Светодиоды типа DIP
Полупроводниковые элементы данной категории относятся к слаботочным изделиям, поэтому они в основном применяются для дополнительной подсветки. Обычно они устанавливаются в качестве индикаторов или основных источников в гирляндах. С появлением более совершенных технологий их производство существенно сократилось.
Принцип работы светодиода малой мощности сравнительно прост. В качестве основы выступает корпус, имеющий цилиндрическую форму. Он изготавливается из эпоксидной смолы. Во внутренней части находятся специальные выводы, вставленные в печатную плату. Закругленный цилиндр позволяет создать направленный световой поток.
Излучающий элемент в виде кристалла размещен на катоде, который напоминает небольшой флажок. Он при помощи сверхтонкого провода соединен с анодом. Встречаются изделия сразу с двумя или тремя кристаллами, имеющими разные цвета. При необходимости в корпус внедряется управляющий чип, необходимый для контроля над свечением.
Для наращивания уровня светового потока в таких светодиодах начали делать четыре вывода вместо двух. Однако при таком варианте нагрев кристалла значительно увеличился, что привело к ограничению возможной сферы применения.
Появление COB на рынке
Данная технология относительно нова. Получила она свое широкое распространение лишь 5 лет назад. COB (chip-on-board) представляет собой новую ступень эволюции светодиодной техники. В то время, как производители устаревших форматов LED источников боролись за яркость светового потока, новая технология позволила отступить от яркости в пользу количества располагаемых элементов свечения на одной плате (о чем говорит название технологии).
Основные преимущества COB над SMD
Поскольку система размещения диодов на одной плате является значительно более свежей, чем устаревшие LED аналоги, то и преимущественных факторов у нового решения куда больше. Среди наиболее примечательных отдельного упоминания стоят: отсутствие воздействия воздуха на светодиоды; низкая стоимость; увеличенный срок службы; равномерный поток света. Давайте подробнее остановимся на каждом из вышеперечисленных пунктах! Герметичность конструкции Вся прелесть и удобство COB конструкции заключается в том, что несколько светодиодных элементов располагаются непосредственно на плате и заливаются однородным люминофором. В качестве подложки чаще используется теплоотводящие материалы – керамика или алюминий. Благодаря герметичной заливке компонент не подвергается внешним факторам, в результате чего соединительные элементы не окисляются.
Низкая стоимость
Данный пункт прямо исходит из предыдущего. Поскольку при организации осветительной цепи не используется многомодульная схема, то стоимость COB источников значительно дешевле, чем SMD варианты. Со временем цена на соответствующую продукцию значительным образом снижается, но уже сейчас LED источники обеих технологий доступны каждому.
Увеличенный срок службы
Современные варианты COB элементов отличаются длительным рабочим ресурсом. Среднестатистический светильник или прожектор, работающий на новых технологиях свободно проработает до 50 000 часов, по заверению различных производителей.
Равномерный поток света
Данная отличительная черта элементов COB выгодно отличает их в случаях, когда вам требуется не направленный пучок света, а равномерно распределенный по всему помещению (или при наружном использовании).
Когда стоит выбирать SMD?
Несмотря на многочисленные преимущества COB, у него есть и ярко выраженные недостатки. Наиболее приметным среди них является сложная ремонтопригодность. Если в системах поверхностной установки (SMD) устранить неработающий элемент в цепи достаточно просто, то в случае с COB – аналогичное мероприятие окажется достаточно проблематичным.
Кроме прочего, COB модели легко выходят из строя при деформации твердой платы, что вынуждает пользователя ограничиваться некоторыми правилами эксплуатации.
Что лучше – COB или SMD?
Вот мы и подошли к сакральному вопросу, который мучает такое большое количество пользователей. Правда заключается в том, что нет правильного ответа. Обе технологии примечательны в различных ситуациях
Если вам нужен направленный пучок света, то выбирайте SMD, а если вам требуется равномерный и красивый световой поток, то обратите ваше внимание на COB. В любом случае, приемник устоявшихся LED технологий активно вытесняет SMD с рынка и в ближайшее десятилетия займет доминирующую позицию в мире
А пока – выбирайте исходя из локальных требований и визуальных предпочтений!
Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение
При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.
Последовательное
Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.
Минусы последовательного соединения:
- При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
- При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.
В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.
Параллельное
При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.
Минусы параллельного подключения:
- большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
- существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).
Смешанное
Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.
Распространенные ошибки при подключении
Самые часто встречающиеся ошибки при соединении светодиодов:
- Выбор резистора не того номинала – если подобрать слишком маленькое сопротивление, светодиод может перегореть. При большом значении светить диод будет не в полную силу.
- Подключение напрямую к источнику питания без токоограничивающего резистора. Излучающий компонент сразу сгорит.
- Соединение по параллельной схеме с одним резистором для всех диодов. Компоненты начнут выходить из строя, так как рабочий ток у каждого различный.
- Соединение по последовательной схеме светодиодов, рассчитанных на разный ток. В таком случае часть диодов перегорит, а часть будет светить тусклее.
- Подключение напрямую к сети 220 В без защиты.
Размер кристалла
В общих характеристиках светоизлучающих диодов можно встретить значение размера кристалла. Эта величина измеряется в Милах (mil), 1 mil соответствует 0,0254 мм. Стандартные размеры квадрата кристалла 24×24, 24×40, 35×35 и 40×40 mil. Считается, чем больше его площадь, тем больше потребляемая мощность, при этом снижается нагрев при работе и увеличивается предел перегрузки. Для сравнения размеры 40×40mil соответствуют 1,143 × 1,143 мм и потребляют около 1 Вт.
Естественно, большое значение имеет материал для изготовления и условия, при которых кристалл выращивался. Также значение имеет качество калибровки. Это к тому, что себе дешевле приобретать светодиоды известных брендов, показатели многих китайских лед источников света завышены.
Отличительные характеристики COB
Наравне с другими типами светодиодов, COB матрицы имеют свои «светлые и темные стороны», о которых стоит упомянуть. Первый плюс в пользу COB – это форма матрицы, которую можно изготовить круглой, квадратной, с технологическими отверстиями… В общем, любой. Это позволяет дублировать размеры практически любого источника искусственного света и подстраиваться под нужную форму. Второй положительный аспект – качество излучаемого света. Предметы, освещаемые COB светильниками, имеют чёткую теневую границу за счет равномерного распределения светового потока. Лампы на SMD светодиодах не могут похвастаться такой контрастностью из-за отдельно расположенных кристаллов и отражателей.
Нельзя пройти мимо энергетических показателей. Мощность одной COB матрицы зависит от её геометрии, количества кристаллов и совершенства применяемой технологии изготовления. Стоит отметить высокую светоотдачу COB матриц. Например, наиболее технологически совершенная, массово производимая COB матрица CXB1820 от компании Cree, имеет светоотдачу в 166 лм/Вт.
Недостатком COB технологии можно назвать не ремонтопригодность матрицы в случае частичного или полного выхода из строя отдельных чипов.
Цветовая маркировка.
Маркировка led в мире не стандартизирована. Изготовитель сам решает, что он будет обозначать на корпусе.
Светодиоды российского производства маркируются цветовым кодом. Он состоит из цветных кружочков или черточек. Примеры маркировки приведены ниже на рисунке.
Цветовая маркировка российских индикаторных светодиодов.
Рассмотрим маркировку известных мировых производителей.
Philips.
В качестве примера возьмем модель Luxeon Rebel. Она маркируется LXML-ABCD-EFGH. В этой аббревиатуре зашифровано следущее:
- LXML – серия;
- ABC – информация о свете: как распределяется, цветовая температура;
- D – величина тока;
- E – запасная буква на будущие модели;
- FGH – яркость (в люменах).
Cree.
Фирма предлагает обозначение SSSCCC-BD-0000-NNNNN, где:
- SSS – серия;
- CCC – описание цвета:
- BD – индекс цветопередачи:
- 0000 – код производителя;
- NNNNN – индивидуальный номер по цветовой температуре и яркости. Стоит уточнить в техническом описании.
Принцип работы светодиода
Несмотря на рассмотренные технологические особенности, работа всех светодиодов базируется на общем принципе действия излучающего элемента. Преобразование электрического тока в световой поток происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с разным типом проводимости. Материал с n-проводимостью получают путем его легирования электронами, а материал с p-проводимостью – дырками. Таким образом, в сопредельных слоях создаются дополнительные носители заряда противоположной направленности.
Вообще, данное физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Но в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра излучения. Чтобы заставить элементарную частицу двигаться в диапазоне 400-700 нм ученым пришлось провести немало экспериментов с подбором подходящих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и более сложные их формы, каждая из которых характеризуется своей длиной волны, а значит, и цветом излучения.
Кроме полезного света, испускаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется некоторое количество теплоты, которая снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому в конструкции мощных светодиодов должна быть продумана возможность реализации эффективного отвода тепла.
Достоинства и недостатки
Светодиоды – СИД (светоизлучающий диод) или LED, от английского Light Emitting Diode – как источники электрического искусственного света обладают множеством достоинств. По сравнению с традиционными лампами накаливания ЛН, в т.ч. и галогенными, они более энергоэффективны. Это подтверждается таким параметром, как светоотдача. Например, светоотдача, т.е. отношение количества света, которое выдает источник света к потребленной мощности у разных источников имеет такие значения, в Лм/Вт:
- у обычных ламп накаливания – от 4-5 до 12-13;
- у галогенных – от 14 до 17-18;
- у люминесцентных – от 45-50 до 70;
- у разрядных металлогалогенных – от 75-80 до 100-105;
- у светодиодов и мощных разрядных натриевых ламп – около 110-115;
- у перспективных светодиодов – около 250-270.
К другим достоинствам относятся:
- длительный срок эксплуатации, который больше номинального срока службы ламп накаливания в 10-100 раз;
- к.п.д. значительно больший, чем у других источников света;
- высочайшая надежность обеспечена механической прочностью твердотельного кристалла, пайкой по большим плоскостям контактных площадок, небольшими размерами и массой корпуса приборов и пр.;
- электрическая безопасность – рабочее напряжение не превышает 12-18 В и только некоторые светодиодные изделия питаются от сети 230 В напрямую;
- безопасность для здоровья человека и природы – материалы, используемые в конструкции нейтральны или малоопасны, в то время в других энергоэффективных источниках света – разрядных лампах, люминесцентных трубчатых, компактных, индукционных и т.п. используется ртуть – материал 1-й группы опасности, который имеет свойства накапливаться в организме человека и животных;
- достаточно высокое качество света: разная цветовая температура, точное цветовоспроизведение, малый уровень пульсаций светового потока и т.п.;
- работа в разных климатических условиях: при высокой влажности и запыленности воздуха, при температуре минус 50-60℃;
- мгновенный выход на рабочий режим. Разрядным лампам на это требуется от 30 сек до нескольких минут;
- неограниченное число включений. Люминесцентные источники света имеют от 7-8 до 20-25 тыс. включений;
- высокая стабильность параметров во времени.
Белые светодиоды с трехкомпонентным люминофором имеют в спектре излучения 3-5 спектральных линий, а современные газоразрядные лампы – 2-3. Поэтому светодиоды имеют более высокий коэффициент цветопередачи, чем люминесцентные лампы.
Но светодиоды имеют и недостатки:
- ограничение по верхней рабочей температуре, не превышающей 80-100℃;
- высокая стоимость, но она компенсируется длительной работой и минимумом техобслуживания.
У некоторых разновидностей светодиодов при производстве обеспечивают нужный оттенок белого света – от супертеплого до очень холодного, или практически любой цвет. Регулируемые светодиоды – RGB-триады, тройки разноцветных кристаллов в одном корпусе, позволяют получить любой белый или цветовой оттенок. В светильниках, лентах и линейках, модулях на светодиодной основе эти возможности еще больше.
Как подключить ЛЕД-светильник к 220В
Светильник светодиодный EVRO-LED-HX-20 18Вт 6400К IP20
Основное достоинство таких светильников в сравнении с работающими от 12 Вольт в том, что их напрямую можно питать от выключателя. В результате не требуются дополнительные финансовые затраты на приобретение блока питания, а также монтаж не вызывает сложностей. Существует несколько способов установки светодиодных светильников:
- последовательное подключение;
- параллельное;
- лучевое.
Каждый используется в разных ситуациях и имеет свои достоинства и недостатки.
Последовательное
Схема последовательного подключения светодиодных светильников
Последовательное подключение используется в том случае, если нужно сэкономить метраж кабеля, и при этом к помещению нет особых требований. Для реализации потребуется несколько двойных или тройных проводов. В одну цепь допускается установка не более шести светодиодных лампочек, в противном случае яркость будет низкой. Если один светильник выйдет из строя, придется проверять работоспособность каждого, чтобы устранить поломку.
Само подключение не должно вызывать сложностей. К первому светильнику от выключателя проводится фаза, далее от первого переключателя кабель протягивается к следующему устройству. К последнему светильнику прокладывается ноль, который идет от распределительной коробки.
Параллельное
Параллельное соединение источников света шлейфным способом
Параллельное подключение более практичное и используется чаще. В процессе реализации каждый светильник будет выдавать яркость, которая заявлена производителем. Единственный недостаток, который можно выделить – повышенный расход проводника в сравнении с последовательным подключением.
Рекомендуется отдавать предпочтение кабелю ВВГ нг 2*1,5 или 3*1,5. Обозначение свидетельствует о наличии ПВХ-оболочки – качественного изоляционного материала. В маркировке отметка «нг» указывает на негорючесть модели. Если к помещению выдвинуты особые требования, иногда используют провода с дополнительной маркировкой «ls», которая означает, что при воспламенении выделяется небольшое количество дыма.
Для подключения светильника через выключатель от распределительной коробки протягивают кабель. Его поочередно соединяют с каждым светильником. После первой лампы кабель обрезается и подается к следующему, пока все устройства не будут соединены в одну общую систему.
Лучевое
Шлейфное и лучевое соединение ламп
По своей природе лучевая схема относится к параллельному подключению, часто применяется для люстр. Принцип реализации заключается в прокладке кабеля к каждому осветительному прибору индивидуально. Этот способ самый трудоемкий и требует больших финансовых затрат из-за большого количества используемого провода. Для экономии кабель от распределительного щитка проводят в центр комнаты и уже оттуда к каждому светильнику. Далее к фазе и нулю подводят одножильные провода, которые прокладываются к светильникам.
Еще на этапе проектирования важно решить, как будут соединены жилы с отдельным кабелем. Если ламп немного, достаточно скрутки
С целью безопасности ее надежно обжимают пассатижами и паяльником сваривают воедино. Существует альтернатива этому способу – приобрести клеммы с определенным количеством выходов. На каждую жилу надевается разъем и лишь после провода тянутся к осветительным приборам.
Схема подключения светодиодных ламп во всех случаях принципиальных отличий не имеет.
COB светодиоды
COB – Chip On Board. У этого вида большое количество маленьких кристаллов размещено на единой подложке и все это собрано в одном корпусе.
Схема соединения этих кристаллов – последовательно параллельная. Сверху они заливаются люминофором.
По-другому их называют светодиодными матрицами. Их достоинства:
легкость монтажа
хороший световой поток
высокий CRI
разнообразная форма сборки светодиодов
Все эти преимущества очень кстати подошли для изготовления ярких и компактных прожекторов. Также КОБы активно применяют там, где нужна акцентированная и декоративная подсветка.
Однако из-за близости расположения кристаллов друг к другу, происходит сильный нагрев корпуса, даже если вы и обеспечите нормальное охлаждение. Поэтому если вам нужна качественная фокусировка, придется использовать силиконовую оптику.
На абы какую поверхность COM матрицы ставить нельзя. Ее необходимо предварительно подготовить.
В противном случае, от перепадов температур, подложка деформируется, что еще больше повысит температуру светодиода и приведет к его повреждению.
Кстати, это основная причина выхода из строя светодиодных прожекторов.
Приблизительно на один светодиодный ватт в режиме 100Лм/Вт нужно 20см2 площади радиатора.
По норме от 6 до 10Вт может пассивно принять воздух, в то время как теплопроводность алюминия 200-300 Вт/(м*К).
Есть у COB светодиодов и другие недостатки:
высокая цена
светоотдача и срок службы меньше чем у SMD видов
Поэтому на сегодня, для решения именно энергоэффективных задач в освещении, КОБ модели не совсем подходят. Это будет экономически не целесообразным.
Таблицы технических характеристик COB светодиодов:
И матриц:
Разновидности светодиодов
Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.
В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный поток света и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.
Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.
По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:
- DIP. Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
- «Пиранья» или Superflux. Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
- SMD. Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
- COB. Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.
Осветительные led
Это высокомощные кристаллы, которые излучают яркий свет. Они применяются для установки на поверхность приборов и выпускаются в белом цвете. Температура свечения разных видов светодиодов отличается: от холодного до теплого белого.
Осветительные SMD led
Многие виды светодиодов имеют корпус типа SMD. Такие устройства обладают большей мощностью, чем индикаторные. Они состоят из кристалла, покрытого люминофором, который размещен на теплоотводящем основании. Есть изделия с колбой или без нее.
Осветительные SMD часто монтируют в лампы, ленты, ручные фонари, фары автомобилей и т. д. Угол их рассеяния света – от 100 до 130°, поэтому для равномерного освещения большой площади применяют большое количество элементов.
COB светодиоды
Очень популярны led-устройства типа COB. Они представляют собой плату с 9 и более элементами, которые залиты люминофором. Световой поток этих видов светодиодов намного выше, чем у SMD. Их угол свечения большой, поэтому их не применяют для создания направленного освещения. Однако диоды типа COB не получиться использовать для общей подсветки, так как угол рассеяния меньше 180°.
Светодиоды типа COB наименее ремонтопригодны, если перегорит один элемент, то придется заменить матрицу.
Filament led
Эта разновидность светодиодов широко применяется для декоративного освещения. Свет этих лампочек намного приятнее для восприятия, чем излучение от устройств типа SMD или COB. Кроме того, Filament имеют более высокий коэффициент полезного действия. Это связано с их конструкцией: диоды устанавливают на цилиндрическое стеклянное основание, а потом покрывают люминофором. Угол их свечения достигает 360°, что позволяет создать направленный свет.
Способы сборки
DIP
DIP расшифровывается как Dual In-line Package. Конструкция приборов интересна, но существенно устарела.
Выделяют следующие размеры светодиодов:
- 0,3;
- 0,5;
- 0,8;
- 1,0 см.
Также полупроводниковые изделия различаются цветом, материалом изготовления, формой чипа. Из преимуществ DIP-сборки выделим малый нагрев и высокую яркость. Бывают одноцветные и многоцветные (RGB-технология). Можно распознать по характерной цилиндрической форме и встроенной линзе выпуклого типа.
«Пиранья»
Данная группа осветительных устройств характеризуется высоким световым потоком. Изготавливаются прямоугольной формы, имеют четыре PIN-вывода, бывают красными, синими, белыми или зелеными.
По сравнению с DIP-технологией изделия более жестко и прочно «сидят» на плате. Свинцовая подложка повышает теплопроводность, но в то же время понижает общую безопасность при эксплуатации. Широкая распространенность обусловлена большим диапазоном рабочих температур.
SMD-технология
SMD расшифровывается как Surface Mounting Device (в переводе с англ. — «устройство, фиксируемое на поверхности»). Эти светодиоды характеризуются мощностью в диапазоне 0,01–0,2 Вт.
Главная особенность связана с наличием нескольких кристаллов (1–3), монтируемых на керамическую подложку.
Корпус покрыт люминофором. Стандартный припой используется для соединения основной платы и контактных площадок.
Из недостатков выделим низкую ремонтопригодность: если выйдет из строя хотя бы один диод, то придется заменять целую плату.
COB-технология
Последняя и наиболее надежная технология изготовления светодиодов получила название Chip On Board (COB). Полупроводники крепятся на плату без корпуса и какой-либо подложки, после чего покрываются люминофором.
Что такое светодиод – принцип действия
Принцип действия полупроводникового светодиода
На этом рисунке схематично изображено излучение (hv) c длиной волны (Lp) примерно 250 мкм. Оно создано в p-n переходе (полупроводник прямосмещенного типа) при рекомбинационном переходе инжектированных носителей на другой энергетический уровень.
В этой фразе есть несколько общеизвестных слов. Для расшифровки специфических терминов и понятий нужно изучить соответствующий раздел науки. Но на самом деле углубление в физику процесса не имеет практического значения. Вполне достаточно знать, что светодиод – полупроводниковый прибор. Он излучает в видимом диапазоне спектра при пропускании тока ограниченной величины в прямом направлении.
Конструкция и типовые части светодиодаЭлектрическая схема подключения
