Я не очень люблю формулы. Как и хоть какой обычный человек ???? Они вызывают у меня мигрень и желание кинуть чего-нибудть в стенку. Всю жизнь я старался держаться от их подальше. И ведь выходило. Но вот я заинтересовался светодиодами и сообразил — никуда не денешься. Чтоб получить подходящий итог — необходимо осознавать — как это работает. Потихоньку, по шажку, начал я продираться через дебри люмен, кандел, стерадиан. Равномерно в голове начала формироваться какая-то картина. А заодно сожаление — ну почему некоторому это было разъяснить обычным легкодоступным языком ? Столько времени впустую… Попробую уберечь вас от мигрени и очень доступно разъяснить — что такое светодиод и как он работает. Ну и заодно пару законов оптики растолкую ????
Статья посвящена тем, кто путается в ваттах-канделах-люменах-люксах. Ну и вообщем в светодиодах. Написано продвинутым чайником для чайников начинающих ????
Обыденный светодиод
Возьмите в руки хоть какой техпаспорт на электроприбор и поглядите — там обозначено, что напряжение питания должно быть — ~ 220 вольт, 50 Гц. Давайте разберемся — что же все-таки это такое. Значок «~» значит, что напряжение должно быть переменным. В авто бортовой сети, к примеру, напряжение неизменное.
И у пальчиковой батарейки оно неизменное. Разница обычная — у неизменного напряжения есть плюс и минус — у переменного нет. А почему нет ? Все просто. В сети с переменным напряжением плюс и минус повсевременно изменяются местами. Один и тот же контакт — то плюс, то минус.
Как нередко ? А вот для этого и существует очередное значение — 50 Гц.
Что такое Гц ? Это одно колебание за секунду. Другими словами в нашей домашней сети плюс изменяется с минусом 50 раз за секунду. А сейчас — какая практическая полезность от этих познаний, какое это имеет оношение к светодиоду?
Давайте разбираться. Представим, у вас в руках лампочка на 220 вольт 100 ватт. Если вы ее включите в электронную сеть — она засветится на все свои 100 ватт. А если нам не необходимы эти 100 ватт ? А необходимо, скажем, 50 ?В этом нам поможет Диодик.
Если разбить слово «светодиод» на составляющие, то мы получим «свето» и «диодик». Другими словами это обыденный диодик, который к тому же сияет.
Диодик — это таковой прибор, который идеальнее всего сопоставить, к примеру, с клапаном либо ниппелем в автоколесе. Туда вы сможете закачать воздух, а назад — ниппель не пускает. Обыденный диодик смотрится как темный бочонок с 2-мя выводами — плюсом и минусом.
Вот его мы и можем использовать для практических опытов, которые многим помогают закрепить материал. Естественно, небезопасно начинать опыты сходу с 220 вольтами, но при подабающей осторожности ничего ужасного не произойдет.
Все же, все опыты вы проводите на собственный ужас и риск ????
Нам пригодится лампочка от холодильника на 220в, 15 Вт. Для нее необходимо отыскать подходящий патрон и вывести из него два провода.
Потом нам пригодится хоть какой диодиодд, который можно добыть, к примеру, из хоть какого неисправного телека либо магнитофона. Чем больше он будет размером — тем лучше.
Совершенно мелкие брать не нужно — 220 вольт все-же. Около него обычно есть обозначение в виде треугольника.
Потом нам пригодится сетевой шнур с вилкой, некое количество проводов и паяльничек. Для начала просто подсоедините лампочку к сети и запомните — как она сияет. Потом отсоедините и соберите цепь по схеме слева.
Не забудьте кропотливо заизолировать изолентой все соединения. Включайте в розетку. Видите ли, лампочка светит еще ужаснее. Это и логично — она сейчас получает только половину подходящего ей напряжения — вторую диодик не пускает. Если опыт у вас удался, а диодик довольно большой — вы сейчас сможете сделать всякую свою лампочку пратически нескончаемой.
К примеру, светит у вас в коридоре лампа на 50 ватт и повсевременно перегорает. Возьмите 100 ваттную, включите ее через диодик — светить она будет как 50 ватт, зато не будет перегорать. Есть, правда, один аспект — диодик должен быть расчитан на 220в и ток более ампера. Идеальнее всего приобрести таковой в магазине радиодеталей.
Ну, раз мы разобрались с тем, что такое диодик, есть смысл перейти к интересующей нас теме — светодиоду. У светодиода, как сейчас понятно, тоже есть плюс и минус.
Другими словами для его работы нужен источник неизменного напряжения — аккумулятор, батарейка, блок питания. На блоке питания должно быть обозначено, что он выдает неизменное напряжение (DC).
Обычно на крышке блока есть наклейка такового содержания.
- Input — ~220V 50HZ,
- output — 12v, 0,5 A DC
- Это означает, что таковой блок может выдать неизменное напряжение 12 вольт и ток 0,5 ампера.
Отметим, что зарядное устройство для сотовых телефонов — это тоже блок питания. Оно обычно имеет характеристики 5-6 вольт, 0,2-0,5 А. Часто его очень комфортно использовать для питания светодиодов, так как зарядное устройство выравнивает ток. Но об этом позднее, в последующих статьях.
Нам важны два параметра — рабочее напряжение светодиода и ток. Рабочее напряжение светодиода именуют еще «падением напряжения». В сути, этот термин обозначает, что после светодиода напряжение в цепи будет меньше на размер этого самого падения.
Другими словами если мы подадим питание на светодиод, у которого падение напряжения 3 вольта, то он эти три вольта сьест, и включенному после него в эту же цепь прибору достанется на 3 вольта меньше. Но самое главное, что необходимо усвоить — светодиоду важен ток, а не напряжение. Напряжения он возьмет столько, сколько ему необходимо, а вот тока — сколько дадите.
Другими словами если ваш источник питания может выдать 10 ампер — светодиод будет брать ток, пока не сгорит. Логика здесь обычная — присоединенный светодиод потребляет ток и начинает нагреваться. Чем посильнее он нагревается — тем больше тока через него может пройти — он же от нагрева расширяется. Совместно с током вырастает падение напряжения на диодике.
И так пока не сгорит совершенно — ток-то никто не ограничил. А делать это нужно непременно, используя ограничивающий элемент.
Отметим, что если источник питания имеет выходное напряжение, равное рабочему напряжению светодиода — ток ограничивать необязательно.
Другими словами если у вас есть, к примеру, белоснежный светодиод и аккумулятор на 3,6 вольт от мобильника — сможете прямо к этому аккуму и подключить — ничего светодиоду не будет. Он и рад бы побольше тока хапнуть — а напряжения не хватает.
Так что аккумулятор от сотового на 3,6 в — безупречный источник питания для тестов с белоснежными и голубыми светодиодами. Почему только с ними — об этом в других статьях.
В общем, поочередно со светодиодом нам необходимо поставить такой кран и закрутить его на необходимое нам значение. В роли такового крана могут выступать различные приборы. Самый обычный из их — резистор.
Оптические нюансы использования светодиодов
В числе параметров светодиодов, в особенности массивных, нередко указывается тип рассредотачивания света. Как правило это так называмая Ламбертовсветодиод. Далее мы ее и будем рассматривать как самую распостраненную.
Что этот термин обозначает ? «Ламбертовский» светодиод светит во все стороны идиентично, независимо от направления. Если б светодиод был шариком, он бы во все стороны светил идиентично — вот сущность диаграммы Ламберта.
Чтоб было понятно- солнце — это ламбертиановский источник.
Стандартная конструкция светодиода — кристалл, узкая пластинка, которая сияет. Поглядите в прозрачное окошко светодиода — и вы этот кристалл увидите. К нему идут тоненькие проволочки контактов.
Если подключить воображение, то можно представить свет, идущий от светодиода, как сферообразное скопление, висящее над ним. Свет — это мелкие частицы, именуемые фотонами. Означает, над светодиодом висит шарик, заполненный фотонами.
И чем больше света испускает светодиод — тем больше шарик, тем далее летят фотончики, толкая и вытесняя друг дружку. Больше всего их летит ввысь перпендикулярно плоскости кристалла, потому наибольшая сила света светодиодов — 90 градусов относительно плоскости кристалла.
Надеюсь, сейчас вам стали более понятны диаграммы, которые приводят производители светодиодов ???? Чтоб стали совершенно уж понятны — давайте разглядим пример.
Примем, что есть светодиод, вверху которого висит излучаемая им световая сфера поперечником 1 метр (хор-роший светодиод ! :)).
Нижняя шкала — это количество процентов от этого метра, верхняя — градус излучения. В согласовании с этой диаграммой больше всего фотонов — в высочайшей точке с градусом 0 и дальностью 1 метр. Смотрится удивительно, но так и есть.
Наименее удивительно это начинает смотреться, если вспомнить, что свет — это волна, не напрасно же для черт указывают длину волны. Соответственно, нашу световую сферу можно представить как электрическое поле с определенной плотностью.
Но это уже дебри — пойдем далее ????
Угол половинной яркости
Производитель обычно показывает таковой параметр, как двойной угол половинной яркости. Что значит этот термин ? Как мы узнали, максимум света светодиод дает в центре и вверху, другими словами угол равен нулю. Соответственно, чем далее от центра, тем меньше света.
Угол половинной яркости — это когда на «0» градусов светодиод дает 100 условных единиц света, а, к примеру, на 30 градусах (относительно оси «0») — 50. угол половинной яркостиНа рисунке I — сила света, Imax — наибольшая сила света. ImaxCos — половина силы света.
Почему «двойной» — умножаем градусы на два, светодиод же симметрично светит. В конечном итоге мы получаем красивый равнобедренный треугольник света.
За пределами этого треугольника тоже свет есть, у нас же шарик света, но точка отсчета для свойства светодиода — это половинный угол.
Кандела
Сейчас можно разглядеть, что все-таки такое Кандела. Кандела — это, по старенькому, «свеча». Помните, ранее гласили — люстра либо лампа в 100 свеч ? В прежние времена нужна была какая-то точка отсчета. Условились взять подходящей толщины свечку, зажечь и считать ее образцом, этим самым канделом.
В наши времена, естественно, считают по-другому. Я не буду тщательно разъяснять — как, это за рамки статьи уже выходит. Просто есть единица измерения силы света, и она именуется Кандела. Ее основная особенность — применение для измерения силы света направленных источников.
Вот почему для 5 мм светодиодов значения указываются в канделах, поточнее, милликанделах (1 cd=1000 mcd).
Настало время разобраться, чем 5 мм светодиоды либо любые другие в пластиковом корпусе отличаются от массивных.
Особенности конструкции индикаторных 5 мм светодиодов
Как уже говорилось выше, светодиод — это излучающий свет кристалл. Разглядим конструкцию светодиода в 5 мм пластиковом корпусе. При внимательном рассмотрении мы обнаруживаем две принципиальных вещи — линзу и рефлектор.
В рефлекторустройство светодиода помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор и задает начальный угол рассеивания. Потом свет проходит через корпус из эпоксидки. Доходит до линзы — и здесь начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы.
На практике — от 5 до диаграмма светодиода160 градусов.
Для обозначения силы света таких светодиодов как раз и употребляется кандела. Светодиоды с направленным свечением источают свет в неком телесном угле. Чтоб осознать, что такое телесный угол, довольно представить последующую картину.
Вы берете фонарик, включаете и помещаете его в пожарное ведро в самый низ, потом закрываете крышкой. Свет снутри, соответственно, имеет вид конуса по форме нашего ведра. Вот этот конус, ограниченный крышкой — и есть телесный угол.
Попробую разъяснить смысл рассредотачивания света поординарнее. Допустим, сила света нашего фонаря — 1 кандела, другими словами 1000 микрокандел(чтоб было более образно, можно считать микроканделы фотонами :)) Если и далее идти по аналогии, у нас есть полное ведро микрокандел.
Объем ведра при желании можно вычислить — добро пожаловать в геометрию ???? Соответственно, если мы возьмем ведро вдвое больше — микроканделы умеренно по нему распределятся, другими словами больше их не станет ???? Во всех этих разъяснения можно отыскать ответ на сакральный вопрос — сколько нужно светодиодов, чтоб поменять стоваттную лампочку. Об этом — дальше.
Особенности конструкции массивных светодиодов
В отличие от индикаторных светодиодов, массивные — это не только лишь прибор, да и маркетиновый продукт. На сегодня меж большими производителями происходит реальная гонка за люмены — кто больше ? И никого не тревожит, что люмены эти нужно еще применить. Давайте по порядку.
Основное отличие массивного светодиода от индикаторного в чистом виде — сведение к минимуму каких-то препятствий для выхода света из корпуса светодиода. Потому массивные светодиоды имеют ламбертовскую диаграмму. К чему это приводит на практике ? Вы включаете светодиод и получаете красивый световой шарик над ним.
И что далее делать ? Как им осветить подходящую вам поверхность ? Вам приходится использовать различную оптику либо рефлекторы, что безизбежно ведет к потерям, а означает и понижению светового потока.
Потому, если, купив мощнейший светодиод, вы не обзавелись неплохой оптикой, при этом рассчитанной конкретно на его конструкцию — рано радуетесь — боль в голове еще впереди.
Доставить нужные вам люмены до поверхности, которую необходимо осветить — сложная задачка.
Люмен
Как вы уже сообразили, канделы для оценки силы света массивных светодиодов не подходят. Для этого есть люмены — это полное количество света, которе может дать светодиод при подключении с данными значениями тока и напряжения. Помните аналогию про пожарное ведро ? Тут она тоже подходит. Будем считать, что если светодиод имеет силу света 100 люмен — то в нашем ведре будет 100 люмен.
Рядовая электронная лампочка на 100 Вт — это тоже ламбертовский источник. Средняя светоотдача этой лампочки — 10-15 люмен на ватт. Другими словами 100 ватт лампы накаливания дадут нам, скажем, 1000 люмен. Означает, чтоб поменять лампу 100 вт светодиодами, необходимо 10 шт по 100 люмен. Вот итак вот все очень просто ? Нет, к огорчению. Мы подходим к такому термину, как ЛЮКС.
Люкс
Люкс — это соотношение количества люмен и освещаемой площади. 1 люкс — это 1 люмен на квадратный метр. Допустим, у нас есть квадратная поверхность площадью один метр.
Вся она умеренно освещена лампочкой, расположенной на неком расстоянии вертикально сверху. Для этой лампочки производитель заявил освещенность 100 люкс.
Берем прибор, который меряет силу света и померяем в хоть какой точке нашего квадрата, мы должны получить 100 люмен. Если это так — производитель нас не околпачил.
Юрий Рубан, http://led22.ru
Про электричество для чайников в видео-формате на DVD-диске
Немного об основах схемотехники светодиодных ламп
Судя по м, многих людей интересуют не только параметры светодиодных ламп, но и теория их внутреннего устройства. Потому я решил немного поговорить об основах схемотехнических решений, чаще всего применяемых в этой области.
Итак, ядром и главным компонентом светодиодной лампочки является светодиод. С точки зрения схемотехники светоизлучающие диоды ничем не отличаются от любых других, разве только тем, что в смысле применения их как собственно диодов они обладают ужасными параметрами – очень маленьким допустимым обратным напряжением, относительно большой емкостью перехода, огромным рабочим падением напряжения (порядка 3.5 В для белых светодиодов – например, для выпрямительного диода это был бы кошмар) и т.д. Однако мы понимаем, что главная ценность светодиодов для человечества состоит в том, что они светятся, причем порой достаточно ярко. Чтобы светодиод светился долго и счастливо, ему необходимо два условия: стабильный ток через него и хороший теплоотвод от него. Качество теплоотвода обеспечивается различными конструкционными методами, потому сейчас мы не будем останавливаться на этом вопросе. Поговорим о том, зачем и как современное человечество достигает первой цели – стабильного тока. К слову, о белых светодиодахПонятное дело, что для освещения более всего интересны белые светодиоды. Делаются они на основе кристалла, излучающего синий свет, залитого люминофором, переизлучающим часть энергии в желто-зеленой области. На заглавной картинке хорошо видно, что токоведущие проволочки уходят в нечто желтое — это и есть люминофор; кристалл расположен под ним. На типичном спектре белого светодиода хорошо виден синий пик: 
Спектры светодиодов с разными цветовыми температурами: 5000K (синий), 3700K (зеленый), 2600K (красный). Подробнее тут.
Мы уже разобрались, что в схемотехническом смысле светодиод отличается от любого другого диода только значениями параметров. Здесь надо сказать, что прибор это принципиально нелинейный; то есть, знакомому со школы закону Ома он совершенно не подчиняется.
Зависимость тока от приложенного напряжения на таких устройствах описывается т.н. вольт-амперной характеристикой (ВАХ), причем для диода она носит экспоненциальный характер.
Из этого следует, что самое незначительное изменение приложенного напряжения приводит к огромному изменению тока, но и это еще не все – при изменении температуры (а также старении) ВАХ смещается. Кроме этого, положение ВАХ слегка разное для разных диодов.
Оговорю отдельно – не только для каждого типа, но для каждого экземпляра, даже из одной партии. По этой причине распределение тока через диоды, включенные параллельно, обязательно будет неравномерным, что не может хорошо сказаться на долговечности конструкции.
При изготовлении матриц стараются либо использовать последовательное включение, что решает проблему в корне, либо выбирать диоды с примерно одинаковым прямым падением напряжения. Чтобы облегчить задачу, производители обычно указывают так называемый «бин» — код выборки по параметрам (по напряжению в том числе), в которую попадает конкретный экземпляр.
ВАХ белого светодиода.
Соответственно, чтобы все работало хорошо, светодиод необходимо подключать к устройству, которое вне зависимости от внешних факторов будет с высокой точностью автоматически подбирать такое напряжение, при котором в цепи протекает заданный ток (например, 350 мА для одноваттных светодиодов), причем контролировать процесс непрерывно. Вообще, такое устройство называется источником тока, но в случае светодиодов в наши дни модно употреблять заморское слово «драйвер». В целом, драйвером часто называют решения, главным образом предназначенные для работы в конкретном применении – например, «драйвер MOSFET» — микросхема, предназначенная для управления конкретно мощными полевыми транзисторами, «драйвер семисегментного индикатора» — решение для управления конкретно семисегментниками, и т.д. То есть, называя источник тока драйвером светодиодов, люди намекают, что этот источник тока по задумке предназначен именно для работы со светодиодами. Например, он может иметь специфичные функции – что-нибудь в духе наличия светового интерфейса DMX-512, определения обрыва и короткого замыкания на выходе (а обычный источник тока, вообще, должен без проблем работать и на короткое замыкание), и т.п. Тем не менее, понятия часто путают, и, например, называют драйвером самый обычный адаптер (источник напряжения!) для светодиодных лент.
Кроме того, устройства, предназначенные для задания режима осветительного прибора, часто называют балластом. Итак, источники тока. Самым простым источником тока может быть сопротивление, включенное последовательно со светодиодом. Так делают при малых мощностях (где-то до полуватта), например, в тех же светодиодных лентах. С увеличением мощности потери на резисторе становятся слишком велики, а требования к стабильности тока повышаются, и потому возникает необходимость в более продвинутых устройствах, поэтичный образ которых я нарисовал выше. Все они строятся по одинаковой идеологии – в них имеется регулирующий элемент, контролируемый обратной связью по току. Стабилизаторы тока разделяются на два типа – линейные и импульсные. Линейные схемы – родственники резистора (сам резистор и его аналоги также относятся к этому классу). Особого выигрыша в КПД они обычно не дают, зато повышают качество стабилизации тока. Импульсные схемы являют собой наилучшее решение, однако они сложнее и дороже. Давайте теперь кратко пробежимся по тому, что в наши дни можно увидеть внутри светодиодных ламп или рядом с ними.
1. Конденсаторный балласт
Конденсаторный балласт являет собой развитие идеи насчет включения сопротивления последовательно со светодиодом. В принципе, светодиод можно подключить в розетку прямо так: 
Встречновключенный диод необходим для того, чтобы не допустить пробоя светодиода в момент, когда сетевое напряжение сменит полярность – я уже упоминал, что светодиодов с допустимым обратным напряжением в сотни вольт не встречается. В принципе, вместо обратного диода можно поставить еще один светодиод. Номинал резистора в схеме выше рассчитан для тока светодиода около 10 – 15 мА. Поскольку напряжение сети гораздо больше падения на диодах, последнее можно не учитывать и считать прямо по закону Ома: 220/20000 ~ 11 мА. Можно подставить пиковое значение (311 В) и убедиться, что даже в предельном случае ток диода не превысит 20 мА. Все выходит замечательно, кроме того, что на резисторе будет рассеиваться мощность около 2.5 Вт, а на светодиоде – около 40 мВт. Таким образом, КПД системы составляет порядка 1.5% (в случае одного светодиода будет еще меньше). Идея рассматриваемого метода заключается в том, чтобы заменить резистор конденсатором, ведь известно, что в цепях переменного тока реактивные элементы обладают способностью ограничивать ток. Кстати, использовать дроссель тоже можно, более того, так делают в классических электромагнитных балластах для люминесцентных ламп.
Считая по формуле из учебника, легко получить, что в нашем случае требуется конденсатор емкостью 0.2 мкФ, либо катушка индуктивностью около 60 Гн. Здесь становится ясно, почему в подобных балластах светодиодных ламп никогда не встречаются дроссели – катушка такой индуктивности представляет собой серьезное и дорогое сооружение, а вот конденсатор на 0.2 мкФ добыть гораздо проще. Разумеется, он должен быть рассчитан на пиковое сетевое напряжение, причем лучше с запасом. На практике применяются конденсаторы с рабочим напряжением не менее 400 В. Немного дополнив схему, получаем то, что уже видели в предыдущей статье.
Лирическое отступление«Микрофарад» сокращется именно как «мкФ». Я останавливаюсь на этом потому, что достаточно часто вижу людей, пишущих в этом контексте «мФ», в то время как последнее — сокращение от «миллифарад», то есть 1000 мкФ. По-английски «микрофарад», опять же, пишется отнюдь не как «mkF», но, напротив, «uF». Это потому, что буква «u» напоминает букву «μ» с оторванным хвостиком.
Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF, и никак иначе!
Кроме того, «Фарад» — мужского рода, так как назван в честь великого физика-мужчины. Так что, «четыре микрофарада», но не «четыре микрофарады»!
Как я уже говорил, преимущество у такого балласта только одно – простота и дешевизна. Подобно балласту с резистором, здесь обеспечивается не слишком хорошая стабилизация тока, и, что еще хуже, присутствует значительная реактивная составляющая, что не особо хорошо для сети (особенно при заметных мощностях). Кроме того, при увеличении желаемого тока будет расти необходимая емкость конденсатора. Например, если мы хотим включить одноваттный светодиод, работающий при токе 350 мА, нам потребуется конденсатор емкостью около 5 мкФ, рассчитанный на напряжение 400 В. Это уже дороже, больше по габаритам и сложнее в конструкционном плане. С подавлением пульсаций здесь тоже все непросто. В целом можно сказать, что конденсаторный балласт простителен только для небольших ламп-маячков, не более того.
2. Бестрансформаторная понижающая топология
Это схемотехническое решение относится к семейству бестрансформаторных преобразователей, включающему в себя понижающую, повышающую и инвертирующую топологии.
Кроме того, к бестрансформаторным преобразователям также относится SEPIC, преобразователь Чука и другая экзотика, вроде переключаемых конденсаторов.
В принципе, драйвер светодиодов можно построить на основе любой из них, однако на практике в этом качестве они встречаются гораздо реже (хотя повышающая топология применяется, например, во многих фонариках).
Один из вариантов драйвера на основе бестрансформаторной понижающей топологии приведен на рисунке ниже. 
В живой природе такое включение можно наблюдать на примере ZXLD1474 или варианта включения ZXSC310 (которая в исходной схеме включения, кстати, как раз повышающий преобразователь).
Здесь светодиод включается последовательно с катушкой. Схема управления отслеживает ток с помошью измерительного резистора R1 и управляет ключом T1. Если ток через светодиод падает ниже заданного минимума, транзистор открывается, и катушка с включенным последовательно с ней светодиодом оказывается подключенной к источнику питания.
Ток в катушке начинает линейно нарастать (красный участок на графике), диод D1 в это время заперт. Как только схема управления регистрирует достижение током заданного максимума, ключ закрывается. В соответствии с первым законом коммутации катушка стремится поддержать ток в цепи за счет энергии, накопленной в магнитном поле.
В этот момент ток протекает через диод D1. Энергия поля катушки расходуется, сила тока линейно убывает (зеленый участок на графике). Когда ток падает ниже заданного минимума, схема управления регистрирует это и снова открывает транзистор, подкачивая энергию в систему – процесс повторяется.
Таким образом, ток поддерживается в заданных пределах.
Отличительная особенность понижающей топологии – возможность сделать пульсации светового потока сколь угодно малыми, поскольку в таком включении ток через светодиод никогда не прерывается. Путь приближения к идеалу лежит через увеличение индуктивности и повышение частоты коммутации (сегодня существуют преобразователи с рабочими частотами до нескольких мегагерц). На основе такой топологии был сделан драйвер лампы Gauss, рассмотренной в предыдущей статье. Недостатком метода является отсутствие гальванической развязки – когда транзистор открыт, схема оказывается напрямую соединенной с источником напряжения, в случае сетевых светодиодных ламп – с сетью, что может быть небезопасно.
3. Обратноходовый преобразователь
Несмотря на то, что обратноходовый преобразователь содержит нечто, похожее на трансформатор, в данном случае эту деталь правильнее называть двухобмоточным дросселем, поскольку ток никогда не течет через обе обмотки одновременно. В действительности по принципу действия обратноходовый преобразователь похож на бестрансформаторные топологии. Когда T1 открыт, ток в первичной обмотке нарастает, энергия в запасается в магнитном поле; при этом полярность включения вторичной обмотки сознательно подбирается такой, чтобы диод D3 на этом этапе был закрыт и тока на вторичной стороне не текло. Ток нагрузки в этот момент поддерживает конденсатор С1. Когда T1 закрывается, полярность напряжения на вторичной обмотке становится обратной (поскольку производная тока в первичной обмотке меняет знак), D3 открывается и накопленная энергия передается на вторичную сторону. В смысле стабилизации тока все то же самое – схема управления анализирует падение напряжения на резисторе R1 и подстраивает временные параметры так, чтобы ток через светодиоды оставался постоянным. Чаще всего обратноходовый преобразователь применяется при мощностях не более 50 Вт; далее он перестает быть целесообразным из-за возрастающих потерь и необходимых габаритов трансформатора-дросселя.
Надо сказать, что существуют варианты обратноходовых драйверов без оптоизолятора (например). Они полагаются на тот факт, что токи первичной и вторичной обмоток связаны, и при определенных оговорках можно ограничиться анализом тока первичной обмотки (или, чаще, отдельной вспомогательной обмотки) – это позволяет сэкономить на деталях и, соответственно, удешевить решение.
Обратноходовый преобразователь хорош тем, что он, во-первых, обеспечивает изоляцию вторичной части от сети (выше безопасность), а, во-вторых, позволяет относительно легко и дешево изготавливать лампы, совместимые со стандартными диммерами для ламп накаливания, а также устраивать коррекцию коэффициента мощности. Лирическое отступлениеОбратноходовый преобразователь называется так потому, что изначально подобный метод применялся для получения высокого напряжения в телевизорах на основе электронно-лучевых трубок. Источник высокого напряжения был схемотехнически объединен со схемой горизонтальной развертки, и импульс высокого напряжения получался во время обратного хода электронного луча.
Немного о пульсациях
Как уже было упомянуто, импульсные источники работают на достаточно высоких частотах (на практике – от 30 кГц, чаще около 100 кГц).
Потому ясно, что сам по себе исправный драйвер не может быть источником большого коэффициента пульсаций – прежде всего потому, что на частотах выше 300 Гц этот параметр просто не нормируется, ну и, кроме того, высокочастотные пульсации в любом случае достаточно легко отфильтровать. Проблема заключается в сетевом напряжении.
Дело в том, что, разумеется, все перечисленные выше схемы (кроме схемы с гасящим конденсатором) работают от постоянного напряжения. Потому на входе любого электронного балласта прежде всего стоит выпрямитель и накопительный конденсатор.
Предназначением последнего является питать балласт в те моменты, когда сетевое напряжение уходит ниже порога работы схемы. И здесь, увы, необходим компромисс – высоковольтные электролитические конденсаторы большой емкости, во-первых, стоят денег, а, во-вторых, занимают драгоценное место в корпусе лампы.
Здесь же коренится причина проблем с коэффициентом мощности. Описанная схема с выпрямителем имеет неравномерное потребление тока. Это приводит к возникновению высших гармоник оного, что и является причиной ухудшения интересующего нас параметра.
Причем чем лучше мы будем пытаться отфильтровать напряжение на входе балласта, тем более низкий коэффициент мощности мы получим, если не предпринимать отдельных усилий. Этим объясняется тот факт, что почти все лампы с низким коэффициентом пульсаций, которые мы видели, показывают очень посредственный коэффициент мощности, и наоборот (разумеется, введение активного корректора коэффициента мощности скажется на цене, потому на нем пока что предпочитают экономить).
Пожалуй это все, что в первом приближении можно сказать на тему электроники светодиодных ламп. Надеюсь, что этой статьей я в какой-то мере ответил на все вопросы схемотехнического толка, которые были заданы мне в х и личных сообщениях.
Светодиоды для начинающих. Как их готовить и с чем есть. Part 1. — DRIVE2
В данном опусе хочу вкратце и доступно рассказать о подключении светодиодов. Сейчас пересветы и замена ламп накаливания на светодиоды набирает обороты, все хотят красивый свет.Но у людей, которые не сталкиваются с радиоэлектроникой каждый день, возникает много вопросов по подключению.Грубо разделим светодиоды на категории:
- 1.Светодиодные ленты
Типичная лента, питание 12В.
- 2.Модули
Светодиодный модуль, герметичный
- 3.Светодиоды
LED, светодиод, светик
С подключением первых двух типов все просто, зачастую они предназначены для питания от 12В. Нужно только правильно разрезать/соединить. При работающем двигателе напряжение борт сети подымается до 14.4В. Повышенное напряжение уменшает срок службы светодиодов. О стабилизации мы поговорим чуть позже.
Как правильно питать обычные светодиоды, не в составе лент и модулей?Тут тоже все просто. Обращаемся к Ому и документации производителя диодов.К примеру, по справочнику максимальный ток красного светодиода 22мА при напряжении на диоде 2В. Гонять на максимальном токе мы его не будем, выберем поменьше, к примеру, 17мА. Основное время гореть он будет при напряжении питания 14вольт.
Резистор должен погасить на себе лишнее напряжение (напряжение падения), равноеUпад=14-2=12Впри токе через диод (впрочем, такой же, что и через резистор), равномIд=17мА,значит его сопротивление будет равноR=Uпад/Iд=12/0,017=705 Ом.Выберем резистор из ряда стандартных сопротивлений — 680Ом. Это, правда, немного увеличит ток через диод(12/680=0,0176А), ну и ладно — ярче жить будет.
Мы все равно заведомо в расчетах взяли значение меньше номинального.Не хотите дружить с Омом?
- Качайте програмулинку для расчета и избавьте мозг от лишней работы 🙂
Ну и коротко о стабилизации. Как по мне, самый простой способ- линейный стабилизатор(или кренка в народе).
микросхема линейного стабилизатора, общий вид
Лучше импорт(LM78XX, где последние два знака говорят о напряжении на выходе стабилизатора). Но можно и отечественные аналоги.На какое напряжение- смотреть по ситуации. Рассмотрим 12В.
- Схема включения
как подключить элэмку
Ровных дорог и яркого света!З.Ы. Соблюдайте полярность! Анод- плюс, катод- минус. Запомнить легко. Смотрим на диод(pic. 3), толстый электрод- масса, тонкий- плюс.
Вторая часть
Урок 2.4 — Диоды и светодиоды
Диод – это электронный компонент, обладающий односторонней проводимостью.Идеальный диод является проводником в одном направлении и изолятором — в другом направлении.
Основные характеристики диода
Максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое напряжение – это такие значения тока и напряжения, которые диод может выдержать в течение длительного времени. Если превысить ток и/или напряжение, приложенные к диоду, он может выйти из строя.
В наборы Мастер Кит входят два типа диодов: — диод малой мощности 1N4148. Максимально допустимый ток через этот диод составляет 0,15А, напряжение – до 75В
— диод средней мощности типа 1N4001…1N4007. Максимально допустимый ток через этот диод составляет 1А, напряжение (в зависимости от последней цифры) – от 50 до 1000В.
Взаимозаменяемость диодов
Если под рукой нет нужного диода, его можно заменить аналогичным. Конечно, нужно следить за тем, чтобы предельно допустимые ток и напряжения нового диода были выше таковых параметров схемы. Кроме того, новый диод должен иметь такой же или похожий тип корпуса (иначе диод может физически не поместиться на печатную плату).
Например, в схеме рекомендуется установить диод типа 1N4005. Его параметры: максимально допустимый ток – 1А, максимально допустимое обратное напряжение – 600В.
Допустим, у вас нет диода 1N4005, но есть диод 1N4001 в таком же типе корпуса с параметрами, соответственно, 1А/50В. Но если в вашей схеме рабочие напряжения не превышают 12В, вы смело можете произвести замену рекомендованного диода 1N4005 на 1N4001.
Такая же ситуация бывает и на складе Мастер Кит, когда мы производим замену временно отсутствующего компонента на аналогичный.
Установка диода на печатную плату
Диод имеет полярность, то есть должен устанавливаться на печатную плату строго в определённом положении. Если установить диод неправильно, он не только не заработает, но и может выйти из строя.
На диоде обязательно имеется маркировка полярности. В диодах, входящих в набор Мастер Кит, полосой на корпусе маркируется вывод катода.
На печатной плате также имеется маркировка полярности диода – полоса. При установке диода на плату нужно совмещать «ключи»: полосу на компоненте и на печатной плате.
Светодиоды
Светодиод – это разновидность обычного диода, но этот диод обладает важным свойством: он излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении.
В зависимости от типа, светодиоды могут иметь разную яркость и цвет свечения: красный, зелёный, синий, жёлтый.
Существуют светодиоды невидимого спектра излучения: инфракрасные (широко применяемые в системах дистанционного управления), ультрафиолетовые.
Как и обычный диод, светодиод корректно работает (излучает свет) только при условии правильной полярности приложенного к нему напряжения. Поэтому очень важно при установке светодиода на плату соблюдать «ключи».
У светодиодов, входящих в наборы Мастер Кит, вывод анода (он же «+») – длиннее.
На печатной плате также имеется маркировка полярности.
Скачать урок в формате PDF
Про светодиоды для чайников — 6
Самое время ориентироваться, чем 5 мм светодиоды либо всевозможные остальные в пластиковом корпусе различаются от массивных.
Индивидуальности конструкции индикаторных 5 мм светодиодов
Как теснее говорилось больше, светодиод — это лучистый свет кристалл. Осмотрим конструкцию светодиода в 5 мм пластиковом корпусе. При бдительном рассмотрении мы открываем две принципиальных вещи — линзу а также рефлектор.
В рефлекторустройство светодиода вмещается кристалл светодиода. Этот рефлектор а также задает начальный угол рассеивания. Потом свет проходит через корпус из эпоксидной смолы. Доходит по линзы — вдруг затевает разбегаться сообразно граням на угол, подходящий от конструкции линзы.
На практике — от 5 по диаграмма светодиода160 градусов.
Для обозначения силы света таковых светодиодов именно а также употребляется кандела. Светодиоды с направленным свечением излучают свет в неком телесном угле. Чтобы взять в толк, что такое физический угол, довольно доставить последующую картину.
Вы берете фонарик, подключаете а также помещаете его в пожарное ведро в самый-самый низ, потом покрываете крышкой. Свет снутри, поэтому, владеет разряд конуса сообразно форме нашего ведра.
Вот этот конус, глупый крышкой — а также имеется физический угол.
Попытаюсь разъяснить значение распределения света проще. Предположим, держава света нашего фонаря — 1 кандела, другими словами 1000 микрокандел(чтобы было наиболее фигурно, позволительно полагать микроканделы фотонами :)) Ежели а также далее идти сообразно аналогичностьи, у нас имеется совершенное ведро микрокандел.
Размер ведра при хотении позволительно вычислить — добросердечно даровать в геометрию 🙂 Поэтому, ежели мы поймем ведро в 2 раза более — микроканделы умеренно сообразно нему поделятся, другими словами более их никак не будет 🙂 Во всех этих разъяснения позволительно отыскать протест на священный вопросец — насколько нужно светодиодов, чтобы сменить стоваттную лампочку. Об этом — далее.
Индивидуальности конструкции массивных светодиодов
В сравнение от индикаторных светодиодов, массивные — это не столько прибор, только а также маркетиновый продукт. На данный момент меж большими производителями проистекает реальная гонка за люмены — кто более ? А также никого никак не тревожит, что люмены эти нужно еще использовать. Давайте сообразно распорядку.
Светодиод: это, принцип работы, виды устройства, как работают сверхяркие, как устроен, из чего состоит, от чего зависит яркость свечения
Первые светодиоды (СД, СИД, LED) разработали в начале шестидесятых годов на смену миниатюрным лампам накаливания. Это были красные лампы с очень слабым свечением и применялись как индикаторы включения в различных приборах.
В начале девяностых, был создан синий светодиод, следом появились зеленые, желтые и белые. Сейчас светодиод один из наиболее широко востребованных осветительных элементов. Это световое устройство в пластиковом литом корпусе (разного цвета) с двумя выводами со впаянным кристаллом.
Корпус выполняет две функции – является линзой и защитным покрытием. Питание светодиода обеспечивается током, для чего в цоколь встроен преобразователь напряжения. Яркость свечения пропорциональна напряжению.
Устройство элемента
Светодиод состоит из следующих частей:
- основание;
- линза;
- катод (-);
- анод (+);
- кристалл (полупроводниковый чип);
- отражатель (рассеиватель).
В основании закреплены катод и анод, сверху все устройство герметично закрыто линзой (колбой). На катоде закреплен кристалл. На контактах установлены проводники, подсоединенные к кристаллу p-n-переходом (соединительная проволока, объединяющая два проводника с разными типами проводимости).
Теплоотвод необходим для поддержания стабильной работы светодиода. В индикаторных светодиодах тепло не накапливается за счет невысокой мощности. Для осветительных – основание напрямую припаивается к поверхности для обеспечения теплоотвода.
Принцип работы диодов для чайников
Чтобы понять, как работает светодиод, нужно знать, что такое p-n-переход. Это область, в которой соприкасаются полупроводники p и n типа, в результате чего один тип проводимости переходит к другому. N тип содержит электроны проводимости как носители заряда. Полупроводник p типа носитель положительного заряда (дырки).
Анод (p типа) является положительным электродом, катод (n типа) это отрицательный электрод. Внешняя поверхность катода и анода содержит контактные металлические площадки с припаянными выводами. Когда к аноду подается положительный заряд электричества, а к катоду отрицательный, то на р-n переходе между кристаллом катодом начинает течь ток.
Если включение прямое, то электроны из n и области и дырки из p-области устремятся навстречу друг другу. В процессе легирования (обмена электронами) на границе дырочно – электронного перехода произойдет их обмен. Если отрицательное напряжение подается со стороны материала n-типа, то происходит прямое смещение. При рекомбинации (обмене) выделяется энергия в виде фотонов.
Чтобы поток фотонов преобразовать в видимый свет, материал подбирают так, что длина волны фотонов находится в пределах видимой области цветового спектра длиной волны от 700 до 400 нм.
Чтобы упрастить работу с диодными осветительными приборами или, например, гирляндами, узнайте как проверить светодиод мультиметром.
Принцип работы светодиода
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.
Основные технические характеристики
Диодные лампы характеризуются следующими основными параметрами:
- яркость (интенсивность светового потока);
- напряжение (тип используемого напряжения);
- сила тока;
- длина волны и цветовая характеристика.
Сравнение конструктивных особенностей обычных и мощных диодов
Яркость
Яркость воспринимается зрительными ощущениями, поскольку освещённость предмета на сетчатке глаза пропорциональна его яркости. Складывается она из нескольких параметров. называется Световой поток это количество световой энергии. Единица измерения люмен.
Единицей силы света является один люмен на стерадиан, также измеряемый в канделах: 1 cd. Измеряется яркость в милликанделах. Различают яркие (20 – 50 мкд.) и сверх яркие (20000 мкд. и выше) светодиоды белого свечения. Светодиодная яркость пропорциональна величине протекающего через него тока, т. е. чем выше напряжение, тем больше яркость.
Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про возможности и область применения диммеров.
Напряжение
Напряжение, необходимое для работы светодиода, это не напряжение питания, а величина падения напряжения на светодиоде. Колебания напряжения питания вызывает перегорание светодиода. Напряжение напрямую зависит от цвета.
Для нормальной работы при подключении светодиода необходимо правильно отследить ток, а не напряжение.
Сила тока
Работает светодиод на постоянном или пульсирующем токе. Поднимая или снижая интенсивность можно варьировать яркость свечения. Рабочий ток индикаторных светодиодов 20 – 40 мА. Сила тока осветительных элементов составляет от 20 мА. СОВ (на 4 чипа), например, рассчитаны на 80 мА. Одноваттные светодиоды потребляют приблизительно 300-400 мА.
Длина волны и цветовая характеристика
Излучаемый диодом цвет зависит от длины волны светового излучения. Измеряется она нанометрами (0.000000001 метра). Монохроматическое (одночастотное) излучение связано с длиной волны, перемещающейся внутри. Границы длины волны соотносятся с основными цветами определенным образом.
Цвет излучения светодиода меняется при внесении в полупроводниковый материал активных веществ.
Для получения светодиодов красного цвета в качестве полупроводников используется алюминий индий – галлий (AllnGaP), для цветов сине – голубого и зеленого спектра – индий – нитрид галлия (InGaN).
Чтобы получить, например, белый свет, кристалл синего светодиода покрывают тонким слоем люминофора, который излучает жёлтый и красный свет под действием синего спектра.
В результате смешивания цветов получается белый свет. Белые светодиоды определяются цветовой температурой, измеряемой в К.
Рекомендуем Вам также ознакомиться с тем, как работает датчик движения.
Лампы с диодами могут быть разных цветов
Светодиодная плата
Плата предназначена для крепления светодиодов в любом необходимом количестве и положении. Форма платы бывает:
- прямоугольная;
- линейка;
- круглая;
- квадратная;
- звездчатая
- произвольная.
Светодиодная плата изготавливается из диэлектрического материала. Основной функцией ее является теплоотвод.
Виды плат:
- металлические (односторонние, двухсторонние и многослойные);
- изолированные металлические подложки (односторонние, двухсторонние и многослойные, жестко – гибкие).
Платы, изготовленные из алюминия, не нуждаются в вентиляторах для принудительного охлаждения. Все элементы конструкции обретают более продолжительный срок службы за счет отсутствия перегрева.
Дополнительную информацию об история возникновения и принципах функционирования светодиодных элементов смотрите на видео:
Светодиоды это один из новейших источников освещения, имеет широкий спектр применения и большие перспективы. Благодаря соотношению всех параметров светодиодный тип освещения может стать ведущим среди множества осветительных приборов и разнообразных источников света.