Характеристики светодиодов: потребление тока, напряжение, мощность и светоотдача

Подключение светодиода.

Самым простым случаем подключения светодиода является подключение с резистором. Последний необходим для токоограничения, чтобы исключить перегорание led при скачках напряжения.

При подключении led-элементов по любой схеме не забывайте придерживаться полярности! Иначе полупроводниковый прибор не будет светить и перегорит.

Электрическая схема соединения светодиода (LED) и резистора (R).

При соединении нескольких светоизлучающих диодов возможны разные варианты их соединения.

Последовательное подключение.

Схема последовательного соединения.

Элементы соединяются последовательно с учетом полярности. В цепи значение тока   постоянно, а напряжение на led-элементах суммируется.

Параллельное соединение.

Схема параллельного соединения светодиодов через один резистор.

В этом случае постоянным в цепи сохраняется напряжение, а силы тока на элементах складываются. У данного типа соединения есть недостаток. На разных светодиодах может быть неодинаковое падение напряжения. Поэтому ток на каком-нибудь элементе может превысить допустимый, что приведет к поломке.

Во избежание этого следует подключать к каждой параллельной цепи свой резистор.

Схема параллельного подключения.

Параллельно-последовательное соединение.

При подключении большого количества светодиодов стоит использовать параллельно-последовательную электрическую схему. При этом в параллельных ветках напряжение одинаковое.

Электрическая схема параллельно-последовательного соединения.

Расчет резистора для светодиода при последовательно-параллельном соединении

Последовательно-параллельно светодиоды соединяют в осветительных приборах с высокой мощностью. Соединение универсально: используется и для постоянного, и для переменного тока.
В таком случае последовательно соединённые цепочки светодиодов соединяют параллельно.

Нагрузочный резистор должен быть выбран с учётом того, что во всех параллельных ветках будет одинаковое напряжение. Поэтому для вычисления нужно вычислить только сопротивление одного резистора в любой цепи:
R = (U_n*U_LED)/ U_LED,
где n — число светодиодов на ветке.
Лимит по числу диодов на ветке находится по формуле: n = (U = U_LED)/U_LED.
После проведения необходимых расчётов можно соединить диоды гибридным способом.

Плюсы гибридного соединения:

• При выходе из строя одного диода, остальная часть схемы продолжит полноценно работать и не случится перенапряжения.
• Для работы нужно меньше резисторов, чем в других соединениях.

Как определить параметры тока для светодиода: способы, примеры расчета

Определение параметров неизвестного светодиода может быть произведено различными способами, на основе той или иной методики. Некоторые из них являются чисто математическими, полученными с помощью расчетов на основе полученных данных. Другие варианты предполагают проведение измерений характеристик светодиодов с помощью специальных приборов (тестеров или мультиметров).

Зачем нужно знать ток

Информация о том, какой потребляет ток данный светодиод, позволит избежать перегрузок или нарушения рабочего режима при эксплуатации светильников. Небольшое понижение напряжения способствует продлению срока службы, но превышение параметров резко ускоряет выход из строя отдельных элементов или всей цепи.

Если производится сборка цепи из большого количества светильников, обязательно измерьте силу тока и сравните полученное значение с паспортными данными. Если имеется превышение заданных 20 мА, необходимо увеличить гасящее сопротивление (подобрать резисторы с большим номиналом). Если ток в цепи окажется немного меньше (порядка 18 мА), то ничего исправлять не надо. Такое значение не сможет заметно снизить яркость свечения, но смягчит режим работы и позволит увеличить срок службы светильников.

Способы определения силы тока, напряжения и других параметров

Далеко не все знают, как определить ток и прочие параметры неизвестного светодиода. Существуют разные варианты, требующие определенных знаний и практической подготовки, или простого наличия измерительного прибора. От применяемой методики зависит точность и корректность проверки устройства. Пользователи обычно прибегают к наиболее простому и доступному для себя способу определения рабочих характеристик, хотя он может оказаться не самым эффективным. Известны следующие варианты:

• измерение специальными приборами (мультиметром);
• расчет параметров с использованием теоретических методик;
• визуальное определение типа светодиода.

Выбор того или иного типа проверки обусловлен возможностями и степенью подготовки пользователя. Рассмотрим их подробнее.

Мультиметром

Существует два основных рабочих параметра, подлежащих измерению тестером:

• рабочий ток;
• прямое падение напряжения.

Необходимо правильно определять анод и катод. У элементов обычной конструкции (с длинными ножками) анод более длинный. На впаянных в схему деталях проверку выполняют последовательным изменением полярности, если с первого раза она не была правильно определена. На мультиметре переключатель устанавливается в соответствующее положение:

• DCV — измерение постоянного напряжения;
• DCA — измерение постоянного тока до 200 мА.

Показания тестера дают достаточно точные данные, ограниченные лишь собственной погрешностью данного прибора. Ценность этого способа состоит в непосредственном измерении устройства, находящегося в конкретных условиях. Данные, отображающиеся на дисплее, позволяют делать выводы о режиме работы и состоянии как самого светодиода, так и всей схемы целиком.

По закону Ома

Теоретический метод определения параметров удобен тем, что позволяет обойтись без использования приборов и определить, сколько вольт в светодиоде, сугубо расчетным путем. Проверка состоит в расчете параметров по общеизвестной формуле:

Или, проще, напряжение равно произведению силы тока на сопротивление.

По внешнему виду

Визуальное определение параметров — весьма сомнительное занятие, дающее минимальное и не всегда корректное понятие. Однако, в ситуациях со светодиодами, внешние признаки иногда могут дать вполне достоверную информацию.

Например, синий оттенок в работающего элемента свидетельствует о завышенном напряжении питания. Прямое падение напряжения светодиодов обычно находится в определенных пределах, обеспечивающих заданный цвет элемента.

Изменение режима может говорить об отсутствии (или коротком замыкании) в цепи гасящего резистора.

Определение тока

Для осуществления этого есть несколько методов. Рассмотрим наиболее простой из них. Чтобы определить номинальный ток светодиода, потребуется наличие тестера, называемого мультиметром. Такой метод также применяется для обычных диодов.

Тестирование проводится следующим образом:

• Щупы мультиметра подключаются плюсовым выводом к аноду, а минусовым к катоду.
• Анодный вывод у светодиода делается длиннее, чем катодный.
• Прозванивать можно светодиоды, у которых небольшое напряжение питания. Если у них большая мощность, применять такой метод нельзя.

Лучше воспользоваться проверенным способом измерения характеристик устройства. Для этого понадобятся:

• блок питания, рассчитанный на 12 В;
• мультиамперметр;
• постоянные резисторы – 2,2 и 1 кОм, а также 560 Ом;
• переменный резистор – 470–680 Ом;
• вольтметр, желательно цифровой;
• провода для коммутации схемы.

Как и в предыдущем случае, потребуется узнать . Если по его выводам непонятно, где «+» и «-», тогда придется к одному из выводов подсоединить резистор 2,2 кОм. После этого нужно к блоку питания. При его свечении нужно отключить питание и промаркировать нужный выход «+».

Теперь нужно заменить резистор 2,2 кОм на 560 Ом. В эту цепь последовательно подсоединяется переменный резистор, а также миллиамперметр для проведения замера. Вольтметр, у которого разрешение 0,1 В, подключается параллельно светодиоду. После этого необходимо установить максимальное сопротивление у переменного резистора.

Можно подсоединить собранную схему к блоку питания, соблюдая полярность. После включения у светодиода будет блеклое свечение. Сопротивление постепенно снижают и следят за вольтметром. Определенное время напряжение будет расти до 0,5 В, расти будет и ток, что влияет на увеличение яркости светодиода. Необходимо фиксировать показания каждые 0,1 В. Оптимальный рабочий ток будет достигнут, когда величина напряжения станет расти медленнее силы тока, а яркость перестанет увеличиваться.

Как рассчитать ограничительный резистор

Ограничительный резистор нужен при подключении светодиодов к источнику напряжения. Его следует последовательно подключить в цепь. Предназначение – ограничить проходящий через диод электроток.

Формула для вычисления параметров ограничительного резистора: R=(Us – UL)/ I*0,75, где:

• Us – вольтаж на входе;
• UL – расчетное напряжение одного диода (2-4 В);
• I – ток диода (максимально допустимое значение);
• 0,75 – коэффициент надежности led-лампочки.

Если резистор, соответствующий рассчитанному значению, подобрать не получается, нужно взять деталь с большим номиналом.

По закону Ома формула: R=U/I, где:

• U – вольтаж при прохождении тока через резистор;
• I – ток при прохождении через резистор.

Так как U= S- UL, где S – входной ток, в итоге формула для расчета сопротивления все равно: R=(Us – UL)/ I*0,75

Расчёт ограничивающего ток резистора

Минимальная мощность резистора:

Пример 1:

Запитать светодиод (характеристики: ток 10 мА т.е. 0,01 А, падение
напряжения 2 В) от автомобильного
аккумулятора 12 В.

То есть последовательно со светодиодом нужно ставить резистор 1,333 кОм. Ближайшим по номиналу
будет резистор 1,3 кОм (1300 Ом).

Теперь посчитаем минимальную мощность такого резистора.

Мощность резистора должна быть не менее этой величины (0,0832 Вт), а лучше немного больше, чтобы
избежать его нагрева. Ближайшим большим по мощности
будет резистор 0,125 Вт.

Результат: Для подключения светодиода с указанными характеристиками
к автомобильному аккумулятору нам потребуется резистор 1,3 кОм мощностью 0,125 Вт.

Пример 2:

Запитать светодиод (характеристики: ток 10 мА т.е. 0,01 А, падение напряжения
2 В) от сети переменного
тока 220 В. Поскольку физика светодиода несколько отличается от физики простого теплоизлучателя, то для расчёта номинала резистора мы берём не среднеквадратичные 220 вольт, а настоящие присутствующие в розетке амплитудные 311 вольт.

То есть, последовательно со светодиодом нужно ставить резистор 41,2 кОм. Такой номинал существует в номинальном ряду Е96, но можно взять и более распространённый резистор из номинального ряда Е24 — 43 кОм и даже 39 кОм из номинального ряда Е12. Последний вариант даже более предпочтителен, поскольку напряжение питания достигает 311 вольт лишь в кратком пике, и поэтому имеет смысл округлить номинал резистора вниз.

Теперь посчитаем минимальную мощность такого резистора.

Мощность резистора должна быть не менее этой величины (1,23 Вт), а лучше немного больше, чтобы
избежать его нагрева. Ближайшим по мощности будет
резистор 2 Вт.

Результат: Для включения светодиода с указанными характеристиками
в сеть переменного тока 220 В нам потребуется резистор 39 кОм мощностью 2 Вт. Кроме того, следует
оградить светодиод от вредного воздействия обратного напряжения, о чём подробно будет рассказано
в следующей главе.

Замечание: Поскольку светодиод
питается только одним полупериодом, а второй полупериод по идее пропускать
не должен, то мощность резистора можно было бы уменьшить в 2 раза. Но, во-первых,
при напряжении 220 вольт у светодиода на каждой волне обратного полупериода происходит
электрический пробой, а значит ток будет проходить и в обратном направлении, а во вторых, мы
в конце концов будем специально пропускать обратный полупериод (другим обратно включённым
параллельным диодом), чтобы не насиловать светодиод электрическими пробоями. Поэтому нагрузку
на резистор всё равно надо рассчитывать исходя из двухполупериодных 220 вольт, что мы и сделали.

Какой мощности выбрать ленту для освещения комнаты

Мы обещали рассказать, как узнать, сколько понадобится света для нужного и качественного освещения в помещении. Зная мощность светодиодной полосы, определиться, сколько мы получим от неё света, не составляет труда. В таблице характеристик, указан такой параметр, как световой поток. Что же это означает?

Теория

Световой поток — величина, которая указывает, сколько света выделяет излучаемый поток. Измеряется она в люменах (сокращённо Лм).

Освещённость измеряется в люксах (сокращение согласно СИ — лк) – показывает отношение значения величины падения светового потока с одного метра высоты на один квадратный метр площади.

Освещённость зависит от того, насколько далеко расположен источник света. Чем дальше светильник – тем слабее он светит. В физике такое явление объясняет закон обратных квадратов.

Демонстрация рассеивания концентрации светового потока в зависимости от расстояния, куда он попадает.

Расчёт

Допустим, потолок нашей комнаты имеет высоту 3 м и 20 см. Упростить задачу подсчёта нам помогут уже составленные коэффициенты высоты потолка:

• Высота 2,5 м – 3 м = коэффициент 1,2;
• Высота 3 м – 3,5 м = коэффициент 1,5;
• Высота 3 м – 5 м = коэффициент 2.

Таблица норм освещённости жилого помещения.

Тип помещений	Уровень освещенности, ЛК	Максимальное значение коэффициента пульсации, %
Жилые комнаты	150	20
Кухня	150	25
Ванная	50	—
Коридор	50	—
Туалет	50	—
Прихожая	30	—
Лестницы	20	—

В таблице указано, что жилая комната требует освещённости минимум 150 люкс. Формула расчёта с использованием коэффициента:

E=N*K*S,

Где N – необходимая освещённость, K – коэффициент потолка, S – площадь комнаты.

Возьмём средние значения размеров комнаты 3 метра ширина и 4 м длина, высота потолка 3,2 м, следовательно:

150*1,5*12=2700 Лм.

Вычислим световой поток ленты. Рассмотрим расчёт на примере ленты SMD5050 60 шт/м, цвет белый. В таблице указан световой поток 11-12 люмен с одного светодиода. Берём 5 метров ленты, в метре 60 светодиодов, в пяти метрах 300. Умножать будем среднее значение светового потока 300*11,5=3450 Лм. Получили значение силы светового потока 3450 Лм.

Вывод: 5 метров ленты будет вполне достаточно, чтобы осветить жилое помещение.

Что можно сделать из светодиодов своими руками?

Далее приведены проекты, которые можно реализовать с применением этих полупроводниковых приборов. Для индивидуальных коррекций следует изучить актуальный ассортимент производителей.

Стабилизатор тока для светодиодов

Для подключения мощных приборов рекомендуется применять импульсные источники питания

Такая схема пригодится для оснащения автомобиля. При хорошем КПД выделяется немного тепла. Доступно изменение напряжения на входе в широком диапазоне при сохранении функциональности.

ДХО из светодиодов

Такую линейку можно собрать из светодиодов 3Вт. Характеристики современных приборов подойдут для создания надежных и эффективных дневных ходовых огней транспортного средства

В данном случае пригодится длительное сохранение работоспособности устройства в условиях сложной эксплуатации.

Индикатор напряжения на светодиодах

Схема точного индикатора напряжения для автомобиля. Здесь предусмотрена компенсация измерений при повышении/уменьшении температуры

Мир светодиодов: краткий обзор предложений современных производителей

Первые удачные эксперименты были проведены более ста лет назад. Но только в конце 70-х прошлого века удалось создать образцы, пригодные для коммерческого применения.

Разные комбинации полупроводниковых материалов создают волны определенной длины

Для зеленого цвета применяют AlGaInP (Алюминий-Галий-Фосфид индия). Красный получается с использованием AlGaAs (Алюминий-Арсенид галлия). Долгое время не могли найти комбинацию для синего. Только в 90-х годах был найден подходящий состав, за который авторы получили Нобелевскую премию. Сочетание перечисленных цветов позволило создать белый свет. С этого времени был дан старт массовому внедрению технологий данной категории в разные сферы человеческой деятельности.

Индикаторные светодиоды

Конструкция прибора DIP типа

Для концентрации светового потока функции отражателей выполняет опорная пластина и стенки. Такие приборы выпускают с выпуклыми линзами и прямоугольными торцами диаметром от 3 до 10 мм. Их подключают к источникам питания 2,5-5 В с ограничением по току до 20-25 мА. Угол рассеивания не превышает 140°. Яркость – до 1,1 люмен.

Индикаторные светодиоды ранее применяли для создания фонарей, светофоров, информационных стендов и рекламных табло. В наши дни появились новые модификации полупроводниковых приборов с большей силой света.

Оригинальная подсветка сценических костюмов

На практике пригодятся следующие преимущества индикаторных светодиодов:

• низкая стоимость;
• хорошая защищенность от влаги и других неблагоприятных внешних воздействий;
• безопасные токи и напряжение питания;
• небольшое потребление энергии.

Последний пункт надо дополнить низким выделением тепла. Такие устройства способны функционировать долгосрочно в широком температурном диапазоне без специальных охлаждающих радиаторов.

Осветительные светодиоды

Полупроводниковые приборы SMD, как наиболее распространенные изделия, подробно рассмотрены ниже. Их создают в стандартных размерах на специальной подложке, которая хорошо приспособлена для последующего монтажа на печатную плату.

Излучающее поле лампы, созданное из SMD светодиодов

Для улучшения защищенности полупроводники закрепляют на подложке внутри литого пластикового корпуса. Верхняя полусферическая часть образует линзу, что помогает сузить световой поток.

«Пиранья». Грозное название этой категории подчеркивает высокую эффективность приборов

Следующая группа изделий создана специально для освещения. На подложке размещают синие светодиоды. Сверху – слой люминофора. В данном случае применяют большее количество кристаллов на единицу поверхности по сравнению с технологией SMD. Это позволяет получить сильный световой поток.

Мощную матрицу категории COB (Chip On Board) надо охлаждать. Такие лампы устанавливают в автомобильные фары ближнего и дальнего светаТехнология Chip On Glass («Чип-на-стекле»)

На фото изображены основные стадии производственного процесса:

1. Создается подложка из стекла нужной формы.
2. На ней закрепляют последовательно полупроводниковые кристаллы.
3. Сверху устанавливают слой люминофора.
4. Далее – финишное защитное покрытие.

В цоколе лампочки размещают блок питания, который создает постоянное напряжение с нужной силой тока.

Плюсы и минусы осветительных светодиодов

Выяснив, какие бывают светодиоды, надо перечислить их преимущества по сравнению с альтернативными изделиями:

• Лучшие полупроводниковые приборы способны обеспечить более 200 люменов на 1 Вт энергии. Это потребление на 80-85 % меньше по сравнению с типовыми лампами накаливания.
• Качественные светодиодные светильники устойчивы к вибрациям, перепадам напряжения в сети. Долговечность лучших изделий приближается к 100 тыс. часов, что эквивалентно белее чем 11 годам непрерывной эксплуатации.
• Отсутствие ртутных и других вредных соединений вместе с прочной рассеивающей колбой повышает уровень безопасности.

Не забывайте, что в экономический расчет надо включать все сопутствующие расходы. Светодиодные источники, сделанные известными производителями, стоят дорого. Только через несколько лет получится окупить первоначальные инвестиции. Также надо отметить:

• Мерцание при недостаточно качественной сборке блока питания.
• Небольшой угол рассеивания.
• Различные технические характеристики в одной товарной партии.
• Узкий диапазон цветовой температуры, несоответствие параметра паспортным данным.

Характеристики светодиодов

Светодиоды описываются множеством характеристик и параметров. Важнейшие из них:

• сила света и энергетическая эффективность – Лм и Лм/Вт;
• угол расхождения светового потока по уровням 0,5 или 0,7, градусы – у обычных от 120 до 140 град., у индикаторных моделей – от 15 до 45 град.;
• мощность, потребляемая при работе, Вт – малая – до 0,5, средняя – 0,5-3, большая – более 3;
• рабочий ток через диод, мА или А;
• цвет или оттенок белого света, цветовая температура, градусы Кельвина, К – от 2000-2500 К – теплый белый и до 6500-9500 К – белый холодный.

Размеры светодиодов

Размеры светодиода определяются габаритами его корпуса. Для корпусов SMD – длина, ширина, толщина. Первые две величины заложены в обозначении, например, SMD2835, где две пары цифр – это 2,8 мм – ширина и 3,5 мм – длина. Толщину корпуса нужно брать из описания или паспорта на диод.

Для цилиндрических DIP-диодов важные характеристики – диаметр корпуса и его высота с линзой. При этом нужно учесть длину проволочных выводов и рекомендации производителя по их изгибу перед монтажом.

Длина волны светодиода

Такая характеристика светодиодов, как длина волны используется очень редко. Чаще называют цвет свечения.

Оттенок цвета	Длина волны, нм
Инфракрасный (невидимый)	760-880
красный	620-760
оранжевый	585-620
желтый	575-585
желто-зеленый	555-575
зеленый	510-555
голубой	480-510
синий	450-480
фиолетовый	390-450
Ультрафиолетовый (невидимый)	10-390

Длина волны свечения диода измеряется в нанометрах – нм. В паспортных данных изделия она указывается не всегда.

Как определить мощность светодиода?

Допустим, вы просто нашли у себя на столе светодиод. Никаких данных о нем нет. Как быть в таком случае? Самый простой способ – включаете его на низковольтном питании последовательно с резистором на 1 – 1,5 кОМ. Практически любой светодиод будет работать. Но если нужны более точные показатели, делаем следующее: соотносим показатели по внешнему виду.Маленькие (3-10 мм):

• Инфракрасный (ток – менее 2 ватт, напряжение – около 20 мА)
• Красный (ток – от1,7 до 2 ватт, напряжение – от 15 до 20 мА)
• Оранжевый (ток –около 2 ватт, напряжение –20 мА)
• Желтый (ток – 2,1-2,2 ватт, напряжение – 20 мА)
• Зеленый (ток – 1,9-3,6 ватт, напряжение – 20 мА)
• Голубой (ток — 2,5-3,6 ватт, напряжение – 20 мА)
• Фиолетовый (ток – 2,7-4 ватт, напряжение –20 мА)

Большие:

• Желтый (обычно на радиаторе) (ток – 2,1-2,2 ватт, напряжение –300 мА)
• Белый, розовый (ток – 3,2-3,6 ватт, напряжение –20 мА)

Светодиодные ленты (ток – 12 или 24 ватт, напряжение – рассчитывается в зависимости от длины ленты).

Классификация светодиодов по их области применения

Такие элементы могут быть индикаторными и осветительными. Первые были изобретены раньше вторых, при этом они уже давно используются в радиоэлектронике. А вот с появлением первого осветительного светодиода начался настоящий прорыв в электротехнике. Спрос на осветительные приборы подобного типа неуклонно растет. Но и прогресс не стоит на месте – изобретаются и внедряются в производство все новые виды, которые становятся все ярче, не потребляя при этом больше энергии. Разберем более подробно, какими бывают светодиоды.

Индикаторные светодиоды: немного истории

Первый такой светодиод красного цвета был создан в середине ХХ века. Хотя он имел низкую энергоэффективность и излучал тусклое свечение, направление оказалось перспективным и разработки в этой обрасти продолжились. В 70-х годах появляются зеленые и желтые элементы, а работы по их усовершенствованию не прекращаются. К 90-му году сила их светового потока достигает 1 Люмена.

В наше время светодиодные лампы могут быть даже такими

1993 год ознаменован появлением в Японии первого синего светодиода, который был намного ярче предшественников. Это означало, что теперь, совмещая три цвета (которые и составляют все оттенки радуги), можно получить любой. В начале 2000-х сила светового потока уже достигает 100 Люмен. В наше время светодиоды не перестают совершенствоваться, наращивая яркость без увеличения потребляемой мощности.

Использование светодиодов в бытовом и промышленном освещении

Сейчас подобные элементы используются во всех отраслях, будь то машино- или автомобилестроение, освещение производственных цехов, улиц или квартир. Если взять последние разработки, то можно сказать, что даже характеристики светодиодов для фонариков порой не уступают старым галогеновым лампам на 220 В. Попробуем привести один пример. Если взять характеристики светодиода 3 Вт, то они будут сопоставимы с данными лампы накаливания с потреблением 20-25 Вт. Получается экономия электроэнергии почти в 10 раз, что при ежедневном постоянном использовании в квартире дает весьма существенную выгоду.

Фонари на диодах со специальными линзами светят на расстояние до 3 км

Чем хороши светодиоды и есть ли в них минусы

О положительных качествах световых диодов можно сказать многое. Основными из них можно назвать:

• Экономичность без потери силы светового потока – здесь они вне конкуренции;
• Прочный корпус – отсутствует опасность механического повреждения;
• Долговечность – такие элементы работают в десятки раз дольше ламп накаливания;
• Компактность – имеют малые габариты;
• Наиболее безопасны – работают от сети 3-24 В;
• Экологичны – не требуют специальной утилизации.

Что же касается отрицательных сторон, то их всего две:

• Работают только с постоянным напряжением;
• Вытекает из первого – высокая стоимость ламп на их основе по причине необходимости использования драйвера(электронного стабилизирующего блока).

Ультрафиолетовый и инфракрасный световые диоды – изготавливают даже такие