Я не дуже люблю формули. Як і будь-яка нормальна людина :) Вони викликають у мене головний біль і бажання кинути що-небудь в стіну. Все життя я намагався триматися від них подалі. І адже виходило. Але ось я зацікавився світлодіодами і зрозумів - нікуди не дінешся. Щоб отримати потрібний результат - потрібно розуміти - як це працює. Потихеньку, по кроками, почав я продиратися крізь нетрі люмен, кд, стерадіан. Поступово в голові почала формуватися якась картинка. А заодно жаль - ну чому нікому це було пояснити простою доступною мовою? Стільки часу даремно ... Спробую вберегти вас від головного болю і максимально доступно пояснити - що таке світлодіод і як він працює . Ну і заодно пару законів оптики розтлумачу :)

Стаття присвячена тим, хто плутається у ВАТ-канделах-люменах-люксах. Та й взагалі в світлодіодах. Написано просунутим чайником для чайників початківців :)

звичайний світлодіод

Як не крути, а доведеться спочатку торкнутися законів звичайного електрики. У наочних прикладах, звичайно :) Всі ми знаємо - що таке 220 вольт - це те, що може як слід стукнути, якщо не дотримуватися запобіжних заходів. Коли ви купуєте електроприлад, наприклад, праска - в паспорті написано, на яку напругу він розрахований. Зазвичай це 220 вольт. Але в цьому ж паспорті ще вказані такі параметри - змінна напруга з частотою 50 герц. Навіщо щось же виробники наполегливо вказують ці параметри для вас?

Візьміть в руки будь-який технічний паспорт на електроприлад і подивіться - там вказано, що напруга живлення повинно бути - ~ 220 вольт, 50 Гц. Давайте розберемося - що це таке. Значок "~" означає, що напруга повинна бути змінним. В автомобільної бортової мережі, наприклад, напруга постійна. І у пальчикової батарейки воно постійне. Різниця проста - у постійної напруги є плюс і мінус - у змінного немає. А чому ні ? Все дуже просто. У мережі з перемінним напругою плюс і мінус постійно міняються місцями. Один і той же контакт - то плюс, то мінус. Як часто ? А ось для цього і існує ще одне значення - 50 Гц.

Що таке Гц? Це одне коливання в секунду. Тобто в нашій домашній мережі плюс змінюється з мінусом п'ятдесят разів в секунду. А тепер - яка практична користь від цих знань, яке це має оношенія до светодиоду?

Давайте розбиратися. Припустимо, у вас в руках лампочка на 220 вольт 100 ватт. Якщо ви її дозволите в електричну мережу - вона засвітиться на всі свої сто ват. А якщо нам не потрібні ці 100 ват? А потрібно, скажімо, 50? У цьому нам допоможе ДИОД.

Якщо розбити слово "світлодіод" на складові, то ми отримаємо "світло" і "діод". Тобто це звичайний діод, який ще й світиться.

Діод - це такий прилад, який найкраще порівняти, наприклад, з клапаном чи ніпелем в колесо. Туди ви можете закачати повітря, а назад - ніпель не пускає. Звичайний діод виглядає як чорний бочонок з двома висновками - плюсом і мінусом. Ось його ми і можемо використовувати для практичних дослідів, які багатьом допомагають закріпити матеріал. Звичайно, небезпечно починати досліди відразу з 220 вольт, але при належної обережності нічого страшного не станеться. Проте, все досліди ви проводите на свій страх і ризик :)

Дивіться по темі: Пристрій і принцип роботи напівпровідникового діода

Нам знадобиться лампочка від холодильника на 220в, 15 Вт. Для неї потрібно знайти відповідний патрон і вивести з нього два дроти. Потім нам знадобиться будь-який діодіодд, який можна добути, наприклад, з будь-якого несправного телевізора або магнітофона. Чим більше він буде розміром - тим краще. Зовсім маленькі брати не треба - 220 вольт все-таки. Біля нього зазвичай є позначення у вигляді трикутника.

Потім нам знадобиться мережевий шнур з вилкою, кілька проводів і паяльник . Для початку просто підключіть лампочку до мережі і запам'ятайте - як вона світиться. Після цього від'єднайте і зберіть ланцюг по схемі зліва.

Не забудьте ретельно заізольовані ізолентою все з'єднання. Включайте в розетку. Як бачите, лампочка світить набагато гірше. Це й не дивно - вона тепер отримує лише половину потрібного їй напруги - другу діод не пускає. Якщо досвід у вас вдався, а діод досить великий - ви тепер можете зробити будь-яку свою лампочку пратіческі вічної.

Наприклад, світить у вас в коридорі лампа на 50 ват і постійно перегорає. Візьміть 100 ватну, включіть її через діод - світити вона буде як 50 ват, зате не буде дмухнути. Є, правда, один нюанс - діод повинен бути розрахований на 220в і струм не менше ампера. Найкраще купити такий в магазині радіодеталей.

Ну, раз ми розібралися з тим, що таке діод, є сенс перейти до цікавить нас темі - светодиоду. У світлодіода, як тепер зрозуміло, теж є плюс і мінус. Тобто для його роботи потрібен джерело постійної напруги - акумулятор, батарейка, блок живлення. На блоці живлення повинно бути вказано, що він видає постійну напругу (DC). Зазвичай на кришці блоку є наклейка такого змісту.

Input - ~ 220V 50HZ,

output - 12v, 0,5 A DC

Це означає, що такий блок може видати постійна напруга 12 вольт і струм 0,5 ампера.

Відзначимо, що зарядний пристрій для стільникових телефонів - це теж блок живлення. Воно зазвичай має параметри 5-6 вольт, 0,2-0,5 А. Найчастіше його дуже зручно використовувати для живлення світлодіодів, тому що зарядний пристрій стабілізує струм. Але про це пізніше, в наступних статтях.

Нам важливі два параметра - робоча напруга світлодіода і струм. Робоча напруга світлодіода називають ще "падінням напруги". По суті, цей термін позначає, що після світлодіода напруга в ланцюзі буде менше на розмір цього самого падіння. Тобто якщо ми подамо харчування на світлодіод, у якого падіння напруги 3 вольта, то він ці три вольта з'їсть, і включеному після нього в цю ж ланцюг приладу дістанеться на 3 вольта менше. Але найголовніше, що потрібно засвоїти - светодиоду важливий струм, а не напруга. Напруги він візьме стільки, скільки йому потрібно, а ось струму - скільки дасте. Тобто якщо ваш джерело живлення може видати 10 ампер - світлодіод буде брати струм, поки не згорить. Логіка тут проста - підключений світлодіод споживає струм і починає грітися. Чим сильніше він гріється - тим більше струму через нього може пройти - він же від нагрівання розширюється. Разом з струмом зростає падіння напруги на діоді. І так поки не згорить зовсім - ток-то ніхто не обмежив. А робити це треба обов'язково, використовуючи обмежує елемент.

Відзначимо, що якщо джерело живлення має вихідну напругу, що дорівнює робочому напрузі світлодіода - ток обмежувати необов'язково. Тобто якщо у вас є, наприклад, білий світлодіод і акумулятор на 3,6 вольт від стільникового телефону - можете прямо до цього акумулятора і підключити - нічого светодиоду не буде. Він і радий би побільше струму хапнути - а напруги не вистачає. Так що акумулятор від стільникового на 3,6 в - ідеальне джерело живлення для експериментів з білими і синіми світлодіодами. Чому тільки з ними - про це в інших статтях.

Загалом, послідовно з світлодіодом нам потрібно поставити такий собі кран і закрутити його на потрібне нам значення. У ролі такого крана можуть виступати різні прилади. Найпростіший з них - резистор.

Оптичні аспекти використання світлодіодів

Припустимо, ми навчилися підключати світлодіод і обмежувати його струм. Постає питання - а наскільки сильно він світить? Тут нам доведеться трохи зануритися в оптику.

У числі властивостей світлодіодів, особливо потужних, часто вказується тип розподілу світла. Зазвичай це так називамие Ламбертовсветодіод. Далі ми її і будемо розглядати як саму розповсюдженими. Що цей термін позначає? "Ламбертовскій" світлодіод світить на всі боки однаково, незалежно від напрямку. Якби світлодіод був кулькою, він би на всі боки світил однаково - ось суть діаграми Ламберта. Щоб було зрозуміло-сонце - це ламбертіановскій джерело.

Стандартна конструкція світлодіода - кристал, тонка пластинка, яка світиться. Подивіться в прозоре віконце світлодіода - і ви цей кристал побачите. До нього йдуть тоненькі дротики контактів. Якщо підключити уяву, то можна уявити світло, що йде від світлодіода, як сферообразних хмара, висить над ним. Світло - це ж маленькі частинки, звані фотонами. Значить, над світлодіодом висить кулька, наповнена фотонами. І чим більше світла випускає світлодіод - тим більше кульку, тим далі летять фотончікі, штовхаючи і витісняючи один одного. Найбільше їх летить вгору перпендикулярно площині кристала, тому максимальна сила світла світлодіодів - 90 градусів відносно площини кристала. Сподіваюся, тепер вам стали більш зрозумілі діаграми, які призводять виробники світлодіодів :) Щоб стали зовсім вже зрозумілі - давайте розглянемо приклад.

Приймемо, що є світлодіод, вгорі якого висить яку випромінює їм світлова сфера діаметром 1 метр (хор-роший світлодіод! :)).

Нижня шкала - це кількість відсотків від цього метра, верхня - градус випромінювання. Відповідно до цієї діаграмою найбільше фотонів - у верхній точці з градусом 0 і дальністю 1 метр. Виглядає дивно, але так і є. Менш дивно це починає виглядати, якщо згадати, що світло - це хвиля, не дарма ж для характеристик вказують довжину хвилі. Відповідно, нашу світлову сферу можна уявити як електромагнітне поле з певною щільністю. Але це вже нетрі - підемо далі :)

Кут половинної яскравості

Виробник зазвичай вказує такий параметр, як подвійний кут половинній яскравості. Що означає цей термін? Як ми з'ясували, максимум світла світлодіод дає в центрі і вгорі, тобто кут дорівнює нулю. Відповідно, чим далі від центру, тим менше світла. Кут половинної яскравості - це коли на "0" градусів світлодіод дає 100 умовних одиниць світла, а, наприклад, на 30 градусах (щодо осі "0") - 50. кут половинній яркостіНа малюнку I - сила світла, Imax - максимальна сила світла. ImaxCos - половина сили світла. Чому "подвійний" - множимо градуси на два, світлодіод ж симетрично світить. У підсумку ми отримуємо симпатичний трикутник світла. За межами цього трикутника теж світло є, у нас же кулька світла, але точка відліку для характеристики світлодіода - це половинний кут.

Кандела

Тепер можна розглянути, що ж таке Кандела. Кандела - це, по старому, "свічка". Пам'ятайте, раніше говорили - люстра або лампа в сто свічок? У колишні часи потрібна була якась точка відліку. Домовилися взяти потрібної товщини свічку, запалити і вважати її еталоном, цим самим Кандела. В наші часи, звичайно, вважають по-іншому. Я не буду детально пояснювати - як, це за рамки статті вже виходить. Просто є одиниця виміру сили світла, і вона називається Кандела. Її основна особливість - застосування для вимірювання сили світла спрямованих джерел. Ось чому для 5 мм світлодіодів значення вказуються в канделах, точніше, мілліканделах (1 cd = 1000 mcd).

Прийшов час розібратися, чим 5 мм світлодіоди або будь-які інші в пластиковому корпусі відрізняються від потужних.

Особливості конструкції індикаторних 5 мм світлодіодів

Як вже говорилося вище, світлодіод - це випромінюючий світло кристал. Розглянемо конструкцію світлодіода в 5 мм пластиковому корпусі. При уважному розгляді ми виявляємо дві важливі речі - лінзу і рефлектор. У рефлекторустройство світлодіода поміщається кристал світлодіода. Цей рефлектор і задає початковий кут розсіювання. Потім світло проходить через корпус з епоксидної смоли. Доходить до лінзи - і тут починає розсіюватися по сторонам на кут, що залежить від конструкції лінзи. На практиці - від 5 до діаграма светодіода160 градусів.

Для позначення сили світла таких світлодіодів як раз і використовується кандела. Світлодіоди з направленим світлом випромінюють світло в деякому тілесному куті. Щоб зрозуміти, що таке тілесний кут, досить уявити наступну картину. Ви берете ліхтарик, включаєте і ставите його в пожежне відро в самий низ, потім закриваєте кришкою. Світло всередині, відповідно, має вигляд конуса по формі нашого відра. Ось цей конус, обмежений кришкою - і є тілесний кут.

Спробую пояснити сенс розподілу світла простіше. Припустимо, сила світла нашого ліхтаря - 1 кандела, то є 1000 мікрокандел (щоб було більше образно, можна вважати мікрокандели фотонами :)) Якщо і далі йти по аналогії, у нас є повне відро мікрокандел. Обсяг відра при бажанні можна обчислити - ласкаво просимо в геометрію :) Відповідно, якщо ми візьмемо відро в два рази більше - мікрокандели рівномірно по ньому розподіляться, тобто більше їх не стане :) У всіх цих пояснення можна знайти відповідь на сакральне питання - скільки треба світлодіодів, щоб замінити стоваттному лампочку. Про це - далі.

Особливості конструкції потужних світлодіодів

На відміну від індикаторних світлодіодів, потужні - це не тільки прилад, але і маркетіновой продукт. На сьогоднішній день між великими виробниками відбувається справжня гонка за люмени - хто більше? І нікого не хвилює, що люмени ці треба ще застосувати. Давайте по порядку.

Основна відмінність потужного світлодіода від індикаторного в чистому вигляді - зведення до мінімуму будь-яких перешкод для виходу світла з корпусу світлодіода. Тому потужні світлодіоди мають ламбертовскую діаграму. До чого це призводить на практиці? Ви включаєте світлодіод і отримуєте симпатичний світловий кульку над ним. І що далі робити? Як їм висвітлити потрібну вам поверхню? Вам доводиться застосовувати різну оптику або рефлектори, що неминуче веде до втрат, а значить і зниження світлового потоку. Тому, якщо, купивши потужний світлодіод, ви не обзавелися хорошою оптикою, причому розрахованої саме на його конструкцію - рано радієте - головний біль ще попереду.

Доставити потрібні вам люмени до поверхні, яку потрібно висвітлити - непросте завдання.

люмен

Як ви вже зрозуміли, кандели для оцінки сили світла потужних світлодіодів не підходять. Для цього існують люмени - це загальна кількість світла, котре може дати світлодіод при підключенні з заданими значеннями струму і напруги. Пам'ятайте аналогію про пожежне відро? Тут вона теж підходить. Будемо вважати, що якщо світлодіод має силу світла 100 люмен - то в нашому відрі буде 100 люмен.

Звичайна електрична лампочка на 100 Вт - це теж ламбертовскій джерело. Середня світловіддача цієї лампочки - 10-15 люмен на ват. Тобто 100 ват лампи розжарювання дадуть нам, скажімо 1000 люмен. Значить, щоб замінити лампу 100 Вт світлодіодами, потрібно 10 шт по 100 люмен. Ось так ось все просто? На жаль ні. Ми підходимо до такого терміну, як ЛЮКС.

люкс

Люкс - це співвідношення кількості люмен і освітлюваної площі. 1 люкс - це 1 люмен на квадратний метр. Припустимо, у нас є квадратна поверхню площею один метр. Вся вона рівномірно освітлена лампочкою, розташованої на деякій відстані прямовисно зверху. Для цієї лампочки виробник заявив освітленість 100 люкс. Беремо прилад, який міряє силу світла і поміряти в будь-якій точці нашої квадрата, ми повинні отримати 100 люмен. Якщо це так - виробник нас не обдурив.

Читайте також по цій темі: Приклади використання світлодіодів