Светодиодное освещение

Параллельное включение

Светодиод (СД, LED ) — микроэлемент, работа которого зависит от многих параметров. Погрешности в микротехнологиях приводят к тому, что вольт-амперная характеристика каждого отдельного СД отличается. Поэтому порог срабатывания («включения») всех диодов одновременно различен. Это допускается стандартами качества и это необходимо учитывать при построении электросхем. Параллельное соединение светодиодов требует именно такой настройки для их одновременного срабатывания.

Схема параллельного подключения

На электросхеме видно, что для каждого СД выбирается свой резистор. При настройке резисторы R1-R6 регулируют работу всей системы. Порог срабатывания каждого диода лежит в пределах 2,5-3,0 Вольт, поэтому резисторы необходимо подбирать под каждый диод.

Положительным показателем является низковольтная характеристика. Уровень срабатывания одного LED составляет до 3,0 В, поэтому можно рассчитать весь световой узел на низкое напряжение.

Это качество используется в мини-приборах, когда важна миниатюризация и они собраны на аккумуляторных «таблетках». Подобные поделки широко выпускаются промышленностью и предназначены для небольших задач — местной подсветки, в рекламных целях и т.д.

Преимущества и недостатки

Преимуществами параллельного подключения СД являются: низкое напряжение питания схемы, что дает возможность построения миниатюрных приборов; высокая «живучесть» системы, так как каждый диод подключен напрямую к источнику тока. Недостатками – необходимость настройки каждого СД, что ведет к увеличению числа элементов (резисторов); необходимость отдельного источника тока (или драйвера) при использовании электросетей общего назначения.

Полярность светодиодов

Полярность светодиодов

При неправильном включении светодиод может сломаться

Поэтому важно уметь определять полярность источника света.  Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении. . Полярность моно определить несколькими способами:

Полярность моно определить несколькими способами:

• Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа  SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска. 
• При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении. 

• При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится. 
• По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов. 

Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента. 

Индикаторные и осветительные LED

Чтобы яснее представлять, какие бывают светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.

Индикаторные используются в основном в целях цветовой индикации, а также при подсветке дисплеев, приборных панелей и других приборов. То есть это светодиоды сравнительно небольшой мощности (до 0.2 Вт) с умеренной яркостью.

Осветительные LED используются при освещении помещений в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется получить высокую интенсивность свечения. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.

Что такое светодиод простыми словами

Светодиод – это полупроводниковое устройство, создающее излучение при прохождении через него электрического тока. Из чего состоит светодиод: из кристалла, заключенного в защитный корпус с выводами. Кристалл расположен на непроводящей подложке и излучает определенный цвет. Для получения нужного свечения используются химические составы из различных полупроводников и люминофоры.

Кристалл состоит из двух и более полупроводников разного типа проводимости. Принцип работы светодиода следующий – в прямом направлении через него пропускают электрический ток. В электронно-дырочном переходе на границе двух веществ происходит движение электронов и дырок, в результате чего выделяется энергия в виде кванта света и прибор начинает светить.

Преимущества:

• высокая светоотдача;
• высокая механическая прочность и виброустойчивость;
• долгий срок работы;
• малый нагрев;
• от количества циклов включения-выключения не зависит срок работы;
• различный спектр белых светодиодов – от 2700 К до 6500 К;
• спектральная чистота, полученная благодаря принципу устройства;
• отсутствует задержка при включении;
• широкий диапазон углов излучения (от 15 градусов до 180 градусов);
• электрическая безопасность, так как не требуются высокие напряжения;
• отсутствие чувствительности к низким температурам;
• надежность;
• разнообразие форм;
• экономичность;
• экологичность, ввиду отсутствия в конструкции светодиода ртути и других вредных компонентов в составе светоизлучающего диода.

Недостатки:

• нельзя допускать работы при высоких температурах – кристалл начинает деградировать;
• высокая стоимость готового изделия.

Применение:

• уличное, домашнее и производственное освещение;
• индикация;
• уличная реклама, бегущие строки;
• фонари и светофоры;
• подсветка экранов телефона, телевизора, компьютера и других жидкокристаллических дисплеев;
• игрушки, значки и другие развлекательные элементы;
• диодные дорожные знаки;
• световые шнуры Дюралайт;
• в фитолампах.

Осветительный прибор на основе светодиодов состоит из:

• излучающего диода;
• драйвера;
• цоколя;
• корпуса.

Из крупных производителей светодиодов можно выделить японскую фирму Nichia Corporation и ее подразделение Nichia Chemical. Они являются лидерами по изготовлению сверхъярких диодов синего, белого и зеленого цвета. Также изготовлением излучающих диодов занимаются компании Phillips, Cree, Seoul Semiconduction из российских можно выделить Оптоган и Светлана-Оптоэлектроника.

В Nichia Chemical впервые разработали белый и синий светодиод.

Что можно сделать из светодиодов своими руками?

Это вопрос очень интересный. И если отвечать на него развернуто, то на это уйдет очень много времени. Наиболее частое применение световых диодов – это подсветка подвесных и натяжных потолков, рабочей зоны на кухне или даже клавиатуры компьютера.

Мнение эксперта
Игорь Мармазов
Инженер-проектировщик ЭС, ЭМ, ЭО (электроснабжение, электрооборудование, внутреннее освещение) ООО «АСП Северо-Запад»

“Для работы таких элементов необходим стабилизатор питания или контроллер. Его можно взять даже со старой китайской гирлянды. Многие «умельцы» пишут, что достаточно обычного понижающего трансформатора, но это не так. В этом случае диоды будут моргать.”

Стабилизатор для диодных ламп – подобный можно спаять самостоятельно

Стабилизатор тока – какую функцию он выполняет

Стабилизатор для светодиодов – это источник питания, который понижает напряжение и выравнивает ток. Другими словами, создает условия для нормальной работы элементов. При этом он защищает от повышения или падения напряжения на светодиодах. Существуют стабилизаторы, которые могут не только регулировать напряжение, обеспечивая плавное затухание световых элементов, но и управлять режимами цвета или мерцания. Они называются контроллерами. Подобные устройства можно увидеть на гирляндах. Так же они продаются в магазинах электротехники для коммутации с RGB-лентами. Такие контроллеры оснащаются пультами дистанционного управления.

Схема такого устройства не сложна, и при желании простейший стабилизатор можно изготовить и своими руками. Для этого понадобятся лишь небольшие знания в радиоэлектронике и умение держать в руках паяльник.

Схема подключения дневных ходовых огней на автомобиле

Дневные ходовые огни на автомобиль

Применение световых диодов в автомобильной промышленности довольно распространено. К примеру, ДХО изготавливаются исключительно с их помощью. Но если авто не оснащено ходовыми огнями, то их приобретение может ударить по карману. Многие автолюбители обходятся дешевой светодиодной лентой, но это не очень удачная мысль. Особенно, если сила ее светового потока невелика. Неплохим выходом может стать приобретение самоклеящейся ленты на диодах «Cree».

Вполне можно сделать ДХО и при помощи уже вышедших из строя, поместив внутрь старых корпусов новые, мощные диоды.

Важно! Дневные ходовые огни созданы именно для того, чтобы авто было заметно днем, а не ночью. Нет смысла проверять, как они будут светить, в темное время суток

ДХО должны быть заметны при свете солнца.
Такую рекламу легко можно сделать самостоятельно

Мигающие светодиоды – для чего это нужно?

Неплохим вариантом использования подобных элементов станет рекламное табло. Но если оно будет статично светиться, то это не привлечет должного внимания. Основной задачей является сборка и спайка щита – для этого нужны некоторые навыки, приобрести которые несложно. После сборки можно вмонтировать контроллер от той же гирлянды

В результате получается мигающая реклама, которая явно привлечет внимание

Цветомузыка на световых диодах – сложно ли ее сделать

Это работа уже не для новичков. Для того, чтобы собрать полноценную цветомузыку своими руками нужен не только точный расчет элементов, но и знания радиоэлектроники. Но все же простейший ее вариант вполне по силам каждому.

Простейшая цветомузыка – осталось подключить датчик звука

В магазинах радиоэлектроники всегда можно найти датчик звука, да и во многих современных выключателях он есть (свет по хлопку). Если у Вас есть светодиодная лента и стабилизатор, то пустив с блока питания «+» на полосу через подобную хлопушку можно добиться желаемого результата.

Индикатор напряжения: что делать, если он перегорел

Современные индикаторные отвертки состоят как раз из светового диода и сопротивлений с изолятором. Чаще всего это эбонитовая вставка. При перегорании элемента внутри его вполне можно заменить на новый. А цвет уже будет выбирать сам умелец.

Этот диод можно с легкостью заменить при желании

Еще один из вариантов – это изготовление прозвонки цепи. Для этого понадобится 2 пальчиковых батарейки, провода и световой диод. Соединив элементы питания последовательно, одну их ножек элемента припаиваем к плюсу батареи. Провода будут идти от другой ножки и от минуса батареи. В итоге при замыкании диод засветится (если полярность не перепутать).

Что такое COB-светодиод

С тех пор, как появились SMD-светодиоды, инженерная мысль не стояла на месте. Разработчики многих производителей решали задачи уменьшения размеров осветительной аппаратуры, увеличения светоотдачи, упрощения и удешевления технологии монтажа, сборки и т.д. Сейчас трудно установить, кому первому пришла в голову идея не заключать каждый p-n переход в отдельный корпус, покрытый люминофором, а поместить несколько арсенид-галлиевых кристаллов в одну оболочку. Но первый образец такой продукции появился на рынке в 2003 году от фирмы Citizen Electronics.

Идея оказалась прорывной. Помимо решения упомянутых задач, появилась возможность сконцентрировать излучающие элементы на относительно малой площади и получить меньшее рассеяние света. Такая технология получила наименование COB – chip-on-board, «чип на плате». Возможно, более верным переводом была бы фраза «элемент на плате» или «кристалл на плате».

COB-сборки различной формы.

Долгое время выпуск матриц, изготовленных по такому принципу, сдерживала сложность наклейки светодиодов на подложку. Толщина клея должна быть строго выверена: уменьшение слоя ведет к снижению прочности крепления, увеличение – к снижению эффективности отведения тепла. В 2009 году эта проблема была решена и COB-технология начала свое триумфальное шествие по миру светотехники.

Модуль, произведенный по такому принципу, содержит матрицу из светодиодов без корпусов, размещенных на основании. За счет отсутствия оболочек удалось повысить плотность размещения излучающих элементов и увеличить яркость, снимаемую с единицы поверхности. В некоторых случаях светодиоды заливают прозрачным компаундом для прочности. Верхняя часть оболочки покрыта люминофором.

Подложка для сборки COB-матрицы.

Печатная плата производится по обычной технологии, состоит из токопроводящих дорожек, расположенных на диэлектрической основе. Снизу приклеивается пластина из металла с высокой теплопроводностью, и изделие получает законченный вид.

Типовые значения светового потока матриц с размером кристалла 0,762*0,762 мм в зависимости от мощности указаны в таблице.

Фактически параметры могут отличаться в небольших пределах из-за дополнительных условий.

Устройство и принцип работы светодиодов

Светодиодом
называется прибор-полупроводник, способный преобразовывать электрический ток в
видимое световое излучение. Часто применяемое обозначение светодиода ЛЕД
является абберевиатурой light-emitting diode
– светоизлучающий диод.

В
отличие от ламп, излучение которых лежит в широком спектре, кристалл светодиода по внешнему полю излучает конкретный цвет. Диапазон освещения определяется
химическими особенностями полупроводников, используемых в каждом случае.

Все модели светодиодов содержат следующие элементы:

• катод, отвечающий за подачу отрицательной части волны постоянного тока на полупроводниковый кристалл;
• анод, осуществляющий подачу положительной части волны на кристалл;
• рассеиватель, увеличивающий угол свечения;
• рефлектор, который отражает световой поток на рассеиватель;
• кристалл или чип полупроводника, осуществляющий излучение светового потока, используя p-n переход.

Конструкция
диода включает два полупроводника, легированных разными примесями. Один из них
содержит свободные электроны, а второй – отверстия (дырки). Это обеспечивает
p-n переход между полупроводниками, когда электроны переходят от донора к
реципиенту, занимая свободные отверстия и выделяя фотоны. Данная реакция
возможна при наличии источника постоянного тока. На практике применяются
гетероструктуры – многослойные полупроводники, имеющие самый маленький вес.

Зная, какие бывают светодиоды по мощности и по внешнему виду, можно выбрать
прибор для разных случаев. Они делятся на две большие группы:

1. Индикаторные. Маленькие светодиоды относительно небольшой мощности с умеренной яркостью. Применяются для цветовой индикации, при подсветке приборных панелей и прочего.
2. Осветительные. Их мощность может доходить до нескольких десятков Ватт, за счёт чего достигается свечение высокой интенсивности. Используются в составе светодиодных лент и ламп для освещения помещений, в фарах и иных приборах.

Ссылки[править]

1. OSRAM: green LED
2. (2001) «Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction». Science 292 (5523): 1899. DOI:10.1126/science.1060258. PMID 11397942.
3. (2007) «Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure». Science 317 (5840): 932. DOI:10.1126/science.1144216. PMID 17702939.
4. (2004) «Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal». Nature Materials 3 (6): 404. DOI:10.1038/nmat1134. PMID 15156198.
5. (2006) «An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres». Nature 441 (7091): 325. DOI:10.1038/nature04760. PMID 16710416.

6. LEDs move into the ultraviolet, physicsworld.com, May 17, 2006. Проверено 2007-08-13.

7. 1981 VW Rabbit Owner’s manual. Page 52. Volkswagen of America. 1980.
8. «GaN-based blue light emitting device development by Akasaki and Amano» (PDF). Takeda Award 2002 Achievement Facts Sheet. The Takeda Foundation. 2002-04-05. http://www.takeda-foundation.jp/en/award/takeda/2002/fact/pdf/fact01.pdf. Retrieved 2007-11-28.
9. U.S. Patent 5,578,839 «Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device» Nakamura et al., Issue date: November 26, 1996
10. Sensor Electronic Technology, Inc.: Nitride Products Manufacturer
11. Mori, Mirei; Hamamoto, Akiko; Takahashi, Akira; Nakano, Masayuki; Wakikawa, Noriko; Tachibana, Satoko; Ikehara, Toshitaka; Nakaya, Yutaka et al. (2007). «Development of a new water sterilization device with a 365 nm UV-LED». Medical & Biological Engineering & Computing 45: 1237. doi:10.1007/s11517-007-0263-1.
12. Taniyasu, Yoshitaka; Kasu, Makoto; Makimoto, Toshiki (2006). «An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres». Nature 441 (7091): 325. doi:10.1038/nature04760. PMID 16710416.
13. Kubota, Y.; Watanabe, K.; Tsuda, O.; Taniguchi, T. (2007). «Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure». Science 317 (5840): 932. doi:10.1126/science.1144216. PMID 17702939
14. Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Kanda, Hisao (2004). «Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal». Nature Materials 3 (6): 404. doi:10.1038/nmat1134. PMID 15156198.
15. Koizumi, S.; Watanabe, K; Hasegawa, M; Kanda, H (2001). «Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction». Science 292 (5523): 1899. doi:10.1126/science.1060258. PMID 11397942
16. J. H. Wold and A. Valberg (2000). «The derivation of XYZ tristimulus spaces: A comparison of two alternative methods». Color Research & Application 26 (S1): S222. doi:10.1002/1520-6378(2001)26:1+<::AID-COL47>3.0.CO;2-4.
17. Ivan Moreno, Ulises Contreras (2007). «Color distribution from multicolor LED arrays». Optics Express 15 (6): 3607. doi:10.1364/OE.15.003607. PMID 19532605.
18. Tanabe, S. and Fujita, S. and Yoshihara, S. and Sakamoto, A. and Yamamoto, S.. «YAG glass-ceramic phosphor for white LED (II): luminescence characteristics». Proc. of SPIE Vo 5941: 594112—1.
19. Ohno, Y.. «Color rendering and luminous efficacy of white LED spectra». Proc. of SPIE Vol 5530: 89.
20. WO patent 2008104936
21. Burroughes, JH and Bradley, DDC and Brown, AR and Marks, RN and Mackay, K. and Friend, RH and Burns, PL and Holmes, AB, (1990). «Light-emitting diodes based on conjugated polymers,». Nature 347 (6293): 539–541. doi:10.1038/347539a0.
22. Lawler, Richard (2007-01-08). «Sony’s 1,000,000:1 contrast ratio 27-inch OLED HDTV». Engadget. http://www.engadget.com/2007/01/08/sonys-1-000-000-1-contrast-ratio-27-inch-oled-hdtv/. Retrieved 2009-02-15.
23. «New study says OLED efficiency is less than previously reported». LEDs Magazine (PennWell Corporation). 2008-08-20. http://www.ledsmagazine.com/news/5/8/18. Retrieved 2009-02-15.
24. Quantum-dot LED may be screen of choice for future electronics Massachusetts Institute of Technology News Office, December 18, 2002
25. Nanoco Signs Agreement with Major Japanese Electronics Company, 23/09/2009
26. LED-design
27. «Luminus Products». Luminus Devices, Inc.. http://www.luminus.com/content1044. Retrieved 2009-10-21
28. «Luminus Products CST-90 Series Datasheet». Luminus Devices, Inc.. http://www.luminus.com/stuff/contentmgr/files/0/7c8547b3575bcecc577525b80d210ac7/misc/pds_001314_rev_03__cst_90_w_product_datasheet_illumination.pdf. Retrieved 2009-10-25.
29. «XLamp XP-G LED». Cree, Inc.. http://www.cree.com/products/xlamp_xpg.asp. Retrieved 2009-09-28

Что можно сделать из светодиодов своими руками?

Далее приведены проекты, которые можно реализовать с применением этих полупроводниковых приборов. Для индивидуальных коррекций следует изучить актуальный ассортимент производителей.

Стабилизатор тока для светодиодов

Для подключения мощных приборов рекомендуется применять импульсные источники питания

Такая схема пригодится для оснащения автомобиля. При хорошем КПД выделяется немного тепла. Доступно изменение напряжения на входе в широком диапазоне при сохранении функциональности.

ДХО из светодиодов

Такую линейку можно собрать из светодиодов 3Вт. Характеристики современных приборов подойдут для создания надежных и эффективных дневных ходовых огней транспортного средства

В данном случае пригодится длительное сохранение работоспособности устройства в условиях сложной эксплуатации.

Индикатор напряжения на светодиодах

Схема точного индикатора напряжения для автомобиля. Здесь предусмотрена компенсация измерений при повышении/уменьшении температуры

Что такое светодиод

Внешне светоизлучающий диод выглядит как кристалл на металлической основе, покрытый пластиковой линзой. Осветительный элемент состоит из таких частей:

• основа из алюминия или меди;
• полупроводниковый кристалл;
• катод (-) и анод (+);
• слой силикона;
• линза из пластика;
• защитный корпус.

На металлической основе зафиксирован катод и анод. На первом электроде закреплен полупроводниковый чип (кристалл). Контакты имеют проводники, которые подсоединяются к чипу p-n-переходом (электронно-дырочный переход). На этом участке с помощью соединительной проволоки объединяются 2 полупроводника с дырочным и электронным типом проводимости. Сверху конструкция покрыта слоем силикона и пластиковой колбой и помещена в корпус с выводами для подключения к цепи.

Как подключить светодиодную лампу.

Подключение аналогично лампам накаливания и люминесцентным — следует обесточить патрон и вкрутить в него лампу.

Если необходимо подключить несколько LED источников света, то возможны следующие варианты соединения:  последовательный и параллельный.

Однако данное подключение не стоит применять на практике. Даже светодиоды из одной партии не гарантируют одинакового падения напряжений. Из-за этого ток на отдельном LED элементе может превысить допустимый, что может спровоцировать выход элементов из строя.

Последовательный вариант требует минимального количества проводов, но применяется крайне редко. Причиной этому служат два недостатка. Во-первых, при перегорании одной лампочки из строя выходит вся цепь. Во-вторых, лампы работают не в полную силу, так как при последовательном соединении напряжение суммируется. Пожалуй, единственные случаи, где оправдано последовательное соединение – это елочная гирлянда и освещение подъездов. В этих случаях допустимы низкие показатели мощности у многих источников света.

Схема довольно проста:

• от распределительной коробки фаза идет на выключатель;
• от выключателя фаза переходит к светодиодной лампе;
• ко второму контакту последней лампы в цепи подключают нулевой провод;
• от ламп к друг к другу переходит фазовый провод.

Последовательная схема подключения светодиодных ламп.

Параллельный способ применяется чаще всего. Главное преимущество – подача одинакового напряжения ко всем лампочкам в цепи. В случае перегорания из цепи выпадает лишь, вышедший из строя источник света, который легко заменить.

Параллельно можно соединить двумя способами: лучевым и по шлейфной схеме.

Лучевой метод отличается надежностью. Хотя при этом требуется большое количество кабеля

И важно продумать момент соединения всех элементов. Чаще всего для этого используют клеммную колодку

С одной стороны на ее перемычки подают фазу.  С обратной стороны подключают провода, тянущиеся от лампочек. Внутри клеммную колодку рекомендуется заполнить антиокислительной пастой. Также вместо колодки использовать скрутку проводов со спайкой.

Схема параллельного лучевого подключения через клеммную колодку.

При использовании шлейфной схемы фазный и нулевой провода от щитка и выключателя подключаются к первой лампочке. От нее кабель подается на вторую и так далее. Таким образом, каждая лампочка (кроме последней) соединяет с четырьмя проводами: двумя фазными и двумя нулевыми.

Схема параллельного подключения по шлейфной схеме.

Подключение лампочек, работающих от напряжения 12В, аналогично, только в схему необходимо включить понижающий трансформатор.

Схема параллельного подключения точечных светильников 12В через трансформатор.