Как работают светодиоды и их виды, полярность и расчет резистора

Часть 1. Обозначение проблемы

Для чего я это делаю? Я просто хочу комфортный свет в квартире (офисе), я не хочу напрягать глаза, рассматривая мелкие предметы, я хочу, чтобы не уставали глаза от долгой работы за экраном. Многие мои знакомые и родственники сказали мне «большое спасибо!» за то, что «открыл глаза» на альтернативные источники света.

Начало исследования

С того момента, когда полностью перешёл на МГЛ дома, а акцентированный свет заменил на люминесцентные линейные лампы 9xx серии и КЛЛ PL-E 8W — у меня резко уменьшилась толерантность к освещению под светодиодами. Я думал, что это только моё восприятие, но нет — жена, знакомые, которые также убрали почти все светодиоды из дома, говорили тоже самое.

Вместе с моим партнёром по данному проекту было проведено исследование в области искусственного освещения. Свою точку зрения он изложил в видео. Таким образом, предлагаем вам к рассмотрению два взгляда на современное освещение.

Было просмотрено довольно много материала, но почти все общедоступные научные исследования базируются на одно и том же:

группа 50-100 человек и они говорили насколько комфортно в помещении под исследуемым источником света;
считают колбочки и палочки в отрыве от «программной» обработки данных мозгом;
не учитывают инсоляцию региона, время года и образ жизни;
ссылаются на индекс цветопередачи CRI где эталоном являются одновременно лампа накаливания и дневное небо (лампа накаливания слаба в освещении синих тонов, а небо при 7500 К слабо в освещении красных тонов);
не изучали Эффект Пуркине применимо к светодиодному освещению;
основаны на спектральной световой эффективности монохроматического излучения — кто решил что остальной спектр не нужен, загадка:
«функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.» *справочник светодиодное освещение
В 1924 году Международная комиссия по освещению (МКО) утвердила этот набор в качестве стандарта, после чего он стал международно признанным и в качестве такового используется вплоть до настоящего времени. В Российской Федерации данный стандарт также является действующим.

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:

ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;

полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.

Подготовка к исследованию

Собственно возвращаемся к заголовку данной статьи «светодиоды — ослепляющая темнота», это самое полное описание того эффекта, который был обнаружен. Хочу сказать сразу, что это относится только к регионам с низкой инсоляцией и осеннем-зимнем-весенним временем года.

При массовом переходе на светодиоды, в продуктовых магазинах стало сложно отличить немытую зелёную картошку от нормальной. Но понимание того, что не так, пришло именно в метро, где массово начали переходить на светодиодное освещение, а пол и стены облицованы мрамором или гранитом.

Приведу немного измерений, сделанных на «скорую руку» в метро. Я не использовал специализированный люксметр, а ограничился ПО для смартфона Physics Toolbox Sensor Suite, данное ПО на моем смартфоне Xperia 1ii даёт погрешность около 15% в измерении (при сравнении с люксметром Radex Lupin), максимальный уровень яркости 20000лк, но так как для эксперимента важна разница в яркости, а не точность, то данного приложения достаточно.

К большому сожалению, фотокамера видит мир по другому, так что заснять данный эффект не получится. Не забываем про инерционность зрения и адаптацию к освещению, идеальный вариант находиться под источником света не менее 15 минут.

Измерения проводились «с руки», так что не исследуется количество света попадающего на предметы и отражённого от них, но в данном случае это не влияет на результаты. Суть эксперимента доказать, что при одинаковой освещённости <500лк при светодиодном освещении детализация ниже.

Лазерные диоды

Лазерные устройства – это отдельный вид светодиодов, который не относиться ни к индикаторным, ни к осветительным. Да и технология его создания мало чем напоминает производство стандартных led-элементов.

По сути, это полупроводниковый лазер, который построен на базе светодиода. При включении они излучают очень узкий световой пучок. Современные устройства имеют угол рассеяния от 5 до 10°. В продаже имеются устройства, которые работают в видимом диапазоне, а также инфракрасные и ультрафиолетовые лазерные диоды.

Такие кристаллы устанавливают в лазерные указки, целеуказатели, приводы оптических дисков, оптические мыши и т. д.

Исследование

метро Санкт-Петербурга
Из множества станций была выбрана: Садовая, Сенная площадь и станция Технологический институт.
Станция Садовая освещена люминесцентными лампами t5 (цветовая температура 3000k), освещённость в вестибюле составляет ~150лк — смотрим внимательно на мрамор/гранит, текстуры на нем хорошо различимы, видно тонкие прожилки.

пример измерения яркости смартфоном
Теперь переходим на станцию Сенная площадь, от яркого света начинает «резать» глаза (цветовая температура ~4000k), освещённость >360лк — смотрим на пол и стены, контрастный рисунок хорошо различим, но мелкие детали и полутона сливаются, и приходится напрягать зрение, при этом поверхность сильно бликует.
Станция Технологический институт (на дату 08.12.2021) — освещена лампами МГЛ (разной степени «усталости»), освещённость ~200лк — очень хорошо видно рисунок и мелкие прожилки на мраморе/граните, детализация выше, чем при освещении люминесцентными лампами.
Домашний эксперимент
Для эксперимента дома вам потребуется лампа накаливания, очень советую использовать низковольтные галогенные лампы, толстая спираль и номинальное напряжение даст более приятный спектр, с большим количеством фиолетового и зелёного в спектре, светодиодные лампы лучше использовать тёплые, также для сравнения можно добавить качественную люминесцентную лампу.
Суть эксперимента предельна простая: создать освещённость в 200лк и 800лк, посмотреть, как выглядят под этим светом мелкие предметы и сложные текстуры. Данный эффект будет усиливаться со временем. Данный эксперимент лучше проводить вечером, когда солнце уже сядет за горизонт.

Как определить напряжение и полярность

Светодиод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому важно подключить устройство в схему правильно. Для этого нужно определить, который из выводов корпуса является катодом, а который анодом.

Визуально – традиционно ножка катода короткая, а анода длинная. Катод имеет знак «минус», анод – «плюс». Можно найти катод и по-другому. Внимательно посмотрев через корпус, можно увидеть кристаллик на подставке. Вывод подставки и будет катодом.
Подключение к источнику питания – выбирают устройство, напряжение которого не выше допустимого для светодиода напряжения. Обычно это батарейка или резистор. При правильном положении светодиод светится ярче.
Использование мультиметра – выставляют шкалу на приборе в режим измерения сопротивления и прикасаются щупами к выводам светодиода. Контакт очень короткий. При обратном подключении мультиметр ничего не показывает, при правильном – замеряет сопротивление в районе 1,7 кОм.

Напряжение светодиода измерять не нужно. Это справочный параметр, он указывается в паспорте. Но если документ утерян, можно оценить напряжение с опрометью мультиметра. Для этого прибор настраивают на режим «проверка на обрыв» и поочередно щупами касаются выводов.

Промежуточный вывод

Для того, чтобы разглядеть мелкие предметы или текстуры поверхности, приходится напрягать зрение или сильно увеличивать яркость освещения светодиодами, что приводит к нежелательным бликам поверхности и напрямую влияет на экономию электроэнергии и энергоэффективность, также сильно возрастает расход витамина A в организме (об этом в следующей статье). И влияет на это фиолетовый, UV-A, ближний инфракрасный. Не забываем про «программную» обработку данных мозгом, видимо края видимого спектра являются неким триггером о том, что солнце в небе.

Хочу привести таблицу эффективности популярных источников света, если честно устал от рекламы светодиодов с КПД в 90%.

*1 данная таблица 2010 года

Учитывая, что новые HiCRI светодиоды делают на синем кристалле 460нм, а не 440нм, как ранее — то имеем ещё более «ужатый» видимый спектр. Кто решил что этого «хватит» человеческому зрению — большая загадка. Именно с самого своего начала человек жил под солнечным светом и глаз адаптировался именно к нему.

Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод, что лампой с самым полным спектром, приближенным к солнечному — является лампа МГЛ.

Индикаторные led

Чтобы выбрать подходящий индикаторный ЛЕД-элемент, нужно ознакомиться с их видами и типами. В эту группу входят такие разновидности диодов: DIP, Super Flux «Piranha», Straw Hat, SMD. Все они отличаются конструкцией, размерами, яркостью излучения и т. д. Их применяют в разных сферах.

DIP светодиоды

Это разновидность светоизлучающих устройств, которые имеют выводной корпус и часто выпуклую линзу. Разные виды светодиодов из это группы отличаются формой и диаметром корпуса. Цилиндрические элементы имеют окружность колбы от 3 мм. Также в продаже есть диоды с прямоугольным корпусом.

Они имеют широкий спектральный диапазон, бывают одноцветными и многоцветными (RGB ленты). Однако их угол свечения не превышает 60°.

Почему тёплый свет?

Почему лучше лампы тёплые? В интернете гуляет такой график «комфортности» освещения в зависимости от ЦТ — кривая Круитхофа

кривая Круитхофа

Кривая Круитхофа не содержит фактических данных, которые стали основой для её построения, а лишь указывает на приблизительные соотношения освещённости и цветовой температуры для комфортного искусственного освещения. В связи с этим, научная ценность кривой неоднозначна.

С него хорошо видно, что если мы хотим «комфортный» холодный свет, то освещённость должна быть >1000лк в помещении, а это уже затратно. Верить в это или нет, вопрос исключительно личного мнения — например, я с ней согласен, только с одним условием — этот график совершенно не подходит для светодиодного освещения.

Устройство светодиода

Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Что дальше

Фанатам светодиодного освещения, разочарованным данной статьёй, могу лишь только посоветовать SORAA VIVID стоимостью >2000 руб за 470 люмен, в которой исправлена часть проблем светодиодного освещения ценой уменьшения светоотдачи до <50 люмен на ватт, но проблема быстрой деградации люминофора осталась, а тем, кто хочет получить по-настоящему комфортное освещение, предлагаю немного подождать.

Уже скоро —

Цветовые характеристики

Свет имеет волновую природу, длина излучаемой волны определяет цвет и измеряется в нанометрах (нм). Человеческий глаз способен воспринимать диапазон от 380 до 760 нм, что соответствует видимому спектру.

Таблица цветовых характеристик

Примечательно, что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность при показателе 555 нм, следовательно, источник с таким параметром будет иметь наибольшую степень освещенности.

Виды

Существующие на сегодняшний день светодиоды бывают следующих видов:

индикаторные – с маленькой мощностью, для подсветки в приборах;
осветительные – с большой мощностью, уровень освещенности соответствует обычным (люминесцентным и вольфрамовым) источникам света.

По типу соединения индикаторные делятся на:

тройные AIGaAs (алюминий – галлий – мышьяк) – оранжевый и желтый свет в областях видимого цветового спектра;
тройные GaAsP (галлий – мышьяк – фосфор) – желто-зеленый и красный свет в областях видимого спектра;
двойные GaP (галлий – фосфор) – оранжевый и зеленый свет в областях видимого спектра.

Светодиодные элементы различаются по типу корпуса:

DIP – оснащены встроенной оптической системой из линзы, кристалла и парой контактов. Устаревшая модель самой низкой мощности, используются для подсветки игрушек, световых табло;
Superflux или «пиранья» – аналогичные DIP, оснащены четырьмя контактами, лучше крепятся и меньше нагреваются за счет радиатора для светодиода. Используются для подсветки в автомобилях;
SMD – наиболее распространенный тип для множества источников света. Представляют собой чип (кристалл), смонтированный непосредственно на поверхности платы;
COB – усовершенствованные светодиоды SMD. Оснащены несколькими кристаллами (чипами), установленными на одну плату. Монтируются на керамические и алюминиевые основания.

Фото лампы с новыми типами светодиодов SMD

Более совершенные модели СОВ все же не всегда могут заменить SMD светодиоды.

Цветовая температура

Данная характеристика выведена по аналогии цветовосприятия разогреваемого металла. Численные пределы размещены в рамках от 800 до 7500 и измеряются в Кельвинах (К). Наиболее низким показателем обладает красный свет – около 800 К, соответственно, наиболее высокий – у холодного синего.

Для освещения применяется белый свет. Цветные светодиоды в основном используются в декоративных и индикационных целях. Белый цвет по критериям цветовой температуры разделяется на три подкатегории:

Теплый – 2700 – 3500 К.
Нейтральный – 3500 – 5300 К (наиболее сбалансированный для восприятия).
Холодный – 5300 – 7500 К.

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Максимальная рабочая температура

Рабочая температура — одна из важнейших характеристик светодиода. При работе выделяется большое количество тепла, переизбыток которого может привести для начала к падению интенсивности светоизлучения, а в дальнейшем и к полной порче светодиода. Некоторые сверхяркие кристаллы способны разогреваться до температуры 150˚ С.

Производители ввели понятие «максимальная рабочая температура» для определения пределов температурного режима, в котором работа лед источника будет оптимальной. Значение допустимой температуры обозначаются в общих паспортных данных.

Для борьбы с избыточной температурой применяются алюминиевые и медные термоотводящие радиаторы. Маломощные SMD светодиоды монтируются на плату (подложку), которая также выступает и в роли охладителя. Для улучшенной теплоотдачи место соединения светодиода и радиатора смазывается термопастой.