Что такое светодиод: описание и характеристики

SMD светодиоды – что это такое

LED SMD – светодиодные лампы поверхностного монтажа. Главное их отличие от обычных диодов – способ установки, что обуславливает конструкционные особенности. В стандартном выводном варианте имеются длинные выводы для установки лампы через отверстия в плате. В SMD устройстве есть только контактные площадки – планерные выводы, поэтому изделие закрепляют прямо на плату. Этот способ и называют поверхностным монтажом. Установка диодов очень проста и может выполняться неспециалистом.

Такое решение имеет еще один существенный плюс. Характеристики SMD светодиодов включают большую световую мощность при низком потреблении электричества. Однако реализация такого достоинства требует очень хорошего теплоотведения. Массивные короткие выводы более эффективны и лучше отводят тепло. Кроме того, диод практически сидит на плате и передает тепло и ей.

SMD светодиоды более устойчивы к вибрациям и механическим повреждениям за счет более плотной «посадки».

Что такое светодиод

Светодиод – это твердотельный электрический источник искусственного света, изготовленный из полупроводниковых материалов p- и n- проводимости. Используя несколько технологий – напыление через маски, травление, эпитаксиальное осаждение и пр., получают p-n переход.

В полупроводниковом материале p-типа носителями тока являются «дырки» – атомы кристалла полупроводника, у которых легированием специальными металлами создают нехватку электронов. В n-материалах носителями являются избыточные электроны в кристалле.

«Дырка» фактически неподвижна. Она имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Электрон, «перескакивая» с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего, передвигает в обратном направлении «дырку».

Расшифровка маркировки SMD светодиодов

Марки светодиодов обозначают для того, чтобы сделать их применение более удобным. Используются для этого только 4 цифры, так что «разгадать» обозначение несложно.

Устройства классифицируют по размерам, и маркировка, по сути, указывает на величину изделия. Цифры обозначают длину и ширину в миллиметрах. Например, модель 3528 имеет размеры 3,5*2,8 мм. Остальные сведения о приборе можно получить из инструкции.

Важно! Изучать инструкцию полезно, поскольку многие китайские производители устанавливают в типичный корпус чипы меньшей мощности. При этом легко приобрести светодиод мощностью в 0,1 Вт вместо 1 Вт.

Размеры SMD светодиодов

Типоразмеры SMD светодиодов, в какой-то мере определяют параметры изделия. Видов их существует множество, но к наиболее популярным относят следующие 6.

Таблица включает лишь основные параметры, но позволяет сравнить световой поток и мощность прибора.

Важно! Мощность светового потока зависит от цвета светодиода.

Помимо перечисленных, выпускают еще и множество светодиодов в 3 и 6 вольт, использующихся для подсветки LED-телевизоров, компьютерных мониторов, планшетов, смартфонов.

Таблица напряжения светодиодов

Чтобы светодиод обеспечивал при работе все характеристики, заданные его конструкцией и технологией изготовления, ему нужно обеспечить расчетное электропитание. Например, подать на его анод и катод напряжение, которое будет немного больше прямого напряжения p-n перехода. Избыток напряжения следует «погасить» на последовательно включенном резисторе. Резистор называется токоограничивающим. Он служит для того, чтобы не допустить превышения тока через p-n переход.

Таблица. Прямое напряжение p-n перехода светодиода цветного свечения.

Мощные светодиоды, их характеристики

Мощные светодиоды на основе COB-матриц. У крупных моделей в углах корпуса имеются отверстия для крепления. Модели небольших размеров крепятся пайкой на печатную плату.

В дополнение к обычным характеристикам светодиодов у мощных моделей добавляются несколько дополнительных характеристик:

• номинальная мощность, Вт;
• размер чипа, мм;
• номинальный рабочий ток кристалла или матрицы;
• срок службы, связанный со стандартами L 70, L80 и др.

Маломощные светодиоды

По величине потребляемой мощности – это светодиоды от 0,05 до 0,5 Вт, рабочий ток – 20-60 мА (средней мощности – 0,5-3 Вт, ток 0,1-0,7 А, большой – более 3 Вт, ток 1 А и более).

Конструктивно к маломощным светодиодам относятся несколько групп LED-излучателей света:

• светодиоды в корпусах SMD обычные и сверхъяркие;
• диоды типа DIP в цилиндрических корпусах – для монтажа в отверстия печатных плат;
• в корпусах типа «пиранья» – для монтажа в отверстия.

Маломощные светодиоды в разных корпусах.

На картинке светодиоды сверху вниз:

1. В цилиндрических корпусах типа DIP – с гибкими проволочными выводами для пайки в отверстия платы.
2. В корпусах типа «пиранья», они же Superflux, пайка в отверстия.
3. В корпусах с планарными выводами для монтажа на контактные площадки одно- и двухсторонних печатных плат или в «колодцы» многослойных плат.

Характеристики СМД светодиодов

Каждый вид SMD светодиода характеризуется не только величиной излучения и количеством потребляемого тока, но и другими параметрами. Тип изделия определяет применение прибора и особенности монтажа.

Характеристики светодиода 3528

Как видно из таблицы, светодиод SMD 3528 бывает однокристальным и трехкристальным. В первом случае он может генерировать белый нейтральный и теплый свет, а также желтый, синий, зеленый и красный. Во втором подает сразу несколько цветов. Однокристальный вариант оборудован 2 выводами для подсоединения, а трехкристальный – 4 (1 катод и 3 анода). Чтобы предупредить влияние окружающей среды, кристаллы заливаются прозрачным компаундом. Материал может включать люминофор: так выравнивают цветовые показатели прибора.

Световой поток, который излучает прибор, невелик. Зато SMD 3528 обладает миниатюрными размерами и регенерирует разные цвета. Благодаря этому светодиоды используют в лентах подсветки и недорогих декоративных светильниках.

Характеристики светодиода 5050

Светодиод SMD 5050 может включать 3 или 4 кристалла. Для одноцветного светильника выбирают одинаковые или близкие по оттенку кристаллы. 5050 отличается более высокой яркостью – в 3 раза больше, чем 3528. В диодах предусмотрена такая же защита: прозрачный компаунд или люминофор.

Прибор отличается лучшим соотношением мощности и цены и обеспечивает любой цвет светового потока. Как правило, 5050 устанавливают на декоративные осветительные ленты – одноканальные, RGB, RGBW. Если увеличить плотность крепления – до 60 штук на 1 м, светодиодную ленту можно использовать не только как украшение, но и для освещения интерьерных элементов. Ленты оснащены контроллерами, что позволяет регулировать оттенок и интенсивность света.

Характеристики светодиода 5630

Элемент 5630 имеет только однокристальное исполнение, но отличается высокой мощностью: генерирует световой поток в 57 люменов. Цвет белый, с разной температурой: холодный, дневной, теплый. Прибор защищен 2 старисторами и может выдерживать импульс тока до 400 мА.

У светодиода 4 вывода, но работу элемента обеспечивает только 2. 2 других вместе с подложкой требуются для отвода тепла. Применяют диод при изготовлении мощных ламп и прожекторов.

Важно! Яркость диода зависит от температуры воздуха. При +85 градусов показатель падает на 25%.

Характеристики светодиода 5730

Однокристальный вариант обладает такой же мощностью, что и 5630, а вот трехкристальный SMD светодиод 5730 втрое мощнее: изучает свет яркостью до 158 люменов. Также предназначен для получения светового потока белого цвета, но с разной цветовой температурой.

Модификация отличается очень низким тепловым сопротивлением, что позволяет обойтись без двух дополнительных выводов, как в 5630. При этом она выдерживает также импульсный ток.

Элемент отличается высокой производительностью и используется также как и 5630 – при производстве мощных светодиодных светильников.

Характеристики светодиода 3014

Однокристальный элемент умеренной мощности – до 11 люменов, и очень небольших размеров. В качестве защиты используется компаунд. Светодиод генерирует белый свет – теплый, холодный, основные цвета, а также оранжевый. Эту относительно недавно появившуюся модификацию относят к категории слаботочных.

При монтаже изделия нужно учитывать его особенность: выводы у него нетипично длинные и достигают нижней части корпуса. Таким образом, улучшается теплоотвод.

Главное назначение 3014 – модули и ленты декоративной подсветки. Нередко диоды применяют при производстве автомобильных ламп и настольных приборов.

Характеристики светодиода 2835

Из всех типов SMD светодиодов модель является самой мощной: излучает примерно на 20% больше света, чем 5730. Так можно уменьшить энергопотребление. Однокристальный прибор производят в трех версиях разной мощности. Он излучает белый свет разной температуры. По размерам близок к элементу 3528, но имеет круглую линзу.

Этот вариант наиболее популярен, так как применяют его при изготовлении буквально любых осветительных приборов: ламп на улице, прожекторов, бытовых светодиодных светильников. А это означает большое количество подделок, где вместо одноваттного диода устанавливают элемент меньшей мощности.

Основные характеристики светодиодов

Для начала расскажем кратко, что такое светодиод. Это прибор, испускающий свет за счет полупроводниковых свойств использованных при его изготовлении материалов.

Чтобы правильно выбрать светодиодное устройство, нужно учитывать ряд характеристик:

• величина напряжения питания;
• размеры;
• мощность;
• угол излучения;
• срок деградации прибора;
• светоотдача;
• количество выводов;
• цветовая температура.

Сила тока на кристалле

Стандартная сила тока для светодиода составляет 0,02 Ампера. Однако встречаются и приборы, способные работать с мощностью в 0,08 А. Этот эффект достигается путем размещения 4х полупроводниковых кристаллов под одним корпусом. Так как каждый кристалл в отдельности работает с малой мощностью в 0,02 Ампера, прибор на 4х кристаллах будет потреблять 0,08 А.

Чтобы светодиод работал правильно, необходимо подавать на него ток равномерной величины. Даже если слегка повысить силу поступающего тока, заметным образом снизится интенсивность излучения. Это означает, что кристалл «стареет», то есть постепенно изнашивается и вскоре может выйти из строя.

При этом цветовая температура будет расти, что приведет к медленному перегреванию элемента. В итоге начнется постепенное изменение цвета освещения. Оно сместится к синей части спектра, а сам прибор раньше времени выйдет из строя.

Если же подать силу тока значительно выше необходимой, светодиод не выдержит нагрузки очень быстро. Это приведет к почти моментальному перегоранию осветительного прибора.

Напряжение

К диодам нельзя применить выражение «напряжения питания». Чтобы описать свойства прибора, следует пользоваться характеристикой «падения напряжения». Она описывает, какое напряжение формируется в светодиоде, когда через него пропускается номинальный электрический ток.

На упаковке к светодиодным приборам, в графе «напряжение» указывается именно эта характеристика. Зная ее, можно вывести, какое напряжение остается на кристалле. Его и учитывают при различных расчетах.

Для изготовления светодиодов могут быть использованы разные виды полупроводников. Напряжение тоже будет разниться в зависимости от вида примененного материала. Установить его примерное значение можно, обратив внимание на цвет кристалла. Полупроводник светится белым, зеленым или синим, если его напряжение составляет приблизительно 3 Вольт. В это же время, напряжение в красных и желтых кристаллах будет меньше. Оно составит от 1,8 до 2,4 Вольт.

Параллельное подключение приборов с одним и тем же номиналом, при напряжении 2 Вольт, может вывести светодиоды из строя. Это происходит ввиду разброса параметров. Если увеличить напряжение всего на 0,1 Вольт, сила тока на светодиоде взлетит в 1,5 раза. Как результат, часть светодиодов перегорит. Оставшиеся приборы начнут работать чересчур тускло и неравномерно. Поэтому номинал светодиода всегда должен соответствовать величине тока, проходящего через устройство. К примеру, для фонариков напряжение питания не должно быть более 3,6-3,7 В.

Сопротивление диодов

Собственное, прямое сопротивление диода крайне мало. Чтобы справиться со внезапными скачками напряжения в сети и адаптировать прибор к различным источникам подключения, используются методы по ограничению потребляемого тока. В приборы типа LED встраиваются стабилизаторы токов, своеобразные драйверы. Их задача заключается в преобразовании электрического тока. Они приводят его к необходимой величине.

Если необходимо включить в сеть только один светодиод, это лучше сделать при помощи токоограничительного резистора. Чтобы подобрать правильный резистор, нужно определить, устройство с каким сопротивлением подойдет в этом конкретном случае. Расчет проводится на основе характеристик светодиода. Для проведения вычислений можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Светоотдача и угол свечения

Если нужно сравнить характеристики осветительных приборов между собой, следует учесть силу излучения. Диоды испускают от 1 до 5 люмен света при диаметре прибора в 5 мм. При этом лампа накаливания мощностью в 100 Ватт может испускать световой поток в 1000 люмен.

Однако лампа накаливания отдает в пространство рассеянный свет. В противоположность этому, излучение от светодиода всегда направленное. Каждый прибор имеет конкретный угол рассеивания.

Углы рассеивания могут варьироваться от 20 до 120 градусов. Самый яркий свет исходит от центра прибора. Уровень освещенности падает, по мере приближения к границам угла рассеивания.

Исходя из этих свойств, конструкция источника освещения подбирается с учетом следующих характеристик:

1. Светодиоды используют для направленного освещения конкретного места/объекта. Лампы с применением технологии LED потребляют мало мощности, поэтому их выгодно использовать в самых разнообразных сферах.
2. Для покрытия светом большого пространства, в конструкцию осветительного прибора включают рассеивающие линзы.

Цветовая температура – комфорт восприятия светового потока

Температура свечения измеряется в градусах Кельвина. Осветительные приборы разделяются по классам, в зависимости от температуры света и его цветовых характеристик.

Применение SMD светодиодов

Используют светодиодные лампы настолько широко, что перечислить все сферы применения невозможно.

Чаще всего приборы такого рода встречаются в следующих изделиях:

• карманные и тактические фонарики – здесь ставят светодиодные лампы в 6 вольт;
• лампы и поворотники на автомобилях;
• бытовые осветительные изделия разных видов;
• декоративная подсветка, монтируемая как внутри здания, так и снаружи, применяют кристаллы, генерирующие разный цвет;
• вывески, указатели, светофоры, рекламные щиты;
• необыкновенно популярны SMD светодиоды в ландшафтном дизайне, элементы не боятся вибрации и низкой температуры, что позволяет организовать самые интересные варианты подсветки;
• слаботочные модификации активно используют для индикации.

В каждом случае подбирают диоды необходимой мощности. При этом учитывают цвет светового потока.

Применение светодиодов

Благодаря широкому спектру преимуществ, светодиодные источники излучения нашли применения в разнообразных областях. Основными направлениями использования LED являются:

• Исторически первой областью применения светодиодов было приборостроение. Именно здесь светодиоды стали массово применяться в качестве устройств индикации. Индикаторами могут быть как одиночные LED (например, индикатор включения в сеть), так и собранные в различные табло (цифровые, цифро-буквенные).
• В последние десятилетия стали широко использоваться так называемые светодиодные кластеры. По сути это массив светодиодов, находящихся под общим цифровым (как правило) управлением. Обывателю такие кластеры знакомы в виде бегущих строк, больших экранов, размещаемых на улицах городов.
• Также светодиоды обеспечивают подсветку жидкокристаллических экранов мобильных устройств, телевизоров и мониторов персональных компьютеров и ноутбуков.
• Мощные и сверхмощные светодиоды нашли своё применение в фонарях уличного освещения, а также в современных светофорах. Применение LED излучателей в светофорах крупных городов не только способствует оптимизации потребления электроэнергии, но и за счет высокой светоотдачи и цветопередачи способствует снижению аварийности на дорогах.
• Повышению безопасности на дорогах способствует и внедрение принципиально новых элементов дорожной обстановки: дорожных знаков на основе светодиодов. Такие знаки прекрасно видны в любое время суток и практически в любую погоду.
• В последние годы светодиоды получили широкое распространение в качестве основных источников промышленного и бытового освещения. Светильники на основе LED, а также светодиодные ленты уверенно вытесняют с рынка другие виды источников света. В первую очередь это происходит за счет лавинообразного снижения цен на светодиоды в последнее время, а также благодаря появлению множества локальных производителей достаточно качественной светодиодной продукции.
• Использование LED технологий в растениеводстве позволяет создавать узкоспециализированные источники освещения (фитолампы) с особым спектром излучения, обеспечивающим максимальную эффективность процесса фотосинтеза в листьях сельскохозяйственных растений. Применение подобных приборов особенно перспективно на территориях с северным климатом.
• Стремительное развитие информационных технологий также обуславливает значительный спрос на светодиодную продукцию. Использование LED в качестве легкодоступных источников модулированного электромагнитного излучения широко распространено при создании систем передачи информации по оптическим волокнам.
• Заняли свою нишу светодиоды и в сфере дизайна в виде цветных светодиодных лент, гибких шнуров дюралайт, светодиодных гирлянд. С их помощью оформляются как интерьеры жилых помещений, так и архитектурные и арт-объекты, а также концертные и выставочные залы, бары, дискотеки, ночные клубы.
• Дешевизна и чарующая привлекательность LED привела к их повсеместному использованию в игрушках, детских играх, различных USB-устройствах.
• Менее известно, но от того не менее широко распространено использование светодиодов в оптронах, позволяющих создавать разнообразные детекторы наличия, дискретные спидометры, детекторы начала и конца, а также устройства передачи сигнала без передачи электрического напряжения.

  
  Устройство и обозначение оптрона (оптопары)

Требования к подключению

Устанавливать диоды можно на любой поверхности: на бетонном потолке, оклеенном обоями, на пластиковой панели, рядом с натяжными пленками. Благодаря хорошему теплоотводу исключается возможность повредить материал. Но хотя монтаж приборов весьма прост по сравнению с выводными, установка требует выполнения нескольких рекомендаций:

• чтобы подключить изделие к источнику питания, нужно использовать драйвер, в противном случае светодиод может выйти из строя или работать в некорректном режиме;
• если используют только 1 резистор, элементы следует соединять последовательно, чтобы избежать разброса параметров;
• запрещается соединять последовательно диоды с разными показателями по рабочему току, в этом случае часть элементов будет светить тускло;
• при слишком высоком токе светодиод перегревается и перегорает, соответственно, допускается установка резистора только с достаточным сопротивлением.

Если предполагается монтаж садовой подсветки, следует выбирать изделия, защищенные от действия влаги и пыли.