Технические характеристики светодиодов. Сравнительные таблицы.

Светодиоды вытеснили обычные электролампы из нашего повседневного обихода. Сегодня светоизлучающие диоды применяются повсеместно, от обычного фонарика до светильников и прожекторов. Пользователи светодиодной продукции мало знают про ее особенности и постоянно задают вопросы специалистам . Очень часто нас спрашивают: какие типы светодиодов выпускаются, как определить маркировку светодиода, как определить характеристики светоизлучающего диода.

Эта статья отвечает на популярные вопросы наших покупателей, раскрывает все секреты smd-светодиодов, рассказывает о критериях выбора светодиодных излучателей по маркировке и параметрам. Вам будет интересно узнать, что зачастую достаточно обычной линейки, чтобы найти всю нужную информацию про изделие.

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».

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Принцип работы или что обеспечивает свет

Подключая к p-n переходу постоянное напряжение определенной величины и полярности, вызывают в переходе электрический ток в виде встречного потока носителей электрического заряда — «дырок» – положительных «частиц» и электронов – отрицательных. При встрече этих потоков в p-n-переходе происходит их рекомбинация или слияние. В «дырку» попадает свободный электрон с повышенной энергией, и она исчезает.

Схема работы светодиода.

Справа n-полупроводниковая часть кристалла, «обогащенная» свободными электронами, слева – p-полупроводниковая часть с положительными «частицами» – «дырками».

Энергия высвобождается в виде квантов света. Они эмиттируются, т.е. излучаются из торца кристалла. Поток квантов попадает на отражатель. Его полированная поверхность отражает свет в нужном направлении. Особой конфигурацией поверхности формируют требуемую диаграмму направленности светового потока.

Схема получения света в p-n-переходе.

Напряжение для питания перехода прикладывается «+» – к аноду диода, который на электрических схемах изображается треугольником, а «-» – к катоду, изображаемому поперечной черточкой.

Конструкция светодиода

Конструкция светодиода в вертикальном разрезе.

Сиреневым цветом изображена теплоотводящая подложка. Серыми трапециями – сечения светоотражающего рефлектора-отражателя кольцевой конфигурации из алюминия. В центре голубой – чип-кристалл светодиода с подключенными золотыми или серебряными проволочками, подпаянными к выводам анода и катода.

Достоинства и недостатки

Светодиоды – СИД (светоизлучающий диод) или LED, от английского Light Emitting Diode – как источники электрического искусственного света обладают множеством достоинств. По сравнению с традиционными лампами накаливания ЛН, в т.ч. и галогенными, они более энергоэффективны. Это подтверждается таким параметром, как светоотдача. Например, светоотдача, т.е. отношение количества света, которое выдает источник света к потребленной мощности у разных источников имеет такие значения, в Лм/Вт:

• у обычных ламп накаливания – от 4-5 до 12-13;
• у галогенных – от 14 до 17-18;
• у люминесцентных – от 45-50 до 70;
• у разрядных металлогалогенных – от 75-80 до 100-105;
• у светодиодов и мощных разрядных натриевых ламп – около 110-115;
• у перспективных светодиодов – около 250-270.

К другим достоинствам относятся:

• длительный срок эксплуатации, который больше номинального срока службы ламп накаливания в 10-100 раз;
• к.п.д. значительно больший, чем у других источников света;
• высочайшая надежность обеспечена механической прочностью твердотельного кристалла, пайкой по большим плоскостям контактных площадок, небольшими размерами и массой корпуса приборов и пр.;
• электрическая безопасность – рабочее напряжение не превышает 12-18 В и только некоторые светодиодные изделия питаются от сети 230 В напрямую;
• безопасность для здоровья человека и природы – материалы, используемые в конструкции нейтральны или малоопасны, в то время в других энергоэффективных источниках света – разрядных лампах, люминесцентных трубчатых, компактных, индукционных и т.п. используется ртуть – материал 1-й группы опасности, который имеет свойства накапливаться в организме человека и животных;
• достаточно высокое качество света: разная цветовая температура, точное цветовоспроизведение, малый уровень пульсаций светового потока и т.п.;
• работа в разных климатических условиях: при высокой влажности и запыленности воздуха, при температуре минус 50-60℃;
• мгновенный выход на рабочий режим. Разрядным лампам на это требуется от 30 сек до нескольких минут;
• неограниченное число включений. Люминесцентные источники света имеют от 7-8 до 20-25 тыс. включений;
• высокая стабильность параметров во времени.

Тематическое видео

Белые светодиоды с трехкомпонентным люминофором имеют в спектре излучения 3-5 спектральных линий, а современные газоразрядные лампы – 2-3. Поэтому светодиоды имеют более высокий коэффициент цветопередачи, чем люминесцентные лампы.

Но светодиоды имеют и недостатки:

• ограничение по верхней рабочей температуре, не превышающей 80-100℃;
• высокая стоимость, но она компенсируется длительной работой и минимумом техобслуживания.

У некоторых разновидностей светодиодов при производстве обеспечивают нужный оттенок белого света – от супертеплого до очень холодного, или практически любой цвет. Регулируемые светодиоды – RGB-триады, тройки разноцветных кристаллов в одном корпусе, позволяют получить любой белый или цветовой оттенок. В светильниках, лентах и линейках, модулях на светодиодной основе эти возможности еще больше.

Максимальная рабочая температура

Рабочая температура — одна из важнейших характеристик светодиода. При работе выделяется большое количество тепла, переизбыток которого может привести для начала к падению интенсивности светоизлучения, а в дальнейшем и к полной порче светодиода. Некоторые сверхяркие кристаллы способны разогреваться до температуры 150˚ С.

Производители ввели понятие «максимальная рабочая температура» для определения пределов температурного режима, в котором работа лед источника будет оптимальной. Значение допустимой температуры обозначаются в общих паспортных данных.

Для борьбы с избыточной температурой применяются алюминиевые и медные термоотводящие радиаторы. Маломощные SMD светодиоды монтируются на плату (подложку), которая также выступает и в роли охладителя. Для улучшенной теплоотдачи место соединения светодиода и радиатора смазывается термопастой.

Классификация

Светодиоды – устройства довольно «молодые». Их окончательная классификация еще не сложилась. Поэтому многие известные производители используют собственные системы видов и типов.

По одной из них светодиоды по назначению группируют так:

1. Индикаторные.
2. Осветительные.

Индикаторные в своей группе делятся на следующие виды.

DIP-диоды

Аббревиатура получена от Dual In-line Package или «двойное размещение в линию». Обычно корпусы – цилиндры, но есть и параллелепипеды. На нижнем торце проволочные аксиальные выводы, параллельные основной оси симметрии корпуса. Вывод катода меньшей длины, чем анода.

ДИП-светодиод над печатной платой, видна пайка в металлизованные отверстия.

Деление на типы – по диаметру корпуса и линзе на верхнем торце. Диаметры от 2-3 до 20 мм и более. Цвет свечения – любой, белых оттенков несколько.

Один из типов – мигающий 2-мя цветами, имеет 3 вывода.

Диоды Straw Hat

Дословный перевод – соломенная шляпа или брыль. Применяя к светодиодам – корпус похож на шляпу с округлым верхом.

Вариант ДИП-светодиода под названием Straw Hat или «соломенная шляпа».

Видны выводы разной длины, короткий – катод. Видны и ограничители высоты установки. Под линзой – кристалл с желтым люминофором.

Super Flux “Piranha”

Прямой перевод – сверхпоток. Piranha – перевод на русский язык – пиранья. Название светодиод получил из-за особенностей металлических выводов в виде узких полосок. Для упрощения установки в отверстия печатной платы у концов выводов при штамповке срезали углы. Так получились острые «зубы» хищной рыбы.

На выводе отштампованы «плечики» – ограничители, задающие высоту корпуса над платой. Так открыли корпус для охлаждения воздухом снизу. Кристаллы для пассивного охлаждения разместили на верхних торцах выводов.

Разместив в корпусе 2 или 3 чипа, увеличили поток света. А диод попал в группу сверхъярких.

Светодиод вида «пиранья» в прозрачном корпусе.

Виден кристалл, «накрытый» линзой и зауженные выводы-формирователи высоты установки.

SMD-светодиоды

Аббревиатура от Surface Mounted Device, перевод с английского – устройство, установленное на поверхность. Имеют вид прямоугольных корпусов из пластика или керамики. Выводы – снизу и на боковой части корпуса в виде контактных площадок.

Чаще всего – осветительные, но при малой мощности могут быть и индикаторными. Мощности от мВт (милливатт) до Вт. Свечение – любой цвет или оттенок белого света.

Область применения

SMD LED используют везде, где нужно что-то осветить, подсветить или попросту украсить. Они стали базовым элементом в лампочках общего освещения, в индикаторных панелях и ЖК-телевизорах, в системах аварийного освещения. Самым популярным товаром, собранным на SMD светодиодах по-прежнему остаётся светодиодная лента, а также её модификации в виде линеек и модулей.
В новой вариации многоцветные ленты конструируют на группах, которые состоят из четырёх мощных светодиодов разного цвета «R+G+B+W». В сумме их светоотдача намного больше, чем у привычных светодиодов SMD 5050, а наличие независимого white LED расширяет световые оттенки.

Характеристики светодиодов

Светодиоды описываются множеством характеристик и параметров. Важнейшие из них:

• сила света и энергетическая эффективность – Лм и Лм/Вт;
• угол расхождения светового потока по уровням 0,5 или 0,7, градусы – у обычных от 120 до 140 град., у индикаторных моделей – от 15 до 45 град.;
• мощность, потребляемая при работе, Вт – малая – до 0,5, средняя – 0,5-3, большая – более 3;
• рабочий ток через диод, мА или А;
• цвет или оттенок белого света, цветовая температура, градусы Кельвина, К – от 2000-2500 К – теплый белый и до 6500-9500 К – белый холодный.

Есть и другие характеристики, но они используются реже. Например, вольт-амперная характеристика, ВАХ светодиода – кривая зависимости тока через переход от приложенного к нему рабочего напряжения. Применяется при электрических расчетах режима работы светодиода.

Размеры светодиодов

Размеры светодиода определяются габаритами его корпуса. Для корпусов SMD – длина, ширина, толщина. Первые две величины заложены в обозначении, например, SMD2835, где две пары цифр – это 2,8 мм – ширина и 3,5 мм – длина. Толщину корпуса нужно брать из описания или паспорта на диод.

Для цилиндрических DIP-диодов важные характеристики – диаметр корпуса и его высота с линзой. При этом нужно учесть длину проволочных выводов и рекомендации производителя по их изгибу перед монтажом.

Длина волны светодиода

Такая характеристика светодиодов, как длина волны используется очень редко. Чаще называют цвет свечения.

Оттенок цвета	Длина волны, нм
Инфракрасный (невидимый)	760-880
красный	620-760
оранжевый	585-620
желтый	575-585
желто-зеленый	555-575
зеленый	510-555
голубой	480-510
синий	450-480
фиолетовый	390-450
Ультрафиолетовый (невидимый)	10-390

Длина волны свечения диода измеряется в нанометрах – нм. В паспортных данных изделия она указывается не всегда.

Размер кристалла

В общих характеристиках светоизлучающих диодов можно встретить значение размера кристалла. Эта величина измеряется в Милах (mil), 1 mil соответствует 0,0254 мм. Стандартные размеры квадрата кристалла 24×24, 24×40, 35×35 и 40×40 mil. Считается, чем больше его площадь, тем больше потребляемая мощность, при этом снижается нагрев при работе и увеличивается предел перегрузки. Для сравнения размеры 40×40mil соответствуют 1,143 × 1,143 мм и потребляют около 1 Вт.

Естественно, большое значение имеет материал для изготовления и условия, при которых кристалл выращивался. Также значение имеет качество калибровки. Это к тому, что себе дешевле приобретать светодиоды известных брендов, показатели многих китайских лед источников света завышены.

Недобросовестные продавцы зачастую заявляют повышенную мощность. Обратив внимание на размеры кристалла, можно предостеречь себя от приобретения подделки.

Цветовая маркировка

У каждого производителя собственная маркировка светодиодов. Например, в обозначении светодиода – LED-WW-SMD5050 его буквенные и цифровые элементы имеют расшифровку:

• LED – светодиод;
• WW – цвет свечения Warm White – белый теплый 2700-3500 K;
• SMD – корпус для поверхностного монтажа;
• 5050 – размеры корпуса в десятых долях миллиметра – 5,0×5,0.

Варианты аббревиатур оттенков белого света:

• DW – Day White – белый дневной (4000-5000 K);
• W – White, белый чистый (6000-8000 K);
• CW или WC – Cool White – белый холодный (8000-10 000 K);
• WSC – White Super Cool – белый суперхолодный , цветовая температура 15 000 К с характерным синеватым оттенком;
• NW – Neutral White – нейтральный белый – 5000 K.

Есть и другие обозначения светодиодов и цветов, система пока окончательно не стандартизована, поэтому производители используют разные числовые значения и названия оттенков белого света.

CRI (индекс цветопередачи)

Для более ясного понимания этой характеристики, целесообразно ознакомиться с принципами восприятия цветов человеческим глазом. Белый свет включает в себя весь спектр. Попадая на окружающие нас предметы, отражается только та часть спектра, которая соответствует цвету предмета. Естественно, источник с искаженным спектром будет искажать человеческое цветовосприятие.

Для определения степени достоверности передачи цветов при освещении искусственным источником был разработан индекс цветопередачи (CRI). Степени значений индекса цветопередачи расположены в границах 0 – 100. Показатель 100 соответствует солнечному свету и является сравнительным эталоном.

Полноценный индекс CRI, при котором искажение будет минимальным, не должен быть ниже значения 90.

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.

Цвет свечения	Напряжение рабочее, прямое, В
белый	3,5
красный	1,63–2,03
оранжевый	2,03–2,1
желтый	2,1–2,18
зеленый	1,9–4,0
синий	2,48–3,7
фиолетовый	2,76–4
инфракрасный	до 1,9
ультрафиолетовый	3,1–4,4

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.

Разновидности светоизлучающих диодов

В основе работы LED-приборов лежит процесс пропускания фотонов через полупроводниковый кристаллик. Именно от применяемого материала зависит цвет возникающего свечения. Совсем не светофильтры делают свечение красным или синим.

Увеличения интенсивности светового излучения добиваются с помощью специальных присадок или способом создания нескольких слоев — внутрь помещают нитрид алюминия.

Цвет свечения светодиодов зависит от материала кристалла

Светодиоды делят на две группы по способу применения:

• Индикация и декорация. К этой категории относятся цветные светодиоды. Их помещают в просвечивающийся корпус. Для управления техникой на расстоянии применяют модели с инфракрасными индикаторами.
• Освещение. В этом случае используют LED-источники белого свечения. Соответственно потребностям подбирают теплые или холодные оттенки.

По способу монтажа выделяют осветительные светодиоды:

• SMD. При такой модификации кристаллик расположен на специальной подложке, которая помещается в корпус. Контакты соединяются. При поломке одного кристаллика его заменяют, восстанавливая работу всей системы.

• ОСВ. В таком устройстве множество кристаллов размещены на одной плате. Все они покрытых люминофором. Степень свечения таких ламп высокая, а производство недорогое. Систему придется заменить полностью даже при выходе из строя всего одного светодиода.

Источник: furnilux.ru