Характеристики светодиодов, применение и схема подключения

Какова экономия светодиодного освещения

Светодиодные источники света – действительно экономичные осветительные приборы. Следует лишь внимательно относиться к качеству покупаемых ламп и не гнаться за недорогими моделями, которые, вероятно, быстро выйдут из строя.

В целях максимальной экономии для освещения квартир и домов светодиодами экономически целесообразно заменять лампы накаливания мощностью свыше 60 Вт. Иначе стоимость самой светодиодной лампы не окупится.

Также стоит заменять только источники света, которые работают максимальное количество часов. Светильник в кладовке, который включается раз в неделю на полчаса, вполне может остаться оснащенным лампой накаливания.

При применении этих правил светодиодное освещение оправдает себя, но не в первый месяц работы. Срок окупаемости led-ламп составляет 1-2 года. Рассчитывается окупаемость по следующему алгоритму.

Допустим, надо заменить все лампы на led. Примем число ламп за n=10 штук. Сравнительная мощность при равном световом потоке указана в таблице.

Допустим, мы заменяем лампы накаливания мощностью 75 Вт. Заменим на аналогичные светодиодные или люминесцентные. Стоимость замены составит:

Характеристика	Накаливания	Светодиодная Osram	Люминесцентная Osram
Цена, руб	15	200	150
Общая стоимость замены, руб	150	2000	1500
Мощность,(P), Вт	75	14	20
Срок службы, час	1000	15000	8000

Примем, что за год электричество горит 5000 часов. Цена одного кВт электричества – 5 руб/кВт. Тогда:

	Накаливания	Светодиодная	Люминесцентная
Суммарная потребляемая мощность, (n×P/1000), кВт	0,75	0,14	0,2
Суммарное годовое потребление электроэнергии, кВт*ч	3750	700	1000
Годовые затраты на электроэнергию, тыс.руб.	18750	3500	5000
Затраты на покупку светильников, руб.	150	2000	1500
Затраты на обслуживание, тыс. руб.	750 рублей (5 раз в год заменять лампы: каждую 1000 часов)	2000 рублей каждые 15000 часов (замена ламп примерно каждые 3 года).	1500 руб. каждые 8000 часов (замена ламп примерно через 1,5 года.)
Суммарные затраты за 1 год, тыс.руб.	19,65	5,5	6,5
Суммарные затраты за 3 года, тыс.рублей	58,95	18,5	22,5

Таким образом, капитальные затраты на покупку новых ламп выше у светодиодных моделей. Но уже за первый год эксплуатации за счет экономии электроэнергии светодиодное освещение выигрывает и у ламп накаливания, и у люминесцентных. А за три года – срок службы led-ламп – суммарные затраты на светодиодное освещение самые минимальные.

В таблице не учитаны затраты на утилизацию (если таковые будут) люминесцентных ламп при их замене каждые 1,5 года. Также не учитывается падение яркости led с течением времени, из-за чего заменять панели придется чаще, чем каждые 9 года. Однако, и лампы для расчета брались не с максимальным заложенным сроком службы.

Многообразие видов светодиодных лент

Конкуренция на рынке светотехнического оборудования заставляет производителей закрывать все ниши применения LED-приборов, и даже создавать новые. Делается это путем выпуска разновидностей осветителей, не имеющих аналогов и прототипов в более ранних разработках.

По цвету излучения

Монохромные ленты

С разработкой светодиода с белым цветом излучения у LED-оборудования не осталось препятствий для полного завоевания рынка. Но даже белый свет не одинаков, и имеет градации по спектру излучения, характеризуемого цветовой температурой (в Кельвинах).

Шкала цветовых температур.

Потребитель может выбрать от теплых красно-желтых оттенков до холодных сине-фиолетовых. Также можно приобрести монохромные светильники с цветом, отличным от белого. В их маркировке присутствует название цвета на английском языке (Green, Blue и т.д.).

RGB-светильники

Этот тип лент содержит три светодиода красного, зеленого и синего цветов. Это дает возможность получать свечение практически любого цвета путем смешивания в разных пропорциях трех основных оттенков. И это свечение можно изменять динамически. У дизайнеров в руках оказывается почти неограниченный потенциал по созданию архитектурных подсветок, визуальных эффектов и т.д. Такие приборы в обозначении имеют символы RGB и управляются с помощью контроллеров (промышленных или любительской разработки).

Единственное ограничение такие светильники имеют по белому цвету – чистый белый получить из трех основных цветов невозможно. Для случаев, где это критично, к каждым трем цветным светодиодам добавляется один белый. Он «подкрашивает» синтезированный белый цвет. Маркируется такая лента литерами RGBW (RGB+White).

Светильник на основе адресных светодиодов

Эта разновидность LED-лент не имеет аналогов в мире осветительной техники и обладает безграничной мультимедийной составляющей. Ее главное отличие от обычной RGB-ленты в том, что доступно регулирование свечения каждого трехцветного элемента отдельно. Светильники с шиной SPI могут управляться от промышленных пультов, для приборов с однопроводной шиной (например, на основе элементов WS2812b) используют схемы управления на основе микроконтроллеров (в том числе, на платформе Ардуино). Это позволяет полностью использовать возможности, заложенные разработчиками.

Разновидности по исполнению

Обычные LED-ленты имеют степень защиты IP20. Это означает, что прибор защищен от попадания твердых частиц размером более 12,5 см и совсем не защищен от попадания воды. Такое исполнение не позволяет применять осветитель на открытом пространстве, не говоря о влажных помещениях. Поэтому производятся специальные типы лент с дополнительной защитой:

в виде надетой на полотно прозрачной силиконовой трубки – в маркировке присутствует обозначение P;
полотно может быть залито прозрачным герметиком – обозначается символами SE;
если присутствуют оба способа защиты (силиконовая трубка заполнена герметиком), в маркировке есть символы PGS.

Светодиодный светильник в герметичном исполнении.

Такие методы защиты позволяют выпускать LED-светильники со степенью защиты до наивысшей (IP68) и применять ленты даже под водой.

По применяемым светоизлучающим элементам

Для формирования светового потока LED-лент применяются различные типы светодиодов, включая корпусные цилиндрические. Но наибольшее распространение получили ленты на основе безвыводных элементов (SMD). Такое исполнение наиболее технологично при производстве и позволяет несколько снизить стоимость светотехники. Форм-фактор LED маркируется четырьмя цифрами, обозначающими размеры элемента в плане (длина и ширина). Эти символы обычно входит в маркировку ленты.

Внешний вид основных светодиодов применяемых в лентах.

Таблица размеров LED
Тип светоизлучающего элемента	Габариты, мм
	3,5 х 2,8
	5,6 х 3
	5 х 5
	5,7 х 3

Для лент RGB используются светодиоды, содержащие в одном корпусе три кристалла с различными цветами излучения. Они имеют раздельное управление, но их аноды соединены. Обычно эти элементы применяются также в безвыводном исполнении.

Трехцветная LED-сборка.

Для создания адресных лент используют миниатюрные ШИМ-драйверы, в которые могут быть встроены светоизлучающие p-n переходы. Но также широко применяются микросхемы с внешним подключением трех LED базовых цветов (или светодиодной матрицы в едином корпусе).

Адресный светодиод WS2812B.

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.

По типу исполнения выделяют:

Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света.
Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.

Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам.

Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров.

Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.

Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп

Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно

Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий.

Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.

В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.

Светодиоды могут быть:

мигающими – используются для привлечения внимания;
многоцветными мигающими;
трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
RGB;
монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.

Какие бывают светодиодные ленты

Чтобы разобраться в видах диодных лент, подходящих для конкретной задачи освещения, следует обратить внимание на тип свечения светодиодов, особенности конструкции и маркировки. Рассмотрим существующие разновидности лент

Одноцветные ленты

Одноцветные ленты (SMD) обеспечивают поток света одного цветового оттенка в зависимости от установленных диодов. Наиболее распространены доступные в ценовом отношении ленты с белыми кристаллами, немного больше придется заплатить за синий, зеленый и красный цвета. Смешанные оттенки исходных основных цветов – оранжевый, бирюзовый, сиреневый – самые дорогие.

Покупательский спрос регулирует не только достаточно высокая цена. Достижение желаемого цветового эффекта обеспечивается нанесением на кристалл люминифиора, что приводит к снижению яркости свечения. Для декоративной подсветки ленты нестандартного цвета подойдут, однако основные задачи освещения решают светодиоды белого цвета, поэтому спрос на них выше.

МногоцветныеRGB ленты

В отличие отодноцветных RGB-ленты могут менять оттенки. Многоцветные ленты выдают сразу несколько цветов за счет того, что в их конструкцию включены светодиоды с тремя кристаллами.По первым буквамв английском варианте названия используемых красного,зеленого и синегоцветов разновидность классифицируется как RGB-лента. Свет различной интенсивности, проходя через кристаллы, смешивается. Таким образом, регулируя интенсивность свечения отдельных диодов можно добиться любого требуемого оттенка, за исключением чистого белого цвета. Если белое свечение все же может понадобиться, лучше выбрать ленту с четырьмя видами кристаллов WRGB, включая белые (W).

Ленты бегущий огонь

Оттенок свечения многоцветной ленты, как и его яркость зависит от сигнала RGB-контроллера. Установка этого обязательного элемента дает возможность при включении светодиодной ленты создать эффект попеременной смены оттенков цвета. Ленты в виде бегущих по дорожке разноцветных огоньков поначалу кажутся привлекательными, однако редко приживаются в жилых интерьерах именно как бегущая дорожка. Пользователи определяются с цветом подсветки и задают через контроллер постоянные параметры однотонного свечения.

Ленты бокового свечения

При расположении светодиодов по торцу ленты свет распространяется, в отличие от прямой направленности обычных лент, параллельно поверхности, на которую ленту прикрепляют. Этот вариант удобен для внешней подсветки боковых поверхностей, контуров вывесок, букв в названиях магазинов. В интерьере не слепящие глаза ленты бокового свечения можно встретить на мониторах, торцах плазменных панелей. Благодаря гибкости боковой LED ленты стала возможна контражурная подсветка, широко применяемая в автотюнинге.

Каждый из видов лент может быть представлен в открытом варианте.

Герметичные ленты

Герметичные ленты более практичны по причине защищенности от воды и пыли. Для герметизации используется силиконовая оболочка. Герметичные ленты могут применяться в условиях повышенной влажности и перепадов температур (ванная, баня), для подсветки бассейнов, аквариумов, беседок, пешеходных дорожек, элементов фасадов, бамперов автомобилей. Они обозначаются индексом IP68.

Маркировка светодиодных лент

Качественная продукция обязательно сопровождается маркировкой. Производитель снабжает изделие полным описанием, что позволяет безошибочно выбрать подходящую по требованиям ленту. В маркировке указываются следующие характеристики:

вид диодной ленты;
размеры и тип светодиодов;
оттенок цвета свечения;
подходящее напряжение;
рядность и плотностьсветодиодов (количество штук в одном метре).

Разобравшись с логикой и принципами маркировки, легко определиться с выбором представленных в продаже лент.

Типовая классификация

К типам светодиодов можно отнести:

одиночные светодиоды на одном кристалле большой мощности (COB-матрице);
пары светодиодов в одном корпусе – индикаторные диоды, мигающие попеременно двумя цветами, например, красным и желтым;
тройки или триады излучателей трех основных цветов – красного, зеленого и синего или RGB: Red – Красный, Green – Зеленый, Blue – Синий.

Трехкристальный светодиод в SMD-корпусе для монтажа на поверхности печатной платы.

Если в трехкристальном светодиоде кристаллы одного цвета свечения – имеем сверхъяркий светодиод. При разных цветах света кристалла получаем RGB-триаду или многоцветный управляемый светоизлучающий прибор.

SMD – аббревиатура от английского словосочетания Surface Mounted Device, устройство поверхностного монтажа. Используется для автоматизации размещения и пайки электронных компонентов на печатных платах, в т.ч. и светодиодов. Применяют в лентах, линейках, модулях и обычных печатных платах.

К основным цветам относится и пара цветов YB – Yellow, желтый и Blue, синий. Есть и другие комбинации цветов, дающих после смешивания белый цвет.

Мощные светодиоды на основе COB-матриц

У крупных моделей в углах корпуса имеются отверстия для крепления. Модели небольших размеров крепятся пайкой на печатную плату.

В дополнение к обычным характеристикам светодиодов у мощных моделей добавляются несколько дополнительных параметров:

номинальная мощность, Вт;
размер чипа, мм;
номинальный рабочий ток кристалла или матрицы;
срок службы, связанный со стандартами L 70, L80 и др.

Маломощные светодиоды

По величине потребляемой мощности – это светодиоды от 0,05 до 0,5 Вт, рабочий ток – 20-60 мА (средней мощности – 0,5-3 Вт, ток 0,1-0,7 А, большой – более 3 Вт, ток 1 А и более).

Конструктивно к маломощным светодиодам относятся несколько групп LED-излучателей света:

светодиоды в корпусах SMD обычные и сверхъяркие;
диоды типа DIP в цилиндрических корпусах – для монтажа в отверстия печатных плат;
в корпусах типа «пиранья» – для монтажа в отверстия.

Маломощные светодиоды в разных корпусах.

На картинке светодиоды сверху вниз:

В цилиндрических корпусах типа DIP – с гибкими проволочными выводами для пайки в отверстия платы.
В корпусах типа «пиранья», они же Superflux, пайка в отверстия.
В корпусах с планарными выводами для монтажа на контактные площадки одно- и двухсторонних печатных плат или в «колодцы» многослойных плат.

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.

Последовательное соединение светодиодов

Один и тот же по величине ток всегда течет через последовательно соединенные компоненты.

Питание светодиодов, соединенных последовательно

При таком подключении получим такой ток, как если бы питали только один светодиод. А вот количество энергии, затрачиваемой на резистор, будет уменьшено, потому что падение напряжения на светодиодах будет большим.

Но напряжение, подаваемое на резистор — уменьшилось. Из 9 В, обеспечиваемых батареей, около 8 В должны быть выделены на диоды, включенные последовательно. Как мы знаем, меньший ток, подаваемый на резистор, ухудшит стабильность тока светодиода. Посчитаем насколько. Сначала выберем соответствующий токоограничивающий резистор для этих LED элементов. Предположим, надо чтобы в цепи протекало только около 4 мА.

R = (9 В — 4,19 В) / 0,004 А = 350 Ом

Расчетный резистор лучше всего округлить до ближайшего стандартного из серии — 330 Ом. Теперь оценим, какой ток будет протекать в наихудших возможных условиях, то есть когда прямое напряжение всех LED будет самым низким и самым высоким:

I макс = (9 В — 4 · 1,6 В) / 330 Ом = ~ 8 мА
I мин = (9 В — 4 · 2,2 В) / 330 Ом = ~ 1 мА

Всегда полезно проводить такой анализ наихудшего случая. Благодаря этому можно проверить, будет ли схема работать должным образом во всех возможных условиях.

Расчеты показали, что в зависимости от прямого напряжения на светодиоде ток, протекающий по цепи, может изменяться в широких пределах (1-8 мА). Конечно таких значений достаточно, чтобы светодиоды нормально светились. Но гораздо безопаснее будет их комбинировать следующим образом:

Питание светодиодов соединенных параллельно и последовательно

Давайте подсчитаем, насколько ток может колебаться в каждой ветви приведенной схемы. Предположим, что используем красные светодиоды и резисторы 330 Ом.

Многие новички в электронике задаются вопросом, можно ли поменять местами компоненты в ряду — например разместить резистор позади светодиода, а не перед ним. Они опасаются что такая замена может повредить компоненты. Так что должно быть первым: светодиод или резистор? Важен ли порядок последовательного подключения?

На самом деле одинаковый ток протекает через последовательно соединенные компоненты. Так что никакой разницы в работе вышеперечисленных схем не будет. Элементы соединенные последовательно, можно перемещать между собой любым способом. Ток, протекающий через такую ??схему, будет одинаковым! Единственное условие — соблюдать полярность таких элементов как диоды, электролитические конденсаторы и так далее.

Светодиодная лента на led 2835

Светодиодные ленты (СЛ) широко используются как для освещения, так и в декоративных целях. Поэтому об этом изделии, собранном на светодиодах smd 2835, стоит поговорить отдельно, как о наиболее популярном и доступном.

Светодиодная лента smd 2835 обычно собирается из smd светодиод мощностью 0.2 Вт, поскольку охлаждение более мощных приборов ленте с относительно тонкими токопроводящими дорожками весьма проблематично. Количество smd полупроводников на 1 м СЛ может быть разным – 60 или 120. Напряжение питания – 12, 24 или сеть 220 В, причем величина его зависит от конструктивного исполнения и наличия БП, а не от количества светодиодов на метр. У изделия с плотностью светодиодов 60 шт/м удельные мощность и светоотдача, естественно, будут в 2 раза ниже.

СЛ на 60 (слева) и 120 smd светодиодов на метр

Важно. Светодиодная лента на smd светодиодах этого типа имеет относительно высокую мощность, а потому крепить ее нужно только на металлический (обычно алюминиевый) профиль, который будет служить радиатором

По конструктивному исполнению светодиодная лента различается на:

герметичную;
пылевлагозащищенную;
слабозащищенную;
без защиты.

Выбирая прибор, обязательно учти, в каких условиях ему придется работать. Покупай ленту только с соответствующей степенью защиты от окружающей среды.

Теперь по мощности и светоотдаче. Зная мощность одного светодиода, нетрудно посчитать удельную мощность самой СЛ. Для изделия с 60 диодами на 1 м удельная мощность будет составлять 0.2*60=15 Вт/м. Для 120-диодной ленты, соответственно, 30 Вт/м.

Естественно, эти расчеты справедливы лишь для фирменных изделий, изготовленных из настоящих светодиодов, а не из подделок. Но подвох здесь в том, что на мировом рынке 90% лент изготовлены именно на основе китайских smd 2835! Более того, нередко продавцы позиционируют их как «премиум», вводя в заблуждение покупателя. Как же определить, настоящий ли это «премиум» или тебе пытаются «впарить» маломощную подделку?

Как узнать мощность светодиодов, используемых в ленте

Прежде всего, цена. Стоимость маломощной ленты в разы отличается от цены на настоящее изделие. Далее, удельная мощность. Каждый, кто знаком с арифметикой, легко просчитает, какие светодиоды установлены в ленту. Для этого достаточно заглянуть в сопроводительную документацию и нажать 4 кнопки калькулятора.

Для эксперимента заходим в Интернет и смотрим на товар. Я зашел на с виду приличный сайт и выбрал две ленты: «премиум» и «эконом». Первая ровно в 6 раз дороже второй:

Светодиодная лента smd 2835 120 СW Premium.
Светодиодная лента smd 2835 120 CW Econom.

Характеристики первой:

светодиодов на 1 м – 120;
удельная мощность – 8.4 Вт/м;
удельный световой поток – 635 лм/м;
напряжение питания – 12 В.

Характеристики второй:

светодиодов на 1 м – 120;
удельная мощность – 9.6 Вт/м;
удельный световой поток – 360 лм/м;
напряжение питания – 12 В.

Посмотрим, что это за премиум. Рассчитываем мощность 1 светодиода: 8.4/120=0.07 Вт. Световой поток одного светодиода: 635/120=5.3 лм. Приплыли… Этот «премиум» собран на китайских светодиодах мощностью 0.09 Вт со световым потоком 8 лм. Причем, чтобы сие чудо проработало подольше, конструкторы обеспечили диодам облегченный режим. Они сильно уменьшили потребляемую мощность токоограничивающими резисторами, что вызвало уменьшение светового потока в полтора раза.

Что же тогда вставили в ленту эконом? Считаем. Мощность светодиода: 9.6/120= 0.08 Вт. Световой поток рассчитывать не будем: очевидно, что он в 2 раза ниже, чем у предыдущей модели. Какой кристалл воткнули находчивые разработчики в корпус светодиода smd 2835? Об этом известно только самому производителю. Можно лишь предположить, что умельцы в корпус smd 2835 встроили кристалл из smd 3528, а то и из чего похуже. А может, они для привлекательности просто завысили удельную мощность, но забыли пересчитать световой поток, кто знает.

Как я уже говорил выше, низкокачественные подделки нередко сопровождаются документацией, в которой характеристики могут существенно завышаться. Поэтому метод расчета по заявленным характеристикам может не сработать. Здесь останется ориентироваться лишь на стоимость и на визуальную яркость.

Есть еще один вариант: измерить сопротивление токоограничивающего резистора, рассчитать ток через него, а по току судить о мощности включенных в его цепь светодиодов (обычно их 3, реже 5). Но этот метод требует специальных знаний, а потому здесь я его рассматривать не буду.