ЯРКОСТЬ СВЕТОДИОДА
ЯРКОСТЬ СВЕТОДИОДА
Что больше всего интересует потребителя при выборе светодиодов для ламп и других осветительных устройств — не ток потребления, не размеры и даже не срок службы, а яркость. Как известно яркость — обозначается буквой L, это световая величина, равная отношению светового потока d2 к геометрическому фактору ddAcos : L = d2/ddAcos. Где d — заполненный излучением телесный угол, dA — площадь участка, испускающего излучение, или угол между перпендикуляром к этому участку и направлением излучения. Другими словами яркость, это сотношение силы света I элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению: формула L = dI/dA cos . Также яркость можно сформулировать и четез отношение освещённости Е в точке плоскости, перпендикулярной направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключён поток, создающий эту освещённость: формула L = dE/dcos. Яркость измеряют в канделлах на метр в минус второй степени: кд·м-2. Яркость, непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещённость изображения предмета на сетчатке глаза пропорциональна яркостям этого предмета.
Что касается конкретно яркости светодиодов, то она представляет собой суммарную мощность, выделившуюся в виде света — излучающая энергия или излучающий поток, и измеряется она в ваттах. Но насколько ярким окажется объект, будет зависеть и от дополнительных факторов: сколько излучаемого потока выпущено в направлении наблюдателя и насколько чувствителен наблюдатель к длине волны света.
Здесь мы введём понятие стерадиан — телесный угол, твердых объёмных углов. Проще говоря конус с вершиной в источнике света. Если поток излучения источника — светодиода или лампы, одинаковый во всех направлениях, интенсивность излучения будет равна общему потоку излучения, разделенному на 12,57 стерадиан, пространственный угол полной сферы. В светодиодах, излучающий поток концентрируется в луче, а интенсивность излучения будет равна излучающему потоку, поделенному на пространственный угол луча. Ширина углов обычно обозначается в градусах, а интенсивность излучения обычно выражается в милливаттах на стерадиан мВт / ср., что вызывает необходимость перевода угла луча в стерадианы: sr = 2 π (1 — cos(θ/2)), где sr — телесный угол, в стерадианах, и θ — это угол луча.
Световой поток измеряется в люменах, а сила света измеряется в люменах на стерадиан и названная канделой. Отношения между световым потоком, силой света и углом луча означают, что акцентом учета светодиода в более плотных лучах при уменьшающемся угле луча, увеличит силу света (то есть яркость) без увеличения светового потока. Поэтому при покупке светодиода для освещения – светодиод с 1000 милликандел и 45° углом обзора, даст столько же света, как светодиод в 10000 милликандел с 12° углом обзора. Светодиод, как видим достаточно яркий, но эта яркость узконаправленная.
Яркость светодиодов принято измерять в милликанделах — 1 мкд = 0.001 канделы. Обычные советские светодиоды имеют яркость в диапозоне 20 — 50 мкд., а сверхяркие светодиоды могут достигать 20000 мкд и выше. Чтоб было ещё нагляднее замечу, что обычная лампа накаливания 100 Вт производит около 1500 люмен, и если свет будет излучаться одинаково во всех направлениях, она будет иметь яркость около 120 000 мкд. Но если луч будет узконаправленный в угле 20°, она будет иметь яркость окло 16 000 000 мкд. Так что светодиодам, даже сверхмощным всё ещё далеко до ламп в плане излучаемой яркости, но с каждым месяцем этот разрыв стремительно сокращается.
ФОРУМ по светодиодам
СветодиодыСветодиоды
Части светодиодов
Epoxy body — эпоксидное вещество
Wire bond — термокомпрессионное
соединение проволочных выводов
Die — кристаллик
Die cup — чаша кристаллика
Leads — проводка
Светодиоды бывают всех форм и размеров, но 3 мм T-1 и 5 мм T-1¾ являются самыми распространенными. Кристаллики — крошечные полупроводниковые кубы, состав которых определяет цвет испускаемого света. Находятся в основании чашки кристаллов, которые имеют рефлексивные стороны, чтобы отражать свет, излучаемый относительно конца кристаллов светодиодов. Тело из эпоксидной смолы сформировано так, чтобы действовать как линза и фокусировать свет в луч. Расстояние от чашки кристалла до куполообразного конца линзы определяет, как сильно фокусируется получаемый пучок света. Некоторые светодиоды имеют плоские или даже вогнутые концы, который сосредотачивают свет в широкий луч.
Цвета светодиода
Светодиоды видимого свечения
| Длина волны, нм | Название цвета | Пример цвета |
|---|---|---|
| более 1100 | Инфракрасный | |
| 770-1100 | Длинноволновая ближняя часть ИК-диапазона(NIR) | |
| 770-700 | Коротковолновая ближняя часть ИК-диапазона(NIR) | |
| 700-640 | Красный | |
| 640-625 | Красно-оранжевый | |
| 625-615 | Оранжевый | |
| 615-600 | Янтарный | |
| 600-585 | Желтый | |
| 585-555 | Желто-зеленый | |
| 555-520 | Зеленый | |
| 520-480 | Зелено-голубой | |
| 480-450 | Синий | |
| 450-430 | Индиго | |
| 430-395 | Фиолетовый | |
| 395-320 | Ультрафиолетовый-A | |
| 320-280 | Ультрафиолетовый-B | |
| 280-100 | Ультрафиолетовый-C |
Цвета светодиода часто указываются в нм (нанометры), которыми измеряют длину волны света. Указанная длина волны — длина волны самой высокой мощности — светодиоды не являются полностью монохромными, а скорее производят волну на коротком участке цветового спектра. Диаграмма справа показывает отношение цвета к мощности в стандартном зеленом светодиоде — самая высшая точка — 565 нм, но он излучает свет в пределе от 520 до 610 нм (имеется ввиду участок спектра). Половина ширины спектральной линии — ширина этой кривой при 50-процентной мощности (0,5 на оси Y) — для этого светодиода, это около 30 нм — а также мера «чистоты» (монохроматичности) цвета.
Обратите внимание на температуру, указанную в верхнем правом углу графика — светодиод производит незначительно различающиеся цвета при разных температурах. Они также испускают разные цвета при разной силе тока, особенно белые светодиоды, которые зависят от того, как фосфор меняет разноцветную матрицу на белый цвет.
Инфракрасные светодиоды
Инфракрасная полоса может быть разделена на Ближний Инфракрасный (NIR) и Далеко Инфракрасный (IR). Далеко инфракрасный — тепловое инфракрасное излучениеимеет обыкновение обнаруживать горячие объекты или видеть утечки высокой температуры в зданиях, и путь за пределами диапазона светодиодов. (NIR может быть далее разделен на два диапазона – длинноволновый и коротковолновый, основанный)
Инфракрасные светодиоды(LEDs) иногда называют IRED (Инфракрасные светодиоды).
Ультрафиолетовые светодиоды
Ультрафиолетовый свет разделен на три диапазона: ультрафиолетовый-A, который является довольно безвредным; ультрафиолетовый-B, который вызывает загар, и ультрафиолетовый-C, который разрушает вещи. Большинство ультрафиолетового света B и С от солнца отфильтрованы озоновым слоем, т.о. мы получаем очень мало этого излучения. Светодиоды испускают ультрафиолет-A.
400 нанометров — довольно общая длина волны для ультрафиолетовых светодиодов. Это располагается на границе между фиолетовым и ультрафиолетовым диапозоном, т.о. существенная часть испускаемого света видима. По этой причине ультрафиолетовые светодиоды 400 нм иногда оцениваются в милликанделлах, даже при том, что половина их энергии невидима. Светодиоды с более низкими длинами волны, типа 380нм, обычно оцениваются не в милликанделлах, а в милливаттах.
Не смотрите в ультрафиолетовые светодиоды!
Белые светодиоды
Белый свет — это смесь всех цветов. Цветная температура — мера относительных количеств красного или синего — выше, цветные температуры имеют больше синего.
| Цветная температура | Пример |
|---|---|
| 2000° | Газовое освещение |
| 2470° | Раскаленная лампочка 15 Ватт |
| 2565° | Раскаленная лампочка 60 Ватт |
| 2665° | Раскаленная лампочка 100 Ватт |
| 2755° | Раскаленная лампочка 500 Ватт |
| 2900° | Криптоновая лампочка 500 Ватт |
| 3100° | Проектор с лампой нити накаливания |
| 3250° | Фото прожектор |
| 3400° | Галоген |
| 3900° | Карбоновая дуга |
| 4200° | Лунный свет |
| 4700° | Промышленный туман с дымом |
| 5100° | Туманная погода |
| 5500° | Солнце 30° над горизонтом |
| 6100° | Солнце 50° над горизонтом |
| 6700° | Электронная вспышка |
| 7400° | Пасмурное небо |
| 8300° | Туманная погода |
| 30,000° | Голубое небо |
Помните, что это — мера цвета, а не яркости, так что не удивляйтесь, потому что лунный свет «более горяч» чем карбоновая дуга. Это означает только то, что цвет является более синим, и все.
Белые светодиоды имеют цветную температуру, но монохроматические светодиоды нет.
Яркость светодиода
Суммарная мощность, выделившаяся в виде света, называется излучающая энергия или излучающий поток, и измеряется в ваттах. Насколько ярким окажется объект, однако, будет зависеть от двух дополнительных факторов:
- сколько излучаемого потока выпущено в направлении наблюдателя
- насколько чувствителен наблюдатель к длине волны света.
Чтобы определить количество, во-первых, мы должны ввести понятие стерадиан(ед. измерения телесного угла), твердых (3-D) углов. Подумайте о конусе с вершиной в источнике.
Если поток излучения источника излучения одинаковый во всех направлениях, интенсивность излучения будет равна общему потоку излучения, разделенному на 12,57 (4π) стерадиан, пространственный угол полной сферы. В случае со светодиодом, излучающий поток, как правило, концентрируется в луче, а интенсивность излучения будет равна излучающему потоку, поделенному на пространственный угол луча. Ширина углов обычно обозначается в градусах, а интенсивность излучения обычно выражается в мВт / ср., что делает необходимы перевод угла луча в стерадианы:
sr = 2 π (1 — cos(θ/2))
где sr является телесным углом, в стерадианах, и θ — это угол луча.
Световой поток и сила света — размеры как сияющая энергия и интенсивность излучения, только с поправкой на чувствительный человеческий глаз. Мощность излучения длины волны 555 нм, умножается на коэффициент 1, но светом выше, и более низкой длиной волны усилены более низкими факторами, пока инфракрасные и ультрафиолетовые диапазоны волн не достигаются, когда лучевая энергия умножена на ноль.
Световой поток измеряется в люменах, в то время как сила света измеряется в люменах на стерадиан, также названная канделой.
Отношения между световым потоком, силой света и углом луча означают, что акцентом учета светодиода в более плотных лучах (уменьшающийся угол луча), увеличит силу света (яркость) без фактического увеличения светового потока (количество света). Имейте это в виду, что при покупке светодиода для осветительных целей – светодиод с 2000 милликандел и 30° углом обзора дает столько же света, как светодиод в 8000 милликандел с 15° углом обзора. (угол составляет половину в ширину и высоту, т.о. луч в 4 раза более яркий). Это одна из причин того, что ультра яркие светодиоды часто «чисто водные», чтобы сохранить движение света в одном направлении, а не распространяться во всех местах.
Яркость светодиодов измеряется в милликанделах(mcd) или тысячной доли канделы. Индикатор светодиода как правило в диапозоне 50 mcd. «Ультра-яркие» светодиоды могут достигать 15000 mcd и выше.
Для сравнения, типичная лампа накаливания в 100 Вт производит приблизительно 1700 люмен, если свет будет излучаться одинаково во всех направлениях, она будет иметь яркость около 135 000 mcd. Если же луч целенаправленный в 20°, то она будет иметь яркость окло 18 000 000 mcd.
Интенсивность света и других электромагнитных излучений, как мощность за единицу площади измеряется в ваттах на квадратный метр. Обычные лампы накаливания излучают больше энергии в инфракрасном, чем в видимом спектре. Количество световой энергии называется световым потоком и измеряется в люменах и определяется, как количество света, излучаемого 1/60 см2 площади чистой платины на её температуру плавления (около 1770° С) в рамках телесного угла в 1 стерадиан. Например, в общей сложности мощность излучения (светового потока) от лампочки накаливания в 40 Вт составляет около 500 лм, в то время как мощность излучения люминесцентной трубки 40 Вт составляет около 2300 лм.
Интенсивность освещения, аналогично интенсивности электромагнитного излучения (которая является мощностью на единицу площади) — световой поток на единицу площади, называется освещенностью. Единицей освещенности является люмен на квадратный метр, также называемый люкс:
1 lux = 1 lm/m² 1 люкс = 1 лм / м²
Единицей силы света является один люмен на стерадиан, также измеряемый в канделах(кд):
1 cd = 1 lm/sr 1 кд = 1 лм / ср
Яркость светодиодов – ультрафиолетовые и инфракрасные светодиоды
Так как кандела и люмен — единицы, которые приспособлены, чтобы компенсировать переменную чувствительность человеческого глаза к различным длинам волны, и инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды полностью невидимы (по определению) для человеческого глаза.
Инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды измеряются в ваттах для излучаемого потока и в ваттах/стерадианах для излучаемой интенсивности. Довольно типичный «яркий» инфракрасный светодиод производит приблизительно 27 мВт/ср, хотя может доходить до 250 мВт/ср или около этого. Сигнальные светодиоды, как на ТВ-пультах, значительно менее мощные.
Однако имейте в виду, что светодиоды не являются совершенно монохроматическими. Если их пик близок к видимому спектру, то их полоса пропускания может наложиться на видимый спектр достаточно, чтобы быть видимой как тусклый вишнево-красный свет.
Этот тусклый красный свет, кстати, часто требуемый ошибочно для того, чтобы отличить хорошо освещающие инфракрасные диоды от более тусклых инфракрасных диодов. Какой диод лучше для конкретного применения целиком зависит от длины волны, к которой приемник наиболее чувствителен.
Использование светодиодов
Как правило, различные цветные светодиоды требуют различного напряжения для работы – красный цвет берет наименьшее напряжение, и поскольку цвет продвигает цветной спектр к синему, увеличивается и требование напряжения. Обычно красные светодиоды требуют около 2-х вольт, а синие – около 4-х вольт. Типичные светодиоды, однако, требуют 20-30 мА тока независимо от требований напряжения. В графике слева показано насколько сила тока типичного красного светодиода будет меняться на различных напряжениях.
Заметьте, что светодиод при силе тока менее 1.7 В является «выключенным». Между 1.7 В и 1.95 В «динамическое сопротивление», соотношение напряжения к силе тока уменьшается до 4 Ом. Выше 1.95 В светодиод полностью «включен» и динамическое сопротивление остаётся постоянным. Динамическое сопротивление отличается от сопротивления, в котором кривая не линейна. Просто помните, что эта нелинейная связь между напряжением и током означает, что закон Ома не работает для светодиодов.
Формула для расчета значения серии резистора:
Rseries = (V — Vf) / If
где Rseries-зачение резистора в Омах, V – напряжение, Vf – это падение напряжения через светодиод и If — сила тока светодиода, которую должны видеть.
Например, для вышеупомянутый диода было бы хорошим напряжение в 12 В при 500 Омах в резисторе.
Вы можете использовать один резистор для управления током серии диодов, и в этом случае Vf — это общее падение напряжения всех светодиодов. Не всегда хорошая идея использовать один резистор для контроля группы светодиодов, если они будут использовать одну силу тока, то это может привести к разной яркости или дыму.
Действительно ли необходима серия светодиодов?
Одним словом – нет. Серия резисторов не является необходимой, если напряжение Vf., может регулироваться в соответствии со светодиодами. Один из способов добиться этого – сбалансированные батареи для светодиодов. Если напряжение светодиода Vf составляет 1.2 В, Вы можете использовать ряд из десяти диодов (10 x 1.2В = 12В) с аккумулятором 12 В без серии резисторов.
Однако, Вы должны быть уверены, что батарея способна поддержать ожидаемое напряжение, некоторые аккумуляторы часто поставляют немного больше напряжения, чем номинальное(например 12-вольтный автомобильный аккумулятор может достигать напряжения 13.8 В при полном заряде), но разные типы батарей имеют разное внутреннее сопротивление, которое приводит к «перекосу» напряжения при различных условиях нагрузки.
Вот небольшая таблица с типичным внутренним сопротивления различных типов батарей. Заметьте, как у щелочной батареи АА внутреннее сопротивление в 5 раз превышает сопротивление NiMH батареи АА, а у щелочной батареи D в 11 раз выше NiCad батареи D.
| Тип батареи | Внутреннее сопротивление(Ом) |
|---|---|
| 9В Цинк-углерод | 35 |
| 9В Литиевая | 16-18 |
| 9В Щелочная | 1-2 |
| AA Щелочная | 0.15 |
| AA Никель- металлогидридная | 0.03 |
| D Щелочная | 0.10 |
| D Никель-кадмиевая | 0.009 |
| D свинцовый | 0.006 |
| Заметка: внутреннее сопротивление в таблице при полном заряде батареи и комнатной температуре. | |
Кроме того, когда батарея разряжена, напряжение значительно понизится. Из-за резкого изменения напряжения по кривой (см. график в разделе “использование светодиодов”) небольшие изменения напряжения приведут к большим изменениям тока.
Добавление сопротивление в цепи поможет стабилизации напряжения через светодиод. В некотором смысле, светодиод и резистор последовательно выступают в качестве регулятора напряжения.
Последовательно с резистором, светодиод будет снижать напряжение по всей цепи, пока не проводит ток. Как только начинает проводить, сопротивление падает незначительно – всего на несколько Ом. Снижение напряжения через повышение резистора и падение напряжения через светодиод остается практически исправленным. Падение напряжения через светодиод остается несколько выше порогового напряжения, даже если напряжение питания повышается. Любое дальнейшее увеличение напряжения питания увеличивает падение напряжения через резистор, но не через светодиод.
Посмотрите, что происходит, когда напряжение, поставляемое, резистором в 150 Ом последовательно со светодиодом колеблется от 4.5 до 5.5 Вольт.
| Напряжение | Ve | I | Vseries | Vled |
|---|---|---|---|---|
| 4.50 | 2.60 | 0.017 | 2.52 | 1.98 |
| 4.60 | 2.70 | 0.017 | 2.62 | 1.98 |
| 4.70 | 2.80 | 0.018 | 2.72 | 1.98 |
| 4.80 | 2.90 | 0.019 | 2.81 | 1.99 |
| 4.90 | 3.00 | 0.019 | 2.91 | 1.99 |
| 5.00 | 3.10 | 0.020 | 3.01 | 1.99 |
| 5.10 | 3.20 | 0.021 | 3.11 | 1.99 |
| 5.10 | 3.20 | 0.021 | 3.20 | 2.00 |
| 5.30 | 3.40 | 0.022 | 3.30 | 2.00 |
| 5.40 | 3.50 | 0.023 | 3.40 | 2.00 |
| 5.50 | 3.60 | 0.023 | 3.49 | 2.01 |
Вы можете видеть, как напряжение светодиода (Vled) меняется всего на 0.03 В, даже если напряжение меняется на 1 Вольт. Даже с маленьким повышением напряжения светодиода, ток увеличивается на 6 мА.
Рассматриваемый светодиод имеет пороговое напряжение Vthreshold в 1.9 В, выше которого он имеет динамическое сопротивление (Rdynamic) 4.55 Ом и включают 20 мА при 2 В. (это пример заднего светодиода из пункта “Использование светодиодов”). Поставляемое напряжение в 5 В и Rseries 150 Ом. Вот формулы:
Ve = Vsupply — Vthreshold
I = Ve / (Rseries + Rdynamic)
Vseries = Rseries / (Rseries + Rdynamic) * Ve
Vled = Vsupply — Vseries
Ve — напряжение выше порогового, I — сила тока в настоящее время в цепи, Vseries – падение напряжения через резистор, Vled – падение напряжения через светодиод.
Ситуация, в которой действительно важно подключать диод без последовательного резистора — это когда вам нужно максимум эффективности -последовательный резистор потребляет мощность (P = I2R) — и отклонения в яркости могут допускаться.
Есть также другие пути для контроля тока диодом. Регулятор напряжения может великолепно справиться с этой задачей, но возможно, регулятор тока такой как этот даже лучше:
Диод управляемый простым регулятором тока
Движение светодиодов с переменным током.
Первый, и самый очевидный вопрос: почему? Но мы пропустим это, предполагая, что Вы знаете причину.
Есть несколько факторов к рассмотрению. Каждый из светодиодов только проводит за время в течение той части положительной половины цикла, в течение которого напряжение является выше порогового напряжения светодиода.
Это означает, что светодиод проводит меньше чем половину времени, которое производит яркость. Во-вторых, даже когда светодиод проводит, среднее напряжение будет гораздо меньше, чем пиковое напряжение. Среднее напряжение положительной половины синусоида — только 64 % пикового напряжения. Яркость поэтому далее уменьшена.
Это то, что я подразумеваю. Ось X — время, Ось Y — напряжение. Синяя линия — напряжение поставки; красная линия — светодиодный порог. В этом случае, пиковое напряжение — 5В, и порог — 1.2 В (типичный для красного светодиода). «Эффективное напряжение»(термин автора), является напряжением, которое выше порогового напряжения, напряжение, которое фактически освещает светодиод; остальная часть напряжения не делает ничего, или потому что ниже порогового, или это потому, что имеет неправильную полярность. Эффективное напряжение обозначено в графе серыми областями. Светло-серая область — среднее эффективное напряжение для напряжения поставки переменного тока; здесь, 1.04 В. Темно-серая область — среднее эффективное напряжение для поставки постоянного тока, 3.8 В, которое пропускает переменный ток. Светло-серая область — лишь 27% области обеих серых объединенных областей. Если бы светодиод имел пороговое напряжение ноль (которое не было бы хорошим?) эффективное напряжение переменного тока все еще было бы только 32% эффективного напряжения постоянного тока. Как пороговые повышения напряжения, » продолжительность включения » понижается оттуда.
Эффективное напряжение (V — V т) — термин из формулы, приведенной выше, и может заменить его для расчета стоимости желаемого сопротивления.
Можно повысить эффективное напряжение переменного тока по отношению к теоретическому максимуму, составляющему 32% от эффективного напряжения постоянного тока путем увеличения напряжения питания — это делает предельное напряжения меньшей частью самого высокого напряжения, так что светодиод раньше включается в цикл и остается включенным дольше. Но следует избегать использования предельного напряжения большего чем обратное напряжение, которое светодиод может выдержать, как правило это 5 вольт. Помните, что когда светодиод не проводит ток, все падение напряжения будет проходить через него. Вы можете обойти эту проблему путем подсоединения в цепь другого отдельного светодиода — кремниевые диоды могут выдержать гораздо большее обратное напряжения, чем обычные светодиоды, хотя дополнительные диоды будут вводить второй предельное напряжение. Включение в цепь двухполупериодного выпрямителя позволят вам управлять светодиодом в обеих половинах цикла, увеличив максимально эффективное напряжение до 64% напряжения постоянного тока, но имея при этом два дополнительных предельных напряжения.
Некоторые белые светодиоды требуют дальше напряжения (обычно 3,5 или 4 вольта) очень близкого к своему максимальному обратному напряжению (как правило, 5 вольт), так что светодиод будет включен лишь в течение весьма незначительной части цикла, что делает его очень слабым. Например, диод рассчитанный на 3.5 вольта подключенный к 5 вольтам переменного тока, будет иметь эффективный вольтаж только 0.25 вольт, 17% от эффективного постоянного тока в 1.5 вольта.
Чтобы компенсировать низкий уровень эффективного напряжения, мы хотим управлять светодиодом довольно трудно получить средний ток до 20 мА. Если эффективное напряжение всего 0,25 вольт, то резистор должен быть 13 Ом, и нынешний пиковый ток должен составлять 120 мА. Может ли светодиод выдержать пиковый ток в 120 мА? Вероятно, нет.
Одно из возможных решений — это два светодиода в обратно-параллельном подключении, один поляризован на свет во время позитивной половины цикла, а другой поляризован на свет во время негативной половины цикла. Сразу же, это удваивает выходное освещение, так как мы используем обе половины цикла. К тому же так как на каждом диоде обратное напряжение мы увидим падение переднего напряжения на диоде, вы можете управлять вольтажем как хотите, а рабочий цикл может становиться на 64% короче. Использование прямоугольных импульсов переменного тока вместо синусоидальных импульсов переменного тока позволит вам достичь почти 100% либо используя обратно параллельные диоды, либо один диод подключенный на удвоенном ходу для полуцикла.
Регулировка яркости светодиодов
Если упустить подробности и объяснения, то схема регулировки яркости светодиодов предстанет в самом простом виде. Такое управление отлично от метода ШИМ, который мы рассмотрим чуть позже.
Итак, элементарный регулятор будет включать в себя всего четыре элемента:
- блок питания;
- стабилизатор;
- переменный резистор;
- непосредственно лампочка.
И резистор, и стабилизатор можно купить в любом радиомагазине. Подключаются они точно так, как показано на схеме. Отличия могут заключаться в индивидуальных параметрах каждого элемента и в способе соединения стабилизатора и резистора (проводами или пайкой напрямую).
Собрав своими руками такую схему за несколько минут, вы сможете убедиться, что меняя сопротивление, то есть, вращая ручку резистора, вы будете осуществлять регулировку яркости лампы.
В показательном примере аккумулятор берут на 12 Вольт, резистор на 1 кОм, а стабилизатор используют на самой распространенной микросхеме Lm317. Схема хороша тем, что помогает нам сделать первые шаги в радиоэлектронике. Это аналоговый способ управления яркость. Однако он не подойдет для приборов, требующих более тонкой регулировки.
Необходимость в регуляторах яркости
Теперь разберем вопрос немного подробнее, узнаем, зачем нужна регулировка яркости, и как можно по-другому управлять яркостью светодиодов.
- Самый известный случай, когда необходим регулятор яркости для нескольких светодиодов, связан с освещением жилого помещения. Мы привыкли управлять яркостью света: делать его мягче в вечернее время, включать на всю мощность во время работы, подсвечивать отдельные предметы и участки комнаты.
- Регулировать яркость необходимо и в более сложных приборах, таких как мониторы телевизоров и ноутбуков. Без нее не обходятся автомобильные фары и карманные фонарики.
- Регулировка яркости позволяет экономить нам электроэнергию, если речь идет о мощных потребителях.
- Зная правила регулировки, можно создать автоматическое или дистанционное управление светом, что очень удобно.
В некоторых приборах просто уменьшать значение тока, увеличивая сопротивление, нельзя, поскольку это может привести к изменению белого цвета на зеленоватый. К тому же увеличение сопротивления приводит к нежелательному повышенному выделению тепла.
ШИМ управление
Выходом из, казалось бы, сложной ситуации стало ШИМ управление (широтно-импульсная модуляция). Ток на светодиод подается импульсами. Причем значение его либо ноль, либо номинальное – самое оптимальное для свечения. Получается, что светодиод периодически то загорается, то гаснет. Чем больше время свечении, тем ярче, как нам кажется, светит лампа. Чем меньше время свечения, тем лампочка светит тусклее. В этом и состоит принцип ШИМ.
Управлять яркими светодиодами и светодиодными лентами можно непосредственно с помощью мощных МОП-транзисторов или, как их еще называют, MOSFET. Если же требуется управлять одной-двумя маломощными светодиодными лампочками, то в роли ключей используют обычные биполярные транзисторы или подсоединяют светодиоды напрямую к выходам микросхемы.
Вращая ручку реостата R2, мы будет регулировать яркость свечения светодиодов. Здесь представлены светодиодные ленты (3 шт.), которые присоединили к одному источнику питания.
Зная теорию, можно собрать схему ШИМ устройства самостоятельно, не прибегая к готовым стабилизаторам и диммерам. Например, такую, как предлагается на просторах интернета.
NE555 – это и есть генератор импульсов, в котором все временные характеристики стабильны. IRFZ44N – тот самый мощный транзистор, способный управлять нагрузкой высокой мощности. Конденсаторы задают частоту импульсов, а к клеммам «выход» подсоединятся нагрузка.
Поскольку светодиод обладает малой инертностью, то есть, очень быстро загорается и гаснет, то метод ШИМ регулирования является оптимальным для него.
Готовые к использованию регуляторы яркости
Регулятор, который продается в готовом виде для светодиодных ламп, называются диммером. Частота импульсов, создавая им, достаточно велика для того, чтобы мы не чувствовали мерцания. Благодаря ШИМ контролеру осуществляется плавная регулировка, позволяющая добиваться максимальной яркости свечения или угасания лампы.
Встраивая такой диммер в стену, можно пользоваться им, как обычным выключателем. Для исключительно удобства регулятор яркости светодиодов может управляться радио пультом.
Способность ламп, созданных на основе светодиодов, менять свою яркость открывает большие возможности для проведения световых шоу, создания красивой уличной подсветки. Да и обычным карманным фонариком становится значительно удобнее пользоваться, если есть возможность регулировать интенсивность его свечения.
Яркость свечения светодиода
Многие покупатели задают вопрос — что означают все эти характеристики светодиодов, указанные на упаковках и в спецификациях? Ватты, люмены, длина волны, свечи, канделы, мили канделы — это лишь немногая часть терминов, которые используются для определения яркости света. Вот несколько параметров, которые необходимо знать для бытового определения яркости, не вдаваясь в подробности фотометрии:
Сила света (luminous intensity, обычно измеряемая в канделах -cd или миликанделах mcd). Яркость одной канделы примерно равна яркости одной обычной свечи. Миликандела (или мкд) одна тысячная канделы, отсюда приставка «мили». 1000 миликандел = 1 кандела.
Поскольку свет распределяется неравномерно, угол освещения (viewing angle) является очень важным параметром для светодиодов. Восприятие освещенности зависит от местоположения смотрящего, поэтому необходимо определить какую часть комнаты необходимо осветить и определить необходимое количество и расположение ламп. Этот параметр зависит, в том числе, от типа линзы. Рассеивающая (матовая) линза будет формировать более широкий угол освещения, но такой свет может восприниматься более тусклым, чем от светодиода с прозрачной линзой.
Другой важный параметр — световой поток
Нетрудно заметить, что угол освещения очень сильно влияет на световой поток. Светодиодная 5000 мкд лампа с углом освещения в 60 градусов в четыре раза мощнее чем аналогичная с углом освещения в 30 градусов.
Потребляемая мощность в ваттах — это параметр, который не так давно был для нас единственным для определения яркости лампы накаливания, но для светодиодных ламп этот параметр не является определяющим. Технология производства развивается и у светодиодов одинаковой яркости может быть разное потребление энергии. Но для упрощения восприятия производители указывают на упаковке ламп бытового применения аналог лампы накаливания/ галогенной лампы по энергопотреблению. Этим значениям в большинстве случаев можно доверять, если вы приобретаете лампы известных производителей, таких как Philips, Cree, Osram.
Для ориентира, приведем следующее сравнение различных ламп General Electric:
сравнение эффективности ламп освещения General Electric