Немного о светодиодах

14.11.16

[Домашняя]

 

Любой полупроводниковый диод - это р-п переход. Основное свойство р-п перехода это прежде всего однонаправленное пропускание тока. Но этому свойству сопутствует множество второстепенных свойств, более или менее выраженных в конкретном типе диода. Вот второстепенное свойство р-п к свечению при про­пускании прямого тока специально развито и используется в светодиодах. Таким образом, светодиод - это диод светящийся при пропускании через него прямого тока. Основной цвет свечения светодиода зависит от добавок добавленных в полупроводник из которого он сделан. Так, например, примеси алюминия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Индий, галлий, азот дают свечение от голубого до зеленного цвета. Но это основной цвет свечения. Есть и другие способы, например добавление люминофора, - вещества светящего своим цветом при воздействии на него другого цвета. Например, при добавке люмино­фора в кристалл голубого свечения светодиод будет светиться белым светом. В настоящее время промышленность выпускает светодиоды свечения всех цветов радуги, однако цвет зависит не от цвета корпуса светодиода, а именно от химических добавок в его кристалле, наличия люминофоров и прочих технических ухищрений. Например, какой- то конкретный цвет может быть получен смешением двух или трех других цветов. Светодиод любого цвета может иметь прозрачный корпус, либо корпус из прозрачного материала, окрашенного в цвет его свечения. В этом случае корпус играет роль светофильтра улучшающего цвет свечения. Кроме того в составе корпуса имеется линза, либо сам прозрачный пластмассовый корпус может являться линзой. Светодиоды можно разделить на две большие группы: светодиоды видимого излучения и светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона. Существует так же и третья группа - светодиоды ультрафиолетового излучения. Но это весьма сложные приборы на основе люминофора, светящегося в ультрафиолетом спектре. Светодиоды видимого спектра излучения применяются в качестве индикаторов и источников подсветки, а так же и в качестве осветительных приборов (все зависит от яркости свечения). Инфракрасные светодиоды применяются обычно в устройствах дистанционного управления, приемо-передающих устройствах ИК диапазона, охранных датчиках, датчиках автоматики. Двухцветные светодиоды отличаются тем что в одном корпусе есть два светодиода. Либо они включены встречно параллельно, тогда у корпуса два вывода, либо есть три вывода, - два анода от светодиодов разных цветов и один общий катод. В первом случае свечение зависит от направления тока через светодиод. Например, при одной полярности подключения цвет зеленый, а при другой красный. При работе же на переменном токе цвет будет желтым. У варианта с тремя выводами можно получить больше цветов, так как можно не только переключать разноцветные части светодиода (обычно красная и зеленая) и включать их одновременно (желтый цвет), но и изменять соотношения токов через разноцветные части светодиода получая различные переходные цвета. Кстати, анало­гичную конструкцию имеют и так называемые RGB-светодиоды. В их одном корпусе есть три светодиода, красный, синий и зеленый. А выводов четыре, - общий катод и три анода. Изменяя токи через разноцветные части такого светодиода можно получить практически любой цвет свечения (также как на экране цветного телевизора). Конструктивное исполнение светодиодов весьма разнообразное. На рисунке 1 схематически показано несколько вариантов.

Однако наиболее часто встречается вариант корпуса рис.1.9. Обычно полярность светодиода обозначается длиной выводов (анод длиннее). Но это имеет значение только если светодиод новый, а не выпаянный из старой платы. В этом случае полярность можно определить и опытным путём, кратковременно подключая светодиод к источнику питания через токоограничительный резистор во избежание теплового пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность «методом тыка» без токоограничивающего резистора. Для быстрого тестирования светодиод можно подключить к источнику тока через резистор с номинальным сопротивлением 1 кОм, а так как большинство светодиодов имеют прямое напряжение в пределах 1,2... 3,6V, а максимальное обратное обычно не ниже 5V, то вполне в качестве источника тока можно использовать 4,5-вольтовую батарею для плоских карманных фонарей.    У неё очень удобные лепестковые выводы. К одному из них можно подпаять резистор и получится «проверялка» как на рисунке 2.

При подключении светодиода к источнику тока напряжением более 5V необходимо соблюдать полярность, иначе светодиод может выйти из строя. Дело в том, что максимальное обратное напряжение светодиода обычно не высоко и редко бывает более 5V. Все таки это не выпрямительный диод, и при его разработке уделялось внимание его свечению, а не выпрямительным способностям. Хотя свойство пропускать ток в одном направлении у них общее, между ними есть значительная разница. Для того, чтобы светодиод излучал в видимом диапазоне, у него значительно более широкая запрещенная зона, чем у обычного диода.    А от ширины запрещенной зоны напрямую зависит такой паразитный параметр диодов, как внутренняя емкость. При изменении направления тока, эта емкость разряжается, за какое-то время, называемое временем закрытия, зависящее от размеров этой емкости. Во время разряда емкости, светодиодный кристалл испытывает значительные пиковые нагрузки на протяжении гораздо большего времени, нежели обычный диод. При последующем изменении направления тока на "правильное" ситуация повторяется. Впрочем ситуацию можно исправить включив последовательно светодиоду выпрямительный диод в том же направлении. Хотя у некоторых светодиодов есть внутренний дополнительный диод для защиты от подключения в обратной полярности. В таких светодиодах обычно есть и встроенный токоограничительный резистор (или интегральный стабилизатор тока). Эти светодиоды предназначены для непосредственного подключения к источнику 12V, например, в качестве автомобильной лампочки. Вообще к вопросу питания светодиода следует подойти отдельно. В принципе напряжения питания светодиода как такового параметра не существует. Ведь несмотря ни на что это диод вольт- амперная характеристика у него как у диода. То есть, минуя некоторый почти линейный участок напряжение на кристалле перестает расти, но начинается быстрый рост тока (практически вертикальная часть ветви ВАХ диода). Так что важен ток, который нельзя превышать, и важно то, что питающее напряжение должно быть выше прямого напряжения светодиода. Именно поэтому нужен резистор, сопротивлением которого устанавливается ток через светодиод. Так что, если для лампы накаливания важно напряжение питания, то для свето­диода важна сила прямого тока. Определить сопротивление токоограничительного резистора для светодиода можно по следующей формуле: R = (Uпит-Uпад.)/I, где Uпит. - напряжение источника питания, Uпад. - прямое напряжение падения на светодиоде, I - требуемый ток через светодиод. Понятно что Uпад. не может быть равным либо больше Uпит, в противном случае светодиод гореть не будет. Например, есть светодиод с напряжением падения 2V и номинальным током 20 mА (0,02А), а напряжение источника питания 12V. Получается: R= (12-2)/0,02 = 500 Оm. То есть, последовательно этому светодиоду в данных условиях нужно включить резистор сопротивлением 500 Оm. При последовательном включении нескольких светодиодов (рис.3.) сопротивление необходимого резистора рассчитывается аналогично, только из напряжения питания нужно вычесть напряжения падения всех светодиодов.

Например, для трех светодиодов формула будет выглядеть так: R = (Uпит. - Uпад1 - Uпад2 -UпадЗ) / I, например, то же напряжение питания и ток, но есть три последовательно включенных светодиода, у одного напряжение падения 2V, у другого 2,5V, а у третьего 1,8V: R = (12 - 2 - 2,5 -1,8) / 0,02 = 285 Оm. С параллельным включением светодиодов ситуация немного другая. Большой ошибкой будет подключить два или несколько светодиода параллельно и подать на них ток через один резистор. Конечно рассуждая логически это возможно и правильно. Но нужно учесть тот факт что светодиоды, даже из одной партии, имеют разброс напряжения падения, требуют несколько различные напряжения каждый, что делает такое подключение практически нерабочим. Ведь как известно ток течет по наименьшему сопротивлению, и потечет он через тот светодиод у которого напряжение падения ниже. Остальные же либо вообще гореть не будут, либо будут гореть очень тускло. Поэтому если светодиоды соединяются параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничительный резистор, как показано на рисунке 4.

Это же касается и многоцветных светодиодов, с количеством выводов более двух, - каждый цвет нужно подключать через отдельный резистор, а подбором сопротивлений этих резисторов можно изменять цвет свечения многоцветного светодиода в очень широких пределах (рис.5.).

Радиоконструктор №1 2013г стр. 36

Домашняя

Дата последнего изменения этого узла 14.11.2016