Светодиоды (led) - принцип работы, подключение и виды led

Что такое светодиод

Светодиод – это устройство для освещение, ставшие крайне популярными в последнее десятилетие. Он имеет маленькие размеры, различный спектр света, долгий срок эксплуатации, минимальное энергопотребление. Любой светодиод состоит из кристалла, находящимся на токопроводящей основе. К этой пластинке подключены контакты и особая оптическая система. В английском языке светодиод называется LED и переводится как light emitting diode.

Для достижения большого пространства между линзой и кристаллом заполняется силиконом, а пластина является кроме базой, также теплоотводом. В статье подробно рассмотрены все особенности устройства светодиодов и принцип их работы. В качестве бонуса статья содержит два ролика и одну подробную статью.

Различные светодиоды.
Различные светодиоды.

Технические характеристики

Часто в руки попадает светодиод, параметры которого нам не известны. Подключение светодиода напрямую к источнику питания, при малейшем превышении номинального рабочего напряжения резко увеличит протекающий через него ток и выведет из строя. Обычно в таких случаях я “на глазок” включал последовательно с ним резистор 1- 1.5КОм (при низковольтном питании) и светодиод работал уже в довольно широких приделах напряжения. Но бывают случаи, когда необходимо более точно определить параметры неизвестного светодиода, а идентифицировать его марку нет возможности.

Светодиод это устройство с односторонней проводимостью на базе полупроводниковых кристаллов, преобразующее электрический ток в световое излучение в узком диапазоне спектра посредством диффузии электронно-дырочного перехода.

Более-менее точно определить параметры можно экспериментально, используя его стабилизирующие свойства по следующей методике, для ее реализации нам потребуется блок питания с плавной регулировкой выходного напряжения от нуля до 10-12в, тестер (мультиметр) и конечно же ваши очумелые ручки. Сразу оговорюсь что к лазерным светодиодам такая методика не подходит. Исследуемый светодиод в соответствии с полярностью (полярность можно прозвонить при помощи того-же мультиметра, но если ошибитесь – ничего страшного, светодиод просто не будет светится) подключают к регулируемому блоку питания включив последовательно в цепь резистор сопротивлением около 500 Ом.

Материал в тему: все о тепловом реле.

Постепенно увеличивают напряжение выдаваемое блоком питания, постоянно измеряя и сравнивая значения напряжения на выводах блока питания и ножках светодиода  т.е. до токоограничивающего резистора и после него. Удобнее когда блок питания имеет собственную индикацию выдаваемого напряжения или проводить измерения двумя вольтметрами.

Светодиоды с разной температурой свечения
Таблица использования светодиодных источников с разной температурой свечения.

Если светодиод не светится возможно он инфракрасный (посмотрите на него через объектив цифрового фотоаппарата). Запоминаем это напряжение, добавляем процентов 15-20 (в зависимости от яркости свечения), это будет приближенное номинальное напряжение исследуемого светодиода. Если напряжение на ножках светодиода и выходе блока питания изменяется пропорционально от нуля до максимального значения выдаваемого вашим блоком питания (но не более 20 вольт), при этом свечения светодиода не наблюдается, значит вероятнее всего светодиод неисправный или неправильно соблюдена полярность при подключении.

Светодиодные лампы.
Светодиодные лампы.

Если напряжение на ножках светодиода и выходе блока питания изменяется пропорционально от нуля до почти максимального значения, но светодиод нормально светится начиная с 3-5 вольт, то скорее всего токоограничивающий резистор находится внутри светодиода. В этом случае лучше просто ограничить значение тока протекающего через светодиод не более 17-20 мА ориентируясь по яркости свечения светодиода. Затем выставив на регулируемом блоке питания ноль вольт, подключаем к нему светодиод напрямую или для гарантии через резистор сопротивлением 10 ОМ, включив в цепь миллиамперметр (А) и плавно поднимаем напряжение до расcчитанного (измеренное плюс 10-15 %).

Как зависит рабочее напряжение светодиода от его цвета
Таблица зависимости рабочего напряжения светодиода от его цвета.
Ток протекающий через светодиод в этом состоянии будет в пределах его номинального значения. Определенные таким образом значения параметры светодиода будут довольно “грубыми” но ими уже можно руководствоваться при расчете или попытке подобрать по ним светодиод из справочника. Чтобы “набить руку и глаз :-))” можно сначала поэкспериментировать со светодиодами с известным характеристиками.

Из чего состоит

Светодиод – диод с p-n переходом, испускающим определённый спектр при пропускании тока в прямом направлении. Цвет свечения  напрямую зависит от материалов полупроводника. Важно помнить, что в обратном направлении светодиод ток не пропускает. Светодиод начинает испускать фотоны при переходе напряжения через определённое значение, причём для каждого цвета оно разное – именно поэтому каждому цвету желательно подбирать свой резистор, иначе мы сталкиваемся с частой ошибкой – подключение RGB-светодиода через одинаковые резисторы, что приводит к неравномерной интенсивности цветов. Важно помнить, что хоть светодиоду и необходимо некоторое конкретное напряжение для работы, более важным параметром является ток.

Будет интересно➡  Маркировка различных видов диодов

У каждого типа светодиодов он также свой, но имеются средние значения. Например, для большинства 3 – и 5 мм светодиодов максимальный ток чуть превышает 20 мА. Однако, лучше держать его чуть пониже для увеличения ресурса – около 10 мА. Если Вам не нужно освещать им конкретную площадь, то будет достаточно и меньшего тока, например, для индикации события.

Красный, синий, желтый, зеленый светодиоды.
Красный, синий, желтый, зеленый светодиоды.

Плюсы светодиодов:

  • Яркие точные цвета
  • Большой срок службы (стремится к бесконечности)
  • Большой КПД, малый нагрев
  • Миниатюрный размер кристалла

Недостатки:

  • Необходима схема ограничения тока (сложнее, чем ограничение напряжения для ламп накаливания)
  • Неизбежное повреждение при превышении тока

Разновидности

Светодиоды отличаются по:

  • Размеру внешнего корпуса
  • Форме корпуса (круглые – самые популярные, но прямоугольные тоже часто встречаются)
  • Типу линзы (направленная – прозрачная – или рассеивающая, матовая)

По форме светодиоды бывают самые разнообразные, но кристалл в основе не зависит от внешней оболочки. По размеру – от самых мелких светодиодов в корпусе типоразмера 0402 (0.5×1мм) до 100-ваттных светодиодов размером 50×50 мм. В зависимости от эффекта, ставят несколько кристаллов одного или разных цветов.

Одного – для повышения мощности, в таком случае они подключаются параллельно и в итоге фокусируются как единый светодиод. Разных – для многоцветного эффекта, например, для индикации (обычно синий-красный, встречается во многих аккумуляторных устройствах как индикатор работы/зарядки) или для отображения большого спектра цветов (как например RGB-светодиод, способный отобразить все возможные цвета – состоит из 3 кристаллов, красного (R), зелёного (G), синего (B)).

Параметры редких светодиодов представлены в таблице ниже:

параметры редких светодиодов
Таблица основных параметров редких светодиодов.
Светодиоды отличаются по длине волны – они способны точно испускать свет определённого спектра, в частности, ультрафиолетовыми светодиодами можно засвечивать фоторезист, а фидосветодиоды ускоряют рост растений. Граничное напряжение светодиода меняется от 1.9 В (инфракрасный) до 3.7 В (белый). Часто светодиоды собирают в последовательные сборки (например, в дешёвых светодиодных лентах), чтобы запитать, например, 5 2.2-вольтовых светодиодов от 12В, потеряв всего 1В на резисторе.

Если Вы используете светодиоды на большой ток, то, скорее всего, придётся ставить мощные резисторы, на которых всё равно будет теряться большое количество тепла. В таком случае можно использовать импульсные стабилизаторы тока (на основе DC-DC преобразователей или самодельные) – при большом КПД они обеспечивают большой ток и практически не греются! Светодиоды от 100 мА желательно подключать уже именно так. Понятно, что все светодиоды имеют различные характеристики, но как же найти нужный номинал резистора для правильного подключения светодиода? В этом деле нам поможет давно забытый школьный курс физики, а именно закон Ома.

Контакты светодиода
Контакты светодиода

Для примера, возьмём светодиод с падением напряжения 2В, который нам нужно запитать от 3.3 В. Ток возьмём по среднему для всех «мелких» светодиодов значению – 20 мА, а чтобы не убить его раньше времени – 15 мА. Разница в напряжении между напряжением питания и напряжением, нужным для светодиода, составляет 3.3 – 2 = 1.3 В. Вспоминаем закон Ома для замкнутой цепи – I = U/R. Преобразуем её относительно сопротивления . Поделим 1.3 на 0.015 (15мА в А), получим 86.7 Ом. Значение крайне нестандартное, поэтому возьмём ближайшее удобное (в большую сторону) – например, 100 Ом. Светодиоду по режиму будет только лучше, а ток изменится незначительно (13 мА) – невооружённым взглядом вы вряд ли заметите это изменение.

Будет интересно➡  Что такое полупроводниковые диоды и как они устроены

Как подключить

В сети часто встречаются схемы параллельного или последовательного подключения светодиодов, при которых задействуется всего 1 резистор. Схемы имеют право на жизнь, но лишь в случае низкого тока через светодиоды и только при условии одинаковости всех диодов. Допустим, несколько светодиодов для индикации какого-либо события так подключить можно, но только обычных (часто применяемых, 3 или 5мм диодов с током до 20мА и напряжением примерно 2-3В) и с маленьким током (около 5мА). Мощные светики по 200мА не рекомендуется подключать таким образом – во-первых, у них могут сильнее различаться характеристики из-за неравномерного нагрева кристаллов, а вот-вторых понадобится мощный резистор, который и то, возможно, будет греться.

Материал по теме: Что такое реле времени

Лучше подключать каждый светодиод со своим резистором, или использовать линейные или импульсные стабилизаторы тока. Из-за уникальности каждого светодиода при подключении большого их количества может накопиться довольно большое отклонение от теоретических расчётов параметров, чему будут результатом сгоревшие диоды. Одно из интересных применений светодиодов – засветка фоторезиста для изготовления печатных плат. Если вы когда-либо занимались этой технологией или хотя бы читали о ней, Вы явно видели засветку с помощью лампы, похожей на энергосберегающую. Такие лампы малоэффективны, на засветку требуется порядка 10 минут, а с помощью самодельного устройства из 100 УФ-светодиодов мы достигли времени засветки 35 секунд! Для регулировки тока применялось 5 линейных стабилизаторов тока на 200мА, итоговый ток – 10мА на светодиоде, что продлит срок службы!

Свечение красного светодиода.
Свечение красного светодиода.

Использование

Единственный недостаток технологии – высокая стоимость. На данный момент цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем люмена излученного лампой накаливания. Впрочем производители прогнозируют снижение этого показателя в ближайшие годы в 10 раз. Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х – 70-х годах прошлого столетия. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Долго не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. Голубые светодиоды удалось изготовить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. Однако, у светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и оказались недолговечны. Первый голубой светодиод удалось изготовить на основе пленок нитрида галлия на сапфировой(!) подложке.

Будет интересно➡  Что такое тиристоры?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Белый света от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый — смешать цвета по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы. Третий способ – это когда желто-зеленый или зелено-красный люминофор наносятся на голубой светодиод. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Материал в тему: Что такое кондесатор

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Получается целый осветительный комплекс, которым можно управлять вручную или посредством программы. Такие эффекты широко используются дизайнерами и производителями елочных гирлянд и аналогичных устройств. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Недостатком системы является неодинаковый цвет в центре светового пятна и по краям. Кроме этого, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Светодиоды.
Светодиоды.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки их: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

Заключение

Более подробно о светодиодах можно прочитать в статье Устройство современных светодиодов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.sestek.ru

www.howitworks.iknowit.ru

www.optogid.ru

www.voltiq.ru

 

Предыдущая
ПолупроводникиНесколько фактов о лазерном диоде
Следующая
ПолупроводникиЧем стабисторы отличаются от стабилитронов?
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять