Светодиод на *** ватт
Рынок светодиодов многолик и разнообразен. Прогресс на месте тоже не стоит. Даже специалисты подчас затрудняются с первого раза определить тип и мощность светодиода - чего уж говорить о новичках. С каждым годом производителей становится все больше, каждый из них придумывает свою маркировку и подразделение по типам. Эта статья, возможно, поможет вам разобраться в самых распостраненных типах светодиодов.
- У вас есть светодиоды на сто ватт ?
- Нет, таких светодиодов не бывает...
- Ты, лошара, торгуешь светодиодами и не разбираешься !
Разговор в радиомагазине
Для начала, определимся - что мы называем светодиодом. Светодиод - это полупроводниковый кристалл к корпусе или без корпуса с двумя выводами. Это могут быть проволочные вывода или контактные площадки для поверхностного монтажа. Но их в любом случае должно быть два - плюс и минус. Все, что выглядит иначе - не светодиод, как бы странно это не звучало :) К примеру, светодиодов на 12 вольт не бывает. Бывает светодиод+резистор, даже если и в одном корпусе, либо сборка светодиодных кристаллов.
Ассортимент светодиодов формировался постепенно, поэтому сейчас наблюдается некоторая путаница в понятих, и стоило бы это как-то упорядочить. Но об этом - чуть ниже, а сейчас о типах. Оговорюсь, что слишком подробно рассматривать не будем, есть достаточно информации в цикле "Светодиод для чайников"
Маломощный (индикаторный) светодиод
Самый распостраненный вид светодиодов, встречающийся повсеместно. Диаметр может колебаться от 2 до 20 мм. Слово "индикаторный" к нынешним, даже маломощным, светодиодам можно применить лишь достаточно условно - иные могут запросто засветить вам "зайчика" в глаз. Однако и само слово "индикатор" тоже со временем приняло уродливые формы. Например, мне пришлось заклеить изолентой индикатор сети нового музыкального центра - а то ночью можно читать под ним было, но вот заснуть - увы :)
Типовые параметры белого светодиода : ток 20 мА, напряжение 3,2 В. Таким образом, его мощность составляет 0,06 Вт. Чтобы заменить один мощный 1 Вт светодиод, индикаторных понадобится 20-25 штук.
Также к маломощным относят некоторые типы светодиодов поверхностного монтажа - SMD. Он подсвечивают кнопки в вашем сотовом, экран вашего монитора, если он с LED-подсветкой, из них изготовлены декоративные светодиодные ленты на самоклеющейся основе и многое другое. Есть два наиболее распостраненных типа : SMD 3528 и SMD 5050. Первые содержат такой же кристалл, как и индикаторные светодиоды с выводами, то есть его мощность примерно 0,06 Вт. А вот второй - три таких кристалла, поэтому его нельзя уже называть светодиодом - это светодиодная сборка. Принято называть SMD 5050 светодиодами, однако это не совсем правильно. Это - сборки. Их общая мощность, соответственно, около 0,2 Вт. На этом рассмотрение маломощных диодов можно прекратить - про них и так уже достаточно написано.
Мощный светодиод
В этой сфере царит изрядный винегрет. Попробуем условно разбить его на буквально две категории. Первая - это светодиоды производства американской фирмы CREE. Эта контора, безусловно, заслужила право быть отдельной категорией. Да, да, я знаю, что есть и суперпроизводитель Nichia - родоначальник белого светодиода, есть Osram и еще изрядное количество брэндов. Все они выпускают весьма неплохие мощные светодиоды, однако Кри - это Кри. Есть всякие вкусные шипучки, а есть Кока-Кола ;) Обсуждать тут особенно нечего, светодиоды Cree весьма известны, также известны их характеристики. Поэтому мы их и не будем обсуждать. Отметим только, что светодиоды серий XRE, XPG, XML - это действительно светодиоды. MCE,MX, MPL - многокристальные сборки. К ним применимы основные принципы, которые мы рассмотрим чуть ниже.
Вторая категория - светодиоды noname, а именно - китайского производства. Ни для кого уже не секрет, что за последние пару лет китайцы сильно шагнули вперед в теме полупроводникового освещения. Поэтому покупка китайского мощного светодиода уже не такая лотерея, как два или три года назад. Наличие ebay.com и множества интернет-магазинов сделало китайские светодиоды весьма доступными.
При всех достоинствах "брэндов", у них есть некоторые существенные недостатки. Первый и главный - цена. Китайский светодиод в среднем в два-три раза дешевле своего заокеанского собрата. Второй - гораздо более широкий ассортимент. Особенно это касается светодиодов с различной длиной волны и цветовой температурой.
Третий недостаток, если его можно считать таковым - тип корпуса. Фирма Cree изначально ориентировалась на средних и крупных производителей светодиодной техники. Корпус светодиодов рассчитан на автоматический монтаж, что позволяет производить светодиодные светильники сотнями и тысячами. Но если вы еще не доросли до таких объемов или хотите использовать светодиоды в своих домашних поделках - увы, вас ждут сложности. Светодиоды Cree позволяют использовать ручной монтаж с большими оговорками, ни о какой производительности труда говорить не приходится, да и отвод тепла - серьезная проблема. Единственный выход - приобретение светодиодов на алюминиевой печатной плате, что отнюдь не удешевляет проект.
Львиная доля китайских светодиодов изготавливается в так называемом корпусе "эмиттер". Он несколько архаичен по нынешним временам, но при этом весьма удобен для ручного монтажа, эффективно отводит тепло и позволяет использовать множество типов оптики. Большая медная подложка прощает мелкие огрехи монтажа, линзу из поликарбоната легко очищать от загрязнений в отличии от "фирменной" силиконовой, большие вывода не создают сложностей при пайке.
Самый главный минус китайского светодиода по сравнению с брэндом - скудная техническая документация и отсутствие какого-либо стандарта. Ну и известное головотяпство китайцев. К примеру, у некоторых китайских производителей минус - это плюс. Не поленитесь проверить полярность светодиода, если заказываете первый раз. Давайте попробуем разобраться - можно ли на вид определить качество светодиода и его мощность.
Первое, и самое главное - правильно понимать, что такое мощность светодиода. Существует распостраненное заблуждение, что бывают одноваттные, трехваттные и т.д. светодиоды. Это не совсем так. У каждого светодиода существует понятие - максимальный рабочий ток. Вот он и определяет максимальную мощность светодиода. При этом его фактическая мощность зависит от тока, на который вы его включите. Для типового китайского "эмиттера" максимальный рабочий ток - 700 мА. Это означает, что его максимальная мощность равна произведению напряжения на ток, то есть примерно 3,7 В*0,7А=2,6 ватта. Фактически при продаже часто округляют до трех ватт. К тому же у недорогих кристаллов падение напряжения выше, и на токе 0,7А может достигать 4-4,5 вольт, а это уже полноценные три ватта. Чем меньше падение напряжения на токе 700 мА, тем экономичнее светодиод.
Для того, чтобы светодиод выдержал максимальный ток, необходимо соблюдение следующих условий :
1. Кристалл светодиода не должен содержать дефектов. Другими словами, очень важен производитель светодиодного чипа. 90% китайских производителей закупают чипы в Корее и на Тайване, иногда даже у Cree и других брэндов. Однако китайский светодиод с "брэндовым" чипом - сомнительное приобретение, так как цена ненамного ниже оригинала, а качество все-же не то. Последние два года китайцы начали выращивать свои кристаллы, но пока их качество не на уровне. Основная проблема - их трудно определить, остается уповать на честность поставщика.К сожалению, они получают все большее распостранение благодаря низкой цене.
2. Размер кристалла. Минимальный размер кристалла типового "эмиттера" 35x35 mil. Это чуть меньше 1х1 мм. Обычный размер - 38х38 либо 45х45 mil, то есть несколько больше 1х1 мм. (1 мил = 1/1000 дюйма = 0,0254 мм = 25,4 микрона)
Есть разновидность светодиодов с увеличенным кристаллом. Чем больше размер кристалла, тем выше световой поток, максимальный рабочий ток и максимальная мощность. Соответственно, визуально различить стандартный светодиод и светодиод с увеличенным кристаллом достаточно легко.
Подытоживая, можно сказать, что практически любой однокристальный качественный китайский эмиттер является трехваттным, что, несомненно, будет хорошей новостью для любителей поразгонять кристаллы :) Некоторые экземпляры сносно себя чувствуют при токе до 1500 мА.
Ложку дегтя в эту новость добавляют следующие нюансы :
1. Вам сложно установить качество кристалла, если поставщик неизвестен. Как минимум желательно спросить продавца о том, чьи чипы стоят в светодиодах. Заминка с ответом косвенно может сказать, что продавец плохо разбирается в своем товаре.
2. Часто кристалл залит люминофором так, что его самого и не видно. Это не очень хороший признак. Если люминофора не жалеют - значит он дешевый. К тому же такая заливка может скрывать кристалл меньшего размера. Ко всему прочему, дешевый люминофор способен потемнеть или даже отслоиться на повышенном токе.
3. Неизвестно - из какого материала изготовлены проводники к кристаллу, и какова их толщина. Изначально они изготавливаются из золотой проволоки и должны быть рассчитаны на ток не менее 1000-1500 мА. На практике для удешевления светодиода применяют проволоку меньшей толщины либо из позолоченного серебра, а то и вовсе из меди или других металлов.
4. Неизвестно качество приклейки кристалла к теплоотводящему основанию. Если ток 300-350 мА терпим для большинства "эмиттеров", то 700 мА предъявляют непропорционально повышенные требования к качеству изготовления. Иными словами, при увеличении тока в два раза, требования к качеству приклейки и пайки кристалла к выводам возрастают в четыре раза.
5. Нельзя забывать, что с увеличением рабочего тока падает общая эффективность светодиода. Если на токе 350 мА он, условно говоря, выдаст 100 люмен, то на токе 700 мА - только 160-170, но никак не 200 люмен. И чем выше ток, тем ниже эффективность.
Также на стоимость светодиода влияет биновка по цветовой температуре и отбор по падению напряжения. Если цветовая температура мало влияет на надежность, то большой разброс в падении напряжения при параллельном соединении способен вызвать серьезную разницу в свечении и неравномерность распределения тока. Отсутствие этих операций в технологической цепочке при изготовлении светодиода удешевляет его, но о стабильности характеристик готового изделия говорить не приходится.
Другими словами, использовать ток выше 350 мА при отсутствии внятной информации о происхождении, либо гарантий поставщика, не стоит. Если уж очень хочется - обеспечьте избыточный теплоотвод и проконтролируйте температуру. Все-таки почти в два раза больше света за те же деньги - стоит рискнуть :) На токе 700 мА светодиоду потребуется около 70-80 кв.см площади радиатора. Контролировать температуру лучше всего термопарой на выводе работающего светодиода, подвесив этот вывод в воздухе. Это если есть такая возможность. Если нет - измерять максимально близко к подложке светодиода со стороны радиатора. Температуру выше 70 градусов на радиаторе можно считать критической. На выводе может быть до 75 С. Однако оптимум - до 60 С.
На каком же токе оптимально использовать светодиод ? Это зависит от поставленной задачи. Если задача - создать максимально экономичный источник света - лучше обратить внимание на высокоэффективные светодиоды, выдающие более 120-130 Лм на ватт. При этом эксплуатировать их на токе выше 300 мА не стоит. В итоге вы получите, во-первых, максимум энергоэффективности, во-вторых, светодиод будет вечным при достаточном теплоотводе. Да, такие светодиоды ощутимо дороже своих собратьев с производительностью 100 Лм/ватт. Но при этом в долгосрочной перспективе более дорогие диоды окупятся быстрее. Если же задача максимальной экономии не стоит, вполне можно обойтись 35-38 mil чипами, разогнанными до 600-700 миллиампер. С точки зрения себестоимости готового изделия это ощутимо выгоднее использования высокоэффективных светодиодов.
Напоследок коснусь разницы между мощными однокристальными светодиодами и сборками. Основной недостаток сборок - бОльшая уязвимость по сравнению с однокристаллками. К примеру, светодиод Cree MX3 содержит три кристалла, соединенных параллельно. Как известно, светодиодные кристаллы имеют некоторый технологический разброс. При параллельном подключении один из кристаллов практически всегда будет пропускать через себя бОльший ток и, как следствие, нагрузка на него будет выше. В процессе эксплуатации выход из строя одного кристалла повлечет за собой увеличение тока через оставшиеся два. Эта же особенность делает светодиод более критичным к кратковременным перегрузкам. Следующий минус - точки пайки. Как показала практика, очень часто светодиод выходит из строя вследствие потери контакта с кристаллом из-за многократных циклов нагрева-остывания. Соответственно, если мощный светодиод содержит три кристалла - вероятность выхода из строя по этой причине возрастает в три раза. Тем не менее, разница в цене зачастую компенсирует этот недостаток. Также к преимуществам можно отнести уменьшение "точечного эффекта".
Хотелось бы отметить, что китайские производители часто хитрят при продаже мощных светодиодных сборок (матриц). Первая из основных хитростей - заявление более высокого рабочего тока. К примеру, если матрица содержит 9 кристаллов 38 mil, включенных по схеме три последовательно-три параллельно, типовым считается ток 300 мА*3=900 мА, а мощность матрицы, соответственно, около 10 Вт. Предприимчивый производитель (продавец) заявляет ток 600*3=1800 мА и вуаля - матрица становится 20-ваттной ! И формально вроде никаких проблем - 35-38 mil кристалл, по идее, выдерживает такой ток без особых последствий. Но 9 таких кристаллов, собранных на единой подложке, могут дать непредсказуемый результат и по нагреву, и по деградации (необратимому уменьшению светового потока в процессе эксплуатации).
Вторая хитрость - установка в матрицу кристаллов менее 35-38 mil. Это делает матрицу дешевле, но отнюдь не лучше.
Ну и третья хитрость - совмещение двух предыдущих. Дает фантастические результаты при фантастически низкой цене :)
Таким образом, при покупке следует убедиться в том, что вам не подсовывают плоды деятельности таких хитрых предпринимателей.
Стоимость китайских светодиодов вполне располагает к попыткам выжать из них больше, чем заявлено. Если вы решились на этот шаг и разогнали свои "светики" - не поленитесь проконтролировать их визуально после пары недель работы. Если они выглядят также, как и при монтаже - есть надежда, что они себя хорошо чувствуют. Если же вокруг кристалла образовалось темное пятно - значит, тепло отводится от светодиода недостаточно эффективно. Думайте над конструкцией радиатора.
Юрий Рубан, 2011 г.