Технічні характеристики та параметри світлодіодів

LED (абревіатура від англ. Light-Emitting Diode, електролюмінесцентний діод, також світловий діод, світлодіод) - позначення в електротехніці діода, що випромінює світло, можливо інфрачервоне або ультрафіолетове випромінювання, що відрізняється від стандартного діода.

Існує безліч світлодіодів різних форм, розмірів, потужностей. Однак будь-який світлодіод - це завжди напівпровідниковий прилад, в основі якого проходження струму через p-n-перехід у прямому напрямку, що викликає оптичне випромінювання (видиме світло).

Принципово всі світлодіоди характеризуються рядом конкретних технічних характеристик, електричних та світлових, про які ми й поговоримо далі. Дані характеристики ви зможете знайти в датасіті (в технічній документації) на світлодіод.

Електричні характеристики - це: прямий струм, пряме падіння напруги, максимальна зворотна напруга, максимальна потужність, що розсіюється, вольт-амперна характеристика.

Світлові параметри - це: світловий потік, сила світла, кут розсіювання, колір (або довжина хвилі), колірна температура, світлова віддача.

Прямий номінальний струм (If – forward current)

Номінальний прямий струм - це струм, при проходженні якого через цей світлодіод у прямому напрямку, виробник гарантує паспортні світлові параметри джерела світла.

Іншими словами, це робочий струм світлодіода, при якому світлодіод точно не перегорить, і зможе нормально працювати протягом усього терміну експлуатації. У умовах p-n-перехід нічого очікувати пробити і перегріється.

Крім номінального струму є ще такий параметр, як піковий прямий струм (Ifp – peak forward current) – максимальний струм, який можна пропускати через перехід лише імпульсами тривалістю по 100 мкс при коефіцієнті заповнення не більше DC = 0.1 (точні дані – див. . Теоретично максимальний струм - це граничний струм, який кристал може витримувати лише короткочасно.

На практиці величина номінального прямого струму залежить від розміру кристала, від типу напівпровідника і лежить в діапазоні від одиниць мікроампер до десятків міліампер (для світлодіодних збірок типу COB — ще більше).

Пряме падіння напруги (Vf – forward voltage)

Пряме падіння напруги на p-n-переході, що викликає номінальний струм світлодіода. Напруга прикладається до світлодіоду так, що анод має позитивний потенціал щодо катода. Залежно від хімічного складу напівпровідника, від довжини хвилі оптичного випромінювання різняться і прямі падіння напруги на переході.

До речі, за прямим падінням напруги можна визначити хімічний склад напівпровідника. А ось приблизні діапазони прямих падінь напруги для різних довжин хвиль (квітів світла світлодіодів):

• Інфрачервоні світлодіоди з довжиною хвилі понад 760 нм на базі арсеніду галію мають характерне падіння напруги менше 1,9 Ст.
• Червоні (наприклад галію фосфід - від 610 нм до 760 нм) - від 1,63 до 2,03 Ст.
• Помаранчеві (галію фосфід - від 590 до 610 нм) - від 2,03 до 2,1 Ст.
• Жовті (галію фосфід, від 570 до 590 нм) - від 2,1 до 2,18 Ст.
• Зелений (галію фосфід, від 500 до 570 нм) - від 1,9 до 4 Ст.
• Синій (селенід цинку, від 450 до 500 нм) - від 2,48 до 3,7 Ст.
• Фіолетовий (індія-галію нітрид, від 400 до 450 нм) - від 2,76 до 4 Ст.
• Ультрафіолетовий (нітрид бору, 215 нм) - від 3,1 до 4,4 Ст.
• Білі (синій або фіолетовий з люмінофором) – близько 3,5 Ст.

Максимальна зворотна напруга (Vr – reverse voltage)

Максимальна зворотна напруга світлодіода, як і будь-якого світлодіода, - це така напруга, при прикладанні якого до p-n-переходу у зворотній полярності (коли потенціал катода більший за потенціал анода) відбувається пробою кристала, і світлодіод виходить з ладу. Переважна більшість світлодіодів мають зворотну максимальну напругу в районі 5 В. Для збирання COB – ще більше, а для інфрачервоних світлодіодів буває і до 1-2 вольт.

Максимальна потужність розсіювання (Pd – total power dissipation)

Ця характеристика вимірюється при температурі навколишнього середовища 25°C. Це потужність (часто в мВт), яку корпус світлодіода ще здатний розсіювати безперервно, і не перегорить. Вона обчислюється як добуток падіння напруги на поточний через кристал струм. Якщо це значення буде перевищено (твір напруги на струм), то незабаром кристал буде пробити, відбудеться його теплове руйнування.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ - графік)

Нелінійна залежність струму через p-n-перехід від прикладеного до переходу напруги називається вольт-амперною характеристикою (скорочено - ВАХ) світлодіода. Ця залежність зображується в датасіті графічно, і за наявним графіком можна дуже просто побачити, який струм при якому напрузі піде через кристал світлодіода.

Характер ВАХ залежить від хімічного складу кристала.ВАХ виявляється дуже корисною при проектуванні електронних пристроїв зі світлодіодами, адже завдяки їй можна без поведінки практичних вимірювань дізнатися, яку напругу необхідно прикласти до світлодіода, щоб отримати заданий струм. Ще за допомогою ВАХ можна точніше підібрати до діода струмообмежувальний резистор.

Залежність струму від напруги (вольтамперна характеристика) світлодіода має схожий хід із звичайним напівпровідниковим діодом. Відрізняються вони лише значеннями граничних напруг у прохідному та замикаючому напрямках.

При збільшенні напруги на світлодіоді від нуля у прямому напрямку (тобто позитивний полюс джерела підключений до анода, а негативний полюс джерела підключений до катода діода), спочатку через нього майже не протікає струм і світлодіод поводиться так, ніби він непроводить.

З певного рівня прикладеної напруги відбувається пробій - діод починає відкриватися і на подальше невелике підвищення напруги реагує різким збільшенням струму, що проходить.

Струм збільшується приблизно експоненційно по відношенню до напруги. Тоді світлодіод теж починає спалахувати. У міру подальшого збільшення напруги світлодіод збільшує свою яскравість, доки не досягне свого максимуму.

Струм світлодіода в цій галузі приблизно лінійний, т.е. е., наприклад, якщо струм збільшити вдвічі, інтенсивність світла, що випромінюється світлодіодом, приблизно подвоїться. При подальшому збільшенні струму понад допустиму межу може виникнути теплове навантаження напівпровідникового переходу та вихід світлодіода з ладу.

Якщо підключити світлодіод до джерела напруги у напрямі закриття (тобто.позитивний полюс джерела підключений до катода, а негативний полюс до анода) струм через діод не протікає, коли він збільшується від нуля. Він веде себе непровідно.

При певному рівні напруги у бік закриття відбувається пробій – через діод раптом починає протікати великий струм. Найчастіше цей пробій носить деструктивний характер — напівпровідниковий перехід замикається коротко і діод незворотно ушкоджується. Напруга пробою у напрямі закриття у електролюмінесцентних діодів дуже низька порівняно з випрямляючими діодами – порядку одиниць вольт.

Через форму вольт-амперної характеристики ці діоди повинні харчуватися від джерела струму. Якщо не потрібно високого ККД (наприклад, для різних індикаторів), можна апроксимувати джерело струму, підключивши світлодіод послідовно з струмообмежуючим резистором до джерела постійної напруги (зміни напруги викличуть менші зміни в поточному). Цей метод широко використовується у простих випадках при підключенні світлодіодів.

Сила світла, світловий потік (luminous intensity, luminous flux)

Світлові (оптичні) параметри світлодіодів вимірюються ще на стадії їх виробництва, за нормальних умов та на номінальному струмі через перехід. Температура навколишнього середовища приймається рівною 25°C, встановлюється номінальний струм, і вимірюються сила світла (Кд - кандела) або світловий потік (Лм - люмен).

Під світловим потоком в один люмен розуміють світловий потік, що випускається точковим ізотропним джерелом із силою світла, що дорівнює одній канделі, в тілесний кут в один стерадіан.

Слаботкові світлодіоди характеризуються безпосередньо силою світла, яка вказується у міліканделах.Кандела - це одиниця сили світла, а одна кандела - це сила світла в заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 540 · 1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/пор.

Іншими словами, сила світла кількісно відображає інтенсивність світлового потоку в певному напрямі.

Кут розсіювання світлодіода (Viewing angle)

Ця характеристика часто описується в документації на світлодіоди як «подвійний кут половинної яскравості тета», і вимірюється в градусах (deg-degrees-градуси). .

Взагалі цей параметр може лежати в діапазоні від 15 до 140 °. У SMD світлодіодів цей кут ширший, ніж у похідних побратимів.

Довжина хвилі світла (Dominant Wavelength)

Вимірюється в нанометрах. Характеризує колір світлодіодом, що випромінюється, який у свою чергу залежить від довжини хвилі і від хімічного складу напівпровідникового кристала.

Інфрачервоне випромінювання має довжину хвилі більше 760 нм, червоний колір - від 610 нм до 760 нм, жовтий - від 570 до 590 нм, фіолетовий - від 400 до 450 нм, ультрафіолетовий - менше 400 нм. фіолетового чи синього.

Колірна температура (CCT – Color Temperature)

Ця характеристика визначається в документації на білі світлодіоди і вимірюється в кельвінах (К).Холодний білий (близько 6000К), теплий білий (близько 3000К), білий (близько 4500К) точно показує відтінок білого світла.

Залежно від колірної температури, передача кольору буде різною, і сприймається людиною білий колір з різною колірною температурою — по-різному. Тепле світло більш комфортне, воно краще підійде для будинку, холодне — більше підходить громадським приміщенням.

Для світлодіодів, які застосовуються для освітлення сьогодні, дана характеристика знаходиться в районі 100 Лм/Вт. Потужні моделі світлодіодних джерел світла перевершили компактні люмінесцентні лампи (КЛЛ) і досягають 150 і більше Лм/Вт. У порівнянні з лампами розжарювання, світлодіоди перевершують їх за світловою віддачею більш ніж у 5 разів.

У принципі, світлова віддача чисельно показує, наскільки ефективним є джерело світла в плані енергоспоживання: скільки ватів потрібно для отримання певної кількості світла — скільки люмен дажет.

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика

Огляд основних характеристик та параметрів світлодіодів

Економічно виправданої альтернативи LED-джерел поки не винайшли, що прогнозує повальний перехід на цей тип освітлення вже в найближчі роки. Але для коректного використання цих джерел необхідно знатися на їх основних характеристиках.

p align="justify"> При класифікації світлодіодних джерел світла використовуються параметри, розроблені виключно для даних типів освітлювальних приладів. Ця стаття якраз і призначена для ознайомлення з особливостями, що відрізняють характеристики світлодіодів від традиційних джерел світла.

Сила та напруга, що споживається світлодіодом струму

Багато світловипромінюючі діоди розраховані на стандартну силу струму 20 мА. При обчисленні опору світлодіода згідно із законом Ома використовується саме ця величина.

Світлодіод, як і будь-який діод, здатний пропускати струм тільки в один бік, для стабільної роботи він повинен бути постійним. Джерелом живлення для LED джерел світла є дросель, який видає необхідні характеристики споживаного струму. Світлодіодний кристал розрахований на напругу, що коливається від 0,5 до 6 вольт.

На одній підкладці може бути розміщено декілька кристалів LED. Сума показників напруги всіх кристалів становитиме необхідний показник такого джерела світла.

Слід зазначити, що у електрофізичних значеннях світлодіодів існує допустимий розкид вольт амперної характеристики (ВАХ), що з технологією виробництва. Неможливо виростити кристали із жорстко обмеженими показниками. Підганяння показників проводиться методом калібрування.

Монтаж слід проводити відповідно до зазначеної полярності. При неправильному включенні світлодіод закриється, і не працюватиме. Якщо напруга перевищить межу в 5 вольт, станеться пробою, що призведе до псування виробу.

Для правильного підключення катод на DIP світлодіодах позначається коротшою ногою, на SMD це буде спил на підкладці біля відповідного контакту.

Інтенсивність світлового потоку, кут розсіювання

Ця характеристика дуже важлива у освітленні, особливо у приміщеннях. Інтенсивність світлового потоку вимірюється у Люменах (Лм). Для порівняння, звичайна лампа розжарювання 100 Вт видає показник 1000 Лм.Для простого розрахунку напруги лід-джерела, який замінить лампу розжарювання, необхідно вольтаж класики розділити на 8. Наприклад, лампі 100 Вт відповідатиме світлодіод потужністю 12 – 12.5 Вт.

Важливо усвідомлювати, що джерело має односторонній напрям освітлення, в той час як звичайна лампа розжарювання розсіює світло на всі боки. Світлодіоди мають точкову спрямованість. Для збільшення кута розсіювання у конструкції застосовуються спеціальні лінзи. Кут розсіювання коливається в межах 20 - 120?

Співвідношення параметрів ефективності різних джерел світла, наведених для порівняння:

1. Лампа розжарювання – 10 Лм/Вт.
2. Люмінесцентна лампа – до 40 Лм/Вт.
3. Світлодіод – до 140 Лм/Вт.

Розмір кристала

У загальних характеристиках світловипромінюючих діодів можна натрапити на значення розміру кристала. Ця величина вимірюється Мілах (mil), 1 mil відповідає 0,0254 мм. Стандартні розміри квадрата кристала 24×24, 24×40, 35×35 та 40×40 mil. Вважається, що більше його площа, то більше вписувалося споживана потужність, у своїй знижується нагрівання під час роботи і збільшується межа перевантаження. Для порівняння розміри 40×40mil відповідають 1,143×1,143 мм та споживають близько 1 Вт.

Звичайно, велике значення має матеріал для виготовлення та умови, за яких кристал вирощувався. Також значення має якість калібрування. Це до того, що собі дешевше придбати світлодіоди відомих брендів, показники багатьох китайських лід джерел світла завищені.

Несумлінні продавці найчастіше заявляють підвищену потужність. Звернувши увагу до розміри кристала, можна застерегти себе від придбання підробки.

CRI (індекс кольору)

Для чіткішого розуміння цієї характеристики, доцільно ознайомитися з принципами сприйняття квітів людським оком. Біле світло включає весь спектр. Потрапляючи на навколишні предмети, відбивається лише частина спектру, що відповідає кольору предмета. Природно, джерело з спотвореним спектром спотворюватиме людське сприйняття кольору.

Для визначення ступеня достовірності передачі кольорів при освітленні штучним джерелом розроблено індекс кольоропередачі (CRI). Ступені значень індексу кольору розташовані в межах 0 – 100. Показник 100 відповідає сонячному світлу і є порівняльним еталоном.

Повноцінний індекс CRI, при якому спотворення буде мінімальним, не повинен бути нижчим від значення 90.

Колірні характеристики

Світло має хвильову природу, довжина хвилі, що випромінюється, визначає колір і вимірюється в нанометрах (нм). Людське око здатне сприймати діапазон від 380 до 760 нм, що відповідає видимому спектру.

Таблиця колірних показників

Примітно, що людське око має найбільшу чутливість при показнику 555 нм, отже джерело з таким параметром матиме найбільший ступінь освітленості.

Колірна температура

Дана характеристика виведена за аналогією кольорового сприйняття металу, що розігрівається. Чисельні межі розміщені в межах від 800 до 7500 та вимірюються в Кельвінах (К). Найнижчим показником має червоне світло – близько 800 К, відповідно, найвище – у холодного синього.

Для освітлення застосовується біле світло. Кольорові світлодіоди переважно використовуються в декоративних та індикаційних цілях. Білий колір за критеріями колірної температури поділяється на три підкатегорії:

1. Теплий – 2700 – 3500 К.
2. Нейтральний – 3500 – 5300 До (найбільш збалансований сприйняття).
3. Холодний – 5300 – 7500 До.

Максимальна робоча температура

Робоча температура – ​​одна з найважливіших характеристик світлодіода. При роботі виділяється велика кількість тепла, надлишок якого може призвести для початку до падіння інтенсивності світловипромінювання, а надалі і до повного псування світлодіода. Деякі надяскраві кристали здатні розігріватися до температури 150?

Виробники запровадили поняття «максимальна робоча температура» визначення меж температурного режиму, у якому робота лід джерела буде оптимальною. Значення допустимої температури позначаються у загальних паспортних даних.

Для боротьби з надмірною температурою застосовуються алюмінієві та мідні термовідвідні радіатори. Маломощні SMD світлодіоди монтуються на плату (підкладку), яка також виступає і в ролі охолоджувача. Для покращеної тепловіддачі місце з'єднання світлодіода та радіатора змащується термопастою.

Термін експлуатації

Цей параметр вказує на очікувану тривалість роботи LED кристала. Індикаційні світлодіоди мають тривалість роботи до 100 000 годин. Для надяскравих джерел цей показник становить максимум 60 000 годин. Виробники з Піднебесної найчастіше завищують і цей показник.

Для продовження терміну експлуатації необхідно дотримуватись температурного режиму роботи лід світильника. Іншими словами, чим ефективніше охолодження, тим довше живе джерело.

Для ознайомлення рекомендується подивитися відео. Автор відео всього за кілька хвилин лаконічно описує основні параметри та характеристики, які справді важливі при виборі світлодіодів.

Висновок

При виборі світлодіодів бажано віддавати перевагу маркам, що зарекомендували себе брендам. Вартість даних джерел світла значно вища за традиційні, отже, термін окупності теж збільшений. Зазіхнувши на дешевий виріб із поганими характеристиками, можна просто викинути гроші на вітер і, навпаки, світлодіодні вироби від перевірених виробників зазвичай відпрацьовують заявлений термін. Більш того, при придбанні брендових освітлювальних приладів на основі LED, як правило, надається гарантія.