Здравствуйте! Уже давно в нашу жизнь ворвались светодиоды. Они использовались и раньше, но были очень малой световой мощности и в основном применялись для индикации. Сейчас же это довольно перспективная и широкая линейка продукции, позволяющая не только экономить на электричестве, но и очень сильно помогать в преображении дизайна. В этой статье я расскажу о том, что такое светодиод и массу полезных советов, как продлить им жизнь, особенно, если вы сами что-то пытаетесь из них собрать.

Управление светодиодами

Ну что ж, начну потихоньку удивлять. Мы все привыкли к тому, что бóльшая часть электроприборов работает от напряжения. У светодиодов несколько другой принцип работы. Для них более важен ток, нежели напряжение. А исходя из закона Ома, регулировать ток мы можем напряжением. И здесь мы подходим к одной важной вещи. Самый идеальный вариант для светодиода, когда мы стабилизируем не напряжение, а ток. А тут мы подходим к такой важной вещи, как зависимость срока службы светодиода.

Срок службы светодиодов

А вся загвоздка в том, что небольшая перегрузка, как и недогрузка способны сильно сократить или увеличить, соответственно, срок службы светодиода. А чтобы понять эту особенность, надо рассмотреть конструкцию светодиода. На картинке вы видите, что непосредственно элемент, который преобразует электрическую энергию в световую очень маленький по размерам. При этом надо понимать, что ток, совершающий работу, нагревает металл. Собственно, свет, который мы видим, это и есть следствие разогрева металла до такой температуры, что метал начинает светиться. Стандартный срок службы светодиода от 30000 до 70000 часов (в зависимости от производителя и применяемых материалов). Конструкция светодиодов рассчитана таким образом, что тепло, вырабатываемое им, успевает рассеяться. Ну а дальше простая логика. Если мы снижаем ток, т.е. недогружаем светодиод, температура кристалла ниже расчётной и срок службы увеличивается, но вместе с тем снижается и яркость. И наоборот, если перегружаем светодиод, яркость свечения и износ кристалла увеличивается вследствие перегрева. И хотя яркость свечения увеличивается или уменьшается, говорить об ощутимой разнице не приходится. Можно сделать вывод, что немного недогрузив светодиод мы значительно увеличим срок службы при небольшой потере яркости.

Цвета светодиодов

В настоящее время цветовая гамма очень богатая, но при всем разнообразии, пока не удалось получить светодиод белого цвета. И для получения белого цвета применяется ультрафиолетовый кристалл с люминофором или три кристалла (красный, зеленый и синий), сумма цветов которых, через специальную согласующую линзу даёт белый свет, или подобный результат дают различные комбинации цветных светодиодов с люминофором. А это еще один момент, который объясняет сокращение срока службы — от увеличенного нагрева люминофор выгорает гораздо быстрее самого кристалла и у светодиода либо происходит смещение цветовой температуры или спектр смещается в ультрафиолетовый, плюс износ кристалла и, в результате, необратимое снижение яркости.

Вольт-амперная характеристика светодиодов

Конечно, для каждого типа светодиода своя характеристика, но в целом она более или менее для всех одинаковая. Если внимательно посмотрите, то увидите, что свечение начинает появляться при напряжении примерно 2,4 вольта, оптимальный режим работы при напряжении 3,1-3,2 вольта, а при напряжении 3,3-3,4 вольта получаем перегрузку аж 50%!!! В то время, как при напряжении 2,7-2,8 вольта получаем недогрузку в 50%. Теперь произведем несложный расчет. Отправная точка рабочее напряжение 3,2 вольта. Вычитаем 2,7 вольта и получаем разницу 0,5 вольт (50% недогрузки) или добавляем 0,1-0,2 вольта и получаем перегрузку в 50%. Отсюда делаем вывод: если рабочее напряжение понизить на 0,1 вольта, яркость снизится ненамного, но срок службы увеличивается, а если увеличить на 0,1 вольта то получаем очень серьезную перегрузку и очень сильное сокращение срока службы.

Зависимость тока светодиода от нагрева

Ещё одна особенность светодиода заключается в следующем… Предположим, мы имеем светодиод рассчитанный на работу 3 вольта. Допустим, что у нас имеется стабилизированный источник напряжения на 3 вольта. Но беда в том, что сопротивление светодиода нелинейное, то есть, не поддаётся простому закону Ома. А если ещё точнее, сопротивление светодиода зависит не только от приложенного напряжения, но и от температуры кристалла. И чем температура выше, тем меньше сопротивление светодиода, а чем оно меньше, тем больше ток.  А, как вы уже могли понять, именно величина тока влияет на срок службы светодиода. Что ещё раз говорит о том, что для светодиода величина тока гораздо важнее, чем величина напряжения.

Инертность светодиодов

Светодиод практически не имеет инерции, то есть он мгновенно реагирует на изменение напряжения, мгновенно загорается и так же мгновенно гаснет. Это подводит нас к ещё одному выводу — даже быстрый импульс (скачок напряжения) способен очень сильно перегрузить светодиод и даже привести к перегоранию светодиода. Один такой импульс может стоить светодиоду нескольких лет «жизни».

Диммирование светодиодов

Казалось бы, что проще, снизить напряжение, за счёт чего уменьшится ток, что приведет к потере яркости, но так лучше не делать. Другими словами, вреда для светодиода в этом нет, но в таком методе очень трудно добиться стабильности на малых напряжениях. Несмотря на внешнюю похожесть светодиодов, технологический процесс имеет свои погрешности. Вольт-амперная характеристика, которую вы видели выше стандартизирована (усреднена). Каждый светодиод имеет уникальную характеристику. Поэтому для диммирования светодиодов лучше применять ШИМ-контроллеры. Вдаваться в подробности работы ШИМ-контроллера не буду. Достаточно лишь понять принцип. Постоянный ток преобразуется в пульсирующий с большой частотой. Чем больше импульсов будет обрезано, тем меньше получит светодиод энергии, но импульсы, которые он будет получать, будут номинального напряжения, то есть в любом случае будут вызывать свечение светодиода. Я говорил, что светодиод ПРАКТИЧЕСКИ не имеет инерции, но она у него есть, просто значительно меньше, чем, к примеру, у лампы накаливания. За счёт инерции (светодиод не успевает «раскалиться» до нужной температуры) и происходит регулировка яркости с помощью ШИМ-контроллера. А если совсем просто, то 100% импульсов дают 100% света. 50% импульсов дадут 50% света, но из-за высокой частоты мерцания мы увидим лишь что света стало меньше, сами пульсации глазу будут незаметны.

Обратное напряжение светодиода

Светодиод мало чем отличается от обычного диода, за исключением того, что светодиод ещё и светится. То есть, светодиод пропускает ток только в одном направлении. Но есть и обратная сторона медали, которую надо учитывать при работе светодиода на переменном напряжении. На графике видно, что прохождение тока в прямом направлении более или менее плавное и больше напоминает параболу. Но при обратном напряжении ток растёт очень медленно, пока не достигает какого-то критического значения, а дальше происходит пробой p-n перехода и лавинообразное увеличение тока. Как говорят медики в этом случае — пациент получает повреждения несовместимые с жизнью. Другими словами, светодиод может выдержать кратковременную перегрузку в прямом направлении, но тут же сгорит при перегрузке в обратном направлении. Об этом параметре надо помнить, если использовать светодиод в переменном напряжении.

Подведём итоги

К светодиоду нельзя относиться, как к обычной лампочке. Яркость светодиода можно регулировать и довольно в широких пределах, но делать это лучше от минимума до нормы и забыть про регулировку за пределами нормы. Значительного увеличения яркости вы не получите, но срок службы снизится. Питание светодиодов можно организовать стабилизированным напряжением или стабилизированным током. Стабилизация напряжения довольно грубый метод, поскольку не учитывает особенности светодиодов, у которых при нагреве уменьшается сопротивление и возрастает ток. Поэтому есть смысл предпочесть питание при помощи стабилизированного тока. Это наиболее предпочтительная схема, поскольку в данном случае практически исключена возможность перегрузки светодиода. Ну и закончим на том, что светодиод лучше немного недогрузить с небольшой потерей яркости и значительно увеличить срок службы, чем наоборот. Причём, уменьшение на 0,1 вольта не страшно, гораздо страшнее увеличение на 0,1 вольта. Но регулировать яркость лучше не банальным снижением напряжения, а применять ШИМ-контроллер.

Ну а на этом обзор особенностей работы светодиода я закончу. В следующих статьях будем знакомиться с различными схемами включения светодиодов и светодиодных лент.

С наилучшими пожеланиями, Я!