Über LEDs für Dummies

Ich mag Formeln nicht wirklich. Wie jeder normale Mensch :) Sie verursachen mir Kopfschmerzen und den Wunsch, etwas in die Wand zu werfen. Mein ganzes Leben lang habe ich versucht, mich von ihnen fernzuhalten. Und es stellte sich heraus. Aber jetzt interessierte ich mich für LEDs und erkannte, dass es keinen Weg mehr gibt. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, müssen Sie verstehen, wie es funktioniert. Langsam begann ich die Stufen entlang durch den Dschungel aus Lumen, Candela und Steradian zu waten. Allmählich bildete sich ein Bild in meinem Kopf. Und gleichzeitig bedauern - nun, warum gab es niemanden, der es in einer einfach zugänglichen Sprache erklärte? So viel Zeit verschwendet ... Ich werde versuchen, Sie vor Kopfschmerzen zu bewahren und es so zugänglich wie möglich zu erklären - Was ist eine LED und wie funktioniert sie?. Gleichzeitig erkläre ich ein paar Gesetze der Optik :)

Der Artikel ist denjenigen gewidmet, die in Watt-Candela-Lumen-Suiten verwirrt sind. Und zwar in LEDs. Geschrieben von einer fortgeschrittenen Teekanne für Anfänger :)

Normale LED

Egal wie Sie sich drehen, Sie müssen zuerst die Gesetze der normalen Elektrizität berühren. In anschaulichen Beispielen natürlich :) Wir alle wissen - was 220 Volt sind - das kann richtig getroffen werden, wenn Sie die Sicherheitsvorkehrungen nicht beachten. Wenn Sie ein Elektrogerät kaufen, zum Beispiel ein Bügeleisen, steht im Reisepass, für welche Spannung es ausgelegt ist. Normalerweise sind dies 220 Volt. Im gleichen Pass sind aber auch diese Parameter angegeben - eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hertz. Warum geben Hersteller diese Parameter für Sie hartnäckig an?

Nehmen Sie einen technischen Pass für ein Elektrogerät und schauen Sie nach - die Versorgungsspannung sollte ~ 220 Volt, 50 Hz betragen. Mal sehen, was es ist. Ein "~" zeigt an, dass die Spannung variabel sein muss. In einem elektrischen Fahrzeugsystem ist beispielsweise die Spannung konstant. Und mit einer Fingerbatterie ist sie permanent. Der Unterschied ist einfach - eine konstante Spannung hat ein Plus und ein Minus - eine Variable nicht. Warum nicht ? Alles ist sehr einfach. In Wechselstromnetzen wechseln Plus und Minus ständig die Orte. Der gleiche Kontakt ist entweder ein Plus oder ein Minus. Wie oft ? Dafür gibt es aber noch einen anderen Wert - 50 Hz.

Was ist Hz? Dies ist ein Wackeln pro Sekunde. Das heißt, in unserem Heimnetzwerk plus Änderungen minus fünfzig Mal pro Sekunde. Und jetzt - was ist der praktische Nutzen dieses Wissens, welche Art von Lager hat es auf der LED?

Lass es uns richtig machen. Angenommen, Sie haben eine 220-Volt-100-Watt-Lampe in Ihren Händen. Wenn Sie es an ein Stromnetz anschließen, leuchtet es für alle seine hundert Watt auf. Und wenn wir diese 100 Watt nicht brauchen? Benötigen Sie beispielsweise 50? Dies wird uns helfen, DIODE.

Wenn wir das Wort "LED" in seine Komponenten zerlegen, erhalten wir "Licht" und "Diode". Das heißt, dies ist eine reguläre Diode, die ebenfalls leuchtet.

Eine Diode ist ein Gerät, das am besten mit einem Ventil oder einem Nippel in einem Autorad verglichen werden kann. Dort kann man Luft pumpen und zurück - der Nippel lässt nicht. Eine gewöhnliche Diode sieht aus wie ein schwarzer Zylinder mit zwei Stiften - Plus und Minus. Hier können wir es für praktische Experimente verwenden, die vielen helfen, das Material zu reparieren. Natürlich ist es gefährlich, sofort mit 220 Volt zu experimentieren, aber mit der gebotenen Sorgfalt wird nichts Schlimmes passieren. Trotzdem führen Sie alle Experimente auf eigene Gefahr und Gefahr durch :)

Schauen Sie sich das Thema an: Die Vorrichtung und das Funktionsprinzip einer Halbleiterdiode

Wir brauchen eine Glühbirne aus dem Kühlschrank für 220 V, 15 Watt. Für sie müssen Sie eine geeignete Patrone finden und zwei Drähte daraus entfernen. Dann brauchen wir eine Diode, die zum Beispiel von einem fehlerhaften Fernseher oder Kassettenrekorder bezogen werden kann. Je größer es ist, desto besser. Sie müssen keine sehr kleinen nehmen - immerhin 220 Volt. In der Nähe befindet sich normalerweise eine Bezeichnung in Form eines Dreiecks.

Dann brauchen wir ein Netzkabel mit Stecker, ein paar Drähten und Lötkolben. Schließen Sie einfach die Glühbirne an das Netzwerk an und merken Sie sich, wie sie leuchtet. Trennen Sie dann den Stromkreis und bauen Sie ihn wie links gezeigt zusammen.

Vergessen Sie nicht, alle Verbindungen sorgfältig mit Klebeband zu isolieren. Einstecken. Wie Sie sehen können, leuchtet die Glühbirne viel schlechter. Dies ist nicht überraschend - sie erhält nur noch die Hälfte der Spannung, die sie benötigt - die zweite Diode startet nicht. Wenn Ihre Erfahrung ein Erfolg war und die Diode groß genug ist, können Sie jetzt jede Ihrer Lampen praktisch ewig machen.

Zum Beispiel leuchtet eine 50-Watt-Lampe in Ihrem Flur und brennt ständig aus. Nehmen Sie 100 Watt, schalten Sie es durch die Diode ein - es leuchtet wie 50 Watt, aber es brennt nicht aus. Es gibt jedoch eine Einschränkung: Die Diode muss für 220 V ausgelegt sein und der Strom beträgt mindestens Ampere. Am besten kaufen Sie eines in einem Radioteilegeschäft.

Nun, da wir herausgefunden haben, was eine Diode ist, ist es sinnvoll, auf das für uns interessante Thema einzugehen - die LED. Die LED hat, wie jetzt klar ist, auch ein Plus und ein Minus. Das heißt, für seinen Betrieb wird eine Konstantspannungsquelle benötigt - eine Batterie, eine Batterie, eine Stromversorgung. Das Netzteil muss anzeigen, dass es eine konstante Spannung (DC) liefert. Normalerweise befindet sich auf dem Cover des Blocks ein Aufkleber dieses Inhalts.

Eingang - ~ 220V 50Hz,

Ausgang - 12 V, 0,5 A DC

Dies bedeutet, dass eine solche Einheit eine konstante Spannung von 12 Volt und einen Strom von 0,5 Ampere erzeugen kann.

Beachten Sie, dass das Ladegerät für Mobiltelefone auch ein Netzteil ist. Es hat normalerweise Parameter von 5-6 Volt, 0,2-0,5 A. Es ist oft sehr praktisch, es zur Stromversorgung der LEDs zu verwenden, weil Ladegerät stabilisiert den Strom. Aber dazu später mehr in den folgenden Artikeln.

Zwei Parameter sind uns wichtig - die Betriebsspannung der LED und der Strom. Die Betriebsspannung der LED wird auch als "Spannungsabfall" bezeichnet. Im Wesentlichen bedeutet dieser Begriff, dass nach der LED die Spannung in der Schaltung um die Größe desselben Abfalls geringer ist. Das heißt, wenn wir die LED mit einem Spannungsabfall von 3 Volt mit Strom versorgen, werden diese drei Volt verbraucht, und das danach angeschlossene Gerät erhält 3 Volt weniger. Das Wichtigste ist jedoch, dass der Strom für die LED wichtig ist, nicht die Spannung. Er nimmt die Spannung so viel auf, wie er braucht, aber den Strom - wie viel Sie geben. Das heißt, wenn Ihre Stromquelle 10 Ampere abgeben kann, nimmt die LED Strom auf, bis sie durchbrennt. Die Logik hier ist einfach: Die angeschlossene LED verbraucht Strom und beginnt sich aufzuwärmen. Je stärker es sich erwärmt - desto mehr Strom kann durch es fließen - es dehnt sich durch Erwärmung aus. Zusammen mit dem Strom steigt der Spannungsabfall an der Diode an. Und so, bis es vollständig ausbrennt - niemand hat den Strom begrenzt. Dies muss jedoch unter Verwendung des Begrenzungselements erfolgen.

Beachten Sie, dass es nicht erforderlich ist, den Strom zu begrenzen, wenn die Stromquelle eine Ausgangsspannung hat, die der Betriebsspannung der LED entspricht. Das heißt, wenn Sie beispielsweise eine weiße LED und einen 3,6-Volt-Akku von einem Mobiltelefon haben - Sie können ihn direkt an diesen Akku anschließen - passiert nichts mit der LED. Er würde gerne mehr Strom aufnehmen - aber es gibt nicht genug Spannung. Die 3,6-V-Zellenbatterie ist daher eine ideale Stromquelle zum Experimentieren mit weißen und blauen LEDs. Warum nur mit ihnen - dazu in anderen Artikeln.

Im Allgemeinen müssen wir in Reihe mit der LED eine Art Gewindebohrer anbringen und auf den Wert schrauben, den wir benötigen. In der Rolle eines solchen Krans können verschiedene Geräte sein. Der einfachste von ihnen ist ein Widerstand.

Optische Aspekte der Verwendung von LEDs

Angenommen, wir haben gelernt, wie man eine LED anschließt und ihren Strom begrenzt. Es stellt sich die Frage, wie viel es scheint. Hier müssen wir ein wenig in die Optik eintauchen.

Unter den Eigenschaften von LEDs, insbesondere von leistungsstarken, wird häufig die Art der Lichtverteilung angegeben. In der Regel handelt es sich dabei um die sogenannte Lambert-LED. Weiter werden wir es als das am weitesten verbreitete betrachten. Was bedeutet dieser Begriff? Die "Lambert" -LED leuchtet unabhängig von der Richtung in alle Richtungen gleich.Wenn die LED eine Kugel wäre, würde sie in alle Richtungen gleich leuchten - das ist die Essenz des Lambert-Diagramms. Um es klar zu machen, ist die Sonne eine Lambertsche Quelle.

Das Standard-LED-Design ist ein Kristall, eine dünne Platte, die leuchtet. Schauen Sie durch das transparente Fenster der LED - und Sie werden diesen Kristall sehen. Dünne Drähte von Kontakten kommen zu ihm. Wenn Sie die Vorstellungskraft verbinden, können Sie sich das von der LED kommende Licht als eine kugelförmige Wolke vorstellen, die darüber hängt. Licht - das sind kleine Teilchen, die Photonen genannt werden. Über der LED hängt also eine mit Photonen gefüllte Kugel. Und je mehr Licht die LED aussendet, desto größer der Ball, desto weiter fliegen die Photonendonuts, drücken und verdrängen sich gegenseitig. Die meisten von ihnen fliegen senkrecht zur Kristallebene nach oben, sodass die maximale Lichtintensität von LEDs 90 Grad relativ zur Kristallebene beträgt. Ich hoffe, dass Ihnen jetzt die Diagramme der LED-Hersteller klarer geworden sind :) Um vollständig verständlich zu werden, schauen wir uns ein Beispiel an.

Nehmen wir an, es gibt eine LED, an deren Oberseite eine von ihr emittierte Lichtkugel mit einem Durchmesser von 1 Meter hängt (gute LED! :)).

Die untere Skala gibt die Prozentzahl dieses Messgeräts an, die obere den Strahlungsgrad. In Übereinstimmung mit diesem Diagramm befindet sich die größte Anzahl von Photonen am höchsten Punkt mit einem Grad von 0 und einer Reichweite von 1 Meter. Es sieht komisch aus, ist es aber. Weniger seltsam sieht es aus, wenn Sie sich daran erinnern, dass Licht eine Welle ist, geben sie nicht umsonst die Wellenlänge für die Eigenschaften an. Dementsprechend kann unsere Lichtkugel als elektromagnetisches Feld mit einer bestimmten Dichte dargestellt werden. Aber das ist schon ein Dschungel - lass uns weitermachen :)

Halber Helligkeitswinkel

Der Hersteller gibt normalerweise einen Parameter wie einen doppelten Winkel der halben Helligkeit an. Was bedeutet dieser Begriff? Wie wir herausgefunden haben, gibt die LED maximales Licht in der Mitte und oben, dh der Winkel ist Null. Je weiter von der Mitte entfernt, desto weniger Licht. Der halbe Helligkeitswinkel ist, wenn die LED 100 herkömmliche Lichteinheiten bei „0“ Grad und beispielsweise bei 30 Grad (relativ zur „0“ -Achse) - 50 liefert. Der halbe Helligkeitswinkel In Abbildung I ist die Lichtintensität, Imax ist die maximale Lichtintensität. ImaxCos - die halbe Kraft des Lichts. Warum "verdoppeln" - wir multiplizieren Grad mit zwei, die LED leuchtet auch symmetrisch. Als Ergebnis erhalten wir ein schönes gleichschenkliges Lichtdreieck. Es gibt auch Licht außerhalb dieses Dreiecks, wir haben einen Lichtball, aber der Bezugspunkt für die Charakteristik der LED ist der halbe Winkel.

Candela

Jetzt können wir überlegen, was Candela ist. Candela ist auf die alte Art eine "Kerze". Erinnerst du dich, sagten sie immer - ein Kronleuchter oder eine Lampe mit hundert Kerzen? Früher war eine Art Bezugspunkt erforderlich. Wir waren uns einig, eine Kerze mit der erforderlichen Dicke zu nehmen, sie anzuzünden und als Standard zu betrachten, genau diese Candela. Heutzutage denken sie natürlich anders. Ich werde nicht im Detail erklären, wie dies den Rahmen des Artikels sprengt. Es ist nur eine Maßeinheit für die Lichtstärke und heißt Candela. Sein Hauptmerkmal ist die Verwendung von Richtungsquellen zur Messung der Lichtintensität. Aus diesem Grund werden für 5-mm-LEDs die Werte in Kerzen angegeben, genauer gesagt in Millikandel (1 cd = 1000 mcd).

Es ist Zeit herauszufinden, wie sich 5-mm-LEDs oder andere in einem Kunststoffgehäuse von leistungsstarken unterscheiden.

Konstruktionsmerkmale der Anzeige 5 mm LEDs

Wie oben erwähnt, ist eine LED ein lichtemittierender Kristall. Betrachten Sie das Design der LED in einem 5 mm Kunststoffgehäuse. Eine genaue Untersuchung zeigt zwei wichtige Dinge - die Linse und den Reflektor. Der LED-Kristall befindet sich im Reflektor der LED. Dieser Reflektor stellt den anfänglichen Streuwinkel ein. Dann tritt Licht durch ein Epoxidgehäuse. Es kommt zum Objektiv - und beginnt sich dann je nach Design des Objektivs in einem Winkel an den Seiten aufzulösen. In der Praxis - von 5 bis zum LED-Diagramm 160 Grad.

Um die Lichtstärke solcher LEDs anzuzeigen, wird nur Candela verwendet.LEDs mit gerichteter Emission emittieren Licht in einem Raumwinkel. Um zu verstehen, was ein Raumwinkel ist, reicht es aus, sich das folgende Bild vorzustellen. Sie nehmen eine Taschenlampe, schalten sie ein und legen sie ganz unten in den Feuereimer. Dann schließen Sie sie mit einem Deckel. Das Licht im Inneren hat dementsprechend die Form eines Kegels in Form unseres Eimers. Dieser von einem Deckel begrenzte Kegel ist ein Raumwinkel.

Ich werde versuchen, die Bedeutung der Lichtverteilung einfacher zu erklären. Nehmen wir an, die Lichtstärke unserer Laterne beträgt 1 Candela, dh 1000 Mikrochandels (genauer gesagt, Mikroketten können als Photonen betrachtet werden :)). Wenn wir analog weiter gehen, haben wir einen vollen Eimer Mikrochandels. Wenn Sie möchten, können Sie das Volumen des Eimers berechnen - willkommen in der Geometrie :) Wenn wir den Eimer doppelt so oft nehmen, werden die Mikrochandels gleichmäßig darauf verteilt, das heißt, es wird keine mehr geben :) In all diesen Erklärungen finden Sie die Antwort auf die heilige Frage - wie viele LEDs werden benötigt, um eine 100-Watt-Lampe zu ersetzen. Darüber - weiter.

Konstruktionsmerkmale von Hochleistungs-LEDs

Im Gegensatz zu Anzeige-LEDs sind leistungsstarke nicht nur ein Gerät, sondern auch ein Marketingprodukt. Heute gibt es zwischen großen Herstellern ein echtes Rennen um Lumen - wer ist mehr? Und niemand kümmert sich darum, dass diese Lumen noch verwendet werden müssen. Lass uns in Ordnung gehen.

Der Hauptunterschied zwischen einer leistungsstarken LED und einer Anzeige-LED in ihrer reinen Form besteht darin, Hindernisse für den Austritt von Licht aus dem LED-Gehäuse zu minimieren. Leistungsstarke LEDs haben daher ein Lambert-Diagramm. Was führt dies in der Praxis? Sie schalten die LED ein und erhalten eine schöne Glühbirne darüber. Und was als nächstes zu tun? Wie können sie die Oberfläche beleuchten, die Sie benötigen? Sie müssen verschiedene Optiken oder Reflektoren verwenden, was unweigerlich zu Verlusten und damit zu einer Verringerung des Lichtstroms führt. Wenn Sie also nach dem Kauf einer leistungsstarken LED keine gute Optik erworben und speziell für deren Design entwickelt haben - Sie freuen sich früh -, stehen die Kopfschmerzen noch bevor.

Es ist keine leichte Aufgabe, die benötigten Lumen an die Oberfläche zu liefern, die Sie beleuchten möchten.

Lumen

Wie Sie bereits verstanden haben, sind Candela zur Bewertung der Lichtintensität von Hochleistungs-LEDs nicht geeignet. Dazu gibt es Lumen - dies ist die Gesamtlichtmenge, die die LED abgeben kann, wenn sie mit den angegebenen Strom- und Spannungswerten verbunden wird. Erinnern Sie sich an die Analogie des Feuereimers? Hier passt sie auch. Wir gehen davon aus, dass sich in unserem Eimer 100 Lumen befinden, wenn die LED eine Lichtintensität von 100 Lumen hat.

Eine normale 100-W-Glühbirne ist auch eine Lambert-Quelle. Die durchschnittliche Lichtleistung dieser Lampe beträgt 10-15 Lumen pro Watt. Das heißt, 100 Watt Glühlicht ergeben beispielsweise 1000 Lumen. Um eine 100-Watt-Lampe durch LEDs zu ersetzen, benötigen Sie 10 Stück mit jeweils 100 Lumen. Ist es so einfach? Nein, leider. Wir kommen zu einem Begriff wie LUX.

Suite

Luxus ist das Verhältnis der Anzahl der Lumen und der beleuchteten Fläche. 1 Lux ist 1 Lumen pro Quadratmeter. Nehmen wir an, wir haben eine quadratische Fläche mit einer Fläche von einem Meter. Alles wird gleichmäßig von einer Glühbirne beleuchtet, die sich in einem bestimmten Abstand von oben befindet. Für diese Glühbirne hat der Hersteller eine Beleuchtung von 100 Lux angegeben. Wir nehmen ein Gerät, das die Lichtleistung misst und messen es überall auf unserem Platz. Wir sollten 100 Lumen erhalten. Wenn ja, hat uns der Hersteller nicht getäuscht.

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