Светодиоды: подробно простым языком

Принцип работы

Рассматривая, как работает светодиод, необходимо вникнуть в основной принцип работы подобных устройств. Прибор представленного типа имеет один электронно-дырчатый переход. Это связано с разным принципом проводимости компонентов осветителя. Один полупроводник имеет излишек электронов, а другой – излишек дырок.

При помощи процесса легирования дырчатый материал обогащается носителями отрицательного заряда. Если в месте обогащения полупроводников противоположными зарядами приложить ток, получится прямое смещение. Через переход этих двух материалов побежит электричество.

При этом в корпусе диода происходит сплавление носителей зарядов с различным электрическим статусом. Когда дырки и электроны сталкиваются, выделяется определенное количество энергии. Это квант светового потока. Его называют фотоном.

Устройство светодиодных источников света

Светодиодный источник состоит из следующих конструктивных элементов:

• LED-диоды;
• драйверы;
• корпус;
• радиатор;
• цоколь.

Светодиоды

Несколько лет назад конструкция светодиодной лампы незначительно отличалось из-за отсутствия широкого ассортимента LED-диодов. Самыми распространенными были чипы на 3–5 мм. Позже появились изделия на 10 мм.

Сегодня светодиодов намного больше. Чаще всего используются SMD 5050, SMD 3528, SMD 5730, SMD 2835, 1W, 3W и 5W.

Количество светодиодов бывает разным, его задает производитель. При монтаже нескольких диодов производят специальные расчеты, чтобы вывести оптимальный ток потребления. Припой осуществляется к текстолитовым или алюминиевым платам. Светодиоды собираются в группы, соединяемые последовательно. Опять же, количество групп неограниченно.

Драйверы

Драйверы предназначены для преобразования входящего напряжения в пригодную для питания устройства величину. Причем питание для каждой группы светодиодов может быть разным. Самыми распространенными являются трансформаторные схемы с драйверами.

Конструктивные элементы могут быть двух типов — открытыми и закрытыми (в корпусе). Монтируют их в корпус ламп, осветительных приборов.

Цоколь

Поскольку светодиодные изделия позиционируются как лучшие аналоги лампам накаливания, то нет ничего удивительного в том, что они изготавливаются со стандартными цоколями — E27 и E14. Последние часто применяются в ночных и настенных светильниках.

Корпус

В отличие от ламп накаливания для светодиодных нет необходимости в полной герметичности колб, да и газовая среда внутри отсутствует. Одна из разновидностей светодиодных светильников — филаментный источник, повторяющий устройство лампы накаливания и нуждающийся в газовой среде.

Радиаторы

Данные электротехнические изделия боятся высокой температуры и перегрева. По этой причине для повышения срока эксплуатации необходимо устройство для отвода тепла. Алюминиевые платы частично снижают влияние перегрева, но этого недостаточно. Дорогие и качественные лампы обязательно используют радиаторы, размер которых зависит от количества светодиодов в приборе.

Как устроены такие лампы

В составе классической светодиодной лампочки присутствуют:

• цоколь и несущий корпус;
• блок питания;
• рассеивающая линза из пластика;
• драйвер;
• чипы;
• радиатор для отвода тепла;
• печатная плата.

Конструкция светодиодной лампы.

Форма может быть стандартной, то есть округлой или цилиндрической. Для системы общего пользования рекомендуется выбирать светильники, чья цветовая температура находится на уровне 2700 К, 3500 К. В градации спектра допустимы любые значения. Подобные изделия часто используют, чтобы подчеркнуть элементы интерьера или рекламными агентствами, чтобы подсветить баннер.

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды.  Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении. 

По типу исполнения выделяют:

• Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света.

• Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике. 

Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам.

Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров. 

Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.

Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп

Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно

Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий.

Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.

В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.  

Светодиоды могут быть:

• мигающими – используются для привлечения внимания;
• многоцветными мигающими;
• трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
• RGB;
• монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения. 

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света. 

Расчет подключения светодиодов в схемах на 12 и 220 вольт

Отдельный светодиод невозможно напрямую подключить к источнику питания на 12 В поскольку он сразу же сгорит. Необходимо использование ограничительного резистора, параметры которого рассчитываются по формуле: R= (Uпит-Uпад)/0,75I, в которой R является сопротивлением резистора, Uпит и Uпад – питающее и падающее напряжения, I – ток, проходящий по цепи, 0,75 – коэффициент надежности светодиода, являющийся постоянной величиной.

В качестве примера можно взять схему, используемую при подключение светодиодов на 12 вольт в авто к аккумулятору. Исходные данные будут выглядеть следующим образом:

• Uпит = 12В – напряжение в автомобильном аккумуляторе;
• Uпад = 2,2В – питающее напряжение светодиода;
• I = 10 мА или 0,01А – ток отдельного светодиода.

В соответствии с формулой, приведенной выше, значение сопротивления будет следующим: R = (12 – 2,2)/0,75 х 0,01 = 1306 Ом или 1,306 кОм. Таким образом, ближе всего будет стандартная величина резистора в 1,3 кОм. Кроме того, потребуется расчет минимальной мощности резистора. Данные расчеты используются и при решении вопроса, как подключить мощный светодиод к 12 вольтам. Предварительно определяется величина фактического тока, которая может не совпадать со значением, указанным выше. Для этого используется еще одна формула: I = U / (Rрез.+ Rсвет), в которой Rсвет является сопротивлением светодиода и определяется как Uпад.ном. / Iном. = 2.2 / 0,01 = 220 Ом. Следовательно, ток в цепи составит: I = 12 / (1300 + 220) = 0,007 А.

В результате, фактическое падение напряжения светодиода будет равно: Uпад.свет = Rсвет х I = 220 х 0,007 = 1,54 В. Окончательно значение мощности будет выглядеть так: P = (Uпит. — Uпад.)² / R = (12 -1,54)²/ 1300 = 0,0841 Вт). Для практического подключения значение мощности рекомендуется немного увеличить, например, до 0,125 Вт. Благодаря этим расчетам, удается легко подключить светодиод к аккумулятору 12 вольт. Таким образом, для правильного подключения одного светодиода к автомобильному аккумулятору на 12В, в цепи дополнительно понадобится резистор на 1,3 кОм, мощность которого составляет 0,125Вт, соединяющийся с любым контактом светодиода.

Расчет подключения светодиода к сети 220В осуществляется по такой же схеме, что и для 12В. В качестве примера берется такой же светодиод с током 10 мА и напряжением 2,2В. Поскольку в сети используется переменный ток напряжением 220В, расчет резистора будет выглядеть следующим образом: R = (Uпит.-Uпад.) / (I х 0,75). Вставив в формулу все необходимые данные, получаем реальное значение сопротивления: R = (220 — 2.2) / (0,01 х 0,75) = 29040 Ом или 29,040 кОм. Ближайший стандартный номинал резистора – 30 кОм.

Далее выполняется расчет мощности. Вначале определяется значение фактического тока потребления: I = U / (Rрез.+ Rсвет). Сопротивление светодиода рассчитывается по формуле: Rсвет = Uпад.ном. / Iном. = 2.2 / 0,01 = 220 Ом. Следовательно, ток в электрической цепи будет составлять: I = 220 / (30000 + 220) = 0,007А. В результате, реальное падение напряжение на светодиоде будет следующим: Uпад.свет = Rсвет х I = 220 х 0,007 = 1,54В.
Для определения мощности резистора используется формула: P = (Uпит. — Uпад.)² / R = (220 -1,54)² / 30000 = 1,59Вт. Значение мощности следует увеличить до стандартного, составляющего 2Вт. Таким образом, чтобы подключить один светодиод к сети с напряжением 220В понадобится резистор на 30 кОм с мощностью 2Вт.

Однако в сети протекает переменный ток и горение лампочки будет происходить лишь в одной полуфазе. Светильник будет выдавать быстрый мигающий свет, с частотой 25 вспышек в секунду. Для человеческого глаза это совершенно незаметно и воспринимается как постоянное свечение. В такой ситуации возможны обратные пробои, которые могут привести к преждевременному выходу из строя источника света. Чтобы избежать этого, выполняется установка обратно направленного диода, обеспечивающего баланс во всей сети.

Какие виды светодиодов существуют и где они применяются

Светодиоды оптического диапазона применяются в качестве элементов индикации и в качестве осветительных приборов. Для каждой специализации существуют свои требования.

Индикаторные светодиоды

Задача индикаторного светодиода – показать состояние прибора (наличие питания, аварийный сигнал, срабатывание датчика и т.п.). В этой сфере широко применяются LED со свечением p-n перехода. Приборы с люминофором применять не запрещено, но особого смысла нет. Здесь яркость свечения не на первом месте. В приоритете контрастность и широкий угол обзора. На панелях приборов применяют выводные светодиоды (true hole), на платах – выводные и SMD.

Осветительные светодиоды

Для освещения, наоборот, в основном применяют элементы с люминофором. Это позволяет получить достаточный световой поток и цвета, близкие к естественным. Выводные СД из этой области практически выдавлены SMD-элементами. Широкое применение находят COB-светодиоды.

В отдельную категорию можно выделить приборы, предназначенные для передачи сигналов в оптическом или ИК-диапазоне. Например, для пультов дистанционного управления бытовой аппаратурой или для охранных устройств. А элементы УФ-диапазона могут использоваться для компактных источников ультрафиолета (детекторы валют, биологических материалов и т.д.).

Какая полярность светодиодов

Если диод не светится, значит ток не движется по прямой. Это значит, что при производстве диода не были учтены катод и анод. Полярность светодиодов практически не подлежит визуальному определению. Выявить ее можно при помощи мультимера, технической документации и простого монтажа по схеме.

P-n переход подключают к источнику постоянного напряжения в зависимости от полярности выводов. Под действием напряжения начинают двигаться свободные отрицательно заряженные электроны и дырки с положительным зарядом в направлении к полюсам.

В p-n переходе заряды создают рекомбинацию, электроны перемещаются из зоны проводимости в зону валентности, преодолевая уровень Ферми. Часть энергии выходит с выделением волн света разного спектра и яркости.

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками. 

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:

ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света; 

полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.  

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами. 

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка). 

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения. 

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия. 

Особенности питания светодиодов

Блок питания светодиодных ламп на 220В имеет некоторые особенности работы.

Светодиод имеет нелинейную зависимость напряжения и тока.

Так, при увеличении номинального напряжения ток на светодиоде резко возрастает.

Это может привести к поломке. Поэтому в недорогих лампах (часто китайского происхождения) последовательно со светодиодом устанавливается ограничивающий резистор.

Если произойдет скачок напряжения, он не позволит току увеличиться.

Но при этом на резисторе упадет мощность.

КПД недорогого светильника по этой причине уменьшается.

Блок питания обеспечивает нормальное напряжение для питания светодиодов.

Именно этот прибор чаще всего включается в схему ламп представленного типа.

Блок питания для светодиодной лампы 12В или с иным значением исходящего напряжения, называется драйвером.

Это маркетинговое обозначение подобных приборов.

Источник постоянного напряжения для светодиодов, которые работают от напряжения 12 В, принято называть блоком питания.

Если же устройство еще и стабилизирует входной ток, то это драйвер.

Можно сказать, что это разновидность блока питания, которая устанавливается в качественных лампах.

Как определить полярность светодиода

Для определения полярности выводов существует несколько методов.

1. У безвыводных элементов (включая COB) полюсность напряжения питания обозначается прямо на корпусе – символами или приливами на оболочке.
2. Так как светодиод имеет обычный p-n переход, его можно прозвонить мультиметром в режиме проверки диодов. Некоторые тестеры имеют измерительное напряжение, достаточное для зажигания светодиода. Тогда правильность подключения можно контролировать визуально по свечению элемента.
3. Некоторые приборы производства CCCP в металлическом корпусе имели ключ (выступ) в районе катода.
4. У выводных элементов вывод катода более длинный. По этому признаку определить цоколевку можно только у непаянных элементов. У бывших в употреблении LED выводы укорачиваются и изгибаются для монтажа произвольным образом.
5. Наконец, узнать расположение анода и катода возможно тем же методом, что и для определения напряжения светодиода. Свечение будет возможно только при правильном включении элемента – катод к минусу источника, анод – к плюсу.

Развитие технологий не стоит на месте. Ещё несколько десятилетий назад светодиод был дорогой игрушкой для лабораторных опытов. Сейчас без него трудно представить жизнь. Что будет дальше – покажет время.

Определение полярности светодиода

Чтобы решить вопрос, как подключить светодиоды в цепь 12 вольт, необходимо определить полярность каждого из них. Для определения полярности светодиодов существует несколько способов. Стандартная лампочка имеет одну длинную ножку, которая считается анодом, то есть, плюсом. Короткая ножка является катодом – отрицательным контактом со знаком минус. Пластиковое основание или головка имеет срез, указывающий на место расположения катода – минуса.

В другом способе необходимо внимательно посмотреть внутрь стеклянной колбочки светодиода. Можно легко разглядеть тонкий контакт, который является плюсом, и контакт в форме флажка, который, соответственно, будет минусом. При наличии мультиметра можно легко определить полярность. Нужно выполнить установку центрального переключателя в режим прозвонки, а щупами прикоснуться к контактам. Если красный щуп соприкоснулся с плюсом, светодиод должен загореться. Значит черный щуп будет прижат к минусу.

Тем не менее, при кратковременном неправильном подключении лампочек с нарушением полярности, с ними не произойдет ничего плохого. Каждый светодиод способен работать только в одну сторону и выход из строя может случиться только в случае повышения напряжения. Значение номинального напряжения для отдельно взятого светодиода составляет от 2,2 до 3 вольт, в зависимости от цвета. При подключении светодиодных лент и модулей, работающих от 12 вольт и выше, в схему обязательно добавляются резисторы.

Проверка светодиода мультиметром – как ее выполнить

Самым простым и доступным способом является «прозвонка». На мультиметрах есть отдельное положение переключателя, специально для диодов. Переключив прибор в нужную позицию, прикасаемся щупами к ножкам светодиода. Если на дисплее высветилась цифра «1», следует поменять полярность. В этом положении зуммер мультиметра должен издавать звуковой сигнал, а светодиод светиться. Если подобного не произошло, значит, он вышел из строя. Если же световой диод исправен, но при впайке его в схему не работает, этому может быть две причины – неправильное его расположение или выход из строя резистора (у современных SMD-компонентов он уже встроен, что будет ясно в процессе «прозвонки»).

Мультиметром довольно просто прозвонить световой диод

Как подключить светодиод к сети 220 вольт

Светодиод – это разновидность полупроводниковых диодов с напряжением и током питания намного меньшим, чем в бытовой электросети. При прямом подключении в сеть 220 вольт, он мгновенно выйдет из строя.

Поэтому светоизлучающий диод обязательно подключается только через токоограничивающий элемент. Наиболее дешевыми и простыми в сборке является схемы с понижающим элементом в виде резистора или конденсатора.

Первое, что нужно знать при подключении к сети 220В, — для номинального свечения через светодиод должен проходить ток в 20мА, а падение напряжения на нем не должно превышать 2,2-3В. Исходя из этого, необходимо рассчитать номинал токоограничивающего резистора по следующей формуле:

• где:
• 0,75 – коэффициент надежности LED;
• U пит – это напряжения источника питания;
• U пад – напряжение, которое падает на светоизлучающем диоде и создает световой поток;
• I – номинальный ток, проходящий через него;
• R – номинал сопротивления для регулирования проходящего тока.

После соответствующих вычислений, номинал сопротивления должен соответствовать 30 кОм.

Однако не стоит забывать, что на сопротивлении будет выделятся большое количество тепла за счет падения напряжения. По этой причине дополнительно необходимо рассчитать мощность этого резистора по формуле:

Для нашего случая U – это будет разность напряжения питающей сети и напряжения падения на светодиоде. После соответствующих вычислений, для подключения одного led мощность сопротивления должна равняться 2Вт.

Важный момент, на который нужно обратить внимание при подключении светодиода в сеть переменного тока – это ограничение обратного напряжения. С этой задачей легко справляется любой кремниевый диод, рассчитанный на ток не менее того, что течет в цепи

Подключается диод последовательно после резистора или обратной полярностью параллельно светодиоду.

Существует мнение, что можно обойтись без ограничения обратного напряжения, так как электрический пробой не вызывает повреждения светоизлучающего диода. Однако обратный ток может вызвать перегрев p-n перехода, в результате чего произойдет тепловой пробой и разрушение кристалла светодиода.

Вместо кремниевого диода можно использовать второй светоизлучающий диод с аналогичным прямым током, который подключается обратной полярностью параллельно первому светодиоду. Отрицательной стороной схем с токоограничивающим резистором является необходимость в рассеивании большой мощности.

Эта проблема становится особо актуальной, в случае подключения нагрузки с большим потребляемым током. Решается данная проблема путем замены резистора на неполярный конденсатор, который в подобных схемах называют балластным или гасящим.

Включенный в сеть переменного тока неполярный конденсатор, ведет себя как сопротивление, но не рассеивает потребляемую мощность в виде тепла.

В данных схемах, при выключении питания, конденсатор остается не разряженным, что создает угрозу поражения электрическим током. Данная проблема легко решается путем подключения к конденсатору шунтирующего резистора мощностью 0,5 ватт с сопротивлением не менее 240 кОм.

Расчет резистора для светодиода

Во всех выше представленных схемах с токоограничивающим резистором расчет сопротивления производится согласно закону Ома:

R = U/I

• где:
• U – это напряжение питания;
• I – рабочий ток светодиода.

Рассеиваемая резистором мощность равна P = U * I.

Если планируется использовать схему в корпусе с низкой конвекцией, рекомендуется увеличить максимальное значение рассеиваемой резистором мощности на 30%.

Расчет гасящего конденсатора для светодиода

Расчёт ёмкости гасящего конденсатора (в мкФ) производится по следующей формуле:

C = 3200*I/U

• где:
• I – это ток нагрузки;
• U – напряжение питания.

Данная формула является упрощенной, но ее точности достаточно для последовательного подключения 1-5 слаботочных светодиодов.

Для защиты схемы от перепадов напряжения и импульсных помех, гасящий конденсатор нужно выбирать с рабочим напряжением не менее 400 В.

Конденсатор лучше использовать керамический типа К73–17 с рабочим напряжением более 400 В или его импортный аналог. Нельзя использовать электролитические (полярные) конденсаторы.