Светодиоды – революция в освещении и высокая эффективность в каждом луче

LED (Light-Emitting Diode) – это устройство, которое преобразует электрическую энергию в световое излучение. В электротехнике светодиоды являются уникальными полупроводниковыми приборами, которые могут излучать видимый свет, а также инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, отличаясь от обычных диодов.

Светодиоды могут быть самых разных форм, размеров и мощностей, но всех их объединяет одно: они являются полупроводниковыми приборами. В их основе лежит p-n-переход, через который проходит ток в прямом направлении, вызывая излучение света. Этот удивительный процесс превращает электричество в видимый свет, делая светодиоды незаменимыми в современном мире освещения и электроники.

Все светодиоды обладают уникальным набором технических, электрических и световых характеристик, которые делают их такими полезными и востребованными. Данные параметры подробно описаны в технической документации на каждый светодиод. 

Электрические характеристики светодиодов включают такие параметры, как прямой ток, прямое падение напряжения, максимальное обратное напряжение, максимальная рассеиваемая мощность и вольт-амперная характеристика.

Световые параметры светодиодов охватывают световой поток, силу света, угол рассеивания, цвет (или длину волны), цветовую температуру и световую отдачу. Эти показатели определяют, насколько ярким будет светодиод, какого цвета и с какой эффективностью он будет работать.

Номинальный прямой ток – это ключевой параметр, при котором светодиод демонстрирует свои паспортные световые характеристики. Это своего рода «рабочий режим» светодиода, при котором он стабильно работает на протяжении всего срока службы без риска перегрева или пробоя p-n-перехода.

Интересно, что кроме номинального тока существует пиковый прямой ток – это максимальный ток, который можно подавать на светодиод только импульсами длительностью до 100 мкс с коэффициентом заполнения не более DC = 0.1. Этот параметр показывает, какой ток кристалл может выдержать кратковременно без повреждений (точные значения можно найти в технической документации).

На практике номинальный прямой ток зависит от множества факторов: размера кристалла, типа полупроводника и может варьироваться от микроампер до десятков миллиампер. Для светодиодных сборок типа COB эти значения могут быть значительно выше.

Прямое падение напряжения на p-n-переходе светодиода определяет номинальный ток, который через него проходит. Это напряжение прикладывается так, что анод имеет положительный потенциал относительно катода. В зависимости от химического состава полупроводника и длины волны излучения, прямое падение напряжения варьируется.

Максимальное обратное напряжение светодиода – это то напряжение, при котором, если поменять полярность (катод будет иметь более высокий потенциал, чем анод), кристалл светодиода пробивается и светодиод выходит из строя.

У большинства светодиодов это напряжение находится в районе 5 В. Для COB-сборок этот показатель может быть выше, а у инфракрасных светодиодов – всего 1-2 В. Удивительно, что даже такие малые значения играют критическую роль в защите светодиодов от повреждений.

Нелинейная зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) светодиода. Зависимость графически изображается в технической документации, что позволяет легко определить, какой ток будет проходить через кристалл светодиода при определённом напряжении.

ВАХ светодиода зависит от химического состава кристалла. Она играет важную роль при проектировании электронных устройств со светодиодами, так как позволяет без проведения практических измерений узнать, какое напряжение необходимо для получения заданного тока. Также ВАХ помогает более точно подобрать токоограничительный резистор к светодиоду.

Зависимость тока от напряжения (ВАХ) светодиода имеет сходный характер с обычным полупроводниковым диодом, но отличается значениями граничных напряжений в прямом и обратном направлениях. Это делает ВАХ незаменимым инструментом в работе с электронными схемами, включающими светодиоды.

Когда напряжение на светодиоде увеличивается в прямом направлении (положительный полюс подключен к аноду, отрицательный – к катоду), изначально ток почти не проходит, и светодиод ведет себя как непроводящий элемент. Но при достижении определённого уровня напряжения происходит резкий скачок: диод начинает проводить ток, и при небольшом увеличении напряжения ток возрастает резко.

Этот ток растет почти в геометрической прогрессии по отношению к напряжению, и светодиод начинает светиться. С дальнейшим увеличением напряжения яркость светодиода возрастает до своего максимума. В этой области ток светодиода примерно линейный: если удвоить ток, светодиод излучает вдвое больше света. Однако, если ток превысит допустимый предел, светодиод может перегреться и выйти из строя.

При подключении светодиода в обратном направлении (положительный полюс к катоду, отрицательный – к аноду), ток не проходит, и светодиод ведет себя как непроводящий элемент. Но при определённом уровне обратного напряжения происходит пробой, через светодиод начинает течь большой ток, что чаще всего приводит к его необратимому повреждению. Напряжение пробоя у светодиодов значительно ниже, чем у выпрямительных диодов, и составляет всего несколько вольт.

Из-за особенностей вольт-амперной характеристики светодиоды требуют питания от источника тока. Если высокая эффективность не является критически важной (например, в индикаторах), можно подключить светодиод к источнику постоянного напряжения через токоограничивающий резистор. Такой метод позволяет уменьшить изменения тока при изменениях напряжения и широко используется в простых схемах подключения светодиодов.

Световые (оптические) параметры светодиодов измеряются ещё на этапе производства, при стандартных условиях и номинальном токе через p-n-переход. При температуре окружающей среды 25°C устанавливается номинальный ток, после чего измеряются такие параметры, как сила света (в канделах, Кд) и световой поток (в люменах, Lm).

Световой поток измеряет количество световой энергии, проходящей через поверхность за определенное время. Этот параметр определяет видимую световую мощность: чем выше световой поток, тем ярче светит источник.

Слаботочные светодиоды измеряются по силе света в милликанделах. Кандела – это единица измерения силы света, которая определяет яркость источника. Она показывает, насколько интенсивно светится источник при частоте 540·10^12 Гц и энергетической силе света 1/683 Вт/ср.

Проще говоря, сила света показывает, насколько ярким будет светодиод в определенном направлении. Чем уже угол рассеивания, тем сильнее светит светодиод при одинаковом световом потоке. Например, сверхъяркие светодиоды могут достигать силы света в 10 и более кандел благодаря узкому углу рассеивания, который концентрирует свет в узкий луч.

Угол рассеивания светодиода часто упоминается в технической документации на светодиоды как «двойной угол половинной яркости тэта» и измеряется в градусах. Такое название обусловлено тем, что светодиоды обычно оснащены фокусирующей линзой, и яркость света неравномерно распределяется по всему углу рассеяния.

Параметр может варьироваться от 15° до 140°. У светодиодов в корпусе SMD угол рассеивания обычно шире, чем у их выводных аналогов.

Цвет света, излучаемого светодиодом, измеряется в нанометрах (нм) и напрямую зависит от длины волны, а также химического состава полупроводникового кристалла.

• Инфракрасное излучение имеет длину волны более 760 нм.
• Красный свет – от 610 до 760 нм.
• Желтый свет – от 570 до 590 нм.
• Фиолетовый свет – от 400 до 450 нм.
• Ультрафиолетовый свет – менее 400 нм.

Белый свет получается с помощью люминофоров, которые превращают ультрафиолетовое, фиолетовое или синее излучение в видимый свет. Люминофор – это вещество, которое поглощает излучение и излучает видимый свет.

Цветовая температура, указанная в кельвинах (К), точно характеризует оттенок белого света, который излучает светодиод. Эта характеристика подробно описывается в документации на белые светодиоды.

• Холодный белый свет – около 6000К.
• Теплый белый свет – около 3000К.
• Нейтральный белый свет – около 4500К.

Цветовая температура влияет на восприятие белого света человеком. Теплый свет создает более уютную и комфортную атмосферу, идеальную для домашних условий. В то время как холодный свет лучше подходит для общественных помещений, где важна ясность и яркость освещения.

Современные светодиоды для освещения обладают световой отдачей около 100 Lm/Вт. Некоторые мощные модели светодиодов уже превосходят компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), достигая значений 150 Lm/Вт и выше. Для сравнения, светодиоды обеспечивают более чем пятикратное превосходство по световой отдаче по сравнению с традиционными лампами накаливания.

Световая отдача показывает, насколько эффективно световой источник использует энергию: сколько ватт требуется для получения определенного количества света, выраженного в люменах. Иными словами, светодиоды позволяют получить больше света при меньшем энергопотреблении, что делает их очень эффективным решением для освещения.

Таким образом, светодиоды представляют собой уникальные и высокоэффективные устройства, преобразующие электрическую энергию в свет. Их разнообразные формы, размеры и технические характеристики позволяют широко использовать их в различных областях – от бытового освещения до сложных промышленных приложений. Правильный выбор и применение светодиодов гарантируют не только экономию электроэнергии, но и долговечность, надежность и высокое качество освещения.