Примечания относительно светодиодов

Части светодиодов

Epoxy body - эпоксидное вещество
Wire bond - термокомпрессионное
соединение проволочных выводов
Die - кристаллик
Die cup - чаша кристаллика
Leads - проводка

Светодиоды бывают всех форм и размеров, но 3 мм T-1 и 5 мм T-1¾ являются самыми распространенными. Кристаллики - крошечные полупроводниковые кубы, состав которых определяет цвет испускаемого света. Находятся в основании чашки кристаллов, которые имеют рефлексивные стороны, чтобы отражать свет, излучаемый относительно конца кристаллов светодиодов. Тело из эпоксидной смолы сформировано так, чтобы действовать как линза и фокусировать свет в луч. Расстояние от чашки кристалла до куполообразного конца линзы определяет, как сильно фокусируется получаемый пучок света. Некоторые светодиоды имеют плоские или даже вогнутые концы, который сосредотачивают свет в широкий луч.

Цвета светодиода

Светодиоды видимого свечения

Цвета светодиода часто указываются в нм (нанометры), которыми измеряют длину волны света. Указанная длина волны - длина волны самой высокой мощности - светодиоды не являются полностью монохромными, а скорее производят волну на коротком участке цветового спектра. Диаграмма справа показывает отношение цвета к мощности в стандартном зеленом светодиоде - самая высшая точка - 565 нм, но он излучает свет в пределе от 520 до 610 нм (имеется ввиду участок спектра). Половина ширины спектральной линии - ширина этой кривой при 50-процентной мощности (0,5 на оси Y) - для этого светодиода, это около 30 нм - а также мера "чистоты" (монохроматичности) цвета.

Обратите внимание на температуру, указанную в верхнем правом углу графика - светодиод производит незначительно различающиеся цвета при разных температурах. Они также испускают разные цвета при разной силе тока, особенно белые светодиоды, которые зависят от того, как фосфор меняет разноцветную матрицу на белый цвет.

Инфракрасные светодиоды

Инфракрасная полоса может быть разделена на Ближний Инфракрасный (NIR) и Далеко Инфракрасный (IR). Далеко инфракрасный - тепловое инфракрасное излучение имеет обыкновение обнаруживать горячие объекты или видеть утечки высокой температуры в зданиях, и путь за пределами диапазона светодиодов. (NIR может быть далее разделен на два диапазона - длинноволновый и коротковолновый, основанный)

Инфракрасные светодиоды(LEDs ) иногда называют I RED (Инфракрасные светодиоды).

Ультрафиолетовые светодиоды

Ультрафиолетовый свет разделен на три диапазона: ультрафиолетовый-A, который является довольно безвредным; ультрафиолетовый-B, который вызывает загар, и ультрафиолетовый-C, который разрушает вещи. Большинство ультрафиолетового света B и С от солнца отфильтрованы озоновым слоем, т.о. мы получаем очень мало этого излучения. Светодиоды испускают ультрафиолет-A.

400 нанометров - довольно общая длина волны для ультрафиолетовых светодиодов. Это располагается на границе между фиолетовым и ультрафиолетовым диапозоном , т.о. существенная часть испускаемого света видима. По этой причине ультрафиолетовые светодиоды 400 нм иногда оцениваются в милликанделлах, даже при том, что половина их энергии невидима. Светодиоды с более низкими длинами волны, типа 380нм, обычно оцениваются не в милликанделлах, а в милливаттах.

Не смотрите в ультрафиолетовые светодиоды!

Белые светодиоды

Белый свет - это смесь всех цветов. Цветная температура - мера относительных количеств красного или синего - выше, цветные температуры имеют больше синего.

Помните, что это - мера цвета, а не яркости, так что не удивляйтесь, потому что лунный свет "более горяч" чем карбоновая дуга. Это означает только то, что цвет является более синим, и все.

Белые светодиоды имеют цветную температуру, но монохроматические светодиоды нет.

Яркость светодиода

Суммарная мощность, выделившаяся в виде света, называется излучающая энергия или излучающий поток, и измеряется в ваттах. Насколько ярким окажется объект, однако, будет зависеть от двух дополнительных факторов:

• сколько излучаемого потока выпущено в направлении наблюдателя
• насколько чувствителен наблюдатель к длине волны света .

Чтобы определить количество, во-первых, мы должны ввести понятие стерадиан(ед. измерения телесного угла), твердых (3-D) углов. Подумайте о конусе с вершиной в источнике.

Если поток излучения источника излучения одинаковый во всех направлениях, интенсивность излучения будет равна общему потоку излучения, разделенному на 12,57 (4π) стерадиан, пространственный угол полной сферы. В случае со светодиодом, излучающий поток, как правило, концентрируется в луче, а интенсивность излучения будет равна излучающему потоку, поделенному на пространственный угол луча. Ширина углов обычно обозначается в градусах, а интенсивность излучения обычно выражается в мВт / ср., что делает необходимы перевод угла луча в стерадианы:

sr = 2 π (1 - cos(θ/2))

где sr является телесным углом, в стерадианах, и θ - это угол луча.

Световой поток и сила света - размеры как сияющая энергия и интенсивность излучения, только с поправкой на чувствительный человеческий глаз. Мощность излучения длины волны 555 нм, умножается на коэффициент 1, но светом выше, и более низкой длиной волны усилены более низкими факторами, пока инфракрасные и ультрафиолетовые диапазоны волн не достигаются, когда лучевая энергия умножена на ноль.

Световой поток измеряется в люменах, в то время как сила света измеряется в люменах на стерадиан, также названная канделой.

Отношения между световым потоком, силой света и углом луча означают, что акцентом учета светодиода в более плотных лучах (уменьшающийся угол луча), увеличит силу света (яркость) без фактического увеличения светового потока (количество света). Имейте это в виду, что при покупке светодиода для осветительных целей - светодиод с 2000 милликандел и 30° углом обзора дает столько же света, как светодиод в 8000 милликандел с 15° углом обзора. (угол составляет половину в ширину и высоту, т.о. луч в 4 раза более яркий). Это одна из причин того, что ультра яркие светодиоды часто "чисто водные", чтобы сохранить движение света в одном направлении, а не распространяться во всех местах.

Яркость светодиодов измеряется в милликанделах(mcd) или тысячной доли канделы. Индикатор светодиода как правило в диапозоне 50 mcd. "Ультра-яркие" светодиоды могут достигать 15000 mcd и выше.

Для сравнения, типичная лампа накаливания в 100 Вт производит приблизительно 1700 люмен, если свет будет излучаться одинаково во всех направлениях, она будет иметь яркость около 135 000 mcd. Если же луч целенаправленный в 20°, то она будет иметь яркость окло 18 000 000 mcd.

Интенсивность света и других электромагнитных излучений, как мощность за единицу площади измеряется в ваттах на квадратный метр. Обычные лампы накаливания излучают больше энергии в инфракрасном, чем в видимом спектре. Количество световой энергии называется световым потоком и измеряется в люменах и определяется, как количество света, излучаемого 1/60 см2 площади чистой платины на её температуру плавления (около 1770° С) в рамках телесного угла в 1 стерадиан. Например, в общей сложности мощность излучения (светового потока) от лампочки накаливания в 40 Вт составляет около 500 лм, в то время как мощность излучения люминесцентной трубки 40 Вт составляет около 2300 лм.

Интенсивность освещения, аналогично интенсивности электромагнитного излучения (которая является мощностью на единицу площади) - световой поток на единицу площади, называется освещенностью. Единицей освещенности является люмен на квадратный метр, также называемый люкс:

1 lux = 1 lm/m² 1 люкс = 1 лм / м²

Единицей силы света является один люмен на стерадиан, также измеряемый в канделах(кд):

1 cd = 1 lm/sr 1 кд = 1 лм / ср

Яркость светодиодов - ультрафиолетовые и инфракрасные светодиоды

Так как кандела и люмен - единицы, которые приспособлены, чтобы компенсировать переменную чувствительность человеческого глаза к различным длинам волны, и инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды полностью невидимы (по определению) для человеческого глаза.

Инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды измеряются в ваттах для излучаемого потока и в ваттах/стерадианах для излучаемой интенсивности. Довольно типичный "яркий" инфракрасный светодиод производит приблизительно 27 мВт/ср, хотя может доходить до 250 мВт/ср или около этого. Сигнальные светодиоды, как на ТВ-пультах, значительно менее мощные.

Однако имейте в виду, что светодиоды не являются совершенно монохроматическими. Если их пик близок к видимому спектру, то их полоса пропускания может наложиться на видимый спектр достаточно, чтобы быть видимой как тусклый вишнево-красный свет.

Этот тусклый красный свет, кстати, часто требуемый ошибочно для того, чтобы отличить хорошо освещающие инфракрасные диоды от более тусклых инфракрасных диодов. Какой диод лучше для конкретного применения целиком зависит от длины волны, к которой приемник наиболее чувствителен.

Использование светодиодов

Как правило, различные цветные светодиоды требуют различного напряжения для работы - красный цвет берет наименьшее напряжение, и поскольку цвет продвигает цветной спектр к синему, увеличивается и требование напряжения. Обычно красные светодиоды требуют около 2-х вольт, а синие - около 4-х вольт. Типичные светодиоды, однако, требуют 20-30 мА тока независимо от требований напряжения. В графике слева показано насколько сила тока типичного красного светодиода будет меняться на различных напряжениях.

Заметьте, что светодиод при силе тока менее 1.7 В является "выключенным". Между 1.7 В и 1.95 В "динамическое сопротивление", соотношение напряжения к силе тока уменьшается до 4 Ом. Выше 1.95 В светодиод полностью "включен" и динамическое сопротивление остаётся постоянным. Динамическое сопротивление отличается от сопротивления, в котором кривая не линейна. Просто помните, что эта нелинейная связь между напряжением и током означает, что закон Ома не работает для светодиодов.

Формула для расчета значения серии резистора:

R series = (V - V f) / I f

где Rseries-зачение резистора в Омах, V - напряжение, Vf - это падение напряжения через светодиод и If - сила тока светодиода, которую должны видеть.

Например, для вышеупомянутый диода было бы хорошим напряжение в 12 В при 500 Омах в резисторе.

Вы можете использовать один резистор для управления током серии диодов, и в этом случае Vf - это общее падение напряжения всех светодиодов. Не всегда хорошая идея использовать один резистор для контроля группы светодиодов, если они будут использовать одну силу тока, то это может привести к разной яркости или дыму.

Действительно ли необходима серия светодиодов?

Одним словом - нет. Серия резисторов не является необходимой, если напряжение Vf., может регулироваться в соответствии со светодиодами. Один из способов добиться этого - сбалансированные батареи для светодиодов. Если напряжение светодиода Vf составляет 1.2 В, Вы можете использовать ряд из десяти диодов (10 x 1.2В = 12В) с аккумулятором 12 В без серии резисторов.

Однако, Вы должны быть уверены, что батарея способна поддержать ожидаемое напряжение, некоторые аккумуляторы часто поставляют немного больше напряжения, чем номинальное(например 12-вольтный автомобильный аккумулятор может достигать напряжения 13.8 В при полном заряде), но разные типы батарей имеют разное внутреннее сопротивление, которое приводит к "перекосу" напряжения при различных условиях нагрузки.

Вот небольшая таблица с типичным внутренним сопротивления различных типов батарей. Заметьте, как у щелочной батареи АА внутреннее сопротивление в 5 раз превышает сопротивление NiMH батареи АА, а у щелочной батареи D в 11 раз выше NiCad батареи D.

Кроме того, когда батарея разряжена, напряжение значительно понизится. Из-за резкого изменения напряжения по кривой (см. график в разделе “использование светодиодов”) небольшие изменения напряжения приведут к большим изменениям тока.

Добавление сопротивление в цепи поможет стабилизации напряжения через светодиод. В некотором смысле, светодиод и резистор последовательно выступают в качестве регулятора напряжения.

Последовательно с резистором, светодиод будет снижать напряжение по всей цепи, пока не проводит ток. Как только начинает проводить, сопротивление падает незначительно - всего на несколько Ом. Снижение напряжения через повышение резистора и падение напряжения через светодиод остается практически исправленным. Падение напряжения через светодиод остается несколько выше порогового напряжения, даже если напряжение питания повышается. Любое дальнейшее увеличение напряжения питания увеличивает падение напряжения через резистор, но не через светодиод.

Посмотрите, что происходит, когда напряжение, поставляемое, резистором в 150 Ом последовательно со светодиодом колеблется от 4.5 до 5.5 Вольт.

Вы можете видеть, как напряжение светодиода (Vled) меняется всего на 0.03 В, даже если напряжение меняется на 1 Вольт. Даже с маленьким повышением напряжения светодиода, ток увеличивается на 6 мА.

Рассматриваемый светодиод имеет пороговое напряжение Vthreshold в 1.9 В, выше которого он имеет динамическое сопротивление (Rdynamic) 4.55 Ом и включают 20 мА при 2 В. (это пример заднего светодиода из пункта “Использование светодиодов”). Поставляемое напряжение в 5 В и Rseries 150 Ом. Вот формулы:

V e = V supply - V threshold

I = V e / (R series + R dynamic)

V series = R series / (R series + R dynamic) * V e

V led = V supply - V series

Ve - напряжение выше порогового, I - сила тока в настоящее время в цепи, Vseries - падение напряжения через резистор, Vled - падение напряжения через светодиод.

Ситуация, в которой действительно важно подключать диод без последовательного резистора - это когда вам нужно максимум эффективности -последовательный резистор потребляет мощность (P = I2R) - и отклонения в яркости могут допускаться.

Есть также другие пути для контроля тока диодом. Регулятор напряжения может великолепно справиться с этой задачей, но возможно, регулятор тока такой как этот даже лучше:

Диод управляемый простым регулятором тока

Движение светодиодов с переменным током.

Первый, и самый очевидный вопрос: почему? Но мы пропустим это, предполагая, что Вы знаете причину.

Есть несколько факторов к рассмотрению. Каждый из светодиодов только проводит за время в течение той части положительной половины цикла, в течение которого напряжение является выше порогового напряжения светодиода.

Это означает, что светодиод проводит меньше чем половину времени, которое производит яркость. Во-вторых, даже когда светодиод проводит, среднее напряжение будет гораздо меньше, чем пиковое напряжение. Среднее напряжение положительной половины синусоида - только 64 % пикового напряжения. Яркость поэтому далее уменьшена.

Это то, что я подразумеваю. Ось X - время, Ось Y - напряжение. Синяя линия - напряжение поставки; красная линия - светодиодный порог. В этом случае, пиковое напряжение - 5В, и порог - 1.2 В (типичный для красного светодиода). "Эффективное напряжение"(термин автора), является напряжением, которое выше порогового напряжения, напряжение, которое фактически освещает светодиод; остальная часть напряжения не делает ничего, или потому что ниже порогового, или это потому, что имеет неправильную полярность. Эффективное напряжение обозначено в графе серыми областями. Светло-серая область - среднее эффективное напряжение для напряжения поставки переменного тока; здесь, 1.04 В. Темно-серая область - среднее эффективное напряжение для поставки постоянного тока, 3.8 В, которое пропускает переменный ток. Светло-серая область - лишь 27% области обеих серых объединенных областей. Если бы светодиод имел пороговое напряжение ноль (которое не было бы хорошим?) эффективное напряжение переменного тока все еще было бы только 32% эффективного напряжения постоянного тока. Как пороговые повышения напряжения, " продолжительность включения " понижается оттуда.

Эффективное напряжение (V - V т) - термин из формулы, приведенной выше, и может заменить его для расчета стоимости желаемого сопротивления.

Можно повысить эффективное напряжение переменного тока по отношению к теоретическому максимуму, составляющему 32% от эффективного напряжения постоянного тока путем увеличения напряжения питания - это делает предельное напряжения меньшей частью самого высокого напряжения, так что светодиод раньше включается в цикл и остается включенным дольше. Но следует избегать использования предельного напряжения большего чем обратное напряжение, которое светодиод может выдержать, как правило это 5 вольт. Помните, что когда светодиод не проводит ток, все падение напряжения будет проходить через него. Вы можете обойти эту проблему путем подсоединения в цепь другого отдельного светодиода - кремниевые диоды могут выдержать гораздо большее обратное напряжения, чем обычные светодиоды, хотя дополнительные диоды будут вводить второй предельное напряжение. Включение в цепь двухполупериодного выпрямителя позволят вам управлять светодиодом в обеих половинах цикла, увеличив максимально эффективное напряжение до 64% напряжения постоянного тока, но имея при этом два дополнительных предельных напряжения.

Некоторые белые светодиоды требуют дальше напряжения (обычно 3,5 или 4 вольта) очень близкого к своему максимальному обратному напряжению (как правило, 5 вольт), так что светодиод будет включен лишь в течение весьма незначительной части цикла, что делает его очень слабым. Например, диод рассчитанный на 3.5 вольта подключенный к 5 вольтам переменного тока, будет иметь эффективный вольтаж только 0.25 вольт, 17% от эффективного постоянного тока в 1.5 вольта.

Чтобы компенсировать низкий уровень эффективного напряжения, мы хотим управлять светодиодом довольно трудно получить средний ток до 20 мА. Если эффективное напряжение всего 0,25 вольт, то резистор должен быть 13 Ом, и нынешний пиковый ток должен составлять 120 мА. Может ли светодиод выдержать пиковый ток в 120 мА? Вероятно, нет.

Одно из возможных решений - это два светодиода в обратно-параллельном подключении, один поляризован на свет во время позитивной половины цикла, а другой поляризован на свет во время негативной половины цикла. Сразу же, это удваивает выходное освещение, так как мы используем обе половины цикла. К тому же так как на каждом диоде обратное напряжение мы увидим падение переднего напряжения на диоде, вы можете управлять вольтажем как хотите, а рабочий цикл может становиться на 64% короче. Использование прямоугольных импульсов переменного тока вместо синусоидальных импульсов переменного тока позволит вам достичь почти 100% либо используя обратно параллельные диоды, либо один диод подключенный на удвоенном ходу для полуцикла.

Источник http://gizmology.net/LEDs.htm

Светодиоды бесспорно являются самыми экономичными источниками освещения, дешевле только солнечный свет. Но даже несмотря на свою экономичность, некоторые экземпляры могут быть достаточно прожорливыми. И все же, сколько потребляет светодиод электроэнергии?

«Прожорливость» устройства напрямую зависит от его яркости.

Светоизлучающий кристалл работает на напряжении 2,8 – 3,5 В (зависит от цвета свечения). Внутри кристалла диода находится p-n переход, при прохождении через который тока и излучается свет. От скольких вольт работает светодиод зависит от способа соединения модулей на матрице. Это может быть и 3В, и 12В.

Индикаторные

Индикаторные диоды – маломощные устройства с низким потреблением тока. Уже исходя из названия понятно, что они предназначены не для освещения, а для индикации работоспособности.

Ток потребления у изделий этого класса не превышает 20 мА, при напряжении 3В за час потребление электроэнергии при их работе составит лишь 0,06 Вт или чуть больше 0,5кВт за год непрерывного свечения.

Осветительные

В отличие от индикаторных, у моделей предназначенных для освещения площадь p-n перехода, а соответственно площадь светоизлучающей поверхности и яркость, существенно выше. Ток потребления кристалла может составлять 150-300 мА, при напряжении питания 3,3В это от 0,5 до 1Вт.

В мощных диодах на одной матрице может находится несколько элементов. Мощность светодиодных матрицы, используемой в прожекторах может достигать несколько сот ватт.

Напряжение питания устройств на светодиодах

Независимо от яркости и мощности модуля, все они собираются из светодиодных матриц, которые рассчитаны на питание 3,3В. Для мощных модулей используют различные комбинации соединения с питанием от 12В до 24В. Это необходимая мера для уменьшения нагрузки по току.

Рассмотрим следующую ситуацию:

Необходим источник света мощностью 50Вт. Для его создания потребуется пятьдесят одноваттных модулей. Если все их подключить параллельно, напряжение питания составит лишь 3,3 В, но сила тока в цепи будет достигать 50 х 0,3А = 15 Ампер. Это очень-очень много.

Все электроприборы в квартире при одновременном включении редко требуют больше 10-15 Ампер. Большая сила тока приводит к значительному тепловыделению через проводники, и что бы запитать такой агрегат понадобился бы силовой многожильный медный кабель толщиной в палец.

Для снижения тока в цепи светодиодные модули соединяют последовательно. В классической схеме подключения, рассмотренное выше устройство будет состоять из восьми каскадов, состоящих из шести последовательно включённых светодиодов с напряжением питания 24В. Тогда мощность нагрузки составит лишь 8 х 0,3А = 2,4 А. А это уже ненамного больше мощности обыкновенной зарядки для мобильного телефона.

Напряжение питания различных бытовых устройств на диодах

Светодиодные фонарики

Диодные фонари существенно различаются по яркости и мощности. Поэтому точно сказать сколько вольт в светодиодной лампочке сложно.

В обыкновенном бытовом фонарике установлен яркий диод на 3,3 В. Благодаря использованию специальных схем повышающих напряжение они комфортно работают от одной пальчиковой батарейки на 1,2В либо аккумулятора на 1,8В.

На сколько вольт светодиоды в фонариках высокой яркости? Сигнальные фонари особого назначения оснащаются специальными диодными матрицами с напряжением питания 3,3В – 4,7В и током до 2000мА.

Для их питания используются мощные литиевые аккумуляторы на 3,7В.

Светодиодные ленты

Напряжение питание ленты и ее мощность зависят от типа используемых светодиодов.