Светодиоды: принцип работы и основные виды

Светодиоды: принцип работы и основные виды

Принцип действия светодиода

Определение.

Светодиод (сокращенно СИД — светоизлучающий диод, в английском варианте LED — light emitting диодs) — это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n переходом или контактом металлполупроводник, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое, УФ, ИК) излучение.

Напомню, что p-n-переход — это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов — «n-тип», второй с избытком дырок — «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т. е. подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещенный p-n переход пошел ток, а именно момент рекомбинации (соединение) носителей электрического заряда — электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света — фотона .

Но не всякий p-n-переход излучает свет . Почему? Во-первых , ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых , вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Но чтобы соблюсти оба условия, одного р-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры . За изучение этих структур российский физик Жорес Ж. И. Алферов (академик, директор Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, лауреат Ленинской премии) получил золотую медаль Американского физического общества за исследования гетероструктур на основе Ga_1-xAl_xAs еще в 70-х годах.

В 2000 г., когда стало ясно, как велико значение этих работ для развития науки и техники, насколько важны их практические применения для человечества, ему была присуждена Нобелевская премия.

Какое строение имеет светодиод?

Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный 5-миллиметровый корпус. Конечно, это не единственный вариант

«упаковки» кристалла. На рис. 1 показано строение традиционного 5-миллиметрового светодиода.

Светодиод имеет два вывода — анод и катод . На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Он внешне выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещен светоизлучающий кристалл.

Рис. 1. Строение традиционного 5-миллиметрового светодиода

Активный элемент — полупроводниковый монокристалл — в большинстве современных 5-мм светодиодах используется в виде кубика (чипа) размерами 0,3´0,3´0,25 мм, содержащего р-n или гетеропереход и омические контакты.

Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором определяют угол излучения (диаграмму направленности) светодиода.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое светодиоды

В основе светодиода лежит p-n переход, созданный путём допирования двух смежных областей полупроводника разными типами примесей: одна область допируется атомами, создающими избыток электронов (n-тип), а другая — атомами, создающими избыток "дырок" (p-тип).

Когда к светодиоду прикладывается напряжение в прямом направлении, электроны из n-области начинают перемещаться к p-области, а "дырки" из p-области — к n-области. На границе p-n перехода электроны и "дырки" встречаются и рекомбинируют, что приводит к освобождению энергии в виде фотонов — частиц света.

Энергия фотонов и цвет излучаемого света зависят от ширины запрещённой зоны полупроводника, которая определяется его материалом. Например, полупроводники с большой шириной запрещённой зоны излучают свет в синем или ультрафиолетовом диапазоне, в то время как полупроводники с меньшей шириной запрещённой зоны излучают в красном или инфракрасном диапазоне.

Преимущества светодиодов :

• Высокая эффективность: Большая часть энергии преобразуется в свет, а не в тепло.
• Долговечность: Срок службы светодиодов может достигать десятков тысяч часов.
• Быстрый отклик: Светодиоды мгновенно включаются и выключаются.
• Устойчивость к ударам и вибрации: Отсутствие хрупких элементов делает их надёжными в эксплуатации.
• Малый размер: Позволяет использовать их в компактных устройствах.

Эти характеристики делают светодиоды идеальными для широкого спектра применений, от бытового освещения до передовых технологических решений. Их уникальные свойства и способность к миниатюризации открывают новые горизонты в дизайне и инженерии осветительных устройств.

Как работают светодиоды

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Какие материалы используются для изготовления светодиодов

Диоды, как правило, сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала. Один слой будет иметь избыток электронов, а следующий будет иметь дефицит электронов. Эта разница заставляет электроны перемещаться из одного слоя в другой, тем самым генерируя свет. Теперь производители могут делать эти слои толщиной до 0,5 микрона/

Для изготовления полупроводниковых пластин галлий, мышьяк и/или люминофор сначала смешивают вместе в камере и переводят в раствор. Чтобы они не попали в сжатый газ в камере, их часто покрывают слоем жидкого оксида бора. Затем в раствор погружают стержень и медленно вытягивают. Раствор охлаждается и кристаллизуется на конце стержня, когда его поднимают из камеры, образуя длинный цилиндрический кристаллический слиток. Затем слиток разрезают на пластины.

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество только при наличии в нем высокой плотности примесей. Примеси внутри полупроводника используются для создания необходимой электронной плотности.

Срез или пластина полупроводника представляет собой единый однородный кристалл, а примеси вводятся позже в процессе производства. Думайте о вафле как о пироге, который смешивают и выпекают в установленном порядке, а о примесях — как о орехах, взвешенных в пироге. Конкретными полупроводниками, используемыми для производства светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) или фосфид арсенида галлия (GaAsP). Различные полупроводниковые материалы (называемые подложками ) и различные примеси приводят к разным цветам света от светодиода.

Примеси - это как "орехи в пироге", которые вводятся позже в производственном процессе, чтобы светодиод работал правильно. Этот процесс называется допингом . Обычно добавляются примеси цинка или азота, но также используются кремний, германий и теллур. Как упоминалось ранее, они заставят полупроводник проводить электричество и заставят светодиод функционировать как электронное устройство. Именно за счет примесей может быть создан слой с избытком или недостатком электронов.

Для комплектации устройства необходимо провести к нему и от него электричество. Таким образом, провода должны быть прикреплены к подложке, хорошо прилипать к полупроводнику. Быть достаточно прочными, чтобы выдерживать последующие такие обработки, как пайка и нагрев. Для этой цели чаще всего используются соединения золота и серебра, поскольку они образуют химическую связь с галлием на поверхности пластины.

Светодиоды заключены в прозрачный пластик, как пресс-папье из люцита, в котором подвешены предметы. Пластик может быть любого сорта, и его точные оптические свойства будут определять, как будет выглядеть выходной сигнал светодиода. Некоторые пластики являются диффузионными, что означает, что свет будет рассеиваться во многих направлениях.

Некоторые из них прозрачны, и их можно превратить в линзы, которые будут направлять свет прямо от светодиода узким лучом. Пластмассы могут быть окрашены, что изменит цвет светодиода, позволяя проходить большему или меньшему количеству света определенного цвета.

При его разработке необходимо учитывать несколько особенностей светодиода, поскольку он представляет собой как электронное, так и оптическое устройство. Желаемые оптические свойства, такие как цвет, яркость и эффективность, должны быть оптимизированы без чрезмерной электрической или физической конструкции. На эти свойства влияют размер диода, конкретные полупроводниковые материалы, используемые для его изготовления, толщина слоев диода, а также тип и количество примесей, используемых для «легирования» полупроводника.

Какие виды светодиодов существуют

Существует несколько видов лед-диодов, различающихся по форме, конструкции и функциональности.

Выводные

Характерная особенность этого типа светодиодов – наличие выводов, так называемых «ножек». Они нужны для ручного монтажа диода на печатную плату в специальные отверстия на ней. Метод такого крепежа называется сквозным и выполняется либо припаиванием, либо винтовым способом. Выпускаются в трех типовых формах корпуса:

• круглой – с диаметром от 3 до 10 мм;
• цилиндрической – с диаметром 3,5 и 8 мм;
• прямоугольной («пиранья») – с четырьмя ножками для улучшения фиксации и снижения чувствительности к вибрации. Применяются для индикации и подсветки, для автомобильного и декоративного освещения.

Достоинства выводных LED-конструкций:

• широкий угол освещения от 90 до 120 °;
• экономичность (в сравнении с иными типами световых полупроводников);
• совместимость со стандартными электронными элементами, простота монтажа. Как следствие – возможность интеграции в любые печатные платы.

SMD

Эта аббревиатура от «surface mounted device», что означает «прибор, монтируемый на поверхность». Следовательно, диод smd – это устройство в маленьком корпусе, с вмонтированным в него светоизлучающим кристаллом, установленное на печатную плату методом поверхностного монтажа. Светодиодные чипы этого типа имеют до трех диодов, к каждому из которых прикреплена схема. Выводы сделаны в форме полосок из металла, поэтому световые диоды подключаются непосредственно к плате (не нужны «ножки» для крепления). Монтаж осуществляется либо вручную, либо автоматизированным способом.

Алгоритм изготовления СМД:

• выращивание кристалла методом металлоорганической эпитаксии, т. е. наращением кристаллических слоев на подложку. Эпитаксия осуществляется пиролизом (термическим разложением) металлоорганики, содержащей определенные химические элементы;
• планарная обработка выращенного кристалла, подразумевающая его травление, создание контактов, разрезание на несколько тысяч отдельных чипов;
• биннирование (сортировка) чипов на группы по таким критериям: длине волны, напряжению, световому потоку;
• изготовление светодиода с нужными параметрами и характеристиками. Это последний этап, на котором делают корпус изделия, монтируют выводы, наносят люминофор (при необходимости).

Если конструкция полупроводникового прибора предусматривает линзы, то их производству также уделяют повышенное внимание. Они должны хорошо пропускать свет, быть температурно-стабильными, иметь долгий срок службы. Их изготавливают из пластика, силикона, эпоксидной смолы.

Преимущества СМД световых полупроводников:

• малая потребляемая мощность (энергоэффективность);
• отсутствие ртути в составе материалов;
• малые габариты;
• долговечность (до 50 тысяч часов непрерывной работы);
• стойкость к механическим повреждениям, вибрации, перепадам температуры;
• мгновенный ответ при включении;
• усиленный теплоотвод;
• возможность монтажа на любую поверхность;
• разнообразный модельный ряд, что позволяет использовать их в любой сфере: в быту, в промышленности, для уличного освещения, дизайнерской подсветки и т. д. По востребованности на рынке SMD-диоды занимают лидирующие позиции.

COB

Светодиоды вида COB – это новое достижение, усовершенствованная модификация лед-диодов. Свое название они получили от аббревиатуры «Chip On Board», что переводится как «чип на плате». Перевод дает разъяснение принципу, по которому создана эта конструкция: на общей подложке размещено несколько бескорпусных световых диодов с общим люминофорным покрытием. Это позволяет создать единую матричную структуру с многократно увеличенной яркостью и равномерным свечением рабочей поверхности (без «точечного» эффекта). Матрицу монтируют на многослойной подложке с основанием из металла, выполняющим функцию радиатора для отведения излишков тепла. Светодиоды СОВ имеют девять и более диодов. Тем не менее, их свечение выглядит как поток света из одного источника.

Полупроводниковые излучатели этого типа сохраняют все достоинства обычных световых диодов и привносят свои: максимальную яркость свечения, минимальное количество выходов для подключения к источнику питания (одна цепь с двумя контактами).

Область применения:

• уличное и домашнее освещение;
• дизайнерская подсветка арт-объектов;
• вспышка камер смартфонов и т. д.

Какие свойства имеют инфракрасные светодиоды

Инфракрасные светодиоды (сокращенно называются ИК диоды) — это полупроводниковые элементы электронных схем, которые при прохождении через них тока излучают свет, находящийся в инфракрасном диапазоне.

Мощные светодиоды (например, лазерный вид) инфракрасного спектрального диапазона производятся на базе квантоворазмерных гетероструктур. Здесь применяется лазер FP-типа. В результате чего мощность светодиодов стартует с отметки 10мВ, а ограничивающим порогом служит 1000мВ. Корпуса для данного рода изделий подходят как 3-pin-типа, так и HHL. Излучение в результате этого оказывается в спектре от 1300 до 1550нм.

Структура ИК-диода

В результате такой структуры лазерный мощный диод служит отличным источником излучения, благодаря чему его часто используют в волоконно-оптической системе передачи информации, а также во многих других сферах, о которых речь пойдет немного ниже.
Лазерный инфракрасный тип диода является источником мощного и концентрированного лазерного излучения. В его работе применяется, соответственно, лазерный принцип работы.
Мощные диоды (лазерный тип) имеют следующие технические характеристики:

Графическое отображение телесного угла в 1 ср

• такие светодиоды способны генерировать волны, находящиеся в диапазоне 0,74- 2000 мкм. Этот диапазон служит той гранью, когда излучение и свет имеют условное деление;
• мощности генерируемого излучения. Этот параметр отражает количество энергии в единицу времени. Такая мощность дополнительно привязывается к габаритам излучателя. Данный параметр измеряется в Вт с единицы имеющейся площади;
• интенсивность излучаемого потока в рамке сегмента объемного угла. Это достаточно условная характеристика. Она связана с тем, что с помощью оптических систем испускаемое диодом излучение собирается и потом направляется в требуемую сторону. Данный параметр измеряется в ВТ на стерадианы (Вт/ср).

В некоторых ситуациях, когда нет необходимости в наличии постоянного потока энергии, а достаточны импульсные сигналы, вышеописанное строение и характеристики позволяют увеличить мощность энергии, излучаемой элементом радиосхемы, в несколько раз.

Какие свойства имеют ультрафиолетовые светодиоды

В английской терминологии светодиоды, излучающие в ультрафиолетом диапазоне, известны как UVA, UVВ и UVС LED в зависимости от длины волны излучения. Сохраним эту аббревиатуру.

Электромагнитный спектр с выделением поддиапазонов УФ

Рассмотрим все три типа светодиодов, узнаем, что у них общего и чем они отличаются.

UVА LED или Светодиоды группы А

UVA – это ближний ультрафиолет или черный свет и имеет длину волны в диапазоне от 315 до 400 нм.

На практике UVA диапазон в зависимости от используемой длины волны условно подразделяются еще на три категории:

«Верхний» UVA ( Длины волн – в диапазоне 390 нм – 420 нм.)

«Верхние» устройства типа UVA доступны с конца 1990-х годов. Эти ультрафиолетовые светодиоды традиционно используются в первую очередь в таких применениях, как обнаружение или проверка подделок (валюта, водительское удостоверение, документы и т. д.). Они долговечны и просты в изготовлении. Требования к выходной мощности для этих устройств очень низкие. В результате они являются самыми дешевыми из всех продуктов UV.

«Средний» UVA ( Длины волн (приблизительно 350 нм – 390 нм).

За последние несколько лет использования «средний» компонент светодиодов UVA показал наибольший рост. Большинство применений в этом диапазоне длин волн предназначены для ультрафиолетового отвердевания различных материалов, таких как клеи, покрытия и краски. Светодиоды этого диапазона обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными технологиями отвердевания, в которых используются ртутные или флуоресцентные лампы. Это связано с большей эффективностью, меньшей стоимостью и миниатюризацией устройств. Налицо явная тенденция к возрастанию роли светодиодов для отвердевания.

«Нижний» UVA ( Длины волн (приблизительно 300 нм – 350 нм).

«Нижний» UVA и «верхний» диапазоны UVB (приблизительно 300 нм – 350 нм) являются самыми последними разработками на рынке светодиодов группы А. Эти устройства предлагается использовать в различных приложениях, включая УФ-отвердевание, биомедицину, ДНК-анализ и различные типы зондирования. 

Существует значительное перекрытие этих трёх спектральных поддиапазонов VUА ультрафиолетового излучения, поэтому необходимо учитывать не только то, что лучше всего подходит для того или иного приложения, но и то, что является наиболее экономичным решением. Светодиоды с более «низкой» длиной волны, как правило, стоят дороже и часто значительно, чем со «средней» длиной волны и, тем более, по сравнению с «верхним» диапазоном.

Какие свойства имеют белые светодиоды

При оценке светодиодной продукции различных производителей следует в первую очередь анализировать следующие характеристики:

• фотометрические (световые);
• радиометрические (энергетические);
• колориметрические (спектральные);
• гониометрические (угловые);
• эксплуатационные (срок службы).

Фотометрия — это раздел физической оптики, располагающий совокупностью методов для измерения электромагнитного излучения в видимом диапазоне спектра (длины волн 380–770 нм). Существует множество фотометрических величин, но основными являются световой поток, сила света, освещенность, яркость.

• Световой поток — это полное количество излучения, производимого данным источником в видимой области спектра (единица измерения — люмен (лм)).
• Сила света — это пространственная плотность светового потока в заданном направлении, или отношение светового потока, направленного от источника в пределах телесного угла, охватывающего данное направление, к этому углу (единица измерения — кандела (кд)).
• Освещенность — это плотность падающего светового потока на поверхности, или отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности (единица измерения — люкс (лк)).
• Яркость — это отношение силы света в заданном направлении от участка поверхности к площади этой излучающей поверхности в проекции на плоскость, перпендикулярную этому направлению (единица измерения — кандела на метр квадратный (кд/м²)).

Радиометрия занимается измерениями полного электромагнитного излучения во всех оптических диапазонах (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом). Основная единица мощности излучения — ватт (Вт). Другие измеряемые радиометрические величины — сила излучения (Вт/ср), энергетическая освещенность (Вт/м²) и энергетическая яркость (Вт/ср.м²). Базовый метод измерения полной мощности излучения основан на использовании сферического интегратора. Основными величинами радиометрии являются:

• Световая эффективность преобразования энергии в свет — отношение величины излучаемого светового потока к потребляемой электрической мощности (единица измерения — люмен на ватт (лм/Вт));
• Поток излучения — количество энергии, излучаемой за единицу времени (единица измерения — ватт (Вт)).

Колориметрия включает в себя расчеты и методы измерения цвета излучения. Эти методы основываются на законах Грассмана. Колориметрические параметры белых светодиодов обычно выражены в координатах цветности или в значении коррелированной цветовой температуры. Эта методика измерения цветности была принята международной комиссией по освещенности в 1931 г. Цветовое восприятие человека весьма сложно, поскольку оно зависит не только от различных физических свойств света, но также и от окружающих объектов, механических свойств излучателя и психологического состояния наблюдателя. Для белых светодиодов наиболее важными колориметрическими параметрами являются цветовая температура и индекс цветопередачи. Цветовая температура — это температура черного тела, при которой оно испускает излучение с той же цветностью, что и рассматриваемое измерение. Эта мера объективного впечатления от цвета данного источника света. Единица измерения — градус Кельвина (К).

• 2700 К — сверхтеплый белый;
• 3000 К — теплый белый;
• 4000 К — естественный белый;
• 5000 К — холодный белый (дневной).

Светодиоды производятся сегодня в довольно широком диапазоне оттенков белого цвета с цветовой температурой 2600–10000 К. К сожалению, каждый регион имеет свои собственные понятия о том, какой диапазон белого света более всего подходит для нужд освещения, поэтому четкой фиксации нет.

Индекс цветопередачи является отражением того, насколько естественно выглядят предметы под этим светом. За один из стандартных источников принимается Солнце, при этом для источников с близкой цветовой температурой его коэффициент равен 100. Этот коэффициент обозначается как Ra или CRI.

• Ra 91–100 — очень хорошая цветопередача;
• Ra 81–90 — хорошая цветопередача;
• Ra 51–80 — средняя цветопередача;
• Ra

Гониофотометры применяют для угловых характеристик источников излучения. Суть метода измерений состоит в том происходит пошаговая фиксация значений силы света излучателя при его повороте на известный угол. Такие измерения необходимы разработчику для более эффективного выбора типа светодиодов при проектировании конкретной осветительной системы.

Основная характеристика надежности светодиодов — срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Срок службы отражает эти факты: различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока прибор не выйдет из строя).

Правильный выбор корпуса является очень важным фактором надежности светодиода, а от этого во многом зависит эффективность работы проектируемых систем освещения. Важными показателями корпуса являются оптические и тепловые свойства, а также способ монтажа. Производители мощных светодиодов предлагают свою продукцию в корпусах для поверхностного монтажа (очень удобно при автоматической пайке), PLCCкорпусах (используются для ручного монтажа), корпусах типа STAR (они имеют хорошее соприкосновение с радиатором, поэтому облегчают отвод тепла).

Перед разработчиками осветительных систем стоит сложная задача по выбору производителя светодиодной продукции. Для этого необходимо, во-первых, провести тщательный анализ всего спектра продукции по фотометрическим, радиометрическим, колориметрическим и эксплуатационным характеристикам. Во-вторых, выбрать корпус светодиода. Это важно с точки зрения монтажа и отвода тепла. В-третьих, проанализировать набор драйверов для светодиодов, предлагаемый производителями данного вида продукции, чтобы выстроить систему питания системы освещения с наивысшим КПД. В-четвертых, рассмотреть гониометрические характеристики и выбрать наиболее эффективную оптику.

И, чтобы быть на передовых позициях длительное время, необходимо заглядывать в завтрашний день и пытаться предвидеть, по какому пути будет проходить дальнейшее развитие отрасли, какие типы светодиодов наиболее перспективны, какие новые характеристики следует ждать в ближайшее время.

Какие области применения имеют светодиоды

Знание того, как работает светодиод и на какие характеристики следует обратить внимание, позволит эффективно использовать прибор, оптимизируя расходы на электроэнергию.

Цвет освещения определяют материалы, используемые для изготовления полупроводников. Сегодня в продаже можно встретить следующие виды:

• красные;
• оранжевые;
• желтые;
• зеленые;
• синие;
• фиолетовые;
• пурпурные;
• инфракрасные и ультрафиолетовые.

Среди других важных характеристик стоит обратить внимание на силу тока, напряжение, мощность, яркость, угол излучения и срок эксплуатации.

Как правило, сила тока для обычных светодиодов находится в районе 0,02А, но некоторые устройства потребляют до 0,08А. Стабильность работы прибора обеспечивают установкой драйвера. При увеличении тока меняется цвет свечения, но в таком случае изделие быстро выйдет из строя.

Параметр напряжения зависит от типа полупроводника и определяется по цвету свечения. Напряжение в синих и зеленых кристаллах составляет 3В, а в желтых и красных – от 1,8-2,4 В.

Параметр мощности необходимо учитывать при подключении к сети и монтаже светодиодной ленты. Если расчеты произведены неправильно, то ток будет распределяться неравномерно, а сами диоды перегорят. Рассчитать мощность можно при помощи закона Ома, используя известные параметры: А*В. Например, если сила тока 0,7А, а напряжение 3,7В, то мощность будет равна 2,6Вт.

Яркость светодиодов зависит от количества потребляемого тока, оптической системы и мощности. Чем больше электронов поступает в зону рекомбинации между проводниками, тем ярче будет свет. Светодиоды одинаковой мощности с обычной лампой дают свет в 8 раз мощнее последней.

Рассеивание света происходит в диапазоне от 20 до 120 градусов. Максимальная яркость наблюдается по центру и постепенно снижается ближе к периферии. В этом отношении диоды куда эффективней обычных ламп, которые рассеивают свет по всем направлениям.

Срок эксплуатации зависит от правильности расчетов мощности изделия и качества сборки. Китайские модели дешевле, но выходят из строя раньше обещанного времени. Средний срок службы составляет около 1000 часов. При этом необходимо помнить, что диод считается нерабочим, если потерял 30% от первоначальной мощности.

Какие преимущества имеют светодиоды перед другими источниками света

Вопрос, что лучше – люминесцентные или светодиодные светильники, возникает одним из первых при сравнении разных ламп. Люминесцентные представляют собой газоразрядные источники света, где свечение возникает из ультрафиолетового излучения под действием разряда между электродами. Ультрафиолет воздействует на люминофор, которым покрыта внутренняя поверхность колбы, что и вызывает светящийся эффект.

Светодиодные лампы работают по другому принципу. В них не происходит никаких дополнительных преобразований энергии, поэтому коэффициент полезного действия оказывается несколько выше – 75-90% против 75-85% у люминесцентных ламп. В последних часть напряжения уходит на пускорегулирующее устройство, необходимое для устранения эффекта пульсации, из-за которого человек может ощущать себя подавленным. Понять, в чем разница между светодиодными и люминесцентными светильниками, проще при сравнении по другим важным критериям, приведенным в таблице.

Критерий сравнения	Люминесцентные лампы	Светодиодные лампы
Мощность	21 Вт	10 Вт
Срок службы	10 тыс. часов. Здесь важно количество циклов включения-выключения. В сутки их должно быть не более 6, поскольку лампы чувствительны к частому включению. Для продления срока службы такие лампы рекомендуют оставлять включенными, нежели лишний раз их выключать.	50 тыс. часов. Светодиоды не зависят от того, сколько раз их включают и выключают.
Степень нагрева	Средняя	Низкая, но для светодиодов, особенно мощных, важно наличие качественной вентиляции.
Прочность конструкции	Хрупкая конструкция	Высокая прочность
За сколько образуется максимальный световой поток	За 2-3 с после включения. Время разгорания еще больше увеличивается при температуре ниже +10 °C.	Мгновенно, сразу при включении. Светодиоды могут нормально работать при температуре от -20 до +40 °C.
Светоотдача	В пределах 50-80 Лм/Вт.	Обладают более высокой светоотдачей, поскольку почти всю энергию преобразуют в свет. К примеру, светильник LGT-Prom-AirTube-35 со световым потоком 4500 Лм и мощностью 36 Вт имеет светоотдачу 125 Лм/Вт. Для сравнения: световой поток 2500 Лм обеспечивает люминесцентная лампа мощностью 60-80 Вт и светодиодная лампа мощностью 25-30 Вт.
Экологичность	Ввиду наличия паров ртути внутри колбы лампы относятся к опасным отходам, поэтому требуют специальной утилизации, обычно через фирмы, предоставляющие подобную услугу.	Экологичные светильники, которые не приносят вреда окружающей среде при неправильной утилизации. Но специалисты рекомендуют не выбрасывать лампы в обычный мусор. Лучше сдавать их в пункты приема отходов, основанные на раздельном сборе мусора.

Какие недостатки имеют светодиоды

Светодиоды, или LED (Light Emitting Diodes), а точнее их первые образцы, появились еще в середине прошлого века, но широкий интерес к ним со стороны простых обывателей появился сравнительно недавно. Связано это с тем, что светодиоды постепенно вытесняют привычные для нас искусственные источники света (лампы накаливания, галогенные, люминесцентные лампы и др.). Еще несколько лет назад многие не могли себе представить, что LED-технологии станут частью повседневного быта, и сфера их применения перестанет ограничиваться индикаторами электронных приборов, информационными табло и игрушками.

Причиной растущей популярности является целый ряд преимуществ светодиодов перед остальными источниками света:

• Первый и несомненный плюс — это очень долгий срок службы светодиодов (примерно 50000 часов).
• Низкое энергопотребление по сравнению с другими источниками света.
• Экономическая выгода — результат сочетания долговечности и экономии электроэнергии.

• Высокая светоотдача. Практически всю получаемую энергию светодиод преобразует в свет, в отличие, например, от лампы накаливания, которая при равной мощности дает света меньше, а выделяет тепла в разы больше
• Возможность выбора цветовой температуры светодиода в зависимости от цели освещения: от привычного теплого белого света лампы накаливания (2700-3000К) до холодного белого или дневного света (6500К). Здесь важно обратить внимание на такой параметр как биновка — группировка по длинам волн и цветовой температуре светодиодов. Дело в том, что недобросовестные производители дешевых светодиодных светильников или лент часто не следят за тем, чтобы у всех LED в изделии был одинаковый цветовой бин. Поэтому очень важно при покупке проверить, что светодиоды в светильнике/ленте/лампе не отличаются по цвету или яркости.
• Если стоит задача цветной декоративной подсветки, то RGB светодиоды — лучшее решение, так как количество цветов и сцен освещения ограничивается в этом случае лишь фантазией дизайнера. Они дают возможность организовать подсветку любого из цветов спектра и менять ее с помощью специального контроллера по своему усмотрению.
• Светодиодные светильники можно диммировать (регулировать яркость света).
• Компактность, гибкость и разнообразие модулей LED позволяют реализовывать множество дизайнерских светотехнических решений в самых разных интерьерах.
• Светодиод не нагревается, так как работает на низковольтном напряжении, что обеспечивает высокую степень пожарной безопасности. Благодаря этому свойству LED все чаще используются во встраиваемых в пол светильниках, потому что риск получить ожег, наступив на него босой ногой, сводится к нулю.
• LED устойчивы к механическим повреждениям из-за отсутствия у них хрупких элементов, таких как стеклянная колба или нить накаливания.
• Отсутствие фосфора, ртути и других токсичных элементов позволяет говорить об экологичности и безопасности этого источника света.