Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Яркость светодиода от тока

Регулировка яркости источников света применяется, для создания комфортной освещенности помещения или рабочего места. Регулировка яркости возможна устройство нескольких цепей, которые включаются отдельными выключателями. В таком случае вы получите ступенчатое изменение освещенности, а также отдельные светящиеся и выключенные лампы, что может вызвать неудобства.

Стильные и актуальные дизайнерские решения включают в себя плавную регулировку общей освещенности при условии свечения всех ламп. Это позволяет создать как интимную обстановку для отдыха, так и яркую для торжеств или работы с мелкими деталями.

Ранее, когда основными источниками света были лампы накаливания и точечные светильники с галогенными лампами проблем с регулировкой не возникало. Использовался обычный 220В диммер на симисторе (или тиристорах). Который обычно был в виде выключателя, с поворотной ручкой вместо клавиш.

С приходом энергосберегающих (компактных люминесцентных ламп), а потом и светодиодных такой подход стал невозможен.

В последнее же время подавляющее большинство источников света – это светодиодные светильники и лампочки, а лампы накаливания запрещены для использования в осветительных целях во многих странах.

Занятно то, что на упаковке от отечественных ламп накаливания сейчас указывают что-то вроде: «Электрический теплоизлучатель».

В этой статье вы узнаете о принципе регулирования яркости светодиодов, а также о том, как это выглядит на практике.

Теория

Любой полупроводниковый диод – это электронный прибор, который пропускает ток в одном направлении. При этом протекание тока не имеет линейно зависимости от приложенного напряжения, скорее она напоминает ветвь параболы. Это значит, что когда вы к светодиоду приложите малое напряжение – ток протекать не будет.

Ток через него протечет только в том случае, когда напряжение на диоде превысит пороговое значение. Для обычных выпрямительных диодов оно лежит в пределах от 0.3В до 0.8В в зависимости от материала из которого сделан диод. Кремниевые диоды берут на себя около 0.7В, германиевые 0.3В. Диоды Шоттки порядка 0.3В.

Светодиод не стал исключением. Пороговое напряжение белого светодиода около 3В, вообще оно зависит от полупроводника из которого он сделан, от этого зависит и цвет его свечения. Так, на красном светодиоде напряжение около 1.7 В. При достижении этого напряжения начнет протекать ток, и светодиод начнет светиться. Ниже вы видите вольтамперную характеристику светодиода.

Яркость свечения светодиода зависит от силы тока через него. Это отражено на графике ниже.

Яркость идеального теоретического светодиода линейно зависит от тока, но в реальности дела несколько отличаются. Это связано с дифференциальным сопротивлением диода и его тепловыми потерями.

Светодиод – прибор, который питается током, а не напряжением. Соответственно, для регулировки его яркости нужно изменять силу тока.

Разумеется, что сила тока зависит от приложенного напряжения, но как вы можете судить из первого графика, даже незначительное изменение напряжения влечет за собой несоизмеримое увеличение тока.

Поэтому регулирование яркости с помощью простого реостата – занятие бесполезное. В такой схеме, при уменьшении сопротивления реостата светодиод внезапно загорится, а после его яркость незначительно возрастет, далее, при чрезмерном приложенном напряжении, он начнет сильно греется и выйдет из строя.

Отсюда выходит задание: Регулировать ток при определенном значении напряжения с незначительным его изменением.

Способы регулирования яркости светодиодов: линейные «аналоговые» регуляторы

Первое что приходит в голову это использовать биполярный транзистор, ведь его выходной ток (коллектора) зависит от входного тока (базы), включенного по схеме общего коллектора. Мы уже рассматривали их работу в большой статье о биполярных транзисторах.

Вы изменяете ток базы изменяя падение напряжения на переходе эмиттер-база с помощью потенциометра R2, резисторы R1 и R3 нужны для ограничения тока при максимально открытом транзисторе рассчитываются исходя из формулы:

R=(Uпитания-Uпадения на светодиодах-Uпадения на транзисторе)/Iсвет.

ном.

Эту схему я проверял, она неплохо регулирует ток через светодиоды и яркость свечения, но заметна некоторая ступенчатость на определенных положениях потенциометра, возможно это связано с тем, что потенциометр был логарифмическим, а возможно из-за того что любой pn-переход транзистора это тот же диод с такой же ВАХ.

Лучше для этой задачи подойдет схема стабилизатора тока на регулируемом стабилизаторе LM317, хотя её чаще применяют в роли стабилизатора напряжения.

Её можно и использовать для получения фиксированного тока при постоянном напряжении. Это особенно полезно при подключении светодиодов к бортовой сети автомобиля, где напряжение в сети при заглушенном двигателе около 11.7-12В, а при заведенном доходит до 14.7В, разница более чем в 10%. Также отлично работает и при питании от блока питания.

Расчёт выходного тока достаточно прост:

Получается достаточно компактное решение:

Этот способ не отличается высоким КПД, он зависит от разницы напряжений между входом стабилизатора и его выходом.

Всё напряжение «сгорает» на LM-ке. Потери мощности здесь определяются по формуле:

Чтобы повысить эффективность работы регулятора, нужен кардинально другой подход – импульсный регулятор или ШИМ-регулятор.

Способы регулирования яркости: ШИМ-регулировка

ШИМ расшифровывается, как «широтно-импульсная модуляция». В её основе лежит включение и выключение питания нагрузки на высокой скорости. Таким образом, мы получаем изменение тока через светодиод, поскольку каждый раз на него подается полное напряжение, необходимое для его открытия. Он быстро включается и отключается на полную яркость, но из-за инерционности зрения мы этого не замечаем и это выглядит как снижение яркости.

При таком подходе источник света может выдавать пульсации, не рекомендуется использовать источники света с пульсациями более 10%. Подробные значения для каждого вида помещений описаны в СНИП-23-05-95 (или 2010).

Работа под пульсирующим светом вызывает повышенную утомляемость, головные боли, а также может вызвать стробоскопический эффект, когда вращающиеся детали кажутся неподвижными.

Это недопустимо при работе на токарных станках, с дрелями и прочим.

Схем и вариантов исполнения ШИМ-регуляторов великое множество, поэтому все их перечислять бессмысленно. Простейший вариант – это собрать ШИМ-контроллер на базе микросхемы-таймера NE555. Это популярная микросхема. Ниже вы видите схему такого светодиодного диммера:

А вот фактически это одна и та же схема, разница в том, что здесь исключен силовой транзистор и она подходит для регулировки 1-2 маломощных светодиодов с током в пару десятков миллиампер. Также из неё исключен стабилизатор напряжения для 555-микросхемы.

Как регулировать яркость светодиодных ламп на 220В

Ответ на этот вопрос простой: обычные светодиодные лампы практически не регулируются – т.е. никак. Для этого продаются специальные диммируемые светодиодные лампы, об этом написано на упаковке или нарисован значок диммера.

Пожалуй, самый широкий модельный ряд диммируемых светодиодных ламп представлен у фирмы GAUSS – разных форм, исполнений и цоколей.

Почему нельзя диммировать светодиодные лампы 220В

Дело в том, что схема питания обычных светодиодных ламп построена либо на базе балластного (конденсаторного) блока питания. Либо на схеме простейшего импульсного понижающего преобразователя первого рода. 220В диммеры в свою очередь просто регулируют действующее значение напряжения.

Различают такие диммеры по фронту работы:

1. Диммеры срезающие передний фронт полуволны (leading edge). Именно такие схемы чаще всего встречаются в бытовых регуляторах. Вот график их выходного напряжения:

2. Диммеры срезающие задний фронт полуволны (Falling Edge). Различные источники утверждают, что такие регуляторы лучше работают как с обычными, так и с диммируемыми светодиодными лампами. Но встречаются они гораздо реже.

Обычные светодиодные лампы практически не будут изменять яркость с таким диммером, к тому же это может ускорить их выход из строя. Эффект такой же, как и в схеме с реостатом, приведенной в предыдущем разделе статьи.

Стоит отметить, что большинство дешевых регулируемых LED-ламп ведут себя точно также, как и обычные, а стоят дороже.

Регулировка яркости светодиодных ламп – рациональное решение 12В

Светодиодные лампы на 12В широко распространены в цоколях для точечных светильников, например G4, GX57, G5.3 и другие. Дело в том, что зачастую в этих лампах отсутствует схема питания как таковая. Хотя в некоторых установлен на входе диодный мост и фильтрующий конденсатор, но это не влияет на возможность регулирования.

Это значит, что можно регулировать такие лампочки с помощью ШИМ-регулятора.

Таким же образом, как и регулируют яркость LED-ленты. Простейший вариант регулятора, вот такой вот на проводках, в магазинах они обычно называются как: «12-24В диммер для светодиодной ленты».

Они выдерживают, в зависимости от модели, порядка 10 Ампер. Если вам нужно использовать в красивой форме, т.е. встроить вместо обычного выключателя, то в продаже можно найти такие сенсорные 12В диммеры, или варианты с вращающейся ручкой.

Вот пример использования такого решения:

Ранее применялись галогеновые лампы на 12В их питали от электронных трансформаторов, и это было отличным решением. 12 вольт – это безопасное напряжение. Чтобы запитать эти лампы на 12В электронный трансформатор не подойдет, нужен блок питания для светодиодных лент. В принципе, переделка освещения с галогеновых на светодиодные лампы в этом и заключается.

Заключение

Самым разумным решением регулирования яркости светодиодного освещения является использовании 12В ламп или светодиодных лент. При понижении яркости возможно мерцание света, для этого можно попробовать использовать другой драйвер, а если вы делаете шим-регулятор своими руками – увеличить частоту ШИМ.

Rich Rosen, National Semiconductor

Введение

Экспоненциальный рост количества светодиодных источников света сопровождается столь же бурным расширением ассортимента интегральных схем, предназначенных для управления питанием светодиодов.

Импульсные драйверы светодиодов давно заменили неприемлемые для озабоченного экономией энергии мира прожорливые линейные регуляторы, став для отрасли фактическим стандартом. Любые приложения, от ручного фонарика до информационных табло на стадионах, требуют точного управления стабилизированным током. При этом часто бывает необходимо в реальном времени изменять интенсивность излучения светодиодов. Управление яркостью источников света, и, в частности, светодиодов, называется диммированием. В данной статье излагаются основы теории светодиодов и описываются наиболее популярные методы диммирования с помощью импульсных драйверов.

Яркость и цветовая температура светодиодов

Яркость светодиодов

Концепцию яркости видимого сета, испускаемого светодиодом, понять довольно легко. Числовое значение воспринимаемой яркости излучения светодиода может быть легко измерено в единицах поверхностной плотности светового потока, называемых кандела (кд). Суммарная мощность светового излучения светодиода выражается в люменах (лм).

Важно понимать, также, что яркость светодиода зависит от средней величины прямого тока.

На Рисунке 1 изображен график зависимости светового потока некоторого светодиода от прямого тока. В области используемых значений прямых токов (IF) график исключительно линеен. Нелинейность начинает проявляться при увеличении IF. При выходе тока за пределы линейного участка эффективность светодиода уменьшается.

Рисунок 1. Зависимость светового потока от тока через светодиод.

При работе вне линейной области значительная часть подводимой к светодиоду мощности рассеивается в виде тепла. Это потраченное впустую тепло перегружает драйвер светодиода и усложняет тепловой расчет конструкции.

Цветовая температура светодиодов

Цветовая температура является параметром, характеризующим цвет светодиода, и указывается в справочных данных. Цветовая температура конкретного светодиода описывается диапазоном значений и смещается при изменении прямого тока, температуры перехода, а также, по мере старения прибора. Чем ниже цветовая температура светодиода, тем ближе его свечение к красно-желтому цвету, называемому «теплым». Более высоким цветовым температурам соответствуют сине-зеленые цвета, называемые «холодными». Нередко для цветных светодиодов вместо цветовой температуры указывается доминирующая длина волны, которая может смещаться точно также, как цветовая температура.

Способы управления яркостью свечения светодиодов

Существуют два распространенных способа управления яркостью (диммирования) светодиодов в схемах с импульсными драйверами: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и аналоговое регулирование. Оба способа сводятся, в конечном счете, к поддержанию определенного уровня среднего тока через светодиод, или цепочку светодиодов. Ниже мы обсудим различия этих способов, оценим их преимущества и недостатки.

На Рисунке 2 изображена схема импульсного драйвера светодиода в конфигурации понижающего преобразователя напряжения. Напряжение VIN в такой схеме всегда должно превышать сумму напряжений на светодиоде и резисторе RSNS. Ток дросселя целиком протекает через светодиод и резистор RSNS, и регулируется напряжением, подаваемым с резистора на вывод CS. Если напряжение на выводе CS начинает опускаться ниже установленного уровня, коэффициент заполнения импульсов тока, протекающего через L1, светодиод и RSNS увеличивается, вследствие чего увеличивается средний ток светодиода.

Рисунок 2. Топология понижающего преобразователя.

Аналоговое диммирование

Аналоговое диммирование – это поцикловое управление прямым током светодиода. Проще говоря, это поддержание тока светодиода на постоянном уровне. Аналоговое диммирование выполняется либо регулировкой резистора датчика тока RSNS, либо изменением уровня постоянного напряжения, подаваемого на вывод DIM (или аналогичный вывод) драйвера светодиодов. Оба примера аналогового управления показаны на Рисунке 2.

Аналоговое диммирование регулировкой RSNS

Из Рисунка 2 видно, что при фиксированном опорном напряжении на выводе CS изменение величины RSNS вызывает соответствующее изменение тока светодиода. Если бы было возможно найти потенциометр с сопротивлением менее одного Ома, способный выдержать большие токи светодиода, такой способ диммирования имел бы право на существование.

Аналоговое диммирование с помощью управления напряжением питания через вывод CS

Более сложный способ предполагает прямое поцикловое управление током светодиода с помощью вывода CS. Для этого, в типичном случае, в петлю обратной связи включается источник напряжения, снимаемого с датчика тока светодиода и буферизованного усилителем (Рисунок 2). Для регулировки тока светодиода можно управлять коэффициентом передачи усилителя. В эту схему обратной связи несложно ввести дополнительную функциональность, такую, например, как токовую и температурную защиту.

Недостатком аналогового диммирования является то, что цветовая температура излучаемого света может зависеть от прямого тока светодиода. В тех случаях, когда изменение цвета свечения недопустимо, диммирование светодиода регулированием прямого тока применяться не может.

Диммирование с помощью ШИМ

Диммирование с помощью ШИМ заключается в управлении моментами включения и выключения тока через светодиод, повторяемыми с достаточно высокой частотой, которая, с учетом физиологии человеческого глаза, не должна быть меньше 200 Гц. В противном случае, может проявляться эффект мерцания.

Средний ток через светодиод теперь становится пропорциональным коэффициенту заполнения импульсов и выражается формулой:

IDIM-LED – средний ток через светодиод,
DDIM – коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
ILED – номинальный ток светодиода, устанавливаемый выбором величины сопротивления RSNS (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Двухпроводное ШИМ диммирование.

Модуляция драйвера светодиодов

Многие современные драйверы светодиодов имеют специальный вход DIM, на который можно подавать ШИМ сигналы в широким диапазоне частот и амплитуд. Вход обеспечивает простой интерфейс со схемами внешней логики, позволяя включать и выключать выход преобразователя без задержек на перезапуск драйвера, не затрагивая при этом работы остальных узлов микросхемы. С помощью выводов разрешения выхода и вспомогательной логики можно реализовать ряд дополнительных функций.

Двухпроводное ШИМ-диммирование

Двухпроводное ШИМ-диммирование приобрело популярность в схемах внутренней подсветки автомобилей. Если напряжение на выводе VINS становится на 70% меньше, чем на VIN (Рисунок 3), работа внутреннего силового MOSFET транзистора запрещается, и ток через светодиод выключается. Недостаток метода заключается в необходимости иметь схему формирователя сигнала ШИМ в источнике питания преобразователя.

Быстрое ШИМ-диммирование с шунтирующим устройством

Запаздывание моментов включения и выключения выхода конвертора ограничивает частоту ШИМ и диапазон изменения коэффициента заполнения. Для решения этой проблемы параллельно светодиоду, или цепочке светодиодов, можно подключить шунтирующее устройство, такое, скажем, как MOSFET транзистор, показанный на Рисунке 4а, позволяющий быстро пустить выходной ток преобразователя в обход светодиода (светодиодов).

а)
б)
Рисунок 4. Быстрое ШИМ диммирование (а), формы токов и напряжений (б).

Ток дросселя на время выключения светодиода остается непрерывным, благодаря чему нарастание и спад тока перестают затягиваться. Теперь время нарастания и спада ограничивается только характеристиками MOSFET транзистора. На Рисунке 4а изображена схема подключения шунтирующего транзистора к светодиоду, управляемому драйвером LM3406, а на Рисунке 4б показаны осциллограммы, иллюстрирующие различие результатов, получаемых при диммировании с использованием вывода DIM (сверху), и при подключении шунтирующего транзистора (внизу). В обоих случаях выходная емкость равнялась 10 нФ. Шунтирующий MOSFET транзистор типа Si3458.

При шунтировании тока светодиодов, управляемых преобразователями со стабилизаций тока, надо учитывать возможность возникновения бросков тока при включении MOSFET транзистора. В семействе драйверов светодиодов LM340x предусмотрено управление временем включения преобразователей, что позволяет решить проблему выбросов. Для сохранения максимальной скорости включения/выключения емкость между выводами светодиода должна быть минимальной.

Существенным недостатком быстрого ШИМ-диммирования, по сравнению с методом модуляции выхода преобразователя, является снижение КПД. При открытом шунтирующем приборе на нем рассеивается мощность, выделяющаяся в виде тепла. Для снижения таких потерь следует выбирать MOSFET транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала RDS-ON.

Многорежимный диммер LM3409

National Semiconductor выпускает уникальный многорежимный драйвер светодиодов LM3409, предназначенный как для аналогового, так и ШИМ регулирования яркости. Диммирование может осуществляться одним из четырех способов:

  1. Аналоговое регулирование прямой подачей напряжения 0 … 1.24 В на вывод IADJ.
  2. Аналоговое регулирование с помощью потенциометра, подключенного между выводом IADJ и «землей».
  3. ШИМ регулирование с помощью вывода EN.
  4. ШИМ регулирование с помощью шунтирующего MOSFET транзистора.

На Рисунке 5 показана схема включения LM3409 для управления яркостью с помощью потенциометра. Внутренний источник тока 5 мкА создает падение напряжения на сопротивлении RADJ, которое, в свою очередь, влияет на внутренний порог схемы измерения тока светодиода. С точно таким же эффектом можно управлять микросхемой, непосредственно подавая постоянное напряжение на вывод IADJ.

Рисунок 5. Аналоговое управление яркостью.

Рисунок 6 демонстрирует зависимость измеренного тока светодиода от сопротивления включенного между IADJ и «землей» потенциометра. Плато на уровне 1 А в верхней части графика определяется величиной показанного на Рисунке 4 резистора RSNS, задающего максимальный номинальный ток светодиода.

Рисунок 6. Зависимость тока светодиода от сопротивления потенциометра.

На Рисунке 7 изображена зависимость измеренного тока светодиода от постоянного напряжения, приложенного к выводу IADJ. Заметим, что максимальный ток здесь также определяется величиной RSNS.

Рисунок 7. Зависимость тока светодиода от напряжения на выводе IADJ.

Обе аналоговые технологии диммирования просты в реализации и позволяют с очень высокой линейностью регулировать яркость свечения, вплоть до уровня 10% от максимума.

Заключение

Регулировать яркость свечения светодиодов, питающихся от импульсных преобразователей, можно различными способами. Для каждого из двух основных методов, ШИМ и аналогового, характерны свои достоинства и недостатки. Ценою использования дополнительной логики, ШИМ регулирование значительно уменьшает вариации цвета светодиода при изменении яркости. Схемотехника аналогового диммирования проще, но неприменима там, где требуется поддержания постоянной цветовой температуры.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Rich Rosen, National Semiconductor

Введение

Экспоненциальный рост количества светодиодных источников света сопровождается столь же бурным расширением ассортимента интегральных схем, предназначенных для управления питанием светодиодов. Импульсные драйверы светодиодов давно заменили неприемлемые для озабоченного экономией энергии мира прожорливые линейные регуляторы, став для отрасли фактическим стандартом. Любые приложения, от ручного фонарика до информационных табло на стадионах, требуют точного управления стабилизированным током. При этом часто бывает необходимо в реальном времени изменять интенсивность излучения светодиодов. Управление яркостью источников света, и, в частности, светодиодов, называется диммированием. В данной статье излагаются основы теории светодиодов и описываются наиболее популярные методы диммирования с помощью импульсных драйверов.

Яркость и цветовая температура светодиодов

Яркость светодиодов

Концепцию яркости видимого сета, испускаемого светодиодом, понять довольно легко. Числовое значение воспринимаемой яркости излучения светодиода может быть легко измерено в единицах поверхностной плотности светового потока, называемых кандела (кд). Суммарная мощность светового излучения светодиода выражается в люменах (лм). Важно понимать, также, что яркость светодиода зависит от средней величины прямого тока.

На Рисунке 1 изображен график зависимости светового потока некоторого светодиода от прямого тока. В области используемых значений прямых токов (IF) график исключительно линеен. Нелинейность начинает проявляться при увеличении IF. При выходе тока за пределы линейного участка эффективность светодиода уменьшается.

Рисунок 1. Зависимость светового потока от тока через светодиод.

При работе вне линейной области значительная часть подводимой к светодиоду мощности рассеивается в виде тепла. Это потраченное впустую тепло перегружает драйвер светодиода и усложняет тепловой расчет конструкции.

Цветовая температура светодиодов

Цветовая температура является параметром, характеризующим цвет светодиода, и указывается в справочных данных. Цветовая температура конкретного светодиода описывается диапазоном значений и смещается при изменении прямого тока, температуры перехода, а также, по мере старения прибора. Чем ниже цветовая температура светодиода, тем ближе его свечение к красно-желтому цвету, называемому «теплым». Более высоким цветовым температурам соответствуют сине-зеленые цвета, называемые «холодными». Нередко для цветных светодиодов вместо цветовой температуры указывается доминирующая длина волны, которая может смещаться точно также, как цветовая температура.

Способы управления яркостью свечения светодиодов

Существуют два распространенных способа управления яркостью (диммирования) светодиодов в схемах с импульсными драйверами: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и аналоговое регулирование. Оба способа сводятся, в конечном счете, к поддержанию определенного уровня среднего тока через светодиод, или цепочку светодиодов. Ниже мы обсудим различия этих способов, оценим их преимущества и недостатки.

На Рисунке 2 изображена схема импульсного драйвера светодиода в конфигурации понижающего преобразователя напряжения. Напряжение VIN в такой схеме всегда должно превышать сумму напряжений на светодиоде и резисторе RSNS. Ток дросселя целиком протекает через светодиод и резистор RSNS, и регулируется напряжением, подаваемым с резистора на вывод CS. Если напряжение на выводе CS начинает опускаться ниже установленного уровня, коэффициент заполнения импульсов тока, протекающего через L1, светодиод и RSNS увеличивается, вследствие чего увеличивается средний ток светодиода.

Рисунок 2. Топология понижающего преобразователя.

Аналоговое диммирование

Аналоговое диммирование – это поцикловое управление прямым током светодиода. Проще говоря, это поддержание тока светодиода на постоянном уровне. Аналоговое диммирование выполняется либо регулировкой резистора датчика тока RSNS, либо изменением уровня постоянного напряжения, подаваемого на вывод DIM (или аналогичный вывод) драйвера светодиодов. Оба примера аналогового управления показаны на Рисунке 2.

Аналоговое диммирование регулировкой RSNS

Из Рисунка 2 видно, что при фиксированном опорном напряжении на выводе CS изменение величины RSNS вызывает соответствующее изменение тока светодиода. Если бы было возможно найти потенциометр с сопротивлением менее одного Ома, способный выдержать большие токи светодиода, такой способ диммирования имел бы право на существование.

Аналоговое диммирование с помощью управления напряжением питания через вывод CS

Более сложный способ предполагает прямое поцикловое управление током светодиода с помощью вывода CS. Для этого, в типичном случае, в петлю обратной связи включается источник напряжения, снимаемого с датчика тока светодиода и буферизованного усилителем (Рисунок 2). Для регулировки тока светодиода можно управлять коэффициентом передачи усилителя. В эту схему обратной связи несложно ввести дополнительную функциональность, такую, например, как токовую и температурную защиту.

Недостатком аналогового диммирования является то, что цветовая температура излучаемого света может зависеть от прямого тока светодиода. В тех случаях, когда изменение цвета свечения недопустимо, диммирование светодиода регулированием прямого тока применяться не может.

Диммирование с помощью ШИМ

Диммирование с помощью ШИМ заключается в управлении моментами включения и выключения тока через светодиод, повторяемыми с достаточно высокой частотой, которая, с учетом физиологии человеческого глаза, не должна быть меньше 200 Гц. В противном случае, может проявляться эффект мерцания.

Средний ток через светодиод теперь становится пропорциональным коэффициенту заполнения импульсов и выражается формулой:

IDIM-LED – средний ток через светодиод,
DDIM – коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
ILED – номинальный ток светодиода, устанавливаемый выбором величины сопротивления RSNS (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Двухпроводное ШИМ диммирование.

Модуляция драйвера светодиодов

Многие современные драйверы светодиодов имеют специальный вход DIM, на который можно подавать ШИМ сигналы в широким диапазоне частот и амплитуд. Вход обеспечивает простой интерфейс со схемами внешней логики, позволяя включать и выключать выход преобразователя без задержек на перезапуск драйвера, не затрагивая при этом работы остальных узлов микросхемы. С помощью выводов разрешения выхода и вспомогательной логики можно реализовать ряд дополнительных функций.

Двухпроводное ШИМ-диммирование

Двухпроводное ШИМ-диммирование приобрело популярность в схемах внутренней подсветки автомобилей. Если напряжение на выводе VINS становится на 70% меньше, чем на VIN (Рисунок 3), работа внутреннего силового MOSFET транзистора запрещается, и ток через светодиод выключается. Недостаток метода заключается в необходимости иметь схему формирователя сигнала ШИМ в источнике питания преобразователя.

Быстрое ШИМ-диммирование с шунтирующим устройством

Запаздывание моментов включения и выключения выхода конвертора ограничивает частоту ШИМ и диапазон изменения коэффициента заполнения. Для решения этой проблемы параллельно светодиоду, или цепочке светодиодов, можно подключить шунтирующее устройство, такое, скажем, как MOSFET транзистор, показанный на Рисунке 4а, позволяющий быстро пустить выходной ток преобразователя в обход светодиода (светодиодов).

а)
б)
Рисунок 4. Быстрое ШИМ диммирование (а), формы токов и напряжений (б).

Ток дросселя на время выключения светодиода остается непрерывным, благодаря чему нарастание и спад тока перестают затягиваться. Теперь время нарастания и спада ограничивается только характеристиками MOSFET транзистора. На Рисунке 4а изображена схема подключения шунтирующего транзистора к светодиоду, управляемому драйвером LM3406, а на Рисунке 4б показаны осциллограммы, иллюстрирующие различие результатов, получаемых при диммировании с использованием вывода DIM (сверху), и при подключении шунтирующего транзистора (внизу). В обоих случаях выходная емкость равнялась 10 нФ. Шунтирующий MOSFET транзистор типа Si3458.

При шунтировании тока светодиодов, управляемых преобразователями со стабилизаций тока, надо учитывать возможность возникновения бросков тока при включении MOSFET транзистора. В семействе драйверов светодиодов LM340x предусмотрено управление временем включения преобразователей, что позволяет решить проблему выбросов. Для сохранения максимальной скорости включения/выключения емкость между выводами светодиода должна быть минимальной.

Существенным недостатком быстрого ШИМ-диммирования, по сравнению с методом модуляции выхода преобразователя, является снижение КПД. При открытом шунтирующем приборе на нем рассеивается мощность, выделяющаяся в виде тепла. Для снижения таких потерь следует выбирать MOSFET транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала RDS-ON.

Многорежимный диммер LM3409

National Semiconductor выпускает уникальный многорежимный драйвер светодиодов LM3409, предназначенный как для аналогового, так и ШИМ регулирования яркости. Диммирование может осуществляться одним из четырех способов:

  1. Аналоговое регулирование прямой подачей напряжения 0 … 1.24 В на вывод IADJ.
  2. Аналоговое регулирование с помощью потенциометра, подключенного между выводом IADJ и «землей».
  3. ШИМ регулирование с помощью вывода EN.
  4. ШИМ регулирование с помощью шунтирующего MOSFET транзистора.

На Рисунке 5 показана схема включения LM3409 для управления яркостью с помощью потенциометра. Внутренний источник тока 5 мкА создает падение напряжения на сопротивлении RADJ, которое, в свою очередь, влияет на внутренний порог схемы измерения тока светодиода. С точно таким же эффектом можно управлять микросхемой, непосредственно подавая постоянное напряжение на вывод IADJ.

Рисунок 5. Аналоговое управление яркостью.

Рисунок 6 демонстрирует зависимость измеренного тока светодиода от сопротивления включенного между IADJ и «землей» потенциометра. Плато на уровне 1 А в верхней части графика определяется величиной показанного на Рисунке 4 резистора RSNS, задающего максимальный номинальный ток светодиода.

Рисунок 6. Зависимость тока светодиода от сопротивления потенциометра.

На Рисунке 7 изображена зависимость измеренного тока светодиода от постоянного напряжения, приложенного к выводу IADJ. Заметим, что максимальный ток здесь также определяется величиной RSNS.

Рисунок 7. Зависимость тока светодиода от напряжения на выводе IADJ.

Обе аналоговые технологии диммирования просты в реализации и позволяют с очень высокой линейностью регулировать яркость свечения, вплоть до уровня 10% от максимума.

Заключение

Регулировать яркость свечения светодиодов, питающихся от импульсных преобразователей, можно различными способами. Для каждого из двух основных методов, ШИМ и аналогового, характерны свои достоинства и недостатки. Ценою использования дополнительной логики, ШИМ регулирование значительно уменьшает вариации цвета светодиода при изменении яркости. Схемотехника аналогового диммирования проще, но неприменима там, где требуется поддержания постоянной цветовой температуры.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Факты о регулировании яркости. Регулировка яркости: будущее и настоящее

Настоящая статья посвящена прямому фазовому регулированию яркости в светодиодных осветительных системах. В нашу задачу не входит рассмотрение широкого ассортимента сетевых систем — в частности, DMX, DALI, управляющих сетей на диапазоны напряжений 0-10 или 1-10 В постоянного тока и театральных систем. Главным образом это обусловлено наличием большого количества литературы по использованию светодиодной аппаратуры в сетевом регулировании, а вот повсеместно распространенным одно-канальным настенным регуляторам, на долю которых приходится свыше 95% существующей бытовой и промышленной инфраструктуры регулирования яркости, внимания уделяется недостаточно. Те, кому знакома данная тематика, осведомлены о необходимости корректировать коэффициент мощности, обеспечивать высокий КПД и стабильную работу, но трудности, сопряженные с достижением этих целей, не слишком хорошо изучены.

Одноканальные фазовые регуляторы яркости весьма популярны. По данным исследований, проведенных почти девять лет назад, только в США насчитывалось 4 млрд ламп накаливания и свыше 150 млн традиционных регуляторов яркости. По прогнозам, их количество в бытовых и промышленных зданиях еще долго будет продолжать увеличиваться. Этот рост обусловлен двумя причинами: во-первых, желанием улучшить эстетику помещений, а во-вторых, возможностью сэкономить энергию за счет снижения яркости. Правительства различных стран мира, основываясь на экологических соображениях, движутся к законодательному запрету традиционных ламп накаливания и флуоресцентных ламп, а светодиодные лампы, которые придут им на смену, будут устанавливаться в те же самые патроны. Последнее обстоятельство необходимо подчеркнуть, так как с наибольшей вероятностью в конкретной осветительной системе будет заменяться тот светильник, который важнее всего для потребителя, а многие из таких светильников подключены через одноканальный регулятор яркости того или иного рода. Традиционный настенный регулятор, нагрузкой которого служит лампа накаливания, работает плавно и имеет привлекательный внешний вид. Он эстетичен и недорог в изготовлении. Такова планка, которую должны взять, а впоследствии и перешагнуть разработчики регуляторов яркости светодиодных светильников, чтобы их в полной мере приняли конечные потребители.

К сожалению, зачастую светодиодные светильники с регулированием яркости не отличаются столь высокими потребительскими качествами, и даже существенная экономия электроэнергии не делает их привлекательными для пользователей. Критерии стандарта Energy Star (США) предписывают поставщикам светодиодных ламп предоставлять списки совместимых регуляторов яркости, что служит достаточным доказательством далеко не идеальной совместимости таких ламп с традиционными инструментами управления.

В настоящее время используется два основных типа фазовых регуляторов яркости (принцип действия которых основан на вырезании определенных участков каждого полупериода переменного тока): переднефрон-товые (LEDIM) и заднефронтовые (TEDIM) (рис. 1а-в). LEDIM популярны главным образом в Северной Америке, TEDIM — в странах ЕС и остальном мире; предполагается, что они лучше работают с низковольтными галогенными лампами, оснащенными электронными трансформаторами. В переднефронто-вых регуляторах в качестве активных элементов обычно используются симметричные тиристоры (тринистор или тринистор/ динистор), а устройство заднефронтовых регуляторов обычно сложнее, и активными элементами в них служат полевые МОП-транзисторы или БТИЗ. Можно сказать, что у LEDIM активным является выключенное состояние, а у TEDIM — включенное (относительно начала полупериода). Амплитуда выбросов и результирующий уровень высокочастотных шумов у заднефронтового регулятора несколько меньше (радиочастотные шумы и ЭМП в активном состоянии), так как он выключается, а не включается.

Рис. 1. Фазовые регуляторы яркости. Эффективное регулирование яркости светодиодных ламп

В общем случае для осветительной аппаратуры, включая светодиодные светильники и лампы, определены четкие стандарты на электрические характеристики, расчетный срок службы, температуру и светораспределение, которые вырабатываются и продвигаются сторонними сертифицирующими организациями. В число таких стандартов входят IES LM-79 и LM-80 (современное название, используемое Министерством энергетики США, — Energy Star). Однако аналогичные стандарты на фактические характеристики регулирования в рабочем диапазоне отсутствуют.

За практический образец в отрасли по-прежнему принимается поведение типичного регулятора с нагрузкой в виде лампы накаливания. Его характеристика представляется наиболее «правильной» для психовизуального восприятия среднестатистического пользователя в части относительной линейности и плавности работы. Такому плавному регулированию без мерцания способствует тепловая инерция нити накаливания и инерционность человеческого зрения. В действительности соотношение между выходной мощностью излучения лампы и зрительной реакцией человека при уменьшении яркости лампы накаливания с номинальной до нулевой представляет собой логарифмическую кривую. Но многие светодиодные светильники при уменьшении яркости могут полностью гаснуть уже на уровне 10-20% по шкале регулирования ввиду практических ограничений, налагаемых требованиями к минимальному напряжению источника питания. Более того, при низких уровнях мощности диапазон регулирования может содержать переходный участок, в котором наблюдается мерцание или видимое ступенчатое изменение яркости, обусловленное увеличением шага регулирования, как это происходит в стандартной системе с ШИМ. В действительности шаг ШИМ-регулирования везде одинаков, но нашему зрительному восприятию он представляется растущим (сравнение между воспринимаемым уровнем освещенности и абсолютной мощностью или абсолютным уровнем освещенности, рис. 12). В сравнении с идеалом такое поведение регулятора отвлекает и представляется неприемлемым.

Возьмем для примера рестораны. Это типичные пользователи регуляторов яркости: нормой в ресторанах является приглушенный свет с яркостью около 20% от максимальной, создающий традиционную «интимную» атмосферу. Рестораны используют практически театральный подход, устраивая зоны высокого яркостного контраста за счет тусклого фона между столиками и ярких островков света, которые создаются стоящими на столиках лампами или свечами. После закрытия и во время рабочего дня им также может потребоваться максимально яркое освещение для уборки и подготовки к новому дню. Еще один пример — кинотеатры. На них распространяются нормы безопасности, предписывающие четкие минимумы и максимумы освещенности, а также строительные нормы и правила. Именно в этой «нормальной» зоне малой яркости начинают проявляться недостатки ШИМ-регулирования, когда кончается запас по разрядам и начинаются крупные ступенчатые переходы, приводящие к мерцанию и резким изменениям яркости свечения (рис. 2).

Рис. 2. Разрешение ШИМ в нижней части диапазона регулирования

Наиболее элегантным решением является интеллектуальное линейное регулирование яркости. Этот метод отличается совместимостью со всеми типами и марками регуляторов, а также значительно упрощает соблюдение норм стандарта Energy Star за счет возможности плавного управления яркостью во всем диапазоне. В настоящее время стандарт Energy Star не содержит никаких конкретных указаний, кроме требования привести список марок и моделей совместимого оборудования. Преимущество одного такого собственнического подхода, предлагаемого компанией Light-Based Technologies, состоит в возможности программного масштабирования отклика лампы, которое обеспечивает более точное и повторяемое регулирование на конкретном участке диапазона. Смена режимов при использовании обыкновенного регулятора яркости от стороннего производителя достигается за счет регистрации изменения параметров регулятора при коротких, повторяющихся или конкретных перемещениях его органа управления. Например, быстрое движение вверх и вниз за время менее одной секунды переводит устройство в другой фиксированный режим работы — режим B (40% от максимальной яркости в максимальном положении ручки регулятора или при полном обороте ручки по часовой стрелке и против нее). На рис. 3 показано, как включение этой фирменной функции увеличивает разрешающую способность на нижнем участке таким образом, что нижние 20-50% диапазона регулирования распределяются по всему диапазону положений электромеханического органа управления (роль которого может исполнять поворотный или движковый потенциометр, емкостной датчик или сенсорный интерфейс). Работа этой функции не зависит от типа используемого входного устройства или регулятора. Она обеспечивает гораздо более точное управление в случаях, когда обычным является малый уровень яркости.

Рис. 3. Растянутый диапазон регулирования

Еще один класс решений, связанных с рациональным линейным регулированием яркости, предполагает наличие нескольких характеристических кривых, в том числе логарифмической, линейной и заданной пользователем. Выбор требуемой характеристики производится так, как описано в предыдущем абзаце. На рис. 3 показаны три S-образные характеристические кривые с разными максимальными уровнями яркости, воспроизводящие поведение лампы накаливания. Например, режим C лучше всего подойдет для использования в ресторанах во время рабочего дня, а режим A — для уборки после закрытия и утренней подготовки. Режим C позволит создать в заведении желаемую атмосферу, манипулируя уровнями освещенности.

Привлекательная особенность линейного регулирования — меньший ток в том же диапазоне напряжений, чем при широтно-импульсной модуляции, которая работает за счет изменения коэффициента заполнения, а следовательно, и среднего тока. Итогом является более низкое энергопотребление, больший КПД и меньшее прямое напряжение (рис. 4).

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Рис. 5. Сравнение световой отдачи для линейного и ШИМ-регулирования при низких уровнях электрической мощности (данные по светодиодам Luxeon Rebel)

Интеллектуальное линейное регулирование как общий метод имеет и другие преимущества, особенно применительно к изменению яркости на низких уровнях. Хорошо известный эффект «просадки» эффективности излучения светодиода, возникающий при больших значениях тока, в данном случае отсутствует благодаря реальному снижению мгновенных значений тока через р-п-переход. Это существенное улучшение: оно соответствует 30-40%-ному приросту общего светового выхода на нижнем участке диапазона регулирования яркости лампы (рис. 6). Данный режим работы отличается также большей экономичностью за счет самых низких уровней яркости в сравнении с традиционными режимами ШИМ-регулирования.

Рис. 6. Преимущество линейного регулирования на вторичной стороне

На рис. 5 представлен более конкретный анализ КПД. Он четко демонстрирует разницу в общей световой отдаче типичного светодиода Luxeon Rebel в случае линейного и ШИМ-регулирования при типовом пониженном уровне электрической мощности, равном 20%. Влияние просадки тока на общую световую отдачу светодиода здесь значительно более выражено (в предположении постоянной температуры р-п-перехода). В обеих системах установлен эффективный уровень электрической мощности 20%, но при этом световая отдача системы с линейным регулированием (коэффициент заполнения 100%, ток 150 мА) оказывается на 30% выше, чем у системы с ШИМ-регулированием (коэффициент заполнения 20%, ток 750 мА).

Линейное регулирование

В большинстве импульсных источников питания и схем управления светодиодами первичная и вторичная стороны (последних может быть несколько) электрически/физически отделены друг от друга трансформатором или обратноходовым дросселем.

Почти все крупные компании — производители полупроводниковых компонентов, производящие ИС источников питания и управления светодиодами, используют одну и ту же технику регулирования — а именно регулирование на первичной стороне. Однако прямое управление на вторичной стороне для таких компонентов обладает множеством практических преимуществ, что демонстрирует технология LB4 компании Light-Based Technologies.

На рис. 6 можно видеть, что при топологии с ШИМ-регулированием воспринимаемая яркость свечения составляет 20% при фактической мощности 5%. Подход с линейным регулированием позволяет добиться близкой к нулю воспринимаемой яркости свечения при уменьшении фактической мощности до нуля. Это позволило бы на практике реализовать диапазон регулирования от 100 до 10%, который обычно заявляется в технических характеристиках ШИМ-регуляторов.

Очевидно, что соотношение между измеренным значением светового выхода и воспринимаемой яркостью достаточно линейное, со значением показателя 0,5 в формуле степенного закона Стивенса. Также компания Light-Based Technologies применяет метод, предусматривающий передачу актуальной управляющей информации с первичной стороны на вторичную, что обеспечивает возможность регулирования с малой задержкой или в реальном масштабе времени (в отношении данного метода подана заявка на патент). Контроллер с прямой нагрузкой на вторичной стороне также позволяет точно устанавливать ток нагрузки и минимальное напряжение, причем только когда это необходимо. Рис. 7 демонстрирует, в частности, повышенное разрешение в нижней части диапазона регулирования и меньшую потребную емкость вследствие более совершенного регулирования. Двум известным производителям ИС контроллеров удалось достичь цифры 0,1%: в одном случае путем использования конденсаторов большой емкости с их малым временем наработки на отказ, большой стоимостью и размерами, а в другом — за счет отказа от соблюдения требований гальванической развязки.

Рис. 7. Сравнительные преимущества линейного регулирования яркости

Ток удержания регулятора

Еще один фактор, который необходимо учесть для достижения совместимости регуляторов, заключается в том, что все передне-фронтовые регуляторы на симметричных тиристорах (LEDIM) требуют определенного тока удержания, который обусловлен внутренней архитектурой и характеристиками их электронных компонентов. Иными словами, они полностью выключаются, когда через них прекращает течь ток, из-за чего свет мерцает или даже гаснет на протяжении этого периода (в зависимости от того, способна ли схема управления произвести перезапуск). Это, разумеется, происходит периодически — каждый раз, когда кривая переменного напряжения входит в окрестность нуля или покидает ее.

Во многих конструкциях ток удержания может создаваться простой низкоомной ре-зистивной нагрузкой, но пропускание фиксированного тока на протяжении всего периода приводит к нерациональному расходованию энергии. По-настоящему эффективным будет такой формирователь тока удержания, который включается только при недостаточном токе нагрузки, в конкретный момент времени и на необходимый минимум, определяемый потребным током нагрузки и регулятора. Для рационального выполнения этих функций требуется схема с динамическим и периодическим характером работы — например такая, как формирователь тока удержания компании Light-Based Technologies. Это практичное решение, поскольку потребный ток удержания тиристоров существенно варьируется в зависимости от номинальной мощности тиристора, колебаний свойств полупроводниковых материалов и внутренней конструкции компонента конкретного производителя.

На рис. 8 показаны результаты моделирования в программе SPICE, демонстрирующие динамический и периодический характер работы схемы компании Light-Based Technology. Фактическое значение динамического тока удержания (ток через R42) определяется как требованиями нагрузки, так и характеристиками конкретного тиристорного или полупроводникового регулятора. Участок рабочего цикла примерно с 8 до 11 мс характеризуется достаточно низким импедансом и очень малым током, чтобы соблюсти требования симметричного тиристора к минимальному току удержания. На верхнем рисунке для ориентировки показана полуволна переменного напряжения переднефронтового регулятора при уровне 25% по шкале регулирования (измерение производилось за мостовым выпрямителем, но до фильтра).

Рис. 8. Динамическое регулирование тока удержания

Заднефронтовым регуляторам (TEDIM) также требуется ток удержания, но по другим причинам. Роль активных компонентов в них обычно играют полевые МОП-транзисторы и БТИЗ. Эти устройства также перестают работать правильно при отсутствии на них напряжения (что происходит на протяжении каждого периода сигнала). Выключение происходит по слегка наклонной кривой, а не почти мгновенно. Поэтому в отсутствие тока удержания качество регулирования ухудшается, что опять-таки приводит к необходимости динамически регулировать ток удержания для обеспечения плавной работы и максимального КПД.

КПД

Каждый элемент светодиодной осветительной системы имеет свой КПД, и на сегодня значение в 100% является недостижимым. Энергия теряется в каждом компоненте, в том числе в схеме управления светодиодами или источнике питания, в самом светодиоде, в оптике (линзах или светорассеивателях), отражателях (если они используются). Плохое регулирование тепловых режимов может вызывать постепенное изменение (как правило, в сторону понижения) светового выхода в самом зазоре светодиода.

Соответственно, при увеличении КПД любого из этих компонентов даже на единицы процентов общий его прирост оказывается значительным. Разница в стоимости технических решений и относительная незрелость технологий и рынка светодиодных светильников как никогда мотивирует инженеров на внесение как можно большего количества усовершенствований — сильнее, чем в случае скромных светильников на лампах накаливания и люминесцентных лампах, ныне стремительно уходящих в прошлое.

В общем случае КПД источника питания или схемы управления светодиодом может быть выражен следующим образом:

W = Рвыхвх или W = (V * Iвых)/( V*Iвх)

Простейшая формула КПД [%] схемы управления светодиодом такова:

КПД = (Рвых *100)/Pвх.

Световая отдача светодиода выражается в лм/Вт, световой поток — в лм. Показатель преломления п и общий коэффициент прозрачности линзы t [%] выражаются следующим образом:

п = скорость света в вакууме/скорость света в среде;

t = световой поток (вых.) * 100/световой поток (вх.).

КПД отражателя определяется следующим выражением:

световой поток пад. (вых.) * 100/световой поток пад. (вх.).

КПД системы необходимо рассматривать во всем диапазоне регулирования яркости. Нормируется ли КПД в современных тиристорных регуляторах, используемых в светодиодных светильниках и схемах управления светодиодами? Хороший вопрос! В регуляторах старого образца применяются диссипативные резистив-ные элементы, а современные регуляторы (в особенности на полевых МОП-транзисторах) больше похожи на управляемые переключатели. Но ничего идеального не бывает, и все компоненты имеют определенное эквивалентное последовательное сопротивление, на котором происходят тепловые потери. Во время нормальной работы регуляторы яркости становятся теплыми на ощупь. КПД фазового регулятора обычно составляет около 99%. Оставшийся процент рассеивается в регуляторе в виде тепла. Таким образом, регулятор с нагрузкой 600 Вт будет выделять около 6 Вт тепла, а с нагрузкой 1 кВт — около 10 Вт. Стандартами UL/CSA нормируется предельная температура поверхностей, на которых рассеивается это тепло; обычно она равна 60 °C (140 °F).

Важность коэффициента мощности

В идеале под коэффициентом мощности понимается просто степень синфазности напряжения на нагрузке и потребляемого нагрузкой тока в каждом полупериоде синусоидального сигнала. Их фазы должны совпадать, как на чисто активной нагрузке. Коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности. В зависимости от «типа» нагрузки ток на ней может опережать напряжение или отставать от него (рис. 9).

Рис. 9. Пример случая, когда ток нагрузки опережает напряжение на нагрузке

Обе разновидности регуляторов яркости (будь то с линейной, нелинейной, комбинированной или сложной нагрузкой) оказывают сильное влияние на коэффициент мощности: обычно они обрезают фазу напряжения на пике мощности, как того требует нагрузка, за счет чего в сети переменного тока возникают рассогласование и гармонические нелинейные искажения (рис. 10).

Рис. 10. Искажение коэффициента мощности, вызванное нелинейной или сложной нагрузкой

Искажение коэффициента мощности (DPF) — это мера уменьшения средней мощности, передаваемой на нагрузку, вследствие гармонических искажений тока. Оно определяется по следующей формуле:

DPF = 1/√(1 + THD2i) = I1 rms/Irms.

Здесь THD, — суммарный коэффициент гармоник. Данное определение предполагает, что форма напряжения не искажается (оно остается синусоидальным без гармоник). Такое упрощение является зачастую хорошим практическим приближением. Il rms — среднеквадратичная амплитуда основной частоты тока, а Irms — среднеквадратичный полный ток. Умножив их отношение на величину искажения коэффициента мощности, получаем истинный коэффициент мощности (PF):

PF = DPF * (I1 rms/Irms)

Искажение коэффициента мощности редко имеет какие-либо ощутимые последствия для бытовых пользователей, но для промышленных пользователей оно может выливаться в дополнительные расходы на оплату электроэнергии. Например, если нагрузка имеет резко индуктивный характер, может возникнуть необходимость в установке коммутируемой батареи конденсаторов для компенсации потерь мощности. На уровне жилого фонда энергосбытовым компаниям приходится тратить средства на оборудование и дополнительную мощность для исправления этого дисбаланса в масштабах всей распределительной системы.

Схемы управления светодиодами и импульсные источники питания считаются нелинейными или сложными нагрузками и требуют коррекции коэффициента мощности для уменьшения создаваемых ими нелинейных искажений тока с образованием избыточной энергии на гармониках промышленной частоты (рис. 10).

Содержание гармоник и основные требования к коррекции коэффициента мощности для всех импульсных источников питания регулируются европейским стандартом EN61000-3-2. Пассивная коррекция коэффициента мощности в схемах управления светодиодами и источниках питания обычно реализуется с помощью дополнительных конденсаторов, резисторов и управляющих диодов (цепи «заполнения впадин»). Активная коррекция коэффициента мощности достигается также путем перераспределения тока в полупериоде волны напряжения. Суть решаемой задачи — в том, как улучшить стабилизацию на нагрузке без снижения коэффициента мощности или сделать нагрузку эквивалентной линейному резистору. Обычно для этого применяется двухкаскадная топология источника или схемы управления (повышающая, понижающая или понижающе-повышающая).

В настоящее время компания Light-Based Technologies разрабатывает новую конструкцию источника питания/схемы управления светодиодами, в которой используется принципиально новая топология для уменьшения искажений коэффициента мощности и повышения КПД.

Мощность и воспринимаемая яркость свечения

Соотношение между фактическим и воспринимаемым уменьшением яркости свечения имеет логарифмический характер (рис. 11). Уменьшение яркости до 25% от максимальной воспринимается человеком примерно как половинное и т. д. Однако в нижних 3-5% диапазона регулирования, приходящихся на последний небольшой участок рабочего диапазона движкового или поворотного потенциометра, снижение яркости происходит отнюдь не идеально. Регулирование в узком диапазоне едва воспринимается глазом. Аналогичную природу имеет человеческий слух: чтобы слушатель ощутил изменение громкости, необходимо относительно большое изменение фактической мощности звука. Современные светодиодные лампы, предназначенные для установки в традиционные осветительные системы, с трудом обеспечивают приемлемые для массового рынка яркость и качество освещения. Многое еще остается сделать для того, чтобы повысить планку яркости, мощности, КПД и эффективности регулирования тепловых режимов до уровня, пригодного для коммерциализации. Хорошая новость состоит в том, что прогресс на этом пути по-прежнему идет, и компания Light-Based Technologies считает за честь быть на переднем крае инноваций в этой интереснейшей сфере.

Рис. 11. Воспринимаемый уровень яркости и абсолютный уровень мощности/яркости

С чисто прагматической точки зрения регулирование яркости светодиодного освещения позволяет экономить деньги за счет нескольких факторов. В частности, это непосредственное снижение энергопотребления и затрат на обслуживание и замену, что продлевает срок службы самого светильника. Любой регулятор по сравнению с обычным двухпози-ционным выключателем автоматически экономит 4-9% электроэнергии даже при максимальной яркости. А если пользователь приглушает свет, экономия возрастает. Ввиду своих динамических характеристик тиристоры не включаются точно в момент пересечения нуля сигналом переменного тока, поэтому даже при полном открытии происходит небольшое урезание фазы до достижения порогового напряжения.

Эстетические требования к высококачественному регулятору яркости светодиодной лампы таковы: управляемый диапазон регулирования, программируемая кривая регулирования, плавные переходы, хороший пуск и прогрев, стабильная яркость во всем диапазоне регулирования, стабильная цветность или программируемая цветовая коррекция в процессе регулирования, низкий уровень акустических шумов и ЭМП, гибкость управления/пользовательского ввода, малые искажения коэффициента мощности и приятное для пользователя всестороннее управление цветностью.

Технические требования к высококачественному регулятору яркости светодиодной лампы: широкий рабочий диапазон входных переменных напряжений, широкий диапазон приемлемых форм входного сигнала, как можно более высокий КПД, отсутствие мерцания и ступенчатых переходов в нижней части диапазона регулирования, отсутствие резкого погасания света, плавное регулирование в диапазоне 0-100%, малый уровень нелинейных искажений (THD), малые искажения коэффициента мощности, низкий уровень ЭМП и радиочастотных шумов, работа при минимальном напряжении, стабилизация тока и малый бросок пускового тока.

Регулирование яркости светодиодных ламп, так же как и менее эффективных люминесцентных, — непростая задача. Однако тщательное проектирование позволяет добиться характеристик регулирования, свойственных традиционным фазовым регуляторам яркости ламп накаливания.

Примечание. Оригинал статьи опубликован на сайте www.led-professional.com.

Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели - все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions - часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен - не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?

Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?

Только одним - ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо - не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?

Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения - нитрилы алюминия и индия - тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но... проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире - дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош...» - и работы Панкова не поддержали.

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы - профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих - 35%.

Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый - смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения - суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы - у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй - световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода - то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то как раз делать нельзя, - а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?

Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо - доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский - крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто - фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.

Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!

Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова - выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология - металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок - в р-области.

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details - поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора - в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей - электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?

Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.

В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы - например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, - но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку - относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, - оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

27. Преимущества

Экономично...

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения - максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно...

Светодиодный модуль - многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно...

Есть надежность совершенно особого рода - та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, - 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво...

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно...

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Статьи | диодыч.рф



Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.

Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.

Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.

Электролюминесценция кристалла карбида кремния (зеленого цвета ) была обнаружена в 1907 году английским ученым Раундом в лаборатории Маркони. Этому явлению тогда не придали значения. В 1923 году советский ученый О.В. Лосев, работая в НРЛ (Нижегородской радиолаборатории), проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). Длительные исследования позволили сформулировать основной принцип электролюминесценции полупроводниковых структур - инжекционная рекомбинация. В 1927 Лосев запатентовал принцип полупроводникового свечения. Изобретение было опубликовано в российских, немецких и английских научных журналах, но практического применения не получило. В 1955 году Р.Браунштейн из Radio Corporation of America заявил о наличии инфракрасного излучения арсенида галлия (GaAs) в комбинации с другими полупроводниковами сплавами. Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простой диодной структурой на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия, фосфида индия (InP) и кремниево - германиевого сплава (SiGe) при комнатной температуре.

В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.

Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.

В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.

Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.

Преимущества перед другими искусственными источниками свечения
  • Экономичность энергопотребления. В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений.
  • Высокая надежность, механическая прочность светодиодных светильников. Отсутствие нити накаливания дает высокую виброустойчивость.
  • Срок службы светодиодных светильников значительно превышает существующие аналоги (срок непрерывной работы светильника не менее 100 000 реальных часов, что эквивалентно более 20 годам эксплуатации, при 12 часовой работе в день). С течением времени такие его основные характеристики как световой поток и сила света практически не претерпевают изменений. Все элементы светильника долговечны, в отличии от ламп, где применяются нити накала. Для сравнения галогенная лампа работает 1000 часов, металлогалогенная лампа – 3000 часов.
  • Отсутствует необходимость замены светодиодов и обслуживания светильников в течение всего срока эксплуатации позволяет значительно экономить на обслуживающих мероприятиях и персонале.
  • В светодиодных светильниках достигается высокая контрастность, что обеспечивает лучшую четкость освещаемых объектов (зданий, строений, подъездов, дворов, рекламных щитов, складов, охраняемых территорий, парков) и цветопередачу (индекс цветопередачи 75-85).
  • Полная экологическая безопасность позволяет сохранять окружающую среду, не требуя специальных условия по утилизации (не содержит ртути, ее производных и других ядовитых, вредных или опасных составляющих материалов и веществ).
  • Cветодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
  • Светодиоды дают возможность получить любой необходимый цвет излучения.
  • Конструкции на основе светодиодов оказываются весьма компактными и удобными в установке.

Уже в настоящее время светодиоды вполне способны заменить лампы накаливания, а в ближайшем и люминесцентные лампы. Почти 30% мировой электроэнергии уходит на освещение, и проблема энергосбережения стала одной из важнейших, связанной с экономикой и охраной окружающей среды. В том случае, если все прогнозы, касающиеся светодиодов оправдаются, то затраты на электроэнергию уменьшаться в 2 раза. Скорее всего, что уже совсем скоро мы станем свидетелями новых открытий и увидим появление абсолютно новых оптоэлектронных приборов и устройств освещения.

Угол половинной яркости

Производитель обычно указывает такой параметр, как двойной угол половинной яркости. Что означает этот термин ? Как мы выяснили, максимум света светодиод дает в центре, то есть угол равен нулю. Соответственно, чем дальше от центра, тем меньше света. Угол половинной яркости - это когда на "0" градусов светодиод дает 100 условных единиц света, а, например, на 30 градусах (относительно оси "0") - 50. На рисунке I - сила света, Imax - максимальная сила света. ImaxCos - половина силы света. Почему "двойной" - умножаем градусы на два, светодиод же симметрично светит. В итоге мы получаем симпатичный равнобедренный треугольник света. За пределами этого треугольника тоже свет есть, у нас же шарик света, но точка отсчета для характеристики светодиода - это половинный угол.
Кандела
Теперь можно рассмотреть, что же такое Кандела. Кандела - это, по старому, "свеча". Помните, раньше говорили - люстра или лампа в сто свечей ? В прежние времена нужна была какая-то точка отсчета. Договорились взять нужной толщины свечку, зажечь и считать ее эталоном, этим самым канделом. В наши времена, конечно, считают по-другому. Я не буду подробно объяснять - как, это за рамки статьи уже выходит. Просто есть единица измерения силы света, и она называется Кандела. Ее основная особенность - применение для измерения силы света направленных источников. Вот почему для 5 мм светодиодов значения указываются в канделах, точнее, милликанделах (1 cd=1000 mcd).
Пришло время разобраться, чем 5 мм светодиоды или любые другие в пластиковом корпусе отличаются от мощных.

Особенности конструкции индикаторных 5 мм светодиодов

Как уже говорилось выше, светодиод - это излучающий свет кристалл. Рассмотрим конструкцию светодиода в 5 мм пластиковом корпусе. При внимательном рассмотрении мы обнаруживаем две важных вещи - линзу и рефлектор. В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор и задает первоначальный угол рассеивания. Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы. Доходит до линзы - и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы. На практике - от 5 до 160 градусов. Для обозначения силы света таких светодиодов как раз и используется кандела. Светодиоды с направленным свечением излучают свет в некотором телесном угле. Чтобы понять, что такое телесный угол, достаточно представить следующую картину. Вы берете фонарик, включаете и помещаете его в пожарное ведро в самый низ, затем закрываете крышкой. Свет внутри, соответственно, имеет вид конуса по форме нашего ведра. Вот этот конус, ограниченный крышкой - и есть телесный угол. Попробую объяснить смысл распределения света попроще. Допустим, сила света нашего фонаря - 1 кандела, то есть 1000 милликандел(чтобы было более образно, можно считать милликанделы фотонами :)) Если и дальше идти по аналогии, у нас есть полное ведро милликандел. Объем ведра при желании можно вычислить - добро пожаловать в геометрию 🙂 Соответственно, если мы возьмем ведро в два раза больше - милликанделы равномерно по нему распределятся, то есть больше их не станет, просто снизится плотность. Поэтому не гонитесь за канделами, когда выбираете светодиод - чем шире его угол, тем меньше кандел - у одного и того же.

В отличие от индикаторных светодиодов, мощные - это не только прибор, но и маркетиновый продукт. На сегодняшний день между крупными производителями происходит настоящая гонка за люмены - кто больше ? И никого не волнует, что люмены эти надо еще применить. Давайте по порядку.
Основное отличие мощного светодиода от индикаторного в чистом виде - сведение к минимуму каких-либо препятствий для выхода света из корпуса светодиода. Поэтому мощные светодиоды имеют ламбертовскую диаграмму. К чему это приводит на практике ? Вы включаете светодиод и получаете симпатичный световой шарик над ним. И что дальше делать ? Как им осветить нужную вам поверхность ? Вам приходится применять различную оптику или рефлекторы, что неизбежно ведет к потерям, а значит и снижению светового потока. Поэтому, если, купив мощный светодиод, вы не обзавелись хорошей оптикой, причем рассчитанной именно на его конструкцию - рано радуетесь - головная боль еще впереди.
Доставить нужные вам люмены до поверхности, которую нужно осветить - непростая задача.

Люмен

Как вы уже поняли, канделы для оценки силы света мощных светодиодов не подходят. Для этого существуют люмены - это общее количество света, которое может дать светодиод при подключении с заданными значениями тока и напряжения. Будем считать, что если светодиод имеет силу света 100 люмен . Обычная электрическая лампочка на 100 Вт - это тоже ламбертовский источник. Средняя светоотдача этой лампочки - 10-15 люмен на ватт. То есть 100 ватт лампы накаливания дадут нам, скажем, 1000 люмен. Значит, чтобы заменить лампу 100 вт светодиодами, нужно 10 шт по 100 люмен. Вот так вот все просто ? Нет, к сожалению. Мы подходим к такому термину, как ЛЮКС.

Люкс

Люкс - это соотношение количества люмен и освещаемой площади. 1 люкс - это 1 люмен на квадратный метр. Допустим, у нас есть квадратная поверхность площадью один метр. Вся она равномерно освещена лампочкой, расположенной на некотором расстоянии отвесно сверху . Для этой лампочки производитель заявил освещенность 100 люкс. Берем прибор, называемый люксметр и померяем в любой точке нашего квадрата, мы должны получить 100 люкс. Если это так - производитель нас не обманул. Это касается источника света, который во все стороны светит одинаково (ламбертиановский источник ). Но светодиод - это точечный источник. А это означает, что наибольшую силу света он имеет на оси, перпендикулярной плоскости кристалла. Иными словами, подвесив светодиод на потолок и померяв люксметром, мы увидим, что чем дальше от оси, тем меньше показания прибора. Все вы наверняка сталкивались с точечными лампами накаливания - это так называемые "зеркалки". Задняя часть колбы у этих ламп покрыта зеркальным составом, и светят они только вниз. Вот вам и аналог.

Что такое деградация светодиодов?

В процессе работы светодиоды, в отличии от традиционныхе источников света, не излучают тепло. Они проводят его в направлении от p-n перехода к расположенному на корпусе теплоотводу. При этом образуется множеством тепловых сопротивлений: «p-n переход – теплоотвод корпуса», «теплоотвод корпуса – печатная плата», «печатная плата – теплоотвод», «теплоотвод – окружающая среда». Таким образом различают температуру: TB - монтажной платы, TS - подложки, TJ - p-n-перехода, TA - окружающей среды.

Вследствие этого, использование мощных светодиодов связано с потенциальной возможностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят надежность и световые характеристики светодиодов. Если соблюдать рекомендации тепловых режимов от производителей, светодиод способен проработать десытки лет. Нарушение же теплового режима (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С) может привести к снижению срока службы до 10 раз. Кроме того, повышение температуры перехода приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны светодиода. Этот процесс называется - деградация кристала светодиода. Он приводит к разрушению кристалической решетки, в ней появляются дефекты. Эти области попросту грееются и не излучают свет. Также это происхродит из-за электрической миграции материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру.

При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность. Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода.

Следует различать максимальную рабочую температуру светодиода и максимально допустимую температуру p-n-перехода. Срок службы светодиода определяется температурой p-n-перехода. Но поскольку эту температуру можно измерить только в лабораторных условиях с применением сложных и дорогостоящих методов, при проектировании используются математические методы, позволяющие связать ее с температурой в тех или иных точках корпуса светодиода.

Скорость деградации светодиода значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры. Также возникновение дефектов в кристаллической решетке может происходить от действия статического электричества, поэтому рекомендуется осуществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества.

Вывод: отвод тепла от кристалла светодиода является одним из основных требований при проектировании и производстве светодиодных светильников.

Драйвер

В общем случае драйвер - это источник тока для светодиодов. Для него обычно не бывает параметра "выходное напряжение". Только выходной ток и мощность. Впрочем, вы уже знаете, как можно определить допустимое выходное напряжение - делим мощность в ваттах на ток в амперах.
На практике это означает следующее. Допустим , параметры драйвера следующие : ток - 300 миллиампер, мощность - 3 ватта. Делим 3 на 0,3 - получаем 10 вольт. Это максимальное выходное напряжение , которое может обеспечить драйвер. Предположим, что у нас есть три светодиода, каждый из них рассчитан на 300 мА, а напряжение на диоде при этом должно быть около 3 вольт. Если мы подключим один диод к нашему драйверу, то напряжение на его выходе будет 3 вольта, а ток 300 мА. Подключим второй диод последовательно (см. пример с лампами выше) с первым - на выходе будет 6 вольт 300 мА, подключим третий - 9 вольт 300 мА. Если же мы подключим светодиоды параллельно - то эти 300 мА распределятся между ними примерно поровну, то есть примерно по 100 мА. Если мы подключим к драйверу на 300 мА трехваттные светодиоды с рабочим током 700 мА - они будут получать только 300 мА.
Надеюсь, принцип понятен. Исправный драйвер ни при каких условиях не выдаст больше тока, чем он рассчитан - как бы вы не подключали диоды. Надо отметить, что есть драйвера, которые рассчитаны на любое количество светодиодов, лишь бы их общая мощность не превышала мощность драйвера, а есть те, которые рассчитаны на определенное количество - 6 диодов, например. Некоторый разброс в меньшую сторону они, впрочем, допускают - можно подключить пять диодов или даже четыре. КПД универсальных драйверов хуже чем у их собратьев, рассчитанных на фиксированное количество диодов в силу некоторых особенностей работы импульсных схем. Также драйвера с фиксированным количеством диодов обычно содержат защиту от нештатных ситуаций. Если драйвер рассчитан на 5 диодов, а вы подключили три - вполне возможно , что защита сработает и диоды либо не включатся либо будут мигать , сигнализируя об аварийном режиме. Надо отметить, что большинство драйверов плохо переносят подключение к питающему напряжению без нагрузки - этим они сильно отличаются от обычного источника напряжения.

Всё о светодиоде

Что такое светодиод

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED, по-русски - СИД.

Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного современного светодиода схематически изображена на рисунке.

Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы,электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА.Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение,но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности.Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

В рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 50 - 100тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости.

Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо - доподлинно не известно, потому что, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют. Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально.

Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах.Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию и где высоки требования по электробезопасности.

Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку -относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверхярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов(в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного,синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков,а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий,отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными-газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого светодиоды еще недостаточно распространены является пока еще высокая стоимость светодиодов.

Преимущества

Экономично

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения - максимальный срок работы газоразрядных и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать»от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Работа при низких температурах

Благодаря полупроводниковой природе светодиодов их яркость обратно пропорциональна температуре окружающей среды, что делает их применение особенно актуальным в наших климатических условиях. Диапазон температуры эксплуатации светодиодов от -50...+60 град С.

Стойкость к механическим воздействиям

Отсутствие стеклянных деталей, нитей накаливание делает светодиоды устойчивыми к механическим воздействиям, ударам и вибрации.

Высокая светоотдача

Яркость светодиодов сравнима с неоном. Для сравнения: обычная лампа накаливания дает до 10 люмен на 1 Вт потребленной энергии, светодиоды — 70 люмен и выше.Сверхяркие светодиоды обеспечивают сильный световой поток для изделий такого класса.

Чистота цвета

Возможность получения любого цвета и оттенка излучения светодиодов: например,чистый синий, чистый белый, оранжевый, сине-зеленый и десятки других чистых цветов и оттенков — чего нельзя получить, используя лампы накаливания.

Высокий уровень безопасности

Обеспечивается малым тепловыделением светодиодов и низким питающим напряжением.

Простой электромонтаж

А также легкое крепление к любой поверхности существенно облегчают монтаж и ремонт, и соответственно расходы связанные с ними.

Безинерционность

Возможность управления через контроллеры, диммеры, в том числе с плавным изменением яркости и цвета свечения. Управляя интенсивностью и режимом свечения можно достичь фантастического эффекта «живого света».

Замена существующих источников света

Светотехнические и электрические параметры модулей позволяют легко заменить любые ранее установленные источники света и значительно сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание.

Экологическая и пожарная безопасность

Не содержат вредных веществ, побочного ультрафиолетового или инфракрасного излучения и почти не нагреваются.

Недостатки

Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость - главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и газоразрядными лампами различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 - 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Все что вы хотели знать про светодиоды

Последнее время, в интернете на различных компьютерных форумах я замечаю людей, которые хотят применить светодиоды для моддинга, однако не обладают достаточными знаниями для этого. Вместо полезных советов, такие люди зачастую выслушивают на тех же форумах рассуждения различных дилетантов, которые не разбираются в теме, а даже самый просто вопрос порождает эпические споры с философскими рассуждениями. Большинство информация из таких тем не только не принесет никакой пользы, а зачастую может и навредит. Для того что бы снять все самые популярные вопросы и заблуждения, которые касаются применения светодиодов в моддинге, я и решил написать сей небольшой опус.

Что такое светодиоды

В последнее время ведется много разговоров о светодиодах, постоянно появляются новости о все более мощных светодиодах, новых разработках и новых товарах на основе светодиодов (стоит вспомнить хотя бы новые жк-мониторы со светодиодной подсветкой от компании Apple). Так что же такое светодиод? Светодиод — это прибор на основе полупроводника, который излучает свет при пропускании через него электрического тока. Существует большое количество различных полупроводниковых материалов из которых делают светодиоды, причем характеристики светодиодов (цвет свечения, яркость свечения и т.д.) зависят от химического состава данных материалов.

Светодиоды разных размеров, цветов и яркости

Применение светодиодов в моддинге

Светодиоды это одни из первых вещей, которые начали применять в моддинге, ведь еще в конце 1999 — начале 2000 года первые моддеры меняли в своих корпусах стоковые светодиоды наскучивших цветов на более яркие светодиоды интересных и необычных цветов. Кроме того, некоторые моддеры самостоятельно изготавливали вентиляторы со светодиодной подсветкой, светодиодные лампы подсветки для корпуса и прочие моддинг-аксессуары. С появлением оптических мышек, моддеры начали заменять в них стандартные светодиоды, а так же устанавливать дополнительные. Однако нельзя сказать что, с появлением серийных вентиляторов с подсветкой, применение светодиодов в моддинге ушло в историю, скорее оно перешло в разряд классики, как и раундинг проводов (который, как всем известно, вошел в метаболизм каждого моддера) и прорезка блоухолов. Действительно, в современных корпусах уже с завода стоят яркие светодиоды синего, белого и других цветов, но ведь мы же хотим сделать вещи уникальными и персонализированными, ведь для этого мы и занимаемся моддингом, а учитывая теперешнее распространение дешевых и мощных светодиодов, не использовать их в моддинге — грех =), посему их используют по полной программе: ими подсвечивают корпуса, клавиатуры, вентиляторы, гравировки, люминесцентные краски и так далее. Светодиоды отлично применимы там, где нужна локальная или компактная подсветка, яркая или наоборот тусклая, ими отлично подсвечивать систему водяного охлаждения и т.п.

Вентилятор со светодиодной подсветки


Гибкая светодиодная лампа

Светодиоды, в случае применения их в моддинге, обладают следующими преимуществами и недостатками.

Преимущества

  • Яркие и насыщенные цвета
  • Надежность (длительный срок службы)
  • Высокая эффективность
  • Практически не греются
  • Компактный размер

Недостатки

  • Легко перегорают при неправильном подключении
  • Далеко не plug-and-play, с точки зрения подключения

Разновидности светодиодов

Светодиоды разделяются на разные разновидности в зависимости от размеров, количества кристаллов в одном корпусе, яркости, мощности, по цвету излучения, а так же другим параметрам.

Пример светодиодов самых популярных размеров


Светодиоды различной формы и цвета


Свечение светодидов с диффузным (цветным) корпусом

Геометрические форма и размеры. Самыми популярными являются светодиоды в цилиндрическом корпусе стандартизированных размеров: 3/5/10 мм в диаметре, реже 8 мм, хотя иногда встречаются и до 20 мм в диаметре. Также существуют SMD-светодиоды, которые отличаются очень компактным размером — до 2 х 2 мм, предназначены они для припаивания прямо на плату и обычно используются для подсветки экранов. Существуют также светодиоды выполненные в корпусах квадратной или прямоугольной формы.

Количество кристаллов. В большинстве случаев, в корпусе одного светодиода находится один полупроводниковый кристалл, однако бывают случаи в которых в корпус одного светодиода устанавливают больше одного кристалла, например:

  • Многоцветные светодиоды

В случае необходимости сделать многоцветных светодиод, в корпусе одного светодиода устанавливается более одного полупроводникового кристалла, причем сами кристаллы сделаны из разных материалов и соответственно излучают разные цвета: синий, зеленый, красный, желтый и так далее. Двухцветные светодиоды чаще всего используют как индикаторы (обычно красный/зеленый цвет), трехцветные светодиоды чаще всего используют для подсветки дисплеев и постройки светодиодных экранов так как данные светодиоды могут отображать три базовых цвета (синий/зеленый/красный), при смешивании которых можно получить всю палитру цветов, необходимых для отображения фото и видеоматериалов с достаточным качеством. Четырехцветные светодиоды достаточно редкие и содержат кристаллы для отображения, как видно из названия, четырех цветов (синий/зеленый/красный/желтый) и применяются в основном для создания белого света с высокими качественными характеристиками CRI (Color rendering index).

  • Светодиоды повышенной мощности

Для повышения яркости (количества света) светодиода иногда в корпус одного светодиода устанавливают несколько светоизлучающих кристаллов одного цвета (обычно ставят четыре кристалла), чем кратно увеличивают яркость светодиода. Это можно сравнить с четырехъядерными процессорами =).

Яркость. Из-за большого спектра применения светодиодов, производители выпускают светодиоды с различной яркостью: от не очень ярких для индикаторных целей до суперякрих, в основном для подсветки чего-то. На показатель яркости также влияет диаграмма направленности светодиода, например светодиод одной мощности с углом излучения в 20 градусов кажется более ярким, чем светодиод такой же мощности но с более широким углом излучения, например 140 градусов.

Мощность. Для разных целей производятся светодиоды различных мощностей: от сотых долей ватта до серьезных 5 и более ватт на одном кристалле. Типичные моддерские, так называемые «ультраяркие», светодиоды имеют мощность примерно в 60 мВт (примерно 1/16 Вт), и если их использовать в подсветке корпуса среднего размера то их может понадобиться примерно от 15 до 25 штук. Среднестатистический четырехъкристальный суперяркий светодиод имеет мощность примерно в 240 мВт (1/4 Вт) и таких светодиодов для подсветки корпуса среднего размера нужно примерно от 4 до 8 штук, в зависимости от прочих особенностей. К классу супермощных светодиодов относятся светодиоды с мощностью от одного ватта, что на первый взгляд вроде бы и не много, однако это только на первый взгляд — такие светодиоды в среднем в 15-20 раз ярче, чем самые распространенные светодиоды! Одним или двумя такими светодиодами можно подсветить весь корпус!

Цвет. В зависимости от полупроводника, на основе которого выполнен светодиод, так же отличается цвет, излучаемый светодиодом . В продаже чаще всего можно встретить светодиоды таких цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, ультрафиолетовый. Светодиоды всех цветов находят свое применение в моддинге, причем как для индикаторных целей, так и для подсветки. Существуют также светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне, но поскольку их излучение не видно невооруженному глазу — их применение ограничено пультами ДУ и видеокамерами ночного видения.

Особого внимания заслуживают синие, фиолетовые и ультрафиолетовые светодиоды — все они вызывают люминесценцию (флюоресценцию) некоторых красителей, но в разной степени. Синие светодиоды вызывают не очень яркую люминесценцию, а также немного искажают ее цвет задевая своим синим излучением. Фиолетовые светодиоды напротив — выглядят тусклыми, но вызывают сильную люминесценцию, обычно их продают под видом ультрафиолетовых светодиодов, но это не так. Ультрафиолетовые светодиоды довольно-таки редко встречаются в продаже, а те что встречаются обычно являются ультрафиолетовыми светодиодами длинноволнового диапазона ультрафиолета, так называемого УФ-А (UV-A) — самого безопасного, внешне эти светодиоды выглядят очень тусклыми из-за низкой чувствительности человеческого глаза к диапазону мение 400 нм, но эти светодиоды вызывают еще более сильную люминесценцию, чем фиолетовые — это связано с большей энергией этого диапазона излучения.

Свечение светодиодов с прозрачным корпусом

Типичные характеристики светодиодов

Две главных характеристики светодиодов это напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.

При использовании светодиодов, лучше уточнить сколько светодиоду необходимо вольт у продавца или изготовителя, но когда эта информация не доступна, можно воспользоваться следующей таблицей.

Таблица примерных напряжений светодиодов в зависимости от цвета

Цветовая характеристика Длинная волны Напряжение
Инфракрасные от 760 нм до 1.9 В
Красные 610 — 760 нм от 1.6 до 2.03 В
Оранжевые 590 — 610 нм от 2.03 до 2.1 В
Желтые 570 — 590 нм от 2.1 до 2.2 В
Зеленые 500 — 570 нм от 2.2 до 3.5 В
Синие 450 — 500 нм от 2.5 до 3.7 В
Фиолетовые 400 — 450 нм 2.8 до 4 В
Ультрафиолетовые до 400 нм от 3.1 до 4.4 В
Белые Широкий спектр от 3 до 3.7 В

Правила подключения и расчет светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода — это анод, но бывают и исключения так что лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.

Светодиоды относятся к таком типу электронных компонентов которому, для долгой и стабильной работы, важно не только правильное напряжение, но и оптимальная сила тока — так что всегда, при подключении светодиода, нужно их подключать через соответствующий резистор. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс очень значительно сокращается. В некоторые светодиоды резистор встроен «с завода» и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды в продаже встречаются довольно-таки редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний резистор.

Стоит помнить, что резисторы так же отличаются своими характеристиками и, для подключения их к светодиодам, вам необходимо выбрать резистор правильного номинала. Для того чтобы рассчитать необходимый номинал резистора следует воспользоваться законом Ома — это один из самых важных физических законов, связанных с электричеством. Данный закон все учили в школе, но практически никто его не помнит =).

Закон Ома — это физический закон с помощью которого вы можете определить взаимозависимость напряжения (U), силы тока (I) и сопротивления (R). Суть эго проста: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению между концами проводника, если при прохождении тока свойства проводника не меняются.

Этот закон визуально отображается при помощи формулы: U= I*R
Когда вы знаете напряжение и сопротивления, с помощью этого закона можна найти силу тока по формуле: I = U/R
Когда вам известно напряжение и сила тока, можно найти сопротивление: R = U/I
Когда вам известна сила тока и сопротивление, можно вычислить напряжение: U = I*R

Теперь рассмотрим на примере. У вас есть светодиод с рабочим напряжением в 3 В и силой тока в 20 мА, вы его хотите подключить к источнику напряжения 5В из USB-разъема или БП, чтобы при этом он не сгорел. Значит у нас есть напряжение 5 В, но светодиоду нужно только 3 В, значит от 2 В нам необходимо избавиться (5В — 3В=2В). Чтобы избавится от лишних 2 В нам необходимо подобрать резистор с правильным сопротивлением, которое рассчитывается следующим образом: мы знаем напряжение от которого необходимо избавиться и знаем силу тока нужную светодиоду — воспользуемся формулой изложенной выше R = U/I. Соответственно 2В/0.02 А= 100 Ом. Значит вам необходим резистор на 100 Ом.

Иногда, в зависимости от характеристик светодиода, необходимый резистор получается с не стандартным номиналом, который нельзя найти в продаже, например 129 или 111.7 Ом =). В таком случае необходимо просто взять резистор немного большего сопротивления, чем рассчитанный — светодиод будет работать не на 100 процентов своей мощности, а примерно на 90-95 %. В таком режиме светодиод будет работать более надежно, а снижение яркости визуально не будет заметно.

Также можно рассчитать насколько мощный резистор вам нужен — для этого умножаем напряжение, которое будет задерживаться на резисторе, на силу тока, которая будет в цепи. В нашем случае это 2В х 0.02 А = 0.04 Вт. Значит вам подойдет резистор такой мощности или большей.

Светодиоды иногда подключают по несколько штук параллельно или последовательно, используя один резистор. Для правильного подключения следует помнить что при параллельном подключении суммируется сила тока, а при последовательном суммируется требуемое напряжение. Параллельно и последовательно можно подключать только одинаковые светодиоды с использование одного резистора, а если вы используете разные светодиоды с разными характеристиками, то лучше рассчитать каждому светодиоду свой резистор — так будет надежней. Светодиоды даже одной модели имеют небольшое расхождение в параметрах и, при подключении большого количества светодиодов параллельно или последовательно, это небольшое расхождение в параметрах может выдать результатом много сгоревших светодиодов =). Еще одним подводным камнем может стать тот факт, что продавец или производитель (намного реже) может дать немного не верные данные по светодиодам, а сами светодиоды могут иметь не четкое рабочее напряжение, а набор из параметров минимального/оптимального и максимального напряжения. Данный фактор не будет особо влиять при подключении небольшого количества светодиодов, а в случае подключения большого количества — результатом могут быть все те же сгоревшие светодиоды. Так что с параллельным и последовательным подключением не стоит чересчур увлекаться, надежней будет чтобы к каждому светодиоду или небольшой группе светодиодов (3-5 штук) подключался отдельный резистор. Рассмотрим несколько примеров подключения.

Схема параллельного подключения светодиодов


Схема последовательного подключения светодиодов

Пример 1. Вы хотите подключить последовательно три светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 В и 20 мА, к источнику тока с напряжением 12 В (например из molex-разъема). Три светодиода по 3 вольта каждый будут вместе потреблять 9 вольт (3 В x 3=9 В). Наш источник тока обладает напряжением в 12 вольт, соответственно от 3 вольт надо будет избавиться (12 В — 9 В = 3 В). Так как подключение последовательное, то сила тока составит 20мА, соответственно 3 вольта (напряжение, от которого необходимо избавится) делим на 0.02 А (сила тока, необходимая каждому светодиоду) и получаем значение необходимого сопротивления — 150 Ом. Значит нужен резистор на 150 Ом.

Пример 2. У вас в наличии четыре светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 вольта, и источник питания на 12 В. В такой ситуации можно подумать что резистор не нужен, однако это не так — светодиоды очень чувствительны к силе тока и лучше добавить в цепь резистор на 1 Ом. Резистор данного номинала не повлияет на яркость свечения, а будет чем-то на подобии «предохранителя» — светодиоды будут работать намного надежней. Без применения резистора, в данному случае, светодиоды могут попросту сгореть, быстро или не очень.

Пример 3. Вы хотите параллельно подключить три светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 В и 20 мА, к источнику тока с напряжением 12 В. Поскольку при параллельном подключении суммируется сила тока, а не напряжение, трем светодиодам потребуется сила тока в 60 мА (20 мА x 3 = 60 мА). Наш источник тока обладает напряжением в 12 вольт, а светодиодам необходимо напряжение в 3 вольта, соответственно от 9 вольт необходимо избавиться (12 В — 3 В = 9 В). Так как подключение параллельное, то сила тока составит 60мА, соответственно 9 вольт (напряжение, от которого необходимо избавится) делим на 0.06 А (сила тока, необходимая всем светодиодам) и получаем значение необходимого сопротивления — 150 Ом. Значит нужен резистор на 150 Ом.

Так же в интернете существует большое количество разнообразных «калькуляторов для светодиодов», которыми вы можете воспользоваться. Достаточно зайти на соответствующий сайт, указать характеристики светодиодом и источника тока и вы получите все необходимые данные по резистору, а так же его цветовую маркировку. Пример такого калькулятора вы можете увидеть на сайте led-calculator.com.

Светодиоды. Характеристики. Достоинства и недостатки.

Светодиоды – это кристаллы, изготовленные или “выращенные” из химических элементов на основе полупроводников. После выращивания помещаются в специальный для каждого вида светодиодов корпус

Что такое светодиоды

Светодиоды – это приборы, излучающие свет, изготовленные с применением полупроводниковых материалов. Они превращают электрический ток, по ним протекающий, в свет, без дополнительных преобразований. Происходит это в результате работы механизма полупроводимости и сопутствующей ему рекомбинации. Полупроводимость и рекомбинация образуются в месте контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Термин «рекомбинация» по отношению к физике полупроводников означает исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда. Разумеется, что это происходит с выделением энергии.

Светодиоды – обозначение на схеме

Светодиоды обозначаются короткой аббревиатурой буквами кириллицы – СД (светодиод). А также СИД (светоизлучающий диод). Или же латинскими буквами LED (Light Emitting Diode – с английского «светоизлучающий диод»).

Как делают светодиоды

Светодиоды – это кристаллы, выращенные или наращенные из химических элементов на основе полупроводников. Они помещаются в специальный для каждого вида светодиодов корпус. Технологии изготовления светодиодов разнятся в зависимости от вида светодиода. Изготавливают светодиоды с добавлением различных химических элементов. Среди них полупроводники и не полупроводниковые металлы и их соединения. А также легирующие, то есть придающие составу определенные характеристики, примеси.

Изготовление светодиодов

Процесс изготовления светодиодов выглядит, примерно, следующим образом:

Пластины, служащие в качестве подложки будущих кристаллов светодиодов, помещают в специальную герметичную камеру. Такие пластины изготавливают из удобных для наращивания светодиодов материалов. Например, из искусственного сапфира, у которого подходящая для этого кристаллическая решетка. Прежде всего камеру заполняют смесью газообразных химических веществ на основе полупроводников и легирующих добавок. Затем внутренность такой камеры начинают нагревать. В процессе этого нагрева химические элементы, находящиеся до этого в газообразном состоянии, осаждаются на пластинах.

Процесс длится несколько часов. В итоге на подложке наращивается несколько десятков слоев общей толщиной лишь несколько микрон. Отличие в толщине пластины до и после наращивания не различимо на глаз.

Затем с помощью трафарета на пластину напыляются золотые контакты. После чего ее разрезают на мельчайшие части. Каждая такая часть – это отдельный кристалл светодиода со своими контактами. Размеры ее очень малы. По крайней мере, разглядеть ее в деталях можно лишь под микроскопом.

На следующем этапе готовые кристаллы вставляют в корпус. После того, по необходимости покрывают слоем люминофора. Тип корпуса и количество кристаллов зависят от того, где и как данный светодиод будет использоваться.

Все светодиоды отличаются друг от друга как отпечатки пальцев. То есть нет двух идентичных по своим характеристикам светодиодов. Потому на следующем этапе и происходит сортировка светодиодов по двум-трем сотням параметров. Чтобы отобрать наиболее близкие друг другу по мощности, цветовой температуре и другим характеристикам светодиоды.

В конце концов светодиоды проверяют на работоспособность на испытательных стендах. И лишь затем из них изготавливают светодиодные лампы, ленты или используют в других сферах применения.

Виды светодиодов

Существует много видов светодиодов. Прежде всего светодиоды разделяются по применению. В основном по применению светодиоды подразделяются на два вида – индикаторные светодиоды и осветительные светодиоды. Еще светодиоды подразделяются по способу монтажа на монтажную плату. Осветительные и индикаторные светодиоды монтируются разными способами.

Индикаторные светодиоды

Безусловно, индикаторные светодиоды обычно относятся к DIP типу светодиодов (Dual In-line Package). А также другое  название этого типа – DIL (Dual In-Line – англ. двойное размещение в линию). Также этот способ монтажа именуется PHT (Plating Through Holes – англ. через отверстие платы).

Катод (-) короткий вывод, анод (+) длинный вывод двухпинового индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды

 

К индикаторным можно отнести и светодиоды типа – Super Flux (обычно переводят как сверхяркие),называемые также – пиранья. Это светодиоды различных цветов в квадратном прозрачном корпусе с четырьмя выводами. Используются такие светодиоды в автомобилях, световой рекламе, декоративной подсветке. Цены на светодиоды пиранья по ссылке.

Светодиоды “Super Flux” – Пиранья

Индикаторные светодиоды, как понятно из их названия, используются для индикации работы различных приборов и аппаратов. К примеру, огонек на панели телевизора – это работа индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды, излучающие невидимый глазу инфракрасный свет, применяются в пультах дистанционного управления. Также индикаторные светодиоды применяются в автомобилях. светофорах, для подсветки LED мониторов и экранов. Отдельно выделяются OLED (Organic Light Emitting Diode), так называемые органические светодиоды. На их основе осуществляется не просто подсветка экранов, а полностью работа OLED мониторов и телевизоров. Посмотреть примерную цену на индикаторные светодиоды можно по ссылке.

Осветительные светодиоды

Для освещения применяют светодиоды, излучающие белый свет. Обычно они подразделяются на излучающие холодный белый, просто белый и теплый белый цвета. Для получения излучения белого света применяется RGB технология (см. Цветовая температура цветодиодов). Пожалуй, это наиболее дешевый и распространенный метод. Однако, при его использовании ухудшается индекс цветопередачи светильников. То есть при таком освещении изменяются для зрительного восприятия цвета освещаемых предметов.

А также существует другой метод получения белого света. Он заключается в том, что светодиод, излучающий невидимый глазу ультрафиолет, покрывается тремя видами люминофора. При прохождении через них ультрафиолета они излучают голубой, зеленый и красный цвета. При смешении этих цветов опять-таки получается излучение белого света.

В-третьих, на голубой светодиод наносят два вида люминофора. Они излучают желтый и зеленый или же красный и зеленый цвет. В результате чего и получают белый свет. Во втором и в третьем вариантах получается эдакая модификация люминесцентной лампы.

SMD Светодиоды

По способу монтажа осветительные светодиоды бывают SMD типа. Surface Mounted Device – англ. прибор. монтируемый на поверхность. Значительную часть SMD светодиода занимает подложка. Она может играть роль теплоотвода, если изготавливается из соответствующих материалов. Например, алюминия или меди. А также подложка играет роль монтажной платы. Контакты светодиода припаиваются к контактным площадкам, которые располагаются на подложке.

SMD светодиоды

Сверху кристалл закрывается линзой или заливается люминофором. Разумеется все зависит от сферы применения светодиода. И уже на контакты корпуса подается напряжение, когда SMD светодиод вмонтирован в прожектор, в потолочный светильник, на светодиодную лампу или светодиодную ленту. На подложке могут располагаться один, два или три светодиода. А также соответственное количество выводов контактов. Опять-таки в зависимости от того, как светодиод будет применяться. Цены на SMD светодиоды в данный момент можно посмотреть по ссылке.

Светодиоды COB типа

Кроме SMD типа существуют светодиоды COB типа (Chip On Board – англ. чип на плате). На одной плате-подложке, служащей теплоотводом, припаивается большое количество кристаллов. Все они покрываются сплошным слоем люминофора соответствующего состава. Получается один большой светодиод с соответствующей яркостью. Такая технология позволяет упростить и удешевить изготовление светодиодных ламп, а также получить больший световой поток с меньшей площади по сравнению с SMD светодиодами.

COB светодиоды

Светодиоды COB удобно использовать для освещения, для чего они практически и так используются. SMD же светодиоды могут применяться не только для освещения, но и как индикаторные или декоративные. Лампа на SMD светодиодах более пригодна для ремонтна. Можно заменить один перегоревший светодиод. А к примеру в лампе на COB светодиодах придется заменить всю плату-подложку. К тому же лампы на COB светодиодах дают простор для действий недобросовестных производителей. Ведь покупатель не может визуально определить количество кристаллов светодиодов в лампе. А также соотнести их с заявленными характеристиками лампы. Приобрести или посмотреть актуальную цену на COB светодиоды можно перейдя по ссылке.

Характеристики светодиодов

Основные характеристики светодиодов подразделяются на электрические и световые. С одной стороны, электрические – это рабочий ток, напряжение, мощность. С другой стороны, световые характеристики светодиодов – световой поток, сила света (эффективность). А также цветовая температура, габариты и угол рассеивания.

Рабочий ток светодиодов

Светодиоды работают только от определенной силы тока. Эта характеристика наиболее важна для работоспособности светодиода. Даже небольшое превышение рабочей силы тока приведет к быстрой деградации светодиода. А в результате выходу его из строя. Чуть более высокое превышение силы тока ведет к мгновенному перегоранию светодиода.

Ток светодиодов, несомненно, зависит от их мощности. Более мощные светодиоды работают на более высоком токе. В светодиодных лампах и светильниках устанавливаются драйвера. Они ограничивают ток именно до тех параметров, которые нужны для светодиодов, установленных в этих приборах. Часто требуется подключить светодиод отдельно. В этом случае необходимо знать его характеристики. Для того чтобы ограничить ток соответствующим драйвером, токоограничивающим резистором или конденсатором.

Напряжение светодиодов

Рабочее напряжение светодиодов зависит от полупроводников и других химических элементов, использованных при изготовлении этих светодиодов. Применение разных типов материалов для изготовления существующих видов светодиодов ведет к излучению света различных цветов. То есть рабочее напряжение можно определить по цвету светодиода. Иначе говоря, светодиоды разных цветов имеют разное рабочее напряжение.

Для питания светодиодных лент и светильников обычно используются драйвера или блоки питания. Как правило у них на выходе 12 вольт постоянного тока. К примеру. От такого источника можно запитать цепочку из последовательно соединенных светодиодов с рабочим напряжением 3 вольта. Исключим в этом примере падение напряжения на токоограничивающем резисторе. Безусловно, такая последовательная цепь может состоять только из четырех светодиодов. Пятый светодиод, если включить его в эту цепь, работать не будет. Каждый из светодиодов, грубо говоря, забирает из 12 вольт питания по 3 вольта.

Эту характеристику светодиода называют напряжением падения. В данном случае у каждого из светодиодов напряжение падения составляет 3 вольта. Другими словами. Падение напряжения – это напряжение, возникающее на выводах светодиода при протекании через него прямого рабочего тока. Эту характеристику иногда и называют рабочим напряжением светодиода. Хотя, строго говоря, таких характеристик, как напряжения питания или рабочее напряжение, у светодиода нет. Как впрочем и у любого диода.

Мощность светодиодов

Мощность светодиода зависит от его рабочего тока и падения напряжения на нем. Падение напряжения разных светодиодов колеблется в диапазоне, примерно, 1,5 – 4 вольта. Рабочий ток индикаторных и маломощных светодиодов обычно составляет 15 – 20 мА. Ток мощных осветительных светодиодов может быть 150, 350, 750 мА и доходить до 1А.

Часто для повышения яркости светодиода используют повышение его рабочего тока до очень больших величин. При этом необходимо помнить.  Применение для светодиодов такого большого тока ведет к их чрезмерному нагреву. А также быстрой деградации и выходу из строя. Хотя этого можно избежать. При условии, что питании светодиодов большим током, для повышения их яркости, использоваться система охлаждения. Для этого применяются достаточно массивные радиаторы из алюминия или даже меди. Более того, в некоторых случаях применяется принудительный обдув воздухом с помощью вентилятора-кулера. Хорошее охлаждение светодиодов при их работе на большом токе снижает риск потери их работоспособности. Однако, но не исключает его совсем.

P=U×I

Чтобы определить мощность (P) светодиода необходимо умножить напряжении (U) на силу тока (I). К примеру, мы возмем максимальные для светодиодов 4 вольта и 1 ампер. В результате мы получим самый мощный светодиод мощностью 4 Ватта. Безусловно, это будет осветительный светодиод. Несомненно, работающий от тока с не характерной, искусственно завышенной для светодиодов, силой.

Поэтому нужно понимать. Если разговор идет о 10 ваттном или даже 100 ваттном светодиоде. Несомненно, имеется в виду лампа или светильник. Они состоят из нескольких штук или десятков штук светодиодов. Или же речь идет о светодиодной сборке, например, COB типа. Иными словами, 100 кристаллов-светодиодов, каждый мощностью 1 Ватт, припаиваются на единую плату. И все это заливается слоем люминофора. Так и получается светодиод мощностью 100 Ватт.

Световые характеристики светодиодов – световой поток, освещенность, световая отдача и угол рассеивания


Осветительные светодиоды испускают более мощный световой поток чем другие источники освещения. Несомненно имеется в виду тоже или меньшее потреблении электрической энергии. В итоге освещенность лампами и светильниками на светодиодах какого-либо пространства выше. Разумеется по сравнению с освещенностью лампами накаливания. А также люминесцентными и другими, такой же или большей мощности. Естественно и световая отдача осветительных светодиодов лучше. То есть они дают большее количество люмен (единиц светового потока) на каждый ватт своей мощности.

С этими характеристиками светодиодных ламп и светильников могут поспорить немногие осветительные приборы.  Несомненно, к ним относятся натриевые газоразрядные лампы низкого и высокого давления. А также в какой-то мере, люминесцентные лампы. Но надо понимать, что все эти отличные качества имеют не все светодиоды. Поскольку все зависит от типа светодиодов и качества их изготовления.

К тому же существует такая характеристика светодиодов, как угол рассеивания света. Например, светодиоды, в отличии от других источников света, характеризуются меньшей величиной этого угла. Угол рассеивания различных ламп без отражателя – 360°. То есть они освещают окружающее пространство во все стороны более или менее равномерно. Угол же рассеивания одного осветительного светодиода может составлять всего 15-120°. Для расширения угла рассеивания применяется рассеивающая линза. С другой стороны, иногда требуется узкий угол рассеивания светодиода. К примеру, для точечного – акцентного освещения. Тогда, в свою очередь, применяется линза собирательная – сужающая луч света.

Пучок света, испускаемый светодиодом, неравномерен по яркости в пределах угла рассеивания. Он наиболее ярок в центре и снижает яркость, по мере приближения к краям этого угла. Для достижения угла рассеивания в 360°, делаются светодиодные сборки из множества светодиодов. Они равномерно светят во все стороны. К примеру, такие как светодиодные лампы типа «кукуруза».

Цвета светодиодов. Цветовая температура светодиодов

Цвета светодиодов могут быть самыми разнообразными – от основных цветов до их оттенков. Цветовая температура индикаторных DIP светодиодов не зависит от цвета корпуса светодиода. Цвет корпуса светодиода лишь показывает каким цветом будет светить данный светодиод. Цвет свечения, то есть цветовая температура, зависит от материалов, из которых изготовлен светодиод. При изготовлении светодиодов применяются различные полупроводники, легирующие добавки и другие химические элементы. А также используются разнообразные технологии производства. Это позволяет получить светодиоды с различной цветовой температурой. Есть множество видов светодиодов в прозрачном корпусе, цвет свечения которых можно определить, лишь включив светодиод.

Существуют также двухцветные светодиоды, с двумя контактами, как и у одноцветного светодиода – анодом и катодом. Смена цветов в них происходит при смене полярности питания. Трехцветные с двумя анодами и общим катодом объединяют в себя два кристалла разных цветов. В зависимости от того, на какие контакты подается питание, светодиод горит одним или другим цветом. А при включении обоих цветов от их смешения получается третий цвет. Чаще всего объединяют красный и зеленый кристаллы светодиодов. При смешении они дают желтый цвет.

Светодиоды RGB типа (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий) состоят из трех кристаллов. По отдельности кристаллы дают красный. зеленый и синий цвета. При смешении этих цветов через линзу, получают белый свет, применяемый для освещения. Такие светодиоды могут, при управлении через контроллер, светит каждым цветом по отдельности. Или же, при смешении цветов, давать все другие оттенки спектра. К примеру, четырех-пиновый индикаторный светодиод. У него три катода отдельно для каждого кристалла и один общий плюсовой вывод – анодом. Такой светодиод работает именно по такому принципу.

Достоинства и недостатки светодиодов как источников освещения


Достоинства осветительных светодиодов

  1. Главное и наиболее широко озвученное достоинство светодиодов – низкое энергопотребление. Такой же световой поток при меньших энергозатратах, чем у других источников света.
  2. Соответственно высокая светоотдача.
  3. Длительный срок службы.
  4. Отсутствие ядовитых паров.

Недостатки осветительных светодиодов

  1. Очень высокая цена у качественных светодиодов от известных производителей. Низкие фактические характеристики у некачественных светодиодов от неизвестных производителей и при этом недостаточно низкая цена по сравнению с лампой накаливания.
  2. Гарантия известных производителей на качественные светодиоды от 3 до 5 лет. Заявленный срок службы – до 11 лет при постоянной работе. Срок же окупаемости качественной светодиодной лампы – 5 лет.
  3. Эффект высокочастотного мерцания при использовании дешевых светодиодных сборок за счет экономии на системе электропитания.
  4. Для питания светодиодов необходимо применять драйвера или другие источники питания. А для стабильной и долгой службы светодиодов необходимо применять качественные, а значит дорогие источники питания. Гарантийный срок службы этих источников питания может быть и ниже, чем срок службы светодиодов. В результате это значительно удорожает их обслуживание.
  5. Применение диммеров -регуляторов для изменения освещенности возможно не для всех видов светодиодных ламп. Устройство этих регуляторов более сложно, чем устройство регуляторов для ламп накаливания. В итоге они более дорогие. Иногда значительно более дорогие.
  6. Существуют светодиоды, излучающие белый свет с разной цветовой температурой. Например, от 3 500 – до 7 000 К. Маркетинговые названия – теплый белый свет, белый свет, холодный белый свет. Это не всегда точно соответствуют фактическим характеристикам. Поэтому многим людям реальный свет светодиодной лампы может быть неприятен и действует на них раздражающе.
  7. Малый угол рассеивания. Светодиоды дают направленный свет и для получения привычной освещенности может понадобиться большее количество светильников.

Еще о недостатках светодиодов

8. Не существует двух одинаковых светодиодов, с одинаковыми характеристиками. Несколько десятков или даже сотен однотипных ламп накаливания при включении будут светить совершенно одинаково. В то время как, со светодиодными лампами все совсем не так. Все световые характеристики одинаковых светодиодов чуть-чуть различаются, соответственно различаются и собранные из них светодиодные лампы. В частности, характеристики света каждой отдельной лампы будут отличатся от остальных однотипных светодиодных ламп. Световой поток, освещенность, цветовая температура и другие характеристики будут немного различны. Безусловно, даже в одной партии ламп и одного производителя. Скорее всего, при замене будут использоваться лампы другой партии, а может и другого производителя. По всей вероятности, различия в их свечении будут еще более бросаться в глаза. Получается что добиться равномерного и одинакового освещения с помощью светодиодов очень проблематично.

9. По поводу нашумевшего отказа от ламп накаливания в пользу светодиодов можно заметить следующее. Что если повсеместно запретить лампы накаливания? То есть применять для освещения только светодиоды для экономии электроэнергии.  В этом случае электрокомпании просто повысят цену на электроэнергию, чтобы не терять прибыли. А мы будем потреблять меньше, и платить больше. А также покупать дорогие светодиодные лампы.

Светодиоды – чрезвычайно полезные и интересные источники света. Их применение в большинстве случаев оправданно, а в некоторых случаях просто необходимо. Но заменить все остальные осветительные устройства они не в состоянии. И несомненно, должны применяться в наших домах наряду с ними.

А вот и такое мнение существует о светодиодах.

Видео о светодиодах

Похожие записи

Светодиодные лампы для дома

Установка настенного светильника самостоятельно

Виды ламп для освещения помещений

Вы можете прочитать записи на похожие темы в рубрике – Освещение

Ваш Удобный дом

Также рекомендуем прочитать

Меняется ли яркость светодиода с напряжением?

Яркость светодиода в первую очередь зависит от протекающего через него тока.

Обычная лампа накаливания фактически является резистором, она подчиняется закону Ом: V = I * R. Если вы удвоите напряжение, ток удвоится, а потребляемая мощность увеличится в 4 раза (не совсем верно, есть некоторые эффекты, связанные с температурой, но пока достаточно близкие).

Светодиод, с другой стороны, представляет собой диод, как и большинство диодов, он имеет относительно фиксированное напряжение прямого смещения.Ниже этого напряжения ток не течет, выше этого напряжения ток неограничен, но напряжение уменьшается на напряжение смещения. (Это серьезное упрощение, но его достаточно для большинства грубых расчетов)

Это напряжение будет зависеть от используемых материалов, а значит, и цвета. Обычно ~ 1,8-2В для красного, желтого или зеленого, ~ 3В для синего, белого или «истинно зеленого». Это падение напряжения будет увеличиваться с увеличением тока, но только на 0,1-0,2 В, обычно вы можете игнорировать этот эффект.

Как вы указали в своем вопросе, светодиоды обычно подключаются последовательно к резистору для ограничения тока. Почему?

Думайте о светодиоде как о фиксированном падении напряжения, он будет использовать фиксированное количество напряжения независимо от силы тока. Таким образом, если вы подключите светодиод 2 В напрямую к источнику 3 В, останется 1 В, который будет сброшен на остальную часть цепи. Остальная часть схемы в этом случае будет внутренним сопротивлением источника питания и проводов. Эти сопротивления обычно довольно низкие (настолько низкие, что вы обычно их игнорируете), поэтому будет течь большой ток.

Если предположить, что сопротивление находится в пределах 0,1 Ом, это даст ток I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 ампер.

Мощность, рассеиваемая светодиодом, будет P = I * V = 10 * 2 = 20 Вт.

Это очень быстро нагреет светодиод до точки, где он разрушится. Реальный мир немного сложнее, поскольку светодиод не является идеальным фиксированным падением напряжения с нулевым сопротивлением, но конечный результат в любом случае одинаков.

Если мы добавим к внутренним сопротивлениям последовательный резистор на 100 Ом, то ток уменьшится до 10 мА, и светодиод будет красиво светиться.

Изменение значения резистора приведет к изменению яркости, большинство маленьких светодиодов ограничены максимумом около 20 мА и не видны намного ниже 1 мА. Обычно превышение 10 мА практически незаметно (это больше из-за того, как работают глаза, чем из-за того, как работают светодиоды). Вы также можете изменить яркость, включив и выключив их очень быстро, это проще для цифровых систем и, как правило, более эффективно для заданной воспринимаемой яркости (опять же, больше из-за глаз, чем светодиодов), это позволяет вам изменять яркость имея только один фиксированный резистор в оборудовании.Если вы планируете использовать переменный резистор для установки яркости, то рекомендуется также включить небольшое фиксированное значение, чтобы с переменным резистором, установленным на 0, ток ограничивался до 20 мА.

А что, если мы добавим два светодиода последовательно?

Для включения каждого светодиода требуется 2 В. Два светодиода означают 4В. С источником 3 В у нас недостаточно напряжения для прямого смещения диодов, поэтому они будут блокировать весь ток. Светодиоды погаснут. Если вы увеличите напряжение и правильно установите токоограничивающий резистор, они оба включатся.Поскольку яркость зависит от тока через светодиод, и они оба будут иметь одинаковый ток, они будут иметь одинаковую яркость (для одного и того же типа светодиода).

Что, если мы добавим два светодиода параллельно?

Если мы добавим два параллельно, каждый со своим собственным резистором, то они фактически станут отдельными цепями. Предполагая, что источника питания достаточно, каждый будет действовать так, как будто он единственный.

Если они используют общий резистор, все становится интереснее. Теоретически это сработает нормально, вам нужно будет уменьшить вдвое номинал резистора, чтобы получить такой же ток каждого светодиода, но кроме этого вы ожидаете, что он будет работать.К сожалению, нет двух одинаковых светодиодов, все они будут иметь очень немного разные напряжения смещения, что означает, что через один будет протекать больше тока, чем через другой (это был бы весь ток через один, если бы не небольшое увеличение напряжения в виде тока. увеличивается, что мы обычно игнорируем).

Это означает, что два светодиода, подключенных параллельно к одному резистору, почти никогда не будут иметь одинаковой яркости.

Обычно все, что необходимо для управления группой светодиодов (например, подсветка), будет использовать длинную последовательную цепочку светодиодов и повышать напряжение до необходимого уровня (в пределах разумного), чтобы все они имели одинаковую яркость.

pwm - Увеличивает ли импульс светодиода при более высоком токе большей видимой яркости?

Я рассматривал это более подробно в прошлом, когда разрабатываю светодиодные фонари с солнечной зарядкой, и в целом меня интересуют светодиоды.

Во-первых, человеческое восприятие при постоянной мощности и переменной скважности импульсов. А, скажем, рабочий цикл 10% приведет к 10-кратному увеличению тока при том же напряжении, чтобы это удерживалось. Настоящие светодиоды будут иметь несколько более высокое прямое напряжение при увеличении тока в 10 раз, но не намного.Честное испытание, вероятно, Ipeak x time on = constant.

  • В далеком прошлом утверждалось, что реакция человеческого глаза была такова, что импульсные светодиоды с постоянной мощностью, но с малым коэффициентом заполнения приводили к большей видимой яркости. AFAIR ссылка была в документе HP.

  • Совсем недавно я прочитал прямо противоположное из умеренно авторитетного, но забытого источника.

Я, наверное, смогу найти последний документ, но документ HP будет потерян в тумане времени.Однако я считаю, что любое физиологическое воздействие эфирным путем невелико. Учитывая, что вам нужно примерно 2: 1 изменение яркости светодиода, чтобы оно было заметно, когда светодиоды рассматриваются по отдельности (один или другой, но не оба вместе), небольшие различия, безусловно, не будут заметны. Если, например, два фонаря светятся рядом на общей сцене, чтобы можно было провести прямое сравнение, вам может потребоваться разница примерно 1,5: 1+, прежде чем разница станет заметной - это в некоторой степени зависит от наблюдателя. Когда два источника света используются для «мытья стен» на гладкой стене, могут быть заметны различия между сторонами примерно до 20%.

Во-вторых - актуальная яркость.

При постоянном среднем токе общая светоотдача падает на при импульсном режиме работы и ниже при все более низкой продолжительности включения! Эффект еще хуже при постоянной средней мощности !!

Оба эти эффекта можно четко увидеть, изучив технические характеристики целевых светодиодов. Кривые светового выхода на каждый ток близки к прямым линиям, но кривая в сторону уменьшения мощности на один мА по мере увеличения тока. то есть удвоение тока не совсем удваивает световой поток.Эта уменьшающаяся скорость возврата увеличивается с увеличением тока. т. е. светодиод, работающий при значительно меньшем номинальном токе, производит больше люмен / мА, чем при номинальном токе, с повышением эффективности с уменьшением мА.

Выход (люмен) на ватт даже хуже, чем люмен на мА. По мере увеличения мА Vf также увеличивается, поэтому произведение Vf x I увеличивается на люмен быстрее, чем просто I. Таким образом, опять же, максимальный люмен / ватт достигается при низком уровне мА по сравнению с номинальным мА, а эффективность люмен / ватт улучшается с уменьшением тока.

Оба эти эффекта можно увидеть на следующих графиках.

Эти кривые относятся к совершенно изумительному [tm] Nichia NSPWR70CSS-K1 светодиоду, упомянутому ниже. Несмотря на то, что этот светодиод рассчитан на абсолютный максимум 60 мА и максимальный непрерывный ток 50 мА, Nichia любезно указала, что его производительность составляет до 150 мА. Долговечность при таком токе «не гарантируется». Это примерно самый эффективный из имеющихся светодиодов <= 50 мА. Если кто-нибудь знает что-нибудь с превосходной л / Вт при 50 мА и в том же ценовом диапазоне, пожалуйста, сообщите!

Я использую светодиод Nichia "Raijin" NSPWR70CSS-K1 в нескольких продуктах.Он начал свою жизнь как светодиод на 30 мА, но после тестирования компания Nichia увеличила его до 50 мА (срок службы уменьшился до 14 000 часов). При 50 мА он обеспечивает около 120 л / Вт, а при 20 мА - около 165 л / Вт. Последняя цифра ставит его среди самых лучших доступных продуктов в реальном мире, хотя недавние предложения теперь превышают это значение при токах значительно ниже номинальных.

Сложным фактором является то, что современные светодиоды высокой мощности часто рассчитаны на значения Iabsolute_max, возможно, на 20% выше Imax_operating. то есть невозможно работать с ними в импульсном режиме при рабочем цикле менее 90% и постоянном среднем токе без превышения их номинальных абсолютных максимальных токов.Это не означает, что они не могут быть импульсными, многократно превышающими их номинальные максимальные длительные токи (спросите меня, откуда я знаю :-)), просто производитель не удостоверяет результаты. Светодиод Raijin ОЧЕНЬ яркий при 100 мА.

Особый случай.

Одна из областей, где могут иметь смысл пульсации при очень высоких токах и низких рабочих циклах, - это когда светодиод рассчитан на такого рода режим работы, и мгновенная световая отдача (яркость) имеет большее значение, чем средняя яркость.Часто встречающийся пример - это инфракрасные (ИК) контроллеры, где яркость каждого отдельного импульса важна, поскольку индивидуальные импульсы обнаруживаются, а средний уровень не имеет значения. В таких случаях могут использоваться импульсы в 1 ампер плюс. Ограничивающим током в таких случаях могут быть токи плавления соединительного провода. Влияние на светодиодный кристалл будет заключаться в сокращении срока службы, но это (предположительно) допускается производителем в спецификации - и требуемый общий срок службы обычно невелик.(например, пульт дистанционного управления телевизором, который используется в течение 0,1 секунды x, скажем, 50 импульсов в час в течение 4 часов в день, получает около 2 часов работы в год.


Эффективное улучшение освещенности источника света с помощью импульсной модуляции и ее психофизического воздействия на человеческий глаз. Университет EHIME 2008

Enddolith процитировал статью, в которой утверждалось, что при определенных условиях существенное реальное улучшение зрения. Вот полная версия статьи Jinno Motomura, процитированная
[ссылка обновлена ​​1/2016]

Они заявляют об истинном усилении просвета до ~ 2: 1 (поскольку люмены связаны с реакцией глаза) при рабочем цикле 5%, но, несмотря на большую осторожность, которую они проявили, существуют некоторые серьезные неопределенности при переводе этого на реальные приложения.

  • Похоже, они уделяют очень большое внимание быстрому нарастанию и спаду. Встречаются ли они при освещении сцен из реального мира, имеет ли это значение? и есть ли избранные примеры, где это будет работать лучше других?

  • Это смотрит на светодиоды напрямую (с хорошим зрением?) И сравнивает видимую яркость. Как это влияет на уровни света, достигающие наблюдателя после отражения сцены.

  • Как это применимо, когда светодиоды используются для освещения целей.Повлияют ли средние уровни яркости от цели по сравнению с прямым наблюдением за светодиодами на результаты? На сколько?

  • Как современные, например, белые светодиоды имеют Imax_max ~ = 110% от I_max_ continuous, и, поскольку этот эффект, кажется, зависит от ~ 5% рабочего цикла, имеет ли это какое-либо значение для аналогичных реальных светодиодов при больших процентах номинального тока?

Световой поток - воспринимаемая (относительная) яркость светодиодных индикаторов

Люди, смотрящие на цветные огни с одинаковым свечением, воспринимают желтый как «самый яркий» цвет.Зеленый немного тусклее, а красный намного тусклее. Используя общую формулу для расчета средней яркости, 30% - красный, 11% - синий и 59% - зеленый (R = 645,16 нм, G = 526,32 нм, B = 444,44 нм).

Теоретически, я должен выбирать силу света, используя соотношение: Синий = 90x, Красный = 33x, Зеленый = 17x и , я предполагаю, , Желтый = 15x.

Тестирование случайных светодиодов из моего мусорного ящика, люкс-метра с истекшим сроком калибровки и двух добровольцев, синий = 152x, красный = 143x, зеленый = 23x, желтый = 15x.

Приложение для индикаторов, легко распознаваемых при офисном освещении. Все будут иметь одинаковый корпус (T1 или T1.75), одинаковые углы обзора (около 60 градусов), с одинаковыми линзами (все прозрачные / тонированные или все разряженные). Они будут управляться на основе тестового тока и кривой яркости, указанных в паспорте.

Я предполагаю, что все другие бесчисленные факторы, такие как эффективность, инкапсуляция, геометрия, ориентация и т. Д., Указаны постоянными (угол обзора, линза), или они включены в рейтинг милликанделей (mcd), предоставленный производителем.

1. Кто-нибудь хочет прокомментировать эти соотношения, основываясь на реальном жизненном опыте?

Мое экспериментальное красное число требует в 3 раза большей светимости, чем теоретическое.

2. Какие целевые значения / цвета mcd вы могли бы предложить для светодиодов, просматриваемых при офисном освещении?

Мои условия тестирования не могут дать результатов в mcd, поэтому мои тестовые данные не помогают. Как только я получу предлагаемый mcd для цвета, я буду использовать отношения, чтобы получить другие значения mcd.И, конечно же, вы не можете купить именно то, что говорит калькулятор ... так что правило "практических правил"!

Обновить ... ---> Представьте светофор. Что, если водители будут жаловаться, что желтая лампа слишком тусклая, что они не уверены, когда она горит ...?

Я не хочу, чтобы мои пользователи говорили, что они всегда могут сказать, горит ли идиотский свет color1 или color2, но они никогда не могут быть уверены в color3, не глядя на устройство.

Определение яркости и интенсивности света светодиодов

Разъяснение спецификаций освещения

Многие люди часто задаются вопросом, что означают все эти спецификации LED .Ватты, люмены, поток, длина волны, мощность свечи, канделы, милликанделы - это лишь некоторые из множества терминов и единиц измерения, используемых для описания силы света. Хотя фотометрия намного сложнее, чем я могу даже начать объяснять, вот лишь несколько вещей, на которые следует обратить внимание, чтобы определить яркость источника света.

При рассмотрении характеристик яркости светодиодов наиболее распространенными доступными характеристиками являются сила света (обычно измеряется в единицах кандел или милликандел ) и угол обзора (измеряется в градусах).Яркость 1 кандела примерно такая же, как у обычной свечи. Милликандела, или mcd, в 1000 раз менее ярка, чем кандела, отсюда и приставка «милли-».

1000 милликандел = 1 кандела
Поскольку свет не всегда рассеивается равномерно, угол обзора источника света очень важен. Мощность света определяется местоположением смотрящего, поэтому, если вам нужен один источник света, который будет освещать всю комнату, убедитесь, что угол обзора достаточно широк, чтобы обеспечить такой свет.
Это тоже вопрос объектива; Рассеивающие линзы обеспечивают более широкий угол обзора, чем прозрачные линзы, но компромисс заключается в том, что рассеивающие линзы могут сделать светодиод более тусклым, чем обычно Одна свеча - основа силы света

Светодиод с рассеянной линзой
Светодиод с прозрачной линзой
Мощность лампы накаливания или светодиодной лампы говорит вам, сколько энергии потребляет эта конкретная лампа, не обязательно выходная мощность лампы.Таким образом, меньшая мощность светодиодной лампы может дать более люменов , чем лампы накаливания; Светодиоды экономят больше энергии, а также становятся ярче.

Еще одна характеристика, на которую следует обратить внимание, - это световой поток или сила света, которые можно определить, если известны сила света и угол обзора. Световой поток - это мощность света, воспринимаемая человеческим глазом по отношению к длине волны излучаемого света, и обычно измеряется в люменах.

Примечание. Угол обзора в градусах преобразуется в стерадиан , а затем умножается на канделы для получения люменов.

Вот полезный сайт, который позволяет легко преобразовать из кандел в люмен.

Как видите, угол обзора имеет большое значение для светового потока. Светодиод с разрешением 5000 мкд и углом обзора 60 ° примерно в 4 раза мощнее, чем светодиод с углом обзора всего 30 °.

Длины волн не обязательно предоставляют много информации о яркости источника света, а скорее о цвете источника света, а также оттенке этого конкретного цвета.Учитывая, что одни цвета ярче других, длина волны становится еще одной характеристикой, которую следует учитывать.


Диаграмма спектра видимого света

Единицы измерения, используемые для измерения яркости света
Установка Перевод
Кандела Яркость обычной свечи
Милликандела 1/1000 канделы
Люмен 1 кандела • стерадиан
Люкс 1 люмен / квадратный метр
Footcandle 1 люмен / квадратный фут

Другие советы и рекомендации наших дизайнеров по электронике

Объяснение

люменов | Что такое люмен в светодиодных лампах?

Джо / 29 октября 2019/ Терминология

При покупке светодиодных светильников вы часто будете встречать термин "люмен".Фактически, на информационной панели светодиодной лампы сначала указывается световой поток. Люмены являются важным показателем в освещении, и понимание их поможет вам выбрать правильное освещение для ваших нужд. Рассмотрим подробнее, что означает этот термин и как он влияет на выбор освещения.

Определение люмена
В светодиодном освещении люмены измеряют яркость света. Это отличается от ваттов, которые измеряют количество энергии в свете.Термин «люмен» означает «свет», что имеет смысл, если вы понимаете, что это измеряет. Другими словами, люмены измеряют количество света, излучаемого светодиодной лампой. Чем выше люмен, тем ярче будет свет.

Почему светодиоды измеряют в люменах?
Измерение яркости света более важно, чем измерение его мощности. Традиционные лампы накаливания измерялись в ваттах, что показывало, сколько энергии они потребляли. Чем больше мощность, тем ярче свет.Теперь, когда в отрасли существует так много вариантов энергоэффективного освещения, большая мощность на самом деле не означает больше света, если только вы не используете тот же тип лампочки. Вот почему светодиодное освещение измеряется в люменах.

люмен - это особенно полезная единица измерения, когда вы пытаетесь подсчитать, сколько света купить для вашего объекта. Большинство объектов имеют минимальные требования к хорошей видимости, и вы можете рассчитать необходимое количество ламп, только рассчитав в люменах. Если вам нужно определенное количество люмен на квадратный фут и вы знаете, сколько люмен излучает свет, вы можете установить или приобрести нужное количество ламп.

Как люмены сравниваются с ваттами?
Люмены и ватты измеряют разные вещи, поэтому их нельзя сравнивать. Это похоже на сравнение фунта яблок с галлоном молока - измерения совершенно разные. Тем не менее, вы можете оценить количество люменов, которое может дать конкретная ваттная лампа. Лампа накаливания, потребляющая, например, 100 Вт, дает около 1600 люмен. В мире светодиодов лампа мощностью 26 Вт дает такое же количество люменов.

Почему так много неразберихи?
Почему так много путаницы между ваттами и люменами? Когда лампы накаливания используются в качестве основного источника света в домах и на предприятиях, все они измеряются в ваттах.Хотя ватты измеряли количество потребляемой мощности, люди начали ассоциировать их с уровнем яркости, потому что все знали, что 100-ваттная лампа ярче 40-ваттной лампы. Теперь, когда на рынке присутствуют светодиоды, КЛЛ и другие более эффективные варианты освещения, это соединение больше не работает. Светодиодная лампа мощностью 22 Вт намного ярче лампы накаливания на 60 Вт, потому что светодиод мощностью 22 Вт дает 1600 люмен, тогда как лампа накаливания мощностью 60 Вт дает только 800.

Очевидно, что в случае измерения светодиодов люмены являются лучшим показателем.Используйте люмен, чтобы найти подходящее освещение для вашей следующей потребности, помня, что чем больше люмен, тем ярче свет. Если вы ищете яркое и эффективное светодиодное освещение, доверьтесь HyLite LED Lighting, чтобы предоставить необходимые вам решения.

Как определяется яркость света?


Яркость - это атрибут визуального восприятия, при котором источник кажется излучающим или отражающим свет.

Часто возникает путаница в отношении таких терминов, как яркость, величина, сила света и то, как люди на самом деле воспринимают свет. Важно понимать различные термины и технологии, используемые в индустрии освещения.

Как ведущего поставщика световых решений, Lumitex часто спрашивают: «Насколько ярким должен быть мой продукт и как он определяется?»

Чтобы ответить на нерешенный вопрос о яркости света, нам необходимо охватить ряд тем, ведущих нас к яркости света, включая физиологию света и отраслевые стандарты яркости.Вместе мы откроем цветовое восприятие, шкалу яркости света и ответим на известный вопрос.

Хотите узнать больше о яркости света? Получите бесплатный PDF

Я пришлю вам копию, чтобы вы могли прочитать ее, когда вам будет удобно. Просто дайте мне знать, куда его отправить (занимает 5 секунд):

Что такое свет

Свет - это видимая часть большего диапазона длин волн, известного как электромагнитный спектр.

Изображение предоставлено : Электромагнитный спектр WikiMedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Этот спектр варьируется от радиоволн с длинами волн размером со здание до гамма-лучей с субатомными длинами волн. Длины волн, приблизительно равные размеру вируса и бактерии, известны как видимый свет.

Видимый спектр света - это часть электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом, обычно от 400 до 700 нанометров.

Откуда исходит свет

Давайте сначала определим несколько ключевых терминов, чтобы понять заданный вопрос: «Откуда исходит свет?»:

1. Яркость , первоначальное значение яркости, - это количество света на телесный угол, исходящее из области, такой как небо.

2. Видимая звездная величина в астрономии, видимая величина (видимая яркость) равна яркости звезды с Земли. Это зависит от местонахождения наблюдателя.26 мощность], а выход энергии в секунду называется светимостью [L]. По мере удаления от источника излучения яркость уменьшается.

Интересно, что это не линейное падение. Если расстояние наблюдателя от источника удвоится, яркость не упадет до 1/2 исходной яркости. Из-за принципа, называемого законом обратных квадратов, видимая яркость фактически уменьшается до 1/4 исходной яркости.

Изменение яркости звезды обусловлено двумя составляющими:

1.вариации светимости

2. вариации расстояния

По мере того, как свет приближается к вам, он распространяется и покрывает большую площадь. Концепция проиллюстрирована на изображении ниже.

Изображение предоставлено: закон обратных квадратов, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

S представляет собой идеальный источник электромагнитного излучения. A представляет собой произвольный отрезок поверхности сферы радиуса r.

Это соотношение для света называется отношением обратных квадратов .

Закон обратных квадратов «описывает интенсивность света на разных расстояниях от источника света. Интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния». [источник]

Как люди воспринимают свет

Как люди, мы видим свет глазами. У этих специальных биологических сенсоров много рабочих частей.

Ирисовая диафрагма открывается и закрывается в ответ на свет, от 2 мм в самом маленьком до 8 мм в самом большом. Он закрывается, когда есть много света, чтобы защитить чувствительные клетки внутри глаза, и открывается, чтобы пропустить больше света, когда его меньше.

Внутри наших глаз находятся миллионы крошечных сенсорных ячеек, называемых колбочками и палочками. Колбочки лучше всего работают при ярком лунном и дневном свете, а стержни помогают ощущать более низкий уровень освещенности.

Колбочки - это датчики цвета. Существует три типа цветочувствительных колбочек, каждый из которых содержит пигменты, поглощающие определенную длину волны:

1. 445 нм, чувствительный к коротковолновому синему свету

2. 535 нм, чувствительный к средневолновому зеленому свету

3. 575 нм, чувствительный к длинноволновому красному свету

Изображение предоставлено: Eye Sensitivity, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Колбочки собирают информацию и посылают в наш мозг сигналы для интерпретации информации. Поскольку это биологический процесс, существует широкий спектр человеческого разнообразия, поэтому цвет и свет будут восприниматься каждым человеком по-разному.

Вы можете вспомнить социальный феномен, разделивший Интернет по вопросу о том, было ли платье бело-золотым или сине-черным. Платье воспринималось в разных цветах. Существует наука, почему никто не согласился с цветом.

Объяснение разницы в цветовой перспективе было объяснено Бевилом Конвей, нейробиологом, изучающим цвет и зрение в колледже Уэллсли.

Вот отрывок из ее рассуждений ...

«Здесь происходит то, что ваша зрительная система смотрит на это, и вы пытаетесь сбрасывать со счетов хроматическое смещение оси дневного света», - говорит Бевил Конвей. "Таким образом, люди либо сбрасывают со счетов синюю сторону, и в этом случае они в конечном итоге видят белое и золото, либо скидывают золотую сторону, и в этом случае они получают синий и черный.«

Кроме того, как вы можете видеть на изображении выше, пик конуса составляет 555 нанометров. Это будет означать, что при нормальных условиях освещения, таких как дневной свет, глаз будет наиболее чувствительным к желтовато-зеленому цвету. Свет на этой длине волны дает самую высокую яркость по сравнению со светом на других длинах волн.

Понимание яркости света и отраслевых стандартов

Источники света - от солнца до автомобильных фар до одноцветных светодиодных индикаторов.Различные типы источников света влияют на то, как наши глаза воспринимают цвета. При дневном свете мы чаще всего видим синий и зеленый.

В этом разделе мы сравниваем обычные предметы, такие как рекламные щиты, фары и смартфоны, с их соответствующей «яркостью» и ее единицами измерения.

Во-первых, давайте дадим вам базовую линию от Солнца и Луны с точки зрения яркости.

Солнце (самая яркая звезда)

Солнце - главный источник света на Земле. Видимая величина является мерой потока звезды (яркости).Видимая величина Солнца -26,7.

Луна

Поверхность Луны отражает свет Солнца. Его видимая величина. составляет -12,7 (на 14 звездных величин слабее Солнца).

«Яркость» здесь означает, в частности, количество солнечного света, отражающегося от поверхности Луны. Ее видимая величина примерно в 400 000 раз меньше солнечной, но точная яркость Луны зависит от ее угла по отношению к Солнцу и Земле. И эти углы следуют сложной схеме, которая повторяется примерно каждые 20 лет.[источник: Насколько ярка Луна, правда?]

Чтобы полностью понять концепцию того, что Луна в 14 раз слабее Солнца, но составляет лишь половину своей фактической видимой величины, нам нужно оценить логарифмический масштаб.

Логарифмическая шкала - это «шкала измерения, в которой используется логарифм физической величины вместо самой величины. В логарифмической шкале каждая отметка на шкале - это предыдущая отметка , умноженная на на некоторое число». Каждая позиция на шкале обозначается логарифмом значения вместо фактического значения.

WinMate, мировой лидер в разработке передовых мобильных технологий, сравнил различные условия освещения и его источник. Вы можете посмотреть диаграмму здесь.

Теперь давайте посмотрим на некоторые общие объекты, с которыми вы сталкиваетесь ежедневно.

Открытый цифровой рекламный щит

Яркость знака связана с тем, как он взаимодействует и / или борется с Солнцем в течение дня. Было бы разумно, если бы чем ярче дисплей, тем лучше он мог бы конкурировать с Солнцем.

Ночью знак конкурирует с Луной, и поэтому он кажется намного ярче, даже если работает с той же интенсивностью.

Индустрия светодиодов измеряет интенсивность наружных цифровых рекламных щитов или вывесок в канделах на квадратный метр , что также называется нитами. Ниты измеряют яркость, плотность излучаемого света.

«На более техническом уровне NIT - это количество светового потока, равное одной канделе на квадратный метр (кд / м2 - стандартизированное измерение силы света)." [источник]

Подсветка рекламных щитов может считаться проблемой безопасности - слишком яркая и может нанести ущерб водителям автомобилей.

В

-дюймовых светодиодах используются высокоэффективные компоненты. Яркость, мощность и цвета этих источников света претерпели значительные изменения. Значительно снижено энергопотребление и улучшено качество разрешения.

Что еще более важно, большинство светодиодных блоков оснащены датчиками освещенности, которые контролируют окружающий свет.Датчики автоматически регулируют уровень яркости светодиодного блока в зависимости от условий окружающего освещения. "

С развитием технологий многие штаты США принимают стандарты освещения. Кодекс отраслевых принципов OAAA (Ассоциация наружной рекламы Америки, Inc.) полностью согласен с заявлением: «Мы стремимся обеспечить, чтобы условия внешней освещенности, связанные с цифровыми рекламными щитами стандартного размера, постоянно контролировались светочувствительным устройством.«

Регулировка яркости - важный аспект при внедрении электронных вывесок.

Автомобильные фары

люмен - это стандартный показатель светоотдачи автомобильных фар. Фара автомобиля составляет около 700 люмен, а дальний свет - 1200 люмен.

Сегодня есть выбор HID или LED. Для фар это зависит от области применения и желаемого эффекта.

По данным Power Electronics, светодиодное освещение постепенно проникает в автомобильную промышленность.

«Благодаря светодиодной технологии освещение стало отличительной чертой, а также реализованы инновационные функции, такие как безбликовый адаптивный дальний свет».

Далее в статье говорится: «Улучшенные характеристики светодиодов, более низкое энергопотребление и гибкий дизайн были первыми инструментами. Затем снижение затрат помогло распространению светодиодной технологии на все категории транспортных средств».

Ведущие игроки внедряют инновации и разрабатывают новые технологии, включая новые светодиодные, жидкокристаллические или лазерные источники света.

На изображении ниже показано, как далеко выросла автомобильная промышленность с точки зрения технологии освещения и функциональности.

Автомобильные задние фонари

Задние фонари - это красные фонари на задней части вашего автомобиля. Федеральный стандарт безопасности автотранспортных средств 108 (FMVSS 108) регулирует диапазоны интенсивности фар и задних фонарей. Цель стандарта - снизить количество дорожно-транспортных происшествий и смертей за счет обеспечения надлежащего освещения.

Яркость измерения используются для таких продуктов, как автомобильные задние фонари.

Светодиодные лампы

- популярный выбор для них и служат дольше. Другой выбор - галогенные лампы. Ксеноновые фары - это третий выбор для задних фонарей, которые стали ярче, ярче и ярче.

Carid написал информативную статью о светодиодных задних фонарях.

Технический писатель и консультант по продукту Тимоти Заль говорит, что задние фонари, оснащенные светодиодными фонарями, улучшают внешний вид любого автомобиля.

И "светодиоды достигают полной яркости на 0,2 секунды быстрее, чем стандартные лампы накаливания.«Захл, Тимоти.« Светодиодные задние фонари - они ярче, красивее или и то, и другое? » Carid

Телевидение

Покупая сегодня телевизор, вы также можете услышать термин Nits. Больше нит - больше светового потока.

Думайте об этом как о том, сколько света ваш экран телевизора посылает вашим глазам в зоне, где вы сидите. В среднем размер обычных телевизоров составляет от 500 до 1000 нит.

ЖК-экран

Количество света, излучаемого ЖК-монитором, выражается в нитах или канделах на квадратный метр (кд / м2).

Нит равен 1 кд / м2.

«Типичные значения яркости находятся в диапазоне от 250 до 350 кд / м2 для мониторов, которые выполняют задачи общего назначения. Для отображения фильмов желательна более высокая яркость, например 500 кд / м2». [источник] "Как работают компьютерные мониторы"

Типичные термины для ЖК-дисплеев включают коэффициент контрастности, яркость, разрешение, количество пикселей и угол обзора.

Фонарик

Яркость фонарика обычно указывается в люменах.

Они варьируются от классических Mini Maglite с максимальной яркостью около 15 люмен до типичных светодиодных налобных фонарей с яркостью от 50 до 100 люмен. Фонари большего размера могут достигать 4000 люмен.

Смартфон

Без качественного дисплея неудобства для пользователей. Цветопередача и яркость - это потребность большинства пользователей.

Смартфоны и планшеты имеют очень мощный свет. Экраны светятся настолько ярко, что их можно рассматривать как днем, так и ночью.

Феррис Джабр, писатель для Scientific American, усилил доводы в пользу яркости:

"Комбинируя новые синие светодиоды со старыми зелеными и красными или покрывая синие светодиоды химическими веществами, которые повторно излучают волны других длин, производители технологий могут впервые генерировать белый светодиодный свет полного спектра.

Поскольку светодиоды намного более энергоэффективны, чем их люминесцентные предшественники, они вскоре стали повсеместными в телевизорах, экранах компьютеров, планшетах и ​​некоторых электронных книгах, наполняя дома и офисы гораздо более ярким синим светом на , чем когда-либо прежде.«

Подобно компьютерным дисплеям, ниты используются для описания яркости смартфонов.

Устройство считывания

Цифровая революция коснулась даже кухонной техники. Например, некоторые дисплеи духовки могут регулировать яркость на своей панели управления, а некоторые имеют другие параметры контрастности.

Одним из недостатков духовых шкафов и плит с цифровым дисплеем является то, что дисплей может со временем тускнеть. Решением этой проблемы может быть замена конденсаторов на электронной плате управления или замена всей платы управления.

Факт остается фактом: мы видим все больше приборов с лучшим освещением. Нит - это единица измерения, которая используется для света, излучаемого цифровыми дисплеями, такими как визуальные приборы.

Как измерить нит

Светодиодный индикатор Светодиодные световые панели

позволяют быстро визуализировать состояние системы. Подумайте о своей машине, у которой есть индикатор проверки двигателя. Это признак неисправности.

Выбор правильного светодиодного индикатора зависит от монтажа, правильного напряжения, номинального тока и цвета.Светодиоды эффективны и эффективны для цветного освещения.

Насколько ярким должен быть мой продукт

В зависимости от того, какая технология подходит вам, зависит от приложения, ваших бизнес-целей и вашего бюджета.

Чтобы ответить на вопрос "Насколько ярким должен быть мой продукт?"

Это зависит от обстоятельств.

Слишком много переменных для общего заявления. Если вы сравниваете ЖК-дисплей с одним светодиодом, вы должны для начала учитывать разрешение, количество пикселей, расстояние просмотра и окружающий свет.Также играют роль основные цели и бюджет.

При разработке продукта каждое приложение будет иметь свою спецификацию продукта. Как поставщик решений, Lumitex хорошо разбирается в разработке спецификаций продуктов, чтобы гарантировать соответствие отраслевым стандартам и удовлетворение конечных клиентов.

Заключение

Понимание вашего приложения и доступных технологий будет определять ваше окончательное решение.

Нужен свет в уникальной конфигурации?

Lumitex стремится помочь вам с помощью ваших инновационных световых решений, адаптированных к вашей идее.У нас есть световые решения, которые обеспечат нужный свет для любого вашего проекта.

Понимание света и яркости - как следует использовать светодиоды


Светодиодные лампы - это будущее, они быстро заменяют старые технологии освещения. Они предлагают высокую эффективность, экономя огромное количество энергии по сравнению с другими технологиями освещения. Например, лампа накаливания дает около 16 люмен на ватт (подробнее о люменах позже), HID - около 60 люмен на ватт, в то время как светодиодные лампы производятся с мощностью более 300 люмен на ватт.Хотя светодиоды более высокого класса в обычном производстве имеют яркость около 170 люмен на ватт, а обычные светодиоды - в диапазоне 100–140 люмен на ватт, все они по-прежнему намного более эффективны, чем эти старые технологии. Благодаря этой повышенной эффективности достигается большая экономия в виде счетов за электроэнергию и освещения, которые обычно окупаются, иногда всего за несколько месяцев за счет экономии энергии. Экономия энергии помогает хранить больше денег в кармане и помогает снизить потребность в производстве энергии, делая их экологически безопасными.Будь то солнечные фонари для парковок, светодиодные фонари для стадионов, светодиодные лампы для кукурузы, светодиодные строительные фонари, панельные фонари или фонари для высоких пролетов, переход на светодиоды должен быть простым решением. Однако с повышением эффективности старая концепция выбора лампочки по мощности больше не работает. Пора подумать о яркости и световом потоке, когда решаете, какие светильники покупать.
Меры яркости и значение связанных терминов

Несколько факторов связаны с яркостью лампы накаливания.Во-первых, это зависит от количества излучаемой энергии, известного как лучистый поток. Вы редко будете читать о мерах в освещении, поскольку это общий термин для всех типов энергии и связан с радиометрией. Световой поток - это термин, более специфичный для освещения, поскольку он измеряет энергию, производимую в видимом спектре света. Это основано на чувствительности человеческого глаза к свету, поэтому его можно рассматривать как субъективное измерение. Некоторые цвета кажутся глазам намного ярче по сравнению с другими, поэтому, хотя генерируется такая же энергия, есть разница в яркости.Единицей измерения светового потока является люмен.

люмен: это термин, на который следует обратить внимание при покупке светодиодной лампы. Люмен - это мера количества света, излучаемого в единицу времени, и это статистика, которую вы увидите на большинстве осветительных приборов в наши дни. Чтобы не усложнять задачу, представьте, насколько ярким является свет.

люкс: Один люмен - это количество света, необходимое для освещения одного квадратного метра при яркости в один люкс. Люкс - это измерение света, охватывающего определенную область, и одна из наиболее распространенных единиц, используемых в планах освещения, чтобы показать яркость области, создаваемую используемым освещением.

Footcandle (fc): Специалисты по освещению используют фут-канделу как одну из наиболее распространенных единиц измерения для расчета уровней освещенности на открытом воздухе и в рабочих помещениях. Вкратце, фут-свеча измеряет интенсивность света на основе кандел, которые также используются для расчета люменов. Фут-свеча - это американский осветительный прибор, и хотя уравнения для определения люкс и фут-кандел совершенно разные, для обычного человека они представляют собой просто измерение яркости в данной области.Хорошим сравнением были бы американские стандартные единицы, такие как футы и фунты, с метрической системой с метрами и граммами. Простое уравнение, которое устанавливает связь между Lux и Footcandle, состоит в том, что 1 фк составляет приблизительно 10 люкс.

Пример значений естественного освещения вне помещения

Если на улице много солнечного света, измерения света могут находиться в области 10 000 фут-фк или 107 527 люкс. С другой стороны, если ночь пасмурная, то мера освещенности может быть не ниже.00001 fc или 0,0001 люкс.

Рекомендуемые уровни освещенности

В то время как уровень внешнего освещения составляет около 10 000 люкс в ясный солнечный день, электрическое освещение в здании обычно находится в диапазоне от 100 до 1000 люкс (в зависимости от вида деятельности). . Для детальных и точных работ и мероприятий уровень освещенности может достигать 1500–2000 люкс и выше.

Факторы, влияющие на эффективность освещения

Как правило, некоторые из факторов, влияющих на эффективность освещения, - это количество мерцания, количество бликов, тени, контраст и качество света.Каждый элемент должен быть настроен по-разному для оптимизации освещения в ситуациях, связанных с безопасностью, операциями, безопасностью и аварийной ситуацией. Стандарты освещения решают множество проблем, связанных с минимальными требованиями к энергии, установке, размещению и дизайну.

Освещение рабочего места имеет важное значение, поэтому освещение должно быть индивидуальным для работы

С точки зрения рабочего, плохое освещение приводит к утомлению глаз, стрессу, головным болям и несчастным случаям. С другой стороны, чрезмерное освещение имеет такие последствия для здоровья и безопасности, как стресс и головные боли «бликов».Таким образом, рабочие места имеют отдельные требования к освещению, которые также зависят от вида выполняемой работы. Среднее офисное пространство будет составлять около 500 люкс, но может быть и 250 в зависимости от потребностей рабочего места. Общественные места, такие как лестничные клетки, коридоры, лифты. ванные комнаты и вестибюли чаще всего имеют диапазон 200 люкс. В лабораториях и других местах, где выполняется очень кропотливая работа, тестирование и задачи с интенсивным зрением, яркость может достигать 10 000 люкс или даже около 20 000 люкс.

Светильники для высоких пролетов, используемые в освещении складов, часто ближе к 150 люкс, когда используются больше для хранения, но промышленный склад или завод, на котором ведется интенсивное производство, могут достигать около 750-1000 люкс.Часто на большом складе может быть секция для хранения и складирования предметов, которым не нужно так много света, в то время как другая секция может использоваться для более интенсивной работы. В этом случае можно использовать больше источников света или более мощные источники света в определенных областях, где требуется более яркий свет.
Различное освещение для разных приложений

Торговые помещения

Торговые помещения любого типа, как правило, имеют более высокую яркость. Продавцы хотят, чтобы их покупатели четко видели их продукты, чтобы сделать продажи привлекательными.В супермаркетах и ​​выставочных залах обычно бывает от 500 до 1000 люкс.

Внешняя торговая среда также отличается. Освещение парковки обычно находится в диапазоне 10-15 люкс на земле. Но если переехать в магазин по продаже автомобилей, то значение поднимется до 150-200 люкс.

Спортивное освещение

Область, которая получает наибольшую выгоду от светодиодного освещения, должна быть спортивным освещением. По этой причине есть освещение для баскетбольных площадок, освещение для теннисных кортов и другое освещение спортивных площадок в светодиодном формате.Спортивные фары имеют более высокий люмен и большую мощность. Благодаря мощным фарам, используемым для спортивного освещения, разница в потребляемой энергии огромна. Одним из наиболее распространенных спортивных фонарей является металлогалогенный свет мощностью 1500 Вт, который заменяется светодиодными спортивными фонарями мощностью 500 Вт, что дает экономию 1000 Вт на светильник! Когда вы думаете о том факте, что для освещения бейсбольных полей и других больших полей можно использовать 40, 50 и даже сотни источников света в случае профессиональных спортивных площадок, вы можете увидеть, какое значение может иметь светодиодный спортивный свет в счетах за электроэнергию.Во-вторых, в светодиодных светильниках используется специальная оптика, что делает их яркими там, где необходим свет на поле или корте, и не тратит этот свет за пределы зоны освещения. Эта оптика также уменьшает блики, облегчая глазам игрока заниматься спортом в ночное время.

Игровые поля и стадионы

Светодиодное спортивное освещение быстро заменяет металлогалогенные и даже старые галогенные лампы на полях, кортах, аренах и стадионах по всему миру. Верховая езда, пиклбол, теннисные корты, баскетбол, бейсбол, футбол, футбол - и список светодиодов можно продолжить.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *