Порівняння світлодіодів: види, типи, класифікація, характеристики та призначення

Сучасний ринок освітлювальних приладів значною мірою складається із світлодіодних світильників, що є пристроями нового покоління. Вони активно застосовуються як джерела світла як для міського та домашнього освітлення, так і для підсвічування матриць різних технічних пристроїв. Світлодіодні чіпи вкрай різноманітні за габаритами, функціональними та технічними характеристиками, енергоефективністю та сферою застосування. Провівши їх порівняння, можна з легкістю вибрати відповідний прилад у 2020 році.

Пристрій та принцип роботи світлодіодів

Світлодіодом називається прилад-напівпровідник, здатний перетворювати електричний струм у видиме світлове випромінювання. Позначення світлодіода ЛЕД, що часто застосовується, є аберевіатурою light-emitting diode – світловипромінюючий діод.

На відміну від ламп, випромінювання яких лежить у широкому спектрі, кристал світлодіода зовнішнього поля випромінює конкретний колір. Діапазон освітлення визначається хімічними особливостями напівпровідників, які у кожному разі.

Усі моделі світлодіодів містять такі елементи:

• катод, який відповідає за подачу негативної частини хвилі постійного струму на напівпровідниковий кристал;
• анод, що здійснює подачу позитивної частини хвилі на кристал;
• розсіювач, що збільшує кут свічення;
• рефлектор, який відбиває світловий потік на розсіювач;
• кристал або чіп напівпровідника, що здійснює випромінювання світлового потоку, використовуючи p-n перехід.

• Влаштування світлодіода

Конструкція діода включає два напівпровідники, легованих різними домішками. Один із них містить вільні електрони, а другий – отвори (дірки).Це забезпечує p-n перехід між напівпровідниками, коли електрони переходять від донора до реципієнта, займаючи вільні отвори та виділяючи фотони. Ця реакція можлива за наявності джерела постійного струму. На практиці застосовуються гетероструктури - багатошарові напівпровідники, що мають найменшу вагу.

Знаючи, які бувають світлодіоди за потужністю та зовнішнім виглядом, можна вибрати прилад для різних випадків. Вони поділяються на дві великі групи:

1. Індикаторні. Маленькі світлодіоди щодо невеликої потужності з помірною яскравістю. Застосовуються для колірної індикації, підсвічування приладових панелей та іншого.
2. Освітлювальні. Їх потужність може сягати кількох десятків Ватт, рахунок чого досягається світіння високої інтенсивності. Використовуються у складі світлодіодних стрічок та ламп для освітлення приміщень, у фарах та інших приладах.

Основні параметри світлодіодів

Перед тим, як розглядати особливості існуючих конструкцій, слід ознайомитись із основними характеристиками приладів:

1. Світловіддача або ефективність (Лм/Вт). Є ставленням світлового потоку до використовуваної потужності. Ця величина обчислюється перед тим, як визначити застосовність діодів для різних освітлювальних систем. Моделі 2020 року мають показники 120-140 Лм/Вт, тобто у кілька разів більше, ніж у ламп розжарювання.
2. Колірна температура (Кельвін). Застосовується у таких діапазонах:

• 2500-3000 К - тепле біле світло (WW);
• 4000-5000 К - нейтральне біле світло (NW);
• 6500-95000 К – холодне біле світло (CW).

Зверніть увагу! Нейтральне світло діодів вважається оптимальним для офісної роботи, оскільки предмети, що підсвічуються, мають найбільшу чіткість.

Також виділяють кольорові (синій, червоний, жовтий, зелений) та RGB світлові діоди.

3.Потужність світлодіода (Вт, ма). Необхідна для вибору відповідного джерела живлення. Діоди бувають:

• малої потужності – менше 0,5 Вт (20-60 мА);
• середньої потужності – від 0,5 до 3 Вт (100-700 мА);
• великої потужності – більш ніж 3 вати (від 1000 мА).

Зверніть увагу! Щоб продовжити термін служби блоку живлення, його необхідно вибирати із запасом 15-20%, що перевищує реальну потужність світлодіода.

4. Кут свічення (градуси). Зазвичай становить 120-140 про, для індикаторних - 15-45 про.

5. Ресурс, або деградація (годинник). Визначає тривалість експлуатації. На ресурс впливають:

• струмова деградація, коли через світлові діоди пропускається надмірна сила струму;
• температурна деградація, що виникає за неякісного відведення електронної енергії.

Зверніть увагу! Щоб найкращі світлодіоди прослужили заявлену кількість годин, температура в точці паяння повинна бути не більше 65°С.

Індикаторні світлодіоди

Індикаторні світлодіодні чіпи найпоширеніші. Застосовуються для різного підсвічування та індикації, від ліхтарів та світлофорів до побутової техніки. Сучасні модифікації мають велику силу світла, хоча це досить малопотужні світлодіоди.

Функцію відбивачів, що концентрують світловий потік, виконують стінки та опорна пластина. Прилади мають прямокутні торці з діаметром 3-10 мм та опуклі лінзи. Для них потрібне джерело живлення в 2,5-5 В (межа струму - 20-25 мА), а якщо використовується інтегрований резистор - 12 В. Кут світіння буває або широким (110-140 про), або вузьким (15-45 про). Світловіддача білих світлодіодів становить 3-5 Лм.

Індикаторний діод має наступні переваги:

• невелика вартість;
• безпечні струми та напруга світлодіодів;
• високий рівень захисту від зовнішніх впливів;
• невелике споживання енергії з низькою тепловіддачею, що дозволяє пристроям працювати тривалий час без радіаторів, що охолоджують.

Серед індикаторних виділяють такі типи світлодіодів:

Найбільш технологічною та популярною є група SMD світлодіодів.

Порівняння SMD світлодіодів

Застосування діодів SMD повсюдно. Ці відносно малопотужні світлодіоди є основою лампочок загального освітлення, індикаторних панелей та систем аварійного освітлення. Найбільшу популярність мають світлодіодні стрічки на СМД діодах. Існують і їх варіації у вигляді модулів та лінійок, де використовуються планарні світлодіоди.

Визначити тип і розмір корпусів SMD діодів можна за маркуванням, цифри якого позначають ширину та довжину.Нові модифікації конструюються на групах, що складаються із чотирьох рівних за потужністю світлодіодів різних кольорів – «G+R+W+B». Це збільшує світловіддачу та розширює світлові відтінки, тому такий тип світлодіодів найяскравіший.

Класифікація світлодіодів за типорозмірами така:

Таблиця включає усереднені технічні характеристики, які показують найкращі світлодіоди з білим світлом. Найпотужніші лампи холодного і теплого білого світла мають менший світловий поток і, маючи рівну яскравість світлодіодів, дають краще освітлення, ніж кольорові.

Зверніть увагу! Світловіддача теплих тонів може бути на 10% менше від тієї, що відображають маркування та характеристики, а холодних – на 10% більше, тому вони найенергоефективніші.

Реальні технічні характеристики та якість світлодіодів значною мірою визначає марка світлодіодів, причому коливання можуть сягати 15%. Якісні світлодіоди випускають великі японські, європейські та китайські бренди. Бюджетні пристрої невідомих китайських виробників, занесені в каталог, зазвичай дуже слабкі, і замість заявлених 0,5 Ватт можуть видавати 0,15 або навіть 0,09.

Такі низькі показники потужності пояснюються тим, що всередині корпусу змонтовано кристал меншого розміру. Це притаманно низькоякісної китайської продукції. Тому, самостійно проектуючи джерело живлення, варто прагнути реальних показників струму в навантаженні, що дорівнює близько 95% від заявленого.При невеликому недовантаженні можна збільшити робочий ресурс навіть для пристроїв, де використовуються не найкращі світлодіоди.

Освітлювальні світлодіоди

Вибираючи, які світлодіоди найяскравіші, варто зупинитись на освітлювальних. Це надпотужні світлодіоди із високою інтенсивністю випромінювання. Випускаються виключно у білому кольорі, теплому та холодному, корпус призначений для поверхневого монтажу. Використовуються в лампах і світлодіодних стрічках, фарах, ліхтарях та інше, де необхідні потужні надяскраві світлодіоди.

Немає природних кристалів, випромінюючих біле світло. Тому, щоб створити світлодіоди білого світіння, використовуються різні технології, що базуються на змішуванні трьох основних кольорів (RGB). Колірна температура визначається способом їхнього поєднання. Популярним методом є покриття кристала шарами люмінофора, кожен з яких відповідає за один із трьох базових кольорів. Інший спосіб полягає у нанесенні пари шарів люмінофора на блакитний кристал.

Можна виділити такі переваги освітлювальних діодів:

• різне кольорове свічення;
• можливість вибору світлової температури;
• енергозбереження, що скорочує витрати електрики;
• мінімальний коефіцієнт пульсації;
• різноманітна потужність, що розсіюється.

• Будова освітлювального світлодіода

Серед освітлювальних виділяються такі види світлодіодів:

Зверніть увагу! Спектр світіння Filament набагато приємніший для людського ока, ніж види SMD і COB, і схожий зі світлом ламп розжарювання.

Типи світлодіодів: особливості

Вирішуючи, які світлодіоди найкраще для освітлення, варто врахувати, що за величиною світлового потоку надяскравий PCB Star лідирує, хоч і є різновидом SMD діодів. Різниця полягає в тому, що він є потужним точковим джерелом світла, а не сукупністю кристалів, що спрощує фокусування. Тому ці потужні надяскраві світлодіоди зручно застосовувати для ліхтаря.

Найбільш універсальними є SMD світлодіоди. Можна виділити такі переваги цього типу:

• висока енергоефективність;
• міцний полімерний корпус;
• середня вартість;
• ремонтопридатність;
• тривалий період експлуатації;
• Хороший показник охолоджуваності рахунок застосування радіатора.

Дані світлодіоди підвищеної яскравості мають і недоліки:

• менша ефективна освітленість, ніж у Filament;
• нерівномірний розподіл світлового потоку у різних напрямках;
• б'юче спрямоване світло.

Філаментні прилади є технологічнішими. Така модель є скляною смужкою, металізованою з обох сторін, за рахунок чого подається харчування. Зверху на смужку приклеєно кілька світлодіодів, покрите люмінофором. Смужки, що несуть потужні світлодіоди, поміщаються у скляну колбу, що має вигляд звичної лампочки з гелієм.Насправді філаментна лампочка є COB діодом, поміщеним в газове середовище.

До переваг Filament діодів належить таке:

• рівномірність світлового потоку у різних напрямках;
• яскраве світло, що не «ріже» очі;
• висока енергоефективність;
• тривалий період експлуатації;
• звичний вигляд колби;
• можливість утилізації із побутовими відходами.

Можна виділити і ряд недоліків:

• крихкий скляний корпус;
• висока вартість;
• у дешевих моделей – погана охолоджуваність;
• непридатність для ремонту.

Відео на тему (на прикладі порівняння стрічок SMD діодів 3528, 5050, 5630, 5730):

Якщо у вас залишилися питання після прочитання статті "Порівняння світлодіодів: види, типи, класифікація, характеристики та призначення"Задайте їх у коментарі, ми обов'язково постараємося доповнити матеріал відповідями на них.

Які бувають види світлодіодів

В даний час світлодіоди набули широкої популярності. При цьому чітко розділити їх по потужності, яскравості світіння, області застосування, форм-фактору та іншим параметрам неможливо, оскільки у кожного виробника своя класифікація. Тим не менш, різні види світлодіодів можна об'єднати у класи за деякими характерними ознаками.

Індикаторні та освітлювальні LED

Щоб ясніше уявляти, які бувають світлодіоди, їх можна розділити на дві великі групи: індикаторні та освітлювальні.

Індикаторні використовуються в основному з метою кольорової індикації, а також підсвічування дисплеїв, приладових панелей та інших приладів. Тобто це світлодіоди порівняно невеликої потужності (до 0.2 Вт) із помірною яскравістю.

Освітлювальні LED використовуються при освітленні приміщень у складі світлодіодних ламп та стрічок, в автомобільних фарах та скрізь, де потрібно отримати високу інтенсивність свічення.Потужність таких світлодіодів може досягати десятків ват.

Індикаторні LED

Індикаторні світлодіоди, своєю чергою, можна розбити на кілька груп.

DIP світлодіоди

Світлодіоди цього типу є світловипромінюючим кристалом у вивідному корпусі, часто з опуклою лінзою. Типи корпусів: циліндричні, діаметром 3, 4, 5, 8, 10… мм, та прямокутні.

Випускаються у дуже широкому діапазоні кольорів – аж до ІЧ та УФ діапазонів. Можуть бути як одноколірними, і багатобарвними (коли у одному корпусі зосереджено кілька кристалів різних кольорів), — наприклад, RGB.

Одним із недоліків цих LED можна відзначити невисокий кут розсіювання світлового потоку: зазвичай не більше 60⁰.

Super Flux "Piranha"

Конструктивно світлодіоди Пірання є надяскравими світлодіодами в прямокутному корпусі з чотирма висновками. Така конструкція дає змогу надійно закріпити світлодіод на платі.

Доступні різновиди: червоний, зелений, синій та три білих (розрізняються температурою свічення). Випускаються в корпусах з лінзою (3 та 5 мм) і без неї. Кут розсіювання варіюється в межах від 40⁰ до 120⁰.

Область застосування Piranha – підсвічування автомобільних приладів, денних ходових вогнів, рекламних вивісок тощо.

Straw Hat

Поряд з Piranha, великий кут розсіювання світлового потоку мають світлодіоди типу Straw Hat («солом'яний капелюх»). Зовні вони нагадують звичайні циліндричні двовивідні LED, але з меншою висотою і збільшеним радіусом лінзи, за що і отримали свою назву.

Випромінюючий кристал у цих світлодіодах розташований ближче до передньої стінки лінзи (не забудьте почитати про призначення лінзи для світлодіода), завдяки чому досягається кут розсіювання порядку 100-140⁰.

Випускаються червоні, сині, зелені, жовті та білі LED.Завдяки здатності створювати неспрямоване випромінювання, можуть використовуватися в декоративних цілях, як заміна ламп аварійної тривоги та інших місцях, де потрібне рівномірне підсвічування з низьким енергоспоживанням.

SMD світлодіоди

Окрім похідних LED, випускаються світлодіоди типу SMD. Сюди слід зарахувати надяскраві кольорові та білі світлодіоди потужністю близько 0.1 Вт у корпусі для поверхневого монтажу. Розміри корпусів зазвичай стандартні для будь-яких елементів типу SMD: 0603, 0805, 1210 і т.д., де маркування позначає довжину і ширину сотих частках дюйма або міліметрах. При цьому є як різновиди з опуклою лінзою, так і без неї.

Завдяки простоті монтажу на основі цих LED випускаються світлодіодні стрічки. Наприклад, широку популярність у цій галузі набув світлодіод Cree SMD 3528.

Освітлювальні LED

Ці світлодіоди застосовуються при освітленні приміщень та вулиць у складі ліхтарів, автомобільних фар, світлодіодних стрічок тощо. У зв'язку з цим мають велику потужність, високу інтенсивність випромінювання, і випускаються тільки в білому кольорі в корпусах для поверхневого монтажу.

Зазвичай виробляються два різновиди, що відрізняються колірною температурою: cool white (холодний білий) і warm white (теплий білий).

Оскільки кристалів, що випромінюють біле світло, у природі не існує, при виробництві освітлювальних світлодіодів вдаються до різних технологій змішування трьох базових кольорів (RGB). Від способу їх складання залежить колірна температура білого світла.

Одним із способів отримання білого світіння є покриття випромінюючого кристала трьома шарами люмінофора, причому кожен шар відповідає за свій базовий колір. Інший метод полягає у нанесенні двох шарів люмінофора на кристал блакитного кольору.

Освітлювальні SMD LED

Більшість освітлювальних світлодіодів також випускаються у корпусах SMD. На відміну від індикаторних, характеризуються більшою потужністю та виробляються лише у білому кольорі.

Варто відзначити, що деякі освітлювальні LED невеликої потужності, наприклад, згадані вище SMD 3528, можуть використовуватися як індикаторні, тому тут поділ на типи досить умовний.

Основна сфера застосування SMD – світлодіодні стрічки та лампи, переносні ліхтарі, фари автотранспорту. При цьому вони дають досить спрямоване випромінювання (порядку 100⁰-130⁰), тому при освітленні великих територій доводиться використовувати велику кількість цих LED для рівномірного засвічення площі.

Конструктивно освітлювальні SMD являють собою покритий люмінофором випромінюючий кристал на підкладці тепловідвідної, зазвичай мідної або алюмінієвої. Трапляються як різновиди з лінзою, так і без неї.

COB світлодіоди

Велике поширення набули світлодіоди типу COB (Chip On Board, чіп на платі). По суті це інтеграція великої кількості (зазвичай кілька десятків) кристалів SMD в одному корпусі, які потім покриваються люмінофором.

На малюнку вгорі показані для порівняння Cree SMD 5050 (ліворуч) та COB – матриця з 36 чіпів (праворуч).

COB використовуються лише для освітлення. Їх світловий потік набагато більше, ніж в одиночних SMD. Однак слід врахувати, що ці світлодіоди не підійдуть для створення вузькоспрямованого випромінювання через великий кут розсіювання світлового потоку. При цьому створити абсолютно ненаправлене випромінювання теж не вийде – кут розсіювання світлодіодів менше 180⁰.

Помічено, що деяким людям неприємний спектр світла світлодіодів типу SMD або COB.Крім того, недостатня кількість світлодіодів при засвітленні великих площ призводить до того, що освітленість носить дискретний характер, тобто сильно освітлені ділянки чергуються зі слабко освітленими. Це потрібно враховувати під час вибору освітлювальних LED.

Filament LED

Цей тип світлодіодів також використовується поки що тільки для освітлення. Широкого поширення набули як декоративне підсвічування приміщень. Спектр світіння, на відміну від SMD і COB, набагато приємніший для людського ока і нагадує світло лампи розжарювання. При цьому зберігаються всі властиві LED переваги: ​​низьке енергоспоживання та тривалий термін служби.

У цьому ролику демонструється порівняння декоративної лампи розжарювання потужністю 40 Вт та лампи Filament на 4 Вт:

Тут видно, що при потужності в 10 разів менше, світловий потік, що віддається лампою Filament, у 3-4 рази більший.

У той же час ККД Filament навіть вищий, ніж у тих самих SMD, — при однаковій потужності перші дозволяють отримати більшу освітленість. Це досягається за рахунок технології COG (Chip On Glass, чіп на склі), за якої світловипромінюючі кристали встановлюються на скляну підкладку, а потім покриваються люмінофором.

Сама підкладка має циліндричну форму, що дозволяє отримати кут розсіювання світлового потоку 360⁰. Тобто такі LED дуже хороші під час створення ненаправленого випромінювання.

Лазерні діоди

І насамкінець ще про один тип, який не можна віднести ні до індикаторних, ні до освітлювальних LED, - лазерний діод. Власне, світлодіод його можна вважати з натяжкою, оскільки за технологією виробництва він не має нічого спільного зі звичайними LED.

Лазерні діоди є особливим чином оброблені напівпровідникові кристали, які при подачі напруги генерують дуже вузький пучок світла.При цьому зразки нового покоління дозволяють отримати кут розходження променя в межах 5-10⁰. Зустрічаються як моделі, що працюють у видимому діапазоні, так і поза ним (УФ та ІЧ).

Широке застосування ці діоди знайшли у лазерних указках, цілепокажчиках, DVD-приводах, оптичних комп'ютерних мишах, лініях оптоволоконного зв'язку.

Висновок

Чітко класифікувати все різноманіття світлодіодів досить складно, оскільки рідко ті чи інші LED виробляються для певних цілей. Проте, основні напрями їх застосування, — індикація та освітлення, — поки що залишаються колишніми, і наведена тут класифікація підійде для створення загального уявлення про види світлодіодів.