерены на токе 120 мА.

Светодиод — работа, характеристики, расчет

Светодиоды есть везде — в наших телефонах, в наших автомобилях и даже в наших домах. Всякий раз, когда светится какое-либо электронное устройство, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод.

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Подробнее

Светодиоды похожи на крошечные лампочки. Низкое энергопотребление, небольшой размер, быстрое переключение и длительный срок службы делают их идеальными для мобильных устройств и других приложений с низким энергопотреблением.

LED обозначает светоизлучающий диод. Это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. Они имеют очень похожие электрические характеристики с обычным диодом PN перехода. Вот почему символ светодиода похож на обычный диодный PN-переход, за исключением того, что он имеет стрелки, указывающие на излучение света.

Светодиод — конструкция

Светодиоды настолько распространены, что они бывают самых разных форм, размеров и цветов. Светодиоды, которые вы, скорее всего, будете использовать, являются стандартными светодиодами для сквозного монтажа с двумя ножками. На следующем рисунке показаны его части.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Конструкция светодиода сильно отличается от обычного диода. PN-соединение светодиода окружено прозрачной жесткой пластиковой оболочкой из эпоксидной смолы.

Оболочка сконструирована таким образом, что испускаемые соединением фотоны света фокусируются вверх через куполообразную верхнюю часть светодиода, которая действует как линза. Вот почему излучаемый свет выглядит ярче сверху светодиода.

Как и в обычном диоде, положительная сторона светодиода называется анодом, а отрицательная сторона светодиода называется катодом.  Катод обычно обозначается наличием более короткого вывода, чем анод. Кроме того, внешняя сторона пластикового корпуса обычно имеет плоский срез или выемку, которая также может указывать на катодную сторону светодиода.

Не все светодиоды имеют полусферическую форму, некоторые имеют прямоугольную форму, а некоторые имеют цилиндрическую форму, но в основном они построены одинаково.

Светодиод — работа

Как и обычный диод, светодиод работает только в режиме прямого смещения. Когда светодиод имеет прямое смещение, свободные электроны пересекают PN-переход и рекомбинируют с дырками. Поскольку эти электроны падают с более высокого на более низкий энергетический уровень, они излучают энергию в форме фотонов (света).

В обычных диодах эта энергия излучается в виде тепла, а в светодиоде энергия излучается в виде света. Этот эффект называется электролюминесценцией.

Светодиод — цвета

Светодиоды доступны в широком спектре цветов, наиболее распространенными из которых являются красный, зеленый, желтый, синий, оранжевый, белый и инфракрасный (невидимый) свет.

В отличие от обычных диодов, которые сделаны из германия или кремния, светодиоды сделаны из таких элементов, как галлий, мышьяк и фосфор. Смешивая эти элементы в разных пропорциях, производитель может производить светодиоды, излучающие разные цвета, как показано в таблице ниже.

Фактический цвет светодиода определяется длиной волны излучаемого света, которая, в свою очередь, определяется фактическим полупроводниковым материалом, используемым для изготовления диода.

Поэтому цвет света, излучаемого светодиодом, НЕ определяется цветом корпуса светодиода. Это только увеличивает светоотдачу и показывает его цвет, когда он не освещен.

Напряжение и ток светодиода

Для большинства светодиодов малой мощности типичное падение напряжения составляет от 1,2 В до 3,6 В для токов от 10 мА до 30 мА. Точное падение напряжения, конечно, будет зависеть от используемого полупроводникового материала, цвета, допуска, а также от других факторов.

Поскольку светодиод является в основном диодом, его кривые характеристик IV могут быть построены для каждого цвета, как показано ниже.

Если не указано иное, следует учитывать номинальное падение напряжения 2 В и прямой ток 20 мА.

Яркость светодиодов

Яркость светодиода напрямую зависит от того, какой ток он потребляет. Чем больше ток, тем ярче будет светить светодиод.

Вы можете контролировать яркость светодиода, управляя величиной тока через него.

Резистор для ограничения тока

Если вы подключите светодиод непосредственно к батарее или источнику питания, он будет пытаться рассеивать как можно больше энергии и почти мгновенно разрушит себя.

Поэтому важно ограничить количество тока, протекающего через светодиод. Для этого мы используем резисторы. Резистор ограничивает поток электронов в цепи и препятствует тому, чтобы светодиод пытался потреблять слишком много тока.

Токоограничивающий резистор размещается между светодиодом и источником напряжения следующим образом:

В приведенной выше схеме резистор имеет узловое напряжение VS слева и узловое напряжение VF справа, напряжение на резисторе представляет собой разницу между двумя напряжениями.

Применяя закон Ома, ограничивающий ток резистор рассчитывается как:

Основной пример

Предположим, что красный светодиод с прямым падением напряжения 1,8 В подключен к источнику постоянного тока 5 В. Рассчитайте значение токоограничивающего резистора, необходимого для ограничения прямого тока примерно до 10 мА.

Решение:

Используя вышеприведенную формулу, токоограничивающий резистор имеет вид:

Это говорит о том, что нам понадобится резистор 320 Ом для ограничения тока до 10 мА. Но 320 Ом не является стандартным предпочтительным значением, поэтому нам нужно выбрать следующее наивысшее значение, которое равно 330 Ом.

Давайте пересчитаем прямой ток для резистора ограничения тока 330 Ом:

Мы получили новое значение прямого тока 9,6 мА, и это нормально.

Многоцветные светодиоды

Большинство светодиодов дают только один выход цветного света. Тем не менее, теперь доступны многоцветные светодиоды, которые могут воспроизводить различные цвета в одном корпусе.  Они фактически имеют несколько светодиодов, изготовленных в одной упаковке.

RGB светодиоды

На первый взгляд, RGB (красный, зеленый, синий) светодиоды выглядят как обычные светодиоды, однако внутри обычной светодиодной упаковки фактически имеется три светодиода: один красный, один зеленый и один синий. Контролируя интенсивность каждого из отдельных светодиодов, вы можете смешивать практически любой цвет, какой пожелаете.

Светодиод RGB имеет четыре контакта: по одному для каждого цвета и общий вывод. У одних общий контакт — это анод, а у других — катод.

Двухцветные светодиоды

В отличие от RGB LED, у двухцветного светодиода отсутствует синий светодиод внутри светодиода. Как правило, есть только два светодиода, один красный и один зеленый. Управляя интенсивностью каждого из отдельных светодиодов, вы можете смешивать только оттенки красного и зеленого.

Двухцветный светодиод имеет три контакта: по одному для каждого цвета и общий вывод. Подобно RGB LED, на некоторых общий контакт — это анод, а на других — катод.

Блок питания 0…30 В / 3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Световод: Введение в светодиодное освещение

Световод

Светоизлучающие диоды (СИД) — это относительно старая технология, разработанная примерно в 1970 году, которая прошла путь от цифровых дисплеев и световых индикаторов до целого ряда новых применений, включая знаки выхода, акцентные огни, рабочие огни, светофоры, автомобильное освещение, вывески, настенные бра, наружное освещение и потолочное освещение.

Светодиоды обладают такими преимуществами, как небольшой размер, длительный срок службы лампы, низкая теплоотдача, энергосбережение и долговечность. Они также обеспечивают исключительную гибкость дизайна при изменении цвета, затемнении и распределении путем объединения этих небольших блоков в желаемые формы, цвета, размеры и пакеты светового потока.

Характеристики

Светодиоды представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства. Светодиодное освещение достигается, когда полупроводниковый кристалл возбуждается так, что он непосредственно производит видимый свет в желаемом диапазоне длин волн (цвете). Светодиодные блоки небольшие, обычно 5 мм (T 1-3/4).

Метод работы

Когда светодиодный блок активируется, источник питания преобразует переменное напряжение в достаточное постоянное напряжение, которое подается на диодный полупроводниковый кристалл. Это приводит к тому, что электроны (отрицательные носители заряда [N]) в электронно-транспортном слое диода и дырки (положительные носители заряда [P]) в дырочно-транспортном слое диода объединяются в PN-переходе и преобразуют свою избыточную энергию в свет. Светодиод заключен в прозрачную или рассеивающую пластиковую линзу, которая может обеспечивать диапазон углового распределения света.

Цвет

Цветовой состав света, излучаемого светодиодом, зависит от химического состава возбуждаемого материала. Доступны светодиоды, которые могут воспроизводить цвета, включая белый, темно-синий, синий, зеленый, желтый, янтарный, оранжевый, красный, ярко-красный и темно-красный.

Efficacy

Светодиоды — это низковольтные, слаботочные устройства и эффективные источники света. Для красных, желтых, желтых, зеленых и синих светодиодов были разработаны новые материалы, которые более эффективны, чем традиционные материалы, обеспечивая более высокую эффективность (люмен на ватт), чем лампы накаливания и конкурирующие люминесцентные лампы. A. В лабораторных условиях уже достигнута эффективность до 100 LPW. По словам Стива Джонсона, руководителя группы исследований освещения Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, «нереалистично ожидать, что эффективность твердотельных источников света достигнет 150–200 люмен на ватт в ближайшие десятилетия».

Светодиоды белого света

Использование нитрида индия-галлия (InGaN) в качестве полупроводникового материала привело к созданию самых ярких светодиодов и позволило разработать светодиоды белого света.

Светодиоды белого света содержат люминофор, добавленный к синему светодиоду, который преобразует часть светового излучения в желтый, в результате чего получается голубовато-белый свет. Таким образом, светодиоды белого света являются холодным источником света со спектром коррелированных цветовых температур 4000-11000K. Белый свет также может быть получен путем смешивания цветов света, излучаемого красными, синими и зелеными светодиодами.

Эрик Страндберг, Лаборатория дизайна освещения

Другие световоды

Базовое руководство по работе светодиодных светильников — сложные проценты

Нажмите, чтобы увеличить

Рождество уже не за горами, и празднуете вы его или нет , возможно, вы заметили, как рождественские огни начинают украшать дома и рождественские елки. Как на самом деле работают эти огни и как заставить их воспроизводить такое множество цветов? На этом рисунке показана химия.

LED означает светоизлучающий диод, они бывают разных цветов: от красного и оранжевого до синего и фиолетового. Хотя они могут выглядеть маленькими, они представляют собой серьезную науку — на самом деле, Нобелевская премия по физике 2014 года была присуждена ученым, которые работали над открытием того, как создавать эффективные синие светодиоды. Прежде чем мы обсудим это, давайте начнем с основ.

Имеет смысл начать с объяснения того, как светодиоды могут излучать свет. Светодиоды сделаны из полупроводниковых материалов, материалов, которые проводят электричество при одних условиях, но не проводят при других. В светодиодах можно использовать несколько различных полупроводниковых материалов, но многие из них основаны на галлии, например нитрид галлия и фосфид галлия.

Светодиоды состоят из двух слоев полупроводникового материала. Слои «легированы» примесями, то есть атомы элементов, отличных от тех, которые изначально находились в полупроводниковом материале, примешаны. Это легирование может создавать различные типы слоев: слои p-типа и слои n-типа. Слой n-типа имеет избыток электронов, тогда как слой p-типа имеет недостаточное количество электронов и поэтому имеет так называемые электронные «дыры»: положения в атомах, где электрон мог бы быть, но не находится. т.

Когда на светодиод подается ток, электроны в слое n-типа и электронные «дырки» в слое p-типа направляются к активному слою между ними.

Когда электроны и электронные «дыры» объединяются, высвобождается энергия, и это выглядит как видимый свет. Хотя это объясняет, как возникает свет, нам нужно более внимательно посмотреть на то, что происходит, чтобы объяснить, как можно получить разные цвета.

Цвета светодиодов определяются используемыми полупроводниковыми материалами. Как вы можете видеть на графике, для всех цветов используется не один материал, а целый ряд возможностей. Используя различные материалы и добавляя к этим материалам различные примеси, мы можем изменить размер запрещенной зоны, то есть размер разницы энергий между слоем n-типа и слоем p-типа. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем короче длина волны света, излучаемого светодиодом. Таким образом, для красного светодиода требуется относительно небольшая ширина запрещенной зоны. Для синих светодиодов необходима большая ширина запрещенной зоны.

Светодиоды с меньшей шириной запрещенной зоны было проще производить, но производство светодиодов с малой шириной запрещенной зоны, необходимой для получения синего света, оказалось более проблематичным. Это было важно понять, потому что для получения белого света требовались красные, зеленые и синие светодиоды. В начале 1990-х ученые наконец-то разработали способ производства синих светодиодов с использованием нитрида галлия и были удостоены Нобелевской премии 2014 года за свою работу.

Сегодня светодиоды используются не только в рождественских гирляндах, но и во многих обычных лампочках. У них много преимуществ по сравнению с традиционными лампочками: они служат дольше по сравнению с обычными лампочками (до 100 000 часов по сравнению с 1 000 часов у ламп накаливания) и более энергоэффективны, поскольку для излучения того же количества света требуется меньше энергии. Благодаря светодиодам счет за электроэнергию для этого дома, покрытого от крыши до фундамента рождественскими огнями, не так высок, как мог бы быть!

Понравился этот пост и картинка? Рассмотрите возможность поддержки Compound Interest на Patreon и получайте превью предстоящих публикаций и многое другое!

Изображение в этой статье находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.