Самый востребованный белый светодиод

Конструкция и особенности мощных светодиодов

Сейчас, наверное, только глухой не слышал о светодиодных лампах и сверхъярких светодиодах. В среде радиолюбителей сверхъяркий светодиод уже давно стал объектом пристального изучения и главным элементом самодельных новаторских устройств. Да, это и не мудрено, сверхъяркие светодиоды интересны в первую очередь своей экономичностью и хорошими характеристиками по светоотдаче. Светодиоды обладают хорошей механической прочностью, не бояться вибрации и тряски. Не зря мощные светодиоды всё больше применяют в автомобилестроении.

Ещё одним важным положительным качеством светодиодов можно считать то, что они начинают излучать мгновенно после подачи питания. Люминесцентные лампы, например, в этом плане уступают светодиодам. Для долговечной работы люминесцентной лампы рекомендуется горячий запуск, когда происходит предварительный разогрев нитей накала. Лампа при этом включается спустя несколько секунд.

В начале девяностых годов фирма Nichia представила миру первый светодиод синего и белого цвета свечения. С тех пор началась технологическая гонка в производстве сверхъярких мощных светодиодов.

Сам по себе светодиод не может излучать белый свет, так как белый свет является суммой всех цветов. Светоизлучающий диод излучает свет строго определённой длины волны. Цвет излучения светодиода зависит от ширины энергетической запрещённой зоны перехода, где и происходит рекомбинация электронов и дырок.

Ширина энергетической запрещённой зоны в свою очередь зависит от материала полупроводника. Для получения белого света на кристалл синего светодиода наносят слой люминофора, который под действием синего излучения испускает жёлтый и красный свет. В результате смешения синего, жёлтого и красного получается белый свет.

Это одна из нескольких широко распространённых технологий получения белого света посредством светоизлучающих диодов.

Напряжение питания сверхъярких белых светодиодов, как правило, лежит в пределах от 2,8 до 3,9 вольт. Точные характеристики светодиода можно узнать из описания (datasheet).

Мощные сверхъяркие белые светодиоды хоть и доступны, но всё ещё дороги по сравнению с индикаторными светодиодами красного и зелёного цвета свечения, поэтому при использовании их в осветительных установках следует уделять внимание качественному питанию светодиодов.

Несмотря на то, что ресурс светодиодов довольно велик, любой светоизлучающий полупроводник очень чувствителен к перегрузкам по току. В результате перегрузок светодиод может сохранить работоспособность, но светоотдача его будет существенно меньше. В некоторых случаях частично рабочий светодиод может служить причиной выхода из строя и остальных, включенных совместно с ним светодиодов.

Чтобы исключить перегрузки светодиодов, а, следовательно, и выход их строя, применяются драйверы питания на специализированных микросхемах. Драйвер питания представляет собой не что иное, как стабилизированный источник тока. Для регулировки яркости светодиодов рекомендуется применять импульсную модуляцию.

Не исключено, что в скором времени производители мощных светодиодов будут встраивать чип стабилизатора тока непосредственно в конструкцию мощного светодиода, по аналоги с мигающими светодиодами (blinking led), в которых встроен чип генератора импульсов.

Светодиод может работать десятки лет, но при условии, что светоизлучающий кристалл не будет сильно нагреваться вследствие протекания тока. В современных мощных светодиодах ток питания может достигать более 1000 mA (1 Ампер!) при напряжении питания от 2,5 до 3,6 – 4 вольт. Такими параметрами обладают, например, мощные светодиоды Lumileds. Для отвода избыточного тепла в таких светодиодах применяется алюминиевый радиатор, конструктивно объединённый с кристаллом светодиода. Производители мощных белых светодиодов также рекомендуют устанавливать их на дополнительные радиаторы. Вывод очевиден – хочешь длительной работы светодиода – обеспечь хороший отвод тепла.

При монтаже мощных светодиодов нужно помнить, что теплопроводящее основание светодиода не является нейтральным электрически. В связи с этим необходимо обеспечить электрическую изоляцию оснований светодиодов при монтаже на общем радиаторе.

Так как типовое напряжение питания сверхъярких светодиодов составляет 3,6 вольт, то такие светодиоды можно легко использовать для светодиодных фонариков совместно с аккумуляторными батарейками формата AA. Для питания светодиода понадобятся 3 последовательно включенных аккумуляторных батарейки напряжением по 1,2 вольт. Суммарно напряжение составит как раз необходимое 3,6 вольт. В этом случае не понадобиться никаких преобразователей напряжения.

Всё ещё высокая цена мощных светодиодов связана со сложностью изготовления мощного светодиода. Стоимость современных технологических установок, на которых производят кристаллы мощных светодиодов методом эпитаксиальной технологии, составляет 1,5 – 2 млн. долларов!

Конструктивно мощный светодиод представляет довольно сложное устройство.

На рисунке показано устройство сверхъяркого светодиода Luxeon III фирмы Lumileds, мощностью 5 Ватт.

Как видно из рисунка, современный сверхъяркий светодиод представляет собой сложное устройство, требующее многих технологических этапов при изготовлении.

В настоящее время производители мощных светодиодов пробуют различные технологии изготовления светодиодов с применением различных материалов и компонентов. Всё это направлено на снижение себестоимости светодиодов и обеспечения необходимого качества продукта.

Следует заметить, что мощный светодиод, изготовленный с нарушением технологического процесса и применением некачественных материалов, спустя некоторое время работы теряет свою расчётную светоотдачу. Как правило, такие светодиоды дешевле аналогов. Дешёвые светодиоды в течение первых 4000 часов работы теряют свою яркость на 35%. Связано это с тем, что желтеет эпоксидный материал светодиодной колбы, а также снижается излучающая способность синего светодиодного чипа и нанесённого на него слоя люминофора. У качественных светодиодов за 50 000 часов наработки яркость снижается не более чем на 20%.

Главная &raquo Технологии &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Что внутри дешёвых переносных акустических систем?

• Ремонт музыкального центра Samsung MAX-VS720

• Типичные неисправности лазерных приводов

• Распространённые неисправности музыкальных центров

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.

С точки зрения физики белое свечение можно получить при смешивании семи базовых цветов. В светотехнике используется иной подход. Чаще всего смешиваются 2 или 3 разноцветных свечения. При оригинальных оттенках люминофоров можно получить свет различных необычных оттенков.

Что такое белый свет

Глаза людей воспринимают видимое электромагнитное излучение в определенном диапазоне. Ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи тоже световые, но никто их не видит из-за слишком большой или слишком короткой длины волны. Белый свет создают световые волны с различной длиной. Самые короткие красные, самые длинные фиолетовые. Волны остальных цветов располагаются посередине.

В природе белый свет непрерывный (излучаемый фотосферой Солнца) и линейный, состоящий по меньшей мере из трех видов разноцветного излучения. При определенных обстоятельствах белый свет расщепляется на отдельные части спектра. Например, проходя через призму, луч разделяется на 7 частей с различной длиной волны и частотой колебаний. Если пропустить этот спектр через линзу, снова можно получить белый свет.

Еще Ньютон определил, что белый свет состоит из всех цветов, в черном цветов нет, Световые и цветовые волны способны складываться. Согласно закону физики, белое свечение вызывает отражение от какого-то предмета всех световых волн. Чтобы получить белый свет в светотехнике, используются 3 основных цвета: красный, зеленый и синий.

Цветовое пространство

Цветовым пространством называют абстрактную модель палитры, которая построена так, чтобы любой цвет стал точкой с определенными координатами, а конкретные координаты соответствовали одному цвету. Для упрощения измерений и расчетов создается изображение, называемое цветовой диаграммой (графиком).

RGB матрица – трехмерное цветовое пространство, в котором для каждого отдельного цвета выбран набор трех координат. Существует множество цветовых пространств, но размерность всегда определяют координаты.

Справка! В светотехнике не требуются пространства с высокой размерностью, например, ProPhoto, используемое для создания ксерокопий различных документов.

Цветопередача

Понятием «цветопередача» в светотехнике характеризуют влияние спектра свечения ламп на восприятие цвета объекта глазами человека. Отношение восприятия при искусственном и естественном освещении характеризуется коэффициентом CRI с максимальным значением 100 Ra. Человек воспринимает цвета окружающих его предметов наиболее натурально при значении 80-100 Ra.

Читайте также  Как сделать простой драйвер для светодиодов с питанием от 220 В своими руками

Любой источник искусственного света должен обеспечить максимально точное восприятие цветов и оттенков. При расчетах учитываются требования к функциональности лампы и ее местоположение в помещении. Ra определяется при помощи восьми эталонных цветов, определенных DIN 6169.

Как получить белый свет с использованием светодиодов

Для того, чтобы получить белое свечение от светодиода, существуют 3 метода:

• перемешивание при помощи технологии RGB;
• нанесение люминофора трех цветов (красного, зеленого, голубого) на линзу диода, светящегося ультрафиолетовым цветом;
• нанесением люминофора зеленого (желто-зеленого) и красного люминофора на диод, светящийся голубым цветом.

Технология RGB при изготовлении светодиодов дает возможность получить белый свет различных оттенков, отличающихся по температуре. Но у свечения различный оттенок посередине и по краям. В процессе эксплуатации цвет расплывается, что не всем производителям удается это компенсировать.

Светодиоды с люминофорами дешевле, свечение качественное, но толщину слоя люминофора сложно контролировать, люминофор стареет быстрее, чем диоды, из-за него снижается светоотдача

Из чего можно собрать белый свет

Кроме технологии RGB существуют другие методы, позволяющие получить белый свет светодиодов, базирующиеся на смешивании:

• 7-и цветов радуги;
• чистого красного и голубого;
• желтого и синего;
• красного и желто-зеленого.

Основные способы получения

Не все производители при изготовлении светодиодного источника света используют кристаллы, излучающие базовые цвета. Другие варианты иногда оказываются более интересными. Например, белый свет светодиодов можно получить при смешивании желтого и синего, но CRI получается –13 Ra. Если свечение желтого расширить, добавив красный и желто-зеленый, Ra = 61.

Существую и другие уникальные технологии производителей светодиодов:

• Cree TrueWhite – синий, желто-зеленый и красный;
• Osram Brilliant Mix – красный, зеленый и оранжевый.

Справка! Уникальной можно считать технологию Osram EQ white, в которой предусмотрено смешивание синего и желто-зеленого. Оттенок белого в излучении светодиодов получается зеленоватый, Ra = 65.

Основные выводы

Основная цель производителей светодиодов – повысить светотехнические характеристики своей продукции, в том числе цветопередачу. Для этого не всегда достаточно RGB. Показатели меняются так же при замене оттенка люминофора. В результате белое свечение светодиодов приобретает различные оттенки.

Читайте также  Как сделать светодиодный индикатор напряжения своими руками: схемы и инструкцияИспользуемые источники:

• https://go-radio.ru/super led.html
• https://svetosmotr.ru/tehnicheskie-harakteristiki-svetodiodov/
• https://svetilnik.info/svetodiody/kak-poluchayut-belyj-svet-svetodioda.html