Сверхяркие светодиоды: особенности монтажа, питания, конструкции

Характеристики, виды и особенности сверхярких светодиодов

Светодиодные приборы появились сравнительно недавно, но уже заметно потеснили другие виды осветительной техники. Они превосходят их по долговечности, экономичности и надежности в несколько раз. Единственным недостатком LED ламп до недавнего времени считалась высокая цена, но и этот вопрос производителям удалось успешно преодолеть.

Одним из последних новшеств стало появление светильников нового поколения. Они называются сверхяркие светодиоды, демонстрируют высокие эксплуатационные показатели по сравнению с более старыми образцами. Рассмотрим их внимательнее.

Характеристика сверхъярких светодиодов

Светодиоды высокой яркости (так более точно следует их называть) представляют собой результат развития технологий и научных изысканий. К этой группе светильников принято относить элементы мощностью от 1 Вт и силой тока от 300 мА. Поскольку четкой классификации LED приборов не вводилось, для обозначения этих устройств используются разные синонимы — суперяркие, ультраяркие или сверхяркие светодиоды.

Все эти термины являются следствием вольного перевода английского HB LED (High Brightness LED) — светодиоды высокой яркости. Никакого принципиального различия между ними нет, все эти названия относятся к единой группе светильников.

Более точную идентификацию можно произвести по анализу технологии изготовления. В производстве сверхярких светодиодов используются два типа полупроводников:

AlInGaP. На базе этого материала создают красные, оранжевые, желтые и зеленые элементы;
InGaN. Служит основой для изготовления синих, сине-зеленых, зеленых и белых светодиодов. Для производства последних дополнительно используется фосфор.

Интересно! Один 5-мм светодиод способен продемонстрировать яркость свечения в несколько сотен мкд (милликандел). С возрастанием роли сверхярких LED ламп появилась необходимость в использовании более удобных единиц измерения светового потока, поэтому для обозначения принято использовать люмены. Они более реалистично отображают ситуацию, поскольку человеческий глаз неодинаково воспринимает световые волны разной длины.

Существует несколько разновидностей светодиодов повышенной яркости. Они различаются по названию фирм-изготовителей этих устройств или по типу монтажа на несущую поверхность:

Epistar. Название этих изделий пошло от наименования тайваньской компании-производителя. Это компактные высококачественные сверхяркие светодиоды, которые имеют большой срок службы. Широко используются в разных областях светотехники;
Cree. Такие лампы — детище американской одноименной компании. Светодиоды отличаются низким энергопотреблением, продолжительным сроком эксплуатации и высоким качеством. Это является причиной дороговизны элементов Cree;
SMD. Название означает способ монтажа — непосредственно на несущую поверхность (surface mount device). Эта группа устройств наиболее распространена и обширна. Состоит из элементов в корпусе PLCC различных серий — LN, LA, LN, LP и т.д.
STD. Стандартные и всем известные круглые или овальные светодиоды сигнального типа. Серии — 374, 503, 4SM, 5SM и т.п.;
P4 (Пиранья). Светодиод, напоминающий по форме корпуса SMD, но приподнятый над поверхностью несущей плоскости для увеличения вентиляции и отведения тепла. Серии — P41, P42, P43.

Существуют также мощные сверхяркие LED-элементы фирмы Cree, известные как XLamp. Они оснащены радиаторами для теплоотведения, поскольку высокая мощность способствует увеличенному нагреву, который губителен для светодиодов. Выпускается три разновидности светильников — XR, XP и MC. Они активно используются для установки в автомобильную систему освещения.

Область применения

Сверхяркие конструкции используются в различных областях применения. Различают два основных направления:

сигнальное применение;
освещение.

Разница между ними состоит в принципе пользования — сигнальные устройства выполняют функции оповещения, передачи информации. Они широко используются в светофорах, электронных табло, указателях и т.п. Проще говоря, сигнальные приборы человек рассматривает, а осветительные используются только как сторонние источники света. Области применения ультраярких светодиодов:

наружные рекламные стенды, объемные конструкции;
внутреннее и наружное освещение автомобилей;
оформление дорожных оповещающих знаков;
основное освещение жилых, общественных или производственных помещений;
транспортная сигнализация, в т.ч. на железной дороге, авиации, судоходстве;
ландшафтная, подводная подсветка;
медицинские приборы — эндоскопия, дерматология и прочие установки.

Поскольку потребление энергии сверхярких элементов значительно ниже, чем у альтернативных разновидностей светильников, использование этих приборов для наружного освещения или дальней индикации вполне обосновано. Кроме того, большой срок службы позволяет не слишком активно участвовать в работе сверхярких светильников, обходясь периодической очисткой от загрязнений и мелким ремонтом.

Конструкция

Суперяркие LED приборы принципиально не отличаются от устройства обычных светодиодов. Единственными дополнениями для них стал теплоотвод, на который монтируется элемент, тогда как обычные устройства крепятся на простое основание. В остальном это такие же светоизлучающие диоды.

Устройство мощных сверхярких ламп типа XR представляет собой металлический корпус, который одновременно выполняет функции рефлектора. Кристаллы изготовлены из карбида кремния, из него же в связке с нитридом алюминия делается подложка. Такое сочетание позволяет решить проблему теплового расширения материалов. Линза изготовлена из кварцевого стекла.

Важно! Она не имеет жесткого крепления к корпусу и удерживается благодаря липкой поверхности корпуса, покрытого специальным герметизирующим составом. Благодаря такой системе крепления появляется возможность избежать температурных напряжений. Кроме того, плавающая линза может выполнять автофокусировку несмотря на температуру в данный момент времени.

Возможности сверхярких устройств напрямую зависят от типа и размера излучающих кристаллов, использованных в данной модели светильника. Первые образцы делались на базе сравнительно небольших образцов, однако, в настоящее время появились технологии выращивания более крупных кристаллов.

Особенности монтажа

Важными условиями работы ультраярких светодиодов являются:

Монтаж производится на специальные теплоотводящие основания. Они способны проводить электричество (чаще всего, изготовлены из металла), поэтому во время монтажных работ надо сразу обеспечивать качественную изоляцию. Кроме этого, необходимо действовать аккуратно, поскольку сверхяркие светильники довольно хрупкие. Если к ним отнестись без осторожности, можно сломать или вывести конструкцию из строя.

В остальном монтажные работы ничем не отличаются от обычных. При пайке рекомендуется использовать теплоотвод или ограничить время прикосновения паяльника к контактам до 10 секунд (не более).

Основные выводы

Сверхяркие светодиоды представляют собой LED элементы нового поколения. Они демонстрируют повышенную яркость свечения, обладают длительным сроком службы и низким энергопотреблением. Высокие эксплуатационные качества сделали сверхяркие приборы востребованными в разных областях светотехники, рекламы и прочих направлениях.

Свои варианты использования сверхярких светодиодов излагайте в комментариях.

Мощные сверхяркие светодиоды — особенности монтажа, питания, конструкции

Осветительными приборами, где в качестве источников света используются сверхяркие светодиоды, уже никого не удивишь. Спрос на такие устройства неизменно растет, это напрямую связано с низким энергопотреблением этих приборов. Учитывая, что на освещение тратится около 25-35% потребляемой электроэнергии, экономия будет весьма ощутимой.

Различные виды сверхярких светодиодных источников освещения

Но учитывая относительно высокую стоимость сверхярких светодиодов, в силу их конструктивных особенностей, говорить о полном переходе на этот тип освещения еще не своевременно. По мнению специалистов, этот процесс займет от 5 до 10 лет, именно столько понадобится на отладку и внедрение новых технологий.

Кратко об эффективности

Эффективностью осветительного прибора принято считать соотношение вырабатываемого светового потока (измеряется в люменах) к потребляемой электроэнергии (ватт). Качественная лампа с нитью накала имеет эффективность около 16 люменов на ватт, флуоресцентная (энергосберегающая) — в четыре раза больше (64 лм/Вт), для длинных дневных ламп этот показатель в районе 80 лм/Вт.

КПД сверхярких светодиодов, выпускающихся массово на текущий момент, примерно такой же, как у ламп дневного света. Обратите внимание, что мы говорим именно про массовую продукцию. Что касается теоретического предела для сверхярких светодиодных источников, то он определен порогом в 320 лм/Вт.

Как обещают многие производители, в ближайшие несколько лет КПД можно будет повысить до уровня 213 лм/Вт.

Влияние особенностей конструкции на стоимость

Для изготовления сверхярких светодиодных источников света может применяться один из двух способов:

чтобы получить свет, близкий по спектру к белому, используются три кристалла установленных в одном корпусе. Один красный, второй синий и третий зеленый;
применяется кристалл, излучающий в голубом или ультрафиолетовом спектре, он подсвечивает линзу покрытую люминофором, в результате излучение преобразуется в свет, близкий по спектру к природному.

Не смотря на то, что первый вариант более эффективен, его реализация обходится несколько дороже, что отрицательно отражается на распространенности. Помимо этого спектр света, излучаемый таким источником, отличается от природного.

У приборов, изготовленных по второй технологии, меньше эффективность. Стоит также учитывать, что люминофор содержит в себе сложный по составу композит на основе церия и иттрия, которые сами по себе стоят недешево. Собственно, этим и объясняется относительно высокая стоимость сверхярких светодиодов белого света. Конструкция такого устройства показана на рисунке.

Устройство сверхяркого светодиода

Обозначения:

А – печатный проводник;
В – основание с повышенной теплопроводимостью;
C – защитный корпус устройства;
D – паста-припой;
E – кристалл светодиода, излучающий ультрафиолетовый или голубой свет;
F –люминофорное покрытие;
G – клей (может быть заменен эвтектическим сплавом);
H – провод, соединяющий кристалл и вывод;
K – отражатель;
J – теплоотводящее основание;
L – вывод питания;
M – диэлектрическая прослойка.

Особенности монтажа

На работу сверхярких светодиодов оказывает влияние степень нагрева кристалла и самого p-n перехода. От первого напрямую зависит срок эксплуатации устройства, от второго – уровень светового потока. Поэтому для длительной службы сверхярких светодиодов необходимо организовать надежный теплоотвод, делается это при помощи радиатора.

Следует принять во внимание, что теплопроводящие основания этих полупроводников, как правило, проводят электричество. Поэтому когда устанавливается несколько элементов на один радиатор, следует позаботиться о надежной электроизоляции оснований.

Хороший теплоотвод значительно увеличивает срок службы сверхярких светодиодов

Остальные правила монтажа практически такие же, как у обычных диодов, то есть необходимо соблюдение полярности, как при установке самой детали, так и подключении питания.

Особенности питания

Учитывая относительно высокую стоимость сверхярких светодиодов, очень важно использовать для их работы надежные и качественные источники питания, поскольку эти полупроводниковые элементы критичны к токовой перегрузке.

После нештатного режима прибор может остаться работоспособным, но мощность излучаемого светового потока существенно сократится. Помимо этого такой элемент с большой вероятностью станет причиной поломки и других, совместно подключенных светодиодов.

Прежде, чем говорить о драйверах для сверхярких светодиодов, коротко расскажем об особенностях их питания. В первую очередь необходимо принять во внимание следующие факторы:

мощность светового потока, излучаемая этими элементами, напрямую зависит от величины протекающего через них электротока;
для сверхярких светодиодов характерна нелинейная ВАХ (вольт-амперная характеристика);
температура оказывает сильное влияние на ВАХ этих полупроводниковых приборов.

Ниже показано изменение ВАХ при температуре полупроводникового элемента (сверхяркий smd-светодиод) 20 °С и 70 °С.

Изменение характеристик от влияния температуры

Как видно из графика, при подаче на полупроводник стабильного напряжения величиной 2 В, электроток, проходящий через него, меняется в зависимости от температуры. При нагреве кристалла 20°С он будет равен 14 мА, когда температура повысится до 70°С, этот параметр будет соответствовать 35 мА.

Результатом такой разницы будет изменение мощности светового потока при одном и том же питающем напряжении. Исходя из этого, необходимо стабилизировать не напряжение, а электроток, проходящий через полупроводник.

Такие блоки питания называются светодиодными драйверами, они представляют собой обычные стабилизаторы тока. Это устройство можно приобрести готовое или собрать самостоятельно, в следующем разделе мы приведем несколько типичных схем драйверов.

Самодельный светодиодный драйвер

Предоставим вашему вниманию несколько вариантов драйверов на основе специализированных микросхем компании Monolithic Power System, использование которых существенно упрощает конструкцию. Схемы приводятся в качестве примера, полное описание типового включения можно найти в даташит на микросхемы.

Вариант первый на базе понижающего преобразователя МР4688.

Пример включения МР4688

Данный драйвер может работать с напряжениями от 4,5 до 80 В, порог максимального выходного электротока 2 А, что позволяет запитать светильник на сверхярких светодиодах большой мощности. Уровень электротока, проходящего через светодиоды, регулируется сопротивлением R_FB . Реализация ШИМ-диммирования с частотой 20 кГц позволяет плавно изменять протекающий через светодиод электроток.

Второй вариант драйвера на базе микросхемы МР2489. Ее компактный корпус (QFN8 или TSOT23-5) делает возможным размещение драйвера в цоколе MR16, используемый галогенными лампами, что позволяет заменить последние светодиодными. Типовая схема подключения МР2489 показана на рисунке.

Драйвер на базе МР2489

Приведенная выше схема позволяет включать два параллельных светодиода, у каждого из которых рабочий ток 350 мА.

Последний вариант драйвера на базе микросхемы МР3412, который может быть использован в переносных фонариках. Отличительная особенность такой схемы – возможность работы от пальчикового элемента питания АА.

Драйвер для фонарика на базе МР3412

Сверхяркие светодиоды. Типы и устройство. Работа и применение

Сверхяркие светодиоды – это специальные полупроводниковые приборы, которые выделяются высочайшей яркостью свечения. Подобные изделия появились в результате развития технологического процесса в светодиодной технике. Благодаря этому образовалась отдельная ниша, в которой стали использоваться светодиоды высокой яркости. Эти изделия имеют свои специфические характеристики, плюсы и минусы, которые выделяют их среди остальных элементов. К примеру, они отличаются высокой мощностью и светоотдачей.

Однако подобные светодиоды все еще остаются достаточно дорогими вследствие их конструктивных особенностей. Поэтому еще сравнительно недавно такие светодиоды использовались ограниченно. Однако сегодня они находят все большее применение в самых разных областях. Спрос на данные изделия растет с каждым днем. Планируется, что лет через 5-10 подобные светодиоды будут применяться повсеместно.

Сверхяркие светодиоды в большинстве случаев имеют следующую классификацию:

Epistar . Представляют диоды высокого качества, которые выделяются компактными габаритами. Их особенностью являются длительный период работы. Такие изделия широко применяются в различных областях.

Cree . Подобные световые диоды действуют на базе карбида кремния, а также нитрида галлия. Эти изделия также выделяются продолжительным временем работы. К тому же диоды этого вида потребляют минимум электрической энергии, в частности это 12 вольт. В большинстве случаев их применяют для освещения пешеходных и подземных переходов, автомобильных дорог. К тому же производители используют их в осветительных приборах, к примеру, в фонарях. Необходимо отметить, что светодиоды cree выделяются высоким качеством, вследствие чего их стоимость несколько выше моделей других разновидностей.

Smd. Относятся к распространенной светодиодной продукции. Эти изделия часто встречаются в различных областях. В особенности они популярны для подсветки зданий и сооружений, в том числе интерьерного дизайна внутри помещений. К примеру, при помощи светодиодных лент smd создаются уникальные в дизайнерском плане интерьеры помещений. Однако подобные ленты чаще всего используются совместно со специальными драйверами, то есть блоками питания. Подобные приборы снижают действующее напряжение с 220 до 12 вольт.

На данный момент главными производителями указанных светодиодов являются американские, тайванские и китайские компании.

Отдельной группой выступают светодиоды XLamp, которые выделяются особой мощностью. Их конструктивное исполнение предполагает присутствие теплоотводящего радиатора, что вызвано большим током в 350мА и выше. Благодаря эффективному отводу тепла данный вид светодиода также может работать длительное время. Данная группа делится на три вида: MC, XP и XR. Отличие указанных видов изделий заключается в разных габаритах и формах. Светодиоды XLamp в большинстве случаев применяются для наружного и внутреннего освещения автомобилей.

Устройство

Сверхяркие светодиоды практически всегда имеют конструкцию, которая практически полностью повторяет устройство стандартного светодиода. Типичные изделия монтируются на стандартное основание, тогда как продукция высокой яркости монтируется на теплоотводящую подложку. В остальном – это типичный диод с p-n переходом.

Так, благодаря техническим новациям компании CREE, устройство светодиодов группы XR имеет следующее строение:

В виде корпусного основания выступает подложка, выполненная из металла и керамики, которая выделяется высокой теплопроводностью. В результате обеспечивается минимальное тепловое сопротивление, в том числе электроизоляция корпуса кристалла от теплоотводящего элемента.
Кристаллы создаются из кристаллов карбида кремния.
Материал подложки выполнен из карбида кремния, а также нитрида алюминия. Благодаря этому решается проблема появления механических напряжений в кристалле вследствие смены температуры.
Металлический корпус также выступает в качестве рефлектора.
Плавающая линза выполнена из кварцевого стекла. Она установлена в корпусе не жестко и сохраняет свое положение благодаря адгезии к желеобразному герметику. В результате она как бы плавает. Использование такой конструкции дает возможность исключить появление механических напряжений. Также это дает возможность выполнить автофокусировку в широчайшем диапазоне температур;

Показатели указанных светодиодов находятся в прямой зависимости от вида кристаллов, которые установлены в них. Ранее кристаллы были небольшого размера, однако в последнее время промышленность использует новые кристаллы, которые выделяются достаточно большой площадью, в том числе высокой световой отдачей. Они способны действовать при больших токах, а значит светить очень ярко.

Принцип действия

Сверхяркие светодиоды вне зависимости от вида действуют по одинаковому принципу. Диоды выполнены в виде чипа, из полупроводникового материала. Для образования р-n перехода чип покрывается легированными примесями. Подобная конструкция свойственна моделям светодиодов типа cree и smd. Принцип действия в данном случае базируется на перетекании электрического тока от р-анода к n-катоду. В результате напряжение передается в одном направлении.
Цвет и длина волны светового излучения зависит от ширины рабочей зоны р-n перехода. Довольно часто для изготовления подобного перехода применяется германий и кремний. Для создания высокой яркости применяется сапфир в виде подложки.

Применение

Сверхяркие светодиоды находят довольно широкое применение.

Они применяются для подсветки в жидкокристаллических дисплеях мобильников и коммутаторов.
Для производства светодиодной рекламы.
Для автомобильной светотехники, в частности для подсвечивания салона, а также индикации поворотов, элементов торпеды. Они часто монтируются в фарах, стоп-сигналах и габаритных огнях.
Они выступают в качестве светоизлучающих элементов в дорожных указателях и светофорах.
Довольно часто их используют для освещения помещений мастерских, различных производств, в том числе домов, квартир, подсобных помещений и так далее.
В качестве сигнальных излучающих элементов в авиации, судоходстве и на железной дороге.
Для подводного освещения.
Для ландшафтного освещения.
Сверхяркие светодиоды широко применяются в медицинской отрасли. В частности, их используют в эндоскопических приборах, дерматоскопах, лампах и ином оборудовании.
Подобные светодиоды часто используются для тюнинга машин. При помощи них можно заменить практически все стандартные лампочки. К примеру, в автомобильных магазинах продаются готовые комплекты, которые можно сразу включить в электрическую схему машины без каких-либо усовершенствований.
Для рекламной сферы и так далее.

Светодиоды высокой яркости создают значительный световой поток при небольшом потреблении электрической энергии. Благодаря указанным свойствам можно решать проблемы значительных затрат электрической энергии на освещение, которые на данный момент все еще являются существенными. К тому же при помощи подобных светодиодов можно создать требуемый уровень освещения помещений.

Плюсы и минусы

Сверхяркие светодиоды за последние несколько лет стали невероятно востребованными. Причин тому несколько:

Энергоэффективность. На данный момент это наиболее экономичные источники света, потребляющие минимум электрической энергии. При применении подобных изделий удается сэкономить порядка 80% электрической энергии.
Существенный срок службы.
Возможность функционирования в широких температурных режимах.
Минимальный нагрев.
Наличие ударопрочности, в том числе в ряде случаев и влагостойкости.

Как выбрать

Если Вы хотите приобрести сверхяркие светодиоды, то для начала следует определиться, где Вы их будете применять. Эти изделия могут иметь разное напряжение, что определяется назначением и моделью. В большинстве случаев оно составляет в пределах 1,5-4 В, но может быть и 12 В. В большинстве случаев это влияет на цвет излучения. К примеру, низкое напряжение, как правило, обеспечивает инфракрасный цвет, тогда как высокое обеспечивает создание белого цвета. Средняя мощность для весьма сильных диодов равняется 1 Вт, для типичных представителей – порядка 0,3 Вт.
В магазине можно приобрести светодиоды в разных цветовых решениях: белые, синие, красные, оранжевые и другие модели.
Не стоит прельщаться дешевыми изделиями. Вызвано это тем, что яркие светодиоды, произведенные с нарушением технологии или некачественных материалов, через определенное время понизят свою светоотдачу. К примеру, дешевые модели спустя 4 тысячи часов работы лишаются порядка 35% яркости. Тогда как качественные светодиоды даже через 50 тысяч часов работы сохраняют свою яркость практически на прежнем уровне. Колебания яркости могут быть не более 20%

Экономия в будущем

На данный момент широкое внедрение указанных светодиодов невозможно, так как они стоят довольно дорого. Однако в будущем внедрение новых разработок и технологий позволит внедрить их повсеместно. К примеру, города и каждый житель смогут значительно экономить электроэнергию, расходы снизятся в 14-18 раз.

Какие бывают сверхяркие светодиоды

Сверхяркие светодиоды – это источники светодиодного освещения мощностью от 1 Ватта с силой тока 300 мА и выше, обладающие высокой яркостью свечения. Светодиод мощностью 10 Ватт получают при использовании 10 таких светоизлучающих диодов в виде матрицы.

Светодиодная матрица мощностью 80 Ватт.

Как устроен сверхъяркий светодиод

Ультраяркий светодиод имеет такую же конструкцию, как и обычный, c той лишь разницей, что светоизлучающие кристаллы в нем устанавливаются на специальное основание, а в мощном сверхъярком led в конструкции предусмотрен теплоотвод. Во всем остальном – это такой же светоизлучающий диод с p-n переходом, который в результате протекания электрического тока создает оптическое излучение.

Разновидности

Деление сверхярких светодиодов на виды является довольно условным, т.к. каждый имеет свои уникальные характеристики.

На сегодняшний день основными странами-производителями ультраярких светодиодов являются США (компания «CREE»), Тайвань (компания «Epistar») и, конечно же, Китай.

Наиболее полную классификацию таких светоизлучающих диодов предоставила компания «CREE», в соответствии с которой их можно разделить на следующие типы:

в стандартных корпусах круглого (3 и 5мм) или овального (4 и 5мм) сечения с двумя выводами STD (серии 374, 503, 512, 535, 4SM, 5SM и т.д.);
в корпусе типа P4 («Пиранья») (серии Р41, Р42, Р43);
в корпусах для поверхностного монтажа PLCC (серии LM1, LM3, LM4, LA1, LN6, LP6 и т.д.).

Последняя группа led является наиболее разнообразной и востребованной. В нее входят светодиоды разных цветов с различным количеством кристаллов. Они также отличаются углами рассеивания и размерами.

На фото показан внешний вид ультраярких и мощных светоизлучающих диодов согласно классификации фирмы «CREE».

Мощные сверхяркие

В отдельную группу можно выделить мощные сверхяркие светодиоды XLamp. Их главной конструктивной особенностью является наличие радиатора для отвода тепла, вызванного большим рабочим током (350мА и выше).

Чем эффективнее отвод тепла – тем больше время работы сверхъяркого мощного светодиода.

Данная группа имеет три варианта исполнения – XR, XP и MC. Они отличаются между собой формами и размерами корпусов. Именно они нашли широкое применение во внутреннем и наружном освещении автомобилей.

Светодиоды SMD

LED SMD также можно условно отнести к мощным сверхъярким светоизлучающим диодам. Они имеют несколько серий (3528, 5050,3014, 3020, 2835 и т.д.). Но самым востребованным на рынке светодиодного освещения является SMD 5050.

Он нашел широкое применение в светильниках благодаря белому цвету свечения. Мощность такого led может достигать 1Вт, поэтому его корпус имеет теплоотвод.

На фото мы можем увидеть, как выглядит LED SMD 5050.

Характеристики

Самой важной из всех характеристик является рабочий ток. Ультраяркие мощные светодиоды работают на постоянном токе, и превышение его значения приводит к выходу из строя led. Средний рабочий ток сверхъяркого равняется 15 – 20мА, ток мощного ультраяркого светодиода может достигать и 1А.

Рабочим напряжением (далее U) называют величину падения напряжения на светодиоде. Светоизлучающие диоды выпускаются с рабочим U равным 1,5 – 4 В. Диоды разных цветов имеют различное U(самое низкое имеют диоды инфракрасного цвета – 1,5-1,9В, а самое высокое – белый диод – 3-3,7В). Одним драйвером с постоянным выходным U = 12В возможно подключение, например, четырех светоизлучающих диодов с рабочим U = 3В или двенадцати светодиодов с рабочим U = 1В.

Средний показатель мощности для ультраярких светодиодных источников составляет 0,2-0,3Вт, а для мощных сверхярких источников — 1 Вт.

Если на коробке мощного светодиода указаны ток и напряжение, но не указана мощность, определить ее довольно легко, перемножив указанные значения между собой.

Для получения необходимой интерьерной подсветки важными показателями будут: цвет свечения, угол рассеивания, световой поток.

Сверхяркие мощные светодиоды представлены в следующей цветовой гамме: янтарный, оранжевый, синий, зеленый, красный и белый. В свою очередь белый цвет может выдавать холодный белый свет (5000 – 7000K), белый (3500-5000К), теплый белый (2700-3500К).

Угол рассеивания варьируется от 15º до 120º в зависимости от типа. Самый маленький угол рассеивания имеет серия в стандартном корпусе круглого сечения, а самый большой – серия PLCC. Использование сверхярких светодиодов с разными углами рассеивания дает возможность расставлять необходимые акценты в интерьере.

Световой поток играет важную роль для получения заданного уровня освещенности помещения.

Особенности питания

Перед подключением светодиода необходимо внимательно изучить, на какой ток и напряжение он рассчитан. Ультраяркие подключают через драйвер, который дает возможность стабилизировать ток, необходимый для нормальной работы LED. Драйвер с выходным напряжением 12В подключается к сети 220В.

Ниже приведена простейшая схема подключения нескольких светодиодов через драйвер.

Особенности монтажа

Основным условием при установке и подключении led является необходимость соблюдения полярности питания.

Мощные сверхяркие светодиоды нуждаются в дополнительном охлаждении, так как во время работы они интенсивно нагреваются.

В мощных ультраярких led температура нагрева кристалла влияет на нормальную работу сверхяркого светодиода, поэтому при его монтаже необходимо сделать теплоотвод, который можно осуществить с помощью радиатора.

Применяемые теплопроводящие основания являются проводниками электричества, поэтому при установке светоизлучающего диода необходимо обеспечивать их электроизоляцию.

Кроме того, светоизлучающий диод — хрупкое изделие, следует осторожно устанавливать во избежание деформации его корпуса.

Автор видео рассказывает про виды и применение мощных светодиодов, а в конце дает не большой, но познавательный урок по монтажу smd led, показывает, как определить полярность и припаять.

Плюсы и минусы

Сверхъяркие led становятся все более востребованными на рынке освещения. Причина кроется в преимуществах, которыми обладают данные источники света:

большой срок эксплуатации (50 000-100 000 часов);
высокая экономичность;
устойчивость к перепадам напряжения;
возможность работы при низких температурах окружающей среды;
компактность. Сверхяркие светодиоды имеют небольшие размеры, что позволяет монтировать их в совсем маленькие приборы;
экологичность (отсутствие ртути, паров газов или других опасных веществ);
ударопрочность и виброустойчивость;
светодиодные технологии обеспечивают большое разнообразие при проектировании интерьерного, декоративного освещения, а также цифровой контроль цвета и интенсивности света;
устойчивость к многократным включениям.

Как видим, параметры работы подобных устройств выгодно отличаются от других источников света. Но кроме достоинств, имеются и некоторые недостатки:

высокая цена, значительно увеличивающая срок окупаемости осветительного прибора;
низкие технические характеристики в некачественных изделиях;
необходимость применения драйверов, что увеличивает стоимость;
невозможность использования регуляторов освещения для всех видов сверхярких светодиодов. Устройство этих регуляторов сложнее, чем для традиционных источников света, что также сказывается на их стоимости;
заявленные названия цветопередачи не всегда соответствуют реальным характеристикам;
небольшой угол рассеивания света;
сложности в получении равномерного освещения из-за уникальности характеристик каждого LED и т.д.

Несмотря на перечисленные недостатки при правильном подходе к выбору и монтажу часть их можно нивелировать.

Особенности применения

Сегодня, благодаря положительным качествам, сверхяркие светодиоды нашли широкое применение:

в качестве светоизлучающих элементов в светофорах, дорожных знаках и светодиодных экранах;
в автомобилестроении (приборы освещения и индикации внутри автомобиля и снаружи); Существуют комплекты, в которых ультраяркие светодиоды на напряжение 12В уже готовы к подключению в электрическую схему питания автомобиля;
в рекламной сфере;
в ландшафтном освещении, освещении жилых и общественных зданий и т.д.

Итоги

Сверхяркие светодиоды позволяют получать большой световой поток при малом потреблении электроэнергии. Такие свойства позволят решить вопрос с большими затратами электроэнергии на освещение, которые на сегодняшний день остаются значительными, а также создать необходимый уровень освещения внутри зданий и снаружи.

Технические характеристики и разновидности сверхярких светодиодов

Мощные светодиоды представляют собой элементы с большими показателями свечения, яркости (более 300 Лм/Вт), мощности (10 – 100 Вт). Изначально они применялись в качестве индикаторных ламп, но сегодня актуальны для обустройства освещения. LED-светильники рассчитаны на 50 тыс. часов работы от питания 6-72 В, что позволяет пользователям сэкономить на плате за электричество.

Размеры кристаллов

Сверхъяркий элемент выстраивается на кристаллах, размеры которых указываются как mil – тысячная доля дюйма. Если перевести величину в миллиметры, получится 0, 0254 мм. Размер стандартного кристалла составляет 30х30 и 45х45 mil.

Специалисты для определения размера кристалла используют цифровые штангенциркули с острыми концами. Инструмент позволяет выявить величину с точностью до 0,01 мм. Среднестатистическому человеку достаточно знать, что размер соотносим с мощностью:

1 W – 45х45 mil или 30х30 mil;
0,75 W – 24х40 mil;
0,5 W – 24х24 mil.

Кристалл светодиода производители утапливают в корпусе, поэтому для измерения не применяют микрометр.

Разновидности мощных светодиодов

Мощный светодиод является светоизлучающим диодом с высокой мощностью. Элементы имеют длину волн от 650 до 660 Нм, рассеивание видно под углом 160 градусов. Полупроводниковые устройства подразделяются на несколько групп.

Однокристальные

У осветительных элементов небольшие габариты, но высокая плотность и достойная интенсивность свечения. К особенностям однокристальных вариантов относятся:

световой луч направляется к краям;
угол подсветки – от 100 до 145 градусов;
цветопередача – CRI 70–90;
мощность – до 3 Вт;
яркость светового потока – до 334 Лм.

Чтобы сделать один широкоугольный светильник, однокристальных светодиодов уходит меньше, чем стандартных ламп.

Многокристальные

Особенность твердотельных элементов – мощность, зависящая от величины напряжения. Сила тока при этом составляет 3000 мА. Производители выпускают линейки многокристальных светодиодов с запиткой от 6 до 72 В. Классификация:

элементы с высоким напряжением;
элементы мощность менее 4 Вт;
элементы мощностью более 4 Вт.

Многокристальные SMD-источники имеют белое или цветное свечение.

До 4 Вт

Сверхъяркие светодиоды с суммарными показателями мощности до 4 Вт представлены вариантами MX и ML. Они различаются по типу корпуса, но сходны по углу свечения 120 градусов. Устройства выдают холодное и теплое свечение, а их светоотдача соотносится с мощностью. Повышенное напряжение питания повышает срок службы элементов без влияния на качество света.

Свыше 4 Вт

В рамках «гонки за люменами» разработаны многокристальные модификации с мощностью от 4 до 25 Вт, которые отличаются:

световым потоком от 250 до 2100 Лм;
энергоэффективностью – самая крупная лампа потребляет 12 Вт;
наличием открытого диода или матовой колбы;
системой самоохлаждения.

Наиболее крупный представитель линейки выполняется в корпусе 7х7 мм.

Светодиоды 5 мм

Фишка устройств заключается в рефлекторе с люминофором, излучающим яркий свет. Отражатель без линзы вставляется в фонарь, и световое пятно фокусируется на одном участке.

Полупроводниковые элементы 5 мм в диаметре отличаются рабочим напряжением 1,9-3,4 В. Сила тока равняется 20 мА, а сила света – от 30 до 30 тыс. мкд. Самые яркие 5 мм светодиоды выпускаются в нескольких цветовых вариантах свечения – белый (холодный и теплый), синий, красный, оранжевый, зеленый или желтый.

Высокого напряжения питания

Высоковольтный яркий светодиод, или HVW отличается компактными габаритами, большим световым потоком. Такие устройства используются для производства ретрофитов с цоколями Е14 или Е27. Индекс передачи равняется 70-90 CRI. Модели с мини-драйверами и мини-радиаторы в сравнении с низковольтными аналогами имеют больший КПД.

Рекомендуется использовать высоковольтные модификации с рассеивателем.

Цветные

LED-устройства предназначены для декоративного освещения интерьера, растений или подсветки строений. Компактный корпус (1,6х1,6 мм или 3,45х3,45 мм) и линза-купол позволяют сфокусировать потоки света. У некоторых серий индикация реализуется при помощи 2-4 оттенков, причем, яркость и температура регулируются.

Royal Blue

Светодиоды диаметром 5 мм или больше – это сверхъяркие устройства с удаленным люминофором. Покрытие наносится не на кристалл, а на внутреннюю часть вторичной оптики. Royal Blue формирует глубокий синий световой луч. Угол его рассеивания равен 90, 100, 135 и 140 градусов. Максимальный ток при использовании – 500, 700, 1000 А.

В сравнении со стандартными конструкциями Royal Blue выше по эффективности на 30%.

СОВ-матрицы

Технология многочисленных кристаллов на плате, или Chip-on-Board предусматривает установку элементов без корпуса или подожки. Все кристаллы близко расположены, покрываются общим люминофорным слоем. Плотность при технологии СОВ составляет 70 кристаллов/1 см 2, поэтому светодиоды имеют равномерное свечение. Стандартный светящийся слой СОВ-матрицы – это квадрат со сторонами 1-3 см или круг, такой же в диаметре.

Благодаря Chip-on-Board налаживается изготовление источника света с габаритами светящегося элемента, равными ДНаТ или МГЛ. Яркий фонарик с одинаковым свечением будет иметь мощность 100-150 Вт.

Чаще всего СОВ-диоды применяются для наружно освещения или производства фотоаппаратуры (CRI больше 95).

Светодиоды High-Brightness

Супер мощные и яркие High-Brightness светодиоды характеризуются величиной тока 20-70 А. Выпускаются в цветном и белом исполнении. Количество оттенков излучения зависит от числа анод-катодных пар. Направленность света LED-компонентов обеспечивает их применение для наружной рекламы – щитов, вывесок, лайтбоксов.

Модификации светодиодов на одном-нескольких кристаллах, подходящие для наружного монтажа. Размеры SMD-устройств позволяют выбирать их для акцентной подсветки или табло бегущей строки.

Светодиоды-«Пираньи» изготавливаются в квадратном корпусе из эпоксидного компаунда. Поверхность линзы вогнутая, выпуклая или овальная, что способствует равномерной направленность потока. Угол рассеивания бывает больше 120 градусов. Для фиксации лампы предназначены 4 вывода из металла. Размеры элементов – 3-7,7 мм. Они пропускают ток до 50 мА при напряжении 4,5 В.

Улучшенные рассеивающие свойства, прочная подложка и несколько цветовых вариантов свечения позволяют задействовать устройства в наружной рекламе и автотюнинге.

Круглые

Сверхъяркий светодиод по световым показателям лучше СОВ, поскольку изготавливается по технологии Chip On Glass (чип на стекле). Круглые слаботочные элементы находятся в оптическом корпусе диаметром 5 мм из эпоксидки. При работе потребляют 20 мА тока. Видимый угол обзора – 360 градусов, что лучше плоской матрицы. Существуют варианты с ограничителями вывода и без них.

1 лампа с filament-светодиодами по интенсивности света сравнится с лампой накаливания на 60 Вт.

Овальные

Уникальные по конструкции светодиоды могут излучать потоки света в двух направлениях. Модели рассчитаны на силу тока 20 мА, не повреждаются от ультрафиолета, влажной седы, скачков температур. Большой угол рассеивания оправдывает применение овальных элементов для создания огромных LED-экранов. Корпус источника света – всего 4 мм.

Рассеивание световых потоков овальными светодиодами происходит по осям X и Y.

Светотехнические показатели

Практические все мощные LED-элементы функционируют от напряжения 12 W, реже – от источников питания 24-48 W. Рассмотреть подробные светотехнические характеристики можно на примере XLamp XM-L от бренда Cree:

мощность – 10 W;
рабочее напряжение – 12 В;
показатель энергоэффективности – до 170 лм/В;
световой поток – 850 Лм (сила тока 3 А);
параметры основания – 5х5 мм;
температура света – от 4000 до 5000 К.

При силе тока более 3 А светоэлемент выдает около 910 Лм.

Материал основания

Основание предназначено для крепления кристаллов. Его создают из таких материалов:

Алюминий. Бюджетные светодиоды отличаются недостаточной теплопроводностью, накаливаются при эксплуатации. Отличить алюминиевое основание можно по легкому весу;
Медь. Хорошо отводит тепло от чипа, но имеет больший вес. Диоды в процессе эксплуатации нагреваются.

Светодиоды мощностью 10 – 100 W с медным основанием должны весить в 2-3 раза больше стандартных на 5 W.

Проводники LED-элементов

Тончайший проводник обеспечивает качество подключения кристалла к источникам питания. Хорошее изделие изготавливается из золота, на одном контакте находится по 2 элемента. Характеристика проводников наиболее выражено прослеживается на автомобильной подсветке. Золотой элемент выдерживает колебания до 30 В, а медный перегорает.

Линзы для оптики

Современные бренды выпускают специализированные оптические системы с различными диаграммами направленности (эллиптическая, для 3-х светодиодов). Основа для получения направленности параллельных пучков света – коллиматор. Он выполняется в виде отверстия в поглощающем покрытии с различной формой поперечного сечения. Источник излучения расположен на одном конце коллиматора.

Сфера применения

Энергосберегающие LED-светильники с небольшим коэффициентом пульсации используется в местах, где требуется яркая подсветка:

декоративное оформление помещений – подходят для напряжения сети 220 В;
производство автотранспорта – на приборной панели, дисплеях, сигналках, поворотниках;
уличное освещение;
наружная реклама – ситилайты, бегущие строки, информационные панели, щиты;
развлекательные заведения – акцентная подсветка зон;
оранжереи и теплицы – потоки определенного цвета стимулируют рост растений;
аквариумное освещение.

Популярность светодиодов связана с возможностью получения ультраяркости без особых затрат на электричество.

Ассортимент светодиодной продукции позволяет реализовать идеи декора интерьера, привлечь аудиторию оформлением вывески заведения. Эксплуатация светодиодов позволяет сэкономить на замене ламп накаливания – ресурс их работы равняется 30-50 тыс. часов.

Светодиоды: виды и схема подключения

Светодиодами называют полупроводниковые приборы, которые при подаче напряжения создают оптическое излучение. Их международное буквенное обозначение – LED (LightEmittingDiode).

Содержание статьи

Устройство светодиода

Хотя и существует множество светодиодов, самая распространённая форма состоит из 5-миллиметрового полимерного корпуса с линзой, медного или алюминиевого основания, катода, параболического рефлектора (отражателя) и кристалла, который соединяется с анодом при помощи тонкой золотой проволоки.

Как работает светодиод?

Принцип работы изделия основывается на взаимодействии двух полупроводников, положительного и отрицательного типа (p-n-переход). Когда электрический ток проходит через полупроводники, в месте соприкосновения выделяется энергия, излучающая свет. Это обусловлено переходом от одного типа проводимости к другому, когда ионы положительно заряженных дырок соединяются с отрицательными зарядами электронов.

Виды и основные параметры светодиодов

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.

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

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

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 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.

Применение светодиодов

Такая продукция активно применяется в разных областях: световая реклама, домашние и промышленные осветительные приборы, автомобильная светотехника, светофоры и дорожные знаки, дизайн помещений, ландшафтная и архитектурная подсветка, а также многое другое.

значительная длительность эксплуатации;
экологическая безопасность;
высокая надежность и безотказность;
экономия электроэнергии;
высокое качество освещения;
низкие эксплуатационные расходы.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Читайте также:

Особенности и различия душевых кабин

Основные характеристики светодиодов

Две главные характеристики, указываемы в паспорте светоизлучающего прибора:

Падение напряжения на приборе. Типичное значение – 3,2 В. Также для каждого светодиода существуют максимально допустимые напряжения Umax и Umaxобр – для прямого и обратного включений.
Номинальный ток. Обычно эти приборы рассчитаны на силу тока в 20 мА.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

Uпитания – напряжение электропитания, В;
Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном. 2 х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.