Принцип работы и особенности светодиодной лампы

Что такое RGB-светодиод

Обычные светоизлучающие полупроводниковые приборы имеют один p-n переход в одном корпусе, либо представляют собой матрицу из нескольких одинаковых переходов (COB-технология). Это позволяет в каждый момент времени получить один цвет свечения – непосредственно от рекомбинации основных носителей или от вторичного свечения люминофора. Вторая технология дала разработчикам широкие возможности в выборе цвета свечения, но менять окраску излучения в процессе эксплуатации прибор не может.

RGB светодиод содержит в одном корпусе три p-n перехода с разным цветом свечения:

• красным (Red);
• зеленым (Green);
• синим (Blue).

Аббревиатура из английских названий каждого цвета и дала название этому типу LED.

Светодиоды Filament

Еще один пример инновационных светодиодов — решения типа Filament. Главное их преимущество — высокая энергоэффективность. При одинаковой мощности, к примеру, с такими светодиодами, как COB, решения типа Filament могут обеспечивать более высокий уровень освещенности.

Рассматриваемый инновационный продукт чаще всего используется при изготовлении осветительных ламп. В числе примечательных характеристик производства соответствующих светодиодов — осуществление монтажа непосредственно на подложку, выполненную из стекла. Данный подход дает возможность распространять свет, излучаемый светодиодом, на 360 градусов.

Осветительные светодиоды

Выбирая,
какие светодиоды самые яркие,
стоит остановиться на осветительных. Это сверхмощные
светодиоды с высокой интенсивностью излучения. Выпускаются исключительно
в белом цвете, тёплом и холодном, корпус предназначен для поверхностного
монтажа. Используются в лампах
и светодиодных лентах, фарах, фонарях и прочем, где необходимы мощные сверхъяркие светодиоды.

Не
существует естественных кристаллов, излучающих белый свет. Поэтому, чтобы
создать светодиоды белого свечения,
используются различные технологии, основанные на смешивании трёх основных
цветов (RGB). Цветовая температура определяется способом их сочетания.
Популярным методом является покрытие кристалла слоями люминофора, каждый из
которых отвечает за один из трёх базовых цветов. Другой способ заключается в
нанесении пары слоёв люминофора на голубой кристалл.

Можно выделить следующие
преимущества осветительных диодов:

• различное цветовое свечение;
• возможность выбора световой температуры;
• энергосбережение, сокращающее расходы электричества;
• малый коэффициент пульсации;
• разнообразная
  рассеиваемая мощность.

Среди осветительных
выделяются следующие виды светодиодов:

Тип светодиода	Строение	Корпус	Угол рассеяния	Область применения
SMD	Кристалл, покрытый люминофором, размещён на алюминиевой либо медной подложке, отводящей тепло	В основном прямоугольный, с линзой или без	100-130о	Переносные фонари, светодиодные лампы и ленты, фары авто
COB	Большое количество светодиодов SMD в едином корпусе, покрытом люминофором	Имеют вид матрицы, чаще всего прямоугольной	до 180о	Только для освещения без узконаправленного излучения
Filament	Кристаллы покрыты люминофором и установлены на стеклянную подложку	Цилиндрическая подложка	360о	Декоративная подсветка помещений
PCB Star	Один кристалл большой площадью на подложке из алюминия	Подложка в форме шестерёнки или звезды	120о	Мощные прожекторы и ручные фонари

Обратите внимание! Спектр свечения Filament намного приятнее для человеческого глаза, чем виды SMD и COB, и схож со светом ламп накаливания

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.

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.

Цветовая маркировка

У каждого производителя собственная маркировка светодиодов. Например, в обозначении светодиода – LED-WW-SMD5050 его буквенные и цифровые элементы имеют расшифровку:

• LED – светодиод;
• WW – цвет свечения Warm White – белый теплый 2700-3500 K;
• SMD – корпус для поверхностного монтажа;
• 5050 – размеры корпуса в десятых долях миллиметра – 5,0×5,0.

Варианты аббревиатур оттенков белого света:

• DW – Day White – белый дневной (4000-5000 K);
• W – White, белый чистый (6000-8000 K);
• CW или WC – Cool White – белый холодный (8000-10 000 K);
• WSC – White Super Cool – белый суперхолодный , цветовая температура 15 000 К с характерным синеватым оттенком;
• NW – Neutral White – нейтральный белый – 5000 K.

Применение светодиодов в моддинге

Светодиоды это одни из первых вещей, которые начали применять в моддинге, ведь еще в конце 1999 – начале 2000 года первые моддеры меняли в своих корпусах стоковые светодиоды наскучивших цветов на более яркие светодиоды интересных и необычных цветов. Кроме того, некоторые моддеры самостоятельно изготавливали вентиляторы со светодиодной подсветкой, светодиодные лампы подсветки для корпуса и прочие моддинг-аксессуары. С появлением оптических мышек, моддеры начали заменять в них стандартные светодиоды, а так же устанавливать дополнительные. Однако нельзя сказать что, с появлением серийных вентиляторов с подсветкой, применение светодиодов в моддинге ушло в историю, скорее оно перешло в разряд классики, как и раундинг проводов (который, как всем известно, вошел в метаболизм каждого моддера) и прорезка блоухолов. Действительно, в современных корпусах уже с завода стоят яркие светодиоды синего, белого и других цветов, но ведь мы же хотим сделать вещи уникальными и персонализированными, ведь для этого мы и занимаемся моддингом, а учитывая теперешнее распространение дешевых и мощных светодиодов, не использовать их в моддинге – грех =), посему их используют по полной программе: ими подсвечивают корпуса, клавиатуры, вентиляторы, гравировки, люминесцентные краски и так далее. Светодиоды отлично применимы там, где нужна локальная или компактная подсветка, яркая или наоборот тусклая, ими отлично подсвечивать систему водяного охлаждения и т.п.

Вентилятор со светодиодной подсветкой

гибкая LED лента

Гибкая светодиодная лампа

Светодиоды, в случае применения их в моддинге, обладают следующими преимуществами и недостатками.

Преимущества

• Яркие и насыщенные цвета
• Надежность (длительный срок службы)
• Высокая эффективность
• Практически не греются
• Компактный размер

Недостатки

• Легко перегорают при неправильном подключении
• Далеко не plug-and-play, с точки зрения подключения

Как работает элемент?

Принцип действия светодиода основывается на функциях и свойствах p-n-перехода. Под ним понимается специальная область, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). p-полупроводник является носителем положительного, а n-полупроводник – отрицательного заряда (электронов).

В конструкции светодиода положительным и отрицательным электродами выступают анод и катод, соответственно. Поверхность электродов, которая находится снаружи колбы, имеет металлические контактные площадки, к которым припаяны выводы. Таким образом, после подачи положительного заряда на анод и отрицательного – на катод – на p-n переходе начинает протекание электрического тока.

При прямом включении питания дырки из области p-полупроводника и электроны из области n-полупроводника буду направлено двигаться на встречу друг другу. В результате этого на границе дырочно-электронного перехода происходит рекомбинация, то есть обмен, и выделяется световая энергия в виде фотонов.

История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором из . Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов. Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале г.)

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации Nichia Chemical Industries, смогли изобрести дешевый синий светодиод (LED). За открытие дешевого синего светодиода им троим была присуждена Нобелевская премия по физике в 2014 г.. Синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Виды светодиодов

Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом.		Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения.		Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре.		Современные мощные сверхъяркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа.
Мощный белый светодиод 20Вт в сравнении с красным индикаторным 5 мм светодиодом.

Потолочные светодиодные светильники: устройство и принцип работы

Подобные устройства часто используют для офисных помещений. Особенно широкое распространение получили светильники, которые монтируются на подвесные потолки «Армстронг». Раньше их место занимали люминесцентные устройства, однако LED-приборы оказались намного экономичнее

Свет от них не так раздражает глаза, что немаловажно для людей, проводящих на рабочем месте целый день

Потолочные светодиодные светильники 600х600 — LED-устройства, идеально подходящие к подвесным потолкам. Их монтаж довольно прост. Никакого крепления здесь не требуется. Все, что нужно – это провести светильник по диагонали в квадратный проем подвесного потолка, а после, поставив его ровно, опустить на посадочное место. Подключать подобные устройства удобнее через специальные клеммники WAGO (самозажимные или механические). Монтаж при этом происходит очень быстро.

Характеристика и маркировка мощных светодиодов 1w

Светодиоды мощностью 1 Вт — это группа твердотельных полупроводниковых приборов, обладающих следующими параметрами:

• прямое напряжение — 2-4 В;
• сила тока — до 350 мА;
• световой поток — 20-120 Лм;
• угол рассеивания — 120°;
• мощность рассеивания — 1 Вт;
• срок службы — до 50000 часов;
• диапазон температуры — от -40° до + 80°;
• варианты цвета — белый, теплый белый,
  желтый, красный, зеленый, синий.

Это общие для всех элементов группы показатели, которые определяются уровнем мощности светодиодов.

Маркировка элементов
расшифровывается следующим образом:

1W R 3.4v 50-90LM 520-525nm G

1W — мощность

R — необходим радиатор;

3.4v — напряжение питания;

50-90LM — величина светового потока;

520-525nm — длина световой волны в нанометрах;

G — зеленый цвет свечения (Green).

Все элементы отличаются низким энергопотреблением и высокой надежностью. В течение всего продолжительного срока службы степень деградации светодиодов остается невысокой, проявляясь только на последних стадиях выработки ресурса.

Выбор драйвера

Выбор драйвера во многом определяет место, где планируется установка светильника.

Например, в условиях складского помещения для светильника понадобится драйвер с рабочей температурой выше 0◦С и степенью влагостойкости от IP 20

Если освещать будем офис или любое другое административное помещение, где работают люди и нужна высокая освещаемость, то в таком случае надо брать во внимание и коэффициент пульсации: он не должен быть выше 5%. Границы входящего напряжения зависят от конкретных условий

Например, если в помещении установлено большое количество оборудования или оно достаточно мощное, то есть вероятность падения (скачков) напряжения в сети. В этом случае понадобится источник питания с универсальным входом.

Блоки питания и драйверы для светодиодных светильников

Напряжение в сети офисных помещений обычно стабильно, и стандартного диапазона входных напряжений бывает более чем достаточно. Но в любом случае светодиодный светильник нуждается в корректоре коэффициента мощности, потому что прибавочная мощность оказывается выше порога в 25 Ватт. Есть модели, рассчитанные на внутреннее освещение. Это модели светильников PLD-40 и PLD-60. Их коэффициент пульсации не выше 20%, а значит, они подойдут для освещения помещений, не требовательных к яркому освещению. Драйверы таких моделей защищены от короткого замыкания и перегревов, а также имеют полное соответствие требованиям электромагнитной совместимости. Таким образом, примеры моделей PLD-40 и PLD-60 продемонстрировали нам прекрасное соответствие для стандартных светильников без регулировки освещения.

Блок питания PLD-60-1050B для внутреннего светодиодного освещения

Требования к драйверам в зависимости от назначения светильника:

Если светильник устанавливается для наружного освещения, то главное требование для его драйвера – это широкий диапазон переносимых температур, гарантирующих исправную работу после длительного нахождения на морозе.

Герметичный контроллер с драйвером светодиодного светильника

Блок питания (кроме того, что он должен быть защищен указанным способом) должен обладать широким диапазоном входного напряжения ввиду того, что линии питания весьма нестабильны. Он должен быть надежно защищен от перепадов напряжения.

Если светильник устанавливается для освещения дорог, железной дороги, метро, то драйвер у такого светильника должен обладать виброустойчивостью. Этому способствует компаунд, который залит в блоки питания, что позволяет ему не воспринимать вибрации. В противном случае элементы просто отвалятся от платы при первой же вибрационной атаке.

От качества выполнения деталей драйвера зависят все параметры и возможности светильника. Среди них и такие важные, как уровень пульсации, диапазон рабочих температур, устойчивость к скачкам напряжения, температурный диапазон

Вот почему так важно качество комплектующих этого прибора. Как известно, светодиодный светильник led сам по себе является очень надежным осветительным прибором, отличающимся долговечностью

Однако он не сможет пройти весь срок своей службы, если не подойти должным образом к выбору драйвера в светодиодных лампах. Ведь основная причина выхода из строя светильника — не перегоревший светодиод, а плохой драйвер. Именно из-за него вам придется носить светильник на ремонт.

Краткие технические характеристики

Хотя никакой информации о характеристиках smd светодиодов их цифровая маркировка не несет, все же некоторая связь между типоразмерами и параметрами приборов есть. Рассмотрим параметры самых распространенных видов светоизлучающих smd полупроводников:

Основные технические характеристики светодиодов smd    

Тип прибора	Размеры корпуса, мм	Количество кристаллов	Мощность, Вт	Световой* поток, лм	Рабочий ток, мА	Температура эксплуатации, °С	Телесный угол, °	Цвет свечения
3528	3.5х2.8	1 или 3	0.06 или 0.2	0.6 – 5.0*	20	-40 … +85	120 – 140	белый, нейтральный, теплый, синий, желтый, зеленый, красный, RGB
5050	5.5х1.6	3 или 4	0.2 или 0.26	2 – 14*	60 или 80	-20 … +60	120 – 140	белый, теплый, синий, желтый, зеленый, красный, RGB, RGBW
5630	5.6х3.0	1	0.5	57	150	-25 … +85	120	холодный, нейтральный, теплый
5730	5.7х3.0	1 или 2	0.5 или 1	50 или 158	150 или 300	-40 … +65	120	холодный, белый, нейтральный, теплый
3014	3.0х1.4	1	0.12	9 – 11*	30	-40 … +85	120	холодный, нейтральный, теплый, синий, желтый, зеленый, красный, оранжевый
2835	2.8х3.5	1	0.2 или 0.5 или 1	20 или 50 или 100	60 или 150 или 300	-40 … +65	120	холодный, нейтральный, теплый

* – зависит от цвета свечения кристалла

А теперь рассмотрим каждый из этих типов более подробно.

Разновидности

Для изготовления светодиодные ленточных
полотен используются 2 технологии: SMD и DIP. По расположению источников света
они делятся на фронтальные (угол рассеивания света 120 градусов) и торцевые
(угол рассеивания света 90 градусов). Доступны модели с другими углами
рассеивания, предназначенные для фокусирования луча на отдельные предметы.

Некоторые производители выпускают полосы различных цветов и оттенков, в том числе нестандартных, совмещающие белые и RGB диоды, изделия типа бегущая волна (огонь), инфракрасные и ультрафиолетовые комплекты. Самая высокая популярность у изделий из SMD 3528 и 5050 SMD, отличающихся по цвету, яркости и количеству источников света на 1 метр.

Маркировка

Маркировка светодиодных лент достаточно сложная, важно уметь ее расшифровать

Например, в маркировке RT3-5000 12V White (3528, 300 LED,
W) указывается:

• серия
  (первые буквы);
• длина
  (4 цифры);
• напряжение
  питания;
• вид
  и количество диодов;
• цвет
  основания.

Плотность
размещения светодиодов на ленте

У стандартных лент из светодиодов на одном метре может быть 30, 60, 90, 120, 240 чипов. Чтобы увеличить поток света, производятся ленточные изделия, на которых диоды расположены в 2 и 3 ряда (редко – в 4 ряда).

Величина светоотдачи

Светоотдачей называется отношение значения потока света к мощности. Этот параметр измеряется в люменах на ватт, поэтому зависит от того, из каких диодов изготовлена полоса и сколько их на одном метре. Например, один светодиод SMD 3014 потребляет 0,1 Вт. Если на метре их 120, световой поток будет 1200 лм, светоотдача – 1200/12 = 100 лм/Вт. Отдача света прямо пропорционально мощности, которая требуется для работы изделия определенной длины. 

Напряжение
питания и мощность

Степень защиты

Степень защиты в маркировке обозначается
буквами IP и двумя цифрами.

Ленточные светодиодные изделия бывают:

• без
  защиты (IP20);
• защищенные
  от влаги нанесенным сверху эпоксидным покрытием (IP54 или IP65);
• в
  трубке из силикона (IP67);
• в
  трубке из силикона с заливкой эпоксидным составом (IP68).

Если указан уровень защиты IP33, то лента все равно не защищенная.

Цвет
свечения

На оттенок света рядовой потребитель
обращает особое внимание. Ему требуется или одноцветное, или многоцветное
освещение

К первому виду лед относятся изделия с белым, красным, зеленым, синим, желтым свечением. Реже встречаются полосы, лампочки которых излучают фиолетовый, бирюзовый, пурпурный, оранжевый или малиновый цвет. Белые светодиоды отличаются цветовой температурой (холодные, нейтральные, теплые). К нестандартным относятся полотна ультрафиолетового и инфракрасного цвета.

Многоцветные полосы производятся из RGB
и RGBW светодиодов. Они состоят из нескольких кристаллов разного цвета. Для
подключения кроме резистора требуется контроллер, распределяющий питание по
отдельным каналам.

Как подключить светодиодную лампу.

Подключение аналогично лампам накаливания и люминесцентным — следует обесточить патрон и вкрутить в него лампу.

Если необходимо подключить несколько LED источников света, то возможны следующие варианты соединения:  последовательный и параллельный.

Однако данное подключение не стоит применять на практике. Даже светодиоды из одной партии не гарантируют одинакового падения напряжений. Из-за этого ток на отдельном LED элементе может превысить допустимый, что может спровоцировать выход элементов из строя.

Последовательный вариант требует минимального количества проводов, но применяется крайне редко. Причиной этому служат два недостатка. Во-первых, при перегорании одной лампочки из строя выходит вся цепь. Во-вторых, лампы работают не в полную силу, так как при последовательном соединении напряжение суммируется. Пожалуй, единственные случаи, где оправдано последовательное соединение – это елочная гирлянда и освещение подъездов. В этих случаях допустимы низкие показатели мощности у многих источников света.

Схема довольно проста:

• от распределительной коробки фаза идет на выключатель;
• от выключателя фаза переходит к светодиодной лампе;
• ко второму контакту последней лампы в цепи подключают нулевой провод;
• от ламп к друг к другу переходит фазовый провод.

Последовательная схема подключения светодиодных ламп.

Параллельный способ применяется чаще всего. Главное преимущество – подача одинакового напряжения ко всем лампочкам в цепи. В случае перегорания из цепи выпадает лишь, вышедший из строя источник света, который легко заменить.

Параллельно можно соединить двумя способами: лучевым и по шлейфной схеме.

Лучевой метод отличается надежностью. Хотя при этом требуется большое количество кабеля

И важно продумать момент соединения всех элементов. Чаще всего для этого используют клеммную колодку

С одной стороны на ее перемычки подают фазу.  С обратной стороны подключают провода, тянущиеся от лампочек. Внутри клеммную колодку рекомендуется заполнить антиокислительной пастой. Также вместо колодки использовать скрутку проводов со спайкой.

Схема параллельного лучевого подключения через клеммную колодку.

При использовании шлейфной схемы фазный и нулевой провода от щитка и выключателя подключаются к первой лампочке. От нее кабель подается на вторую и так далее. Таким образом, каждая лампочка (кроме последней) соединяет с четырьмя проводами: двумя фазными и двумя нулевыми.

Схема параллельного подключения по шлейфной схеме.

Подключение лампочек, работающих от напряжения 12В, аналогично, только в схему необходимо включить понижающий трансформатор.

Схема параллельного подключения точечных светильников 12В через трансформатор.