2.2. Світлодіоди

 

         Напівпровідниковими світловипромінювальними приладами – світлодіодами – досягнуті такі характеристики (для білих світлодіодів – світлова віддача до 25 лм/Вт при потужності приладу до 5Вт, Ra=80 – 85, термін служби 100000 годин). Це забезпечує лідерство у світлосигнальній апаратурі, автомобільній і авіаційній техніці. Світлодіодні джерела світла знаходяться на порозі впровадження на ринок загального освітлення.

Часи, коли світлодіоди використовували тільки в якості індикаторів включення приладів, давно пройшли. Сучасні світлодіодні прилади можуть повністю замінити лампи розжарювання в побутових, промислових і вуличних світильниках. Цьому сприяють різні характеристики світлодіодів, знаючи які, можна правильно підібрати LED-аналог. Використання світлодіодів, враховуючи їх основні параметри, відкриває безліч можливостей в сфері освітлення.

Світлодіод (позначається СД, СІД, LED в англ.) являє собою прилад, в основі якого лежить штучний напівпровідниковий кристалик. При пропущенні через нього електроструму створюється явище випускання фотонів, що призводить до світіння. Дане світіння має дуже вузький діапазон спектра, і колір його залежить від матеріалу напівпровідника.

Рисунок 2.2- Світлодіод

 

Світлодіоди цілком можуть замінити звичайні лампи розжарювання.

Світлодіоди з червоним і жовтим світінням виробляють з неорганічних напівпровідникових матеріалів на базі арсеніду галію, зелені і сині виготовляють на основі індію-галію-нітриду. Щоб збільшити яскравість світлового потоку використовують різні присадки або застосовують метод багатошаровості, коли шар чистого нітриду алюмінію розміщують між напівпровідниками. В результаті утворення в одному кристалику декількох електронно-доручених (p-n) переходів, яскравість його світіння зростає.

Розрізняють два типи світлодіодів: для індикації та освітлення. Перші використовують для індикації включення в мережу різних приладів, а також як джерела декоративного підсвічування. Вони являють собою кольорові діоди, поміщені в просвічує корпус, кожен з них має чотири висновки. Прилади, що випромінюють інфрачервоне світло, використовують в пристроях для віддаленого управління приладами (пульт ДУ).

В області освітлення використовують світлодіоди, що випромінюють біле світло. За кольором розрізняють світлодіоди з холодним білим, нейтральним білим і теплим білим світлом. Існує класифікація застосовуваних для освітлення світлодіодів за способом монтажу. Маркування світлодіода SMD означає, що прилад складається з алюмінієвої або мідної підкладки, на якій розміщений кристалик діода. Сама підкладка розташовується в корпусі, контакти якого з’єднані з контактами світлодіода.

Інший тип світлодіодів позначається OCB. У такому приладі на одній платі розміщується безліч кристалів, вкритих люмінофором. Завдяки такій конструкції досягається велика яскравість світіння. Таку технологію використовують при виробництві світлодіодних ламп з великим світловим потоком на відносно малій площі. У свою чергу це робить виробництво світлодіодних ламп найбільш доступним і недорогим.

Вибираючи для освітлення відповідну світлодіодну лампу, слід враховувати параметри світлодіодів. До них відносять напруга живлення, потужність, робочий струм, ефективність (світловіддача), температуру світіння (колір), кут випромінювання, розміри, термін деградації. Знаючи основні параметри, можна буде без праці вибрати прилади для отримання того чи іншого результату освітленості.

Величина струму споживання світлодіода

Як правило, для звичайних світлодіодів передбачена сила струму величиною 0,02 а. Однак бувають світлодіоди, розраховані на 0,08А. До таких светодиодам відносять більш потужні прилади, в пристрої яких задіяні чотири кристала. Вони розташовуються в одному корпусі. Так як кожен з кристалів споживає по 0,02 а, в сумі один прилад буде споживати 0,08А.

Стабільність роботи світлодіодних приладів залежить від величини струму. Навіть незначне збільшення сили струму сприяє зниженню інтенсивності випромінювання (старіння) кристала і збільшення колірної температури. Це в кінцевому результаті призводить до того, що світлодіоди починають відливати синім кольором і передчасно виходять з ладу. А якщо показник сили струму збільшується істотно, світлодіод відразу перегорає.

Щоб обмежити струм, в конструкціях LED-ламп і світильників передбачені стабілізатори струму для світлодіодів (драйвери). Вони перетворять струм, доводячи його до потрібної светодиодам величини. У разі, коли потрібно підключити окремий світлодіод до мережі, потрібно використовувати струмообмежувальні резистори. Розрахунок опору резистора для світлодіода виконують з урахуванням його конкретних характеристик.

Напруга світлодіодів

Напруги живлення світлодіода не має.. Замість цього використовується характеристика падіння напруги на світлодіоді, що означає величину напруги на виході світлодіода при проходженні через нього номінального струму. Значення напруги, вказане на упаковці, відображає як раз падіння напруги. Знаючи цю величину, можна визначити час, що залишився на кристалі напруги. Саме це значення береться до уваги при розрахунках.

Наприклад, для синіх, зелених і білих кристалів напруга становить близько 3В, для жовтих і червоних – від 1,8 до 2,4 В.

При використанні паралельного підключення світлодіодів ідентичного номіналу з величиною напруги в 2В можна зіткнутися з наступним: в результаті розкиду параметрів одні випромінюють діоди вийдуть з ладу (згорять), а інші будуть дуже слабо світитися. Це станеться з огляду на те, що при збільшенні напруги навіть на 0,1 спостерігається збільшення сили струму, що проходить через світлодіод, в 1,5 рази. Тому так важливо стежити, щоб струм відповідав номіналу світлодіода.

Світловіддача, кут світіння і потужність світлодіодів

Порівняння світлового потоку діодів з іншими джерелами світла проводять, враховуючи силу видаваного ними випромінювання. Прилади розміром близько 5 мм в діаметрі дають від 1 до 5 лм світла. У той час як світловий потік лампи розжарювання в 100Вт становить 1000 лм. Але при зіставленні необхідно враховувати, що у звичайної лампи світло розсіяний, а у світлодіода – спрямований. Тому необхідно брати до уваги кут розсіювання світлодіодів.

Кут різних світлодіодів може становити від 20 до 120 градусів. При висвітленні світлодіоди дають більш яскраве світло по центру і знижують освітленість до країв кута розсіювання. Таким чином, світлодіоди краще висвітлюють конкретне простір, використовуючи при цьому менше потужності. Однак якщо потрібно збільшити площу освітленості, в конструкції світильника використовують розсіюють лінзи.

Щоб визначити потужність світлодіодної лампи, що вимагається для заміни лампи розжарювання, необхідно застосовувати коефіцієнт, що дорівнює 8. Так, замінити звичайну лампу потужністю 100Вт можна світлодіодним приладом потужністю не менше 12,5Вт (100Вт / 8).

При використанні світлодіодів для освітлення дуже важливий показник ефективності, який визначається відношенням світлового потоку (лм) до потужності (Вт). Зіставляючи ці параметри у різних джерел світла, отримуємо, що ефективність лампи розжарювання становить 10-12 лм / Вт, люмінесцентної – 35-40 лм / Вт, світлодіодним – 130-140 лм / Вт.

Колірна температура LED-джерел

Одним з важливих параметрів світлодіодних джерел є температура світіння. Одиниці виміру цієї величини – градуси Кельвіна (К). Слід зазначити, що всі джерела світла по температурі світіння поділяють на три класи, серед яких теплий білий має колірну температуру менш як 3300 К, денний білий – від 3300 до 5300 К і холодний білий понад 5300 К.

Хвильова природа кольору дозволяє висловити колірну температуру світлодіодів, використовуючи довжину хвилі. Маркування деяких світлодіодних приладів відображає колірну температуру саме в вигляді інтервалу різних довжин хвиль. Довжина хвилі має позначення λ і вимірюється в нанометрів (нм).

Типорозміри SMD світлодіодів і їх характеристики

З огляду на розмір SMD світлодіодів, прилади класифікуються в групи з різними характеристиками. Найбільш популярні світлодіоди з типорозмірами 3528, 5050, 5730, 2835, 3014 і 5630. Характеристики SMD світлодіодів в залежності від розмірів різняться. Так, різні типи SMD світлодіодів відрізняються по яскравості, колірної температури, потужності. У маркуванні світлодіодів перші дві цифри показують довжину і ширину приладу.

Основні параметри світлодіодів SMD 2835

До основних характеристик SMD світлодіодів 2835 відносять збільшену площу випромінювання. У порівнянні з приладом SMD 3528, який має круглу робочу поверхню, площа випромінювання SMD 2835 має прямокутну форму, що сприяє більшій світловіддачі при меншій висоті елемента (близько 0,8 мм). Світловий потік такого приладу складає 50 лм.

Корпус світлодіодів SMD 2835 виконаний з термостійкого полімеру і може витримувати температуру до 240 °С. Слід зазначити, що деградація випромінювання в цих елементах становить менше 5% протягом 3000 годин функціонування. Крім того, прилад має досить низький тепловий опір переходу кристал-підкладка (4 С / Вт). Робочий струм в максимальному значенні – 0,18 А, температура кристала – 130 °С.

За кольором світіння виділяють теплий білий з температурою свічення 4000 К, денне біле – 4800 К, чистий білий – від 5000 до 5800 К і холодний білий з колірною температурою 6500-7500 К. Варто відзначити, що максимальна величина світлового потоку у приладів з холодним білим світінням, мінімальна – у світлодіодів теплого білого кольору. У конструкції приладу збільшені контактні площадки, що сприяє кращому відводу тепла.

Світлодіоди SMD 2835 можуть бути використані для будь-якого типу монтажу.

Рисунок – 2.3 Розміри світлодіода SMD 2835

 

У конструкції корпусу SMD 5050 розміщені три однотипних світлодіода. LED джерела синього, червоного і зеленого кольору мають технічні характеристики, аналогічні кристалам SMD 3528. Значення робочого струму кожного з трьох світлодіодів становить 0,02 а, отже сумарна величина струму всього приладу 0,06А. Для того, щоб світлодіоди не вийшли з ладу, рекомендується не перевищувати цю величину.

LED прилади SMD 5050 мають пряме напруга величиною 3-3,3В і світловіддачу (мережевий потік) 18-21 лм. Потужність одного світлодіода складається з трьох величин потужності кожного кристала (0,7Вт) і становить 0,21Вт. Колір світіння, яке випромінюється приладами, може бути білим у всіх відтінках, зеленим, синім, жовтим і багатобарвним.

Близьке розташування світлодіодів різних кольорів в одному корпусі SMD 5050 дозволило реалізувати багатобарвні світлодіоди з окремим управлінням кожним кольором. Для регулювання світильників з використанням світлодіодів SMD 5050 використовують контролери, завдяки чому колір світіння можна плавно змінювати від одного до іншого через задану кількість часу. Зазвичай такі прилади мають кілька режимів управління і можуть регулювати яскравість світіння світлодіодів.

Рисунок-2.4 Розміри світлодіода SMD 5050

 

Світлодіоди SMD 5730 – сучасні представники LED-приладів, корпус яких має геометричні розміри 5,7х3 мм. Вони відносяться до яскравих світлодіодів, характеристики яких стабільні і якісно відрізняються від параметрів попередників. Виготовлені із застосуванням нових матеріалів, ці світлодіоди відрізняються підвищеною потужністю і високоефективним світловим потоком. Крім того, вони можуть працювати в умовах підвищеної вологості, стійкі до перепадів температур і вібрації, мають тривалий термін служби.

Існує два різновиди приладів: SMD 5730-0,5 з потужністю 0,5 Вт і SMD 5730-1 з потужністю 1Вт. Відмінною особливістю приладів є можливість їх функціонування на імпульсному струмі. Величина номінального струму SMD 5730-0,5 становить 0,15А, при імпульсної роботі прилад може витримувати силу струму до 0,18 А. Даний тип світлодіодів забезпечує світловий потік до 45 лм.

Світлодіоди SMD 5730-1 працюють на постійному струмі 0,35А, при імпульсному режимі – до 0,8 А. Ефективність світловіддачі такого приладу може скласти до 110 лм. Завдяки термостійкі полімеру, корпус приладу витримує температуру до 250 ° С. Кут обох типів SMD 5730 дорівнює 120 градусам. Ступінь деградації світлового потоку складає менше 1% при роботі протягом 3000 годин.

Рисунок-2.5 Розміри світлодіода SMD 5050

 

Компанія Cree (США) займається розробкою і випуском надяскравих і самих потужних світлодіодів. Одна з груп світлодіодів Cree представлена серією приладів Xlamp, які діляться на однокристальних і багатокристальні. Однією з особливостей однокристальних джерел є розподіл випромінювання по краях приладу. Це інновація дозволила випускати світильники з великим кутом світіння, використовуючи мінімальну кількість кристалів.

У серії LED-джерел XQ-E High Intensity кут світіння становить від 100 до 145 градусів. Маючи невеликі геометричні розміри 1,6х1,6 мм, потужність надяскравих світлодіодів – 3 Вольта, а світловий потік – 330 лм. Це одна з новітніх розробок компанії Cree. Всі світлодіоди, конструкція яких розроблена на базі одного кристала, мають якісну передачу кольору в межах CRE 70-90.

         До групи понад 4Вт входять світлодіоди з декількох кристалів. Найбільш габаритними в групі є прилади потужністю 25Вт, представлені серією MT-G. Новинка компанії – світлодіоди моделі XHP. Один з великих LED-приладів має корпус 7х7 мм, його потужність 12 Вт, світловіддача 1710 лм. Світлодіоди з високою напругою живлення об’єднують в собі невеликі габарити і високу світловіддачу.

Рисунок - 2.6 LED-лампи серії XQ-E High Intensity виробника Cree (США)

 

Схеми підключення світлодіодів

Існують певні правила підключення світлодіодів. Беручи до уваги, що проходить через прилад струм рухається тільки в одному напрямку, для тривалого і стабільного функціонування LED-приладів важливо враховувати не тільки певне напруження, а й оптимальну величину струму.

Схема підключення світлодіода до мережі 220В

Залежно від використовуваного джерела живлення, розрізняють два види схем підключення світлодіодів до 220В. В одному з випадків використовується драйвер з обмеженим струмом, у другому – спеціальний блок живлення, стабілізуючий напругу. Перший варіант враховує використання спеціального джерела з певною силою струму. Резистор в даній схемі не потрібно, а кількість підключаються світлодіодів обмежується потужністю драйвера.

Для позначення світлодіодів на схемі використовуються піктограми двох видів. Над кожним схематичним їх зображенням знаходяться дві невеликі паралельні стрілочки, спрямовані вгору. Вони символізують яскраве світіння LED-приладу. Перед тим як підключити світлодіод до 220В використовуючи блок живлення, необхідно в схему включити резистор. Якщо ця умова не виконати, це призведе до того, що робочий ресурс світлодіода істотно скоротиться або він просто вийде з ладу.

Рисунок – 2.7 Схема підключення світлодіодів до мережі 220В з використанням гасить конденсатора С1

 

Якщо при підключенні використовувати блок живлення, то стабільним в схемі буде лише напруга. З огляду на незначне внутрішній опір LED-приладу, включення його без обмежувача струму призведе до згорання приладу. Саме тому в схему включення світлодіода вводять відповідний резистор. Слід зазначити, що резистори бувають з різним номіналом, тому їх слід правильно розраховувати.

Дуже часто буває, що з огляду на параметри світлодіодів, опір резистора має нестандартне для приладу значення. Такі обмежувачі струму не можна відшукати в точках продажу, наприклад, 128 або 112,8 Ом. Тоді слід використовувати резистори, опір яких має найближче більше значення в порівнянні з розрахунковим. При цьому світлодіоди будуть функціонувати не в повну силу, а лише на 90-97%, але це буде непомітно для ока і позитивно відіб’ється на ресурсі приладу.

В інтернеті представлена безліч варіантів калькуляторів розрахунків світлодіодів. Він враховує основні параметри: падіння напруги, номінальний струм, напруга на виході, кількість приладів в ланцюзі. Задавши в поле форми параметри LED-приладів і джерел струму, можна дізнатися відповідні характеристики резисторів. Для визначення опору маркованих кольором струмообмежувачів також існують онлайн розрахунки резисторів для світлодіодів.

Схеми паралельного і послідовного підключення світлодіодів

При складанні конструкцій з декількох LED-приладів використовують схеми включення світлодіодів в мережу 220 В з послідовним або паралельним з’єднанням. При цьому для коректного підключення слід враховувати, що при послідовному включенні світлодіодів необхідною напругою  є сума падінь напруг кожного приладу. У той час як при паралельному включенні світлодіодів складається сила струму.

Рисунок-2.8 Схеми паралельного підключення світлодіодів

 

У варіанті 1 на кожну ланцюг діодів використовується окремий резистор, у варіанті 2 – один загальний для всіх ланцюгів

Якщо в схемах використовуються LED-прилади з різними параметрами, то для стабільної роботи необхідно розрахувати резистор для кожного світлодіода окремо. Слід зазначити, що двох абсолютно однакових світлодіодів не існує. Навіть прилади однієї моделі мають незначні відмінності в параметрах. Це призводить до того, що при підключенні великої їх кількості в послідовну або паралельну схему з одним резистором, вони можуть швидко деградувати і вийти з ладу.

При використанні одного резистора в паралельній або послідовній схемі можна підключати лише LED-прилади з ідентичними характеристиками.

Розбіжність в параметрах при паралельному підключенні декількох світлодіодів, припустимо 4-5 шт., Не вплине на роботу приладів. А якщо в таку схему підключити багато світлодіодів – це буде поганим рішенням. Навіть якщо LED-джерела мають незначний розкид характеристик, це призведе до того, що деякі прилади будуть випромінювати яскраве світло і швидко згорять, а інші – будуть слабо світитися. Тому при паралельному підключенні слід завжди використовувати окремий резистор для кожного приладу.

Що стосується послідовного з’єднання, то тут має місце економне споживання, так як весь ланцюг витрачає кількість струму, рівну споживанню одного світлодіода. При паралельній схемі, споживання становить суму споживання всіх включених в схему LED-джерел, включених в схему.

Рисунок – 2.9 Схема послідовного підключення світлодіодів

 

В конструкції деяких приладів резистори передбачені ще на етапі виготовлення, що дає можливість підключення світлодіодів до 12 Вольт або 5 Вольт. Однак такі прилади не завжди можна знайти в продажу. Тому в схемі підключення світлодіодів до 12 вольт передбачають обмежувач струму. Насамперед необхідно з’ясувати характеристики підключаються світлодіодів.

Такий параметр, як пряме падіння напруги у типових LED-приладів складає близько 2В. Номінальний струм у цих світлодіодів відповідає 0,02 а. Якщо потрібно підключити такий світлодіод до 12В, то «зайві» 10В (12 мінус 2) необхідно погасити обмежувальним резистором. За допомогою закону Ома можна розрахувати для нього опір. Отримаємо, що 10 / 0,02 = 500 (Ом). Таким чином, необхідний резистор з номіналом 510 Ом, який є найближчим по ряду електронних компонентів Е24.

Щоб така схема працювала стабільно, потрібно ще вирахувати потужність обмежувача. Використовуючи формулу, виходячи з якої потужність дорівнює добутку напруги і струму, розраховуємо її значення. Напруга величиною 10В множимо на струм 0,02 а і отримуємо 0,2Вт. Таким чином, необхідний резистор, стандартний номінал потужності якого становить 0,25Вт.

Рисунок – 2.10  Схема підключення RGB світлодіодним стрічки до 12В

 

Якщо в схему необхідно включити два LED-прилади, то слід враховувати, що напруга падіння на них, становитиме вже 4В. Відповідно для резистора залишиться погасити вже не 10В, а 8В. Отже, подальший розрахунок опору і потужності резистора робиться на підставі цього значення. Розташування резистора в схемі можна передбачити в будь-якому місці: з боку анода, катода, між світлодіодами.