Все о напряжении светодиода, а также как узнать на сколько вольт он рассчитан

Какой ток светодиода

По принципу действия светодиоды очень похожи на обычные выпрямительные диоды. Только конструктивное исполнение другое. И первое существенное отличие — это полупроводниковый материал. В случае выпрямительных диодов это чаще кремний. Светодиоды же изготавливаются из разных полупроводников, в зависимости от цвета которым они светятся. Материал определяет прямое напряжение, то есть напряжение, которое прикладывается к светодиоду при прохождении прямого тока через него.

Прямое напряжение — напряжение, равное или превышающее то, при котором ток (прямой ток) начинает течь через диод, и он начинает светиться.

Прямое напряжение и прямой ток

Каждый диод имеет разное прямое напряжение, что важно при выборе ограничительного резистора. Прямое напряжение зависит от таких факторов, как:

Прямое напряжение зависит от таких факторов, как:

1. температура окружающей среды,
2. величина протекающего тока (чем она выше, тем большее напряжение прикладывается к диоду),
3. используемого производителем полупроводникового материала.

Запуск светодиодов от источника переменного тока

Светодиоды обычно считаются устройствами постоянного тока, работающими от нескольких вольт постоянного тока. В маломощных приложениях с небольшим количеством светодиодов это вполне приемлемый подход, например, в мобильных телефонах, где питание подается от аккумулятора постоянного тока, но другие приложения, например линейная система освещения полос, простирающаяся на 100 м вокруг здания, не может функционировать на такой схеме.

Привод постоянного тока страдает от потерь на расстоянии, что требует использования более высоких U привода с самого начала, а также дополнительных регуляторов, которые теряют электроэнергию. Переменный ток упрощает использование трансформаторов для понижения U до 240 В или 120 В переменного тока от киловольт, используемых в линиях электропередачи, что гораздо более проблематично для постоянного тока. Для запуска любых типов светодиодов напряжением питания из сети (например, 120 В переменного тока) требуется электроника между источником питания и самими устройствами для обеспечения постоянного U (например, 12 В постоянного тока). Важна способность управления несколькими светодиодами.

Lynk Labs разработала технологию, которая позволяет осуществлять питание светодиода от переменного напряжения. Новый подход заключается в разработке AC-светодиодов, которые могут работать непосредственно от источника питания переменного тока. Многие автономные светодиодные светильники просто имеют трансформатор между настенной розеткой и приспособлением для обеспечения требуемого постоянного U.

Ряд компаний разработали светодиодные лампочки, которые ввинчиваются непосредственно в стандартные разъемы, но они неизменно также содержат миниатюрные схемы, которые преобразуют переменный ток в постоянный, прежде чем поступать на светодиоды.

Стандартный красный или оранжевый светодиод имеет пороговое U от 1,6 до 2,1 В, для желтого или зеленого светодиодов напряжение от 2,0 до 2,4 В , а для синего, розового или белого — это напряжение примерно от 3,0 до 3,6 В. В приведенной ниже таблице приведены некоторые типичные значения напряжений. Значения в скобках соответствуют самым близким нормализованным значениям в серии E24.

Характеристики напряжения питания для светодиодов показаны в таблице ниже.

• STD — стандартный светодиод;
• HL — светодиодный индикатор высокой яркости;
• FC — низкого потребления.

Этих данных достаточно, чтобы пользователь самостоятельно мог определить необходимые параметры устройств для светового проекта.

В связи с глобальным развитием технологий широкое применение в электронике получили светодиоды. Они обладают множеством особенностей, из которых можно выделить компактность и яркое свечение. Помимо номинального тока, который является их главным параметром, нужно знать рабочее напряжение светодиодов. Этот параметр часто используют для проведения расчетов. Если правильно подобрать параметры устройства, можно продлить срок его службы. Напряжение для светодиода является разницей потенциалов на p-n-переходе, что отмечается в паспортных данных прибора. Бывают случаи, когда нет информации о конкретном изделии, тогда возникает вопрос: «Как определить падение напряжения на светодиоде?».

Интересные факты.

Светодиодная лента.

Получение белого цвета. Есть три варианта. Первый – по технологии RGB. Включение всех трех цветов на 100% дает белый цвет. Во втором случае на линзу наносят три люминофора: голубой, красный и зеленый. Третий вариант заключается в нанесении красного и зеленого люминофора на оптическую систему голубого светодиода.

Работа при повышенных температурах. С ростом температуры в области p-n-перехода уменьшается яркость свечения. Причем у красных и желтых падение яркости больше, чем у синих и зеленых. Поэтому нужно использовать хороший теплоотвод и не допускать эксплуатации led при повышенных температурах.

Как готовят полупроводники? В основном по технологии металлоорганической эпитаксии в атмосфере особо чистых газов. Выращиваются пленки толщиной от ангстремов до микрон. Разные слои легируются примесями, которые дадут слою высокую концентрацию электронов или дырок, то есть сформируют n или p структуру полупроводника. Зачем пленки травят, создают контакты к n и p слоям и делят на чипы нужных размеров.

Чем хороша СОВ-технология? Тем, что кристаллы монтируются на металлическую подложку, которая одновременно выполняет функции радиатора. Таким образом получают отличный теплоотвод непосредственно от полупроводникового кристалла. Дополнительно можно получить разную форму светодиода, разную гибкость и и.п.

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды.  Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении. 

По типу исполнения выделяют:

• Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света.

• Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике. 

Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам.

Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров. 

Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.

Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп

Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно

Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий.

Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.

В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.  

Светодиоды могут быть:

• мигающими – используются для привлечения внимания;
• многоцветными мигающими;
• трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
• RGB;
• монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения. 

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света. 

С помощью техдокументации

Другие способы определения выводов можно поискать в техдокументации на элементы – в справочниках или онлайн-источниках. Для этого как минимум необходимо знать тип светодиода или его производителя. В документации может содержаться информация о габаритах и цоколевке прибора.

Но даже если данных сведений в спецификации не найдется, напрасно усилия не пропадут. Техдокументация может стать источником информации о предельных параметрах электронного прибора. Эти знания помогут правильно выбрать режим работы, а также не допустить выхода светодиода из строя при проверке расположения выводов.

Как выбрать нужный драйвер?

Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:

1. выходной ток;
2. максимальное выходное напряжение;
3. минимальное выходное напряжение.

Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.

Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:

Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.

Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3. 4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.

Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).

Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.

Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:

Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.

Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:

Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.

Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.

Подключение светодиода к источнику питания 12 В может быть осуществлено несколькими способами. Первым вариантом решения задачи является увеличение последовательно соединенных светодиодов в цепи. Второй способ связан с применением токоограничивающего резистора.

Какие бывают светодиоды

Светодиод (обозначается СД, СИД, LED в англ.) представляет собой прибор, в основе которого лежит искусственный полупроводниковый кристаллик. При пропускании через него электротока создается явление испускания фотонов, что приводит к свечению. Данное свечение имеет очень узкий диапазон спектра, и цвет его находится в зависимости от материала полупроводника.

Светодиоды вполне могут заменить обычные лампы накаливания

Светодиоды с красным и желтым свечением производят из неорганических полупроводниковых материалов на базе арсенида галлия, зеленые и синие изготавливают на основе индия-галлия-нитрида. Чтобы увеличить яркость светового потока используют различные присадки или применяют метод многослойности, когда слой чистого нитрида алюминия размещают между полупроводниками. В результате образования в одном кристаллике нескольких электронно-дырочных (p-n) переходов, яркость его свечения возрастает.

Различают два типа светодиодов: для индикации и освещения. Первые используют для индикации включения в сеть различных приборов, а также как источники декоративной подсветки. Они представляют собой цветные диоды, помещенные в просвечивающийся корпус, каждый из них имеет четыре вывода. Приборы, излучающие инфракрасный свет, используют в устройствах для удаленного управления приборами (пульт ДУ).

В области освещения используют светодиоды, излучающие белый свет. По цвету различают светодиоды с холодным белым, нейтральным белым и теплым белым свечением. Существует классификация применяемых для освещения светодиодов по способу монтажа. Маркировка светодиода SMD означает, что прибор состоит из алюминиевой или медной подложки, на которой размещен кристаллик диода. Сама подложка располагается в корпусе, контакты которого соединены с контактами светодиода.

Применение светодиодной подсветки в интерьере кухни

Другой тип светодиодов обозначается OCB. В таком приборе на одной плате размещается множество кристаллов, покрытых люминофором. Благодаря такой конструкции достигается большая яркость свечения. Такую технологию используют при производстве светодиодных ламп с большим световым потоком на относительно малой площади. В свою очередь это делает производство светодиодных ламп наиболее доступным и недорогим.

Как определить полярность светодиода

Для определения полярности выводов существует несколько методов.

1. У безвыводных элементов (включая COB) полюсность напряжения питания обозначается прямо на корпусе – символами или приливами на оболочке.
2. Так как светодиод имеет обычный p-n переход, его можно прозвонить мультиметром в режиме проверки диодов. Некоторые тестеры имеют измерительное напряжение, достаточное для зажигания светодиода. Тогда правильность подключения можно контролировать визуально по свечению элемента.
3. Некоторые приборы производства CCCP в металлическом корпусе имели ключ (выступ) в районе катода.
4. У выводных элементов вывод катода более длинный. По этому признаку определить цоколевку можно только у непаянных элементов. У бывших в употреблении LED выводы укорачиваются и изгибаются для монтажа произвольным образом.
5. Наконец, узнать расположение анода и катода возможно тем же методом, что и для определения напряжения светодиода. Свечение будет возможно только при правильном включении элемента – катод к минусу источника, анод – к плюсу.

Развитие технологий не стоит на месте. Ещё несколько десятилетий назад светодиод был дорогой игрушкой для лабораторных опытов. Сейчас без него трудно представить жизнь. Что будет дальше – покажет время.

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Что измеряется в люменах и какие нормы освещенности на 1 квадратный метр?

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

Как выбрать светодиодную ленту для подсветки, типы светодиодных лент, расшифровка маркировки

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое цветовая температура светодиодных ламп?

Мощность светодиодных ламп для оснащения дома

Для расчёта потребуется такой показатель как освещённость — необходимый поток света на 1м², измеряемая в люксах. Таким образом: 1лк = 1лм х 1м².

Рассчитанные нормы собраны в документации СНиП, из которых можно сделать выписку и узнать необходимые параметры освещённости для помещений различного назначения.

Кроме того, алгоритм расчёта освещённости позволяет разделить объём помещения на условные зоны, где нужен более интенсивный или умеренный свет и поместить в них соответствующие осветительные приборы.

Следовательно, для оснащения комнат потребуется определённое количество осветительных приборов, с источниками определённой мощности. Соотношение экономичных светодиодных ламп с мощностью традиционных источников света даны в таблице:

Результат расчёта площади умноженный на необходимую освещённость в соответствии с нормативами СНиП позволяет определить мощность параметр необходимых источников света в люменах и приобрести нужное количество приборов.

Промышленность выпускаются светодиодные элементы, которые не потребуют много усилий при установке, разработке и расчётах новой схемы но позволят обеспечить оптимальное освещение как внутри дома, так и на приусадебном участке, сэкономив на оплате за коммунальные услуги.

Как работает светодиод

Светодиод является двухпроводным полупроводниковым источником света. Это p-n переходной диод, который излучает свет при активации. Когда к выводам приложено подходящее напряжение, электроны могут рекомбинировать с электронными отверстиями внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света (соответствующий энергии фотона) определяется энергетической шириной запрещенной зоны полупроводника.

Материал, используемый в светодиодах, в основном алюминий-галлий-арсенид (AlGaAs). В своем первоначальном состоянии атомы этого материала прочно связаны. Без свободных электронов проводимость электричества здесь становится невозможной.

При добавлении примеси, которая известна как легирование, вводятся дополнительные атомы, что эффективно нарушает баланс материала.

Эти примеси в виде дополнительных атомов способны либо обеспечивать свободные электроны (N-тип) в системе, либо высасывать некоторые из уже существующих электронов из атомов (P-тип), создавая «дыры» на атомных орбитах. В обоих случаях материал становится более проводящим. Таким образом, под воздействием электрического тока в материале N-типа электроны могут перемещаться от анода (положительный) к катоду (отрицательный) и наоборот в материале P-типа. Из-за свойства полупроводника ток никогда не будет идти в противоположных направлениях в соответствующих случаях.

Интенсивность света, излучаемого светодиодом, будет зависеть от уровня энергии испускаемых фотонов, который, в свою очередь, будет зависеть от энергии, выделяемой электронами, прыгающими между атомными орбитами из полупроводникового материала.

В светодиодах вышеуказанные явления хорошо используются. В ответ на P-тип легирования электроны в светодиодах движутся, падая с верхних орбиталей на нижние, высвобождая энергию в виде фотонов, то есть света. Чем дальше эти орбитали отстоят друг от друга, тем больше интенсивность излучаемого света.

Различные длины волн, вовлеченные в процесс, определяют различные цвета, производимые светодиодами. Следовательно, свет, излучаемый устройством, зависит от типа используемого полупроводникового материала. Инфракрасный свет создается с использованием арсенида галлия (GaAs) в качестве полупроводника. Красный или желтый свет получают с использованием галлия-арсенида-фосфора (GaAsP) в качестве полупроводника. Красный или зеленый свет получается при использовании галлия-фосфора (GaP) в качестве полупроводника.

Способы определения мощности светодиода

На самом деле способов как узнать потребление не так уж и много, поэтому давайте остановимся на каждом из них и рассмотрим более подробно.

Мультиметром

Этот способ самый сложный и не является точным, прибегать к нему советую только в крайнем случае, когда достаточно хотя бы примерных значений.

Имея на руках только один мультиметр (он же тестер), для измерения следует выполнить следующую последовательность действий:

1. Собрать схему с подключенным светодиодом через токоограничивающий резистор на 500 Ом от блока питания с плавной регулировкой напряжения от 0 до 12 В.
2. Плавно поднимая напряжение на блоке питания, следует постоянно измерять напряжение на блоке питания и светоизлучающем диоде, т.е. до резистора и после (в местах V1 и V2). В таком способе удобно использовать два мультиметра или два вольтметра. Изначально, значения напряжений будут почти одинаковы (разница не более 0,1В). При достижении определенного уровня, начнется ощутимый рост разницы измеряемых значений.
3. Зафиксировать значение напряжение
4. Подключить проверяемый светоизлучающий диод через резистор 10 Ом последовательно с амперметром. Если нет амперметра, используйте мультиметр.
5. Поднимите напряжение до зафиксированного ранее значения V
6. Зафиксируйте значение тока и, используя закон Ома, определите мощность светодиода.

Способы подключения светодиодов к ИП на 12 вольт

Чтобы подключить к 12 вольтам стабилизированного источника питания один светодиод на 3 В, придётся компенсировать излишек (примерно 9 В) на резисторе или стабилитроне. Это крайне неэффективно, так как основная часть энергии будет рассеиваться на вспомогательных элементах цепи.

Для повышения КПД схемы светодиоды соединяют последовательно по три штуки. Если учесть, что падение напряжения на наиболее распространенных белых светодиодах примерно 3,3 В, то для погашения оставшихся 2 В (12-3,3*3=2) достаточно одного маломощного резистора. Светодиоды желтого и красного цвета свечения можно объединять последовательно по 5 штук, так как их падение напряжения не превышает 2,2 В.

В идеале, перед расчетом резистора нужно точно знать рабочее напряжение каждого светодиода. Его можно взять из паспорта либо измерить самостоятельно. Замер производят на включенном светодиоде, через который протекает номинальный ток. Затем по закону Ома определяют номинал и мощность токоограничивающего резистора: R=U_пит-(U_LED1+ U_LED2+…+ U_LEDn)/I_LED. P=(U_пит-(U_LED1+ U_LED2+…+ U_LEDn))*I_LED.

Более подробно о расчёте и выборе резистора написано в данной статье.

Сегодня некоторые производители выпускают светодиоды с высоким падением напряжения. К ним можно отнести и светодиоды 12 вольт, подключение которых необходимо выполнять строго через источник стабилизированного тока.

Также отдельным случаем является подключение светодиодной ленты к источнику питания 12 В. Здесь схема подключения гораздо проще, так как не нужно стабилизировать ток, а ограничительный резистор есть в каждой группе из нескольких светодиодов. Самым простым и недорогим вариантом включения светодиодной ленты является использование блока питания от компьютера. Для этого достаточно соединить плюс ленты с жёлтым (+12 В), а минус ленты – с чёрным (общим) проводом.

Свои нюансы имеют и COB-матрицы. Наравне с другими светодиодами они должны работать от драйвера и, в зависимости от условий, их яркость можно регулировать путём изменения тока. В паспорте к COB-матрице обязательно указывается рабочий ток и примерное падение напряжения при этом токе.

Конструировать светодиодный светильник на базе COB-матрицы с питанием от блока 12 В не корректно по нескольким причинам. Даже если падение напряжения на матрице близко к 12 В, то её можно подключить к такому же стабилизированному блоку питания только через ограничительный резистор. В результате ток будет ниже номинала, при этом снижается яркость и эффективность всего устройства.

Разрешить ситуацию можно путём добавления в цепь питания преобразователя напряжения в ток. Для этого к выходу ИП на 12 В подключают плату низковольтного драйвера, выходной ток которого равен току потребления COB-матрицы. Такие преобразователи выпускаются серийно и имеют низкую цену, широкий диапазон рабочих токов и напряжений, компактные размеры. Для высоковольтных светодиодов и сборок (с прямым напряжением более 12 В) подбирать следует драйвер повышающего типа. При желании преобразователь с нужными параметрами можно собрать своими руками.

Другие виды LED

Мигающий

Особенность конструкции мигающего светодиода – каждый контакт является одновременно катодом и анодом. Внутри него находятся два светоизлучающих кристалла с разной полярностью. Если такой источник света подключить через понижающий трансформатор к сети переменного тока он будет мигать с частотой 25 раз в секунду.

Для другой частоты мигания используются специальные драйверы. Сейчас такие диоды уже не применяются.

Разноцветный

Разноцветный светодиод – два или больше диода, объединенных в один корпус. У таких моделей один общий анод и несколько катодов.

Изменяя через специальный драйвер питания яркость каждой матрицы можно добиться любого света свечения.

При использовании таких элементов в самодельных схемах не стоит забывать, что у разноцветных кристаллов разное напряжение питания. Этот момент необходимо учитывать и при соединении большого количества разноцветных LED источников.

Другой вариант – диод со встроенным драйвером. Такие модели могут быль двухцветные с поочерёдным включением каждого цвета. Частота мигания задаётся встроенным драйвером.

Более продвинутый вариант – RGB диод, изменяющий цвет по заранее заложенной в чип программе. Тут варианты свечения ограниченны лишь фантазией производителя.