Какие бывают светодиоды: классификация, материалы, сферы применения
23.11.2025
489
Сохранить статью:
Какие бывают светодиоды? Современный рынок предлагает множество типов, различающихся по размерам, мощности и цветовым характеристикам. Наиболее распространены индикаторные SMD-светодиоды, мощные осветительные модели и специализированные RGB-элементы.
Где применяются? Компактные SMD используют в подсветке экранов, мощные светодиоды — в уличном освещении, а полноцветные RGB-матрицы — в декоративной и архитектурной подсветке. Отдельную категорию составляют инфракрасные и ультрафиолетовые типы для промышленных и медицинских задач.
Устройство и характеристики светодиодов
Светодиод представляет собой полупроводниковое устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в видимое свечение. Термин LED (light-emitting diode) дословно переводится как «светоизлучающий диод».
Чтобы лучше понимать, какие бывают светодиоды и чем они различаются, важно разобраться в их устройстве и принципе действия. Независимо вида он состоит из нескольких функциональных частей, собранных в едином корпусе:
- катод — подает отрицательный заряд постоянного тока на полупроводниковый кристалл;
- анод — подает положительный заряд на тот же кристалл, обеспечивая работу всей схемы;
- рассеиватель — расширяет угол распространения светового потока;
- рефлектор — направляет лучи света на рассеиватель, усиливая свечение;
- полупроводниковый чип (кристалл) — главный элемент, создающий свечение за счет p-n перехода.
Фото: macrovector / freepik.com
Внутри чипа находятся два слоя полупроводникового материала с разной проводимостью: один с избытком электронов (n-тип), другой – с их недостатком, так называемыми «дырками» (p-тип). При подаче напряжения на анод и катод в зоне их контакта (p-n перехода) электроны начинают движение, которое сопровождается выделением энергии в виде кванта света — фотона. От состава материалов в этой зоне напрямую зависит, какие цвета бывают у светодиодов.
Параметры светодиодов:
- Номинальный ток: от стабильности подаваемого на кристалл тока напрямую зависит срок службы светодиода. Если сила тока резко меняется, диод может выйти из строя. Чтобы избежать этого, мощные модели оснащают драйверами, стабилизирующими питание. Типовое значение тока для одного кристалла составляет 20 мА. Светодиод, содержащий несколько чипов, будет требовать пропорционально большего тока. Этот параметр является фундаментальным при определении мощности светодиода.
- Падение напряжения. Обычно производители указывают его значение на упаковке — то есть величину напряжения после прохождения электрического тока через LED-элемент. У белых, синих, зеленых и фиолетовых диодов оно составляет 2,2–4 В, у красных, желтых и оранжевых — 1,6–2,2 В, а у ультрафиолетовых — 3,1–4,4 В.
- Динамическое сопротивление: изменяется в зависимости от величины напряжения. Чем выше поданное напряжение, тем ниже сопротивление цепи.
- Световой поток и угол свечения: определяются типом и мощностью кристалла. Например, кристалл диаметром 5 мм выдает световой поток около 5 люменов. Угол рассеивания светового потока может варьироваться от 20° до 120°.
- Цветовая температура: определяет, какие цвета бывают у светодиодов — от теплых желтоватых до холодных голубоватых оттенков. Диапазон значений: от 1800 до 7500 К.
- Размер кристалла: измеряется в миллидюймах (mil), где 1 mil равен 25,4 микрона. Компактные модели с рабочим напряжением 1–2 В имеют размеры кристалла 30–45 mil, тогда как более мощные варианты (10–100 В) достигают 24×24, 24×44 или 44×44 mil.
Первые светодиоды применялись исключительно как индикаторы в электронных устройствах и промышленном оборудовании. Они имели низкую яркость, поэтому их свечение было заметно только в темноте. Конструкция элементов была довольно простой: корпус круглой формы с двумя металлическими выводами (анодом и катодом).
Со временем развитие технологий привело к созданию новых поколений диодов, отличающихся повышенной светоотдачей и разнообразием характеристик.
Результатом многолетних исследований стало появление SMD-диодов и многокристальных COB-матриц, которые нашли широкое применение в современных осветительных приборах — от люстр и бытовых светильников до прожекторов. Их преимущество перед лампами накаливания и галогенными аналогами — высокая светоотдача, позволяющая достигать яркости в тысячи люмен.
Преимущества и недостатки светодиодов
Достоинства светодиодной технологии
- Высокая энергоэффективность: основное преимущество — низкое энергопотребление при значительной светоотдаче. Эффективность повышается за счет направленного характера излучения, что минимизирует потери света внутри осветительного прибора.
- Продолжительный срок службы: ресурс светодиодов исчисляется десятками тысяч часов. Износ проявляется в виде плавного снижения яркости (деградации кристалла), а не внезапного перегорания, что характерно для ламп накаливания.
- Надежность и отказоустойчивость: крупные светильники, состоящие из массива отдельных диодов, сохраняют работоспособность при выходе из строя одного или нескольких элементов. Это критически важно для систем аварийного и архитектурного освещения.
- Чистота цвета и управляемость: технология позволяет получать чистые спектральные цвета без использования светофильтров, которые поглощают часть энергии. Комбинируя цвета светодиодов, можно менять цвет свечения и его тон, регулируя мощность каждого канала.
- Компактность и прочность: отсутствие хрупкой нити накала и стеклянной колбы в светодиодах делают их исключительно стойкими к вибрациям и механическим ударам. Их малые габариты открывают широкие возможности для дизайна осветительных приборов.
- Гибкое управление: светодиоды отлично поддаются диммированию (регулировке яркости) как путем снижения тока, так и с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Важно, что при затемнении их энергоэффективность не падает.
- Высокоскоростная модуляция: светодиоды могут мгновенно включаться и выключаться, поддерживая высокие частоты модуляции, что используется в системах оптической связи.
- Экологическая безопасность: хотя в производстве кристаллов и используются вредные соединения, например, арсенид галлия, их количество в каждом ничтожно мало.
Фото: freepik / freepik.com
Недостатки светодиодов
- Высокая стоимость: цена за ватт выходной мощности у светодиодов выше, чем у традиционных ламп, особенно для осветительных приборов. Однако с развитием технологий стоимость постепенно снижается за счет увеличения мощности чипов. Кроме того, высокая энергоэффективность и долговечность диодов компенсируют начальные затраты, делая их экономически выгодными в долгосрочной перспективе.
- Тепловой режим: светодиоды выделяют значительно меньше тепла, чем лампы накаливания с аналогичной светоотдачей, но для сохранения долговечности требуется качественное охлаждение.
- Цветопередача: у некоторых белых светодиодов индекс цветопередачи невысокий, что ограничивает их использование в тех случаях, где точность передачи цвета критична, например, в художественном или студийном освещении.
- Стабилизация тока: большинство источников питания обеспечивает почти постоянное напряжение, рабочий ток светодиода необходимо регулировать с помощью электроники. Иногда применяются простые схемы стабилизации, однако они могут снижать общую энергоэффективность лампы.
Какие бывают светодиоды
Модули DIP
DIP (dual in-line package) — один из первых и самых узнаваемых типов светодиодов, конструкция которого практически не изменилась с момента появления технологии. Каждый элемент такого модуля включает корпус с двумя металлическими выводами (анод и катод), полупроводниковый кристалл, соединительный провод и оптическую линзу.
Когда через анод подается ток, он проходит по проводнику к полупроводнику с отражателем. В результате протекающего тока возникает электролюминесценция — свечение, усиливаемое отражателем и люминофором. Если модуль снабжен фотохромным слоем, этот слой корректирует спектр излучения, превращая его в белый или другой заданный цвет. Далее свет концентрируется линзой и выходит наружу, формируя четкий световой поток.
Модули DIP отличаются повышенной яркостью и направленностью света: их луч обычно охватывает угол до 80°, в то время как у других типов диодов этот показатель достигает 120–150°. Средняя световая сила DIP-модулей достигает 14 000 кд/м² — примерно столько же, сколько у автомобильных ксеноновых фар дальнего света.
Эти светодиоды подключаются к плате при помощи пайки, поскольку питание подается через контактные ножки. Для предотвращения перегрева и обеспечения стабильной работы их размещают на расстоянии не менее 10 мм друг от друга. Из-за такой расстановки готовое изображение из DIP-диодов часто выглядит как набор отдельных точек, а не сплошная картинка.
Для решения этой проблемы появились современные флэш-модули — цепочки, где каждый светодиод подключен к собственной линии питания. Однако подобные решения пока редкость и в основном интересны радиолюбителям.
Фото: freepik / freepik.com
DIP-модули нашли широкое применение в наружной рекламе: они обеспечивают отличную видимость даже при ярком солнечном свете и сохраняют читаемость изображений на больших расстояниях. Оптимальное использование — установка на фасадах, билбордах и крупных рекламных панелях. Для более близких экранов, например, бегущих строк, они тоже подходят, но с расстояния около 10 метров изображение может казаться зернистым из-за пикселизации.
Основные плюсы DIP-модулей:
- Простота конструкции и высокая надежность.
- Интенсивное свечение и хорошая видимость днем.
- Экономичное энергопотребление за счет компактности и низкой плотности размещения.
Минусы таких модулей:
- Ограниченный угол рассеивания света.
- Невозможность гармонично интегрировать в интерьерные решения.
COB-светодиоды
COB-технология (от англ. chip-on-board — «чип на плате») — это значительный шаг вперед по сравнению с DIP-модулями, устранивший многие недостатки последних и открывший для светодиодов путь в сферу интерьерного освещения. Конструктивно COB-диоды отличаются кардинально: вместо ножек используются контакты, ввариваемые непосредственно в алюминиевую плату, кристалл соединяется с ней золотыми проводками, рефлектор отсутствует, а роль линзы выполняет сплошной слой люминофорного лака.
Принцип работы остается схожим: при подаче питания ток проходит по контактам кристалла, возбуждая электроны в полупроводнике. Возникающее излучение преобразуется люминофором в равномерный поток света, видимый человеческому глазу. При этом COB-диоды не нуждаются в дополнительном фотохромном покрытии — их кристаллы еще на этапе производства адаптируются под нужную длину волны, обеспечивая естественное свечение.
Хотя уровень яркости у таких модулей уступает DIP-аналогам, COB имеют целый ряд других преимуществ. Они почти не нагреваются, излучают под широким углом до 150° и занимают минимум пространства. Благодаря этому их можно монтировать с шагом менее миллиметра, формируя высокоплотные матрицы, идеально подходящие для экранов, декоративной подсветки и гибких осветительных систем.
Наиболее распространенные примеры применения — это светодиодные ленты и гибкий неон. Технология позволяет создавать дисплеи с исключительно высокой плотностью пикселей и физическим разрешением до 8К, что наглядно демонстрирует, какой мощности бывают светодиоды в компактном исполнении.
Преимущества COB-светодиодов:
- миниатюрная толщина (в среднем от 0,4 до 1,2 мм);
- защита кристалла от механических воздействий;
- широкий угол рассеивания — до 180°;
- эффективное распределение тепла и низкая вероятность перегрева;
- простота ухода и обслуживания;
- устойчивость к влаге, пыли, статическому заряду и агрессивным средам;
- надежная работа при температурных перепадах от –30 до +80 °C.
Недостатки COB-светодиодов:
- более короткий срок службы по сравнению с другими диодами;
- возможны различия в яркости между соседними элементами;
- монтаж требует высокой точности и определенных навыков;
- себестоимость и ремонт обходятся дороже, чем у стандартных светодиодов.
Светодиоды SMD
Светодиоды SMD (Surface-Mounted Device) — это одна из самых востребованных и технологичных разновидностей светодиодов. Они появились как развитие DIP-моделей и стали решением задачи повышения разрешения и компактности светодиодных конструкций при минимальном нагреве. В отличие от ранних типов, SMD-диоды монтируются не напрямую на плату, а на специальную теплоотводящую подложку, где у каждого элемента есть свой отдельный управляющий чип и контакты.
Если рассматривать, какие бывают светодиоды SMD, то основное их отличие заключается в способе монтажа и распределении тепла. Конструкция этих модулей включает в себя кристалл, размещенный в теплоотводе, и золотые микропровода, по которым поступает ток. Кристалл начинает излучать свет, а линза равномерно рассеивает поток. Покрытие люминофором обеспечивает разные цвета свечения, а угол рассеивания может достигать 170°.
По своим характеристикам SMD занимают промежуточное положение между COB и DIP. Средняя яркость таких диодов составляет около 6000–7500 кандел на метр, что достаточно для большинства рекламных и интерьерных задач. Благодаря низкому нагреву расстояние между элементами может быть всего несколько миллиметров, что позволяет создавать экраны формата P6, P4, P2 и даже выше по плотности.
Сегодня именно SMD-модули считаются самыми универсальными. Они используются повсюду: от уличных LED-экранов и рекламных щитов до светильников, автомобильных фар, лент и фонарей. Такая популярность объясняется сочетанием простоты производства, долговечности и приемлемой цены.
Если рассматривать, на какое напряжение бывают светодиоды SMD, то диапазон зависит от конкретного типа и количества кристаллов — обычно от 1,8 до 3,5 В на каждый элемент. Различают как маломощные диоды для декоративной подсветки, так и более мощные варианты, применяемые в уличных прожекторах и промышленных лампах.
Преимущества SMD-светодиодов:
- высокая плотность пикселей и четкое изображение;
- большой выбор моделей с разными углами рассеивания — от 10° до 170°;
- надежный отвод тепла и устойчивость к перегреву;
- экономичное потребление энергии;
- универсальность и гибкость в монтаже.
Недостатки SMD-диодов:
- меньшая яркость по сравнению с DIP-модулями;
- сложность установки при мелких компонентах;
- неидеальная цветопередача черных тонов в RGB-дисплеях.
Каждый из видов диоидов решает собственные задачи:
- DIP-диоды подойдут для крупноформатных наружных экранов и ярких рекламных вывесок, где важна сила свечения.
- COB-модули идеально подходят для проектов с высоким разрешением и акцентом на качество изображения.
- SMD-светодиоды, в свою очередь, занимают золотую середину — они оптимальны по цене, удобны в установке и универсальны по применению.
SMD — наиболее сбалансированный вариант. Они обеспечивают хорошее распределение света, устойчивы к перегреву и могут работать на разном напряжении. Именно поэтому при выборе варианта, где решающим фактором являются стоимость, универсальность и скорость монтажа, SMD остаются наиболее рациональным выбором.
Виды материалов и длина волны светодиодов
Цвет излучения светодиода напрямую определяется энергией запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен кристалл. Практически весь видимый спектр может быть покрыт диодами, однако выходная мощность и эффективность сильно зависят от длины волны.
Фото: rawpixel.com / freepik.com
Большинство современных чипов создаются из неорганических полупроводников. Для получения глубокого красного цвета применяется арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), аналогичный материалам, используемым в инфракрасных лазерах. Более короткие красные волны достигаются с помощью фосфида арсенида галлия (GaAsP) или фосфида алюминия-инда галлия (AlInGaP). В диапазоне около 650 нм можно достигать практически 100 % квантовой эффективности, тогда как при длине волны 620 нм эффективность снижается, несмотря на то что глаз человека воспринимает такие цвета лучше.
При этом мощные светодиоды выделяют тепло, и его необходимо эффективно отводить, чтобы не снизить квантовую эффективность и не увеличить длину волны излучения. Хотя рассеиваемая мощность невелика, плотность теплового потока на единицу площади кристалла может достигать нескольких ватт на квадратный миллиметр.
Для синих и фиолетовых диодов оптимален нитрид индия-галлия (InGaN). Несмотря на высокое количество дефектов в кристалле, внутренняя квантовая эффективность таких диодов достигает 70–90 %. Зеленые и желтые волны создаются за счет увеличения содержания индия (In), однако эффективность при этом падает. Особую сложность представляет так называемый «зеленый пробел» — диапазон зеленого, желтого и оранжевого цвета, где современные материалы показывают низкую эффективность.
Для зеленых диодов использовались материалы вроде селенида цинка (ZnSe) или теллурида цинка-селена (ZnSeTe), но их срок службы и эффективность пока недостаточны для полноценного освещения. Ведутся исследования по новым сплавам и оксихалькогенидам, которые могут закрыть этот пробел.
Белый свет получают двумя способами: смешивая излучение нескольких диодов разного цвета (красного, зеленого и синего) или используя один синий светодиод вместе с люминофором, который преобразует часть синего света в желто-зеленый диапазон.
Преобразование осуществляется через полупроводниковый слой, например, ZnS, или через сцинтилляционный кристалл с редкоземельными ионами, такими как Eu²⁺ (европий) или Ce³⁺ (церий).
Модификации состава кристалла, например, частичная замена иттрия на гадолиний, смещают спектр излучения ионов церия, что позволяет корректировать цветовой тон белого света. Индекс цветопередачи у таких светодиодов невысокий, но его можно улучшать сочетанием люминофоров разных оттенков.
Кроме видимого спектра, существуют ближние инфракрасные светодиоды на основе AlGaAs и ультрафиолетовые диоды, изготовленные из нитрида галлия (GaN).
Как маркируются светодиоды
Маркировка светодиодов — это полноценная система идентификации, позволяющая понять все характеристики компонента без необходимости проверять его с помощью приборов. Каждый символ на корпусе несет конкретную информацию о типе, цвете, мощности, напряжении и производителе, что облегчает работу инженеров и проектировщиков.
Основные элементы маркировки светодиодов:
- Физический размер (типоразмер) — важный параметр при монтаже на печатную плату или в светодиодные модули.
- Цвет свечения — позволяет определить спектральные свойства диода и выбрать подходящий оттенок для подсветки приборной панели или декоративного освещения.
- Производитель — код компании-изготовителя, гарантирующий качество и соответствие стандартам.
- Серийный номер или партия — дает возможность отследить дату производства,
- Электрические параметры — рабочее напряжение, ток и мощность, необходимые для безопасной эксплуатации.
Например, маркировка 5A3B2C может быть расшифрована так:
- 5A — типоразмер корпуса устройства;
- 3B — цветовая характеристика, где «3» обозначает красный диапазон, а «B» — конкретный оттенок;
- 2C — код производителя и серия изделия.
Маркировка играет роль паспорта светодиода, содержащего информацию о том, на какое напряжение и мощность рассчитан диод, какие цвета свечения он поддерживает, а также какой тип кристалла используется. Это критично при выборе компонентов для различных устройств: от светодиодных лент до экранов с высокой плотностью пикселей или индикаторных диодов.
Правильная маркировка обеспечивает не только корректную эксплуатацию, но и совместимость компонентов в сложных электронных схемах. Знание этих обозначений помогает специалистам выбирать подходящий тип для конкретного проекта.
Часто задаваемые вопросы о светодиодах
Что собой представляют органические светодиоды?
Современной альтернативой традиционным решениям стали органические светодиоды (OLED). Их производство принципиально отличается от методов, используемых для неорганических аналогов. Конструкция OLED представляет собой многослойную структуру из тонких гибких материалов, где каждый слой выполняет определенную функцию: эмиссионную, проводящую (катод и анод) и другие.
Перспективным направлением является использование биологических материалов, например, молекул ДНК, демонстрирующих высокоэффективную электролюминесценцию. Такие компоненты открывают возможности для создания недорогих световых панелей большой площади с помощью струйной печати, что делает их чрезвычайно востребованными для освещения будущего.
Несмотря на преимущества, технология требует дальнейшего совершенствования для повышения эффективности и срока службы. Яркий пример — OLED-телевизоры, которые обеспечивают насыщенную цветопередачу и широкие углы обзора, но остаются дорогостоящими и подвержены деградации органических материалов (эффект «выгорания»).
Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
Рабочий ток светодиода сильно зависит от напряжения: небольшие колебания напряжения приводят к значительным изменениям тока. А так как яркость диода прямо пропорциональна току, нестабильное напряжение приводит к колебаниям света.
Чтобы избежать этого, применяются стабилизаторы тока. Кроме того, если ток превышает допустимые значения, диод перегревается, что ускоряет старение кристалла и сокращает срок службы. Правильная стабилизация тока необходима для безопасной эксплуатации, особенно для мощных светодиодов и SMD-элементов, где малейшие скачки могут сильно повлиять на светоотдачу и долговечность.
Можно ли регулировать яркость светодиода?
Яркость светодиодов можно эффективно изменять, но не путем простого снижения напряжения питания — этого делать нельзя. Для этого используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Она требует специального управляющего блока, который часто объединен с источником питания, конвертером или контроллером для RGB-матриц.
Суть метода ШИМ заключается в подаче на диод импульсного тока, где частота сигнала может достигать сотен или тысяч герц, а длительность импульсов и пауз регулируется. В результате средняя яркость светодиода становится управляемой, при этом сам диод продолжает светиться. Изменения цветовой температуры при диммировании минимальны и гораздо меньше, чем у ламп накаливания. Такой подход особенно важен для светодиодов SMD и COB, где точность управления светом критична.
Чем определяется срок службы светодиода?
Светодиоды действительно считаются долговечными, однако их ресурс зависит от условий эксплуатации. Чем выше рабочий ток и температура кристалла, тем быстрее наступает старение. Мощные LED-диоды имеют меньший срок службы по сравнению с маломощными индикаторными, и в среднем он составляет 20–50 тысяч часов.
Старение проявляется через постепенное снижение яркости. Когда световой поток падает на 30–50 %, диод рекомендуется заменить. Знание, какой мощности бывают светодиоды и на какое напряжение они рассчитаны, помогает правильно подобрать устройство для долгой эксплуатации.
Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
Излучение светодиодов близко к монохроматическому спектру, что отличает его от солнечного света или ламп накаливания. На сегодняшний день нет достоверных данных о вредном воздействии LED на глаза человека. Серьезные исследования в этой области не проводились, а наблюдения за использованием светодиодов в бытовой и профессиональной светотехнике не выявили негативного влияния.
Светодиодные технологии продолжают развиваться, предлагая решения для различных задач — от бытового освещения до специализированных применений. Понимание того, какие бывают светодиоды и их характеристик, позволяет сделать оптимальный выбор для любой системы освещения.
Источник изображения на шапке: rawpixel.com / freepik.com
