Что такое светодиод и как он работает — устройство и особенности

Преимущества и недостатки светодиодных ламп.

Плюсы

• энергоэффективность – потребляемая мощность в 8-10 раз меньше, чем у ламп накаливания;
• большой срок службы – светят примерно в 25 раз дольше ламп накаливания;
• практически не нагреваются;
• широкий выбор цветовых температур позволяет «играть» с освещением интерьера;
• стабильная яркость при перепадах напряжения;
• мгновенное включение;
• количество включений не влияет на работоспособность;
• стойкость к механическим повреждениям и вибрациям;
• возможность применения в «умном доме»;
• отличные декоративные качества – выпускается множество интересных форм и размеров;
• не привлекают мошек и других насекомых из-за отсутствия ультрафиолетового свечения;
• безопасная утилизация и эксплуатация из-за отсутствия в составе опасных веществ.

Минусы

• сравнительно высокая стоимость, хотя она постоянно снижается;
• мерцание (пульсация), которое невидно невооруженному глазу, но очень опасно для зрения (более распространено в дешевых моделях, которые часто производятся без драйвера);
• сложность конструкции приводит к повышению стоимости и снижению надежности в сравнении с лампами накаливания;
• непригодны для использования при очень низких и очень высоких температурах;
• во многих моделях яркость невозможно регулировать при помощи диммера;
• если используется выключатель с подсветкой, то LED лампа может мерцать или светиться в выключенном состоянии (как этого избежать, читайте в статье «Почему моргает светодиодная лампа»);
• снижение яркости в процессе эксплуатации;
• высокий процент брака среди изделий, особенно среди недорогих.

В заключение стоит отметить, что светодиодные источники света – действительно экономичные осветительные приборы. Только перед выбором надо внимательно изучить технические характеристики.

Во-первых, ими экономически целесообразно заменять лампы накаливания мощностью свыше 60 Вт. Иначе стоимость самой светодиодной лампы не окупится.

Во-вторых, стоит заменять только источники света в светильниках, которые работают максимальное количество часов в день.

Что можно сделать из светодиодов своими руками?

Это вопрос очень интересный. И если отвечать на него развернуто, то на это уйдет очень много времени. Наиболее частое применение световых диодов – это подсветка подвесных и натяжных потолков, рабочей зоны на кухне или даже клавиатуры компьютера.

Мнение эксперта
Игорь Мармазов
Инженер-проектировщик ЭС, ЭМ, ЭО (электроснабжение, электрооборудование, внутреннее освещение) ООО «АСП Северо-Запад»

“Для работы таких элементов необходим стабилизатор питания или контроллер. Его можно взять даже со старой китайской гирлянды. Многие «умельцы» пишут, что достаточно обычного понижающего трансформатора, но это не так. В этом случае диоды будут моргать.”

Стабилизатор для диодных ламп – подобный можно спаять самостоятельно

Стабилизатор тока – какую функцию он выполняет

Стабилизатор для светодиодов – это источник питания, который понижает напряжение и выравнивает ток. Другими словами, создает условия для нормальной работы элементов. При этом он защищает от повышения или падения напряжения на светодиодах. Существуют стабилизаторы, которые могут не только регулировать напряжение, обеспечивая плавное затухание световых элементов, но и управлять режимами цвета или мерцания. Они называются контроллерами. Подобные устройства можно увидеть на гирляндах. Так же они продаются в магазинах электротехники для коммутации с RGB-лентами. Такие контроллеры оснащаются пультами дистанционного управления.

Схема такого устройства не сложна, и при желании простейший стабилизатор можно изготовить и своими руками. Для этого понадобятся лишь небольшие знания в радиоэлектронике и умение держать в руках паяльник.

Схема подключения дневных ходовых огней на автомобиле

Дневные ходовые огни на автомобиль

Применение световых диодов в автомобильной промышленности довольно распространено. К примеру, ДХО изготавливаются исключительно с их помощью. Но если авто не оснащено ходовыми огнями, то их приобретение может ударить по карману. Многие автолюбители обходятся дешевой светодиодной лентой, но это не очень удачная мысль. Особенно, если сила ее светового потока невелика. Неплохим выходом может стать приобретение самоклеящейся ленты на диодах «Cree».

Вполне можно сделать ДХО и при помощи уже вышедших из строя, поместив внутрь старых корпусов новые, мощные диоды.

Важно! Дневные ходовые огни созданы именно для того, чтобы авто было заметно днем, а не ночью. Нет смысла проверять, как они будут светить, в темное время суток

ДХО должны быть заметны при свете солнца.
Такую рекламу легко можно сделать самостоятельно

Мигающие светодиоды – для чего это нужно?

Неплохим вариантом использования подобных элементов станет рекламное табло. Но если оно будет статично светиться, то это не привлечет должного внимания. Основной задачей является сборка и спайка щита – для этого нужны некоторые навыки, приобрести которые несложно. После сборки можно вмонтировать контроллер от той же гирлянды

В результате получается мигающая реклама, которая явно привлечет внимание

Цветомузыка на световых диодах – сложно ли ее сделать

Это работа уже не для новичков. Для того, чтобы собрать полноценную цветомузыку своими руками нужен не только точный расчет элементов, но и знания радиоэлектроники. Но все же простейший ее вариант вполне по силам каждому.

Простейшая цветомузыка – осталось подключить датчик звука

В магазинах радиоэлектроники всегда можно найти датчик звука, да и во многих современных выключателях он есть (свет по хлопку). Если у Вас есть светодиодная лента и стабилизатор, то пустив с блока питания «+» на полосу через подобную хлопушку можно добиться желаемого результата.

Индикатор напряжения: что делать, если он перегорел

Современные индикаторные отвертки состоят как раз из светового диода и сопротивлений с изолятором. Чаще всего это эбонитовая вставка. При перегорании элемента внутри его вполне можно заменить на новый. А цвет уже будет выбирать сам умелец.

Этот диод можно с легкостью заменить при желании

Еще один из вариантов – это изготовление прозвонки цепи. Для этого понадобится 2 пальчиковых батарейки, провода и световой диод. Соединив элементы питания последовательно, одну их ножек элемента припаиваем к плюсу батареи. Провода будут идти от другой ножки и от минуса батареи. В итоге при замыкании диод засветится (если полярность не перепутать).

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.

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.

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.

Производство светодиодов

В светодиодах свет излучает p-n переход, образованный двумя полупроводниковыми материалами огромной степени чистоты. В миллионах и десятках миллионов атомов полупроводникового кремния или германия, может присутствовать один или несколько атомов другого вещества-примеси. Если в полупроводник n- или p-типа ввести строго определенное количество легирующего металла, то получается сплав с требуемыми характеристиками.

Для изготовления кристалла светодиода с p-n переходом необходимо провести десятки технологических операций. Это:

• нагрев до строго определенной температуры;
• испарение металла в вакууме;
• осаждение металлических паров на поверхность полупроводника строго определенное время;
• поверхность должна иметь заданную температуру;
• давление в камере – точно соответствовать требуемому и мн. др.

С высокой точностью выдержать требуемые параметры всех операций невозможно. Поэтому операций выполняют с технологическими допусками – отклонениями. Даже в одной партии полупроводниковых приборов, изготовленных в один день возможен разброс параметров от десятков процентов до нескольких раз.

Готовые светодиоды в технологические партии сортируют по величине важнейших параметров, например по световому потоку, 10 Лм с точностью ± 5, 10 или 20%.

Американцы и англичане дискрет малой величины назвали bin или rank, а операцию сортировки каких-то предметов – биновка, распиновка или ранжирование.

Производство светодиодов ведут по важнейшим параметрам:

• величина светового потока;
• прямое рабочее напряжение на p-n переходе;
• оттенок свечения или цветовая температура и др. параметры.

Величина дискретизации в бинах конкретного светодиода дает инженерам информацию, как быстро он деградирует, т. е. меняет оттенок свечения, уменьшает яркость, качество света и цветовоспроизведения – Ra или CRI.

Светодиоды по bin-группам, например по цветопередаче сортируют люди-эксперты, а если параметр можно измерить – по приборам.

Принцип работы.

Кристалл состоит из полупроводниковых материалов, которые расположены слоями. Свечение появляется после протекания электричества между границами их соприкосновения. В одном полупроводнике (n) преобладают электроны (отрицательные частицы), а в другом (p) –  ионы – дырки (положительные частицы). Полупроводниковые соединения способны пропускать электричество только  от p -слоя к n -слою, т.е. в одну сторону.

Схема появления излучения.

Под воздействием электричества электроны из n-слоя и дырки из р-слоя начинают двигаться к р-n-переходу. Происходит рекомбинация дырки и электрона — между р-n-границей протекает ток. Электроны переходят на низший энергетический уровень, с высоких орбиталей на более низкие. Освобождается энергия, которая  излучается в виде фотонов.

Описанный процесс протекает во всех полупроводниковых диодах. Но длина волны фотона не всегда находится в заметном человеческому глазу спектре. Для появления видимости необходимо движение элементарных частиц в определенном интервале: от 400 до 700 нм. Это достигается подбором определенных химических веществ. У каждого есть особая длина волны и цвет излучения.

Самые удачные материалы получаются из соединений типа AIIIBV и AIIBVI где II, III, V и VI – валентности элементов. Например, уже упоминавшийся арсенид галлия, фосфат индия или селенид цинка  и теллурид кадмия. Подобные соединения называют прямозонными. Возможно получение разнообразных  по свечению светодиодов: от ультрафиолетовых до инфракрасных.

К другой группе относятся непрямозонные полупроводники. Это карбид кремния, сам кремний, германий и другие. Диоды из них свет светят очень неярко. Впрочем, научные работы по использованию таких веществ продолжаются. Основные поиски решения ведутся в области технологий квантовых точек и фотонных кристаллов.

Кроме света при p-n-переходе освобождается еще и тепло. Для его отвода необходим теплоотвод (часто в этой роли выступает корпус изделия) или радиатор.

Разновидности светодиодов

Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.

В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный поток света и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.

Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.

По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:

• DIP. Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
• «Пиранья» или Superflux. Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
• SMD. Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
• COB. Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.

Виды сборки

Моменты, на которые нужно обратить внимание

Цветовой оттенок и количество цветов

Выбор светодиодной ленты начинается с определения цвета её свечения. Современные одноцветные светодиоды выпускают с одним из четырех свечений кристалла: белым (W), синим (B), красным (R) или зеленым (G). Другие цвета получают с помощью нанесения на кристалл специального люминофора или путем установки в кристалле сразу нескольких светодиодов разных цветов, которые работают одновременно. Таким образом, одноцветная светодиодная лента может выпускаться с любым цветом светового потока. В специализированных магазинах можно выбрать экземпляры даже оранжевого, малинового, фиолетового или бирюзового свечения. Но большим спросом пользуются светодиодные ленты белого света, которые подразделяются по цветовой температуре на три группы: теплого, нейтрального и холодного свечения. Точно выбрать нужный вариант можно только визуальным способом, сравнивая несколько образцов.

Световой поток

Сегодня в розничных магазинах можно приобрести отрезок любой длины. При этом следует учитывать плотность SMD-элементов в одном погонном метре ленты. В однорядной полоске плотность светодиодов кратно 30, а в полосе двойной плотности – 60. Максимальное количество установленных LED чипов в 1 метре изделия равно 120. Во включенном состоянии такой отрезок напоминает сплошную светящуюся полоску. Также в продаже можно встретить ленту двойной, тройной и даже четверной ширины с LED-элементами, размещёнными в несколько рядов.

Напряжение питания и мощность

Чтобы полоска со светодиодами начала светиться, на нее нужно подать подходящее питание (обычно 12 В). Для этих целей применяют преобразователи 220 вольтовой электросети, именуемые драйверами, адаптерами или блоками питания. Важным параметром любого блока питания является мощность, которой он способен обеспечить нагрузку. Мощность преобразователя выбирается исходя из мощности потребления одного метра светодиодной ленты, которая указана на упаковке. При отсутствии документации её можно рассчитать самостоятельно. Например, каждые три светодиода типа 3528, включенные последовательно потребляют ток в 20 мА и мощность – 0,24 Вт. Умножив эти значения на количество триад, получим суммарную величину. Для типоразмера 5050 следует задаться током в 60 мА и мощностью – 0,72 Вт. Таким образом, метровый отрезок ленты SMD 3528–60 потребляет 4,8 Вт, а SMD 5050–60 – 14,4 Вт. Ниже приведена таблица мощности наиболее распространенных светодиодных лент.

Степень защиты

Правильный выбор светодиодной ленты невозможен без учета степени защиты (IP – Ingress Protection). Обозначение состоит из двух цифр, первая из которых указывает на защиту от попадания твёрдых тел, а вторая – на защиту от попадания жидкости внутрь изделия. Некоторые производители вместо общепринятого обозначения указывают собственную аббревиатуру, расшифровка которой находится на сайте изготовителя.

Качество сборки

Качество светодиодных лент определяется исключительно изготовителем. Здесь стоит отметить два момента: качество сборки конечного изделия и качество комплектующих самой ленты. Второе обычному покупателю определить невозможно, так как SMD компоненты очень малы. Проблема заключается в том, что роботизированная система нарезает и устанавливает в светодиод кристалл меньшего размера, что приводит к его постепенному перегреву и потере яркости. Что касается сборки конечного изделия, то здесь проще. Некачественные светодиодные ленты имеют неровно припаянные SMD элементы и, как правило, на них отсутствуют специальные метки разреза.

• реальное значение светового потока будет меньше теоретического;
• срок службы такого изделия может отличаться в меньшую сторону;
• клеевая основа со временем потеряет свои свойства.

Достоинства и недостатки светодиодов

Плюсы

• Высокая механическая и вибрационная стойкость.
• Небольшой разогрев.
• Маленькие габаритные размеры, легкий
• Долговечность.
• Низкое энергопотребление и мощность.
• Возможность регулирования интенсивности свечения.
• Высокие декоративные качества: разнообразие цветов и оттенков свечения.
• Безынерционность: включаются сразу на полную мощность.
• Возможность работы при низких температурах.
• Низкая цена индикаторных светодиодов.
• Безопасность: низкие рабочие значения напряжения и тока.

Минусы

• Высокая цена SMD.
• Ухудшения со временем качества кристалла: чем дольше светодиод работает, тем он тусклее.
• Повышенные требования к источнику питания.
• Недопустимы даже небольшие превышения минимальных и максимальных значений электрических параметров.

Схемы подключения двухцветных светодиодов

Чтобы сделать электроприбор своими руками, необходимо знать, как подключить двухсветный светодиод. Самый простой (но не совсем правильный) вариант – подключаем питания к ножкам через резистор и определяем циклов включения/выключения.

Чтобы добавить к схеме резистор, необходимо рассчитать значения его сопротивления и мощности.

С 2015 года ГОСТом 29433-2014 определены новые параметры напряжения электросети:

• номинальное
  230 В;
• минимальное
  207 В, под нагрузкой 198 В;
• максимальное
  253 В.

Сопротивление резистора должно иметь
такое значение, чтобы через него мог протекать ток, необходимый для нормального
функционирования двухцветного светодиода, но элемент при этом не перегревался. Поэтому
значение номинального тока 20 мА для расчетов заменяется другим значениеем – 7
мА = 0,007 А, позволяющим диоду нормально светиться.

Сопротивление:

Купить нужно элемент на 33 кОм.

Мощность резистора:

Купить нужно элемент на 2 Вт.

Для проверки рассчитывается ток при максимальном напряжении:

Мощность:

Это значит, что резистор на 2 Вт не
перегреется даже при максимальном значении напряжения сети.

На
таймере 555

Таймером 555 называют интегральное устройство, генерирующее импульсы через определенные промежутки времени. Доступны модели в пластиковом и металлическом DIP и SMD корпусе на 4,5 – 16 В. Основная сфера применения в быту – управление трехцветными лентами и лампами. Таймер 555 включает цвета поочередно. Стандартное напряжение питания 5 В, перевести на 12 В можно, если поменять сопротивление резисторов.

Похожую схему с таймером 555 можно
создать для управления двухцветным светодиодом. Нужно запитать схему от сети
220 В через понижающий трансформатор. Напряжение стабилизирует регулятор 7805.
У трансформатора может быть одна или несколько обмоток. При втором варианте
требуется дополнительный вывод от обмотки на 12 В.

Если светодиод многоцветный, в схему включается столько таймеров, сколько цветов. Цветные элементы подключаются к выводам 555 через резисторы. В процессе изменения сопротивления интенсивность свечения меняется от минимального до максимального значения.

До
1а

Чтобы управлять двухцветными
светодиодами, работающими на токе до 1 А, используется схема TA7291P,
оснащенная двумя входами и выходами. Двухцветный светодиод подключается к
выходу. Если логика диодов, транзисторов и реле одинаковая, а выходы
отличаются, чип не светится.

При одинаковых логических уровнях схема
работает иначе. Если на входах уровни различаются, один из выходов присоединяется
с общей проводкой, что приводит к присоединению с ней катода двухцветного диода
и резистора. Напряжение на втором выходе меняется одновременно с напряжением на
входе. Это дает возможность регулировать интенсивность свечения.

Напряжение на втором выходе подается из
микроконтроллера, выдающего импульсы. Кроме яркости свечения микроконтроллер контролирует
входы, поэтому возможно регулирование алгоритма управления и оттенков свечения.

Сфера применения

Особенности спектра излучения не мешают светодиодам с двойным свечением найти сферу применения.

Светодиодные индикаторы на основе двухцветных диодов используются:

• в
  рекламе;
• в
  системах сигнализации (светофорах, мигалках, указателях, электронных табло);
• в
  электродвигателях (для определения стороны вращения);
• при
  декорировании помещений;
• в
  телефонах, планшетах, фотоаппаратах;
• в
  зарядках различных аккумуляторов;
• для
  тюнинга автомобилей.

В быту из двухцветных светодиодов можно
сделать гирлянду. Одни цвет горит во время положительного полупериода, второй –
во время отрицательного.

Основные выводы

Четкой классификации светодиодов по сферам
применения не существует, так как эти источники света практически никогда не
изготавливаются для какой-то конкретной цели.

Осветительные диоды монтируются в
различные приборы:

• традиционные
  лампы с цоколем;
• цилиндрические
  лампы «кукуруза»;
• ленты
  (одно- и многоцветные);
• точечные
  светильники;
• панели;
• прожекторы;
• переносные
  фонари.

Потребители выбирают осветительные
приборы не только по виду диодов, но и по другим параметрам:

• световому
  потоку;
• мощности;
• цвету
  света;
• виду
  цоколя;
• уровню
  пульсации;
• углу
  рассеивания;
• степени
  защищенности.

У качественного светодиодного источника имеется маркировка, по которой можно определить мощность, световой поток, уровень пульсации, угол рассеивания. Вероятность приобрести некачественное изделие снижается, если покупки совершаются больших магазинах. Предпочтения нужно отдать продукции известных производителей: Philips; Osram; Eurolamp.

При создании системы освещения в новом доме или квартире для расчетов лучше пригласить специалиста. Он нужен для того, чтобы не тратить время на изучение всех источников света, предлагаемых на рынке, из классификации, особенностей, преимуществ и недостатков. Самостоятельно выбрать светодиод можно при необходимости заменить лампы в имеющихся светильниках или покупке одного или двух осветительных приборов. 

Предыдущая
СветодиодыВыбираем и устанавливаем светодиодную насадку для подсветки воды
Следующая
СветодиодыСветодиод Т6 или U2 что лучше по техническим характеристикам

Заключение

Лента основана на светодиодах WS2812B в корпусе LED 5050, куда в корпус производители поместили не только три встроенных светодиода (Красный, Зеленый, Синий), но и управляемый ШИМ драйвер, управляющий их яркостью. Благодаря этому мы можем получить произвольный цвет, изменяя яркость встроенных светодиодов, а так же управлять отдельно взятым пикселем на ленте. Собственно, три встроенных разноцветных светодиода вместе с ШИМ драйвером и образуют светодиод WS2812B.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.arduino.on.kg

www.ledjournal.info

www.electrik.info

www.vyrashhivanie-iz-semyan.ru

Предыдущая
ПолупроводникиКак устроены многоцветные светодиоды
Следующая
ПолупроводникиЧто такое NTC термисторы