Светодиоды характеристики: виды, характеристики и критерии выбора устройств

Содержание

Характеристики светодиодов и все, что о них нужно знать

Несмотря на существующее многообразие светодиодов, отличающихся формой и назначением, все они созданы из полупроводникового кристалла и имеют общий принцип действия. Значит, их работа основана на одних и тех же технических характеристиках, среди которых выделяют входные и выходные параметры светодиодов.

Входные параметры

Технические характеристики светодиодов, которые оказывают влияние на его работу, условно называют входными. Речь идёт о прямом (обратном) токе и напряжении и их графической зависимости.

Прямой ток

Техническим параметром №1 любого светодиода является ток, протекающий в прямом направлении через p-n-переход. Номинальный (рабочий) ток – это ток, при котором производитель гарантирует заявленную яркость в течение всего срока эксплуатации. Также указывается максимальный ток, превышение которого ведёт к электрическому пробою. Для некоторых модификаций номинальный прямой ток теоретически равен максимальному. В таких случаях рекомендуется эксплуатировать светодиод на 90-95% от номинального значения. Величина рабочего тока во многом зависит от размера кристалла и режима работы. Например, ток органического светодиода, используемого для формирования OLED матриц, не превышает нескольких микроампер. И, наоборот, кристалл мощностью 1 вт потребляет около 0,35 А.

Падение напряжения

Под этим параметром принято понимать прямое падение напряжения при протекании через p-n‑переход номинального тока. Его значение зависит от химического состава полупроводника (цвета свечения). Наименьшим прямым напряжением обладают инфракрасные диоды (около 1,9В), а наибольшим ультрафиолетовые (от 3,1 до 4,4В). Зачастую в паспорте указывают диапазон возможных значений.

Обратное напряжение

Под максимальным обратным напряжением понимают напряжение обратной полярности, прикладываемое к p-n-переходу, при превышении которого происходит электрический пробой и, как следствие, выход из строя полупроводникового прибора. Для превалирующей части светодиодов его значение составляет 5В. Среди излучающих диодов ИК-диапазона немало приборов с допустимым обратным напряжением 1 или 2 вольта.

Мощность рассеивания

Мощность, рассеиваемая корпусом, определяется как произведение максимального тока и прямого напряжения и указывает на наибольшее количество энергии, которую способен эффективно рассеивать светодиод в течение длительного времени. При превышении паспортного значения в кристалле полупроводника возникает электрический или тепловой пробой.

ВАХ

Вольтамперная характеристика светодиода представляет собой графическую зависимость прямого тока от прикладываемого прямого напряжения. С помощью этого технического параметра можно легко узнать падение напряжения на светодиоде при задании тока определённой величины без проведения лабораторных исследований. ВАХ помогает произвести теоретические расчёты будущей электрической цепи.

Выходные параметры

Под выходными параметрами подразумевают характеристики светодиодов, измеренные при определённых условиях. Замер выходных параметров производят на номинальном токе и температуре окружающей среды, равной 25°C.

Световой поток и сила света

Оптические характеристики светодиода выражают в виде светового потока и силы света. Световой поток (лм) – это количество световой энергии (видимый свет), излучаемой кристаллом и переносимой на поверхность за единицу времени. Для слаботочных светодиодов с рассеивающей линзой обычно указывают силу света (кд). Её физический смысл состоит в отношении светового потока к углу, внутри которого распространяется излучение. Другими словами, сила света – это интенсивность светового потока в некотором направлении. Отсюда следует, что светодиод с меньшим углом излучения обладает большей силой света при одинаковом световом потоке. Современные 5 мм светодиоды высокой яркости способны выдавать до 15 кд.

Угол излучения

В разных источниках можно встретить названия: «видимый угол», «угол рассеивания». С физической точки зрения его правильно называть «Двойной угол половинной яркости» и обозначать – «2Q1/2». Двойной угол половинной яркости присущ только приборам, которые имеют фокусирующую линзу, и зависит от формы корпуса. Он может иметь значения в пределах 15-140°. Белые светодиоды, предназначенные для smt монтажа, и матрицы на их основе характеризуются широким углом излучения – 115-140°.

Цвет излучения и длина волны

В зависимости от типа полупроводникового материала светодиод излучает свет в определённом волновом диапазоне. Например, зелёному цвету соответствует диапазон длин от 500 до 570 нм. При этом прибор с λ=500-520 нм имеет салатный оттенок, а с λ=550-570 нм – бирюзовый оттенок. Белый светодиод излучает в ультрафиолетовом или в широком спектре с дальнейшим выделением белого света с помощью люминофора. ИК и УФ диоды работают в невидимой зоне спектра. Поэтому в их маркировке указывается рабочая длина волны.

Цветовая температура

Этот параметр присущ исключительно белым светодиодам. Цветовая температура указывает на оттенок, который получают предметы, освещаемые в данном свете. Условно весь белый свет разделяют на тёплый, нейтральный и холодный и измеряют его в градусах Кельвина. Свет от светодиодов с одинаковой цветовой температурой может восприниматься по-разному, что объясняется их различным коэффициентом цветопередачи. Более подробно об этом написано здесь.

Световая отдача

Этот параметр показывает, какое количество светового потока излучает светодиод на единицу потреблённой мощности и измеряется в лм/Вт. Светоотдача является своеобразным коэффициентом полезного действия светодиода. По этому показателю мощные светодиоды уже превзошли газоразрядные лампы, перешагнув рубеж в 150 лм/Вт. Серийно выпускаемые светодиоды имеют светоотдачу около 100 лм/Вт. Световая отдача светодиодных ламп на 220В в 5-7 раз больше, чем у ламп накаливания.

Инерционность

Такое понятие как «инерционность» часто отсутствует в datasheet на светодиоды. Общепринято считать, что они мгновенно включаются и отключаются, т.е. являются безынерционными. На самом деле задержка при переключении может достигать нескольких нс. Для отечественных ИК излучающих диодов инерционность указывают в виде времени нарастания и спада излучающего импульса. Эти временные интервалы колеблются в пределах единиц-сотен наносекунд и оказывают влияние на работу в высокочастотном импульсном режиме.

Дополнительные характеристики

Кроме основных технических параметров, при проектировании светодиодных светильников нужно учитывать ещё несколько дополнительных факторов, таких как влияние температуры и различных коэффициентов.

Температурная зависимость

Продолжительная и стабильная работа излучающего диода во многом зависит от эффективного отвода тепла от кристалла. В связи с этим у мощных светодиодов должно быть низкое тепловое сопротивление перехода кристалл-подложка. Например, SMD 5730 и SMD 3014 имеют всего 4°C/Вт, что является достижением современных технологий.

Также нормируются:

  • максимальная температура p-n-перехода (температура кристалла), которая для SMD приборов может достигать 130°C;
  • температурный диапазон, при котором допускается эксплуатация;
  • температурный диапазон, при котором можно хранить полупроводниковый прибор;
  • температурно-временной график пайки SMD светодиодов.

Биновка

Светодиодный бин представляет собой неделимую область на диаграмме цветности, условно выраженную в цифробуквенном коде. Необходимость биновки белых светодиодов вызвана погрешностью, допускаемой в процессе их изготовления. Бин-код позволяет максимально точно указать оттенок белого света приборов, имеющих одинаковую цветовую температуру и коэффициент цветопередачи. Данный параметр учитывают производители светильников высокого качества.

Характеристики светодиодов: обзор основных параметров LED

Экономически оправданной альтернативы LED-источникам пока не изобрели, что прогнозирует повальный переход на этот тип освещения уже в ближайшие годы. Но для корректного использования этих источников необходимо разбираться в их основных характеристиках.

При классификации светодиодных источников света используются параметры, разработанные исключительно для данных типов осветительных приборов. Данная статья как раз и предназначена для ознакомления с особенностями, которые отличают характеристики светодиодов от традиционных источников света.

Сила и напряжение, потребляемого светодиодом тока

Почти все светоизлучающие диоды рассчитаны на стандартную силу тока 20 мА. При вычислении сопротивления светодиода по закону Ома используется именно эта величина.

Светодиод, как собственно и любой диод, способен пропускать ток только в одну сторону, для стабильной работы он должен быть постоянным. Источником питания для LED источников света является дроссель, который выдает необходимые характеристики потребляемого тока. Светодиодный кристалл рассчитан на напряжение, колеблющееся от 0,5 до 6 вольт.

На одной подложке может быть размещено несколько LED кристаллов. Сумма показателей напряжения всех кристаллов составит требуемый показатель для такого источника света.

Следует заметить, что в электрофизических значениях светодиодов существует допустимый разброс вольт амперной характеристики (ВАХ), это обусловлено технологией производства. Невозможно вырастить кристаллы с жестко ограниченными показателями. Подгон показателей производится методом калибровки.

Монтаж следует проводить в соответствии с обозначенной полярностью. При неправильном включении светодиод закроется, и работать не будет. Если напряжение превысит предел в 5 вольт, произойдет пробой, что приведет к порче изделия.

Для правильного подключения катод на DIP светодиодах обозначается более короткой ногой, на SMD это будет спил на подложке возле соответствующего контакта.

Интенсивность светового потока, угол рассеивания

Данная характеристика очень важна в освещении, особенно в помещениях. Интенсивность светового потока измеряется в Люменах (Лм). Для сравнения, обычная лампа накаливания в 100 Вт выдает показатель 1000 Лм. Для простого расчета напряжения лед-источника, который заменит лампу накаливания, необходимо вольтаж классики разделить на 8. Примером, лампе в 100 Вт будет соответствовать светодиод мощностью 12 – 12.5 Вт.

Важно осознавать, что рассматриваемый источник имеет одностороннее направление освещения, в то время как обычная лампа накаливания рассеивает свет во все стороны. Светодиоды имеют точечную направленность. Для увеличения угла рассеивания в конструкции применяются специальные линзы. Угол рассеивания колеблется в пределах 20 — 120˚.

Соотношение параметров эффективности разных источников света, приведенных для сравнения:

  1. Лампа накаливания – 10 Лм/Вт.
  2. Люминесцентная лампа – до 40 Лм/Вт.
  3. Светодиод – до 140 Лм/Вт.

Размер кристалла

В общих характеристиках светоизлучающих диодов можно встретить значение размера кристалла. Эта величина измеряется в Милах (mil), 1 mil соответствует 0,0254 мм. Стандартные размеры квадрата кристалла 24×24, 24×40, 35×35 и 40×40 mil. Считается, чем больше его площадь, тем больше потребляемая мощность, при этом снижается нагрев при работе и увеличивается предел перегрузки. Для сравнения размеры 40×40mil соответствуют 1,143 × 1,143 мм и потребляют около 1 Вт.

Естественно, большое значение имеет материал для изготовления и условия, при которых кристалл выращивался. Также значение имеет качество калибровки. Это к тому, что себе дешевле приобретать светодиоды известных брендов, показатели многих китайских лед источников света завышены.

Недобросовестные продавцы зачастую заявляют повышенную мощность. Обратив внимание на размеры кристалла, можно предостеречь себя от приобретения подделки.

CRI (индекс цветопередачи)

Для более ясного понимания этой характеристики, целесообразно ознакомиться с принципами восприятия цветов человеческим глазом. Белый свет включает в себя весь спектр. Попадая на окружающие нас предметы, отражается только та часть спектра, которая соответствует цвету предмета. Естественно, источник с искаженным спектром будет искажать человеческое цветовосприятие.

Для определения степени достоверности передачи цветов при освещении искусственным источником был разработан индекс цветопередачи (CRI). Степени значений индекса цветопередачи расположены в границах 0 – 100. Показатель 100 соответствует солнечному свету и является сравнительным эталоном.

Полноценный индекс CRI, при котором искажение будет минимальным, не должен быть ниже значения 90.

Цветовые характеристики

Свет имеет волновую природу, длина излучаемой волны определяет цвет и измеряется в нанометрах (нм). Человеческий глаз способен воспринимать диапазон от 380 до 760 нм, что соответствует видимому спектру.

Таблица цветовых характеристик

Примечательно, что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность при показателе 555 нм, следовательно, источник с таким параметром будет иметь наибольшую степень освещенности.

Цветовая температура

Данная характеристика выведена по аналогии цветовосприятия разогреваемого металла. Численные пределы размещены в рамках от 800 до 7500 и измеряются в Кельвинах (К). Наиболее низким показателем обладает красный свет – около 800 К, соответственно, наиболее высокий – у холодного синего.

Для освещения применяется белый свет. Цветные светодиоды в основном используются в декоративных и индикационных целях. Белый цвет по критериям цветовой температуры разделяется на три подкатегории:

  1. Теплый – 2700 – 3500 К.
  2. Нейтральный – 3500 – 5300 К (наиболее сбалансированный для восприятия).
  3. Холодный – 5300 – 7500 К.

Максимальная рабочая температура

Рабочая температура — одна из важнейших характеристик светодиода. При работе выделяется большое количество тепла, переизбыток которого может привести для начала к падению интенсивности светоизлучения, а в дальнейшем и к полной порче светодиода. Некоторые сверхяркие кристаллы способны разогреваться до температуры 150˚ С.

Производители ввели понятие «максимальная рабочая температура» для определения пределов температурного режима, в котором работа лед источника будет оптимальной. Значение допустимой температуры обозначаются в общих паспортных данных.

Для борьбы с избыточной температурой применяются алюминиевые и медные термоотводящие радиаторы. Маломощные SMD светодиоды монтируются на плату (подложку), которая также выступает и в роли охладителя. Для улучшенной теплоотдачи место соединения светодиода и радиатора смазывается термопастой.

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Вывод

При выборе светодиодов желательно отдавать предпочтение маркам, зарекомендовавших себя брендов. Стоимость данных источников света значительно выше традиционных, следовательно, срок окупаемости тоже увеличен. Позарившись на дешевое изделие с плохими характеристиками, можно просто выбросить деньги на ветер и, напротив, светодиодные изделия от проверенных производителей обычно отрабатывают заявленный срок. Более того, при приобретении брендовых осветительных приборов на основе LED, как правило, предоставляется гарантия.

Светодиоды CREE: виды, характеристики, выявление подделок

Заинтересованность крупных компаний в снижении расходов на электроэнергию заставляет их задуматься о перераспределении бюджета на осветительные приборы. Светодиоды CREE могут стать хорошим подспорьем для повсеместного внедрения экономичных и долговечных источников освещения.

Описание

Американская компания CREE с 1987 года активно занимается исследованием и производством полупроводниковых осветительных приборов, и в настоящее время является одним из крупнейших производителей мощных светодиодов в мире.

Светодиоды CREE производятся по технологии выращивания излучающей структуры на кристалле карбида кремния, что в свое время стало инновационным прорывом компании (до этого известные способы производства предполагали использование сапфира). Такой подход позволил не только удешевить производство, но и снизить тепловое сопротивление подложки.

Применение

Светодиоды CREE могут использоваться в первую очередь там, где требуется получить высокую яркость свечения при минимальных затратах энергии: железнодорожный транспорт, автомобильная промышленность, уличное освещение в крупных городах и т.д.

Классификация

В общем случае светодиоды CREE можно разбить на две группы: мощные под названием XLamp и сверхъяркие – High-Brightness.

Светодиоды XLamp делятся на следующие подгруппы:

  • ML – мощность от 0.25 до 1.6 Вт. Предназначены, в основном, для дежурной подсветки небольших помещений;
  • MX – мощность от 2 до 4 Вт. Используются при подсветке жилых помещений;
  • XB – мощность 3-5 Вт. Сфера применения достаточно широка – от портативных фонарей до подсветки больших складских помещений;
  • XH – керамические LED мощностью от 0.6 до 1 Вт. Благодаря высокому показателю отношения световой поток/мощность (150-180 Лм/Вт) могут использоваться при освещении домов, офисов и т.д;
  • XHP35 – мощные (13 Вт) светодиоды. Предназначены для направленного излучения, например, при световой сигнализации на дорогах и подсветке парковок;
  • XM – мощность 10 Вт. Используются в портативных фонарях и фарах;
  • XP – самая обширная линейка. Мощность от 2 до 10 Вт. Производятся как белые, так и цветные. Ввиду многообразия моделей, могут использоваться практически в любом приложении;
  • XQ – миниатюрные LED мощностью от 1 до 3 Вт. Выпускаются как в белом, так и в цветном исполнении. Используются для ночной подсветки архитектурных сооружений, а также теплиц и крупногабаритного транспорта;
  • XR – белые и цветные диоды мощностью от 2 до 4 Вт. Предназначены для подсветки ночных зданий, транспорта, концертных площадок;
  • XT-E – led мощностью 5 Вт. Выпускаются в белом и синем исполнении. Сфера применения достаточно широка – от бытовых фонариков до подсветки складов и жилых помещений.

В семействе XT-E существует модификация XT-E High-Voltage White, рассчитанная на работу при повышенном напряжении питания (48 В). Ее мощность составляет 3.5 Вт, и она может служить заменой, например, 48 – вольтовым галогенным лампам.

Ниже представлен модельный ряд наиболее распространенных светодиодов XLamp:

Сверхъяркие светодиоды High-Brightness делятся на следующие группы:

  • Р2 Oval 4-mm – цветные, представленные в красном, синем и зеленом исполнении. Предназначены для использования в различных RGB – устройствах, например, для подсветки мониторов и биллбордов;
  • P2 Oval 5-mm – цветные светодиоды, разработанные специально для использования в LED-модулях типа «бегущая строка» и различных информационных указателях на дорогах, в аэропортах и т.д. Представлены в красном, зеленом, синем и желтом (янтарном) цветах;
  • P2 Round 5-mm – здесь представлены как цветные, так и белые, предназначенные для работы в условиях повышенной влажности и при перепадах температуры, поэтому могут использоваться на открытом воздухе. Цветные светодиоды доступны в красном, синем, зеленом и желтом цветах. Белые светодиоды разделяются на два типа: cool white и warm white, то есть холодный и теплый оттенки;
  • SMD – цветные и белые светодиоды в корпусе для поверхностного монтажа. Имеют маркировку типа CLx. Цветные LED можно разделить на single-color, то есть имеющие одну пару анод-катод и светящиеся одним цветом, и full-color, которые имеют три пары анод-катод и представляют собой, по сути, три разноцветных (RGB) светодиода в одном корпусе. Белые светодиоды, аналогично выводным LED типа Р2 Round, имеют разновидности cool white и warm white;
  • P4 – белые и цветные светодиоды, предназначенные для создания направленного излучения, поэтому могут быть использованы при подсветке вывесок магазинов, сигнальных фонарей транспорта и др.

Внешний вид светодиодов High-Brightness показан на рисунке ниже:

Подделки CREE

Успех компании CREE спровоцировал появление на рынке большого количества подделок ее продукции. Технические характеристики таких копий заметно уступают оригиналу:

  1. Соотношение световой поток/мощность (Лм/Вт) ниже.
  2. Кристалл сильнее нагревается.
  3. Кристалл быстрее деградирует из-за повышенного нагрева.

Все это приводит к тому, что количество часов наработки снижается на порядок (15-20 тыс. часов против оригинальных 50-100 тыс.).

На фото ниже представлены для сравнения оригинальный CREE XM-L и подделка от получившей довольно большую «известность» в деле подделывания светодиодов CREE китайской компании Latticebright.

Визуально сразу можно обратить внимание на то, что размер кристалла подделки меньше оригинального. Также у оригинального токопроводящие дорожки утоплены внутрь монтажной платы, поэтому не так заметны.

На фото выше: слева расположен оригинальный CREE XP-E, справа – подделка. У оригинала можно заметить внутри линзы выемки, которых нет у копии. Опять же, размер кристалла у CREE больше.

На ролике ниже демонстрируется разбор фары с поддельным светодиодом XM-L2 и последующее визуальное сравнение с оригиналом – заметна разница в размерах корпуса и кристалла: