Какими бывают светодиоды?

Практически вся наиболее современная техника использует светодиоды того или иного типа. Они встречаются в чайниках и кофемолках, телевизорах и холодильниках, стиральных машинах, фонариках, компьютерах, смартфонах и даже автомобилях. Ну и, конечно, заметная часть сферы искусственного освещения также построена на LED-элементах. Сегодня мы рассмотрим, какими бывают светодиоды, как их строение влияет на технические характеристики и почему они стали столь популярны в последние годы.

В первое время после изобретения полупроводников области их применения были очерчены довольно строго, однако сегодня всё перемешалось. В современных устройствах вполне могут применяться изделия разных типов и классов для разнородных задач, а их разделение по форм-фактору, яркости и мощности, классу и назначению считается весьма условным. Кроме того, не стоит забывать, что каждый производитель такой продукции создаёт свою номенклатуру, объединяя изделия в группы по важным именно для него признакам.

Разнообразие светодиодов

Технический прогресс не стоит на месте, и разработка принципиально новых светодиодов продолжается во всём мире. Если ещё пять лет назад выделяли две максимально большие категории полупроводниковых элементов, то сегодня их уже три – и речь идёт лишь о тех, которые начали производиться в промышленных масштабах. Считается, что к 2025-тому году будет изобретено ещё не менее двух типов принципиально отличающихся светодиодов, которые, вполне возможно, будут переходным звеном, неким указателем на какой-нибудь следующий, более прогрессивный источник света.

Итак, сейчас всё многообразие светодиодов делят на следующие крупные группы:

• осветительные – устанавливаются в LED-лампочках, вспышках фотоаппаратов и светодиодных светильниках;
• индикаторные – монтируются в разную бытовую технику и органы управления (пульты, контроллеры, датчики);
• лазерные – используются в компьютерных мышках, оптических приводах для чтения дисков, линиях информационной связи и для решения разных медицинских задач.

Рассмотрим их все подробнее.

Осветительные светодиоды

Начнём с осветительных светодиодов. Среди них выделяют четыре подкласса, отличающихся между собой конструкцией и принципом распространения светового потока: SMD, COB, LED-filament и PCB STAR.

1. Светодиоды типа SMD получили своё название от сокращения «Surface Mount Technology» – то есть, технология монтажа на поверхность. Такие элементы используются в светодиодных лентах и лампочках на полупроводниках. Преимуществом установки светоизлучающего элемента прямо на поверхность гибкой или жёсткой платы являются хорошие углы разлёта лучей, эффективный теплоотвод от работающего светодиода, небольшие размеры, а также возможность монтажа на производстве без применения чересчур дорогостоящей роботизированной техники. Кроме того, SMD-элементы отличаются высокой экономичностью в работе и длительным сроком службы. Для осветительной сферы решающим фактором является тот факт, что светодиоды рассматриваемого типа способны излучать не только белое свечение с разной цветовой температурой, но и обеспечивать многоцветную гамму.
2. COB-светодиоды – более новое изобретение, которое обрело основную сферу применения в мощных световых установках и прожекторах. Аббревиатура COB расшифровывается как «Chip-On-Board», что означает «чип на плате». В сущности, это технология размещения светодиодов на общей поверхности матричным способом в несколько рядов. Отличие от SMD состоит в том, что весь набор элементов после монтажа заливается единым слоем люминофора. Сильная сторона COB-светодиодов – высокая яркость при рассеивании лучей в пределах до 170°. В быту осветительные приборы с такими диодами не применяются, поскольку их свет довольно неприятен для жизни и работы, однако он крайне эффективен на открытых пространствах.
3. О технологии LED-filament мы уже писали в совсем недавно в отдельной статье. По состоянию на сегодня, она применяется при производстве филаментных лампочек, которые пока что нашли свою нишу только в освещении. Даже сама сущность концепции filament существенно ограничивает сферу использования диодов – имитация нити накаливания является исключительно декоративной и вряд ли её удастся успешно задействовать в других областях. Единственным несомненным преимуществом остаётся лишь высокая энергоэффективность изделий на основе filament-технологии и отличный световой поток. КПД филаментной лампы будет выше не только показателей лампочки накаливания, но даже результатов работы изделий на основе SMD-светодиодов. Любопытно, что на самом деле филаментные нити являются прямыми потомками COB-светодиодов. В своё время от последней отщепилась технология COG – «Chip-On-Glass», то есть, «чип на стекле», которая и легла в основу filament-моделей. Однако на сегодняшний день, после ряда технических совершенствований и трансформаций её вполне можно считать самостоятельным типом.
4. PCB STAR почему-то очень часто вообще забывают включить в общую классификацию осветительных светодиодов, хотя эта категория не является ни чересчур технически простой, ни слишком маленькой по внутренней номенклатуре. Происхождение названия следующее: PCBрасшифровывается как «PrintedCircuitBoard», то есть, печатная электрическая плата, а слово STAR указывает на форму изделия – звёздочка. Конструктивно светодиод состоит всего лишь из одного крупного кристалла, в сущности, смонтированного на плату по технологии SMD. Фактическое отличие данной технологии в том, что источник света на основе PCB STAR отлично поддаётся фокусировке, ведь одним большим элементом управлять гораздо проще, чем группой мелких. Типичная сфера применения этих диодов – мощные ручные фонарики, прожекторы, настенные светильники для сферы ЖКХ и пр.

Индикаторные светодиоды

На очереди индикаторные светодиоды. К ним относят изделия, изготовленные по технологии DIP, Straw Hat, Super Flux «Piranha», а также уже рассмотренные нами ранее SMD-модели. Здесь отличия между категориями порой менее чётки, однако ввиду определённых технических параметров каждая из них имеет преимущественную сферу применения и постоянно совершенствуется в нужную сторону, отдаляясь от общих истоков.

1. DIP-изделия воплощают собой именно то, что мало интересующиеся электроникой люди зачастую представляют себе при слове «светодиод». Аббревиатуру DIP можно расшифровать как «Direct In-line Package». Они представляют собой единичный элемент с двумя или тремя контактными ножками и выносным корпусом-линзой, где размещается светоизлучающий кристалл. Эти модели были первыми светодиодами, которые стали массово выпускать в ХХ-том веке. Палитра доступных цветов максимально широка, что и делает этот тип особенным: кроме видимого диапазона DIP-диоды способны излучать в инфракрасном и ультрафиолетовом спектре. Последнее обстоятельство как раз и обуславливает то, что их зачастую используют в пультах для телевизоров, различных ресиверах для дистанционного управления и пр. В одном корпусе таких изделий вполне может находиться несколько кристаллов разного цвета, что позволяет обеспечить полихромное свечение. В лампочках или светильниках такие изделия могут использоваться разве что в качестве индикатора наличия питания на приборе. Среди недостатков DIP-технологии можно назвать только малые углы рассеивания – обычно они составляют не более 60° или даже менее. На сегодняшний день их популярность умерена, однако такие диоды всё же применяют довольно часто даже крупные компании. Типичные примеры – различные датчики и контрольно-измерительные приборы, ёлочные гирлянды, световые табло, панели управления оборудованием на предприятиях. Особо интересен тот факт, что некоторые модели этого типа с хорошо сбалансированной формой корпуса, качественной линзой и прозрачностью способны обеспечить световой поток в полтора-два раза выше, чем используемые для освещения SMD-светодиоды.
2. Словосочетание Straw Hat переводится на русский как «соломенная шляпа». Изделия получили своё название из-за некоторого внешнего сходства с упомянутым головным убором, хотя с тем же успехом они могли бы называться «военной каской» или «котелком». Форма светодиода в целом похожа на DIP-изделия: это цилиндрические элементы с двумя контактными ножками и плавно закругляющимся вверху корпусом-рассеивателем. Диаметр линзы больше, чем у предыдущих моделей, а сама она зачастую полностью прозрачна. Светоизлучающий кристалл размещён не по центру корпуса, а ближе к его торцевой округлой стенке, что позволяет добиться угла разлёта лучей порядка 120-140°. Зачастую светодиоды типа Straw Hat выпускают только в пяти базовых цветах: белом, жёлтом, красном, зелёном и синем. Сфера применения таких изделий практически не ограничена: их можно увидеть и в датчиках, и в световых гирляндах, и в бытовых электроприборах. Иногда такие модели заменяют даже светодиодные лампочки аварийного освещения, поскольку способны формировать нужную равномерность световой картины и имеют пониженное энергопотребление.
3. Светодиоды Super Flux «Piranha» являются одними из самых продвинутых на рынке. В самом названии зашифровано, что это сверхъяркие модели, предусматривающие не только отличное рассеивание света, но и надёжную фиксацию на плате. Конструктивно они представляют собой небольшую площадку со сферической линзой-корпусом и имеют целых четыре лапки-контакта. Такие модели обычно выпускаются в шести цветах: стандартные красный, зелёный, синий, а также холодный, тёплый и нейтральный белый, однако порой могут встретиться и комбинированные с фиолетовым, оранжевым или любым другим свечением. Сфера применения диодов «Пиранья» довольно обширна – из них делают панели индикации в самолётах и на предприятиях, устанавливают в автомобили в качестве габаритных огней и приборов дневного ходового света, подсвечивают рекламные вывески, используют в уличных декоративных светильниках или просто украшают ими любые стоящие на открытом воздухе объекты.

Лазерные светодиоды

Наконец, необходимо сказать несколько слов и о лазерных моделях. Несмотря на то, что их относят к рассматриваемой группе светоизлучающих элементов, они не в полной мере являются светодиодами. Физически такие объекты представляют собой специальным образом подготовленные полупроводниковые кристаллы, которые способны формировать узконаправленный пучок света под воздействием электрического тока. Угол рассеивания обычных изделий составляет 5-7° или 7-10°, а диапазон свечения может выходить за границы видимого спектра – как в инфракрасную, так и в ультрафиолетовую область.

Устройство и принцип работы лазерных моделей таков: в пределах их маленького корпуса умещается не только полупроводник, но и два зеркальных элемента, расположенные по обе стороны диода. Первое зеркало обладает обычными свойствами, а второе – полупрозрачно, что делает его фактически двухсторонним. При подаче тока лазерный диод начинает работу как обычный LED-элемент и выдаёт весьма посредственный световой поток. Однако при достижении определённой предельной мощности в окружающее пространство начинает высвобождаться свет с длиной волны, которая позволяет лучам пройти через зеркала требуемым образом. В результате фактический световой поток многократно возрастает. В зависимости от модели, такой свет можно по-разному окрасить и даже сфокусировать в пучок с углами разлёта лучей, не превышающими 1-2°.

На сегодняшний день лазерные светодиоды ещё не сумели перестроить таким образом, чтобы их можно было использовать в лампочках для светильников и люстр, однако эксперты утверждают, что именно эти модели, скорее всего, станут прародителями осветительных приборов нового поколения. Прогнозируется, что они будут невероятно яркими при мизерном потреблении электроэнергии. Так ли это, пока никому не известно, а потому человечеству остаётся только ждать.