Светодиод
Уже из названия понятно, что главным рабочим элементом устройства светодиодных ламп на 220 В является светодиод. Именно его классификация в большей мере является решающей в определении видов лампочек.
Светодиод является полупроводниковым кристаллическим элементом, который интенсивно выделяет свет при прохождении через него электрического тока. Разные цвета получаются путем изменения состава кристалла. Он наращивается на специальную площадку, которая имеет контакты для подключения проводов. Изначально кристалл имеет синий цвет, без покрытия испускает соответствующее свечение. Для защиты от внешних факторов на него в светодиодной лампе наносится желтое твердое покрытие, при прохождении синего света сквозь него получается обычный белый свет.
Один из этапов выращивания светодиодов
Существует четыре основных технологии сборки чипа, которые и определяют классификацию используемых в лампочках светодиодов.
- SMD-технология – самая распространенная в быту. Кристалл размещается на поверхности светового прибора. Это позволяет сильно уменьшить его размеры, увеличить плотность расположения для большей яркости, при этом он имеет улучшенный теплоотвод. Используется практически во всех лампочках, которые вы видите в магазинах.
- DIP – световой элемент состоит из одного мощного кристалла, сверху на который прикреплена линза. Это второй по распространенности тип светодиода, благодаря концентрированию светового луча в одном направлении используется для подсветки на витринах и раскладках, а также в вывесках и прочих декоративных элементах.
- Пиранья – любимчики автомобильной промышленности. В отличие от DIP, где присутствует только два контакта, здесь их четыре, поэтому гораздо легче подключаться к разным вольтовым элементам. Это значительно повышает уровень теплоотвода, расширяет сферу применения, монтаж получается более надежным и долговечным.
- COB-технология – продвинутая схема подключения светодиодных кристаллов, самый защищенный от перегрева и окисления вариант. Здесь чип впаивается прямо в несущую плату. Благодаря самому продуманному теплоотводу достигается наибольшая яркость свечения, каким бы ни было напряжение. Но и минус присутствует значительный – если такой светодиод все-таки сгорит, его придется менять вместе со всей платой – в домашних условиях даже с неплохим опытом и оборудованием перепаять его будет очень сложно.
Какие бывают светодиоды
Светодиод (обозначается СД, СИД, LED в англ.) представляет собой прибор, в основе которого лежит искусственный полупроводниковый кристаллик. При пропускании через него электротока создается явление испускания фотонов, что приводит к свечению. Данное свечение имеет очень узкий диапазон спектра, и цвет его находится в зависимости от материала полупроводника.
Светодиоды вполне могут заменить обычные лампы накаливания
Светодиоды с красным и желтым свечением производят из неорганических полупроводниковых материалов на базе арсенида галлия, зеленые и синие изготавливают на основе индия-галлия-нитрида. Чтобы увеличить яркость светового потока используют различные присадки или применяют метод многослойности, когда слой чистого нитрида алюминия размещают между полупроводниками. В результате образования в одном кристаллике нескольких электронно-дырочных (p-n) переходов, яркость его свечения возрастает.
Различают два типа светодиодов: для индикации и освещения. Первые используют для индикации включения в сеть различных приборов, а также как источники декоративной подсветки. Они представляют собой цветные диоды, помещенные в просвечивающийся корпус, каждый из них имеет четыре вывода. Приборы, излучающие инфракрасный свет, используют в устройствах для удаленного управления приборами (пульт ДУ).
В области освещения используют светодиоды, излучающие белый свет. По цвету различают светодиоды с холодным белым, нейтральным белым и теплым белым свечением. Существует классификация применяемых для освещения светодиодов по способу монтажа. Маркировка светодиода SMD означает, что прибор состоит из алюминиевой или медной подложки, на которой размещен кристаллик диода. Сама подложка располагается в корпусе, контакты которого соединены с контактами светодиода.
Применение светодиодной подсветки в интерьере кухни
Другой тип светодиодов обозначается OCB. В таком приборе на одной плате размещается множество кристаллов, покрытых люминофором. Благодаря такой конструкции достигается большая яркость свечения. Такую технологию используют при производстве светодиодных ламп с большим световым потоком на относительно малой площади. В свою очередь это делает производство светодиодных ламп наиболее доступным и недорогим.
Собственное производство
Компания “Промдизайн” успешно уже несколько лет производит светодиодные кластера PromoLED 2-х, 3-х, 4-х и 5-ти элементные на базе светодиодов SMD двух типов 3528 или 5050.
Таблица сравнительная
Диаграмма пространственного распределения силы света для SMD светодиода
| Характеристика | SMD 3528 | SMD 5050 |
|---|---|---|
| размер, мм | 3,5*2,8 | 5,0*5,0 |
| Рабочая температура | -40/+85 | -40/+65 |
| Прямое напряжение | 2,8-3,2 | 2,8-3,2 |
| Угол обзора, град | 120 | 120 |
| Яркость, люмен | 5-6 | 24-26 |
| Яркость, Лм/см.кв | 66 | 100 |
| Мощность, Вт | 0,11 | 0,24 |
| Степень защиты | IP65 | IP65 |
| Холодный, К | 6000-7000 | 6000-7000 |
| Теплый, К | 2800-3200 | 2800-3200 |
| Время работы, ч | 30000 | 30000 |
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.
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.
Подключение светодиода – способы и схемы
Подключение светодиода к блоку питания или в цепь индикации сводится к правильной определении полярности СИД и, как говорилось выше, подбору ограничивающего резистора. Про второе написано выше, а как правильно определить полярность читайте далее. Итак, обычно индикаторные светодиоды имеют два вывода, плюс и минус или анод и катод соответственно. У DIP LED минусовой вывод всегда короче плюсового. У SMD в районе катода выполнен срез (ключ). Но самый надежный способ определить, где плюс и минус — «прозвонить» мультиметром. В режиме проверки диода при подключении черного щупа COM к плюсу, а красного к минусу показания на дисплее тестера изменится, а светодиод загорится. Все просто!
Наконец, настало время выполнить подключение светодиода к блоку питания. Смотрим на схему и смело подключаем.
Мощные LED, как правило, подключаются через драйверы. Здесь не требуется ограничивать ток, и СД подсоединяется напрямую без дополнительных радиоэлементов. Единственным условием такого подключения является то, что ток драйвера должен быть равен или ниже номинального тока диода.
Теперь давайте рассмотрим варианты подключения нескольких излучающих диодов одновременно. Существует три вида соединений: последовательное, параллельное и смешанное.
При последовательном соединении через каждый элемент протекает одинаковый по величине ток, при условии, что все элементы одного типа. Падения напряжения в этом случае складываются.
При параллельном – происходит в точности до наоборот, токи складываются, а падения остаются. При этом методе на каждый светодиод необходимо свое ограничивающее сопротивление.
При смешанном – оба способа объединяются.
Подключение к сети 220в
Иногда возникает необходимость подключения светодиода к сети 220в. Реализовать такую схему тоже достаточно просто. Кроме ограничивающего резистора, требуется включение в схему диода, защищающего светодиод от обратного напряжения. Параметры ограничителя вычисляются по формулам:
Основные технические характеристики
Диодные лампы характеризуются следующими основными параметрами:
- яркость (интенсивность светового потока);
- напряжение (тип используемого напряжения);
- сила тока;
- длина волны и цветовая характеристика.
Сравнение конструктивных особенностей обычных и мощных диодов
Яркость
Яркость воспринимается зрительными ощущениями, поскольку освещённость предмета на сетчатке глаза пропорциональна его яркости. Складывается она из нескольких параметров. называется Световой поток это количество световой энергии. Единица измерения люмен.
Единицей силы света является один люмен на стерадиан, также измеряемый в канделах: 1 cd. Измеряется яркость в милликанделах. Различают яркие (20 – 50 мкд.) и сверх яркие (20000 мкд. и выше) светодиоды белого свечения. Светодиодная яркость пропорциональна величине протекающего через него тока, т. е. чем выше напряжение, тем больше яркость.
Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про возможности и область применения диммеров.
Напряжение
Напряжение, необходимое для работы светодиода, это не напряжение питания, а величина падения напряжения на светодиоде. Колебания напряжения питания вызывает перегорание светодиода. Напряжение напрямую зависит от цвета.
| Цвет | Длина волны, нм | Напряжение, В |
|---|---|---|
| Инфракрасный | от 760 | до 1,9 |
| Красный | 610-760 | от 1,6 до 2,03 |
| Оранжевый | 590-610 | от 2,03 до 2,1 |
| Желтый | 570-590 | от 2,1 до 2,2 |
| Зеленый | 500-570 | от 2,2 до 3,5 |
| Синий | 450-500 | от 2,5 до 3,7 |
| Фиолетовый | 400-450 | от 2,8 до 4,0 |
| Ультрафиолетовый | до 400 | от 3,1 до 4,4 |
| Белый | широкий спектр | от 3,0 до 3,7 |
Сила тока
Работает светодиод на постоянном или пульсирующем токе. Поднимая или снижая интенсивность можно варьировать яркость свечения. Рабочий ток индикаторных светодиодов 20 – 40 мА. Сила тока осветительных элементов составляет от 20 мА. СОВ (на 4 чипа), например, рассчитаны на 80 мА. Одноваттные светодиоды потребляют приблизительно 300-400 мА.
Длина волны и цветовая характеристика
Излучаемый диодом цвет зависит от длины волны светового излучения. Измеряется она нанометрами (0.000000001 метра). Монохроматическое (одночастотное) излучение связано с длиной волны, перемещающейся внутри. Границы длины волны соотносятся с основными цветами определенным образом.
Цвет излучения светодиода меняется при внесении в полупроводниковый материал активных веществ. Для получения светодиодов красного цвета в качестве полупроводников используется алюминий индий – галлий (AllnGaP), для цветов сине – голубого и зеленого спектра – индий – нитрид галлия (InGaN).Чтобы получить, например, белый свет, кристалл синего светодиода покрывают тонким слоем люминофора, который излучает жёлтый и красный свет под действием синего спектра.
В результате смешивания цветов получается белый свет. Белые светодиоды определяются цветовой температурой, измеряемой в К.
Рекомендуем Вам также ознакомиться с тем, как работает датчик движения.
Лампы с диодами могут быть разных цветов
Светодиодная плата
Плата предназначена для крепления светодиодов в любом необходимом количестве и положении. Форма платы бывает:
- прямоугольная;
- линейка;
- круглая;
- квадратная;
- звездчатая
- произвольная.
Виды плат:
- металлические (односторонние, двухсторонние и многослойные);
- изолированные металлические подложки (односторонние, двухсторонние и многослойные, жестко – гибкие).
Дополнительную информацию об история возникновения и принципах функционирования светодиодных элементов смотрите на видео:
Светодиоды это один из новейших источников освещения, имеет широкий спектр применения и большие перспективы. Благодаря соотношению всех параметров светодиодный тип освещения может стать ведущим среди множества осветительных приборов и разнообразных источников света.
Характеристики
Светодиодный 3-х элементный кластер smd5050
Светодиодные кластеры различаются количеством светодиодов, геометрическими размерами, цветом свечения, яркостью, кроме того, напряжением питания и способом управления. Кластеры выпускаются нескольких типов:
- Кластеры, содержащие только светодиоды. Светодиоды в кластере соединяются в последовательные цепочки и требуют для управления специальной ограничивающей ток схемы.
- Кластеры, содержащие светодиоды и ограничивающие ток элементы. Такие устройства подключаются непосредственно к источнику питающего напряжения или к выходам управляющего контроллера – коммутатора.
Кластеры с встроенным контроллером. Такие изделия содержат управляющую схему, которая позволяет управлять яркостью одноцветного или яркостью и цветом многоцветного кластера. Управление обычно производится от управляющего контроллера по двух или трехпроводной шине – последовательному интерфейсу.
Светодиодный 4-х элементный кластер smd5050
Одноцветные кластеры бывают красного, синего, зелёного, жёлтого, белого цвета. Выпускаются двухцветные (например, красный плюс зеленый) и многоцветные (RGB). Яркость зависит от количества и свойств установленных светодиодов и обычно составляет более 1 канделы.
Размеры кластера определяются в основном количеством светодиодов и площадью светящейся поверхности. Схема управления занимает несущественно малый объем. Однако, корпус кластера может содержать линзу, отражатель, элементы крепления, козырьки защиты от солнца, дополнительные конструктивные элементы для защиты от воздействия окружающей среды, что увеличивает его габаритные размеры.
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. В момент подачи прямого напряжения начинается движение электронов и дырок к p-n-переходу. Заряженные частицы преодолевают барьер и начинают рекомбинировать, в результате чего протекает электрический ток. Процесс рекомбинации дырки и электрона в зоне p-n-перехода сопровождается выделением энергии в виде фотона.
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.
Светодиоды – одни из самых популярных электронных компонентов, использующиеся практически в любой схеме. Словосочетание “помигать светодиодами” часто используется для обозначений первой задачи при проверке жизнеспособности схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиода, сделаем краткий обзор их видов, а также разберемся с такими практическими вопросами как определение полярности и расчет резистора.
Принцип работы устройства
Когда диод смещен вперед, электроны быстро движутся через соединение. Они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре, после того как электроны начинают движение от n-типа к кремнию p-типа, диод соединяется с отверстиями, а затем исчезает. Следовательно, он делает полный атом более стабильным и дает небольшой импульс энергии в виде фотона света.
Принцип образования световой волны
Чтобы разобраться как устроен светодиод, необходимо узнать о его материалах и их свойствах. Светодиод представляет собой специализированную форму PN-перехода, которая использует составное соединение. Составным должен быть полупроводниковый материал, используемый для соединения. Обычно используемые материалы, включая кремний и германий, являются простыми элементами, и соединение, изготовленное из этих материалов, не излучает свет. Что же касается таких полупроводников, как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия — они являются составными, и соединения из этих материалов излучают свет.
Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Арсенид галлия имеет валентность трех, а мышьяк — валентность пяти. Это и называют полупроводником группы III-V. Существует ряд других полупроводников, которые соответствуют обозначенной категории. Есть полупроводники, которые образуются из материалов группы III-V.
Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия.
Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. Конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область располагается как можно ближе к поверхности устройства для поглощения конструкцией минимального количества света.
Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение следует оптимизировать, а материалы должны быть правильными. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии алюминий добавляется к полупроводнику в видимый красный спектр с последующим получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Можно добавить и фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются иные материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция используется для получения желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.
Квантовая теория
Рекомбинация показывает, что электроны в зоне проводимости спускаются к валентной зоне. Когда они перескакивают из одной полосы в другую, то излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотона равна запрещенной энергетической щели.
Отображено математическое уравнение:
Eq = hf
H известна как постоянная Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света. Частотное излучение связано со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, а уравнение станет таким:
Eq = he / λ
Исходя из этого уравнения можно понять, как работает светодиод, основываясь на том, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна запрещенной щели. В целом полное излучение электромагнитной волны при рекомбинации имеет вид инфракрасного излучения. Невозможно увидеть длину волны инфракрасного излучения, потому что она находится вне видимого диапазона.
Инфракрасное излучение называется теплотой, потому что кремний и германиевые полупроводники не являются прямыми щелевыми полупроводниками, а относятся к непрямым промежуточным разновидностям. Но в полупроводниках с прямым зазором максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не происходит одномоментно с электронами. Поэтому во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, и импульс электронной зоны будет изменен.
Как работает светодиод
Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия, некоторые из которых находятся в виде легких фотонов.
Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. В результате конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область поддерживается как можно ближе к поверхности устройства, чтобы гарантировать, что минимальное количество света поглощается в конструкции.
Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение должно быть оптимизировано и должны быть выбраны правильные материалы. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии в видимый красный конец спектра алюминий добавляется к полупроводнику с получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Фосфор также можно добавить, чтобы дать красный свет. Для других цветов используются другие материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция алюминия используется для желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.
Органические светодиоды — OLED
Увеличенное изображение экрана AMOLED на смартфоне Google Nexus One с использованием системы RGBG семейства PenTile Matrix
Органические светодиоды обычно формируются в виде многослойных тонкоплёночных структур, изготовленных из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока.
Основное применение OLED находит при создании матричных устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких OLED-дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.
Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что красный OLED и зелёный OLED могут непрерывно работать не снижая яркости на десятки тысяч часов дольше, чем синий OLED. Снижение яркости синих OLED со временем визуально искажает цветопередачу, причём длительность качественной цветопередачи оказалось неприемлемо малым для коммерчески предлагаемого устройства. Хотя сегодня синий OLED всё-таки достиг срока службы в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.
Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, в приборах ночного видения.
Маркировка светодиодов по цвету, правила расшифровки кода маркировки светодиодной ленты
С учетом этого параметра единой системы стандартов не существует. Маркировка светодиодов по цвету непосредственно на корпусе затруднена по причине миниатюрности изделий. Обозначения делают на лентах. Ниже приведена информация о продукции CREE.
Типовое название составлено следующим образом: АААВВВ-СК-0000-ZZZZZ. Первые три буквы («ААА») – это серия. Для рассмотренной выше модификации XM-L будут указано «XML». Следующие три позиции («BBB») – цвет:
- GRN, BLU, RED и другие обозначения понятны в переводе с английского (зеленый, синий, красный соответственно).
- WHT – белый цвет.
- Однако BWT – тоже белый, но в этом варианте речь идет о приборах второго поколения.
- HEW – еще одна модификация белого. Здесь отмечена особой аббревиатурой улучшенные энергетические характеристики прибора.
Далее на позициях «СК»указывают качество цветопередачи:
- Для светильников наружного освещения этот параметр не является определяющим. Такие светодиоды маркируют «01».
- Аббревиатурой L1 обозначают типовые изделия, характеристики которых определяются в технических паспортах.
- При значениях коэффициента цветопередачи CRI от 70; 80; 85; 90 и выше применяют сочетания B1; H1; P1; U1 соответственно.
