Якими бувають світлодіоди?

Практично уся найсучасніша техніка використовує світлодіоди того чи іншого типу. Вони зустрічаються у чайниках та кавомолках, телевізорах та холодильниках, пральних машинах, ліхтариках, комп'ютерах, смартфонах та навіть автомобілях. Ну і, звичайно, помітна частина сфери штучного освітлення також побудована на LED-елементах. Сьогодні ми розглянемо, якими бувають світлодіоди, як їхня будова впливає на технічні характеристики та чому вони стали настільки популярні у останні роки.

У перший час після винаходу напівпровідників області їх застосування були окреслені досить строго, однак сьогодні усе перемішалося. У сучасних пристроях цілком можуть застосовуватися вироби різних типів та класів для різнорідних завдань, а їхній поділ за форм-фактором, яскравістю та потужністю, класом та призначенням вважається досить умовним. Окрім того, не варто забувати, що кожен виробник такої продукції створює свою номенклатуру, об'єднуючи вироби у групи за важливими саме для нього ознаками.

Різноманітність світлодіодів

Технічний прогрес не стоїть на місці, й розробка принципово нових світлодіодів триває в усьому світі. Якщо ще п'ять років тому виділяли дві максимально великі категорії напівпровідникових елементів, то сьогодні їх вже три – і мова йде лише про ті, які почали вироблятися у промислових масштабах. Вважається, що до 2025-того року буде винайдено ще не менше двох типів принципово відмінних світлодіодів, які, цілком можливо, будуть перехідною ланкою, таким собі дороговказом на яке-небудь наступне, більш прогресивне джерело світла.

Отже, зараз усе різноманіття світлодіодів поділяють на наступні великі групи:

• освітлювальні – встановлюються у LED-лампочках, спалахах фотоапаратів та світлодіодних світильниках;
• індикаторні – монтуються у різну побутову техніку та органи управління (пульти, контролери, датчики);
• лазерні – використовуються у комп'ютерних мишках, оптичних приводах для читання дисків, лініях інформаційного зв'язку та для вирішення різних медичних завдань.

Розглянемо їх усі докладніше.

Освітлювальні світлодіоди

Почнемо з освітлювальних світлодіодів. Серед них виділяють чотири підкласи, які відрізняються між собою конструкцією та принципом поширення світлового потоку: SMD, COB, LED-filament та PCB STAR.

1. Світлодіоди типу SMD отримали свою назву від скорочення «Surface Mount Technology» – тобто, технологія монтажу на поверхню. Такі елементи використовуються у світлодіодних стрічках та лампочках на напівпровідниках. Перевагою встановлення світловипромінювального елемента просто на поверхню гнучкої або жорсткої плати є гарні кути розльоту променів, ефективний тепловідвід від працюючого світлодіода, невеликі розміри, а також можливість монтажу на виробництві без застосування надто дорогої роботизованої техніки. Окрім того, SMD-елементи відрізняються високою економічністю у роботі та тривалим терміном служби. Для освітлювальної сфери вирішальним фактором є той факт, що світлодіоди розглянутого типу здатні випромінювати не тільки біле світіння з різною колірною температурою, але й забезпечувати багатоколірну гаму.
2. COB-світлодіоди – більш новий винахід, який знайшов основну сферу застосування у потужних світлових установках та прожекторах. Абревіатура COB розшифровується як «Chip-On-Board», що означає «чіп на платі». По суті, це технологія розміщення світлодіодів на загальній поверхні матричним способом у декілька рядів. Відмінність від SMD полягає у тому, що весь набір елементів після монтажу заливається єдиним шаром люмінофора. Сильна сторона COB-світлодіодів – висока яскравість при розсіюванні променів у межах до 170°. У побуті освітлювальні прилади з такими діодами не застосовуються, оскільки їхнє світло досить неприємне для життя та роботи, проте воно вкрай ефективне на відкритих просторах.
3. Про технологію LED-filament ми вже писали у зовсім недавно у окремій статті. Станом на сьогодні, вона застосовується при виробництві філаментних лампочок, які поки що знайшли свою нішу тільки у освітленні. Навіть сама сутність концепції filament істотно обмежує сферу використання діодів – імітація нитки розжарювання є виключно декоративною й навряд чи її вдасться успішно задіяти у інших областях. Єдиною безперечною перевагою залишається лише висока енергоефективність виробів на основі filament-технології та відмінний світловий потік. ККД філаментної лампи буде вище не тільки за показники лампочки розжарювання, але навіть за результати роботи виробів на основі SMD-світлодіодів. Цікаво, що насправді філаментні нитки є прямими нащадками COB-світлодіодів. Свого часу від останньої відщепилася технологія COG – «Chip-On-Glass», тобто, «чіп на склі», яка й полягла до основи filament-моделей. Однак на сьогоднішній день, після ряду технічних вдосконалень та трансформацій її цілком можна вважати самостійним типом.
4. PCB STAR чомусь дуже часто взагалі забувають включити до загальної класифікації освітлювальних світлодіодів, хоча ця категорія не є ані занадто технічно простою, ані занадто маленькою за внутрішньою номенклатурою. Походження назви наступне: PCB розшифровується як «Printed Circuit Board», тобто, друкована електрична плата, а слово STAR вказує на форму виробу – зірочка. Конструктивно світлодіод складається усього лише з одного великого кристала, по суті, змонтованого на плату за технологією SMD. Фактична відмінність даної технології у тому, що джерело світла на основі PCB STAR відмінно піддається фокусуванню, адже одним великим елементом керувати набагато простіше, аніж групою дрібних. Типова сфера застосування цих діодів – потужні ручні ліхтарики, прожектори, настінні світильники для сфери ЖКГ та ін.

Індикаторні світлодіоди

На черзі індикаторні світлодіоди. До них відносять вироби, виготовлені за технологією DIP, Straw Hat, Super Flux «Piranha», а також вже розглянуті нами раніше SMD-моделі. Тут відмінності між категоріями часом менш чіткі, проте зважаючи на певні технічні параметри кожна з них має переважну сферу застосування та постійно вдосконалюється у потрібний бік, віддаляючись від загальних витоків.

1. DIP-вироби втілюють собою саме те, що люди, які мало цікавляться електронікою, часто уявляють собі при слові «світлодіод». Абревіатуру DIP можна розшифрувати як «Direct In-line Package». Вони являють собою одиничний елемент з двома або трьома контактними ніжками та виносним корпусом-лінзою, де розміщується світловипромінювальний кристал. Ці моделі були першими світлодіодами, які стали масово випускати у ХХ-тому столітті. Палітра доступних кольорів максимально широка, що й робить цей тип особливим: окрім видимого діапазону DIP-діоди здатні випромінювати у інфрачервоному й ультрафіолетовому спектрі. Остання обставина якраз і зумовлює те, що їх часто використовують у пультах для телевізорів, різних ресіверах для дистанційного керування та ін. У одному корпусі таких виробів цілком може знаходитися декілька кристалів різного кольору, що дозволяє забезпечити поліхромне світіння. У лампочках чи світильниках такі вироби можуть використовуватися хіба що у якості індикатора наявності живлення на приладі. Серед недоліків DIP-технології можна назвати тільки малі кути розсіювання – зазвичай вони складають не більше 60° або навіть менше. На сьогоднішній день їхня популярність помірна, однак такі діоди усе ж застосовують досить часто навіть великі компанії. Типові приклади – різні датчики та контрольно-вимірювальні прилади, ялинкові гірлянди, світлові табло, панелі управління обладнанням на підприємствах. Особливо цікавим є той факт, що деякі моделі цього типу з добре збалансованою формою корпусу, якісної лінзою та прозорістю здатні забезпечити світловий потік у півтора-два рази вищий, аніж використовувані для освітлення SMD-світлодіоди.
2. Словосполучення Straw Hat перекладається на українську як «солом'яний капелюх». Вироби отримали свою назву через декотру зовнішню схожість зі згаданим головним убором, хоча з тим же успіхом вони могли б називатися «військовою каскою» або «казанком». Форма світлодіода у цілому схожа на DIP-вироби: це циліндричні елементи з двома контактними ніжками та корпусом-розсіювачем, який плавно закруглюється вгорі. Діаметр лінзи більший, аніж у попередніх моделей, а сама вона часто повністю прозора. Світловипромінювальний кристал розміщений не по центру корпусу, а ближче до його торцевої округлої стінки, що дозволяє домогтися кута розльоту променів порядку 120-140°. Найчастіше світлодіоди типу Straw Hat випускають тільки у п'яти базових кольорах: білому, жовтому, червоному, зеленому та синьому. Сфера застосування таких виробів практично не обмежена: їх можна побачити й у датчиках, й у світлових гірляндах, й у побутових електроприладах. Іноді такі моделі замінюють навіть світлодіодні лампочки аварійного освітлення, оскільки здатні формувати потрібну рівномірність світлової картини та мають знижене енергоспоживання.
3. Світлодіоди Super Flux «Piranha» є одними з найбільш просунутих на ринку. У самій назві зашифровано, що це надзвичайно яскраві моделі, які передбачають не тільки відмінне розсіювання світла, але й надійну фіксацію на платі. Конструктивно вони являють собою невеликий майданчик зі сферичною лінзою-корпусом та мають цілих чотири лапки-контакти. Такі моделі зазвичай випускаються у шести кольорах: стандартні червоний, зелений, синій, а також холодний, теплий та нейтральний білий, проте часом можуть зустрітися й комбіновані з фіолетовим, помаранчевим або будь-яким іншим світінням. Сфера застосування діодів «Піранья» є досить обширно – з них роблять панелі індикації у літаках та на підприємствах, встановлюють у автомобілі у якості габаритних вогнів та приладів денного ходового світла, підсвічують рекламні вивіски, використовують у вуличних декоративних світильниках або просто прикрашають ними будь-які об'єкти, які знаходяться на відкритому повітрі.

Лазерні світлодіоди

Нарешті, необхідно сказати декілька слів й про лазерні моделі. Незважаючи на те, що їх відносять до даної групи світловипромінюючих елементів, вони не у повній мірі є світлодіодами. Фізично такі об'єкти є спеціальним чином підготовленими напівпровідниковими кристалами, які здатні формувати вузькоспрямований пучок світла під впливом електричного струму. Кут звичайних виробів становить 5-7° або 7-10°, а діапазон світіння може виходити за межі видимого спектру – як у інфрачервону, так і у ультрафіолетову область.

Будова та принцип роботи лазерних моделей такий: у межах їхнього маленького корпусу вміщується не тільки напівпровідник, але й два дзеркальних елемента, розташованих по обидва боки діода. Перше дзеркало має звичайні властивості, а друге – напівпрозоре, що робить його фактично двостороннім. При подачі струму лазерний діод починає роботу як звичайний LED-елемент та видає вельми посередній світловий потік. Однак при досягненні певної граничної потужності у навколишній простір починає вивільнятися світло з довжиною хвилі, яка дозволяє променям пройти через дзеркала так, як слід. У результаті фактичний світловий потік багаторазово зростає. Залежно від моделі, таке світло можна по-різному забарвити та навіть сфокусувати у пучок з кутами розльоту променів, що не перевищують 1-2°.

На сьогоднішній день лазерні світлодіоди ще не зуміли перебудувати таким чином, щоб їх можна було використовувати у лампочках для світильників та люстр, однак експерти стверджують, що саме ці моделі, швидше за усе, стануть прабатьками освітлювальних приладів нового покоління. Прогнозується, що вони будуть неймовірно яскравими при мізерному споживанні електроенергії. Чи так це, поки нікому не відомо, а тому людству залишається тільки чекати.