Преимущества технологии SMD
SMD-светодиод является одним из представителей многочисленной светоизлучающей продукции, выгодно отличающийся по многим параметрам. Превосходное сочетание полезной мощности и миниатюризации открывает широкие возможности перед данной технологией изготовления. На сегодня ведущими производителями достигнуты высокие технические показатели в области развития излучающих диодов (SMD). Ниже приведён основной перечень преимуществ, наглядно характеризующий их доминирующее положение:
— компактность и высокая плотность монтажа, которая достигается благодаря отсутствию отверстий в печатной плате;
— широкий спектр цветов, позаимствованный у предшественников (корпусных диодов);
— длительный срок службы. Фирменные образцы достигают значений в 100 тысяч часов;
— экономическая выгода, которую уже на практике ощутили многие миллионы людей, не требует дополнительных примеров;
— низкое напряжение питания защищает от смертельного поражения электрическим током и значительно расширяет сферу применения;
— повышенные прочностные характеристики упрощают монтаж и обслуживание в период эксплуатации.
Развитие LED технологий 21-го века
Светоизлучающий диод или, как его принято именовать по-английски LED (light emitting diode), за первое десятилетие нового века смог внести коренные изменения в производство источников искусственного освещения. Плавное развитие маломощных светодиодов стремительно перешло в следующую фазу – разработку «мощных» ламп, основанных на выделении световой энергии за счёт процессов в полупроводниках.
Главным толчком к действиям послужило открытие белого свечения, первоначально основанного на суммировании трёх основных цветов в определённом процентном соотношении. Крупные мировые производители электронной техники быстро поняли экономическую суть этого вопроса и, до сих пор, не жалеют финансовых средств на развитие светоизлучающей техники. Многомиллионные установки по разработке новых образцов и выпуску серийных экземпляров уже оправдывают себя, доказывая своё преимущество на практике. Сегодня каждый магазин, специализирующийся на продаже «электрики» способен предложить потенциальным покупателям светодиодную продукцию. Как правило, ассортимент представлен карманными фонариками, лентами для декора, прожекторами и лампами под цоколь стандарта Е14 и Е27. Но, вернёмся к технологии. Обычные излучающие диоды в корпусе 5 мм не могли реализовать все технические задумки инженеров по увеличению светового потока и равномерному отводу тепла. Требовалось создать новый формат полупроводникового элемента, способный удовлетворить все пожелания разработчиков. Таким образом, появился SMD-светодиод, который смог на порядок обойти своих предшественников по всем показателям. Технология поверхностного монтажа или SMD-технология (surface mounted device) зародилась ещё в 60-х годах прошлого века, но производственные обороты набрала лишь спустя 25 лет. Минимизация электронной техники и развитие нано технологий способствовало отказу от привычных радиоэлементов с выводами и переходу к поверхностному монтажу. Создателям излучающих диодов нового типа нужно было лишь правильно расположить полупроводниковый кристалл на подложке. Совершенствование технологических приёмов и методов конструирования печатных плат расширение элементной базы оставило отпечаток и на конструировании SMD-диодов, расширив область их применения. В частности, они первыми пришли на смену корпусных диодов, применяемых в наружных рекламных экранах. Трёхцветные SMD-светодиоды в несколько раз увеличили разрешающую способность изображения. К тому же они не боятся влаги, что привело к снижению себестоимости рекламных щитов.
Технология изготовления SMD светодиодов
Изначально наибольшую популярность в производстве LED получила металлоорганическая эпитаксия. К её отличительным особенностям относится полная автоматизация производственного процесса в условиях чистых газов. Выращивание кристаллов происходит под максимальным контролем всех имеющихся факторов с целью получения на выходе однородной структуры на поверхности подложки. После доработки плёнка разрезается на заданные размеры, устанавливается в корпус и присоединяется к контактным выводам. Кроме основных процедур по сборке готового радиоэлемента существует несколько минусов, ограничивающих возможности данной технологии. Главный недостаток – слабый отвод тепла от кристалла при возрастающих токах. В связи с невозможностью преодолеть этот недостаток простыми способами наступила эра SMD-технологии в выпуске излучающих радиокомпонентов. На первое место выходит метод СОВ (chip on board). Светодиодная пленка, выполненная по СОВ-технологии, приклеивается к металлической подложке, которая выполняет функцию радиатора. Далее создаётся LED-модуль в соответствии с заданными геометрическими размерами. В настоящее время размер одного модуля может достигать 75-ти мм. И это не предел.
На рисунке слева представлена модель SMD 3528 в корпусе из термостойкого пластика. Линза изготавливается из поликарбоната, а отвод тепла достигается путём непосредственного контакта с печатной платой. Рабочий ток SMD 3528 не превышает 20-ти мА, а КПД значительно выше пятимиллиметровых аналогов.
Подключение SMD светодиодов
Если Вы решили самостоятельно произвести монтаж SMD светодиодов, то необходимо знать и соблюдать законы электротехники и следующие правила:
— нельзя использовать SMD диод в качестве единственного элемента нагрузки для блока питания. Правильное включение предусматривает установку ограничителя тока в виде резистора или определённого драйвера.
— последовательное включение нескольких LED нужно производить через один резистор. Сопротивление ограничительного резистора должно быть рассчитано в соответствии с номинальным током SMD элемента и иметь высокую термическую устойчивость.
— параллельное включение нескольких LED через один резистор недопустимо, ввиду разброса параметров каждого элемента. Даже небольшая токовая перегрузка (несколько мА) приведёт к перегреву и резкому снижению срока службы.
— исключайте последовательное соединение излучающих диодов разного типоразмера, так как они отличаются рабочими токами. Практическая реализация такого варианта приведёт к перекосу напряжений и, как следствие, отразится на яркости свечения. Чрезмерное отличие параметров может стать причиной выхода из строя SMD компонента.
— не следует завышать рабочий ток VD при расчёте резистора, даже в незначительных масштабах. Кратковременное повышение яркости вызовет перегрев подложки с постепенным эффектом падения светоотдачи.
Импульсные блоки питания для SMD светодиодов
Многообразие форм и технологических отличий спровоцировало выпуск такого же широкого ассортимента преобразователей. Их главное назначение состоит в поддержании выходного сигнала на заданном уровне в соответствии с паспортными данными. По конструктивному исполнению наибольшим спросом среди потребителей пользуются компактные унифицированные блоки питания, приведенные ниже.
Их действие основано на импульсном способе преобразования сигнала. Главные отличия друг от друга – это функциональные возможности и степень защищённости от пыли и влаги. Основное применение они нашли в качестве источника стабилизированного тока для светодиодных лент, которые наглядно демонстрируют достоинства SMD-технологии. Использование ленты в качестве нагрузки не требует введения в электрическую цепь дополнительных звеньев в виде драйверов и компенсирующих резисторов. Для подключения слаботочных LED элементов и лент форм-фактора 3528 небольшой длины достаточно будет малогабаритного импульсного блока питания (ИБП) в пластиковом корпусе. Для домашнего применения, но с большей нагрузочной способностью, отлично подойдут ИБП открытого типа с выведенными клеммами. В уличных условиях и при повышенной влажности следует применять ИБП со степенью защиты не менее IP67 в алюминиевом корпусе. Большинство моделей имеют выходное напряжение +12В, редко +24В. Обязательно нужно предусмотреть запас по мощности в пределах 10-15% от номинала. Зачастую это связано с отсутствием перегрузочной способности у электроники китайского производства. Кстати, оставлять без нагрузки ИБП тоже не рекомендуется, ввиду электромагнитных особенностей трансформатора.
Преобразователи сигнала для питания SMD светодиодов
В более сложных устройствах с SMD-светодиодами и LED-модулях широкое применение нашли преобразователи постоянного сигнала (тока) под аббревиатурой DC/DC. Данный вид драйверов стал неотъемлемой частью систем искусственного освещения в таких областях:
-интерьерная многоуровневая подсветка;
-автотранспорт;
-инновационное уличное освещение;
— украшение фонтанов, бассейнов, водного транспорта (IP67).
Они выпускаются в виде отдельных электронных компонентов в корпусе DIP (монтаж в отверстия) или SD – под монтаж на поверхность платы. На рисунке слева наглядно изображены, распространённые модульные драйверы компаний Mean Well и PEAK, рассчитанные на 600мА и 500мА соответственно. Выходное напряжение может варьироваться в пределах 2…32В и автоматически подстраивается под количество включенных элементов. Входное напряжение может составлять 5,5…36В (9…56В), подстраиваясь под первичный источник питания. Широкие диапазоны напряжений обусловлены прекрасным эффектом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), имеющей высокий КПД (95%). Благодаря высокому КПД модулю не требуется дополнительный отвод тепла, и он может размещаться непосредственно на плате управления. Также достоинством является встроенная защита от токов короткого замыкания. Встраивая модульный драйвер в непосредственной близости от ультра ярких LED, всё-таки, следует позаботиться о достаточной вентиляции внутри корпуса.
Примеры искусственного освещения на основе SMD
Совсем недавно светодиодные технологии перешагнули границу, которая отделяла их от источников общего освещения. Достижением ученых стал рубеж в 120 Лм/Вт, что не намного, но выше среднего показателя люминесцентных источников. Этот факт объясняет быстрое завоевание рынка светотехники светодиодными лампами и светильниками самой разнообразной конфигурации. 
Причём потребителю нет нужды полностью перестраивать осветительную систему, меняя прожекторы, потолочные крепления и люстры. Производители, в первую очередь, об этом позаботились. SMD-светодиоды легко собираются в матрицу нужной формы и встраиваются в стандартные корпуса, аналогично лампам накаливания, галогенным и люминесцентным лампам.
Основной критерий перехода на светодиодное освещение – это намного больший срок службы по сравнению с привычными лампами. Тем не менее, основную часть потенциальных покупателей останавливает высокая цена изделия. Следует понимать, что эффективность – понятие относительное. Всё зависит от типа пускорегулирующей аппаратуры, применяемой для сравниваемых изделий. К сожалению, о быстром переходе на новые технологии речь пока не идёт. Новые образцы линейных LED-светильников пока проигрывают люминесцентным собратьям с цоколем Т8 в соотношении «цена-эффективность», что принципиально важно в большинстве случаев. Тем не менее, передовая светотехника продолжает диктовать свои условия, постепенно вытесняя галогенные, ртутные и прочие лампы. На полках магазинов свободно можно найти аналоги низковольтных галогенных ламп, экономичных ртутных, фонарей любой мощности. Прожекторы на LED-светильнике стали изготавливать на одном мощном SMD-светодиоде с заранее отстроенным телесным углом. Хорошо зарекомендовали себя небольшие LED-прожекторы с датчиком движения. Такая система даёт несколько плюсов одновременно:
-экономия электроэнергии за счёт светодиодного источника;
-экономия электроэнергии за счёт выставленного таймера датчика;
-удобство в пользовании за счёт отсутствия выключателя.
Кроме этого, на все светодиодные лампы не оказывает влияние количество циклов переключения, что очень важно при частом включении/выключении. Область применения системы SMD-LED-прожектор – датчик очень широка. Это подъезды многоэтажных домов, коридоры, бытовые помещения, частное хозяйство. Ещё один нашумевший представитель на SMD-кристаллах – это светодиодная лента. Для её изготовления используют элементы размером 35х28 и 50х50. О разнообразии и способах подключения лент много сказано в других статьях. Отметим только, что эти два типа отличаются в монтаже. Если узкополосный вариант 3528 можно крепить на любую поверхность, то 5050 нужно клеить на специальный профиль из алюминия. Он прекрасно отводит тепло и достаточно легко встраивается мебельные конструкции. Только так можно гарантировать заявленный срок службы лент формата 5050.
Современная модель светодиодного прибора
Пришло время подвести итоги, объединив всё вышесказанное в единую картину, наглядно представленную на рисунке ниже.
Представленная система отображает все процессы, происходящие на пути преобразования электрической энергии в световой поток. Функцию питания и преобразования выполняют источники тока, реже источники напряжения. Они же в большинстве случаев являются драйверами. Контроль и управление может реализовываться автоматически (путём введения отрицательной обратной связи) и вручную (с помощью диммера и пульта ДУ). Отвод тепла, кроме радиаторов, подразумевает наличие технологических отверстий мощных в светильниках. От материала и формы линзы напрямую зависит направление светового потока: будет он точечным или рассеиваться по периметру. Кроме этого, модель дополняется соединительными проводами, разъёмами, креплениями и прочей периферией.
