Мощные сверхяркие светодиоды — особенности монтажа, питания, конструкции

Условно все светодиоды можно разделить на две большие группы:

• SMD

• COB

• Filament

• PCB STAR

К индикаторным относится dip светодиоды. Рассмотрим сперва их.

DIP светодиоды</h2>

Сокращение DIP расшифровывается как Direct In-line Package. Именно их в первую очередь начали массово выпускать в недалеком прошлом.

Трудно представить, но первые неказистые экземпляры для рядовых пользователей стоили от 200$ за штуку.

На сегодняшний день они уже не так распространены, но все же применяются:

• в устройствах индикации

• в панелях электронных приборов

• световых табло

• или елочных украшениях

По форме корпуса они могут быть круглыми, овальными или прямоугольными. Самые популярные типоразмеры с выпуклыми линзами – 3,5,8,10мм.

Напряжение питания 2,5-5В, при токе до 25мА.

Бывают разноцветными и многоцветными (RGB). Это когда в одном корпусе спрятано 3 перехода, а внизу есть 4 вывода.

В электрических схемах все светодиоды обозначаются как обычный диод с двумя стрелочками.

Несмотря на малые размеры и свою “древность”, отдельные модели из-за специфической формы корпуса, могут выдать в 1,5-2 раза больше яркости, чем некоторые SMD.

К тому же потребление энергии у DIP меньше чем SMD, да и стоят они дешевле. Однако SMD технология не стоит на месте и с каждым годом их параметры стремительно сближаются. Вот таблицы с основными техническими характеристиками (сила света, рабочее напряжение, сила тока, угол свечения, цена) для индикаторных светодиодов DIP разных типоразмеров. А также расшифровка маркировки их названий и обозначений (для просмотра нажмите на соответствующую вкладку):

SMD светодиоды</h2>

Данный вид на сегодня является самым популярным. SMD расшифровывается с английского = Surface-Mount-Device.

В своей конструкции они имеют полупроводниковый чип или кристалл, установленный на подложку. Снизу расположены контакты для подключения.

Каждый такой светодиод закрывается в корпусе, который напрямую можно припаивать к любой поверхности. Поэтому то их и называют ”изделиями поверхностного монтажа”.

Несмотря на одинаковое название “СМД”, в продаже можно встретить модели обладающие абсолютно разными:

О популярности данного типа могут говорить следующие цифры. Общее количество производимых светодиодов SMD, только в одном корпусе 2835, за год составляет несколько миллиардов штук.

Почему они так популярны? Конечно из-за своих достоинств:

Именно SMD вид используется в большинстве светодиодных лампочек и светильников.Таблицы всех технических характеристик наиболее популярных марок светодиодов марки SMD 2835, 3528, 5050, 5730:

COB светодиоды</h2>

COB – Chip On Board. У этого вида большое количество маленьких кристаллов размещено на единой подложке и все это собрано в одном корпусе.

Схема соединения этих кристаллов – последовательно параллельная. Сверху они заливаются люминофором.

По-другому их называют светодиодными матрицами. Их достоинства:

Все эти преимущества очень кстати подошли для изготовления ярких и компактных прожекторов. Также КОБы активно применяют там, где нужна акцентированная и декоративная подсветка.

На абы какую поверхность COM матрицы ставить нельзя. Ее необходимо предварительно подготовить.

В противном случае, от перепадов температур, подложка деформируется, что еще больше повысит температуру светодиода и приведет к его повреждению.

Кстати, это основная причина выхода из строя светодиодных прожекторов. 

Приблизительно на один светодиодный ватт в режиме 100Лм/Вт нужно 20см2 площади радиатора.

По норме от 6 до 10Вт может пассивно принять воздух, в то время как теплопроводность алюминия 200-300 Вт/(м*К).

Есть у COB светодиодов и другие недостатки:

Поэтому на сегодня, для решения именно энергоэффективных задач в освещении, КОБ модели не совсем подходят. Это будет экономически не целесообразным.

Таблицы технических характеристик COB светодиодов: И матриц:

Filament светодиоды</h2>

Филаментные модели представляют из себя стеклянную полоску с наклеенными поверх нее светодиодами. С двух концов полоски металлизируются.

Через них подается питание. Если здесь применить различные кристаллы, то можно добиться достаточно высокого CRI.

Люминофор наносится сверху. При этом вся конструкция помещена в стеклянную колбу, как в обычной лампочке.

Однако для всей этой конструкции, как и в любом ярком светодиоде требуется охлаждение.

Для этого здесь применяют газ — гелий. Именно благодаря ему, происходит отвод тепла на внешние стенки колбы филаментной лампочки.

По простому можно сказать, что филаментная лампочка – это КОБ светодиод, который поместили в газовую среду. Достоинства филаментных моделей:

• одинаковое светораспределение как и у ламп накаливания

Именно поэтому их применяют как альтернативная замена обычным лампочкам в светильниках и люстрах.

Однако свечение такой лампы все же сопровождается высоким нагревом. Вследствие чего, наблюдается постепенная деградация диодов, и как итог – их непродолжительный срок службы.

Таблица сравнения филаментных моделей и других видов ламп и источников света:

PCB Star светодиоды</h2>

Если исходить из занимаемой площади, то эти светодиоды занимают первое место по величине светового потока.

Данный светодиод состоит из одного единственного кристалла, имеющего большую площадь (относительно моделей SMD).

Однако по большому счету, это тот же самый SMD вид. Он напаивается к подложке из алюминия, напоминающую по форме звезду.

Если у вас очень мощный источник света, а не множество кристаллов, то и фокусировка его упрощается. Поэтому из таких типов светодиодов PCB Star и начали массово делать яркие мощные прожекторы и не менее яркие ручные фонарики.

Таблицы всех технических характеристик светодиодов “звезда”:

Из всех представленных видов на сегодняшний день, SMD модели являются самыми универсальными. Из них делают множество световой продукции:

При этом производители добиваются вполне оптимальных решений по цене и светоотдаче.

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.

Светодиодный светофор — не редкость в современном мире

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.

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.

Виды

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.

Читайте также  Освещение светодиодной летной для сауны

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.

Читайте также  Светодиодная лампа своими руками, преимущества и недостатки, схема, инструкция

Особенности монтажа

Важными условиями работы ультраярких светодиодов являются:

• правильное соблюдение полярности при подключении;
• обеспечение качественного теплоотведения.

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.

Используемые источники:

• https://svetosmotr.ru/tehnicheskie-harakteristiki-svetodiodov/
• http://ledno.ru/svetodiody/sverhyarkie-led.html
• https://svetilnik.info/svetodiody/sverhyarkie-svetodiody.html