Светодиоды: всё о напряжении и мощности

Светодиоды: всё о напряжении и мощности

На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

По назначению светодиоды разделяют на два вида – индикаторные и осветительные.

Индикаторные:

• светодиоды SMD;
• сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
• DIP светодиоды (Direct In-line Package);
• Straw Hat («соломенная шляпа»).

Осветительные:

• COB (Chip On Board) светодиоды;
• SMD LED;
• филаментные (Filament LED).

Индикаторные

Индикаторные светодиоды отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

• DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
• «Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
• «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
• SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.

Осветительные

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

• cool white – холодный;
• warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

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 влияет напряжение на работу светодиода

В основном продолжительность безотказной работы LED-освещения определяется надежностью применяемого источника питания. Поэтому продукция ООО «Релед» комплектуется не только качественными современными светодиодами, но и высококачественными источниками питания. С чем это связано?

Основные параметры светодиодов

По своей сути светодиод является излучающим свет полупроводниковым кристаллом. При подключении светодиодной продукции, во избежание выхода ее из строя, необходимо строгое соблюдение полярности источника питания. При этом под параметром « напряжение светодиода » понимают вовсе не напряжение питания. Важной характеристикой светодиода вместе с силой проходящего через него тока является падение на нем напряжения.

Этот показатель необходим для расчета оставшегося, «не упавшего» на светодиоде напряжения. Именно это напряжение светодиода следует вычесть из питающего, чтобы правильно рассчитать сопротивление ограничивающего ток резистора. Иначе при изменении питающего напряжения всего на 0,1 В ток, протекающий через условный светодиод, значительно возрастет, и он будет продолжать работу, пока не сгорит:

• при потреблении тока LED-элемент будет греться;
• чем больше он разогреется, тем больше тока пропустит;
• с ростом тока возрастет и падения напряжения светодиода и т.д. – вплоть до отказа.

По этой причине источником питания для LED-продукции служит не блок питания, обеспечивающий нужный уровень напряжения, а драйвер, являющийся источником тока. Драйвер характеризуется не выходным напряжением, а выходным током и мощностью. Продукция ReLED оснащается тщательно подобранными драйверами, исключающими возможность выхода из строя светодиода, его чрезмерного потребления и прочих сокращающих срок эксплуатации продукции неприятностей.

Как влияет мощность на работу светодиода

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.

Какие типы светодиодов существуют по напряжению

Все светодиоды можно классифицировать по определенным признакам – назначению, мощности, цветности и т.д. Предлагаем рассмотреть каждую классификацию в отдельности.

По типу применения

Все светодиоды по типу применения можно разделить на 2 большие группы – индикаторные и осветительные, а также лазерные.

1. Индикаторные. Используются в качестве индикаторов, которые встраиваются в габаритные огни автомобилей, светофоры, LED-ленты, гирлянды, электронные устройства и т.д. Эти светодиоды подразделяются на такие виды: DIP, «Пиранья», Strow Hat, SMD.
2. Осветительные. Их применяют для создания светодиодных светильников разного типа – для улиц, жилых и общественных помещений. Например, модельсоздана для эксплуатации в сухих помещениях. Из осветительных диодов можно назвать: SMD LED, COB, Filament LED.
3. Лазерные. Это малая группа светодиодов, которые нельзя отнести ни к осветительным, ни к индикаторным. По конструкции это полупроводниковые элементы, обработанные особым образом так, чтобы генерировать сверхузкий луч света. Используются в устройствах для нанесения точной разметки, лазерных указках, компьютерных мышах и т.д.

Каких цветов бывают светодиоды?

Различие диодов по цветам излучения – первое, что приходит на ум. Действительно, это самая заметная разница между полупроводниковыми элементами. Цвет свечения будет зависеть от длины волны излучения.

Самый распространенный цвет свечения светодиодов – белый. В зависимости от цветовой температуры (измеряется в Кельвинах) он может быть нейтральным, теплым или холодным. Также встречаются зеленый оттенок свечения светодиодов, синий, красный, желтый, оранжевый и белый.

Это все касалось только монохромных оттенков свечения. Но есть и формат RGB, когда светодиодное устройство (например,) может воспроизводить разноцветный спектр излучения. Фактически это достигается установкой монохромных диодов вместе. Это полупроводниковые кристаллы с красным излучением (R – “red”), зеленым (G – “green”) и синим (B – “blue”).

При подключении контроллера к осветительному прибору начинается воспроизведение свечения кристаллов в заданном порядке, что и создает светодинамический эффект многоцветного излучения.

Какой мощности бывают светодиоды?

Еще одна характеристика, по которой различают полупроводниковые элементы – мощность. Мощность диода, как правило, напрямую связана с его яркостью – чем мощнее элемент, тем более яркий поток света он создает. При этом он будет и потреблять больше электроэнергии, и требовать более эффективного отвода тепла в корпусе осветительного прибора.

Светодиоды с самой малой мощностью – индикаторные, а также диоды поверхностной установки (SMD). В среднем, показатель их мощности равен 0,06-0,2 Ватт. К мощным моделям будут относиться брендовые полупроводниковые кристаллы (таких производителей, как CREE, Osram и других). Показатель их мощности будет достигать значения в 2,6 Ватт.

На какое напряжение бывают светодиоды?

Как такового понятия напряжения у светодиодов нет. Фактически определяется лишь величина напряжения на выходе диода после прохождение через него номинального тока, а через эту величину определяется напряжение на самом кристалле.

Зависит это напряжение от цвета излучения LED-элемента. К примеру, для красных и желтых диодов напряжение будет варьироваться от 1,8 до 2,4 вольт, а для белых, синих и зеленых будет доходить до 3 вольт.

Какой формы и размеров бывают диоды?

Также LED-элементы можно разделять по формам и размерам. Они могут иметь различную форму:

• Цилиндрическую;
• Квадратную;
• Прямоугольную.

Размеры будут определяться в миллиметрах. Для цилиндрических диодов указываются размеры высоты и диаметра, для квадратных и прямоугольных – размеры сторон. Например, распространенный ЧИП-светодиод SMD 3528 имеет размеры сторон 3,5 x 2,8 мм.

Все светодиоды имеют свое предназначение и могут использоваться в разных сферах – в конструкциях светильников для жилых помещений (к примеру, в модели), в светодиодных лентах разного назначения, в прожекторной подсветке и т.д.

Чтобы подробнее узнать про конструкцию светодиодов, их составные части и устройство, советуем прочитать статью «Как делают светодиоды».

Какие типы светодиодов существуют по мощности

Применение SMD диодов повсеместно. Эти относительно маломощные светодиоды являются основой лампочек общего освещения, индикаторных панелей и систем аварийного освещения. Наибольшей популярностью пользуются светодиодные ленты на СМД диодах. Существуют и их вариации в виде модулей и линеек, где используются планарные светодиоды.

Определить тип и размер корпусов SMD диодов можно по маркировке, цифры которой обозначают ширину и длину. Новые модификации конструируются на группах, состоящих из четырёх равных по мощности светодиодов разных цветов – «G+R+W+B». Это увеличивает светоотдачу и расширяет световые оттенки, поэтому такой тип светодиодов самый яркий.

Классификация светодиодов по типоразмерам следующая:

Габариты, мм

3,5х2,8

5,3х3

3х1,4

5х5

4,8х3

4,8х3

2,8х3,5

Таблица включает усреднённые технические характеристики, которые показывают лучшие светодиоды с белым светом. Самые мощные лампы холодного и тёплого белого света обладают меньшим световым потоком и, имея равную яркость светодиодов, дают лучшее освещение, чем цветные.

Обратите внимание! Светоотдача тёплых тонов может быть на 10% меньше той, что отражают маркировка и характеристики, а холодных – на 10% больше, поэтому они самые энергоэффективные.

Реальные технические характеристики и качество светодиодов в значительной степени определяет марка светодиодов, причём колебания могут доходить до 15%. Качественные светодиоды выпускают крупные японские, европейские и китайские бренды. Бюджетные же устройства неизвестных китайских производителей, занесённые в каталог, обычно очень слабые, и вместо заявленных 0,5 Ватт могут выдавать 0,15 или даже 0,09.

Такие низкие показатели мощности объясняются тем, что внутри корпуса смонтирован кристалл меньшего размера. Это характерно для низкокачественной китайской продукции. Поэтому, самостоятельно проектируя источник питания, стоит стремиться к реальным показателям тока в нагрузке, равным около 95% от заявленного. При небольшой недогрузке можно увеличить рабочий ресурс даже для устройств, где используются не самые лучшие светодиоды.

Как определить напряжение и мощность светодиода

Мощность определяется максимальным рабочим током. По этому показателю диоды делятся на 2 группы:

• Маломощные .

Мощный диод – тот, у которого количество Вт достигает единицы. У этого класса примерная величина – 0,06 Вт. Чтобы добиться показателя единицы, понадобится 20 элементов. Их используют, как индикаторы в гаджетах, подсветке кнопок, светильниках и бытовой технике.

Преимущества в том, что они небольшого размера, а, следовательно, имеют маленький нагрев. По этой причине теплоотвод необязателен – ленту можно клеить на поверхность без профиля.

• Мощные .

Светодиоды с высокой мощностью выпускают, как правило, компании-флагманы, которые приняли непосредственное участие в разработках и усовершенствовании led-освещения. Это CREE, Nichia, Osram. Вместе с американскими брендами рынок делит Китай. Продукция дешевле и выбор больше. Но нет именитых компаний. Товары, как правило, можно купить в онлайн-магазинах.

Хороший чип напрямую влияет на мощность – важно, чтобы не было дефектов. Американские бренды гарантируют качественные кристаллы. А вот китайские производители закупают их в Тайване или Корее. Большую роль также играет размеры светодиода и кристалла. Чем больше, тем мощнее, светлее и ярче.

Маркировка и размер полупроводниковых диодов Источник i-a.d-cd.net

Совет! Обращайте внимание на люминофор. Это желтый или оранжевый слой конструкции, его видно сразу. Если пласт толстый и большой, что даже не видно кристалла – это плохой знак. Хороший люминофор стоит не мало. Его обилие говорит о низком качестве и о попытке скрыть маленький кристалл.

Напряжение

Светодиод, в отличие от лампы накаливания, имеет полярность. Это значит, что при неправильном подключении он может выйти из строя. Обращать внимание стоит на прямое падение напряжения светодиода и рабочий ток – продавец указывает их в документации. У каждой маркировки индивидуальные показатели.

Обычные светодиоды рассчитаны на ток 5-20 мА. Но есть и более мощные с рабочим током – от 150 до 500 мА. Самые мощные – матрицы, то есть комбинации светодиодов.

Чем больше напряжения подается на светодиод, тем ярче свет. Однако, если оно слишком высокое, диод перегорает, поэтому важно найти баланс.

Яркость

Помимо яркости самих диодов на свет влияет модификатор. Это может быть оптика, повышающая яркость, или рассеиватель, который ее «съедает». Понять уровень света у той или иной модели можно по количеству люмен. Так можно узнать насколько яркий свет излучают диоды.

Сравнение яркости масляной, электрической, люминесцентной и светодиодной лампы (слева направо) Источник newatlas.com

С помощью люменов определяют, сколько ламп или лент понадобится для освещения комнаты.

Чтобы выбрать подходящее устройство, рекомендуют ориентироваться на люксы. Это параметр, который говорит об освещенности поверхности на 1 метр. Например, прямой солнечный свет – это 30 000-100 000 лк, восходы и закаты дают 400 лк, ночью, при отсутствии дополнительного освещения величина составляет менее 1 лк.

Какие факторы влияют на напряжение и мощность светодиода

LED – аббревиатура от «light-emittingdiode», что переводится на русский язык как «светоизлучающий диод». Поэтому светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электроток в свет. Он состоит из нескольких элементов:

• двух электродов (катода и анода), подключенных к отрицательному и положительному полюсу источника тока соответственно;
• кристалла из двух и более полупроводников, который обеспечивает свечение. Происходит это вследствие преобразования потока электронов в световую энергию. Кристалл подключается к электрическому источнику катодом и анодом.

Преимущества светодиодов:

• высокая степень светоотдачи, увеличенная яркость;
• механическая прочность;
• отсутствие эффекта нагревания;
• срок эксплуатации не зависит от числа циклов «включение-выключение»;
• мгновенное излучение после включения;
• в составе нет опасного для человека газа и потенциально вредных материалов;
• электробезопасность;
• нет чувствительности к воздействию низкой температуры;
• экономичность в расходе электроэнергии.

Примечание: при выборе светодиодов нужно руководствоваться их назначением, а также их техническими характеристиками.

Сила тока

Этот параметр указывает величину тока, при котором световой диод может функционировать в нормальном режиме без перегрева и разрушения. Изменение силы тока влияет на оттенок свечения. Числовой показатель зависит от количества кристаллов. У однокристальных сила тока равна примерно 200 мА, у многокристальных она выше.

Полярность (направленность тока) в лед-диодах можно определить так:

• у выводных – по длине анода и катода. Положительный анод имеет большую длину;
• у SDM – угловой срез указывает на расположение катода. Также полярность может быть обозначена треугольником, либо буквами «П» или «Т», расположенные выступом по направлению к катоду. Анод размещается на противоположной стороне.

Напряжение

Питание электрической схемы осуществляется через драйверы (блоки управления электротоком), корректирующие напряжение. Каждому цвету соответствует свое напряжение и мощность, указываемые в маркировке светодиодов:

• красный цвет = 1,06-2,03 вольт;
• оранжевый = 2,03-2,1;
• желтый = 2,1-2,2;
• зеленый = 2,2 -3,5;
• синий = 2,5-3,7;
• фиолетовый = 2,8-4;
• белый цвет = 3-3,7 вольт.

В светодиодной ленте предусмотрено стабилизированное напряжение, а сила тока задается резисторами.

Мощность

Все виды светодиодов делятся по мощности на 3 группы:

• малой – менее 0,5 Вт;
• средней – от 0,5 до 3 Вт;
• большой – более 3 Вт.

Световой поток

Угол рассеивания свечения LED – от 100 до 120 °. При необходимости фокусировки направленности излучения применяют фокусирующие линзы.

Цветовая температура

От этого параметра зависит оттенок цвета всех видов светодиодов в лампах. Рассмотрим эту зависимость на рисунке:

Для разных целей используется свечение различной цветовой температуры. Например, для работы и быта нужно выбирать светильники с температурой около 5000 К. По восприятию этот диапазон более всего соответствует дневному свету.