Светодиоды и их применение

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED — light emitting diode)— полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.

Достоинства:

1. Светодиоды не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания, что обеспечивает высокую механическую прочность и надежность(ударная и вибрационная устойчивость)
2. Отсутствие разогрева и высоких напряжений гарантирует высокий уровень электро- и пожаробезопасности
3. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда требуется высокое быстродействие
4. Миниатюрность
5. Долгий срок службы (долговечность)
6. Высокий КПД,
7. Относительно низкие напряжения питания и потребляемые токи, низкое энергопотребление
8. Большое количество различных цветов свечения, направленность излучения
9. Регулируемая интенсивность

Недостатки:

1. Относительно высокая стоимость. Отношение деньги/люмен для обычной лампы накаливания по сравнению со светодиодами составляет примерно 100 раз
2. Малый световой поток от одного элемента
3. Деградация параметров светодиодов со временем
4. Повышенные требования к питающему источнику

Внешний вид и основные параметры:

У светодиодов есть несколько основных параметров:

1. Тип корпуса
2. Типовой (рабочий) ток
3. Падение (рабочее) напряжения
4. Цвет свечения (длина волны, нм)
5. Угол рассеивания

В основном, под типом корпуса понимают диаметр и цвет колбы (линзы). Как известно, светодиод - полупроводниковый прибор, который необходимо запитать током. Так ток, которым следует запитать тот или иной светодиод называется типовым. При этом на светодиоде падает определенное напряжение. Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями. Важнейшими элементами, используемыми в светодиодах, являются: Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Фосфор (P), вызывающие свечение в диапазоне от красного до жёлтого цвета. Индий (In), Галлий (Ga), Азот (N) используют для получения голубого и зелёного свечений. Кроме того, если к кристаллу, вызывающему голубое (синее) свечение, добавить люминофор, то получим белый цвет светодиода. Угол излучения также определяется производственными характеристиками материалов, а также колбой (линзой) светодиода.

В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.

Схема включения и расчет необходимых параметров:

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод ("минус"), а другой - анод ("плюс").

Светодиод будет "гореть" только при прямом включении, как показано на рисунке

При обратном включении светодиод "гореть" не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода при малых допустимых значениях обратного напряжения.

Зависимости тока от напряжения при прямом (синяя кривая) и обратном (красная кривая) включениях показаны на следующем рисунке. Нетрудно определить, что каждому значению напряжения соответствует своя величина тока, протекающего через диод. Чем выше напряжение, тем выше значение тока (и тем выше яркость). Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umaxобр (соответственно для прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при котором наблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между Umin и Umax называется "рабочей" зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода.

1. Имеется один светодиод, как его подключить правильно в самом простом случае?

Чтобы правильно подключить светодиод в самом простом случае, необходимо подключить его через токоограничивающий резистор.

Пример 1

Имеется светодиод с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА. Необходимо подключить его к источнику с напряжением 5 вольт.

Рассчитаем сопротивление токоограничивающего резистора

R = Uгасящее / Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – Uсветодиода
Uпитания = 5 В
Uсветодиода = 3 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А
R =(5-3)/0.02= 100 Ом = 0.1 кОм

То есть, надо взять резистор сопротивлением 100 Ом

P.S. Вы можете воспользоваться on-line калькулятором расчета резистора для светодиода

2. Как подключить несколько светодиодов?

Несколько светодиодов подключаем последовательно или параллельно, рассчитывая необходимые сопротивления.

Пример 1.

Имеются светодиоды с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА. Надо подключить 3 светодиода к источнику 15 вольт.

Производим расчет: 3 светодиода на 3 вольта = 9 вольт , то есть 15 вольтового источника достаточно для последовательного включения светодиодов

Расчет аналогичен предыдущему примеру

R = Uгасящее / Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – N * Uсветодиода
Uпитания = 15 В
Uсветодиода = 3 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А
R = (15-3*3)/0.02 = 300 Ом = 0.3 кОм

Пример 2.

Пусть имеются светодиоды с рабочим напряжением 3 вольта и рабочим током 20 мА. Надо подключить 4 светодиода к источнику 7 вольт

Производим расчет: 4 светодиода на 3 вольта = 12 вольт, значит нам не хватит напряжения для последовательного подключения светодиодов, поэтому будем подключать их последовательно-параллельно. Разделим их на две группы по 2 светодиода. Теперь надо сделать расчет токоограничивающих резисторов. Аналогично предыдущим пунктам делаем расчет токоограничительных резисторов для каждой ветви.

R = Uгасящее/Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – N * Uсветодиода
Uпитания = 7 В
Uсветодиода = 3 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А
R = (7-2*3)/0.02 = 50 Ом = 0.05 кОм

Так как светодиоды в ветвях имеют одинаковые параметры, то сопротивления в ветвях одинаковые.

Пример 3.

Если имеются светодиоды разных марок то комбинируем их таким образом, чтобы в каждой ветви были светодиоды только ОДНОГО типа (либо с одинаковым рабочим током). При этом необязательно соблюдать одинаковость напряжений, потому что мы для каждой ветви рассчитываем свое собственное сопротивление

Например имеются 5 разных светодиодов:
1-ый красный напряжение 3 вольта 20 мА
2-ой зеленый напряжение 2.5 вольта 20 мА
3-ий синий напряжение 3 вольта 50 мА
4-ый белый напряжение 2.7 вольта 50 мА
5-ый желтый напряжение 3.5 вольта 30 мА

Так как разделяем светодиоды по группам по току
1) 1-ый и 2-ой
2) 3-ий и 4-ый
3) 5-ый

рассчитываем для каждой ветви резисторы:
R = Uгасящее/Iсветодиода
Uгасящее = Uпитания – (UсветодиодаY + UсветодиодаX + …)
Uпитания = 7 В
Uсветодиода1 = 3 В
Uсветодиода2 = 2.5 В
Iсветодиода = 20 мА = 0.02 А
R1 = (7-(3+2.5))/0.02 = 75 Ом = 0.075 кОм

аналогично
R2 = 26 Ом
R3 = 117 Ом

Аналогично можно расположить любое количество светодиодов

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ!!!

При подсчете токоограничительного сопротивления получаются числовые значения которых нет в стандартном ряде сопротивлений, ПОЭТОМУ подбираем резистор с сопротивлением немного большим чем рассчитали.

3. Что будет если имеется напряжение источник с напряжением 3 вольта (и меньше) и светодиод с рабочим напряжением 3 вольта?

Допустимо (НО НЕЖЕЛАТЕЛЬНО) включать светодиод в цепь без токоограничительного сопротивления. Минусы очевидны – яркость зависит от напряжения питания. Лучше использовать dc-dc конвертеры (преобразователи повышающие напряжение).

4. Можно ли включать несколько светодиодов с одинаковым рабочим напряжением 3 вольта параллельно друг другу к источнику 3 вольта (и менее)? В «китайских» фонариках так ведь и сделано.

Опять, это допустимо в радиолюбительской практике. Минусы такого включения: так как светодиоды имеют определенный разброс по параметрам, то будет наблюдаться следующая картина, одни будут светится ярче, а другие тусклее, что не является эстетичным, что мы и наблюдаем в приведенных выше фонариках. Лучше использовать dc-dc конвертеры (преобразователи повышающие напряжение).

RGB-светодиоды

Полноцветный светодиод или по другому RGB-светодиод - Red, Green, Blue. Смешивая эти три цвета в разной пропорции можно отобразить любой цвет. К примеру, если зажечь все три цвета на полную мощность (Red: 100%, Green: 100%, Blue: 100%), то получится свечение белого цвета. Если зажечь только два (Red: 100%, Green: 100%, Blue: 0%), то будет светиться желтый цвет.

Конструктивно, RGB-светодиод состоит из трех кристаллов под одним корпусом и имеет 4 вывода: один общий и три цветовых вывода.
RGB-светодиоды бывают:
1. С общим анодом (CA)
2. С общим катодом (CC)
3. Без общего анода или катода (6 выводов). Как правило в SMD-исполнении.

Самый длинный вывод RGB-светодиода, обычно является общим (анодом или катодом).

При подключении данных светодиодов, следует учесть, что напряжение, подаваемое для свечения цвета может быть разным для разных цветов.
К примеру, возьмем 5мм светодиод MCDL-5013RGB (I=20мА):
U_red = 2.0 Вольт
U_green = 3.5 Вольт
U_blue = 3.5 Вольт

Также следует отметить то, что для некоторых типов RGB-светодиодов необходимо использовать рассеиватель, иначе будут видны составляющие цвета.

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ!

Представленные выше схемы не отличаются высокой точность рассчитанных параметров, это связано с тем, что при протекании тока через светодиод происходит выделение тепла в нем, что приводит к разогреву p-n перехода, наличие токоограничивающего сопротивления снижает этот эффект, но установление баланса происходит при немного повышенном токе через светодиод. Поэтому целесообразно для обеспечения стабильности применять стабилизаторы тока, а не стабилизаторы напряжения. При применении стабилизаторов тока, можно подключать только одну ветвь светодиодов.

Теги:

• Светодиод