Что такое светодиод (устройство, параметры, маркировка)

Принцип работы и устройство световых диодов

Светодиоды отличает от привычных осветительных приборов отсутствие в нем нити накала, хрупкой колбы и газа в ней. Это принципиально отличный от них элемент. Говоря научным языком, свечение создается за счет наличия в нем материалов р- и n-типа. Первые накапливают положительный заряд, а вторые – отрицательный. Материалы р-типа накапливают в себе электроны, в то время, как в n-типе образуются дырки (места, где электроны отсутствуют). В момент появления на контактах электрического заряда они устремляются к р-n-переходу, где каждый электрон инжектируется именно в р-тип. Со стороны обратного, отрицательного контакта n-типа в результате подобного движения и возникает свечение. Оно обусловлено выделением фотонов. При этом не все фотоны излучают видимый человеческим глазом свет. Сила, которая заставляет двигаться электроны, называется током светодиода.

Эта информация ни к чему обычному обывателю. Достаточно знать, что светодиод имеет прочный корпус и контакты, которых может быть от 2-х до 4-х, а также то, что каждый светодиод имеет свое номинальное напряжение, необходимое для свечения.

Устройство светового диода с пояснениями
Полезно знать! Подключение производится всегда в одинаковом порядке. Это значит, что если к контакту «-» на элементе подключить «+», то свечения не будет – материалы р-типа просто не смогут зарядиться, а значит не будет и движения к переходу.

Достоинства и недостатки

Преимущества устройства:

  • Инфракрасная подсветка обеспечивает наблюдение за комнатой, домом и территорией целого участка ночью.
  • Корректирует качество изображения при плохом освещении, улучшает детализацию.
  • Подсветка уменьшает расход энергии. Освещение двора мощными прожекторами обходится заметно дороже, чем установка ИК-светильников и наблюдение в инфракрасном излучении.
  • Светодиодные устройства долго служат.

Есть и недостатки:

  • изображение только черно-белое вне зависимости от того, какая камера установлена;
  • в ламповом прожекторе приходится часто менять лампочки;
  • стекла рассеивателя нужно часто чистить.

Виды и характеристики светодиодов.

Светоизлучающие диоды различают по конструкции корпуса:

  1. DIP – маломощные индикаторные цилиндрические элементы. Востребованы для подсветок экранов, индикации, световых гирлянд.
  2. «Пиранья» — четырехконтактный DIP. Они крепче держатся на своем месте и меньше греются. Востребованы в автомобильной промышленности для подсветок.
  3. SMD – внешне выглядит, как параллелепипед. За счет своей надежности и универсальности востребованы во многих отраслях светотехнической промышленности.
  4. PCB Star светодиоды. Разновидность SMD.
  5. СОВ – плоский SMD. Новейший тип.

Независимо от исполнения корпуса выделяют светодиоды:

  1. Двухцветные. Они излучают одновременно два цвета. Обладают тремя контактами, один из которых общий.
  2. Полноцветные RGB (красный-зеленый-синий). Изготавливаются из трех полупроводниковых кристаллов под общей линзой, обладают четырьмя электродами. По одному выводу для каждого полупроводникового элемента и один общий вывод. В SMD у прибора будет шесть выводов.

Пропорциональное смешение цветов дает всевозможные оттенки света. Например, при включении на 100% красного и зеленого получится желтый.

  1. Адресные светодиоды − разновидность полноцветных. Отличаются от обычных RGB тем, что включаются по собственному индивидуальному коду. Востребован в лентах, где на адресном светодиоде можно задать неповторяющийся цветовой оттенок. При этом led-диод обладает собственным адресом, на который поступают команды от специального управляющего драйвера. Управление цветами происходит через микрочипы, которые встраиваются рядом с адресными светодиодами.
  2. Сверхмощные (сверхяркие) светодиоды – элементы мощностью выше 1 Вт с силой тока от 300 мА. (Мощность обычных светодиодов измеряется чаще всего в милливаттах). Такие устройства светят очень ярким светом. Используются в фонариках, фарах, прожекторах и т.п.

Также led-элементы подразделяются на:

  1. Индикаторные — маломощные.
  2. Осветительные — приборы большой мощности.
  3. Инфракрасные – излучают невидимый человеческому глазу инфракрасный спектр.

Инфракрасные диоды. Благодаря специально подобранным материалам проводников они испускают невидимые глазу инфракрасные лучи. Они безвредны для живых существ, но заметны для электронных систем регистрации. Востребованы во многих технических устройствах  и станках во всевозможных отраслях промышленности.

Индикаторные led-диоды. Выступают в роли индикаторов для техники,  подсветок дисплеев и т.п. Их делят по типу используемых полупроводников на:

  • двойные – светят зеленым и оранжевым;
  • тройные – светят желтым и оранжевым;
  • тройные – светят красным и желто-зеленым.

Независимо от вида светодиоды характеризуются некоторыми параметрами.

Цвет излучения. Обусловлен химическим составом полупроводников. Некоторые вещества и соответствующие им цвета обозначены в таблице.

Яркость. Она пропорциональна силе тока, текущей сквозь элемент. Среди led-диоды, которые светят белым светом, выделяют яркие (20-25 милликандел) и сверхяркие (свыше 20 тысяч милликандел).

Сила тока. Светодиоды весьма чувствительны к силе тока. При превышении ее значения выше номинального led может перегореть. Поэтому не рекомендуется превышать максимальный прямой ток элемента. Точные значения для конкретного светодиода приводятся в техническом описании.

Падение напряжения. Характеризует допустимую разницу между величинами входного и выходящего напряжения. У значения напряжения для светодиодов есть максимальное значение, превышение которого приведет к поломке led. Значения указываются в техническом описании.

Полярность. Поскольку ток в светодиоде течет только от p -слоя к n -слою, для предотвращения поломок стоит полярность. Обычно ее определяют по внешнему виду, маркировке или особым пометкам на корпусе. (Подробнее смотрите в статье «определение полярности»). Также узнать полярность можно из технической документации.

Угол рассеивания света. Определяется формой линзы, конструкцией кристалла и от используемых для изготовления кристалла веществ. Может меняться от 15 до 180 градусов.

Как проверить работоспособность

При работе с данным элементом электросхемы нужно знать, как проверить его работу. Так, как уже говорилось, визуально проверить наличие этого излучения можно с помощью видеокамер. Здесь можно оценивать работоспособность при помощи обычных видеокамер мобильных телефонов

Обратите внимание! Использование видеокамер является самым простым способом проверки

Такой ИК-элемент в дистанционном пульте проверяется легко, его просто следует направить на телевизор и нажать на кнопку. При исправности системы, диод вспыхнет и телевизор включится. А вот эмпирически проверить работоспособность подобного светодиода можно с помощью специального оборудования. Для этих целей подойдет тестер. Чтобы проверить светодиод, тестер следует подключить к его выводам и установить на пределе измерения mOm. После этого смотрим на него через камеру, к примеру через мобильный телефон. Если на экране виден луч света, значит все в порядке. Вот и вся проверка.

Область применения ИК диодов

На данный момент времени светодиоды инфракрасного спектра применяются в следующих областях:

  • в медицине. Такие элементы радиосхем служат качественным и эффективным источником для создания направленной подсветки разнообразного медицинского оборудования;
  • в охранных системах;
  • в системе передачи информации с помощью оптоволоконных кабелей. Благодаря своему особому строению данные изделия способны работать с многомодовым и одномодовым оптоволокном;
  • исследовательская и научная сферы. Подобная продукция востребована с процессах накачивания твердотельных лазеров в ходе научных исследованиях, а также подсветки;
  • военная промышленность. Здесь они имеют такое же широкое применение в качестве подсветки, как и в медицинской сфере.

Помимо этого, такие диоды встречаются в различном оборудовании:

устройства для дистанционного управления техникой;

ИК диод в пульте дистанционного управления

  • разнообразные контрольно-измерительные оптические приборы;
  • беспроводные линии связи;
  • коммутационные оптронные устройства.

Как видим, сфера применения данной продукции впечатляющая. Поэтому приобрести такие диодные комплектующие для своей домашней лаборатории можно без особых проблем, они в избытке продаются на рынке и в специализированных магазинах.

Осветительные светодиоды

Выбирая,
какие светодиоды самые яркие,
стоит остановиться на осветительных. Это сверхмощные
светодиоды с высокой интенсивностью излучения. Выпускаются исключительно
в белом цвете, тёплом и холодном, корпус предназначен для поверхностного
монтажа. Используются в лампах
и светодиодных лентах, фарах, фонарях и прочем, где необходимы мощные сверхъяркие светодиоды.

Не
существует естественных кристаллов, излучающих белый свет. Поэтому, чтобы
создать светодиоды белого свечения,
используются различные технологии, основанные на смешивании трёх основных
цветов (RGB). Цветовая температура определяется способом их сочетания.
Популярным методом является покрытие кристалла слоями люминофора, каждый из
которых отвечает за один из трёх базовых цветов. Другой способ заключается в
нанесении пары слоёв люминофора на голубой кристалл.

Можно выделить следующие
преимущества осветительных диодов:

  • различное цветовое свечение;
  • возможность выбора световой температуры;
  • энергосбережение, сокращающее расходы электричества;
  • малый коэффициент пульсации;
  • разнообразная
    рассеиваемая мощность.

Среди осветительных
выделяются следующие виды светодиодов:

Тип светодиода Строение Корпус Угол рассеяния Область применения
SMD Кристалл, покрытый люминофором, размещён на алюминиевой либо медной подложке, отводящей тепло В основном прямоугольный, с линзой или без 100-130о Переносные фонари, светодиодные лампы и ленты, фары авто
COB Большое количество светодиодов SMD в едином корпусе, покрытом люминофором Имеют вид матрицы, чаще всего прямоугольной до 180о Только для освещения без узконаправленного излучения
Filament Кристаллы покрыты люминофором и установлены на стеклянную подложку Цилиндрическая подложка 360о Декоративная подсветка помещений
PCB Star Один кристалл большой площадью на подложке из алюминия Подложка в форме шестерёнки или звезды 120о Мощные прожекторы и ручные фонари

Обратите внимание! Спектр свечения Filament намного приятнее для человеческого глаза, чем виды SMD и COB, и схож со светом ламп накаливания

Устройство и особенности ИК-светодиодов

Теоретически мы разобрались, чем отличаются инфракрасные светодиоды от обычных светоизлучающих. Но как это достигается на практике? Разберемся в принципе работы и тех, и других.

Некогерентные светодиоды

Конструктивно прибор представляет собой «слоеный пирог», состоящий из двух типов полупроводников: n и p. При прохождении тока через этот pn-переход отрицательный заряд электронов (n) соединяется с ионами положительно заряженных дырок (p). В этот момент выделяется энергия, и мы видим излучение света.


Принцип работы некогерентного светодиода

Но, как мы знаем, светодиоды могут светиться разным цветом, т. е. излучать волны разной длины – от ультрафиолета до инфракрасного спектра. Почему? На спектр излучения кристалла влияет тип материала, из которого он изготовлен. К примеру, светодиоды на основе нитрида алюминия работают в ультрафиолетовом спектре, фосфид галлия даст красный цвет, а приборы на основе арсенида галлия излучают в инфракрасном спектре.

Осталось разобраться, почему они называются некогерентными. Любой светодиод излучает волну не строго определенной частоты, а захватывает небольшой участок спектра. Участок этот не особенно велик и лежит в одном цветовом диапазоне, но он есть.

То есть если полупроводник светится, скажем, синим, то этот цвет не чисто синий с определенной, строго заданной длиной волны, а просто спектр излучения прибора лежит в синем диапазоне. К примеру, устройства на основе селенида цинка излучают волны длиной от 450 до 500 нм, но мы все равно видим синий цвет. Это хорошо видно по нижеприведенной таблице спектров.


Таблица цветовых спектров

То же касается светодиодов и другого цвета свечения, включая инфракрасные. Для того чтобы получить излучение строго заданной частоты, используется совершенно иной принцип, а сами приборы, которые так работают, получили название полупроводниковых лазеров.

Лазеры – когерентные светодиоды

Полупроводниковый лазер представляет собой все тот же «слоеный пирог», только размеры этого «пирога» имеет строго заданные параметры, совпадающие с длиной волны определенного спектра или кратные ей. При этом торцы кристалла отполированы до зеркального блеска, а нижняя и верхняя его части непрозрачны.

При подаче на кристалл напряжения происходит то же, что и в обычном светодиоде: он начинает излучать спектр волн, лежащих в некотором диапазоне. Излучение же, направленное внутрь, начинает отражаться от полированных стенок кристалла. Причем длина волны, на которую настроен кристалл, будет отражаться многократно, остальные частоты начнут затухать, накладываясь друг на друга в разных фазах.

Проходя вдоль кристалла, являющегося, по сути, резонатором, излучение определенной длины будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Эта фаза называется процессом накачки лазера. Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.


Принцип работы полупроводникового лазера

Основные характеристики

Рассмотрим технические характеристики ИК-подсветки:

  • длина волны (λ),
  • тип излучателя,
  • рефлектор (отражатель),
  • выходная мощность,
  • угол излучения,
  • рабочая дальность,
  • режимы,
  • питание,
  • время работы,
  • рабочая температура,
  • крепление,
  • габариты,
  • материал,
  • цвет,
  • вес.

На рис. 4 показаны основные детали камеры видеонаблюдения с внутренней инфракрасной подсветкой.

Рис. 4. Видеокамера для видеонаблюдения с ИК-подсветкой 

Для надёжной работы задан начальный диапазон частоты инфракрасного спектра, то есть после частоты красного цвета. Чёткой границы нет. Выбрано 4 диапазона:

  • 730–750 нм,
  • 830–850 нм,
  • 870–880 нм,
  • 930–950 нм.

В качестве источника излучения применяются ИК-светодиоды и лазерные инфракрасные диоды. Светодиоды излучают спектр частот, то есть создают мягкое излучение, а лазерные дают более жёсткое излучение. Выпускаются лазерные излучатели с внутренней оптической системой. Такие излучатели формируют узкий луч.

Рефлектор предназначен для образования светового пучка. Геометрический размер его представляет собой равнобедренный треугольник с вершиной у источника света. Угол раскрыва определяется на уровне 0,5 по оси. Средний угол раскрыва составляет 40–80 градусов (угловых)

Важно понимать, что с увеличением угла расхождения лучей расстояние подсветки уменьшается, а мощность прожектора в основном определяет не дальность, а площадь освещения. На рис. 5 показаны внешние подсветки разного вида

В дорогих моделях есть подстройка светового пятна. Рефлектор может быть как металлическим, так и пластмассовым и соответствовать требуемой жаропрочности. Инфракрасные диоды при работе нагреваются. Чем больше их мощность, тем больше нагрев. Поверхность рефлектора бывает текстурированная или гладкая. Спереди от рефлектора находится линза, которая защищает рефлектор и инфракрасный диод от окружающей среды. Изготавливается из стекла или пластмассы.

Мощность излучателей используется от милливатт до десятков ватт.

В пункте «режим» указаны возможные варианты работы. Например, в подсветке типа «хамелеон» возможны варианты:

  • строб;
  • маячок;
  • SOS;
  • регулировка излучения: высокое, среднее, низкое, минимальное;
  • дистанционное управление.

Для крепления ИК-фонарика к приборам ночного видения используют разнообразные типы приспособлений. Самые распространённые из них — рельсовые планки Weaver и Picatinny, переходники для штативного гнезда с резьбой ¼, стринги для шлема или головы, универсальное крепление под стрелковое оружие. Разница между планками будет в ширине прорези. У планки Вивера = 0,180″, а у Пикатинни = 0,206″, а между центрами – 0,394″ и глубина — 0,118″.

К корпусу предъявляются жёсткие требования. Он должен быть лёгким, ударопрочным, водонепроницаемым. Выдерживать отдачу ружья. В основном выполняется из анодированного высококачественного алюминиевого сплава, так как он работает в жёстких погодных условиях.

Преимущества и недостатки

К достоинствам можно отнести:

  • ИК-излучение безопасно для человека и окружающей среды.
  • Обеспечивает незаметное освещение охраняемого объекта.
  • Использование внешней подсветки улучшает качество изображения. Её можно располагать в любом удобном месте. Решает проблемы встроенной подсветки. Можно подбирать правильный угол освещения, выбирать прибор по мощности, дальности действия и площади покрытия.

К недостаткам относится изображение, которое получается чёрно-белым на цветной камере. Гладкие объекты (поверхность озёр или рек, стеклянные окна, кафель или глянцевая краска, снег, яркость заднего плана) отражают ИК-лучи и создают засвеченные пятна на изображении. Затрудняют видеоизображение также пыль, дождь, туман, летающие насекомые.

Производители ИК обогревателей

Среди иностранных исполнителей выделяются несколько компаний:

  • «STIEBEL ELTRON» — компания из Германии, производящая приборы высокого качества.
  • «FENIX TRADING» — Чешский производитель, занятый вопросами увеличения энергоэффективности продукции.
  • «AIR COMFORT» — итальянская компания, выпускает оборудование повышенной безопасности.
  • «FRICO» — Шведы, делают акцент на дизайне приборов.

Производители из России уступают по некоторым показателям качества, но не настолько, чтобы отказываться от приобретения обогревателей.

Главный недостаток отечественного производителя — характерное потрескивание при работе электроприбора, мешает во время ночного отдыха.

Типы светодиодов: особенности

Решая,
какие светодиоды лучше для освещения,
стоит учесть, что по величине светового потока сверхъяркий PCB Star лидирует, хоть и является разновидностью SMD диодов. Разница заключается в том, что он является точечным мощным
источником света, а не совокупностью кристаллов, что упрощает фокусировку. По
этой причине эти мощные сверхъяркие
светодиоды удобно применять для
фонаря.

Наиболее универсальными
являются SMD светодиоды. Можно
выделить следующие преимущества этого типа:

  • высокая энергоэффективность;
  • прочный полимерный корпус;
  • средняя стоимость;
  • ремонтопригодность;
  • длительный период эксплуатации;
  • хороший показатель охлаждаемости за счёт применения радиатора.

Данные светодиоды повышенной яркости имеют и
недостатки:

  • меньшая эффективная освещённость, чем у Filament;
  • неравномерное распределение светового потока в различных направлениях;
  • бьющий направленный свет.

Филаментные
приборы являются более технологичными. Такая модель представляет собой
стеклянную полоску, металлизированную с обеих сторон, за счёт чего подаётся
питание. Сверху на полоску приклеено некоторое количество светодиодов, покрытое люминофором. Полоски, несущие мощные светодиоды, помещаются в
стеклянную колбу, имеющую вид привычной лампочки с гелием. По сути филаментная
лампочка является COB диодом, помещённым в газовую среду.

К преимуществам Filament
диодов относится следующее:

  • равномерность светового потока в разных направлениях;
  • яркий свет, не «режущий» глаза;
  • высокая энергоэффективность;
  • длительный период эксплуатации;
  • привычный вид колбы;
  • возможность утилизации с бытовыми отходами.

Можно выделить и ряд
недостатков:

  • хрупкий стеклянный корпус;
  • высокая стоимость;
  • у дешёвых моделей – плохая охлаждаемость;
  • непригодность к ремонту.

Видео по теме (на примере сравнения лент SMD диодов 3528, 5050, 5630, 5730):

https://youtube.com/watch?v=qZATy7-hprE%3F

Если у вас остались вопросы после прочтения статьи «Сравнение светодиодов: виды, типы, классификация, характеристики и назначение», задайте их в комментарии, мы обязательно постараемся дополнить материал ответами на них.

Виды светодиодных источников света

В настоящее время выпускается большое количество разнообразных видов светодиодных ламп (светильников), которые можно классифицировать как:

  • В виде трубы – удобно использовать при выращивании растений в домашних условиях;
  • Одиночный точечный светильник – бывают различных конструкций, применяются для индивидуального использования;
  • Светодиодная панель – применяется для освещения большого количества растений, бывают прямоугольной формы;
  • Светодиодная лента – универсальна по использованию, проста в монтаже. При изготовлении светодиодных лент, используемых для освещения растений, количество синих светодиодов к красным, составляет 10/3, 15/5, 5/1, соответственно. В светодиодных фито лампах доля красного цвета составляет 60-80%, а синего – 40-20%. ;
  • Светодиодный прожектор – устройство для промышленного использования. Возможно освещение больших площадей с удаленного расстояния.

Светодиоды – это узконаправленные источники света, что обуславливает условия их установки. При монтаже светильников следует учитывать:

  1. Высоту растений;
  2. Расстановку растений (расстояние между ними).

Достоинства и недостатки ламп

Обогрев террариума

Плюсы

  • простота и удобство эксплуатации: достаточно вкрутить светильник в обычный патрон;
  • быстрый нагрев;
  • бесшумность;
  • безопасность и экологичность;
  • возможность точечного обогрева нужного предмета (например, замки машины зимой);
  • удобство для сезонного обогрева (например, балкона);
  • небольшие размеры.

Минусы

  • необходимость периодической замены ламп в ИК-обогревателе;
  • высокая цена электричества (в сравнении с газом и твердым топливом);
  • опасность повреждения стеклом при нарушении целостности стеклянной колбы;
  • хрупкость стеклянной колбы: для защиты используются металлические решетки.
  • сильный нагрев колбы во время работы.

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали

Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки

Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.

Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.

Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.

Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.

Инерционность:

Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки: