Цвет свечения светодиода зависит от добавок добавленных в полупроводник. Так, например, примеси алюминия, гелия, индия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Индий, галлий, азот заставляет светодиод светится от голубого до зеленного цвета. 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. Светодиод любого цвета может иметь прозрачный корпус.
Маркировка светодиодов
Рис. 1. Конструкция индикаторных 5 мм светодиодов
В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор задает первоначальный угол рассеивания.
Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы . Доходит до линзы - и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы, на практике - от 5 до 160 градусов.
Излучающие светодиоды можно разделить на две большие группы: светодиоды видимого излучения и светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона. Первые применяются в качестве индикаторов и источников подсветки, последние — в устройствах дистанционного управления, приемо-передающих устройствах ИК диапазона, датчиках.
Светоизлучающие диоды маркируются цветовым кодом (табл. 1). Сначала необходимо определить тип светодиода по конструкции его корпуса (рис. 1), а затем уточнить его по цветной маркировке по таблице.
Рис. 2. Виды корпусов светодиодов
Таблица 1. Маркировка светодиодов
Светодиоды подключаются к источнику тока, анодом к плюсу, катодом к минусу. Минус (катод) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса или более коротким выводом, но бывают и исключения, поэтому лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.
При отсутствии указанных меток полярность можно определить и опытным путём, кратковременно подключая светодиод к питающему напряжению через соответствующий резистор. Однако это не самый удачный способ определения полярности. Кроме того, во избежание теплового пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность «методом тыка» без токоограничивающего резистора. Для быстрого тестирования резистор с номинальным сопротивлением 1кОм подходит большинству светодиодов если напряжение 12V или менее.
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Почему? Как уже ясно из названия, светодиод это не выпрямительный диод, и, хотя свойство пропускать ток в одном направлении у них общее, между ними есть значительная разница. Для того, что 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 гараздо большего времени, нежели обычный диод. При последующем изменении направления тока на "правильное” ситуация повторяется. Поскольку время закрытия / открытия у обычных диодов значительно меньше, необходимо использовать их в цепях переменного тока, включая последовательно со светодиодами, для снижения негативного влияния переменного тока на светодиодный кристалл. Если светодиодное изделие не имеет встроенной защиты от переполюсовки, то ошибка подключения также приведет к снижению срока службы. В некоторые светодиоды токоограничивающий резистор встроен "с завода” и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды встречаются довольно редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний токоограничивающий резистор.
Сразу следует предупредить: не следует направлять луч светодиода непосредственно в свой глаз (а также в глаз товарища) на близком расстоянии, что может повредить зрение.
Напряжение питания
Две главных характеристики светодиодов это падение напряжения и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например, четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА. 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.
Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов такой характеристики, поэтому нельзя подключать светодиоды к источнику питания напрямую. Главное, чтобы напряжение, от которого (через резистор) питается светодиод, было выше прямого падения напряжения светодиода (прямое падение напряжения указывается в характеристике вместо напряжения питания и у обычных индикаторных светодиодов колеблется в среднем от 1,8 до 3,6 вольт).
Напряжение, указанное на упаковке светодиодов — это не напряжение питания. Это величина падения напряжения на светодиоде. Эта величина необходима, чтобы вычислить оставшееся напряжение, «не упавшее» на светодиоде, которое принимает участие в формуле вычисления сопротивления резистора, ограничивающего ток, поскольку регулировать нужно именно его.
Изменение напряжение питания всего на одну десятую вольта у условного светодиода (с 1,9 до 2 вольт) вызовет пятидесятипроцентное увеличение тока, протекающего через светодиод (с 20 до 30 милиампер).
Для каждого экземпляра светодиода одного и того же номинала подходящее для него напряжение может быть разным. Включив несколько светодиодов одного и того же номинала параллельно, и подключив их к напряжению, например, 2 вольта, мы рискуем из-за разброса характеристик быстро спалить одни экземпляры и недосветить другие. Поэтому при подключении светодиода надо отслеживать не напряжение, а ток.
Величина тока для светодиода является основным параметром, и как правило, составляет 10 или 20 миллиампер. Неважно, какое будет напряжение. Главное, чтобы ток, текущей в цепи светодиода, соответствовал номинальному для светодиода. А ток регулируется включённым последовательно резистором, номинал которого вычисляется по формуле:
R - сопротивление резистора в омах.
Uпит - напряжение источника питания в вольтах.
Uпад - прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.
I - максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в характернистиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера). При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.
0,75 - коэффициент надёжности для светодиода.
Не следует также забывать и о мощности резистора. Вычислить мощность можно по формуле:
P - мощность резистора в ваттах.
Uпит - действующее (эффективное, среднеквадратичное) напряжение источника питания в вольтах.
Uпад - прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .
R - сопротивление резистора в омах.
Расчет токогораничивающего резистора и его мощности для одного светодиода
Типичные характеристики светодиодов
Две главных характеристики светодиодов это напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.
Таблица падения напряжений светодиодов в зависимости от цвета
По величине падения напряжения при тестировании светодиодов мультиметром можно определить примерный цвет свечения светодиода согласно таблице.
Последовательное и параллельное включение светодиодов
При последовательном подключении светодиодов сопротивление ограничивающего резистора рассчитывается также, как и с одним светодиодом, просто падения напряжений всех светодиодов складываются между собой по формуле:
При последовательном включении светодиодов важно знать о том, что все светодиоды, используемые в гирлянде, должны быть одной и той же марки. Данное высказывание следует взять не за правило, а за закон.
Что б узнать какое максимальное количество светодиодов, возможно, использовать в гирлянде, следует воспользоваться формулой
Где:
* Nmax – максимально допустимое количество светодиодов в гирлянде
* Uпит – Напряжение источника питания, например батарейки или аккумулятора. В вольтах.
* Uпр - Прямое напряжение светодиода взятого из его паспортных характеристик (обычно находится в пределах от 2 до 4 вольт). В вольтах.
* При изменении температуры и старения светодиода Uпр может возрасти. Коэфф. 1,5 дает запас на такой случай.
При таком подсчете "N” может иметь дробный вид, например 5,8. Естественно вы не сможете использовать 5,8 светодиодов, посему следует дробную часть числа отбросить, оставив только целое число, то есть 5.
Ограничительный резистор, для последовательного включения светодиодов рассчитывается точно также как и для одиночного включения. Но в формулах добавляется еще одна переменная "N” – количество светодиодов в гирлянде. Очень важно чтобы количество светодиодов в гирлянде было меньше или равно "Nmax”- максимально допустимому количеству светодиодов. В общем, должно выполнятся условие: N =< Nmax
Теперь приведем модернизированные формулы расчета под последовательное включение.
Все остальные действия по расчетам производятся в аналогии расчета резистора при одиночном включении светодиода.
Если напряжения источника питания не хватает даже для двух последовательно соединённых светодиодов, тогда на каждый светодиод нужно ставить свой ограничительный резистор.
Параллельное включение светодиодов с общим резистором — плохое решение. Как правило, светодиоды имеют разброс параметров, требуют несколько различные напряжения каждый, что делает такое подключение практически нерабочим. Один из диодов будет светиться ярче и брать на себя тока больше, пока не выйдет из строя. Такое подключение многократно ускоряет естественную деградацию кристалла светодиода. Если светодиоды соединяются параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничительный резистор.
Последовательное соединение светодиодов предпочтительнее ещё и с точки зрения экономного расходования источника питания: вся последовательная цепочка потребляет тока ровно столько, сколько и один светодиод. А при параллельном их соединении ток во столько раз больше, сколько параллельных светодиодов у нас стоит.
Рассчитать ограничительный резистор для последовательно соединённых светодиодов так же просто, как и для одиночного. Просто суммируем напряжение всех светодиодов, отнимаем от напряжения источника питания получившуюся сумму (это будет падение напряжения на резисторе) и делим на ток светодиодов (обычно 15 - 20 мА).
А если светодиодов у нас много, несколько десятков, а источник питания не позволяет соединить их все последовательно (не хватит напряжения)? Тогда определяем исходя из напряжения источника питания, сколько максимально светодиодов мы можем соединить последовательно. Например для 12 вольт - это 5 двух вольтовых светодиодов. Почему не 6? Но ведь на ограничительном резисторе тоже должно что-то падать. Вот оставшиеся 2 вольты (12 - 5х2) и берём для расчёта. Для тока 15 мА сопротивление будет 2/0.015 = 133 Ома. Ближайшее стандартное - 150 Ом. А вот таких цепочек из пяти светодиодов и резистора каждая, мы уже можем подключить сколько угодною Такой способ называется параллельно-последовательным соединением.
Если имеются светодиоды разных марок то комбинируем их таким образом что бы 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.
Далее рассмотрим стабилизированную схему включения светодиодов. Коснёмся изготовления стабилизатора тока. Существует микросхема КР142ЕН12 (зарубежный аналог LM317), которая позволяет построить очень простой стабилизатор тока. Для подключения светодиода (см. рисунок) рассчитывается величина сопротивления R = 1.2 / I (1.2 - падение напряжения не стабилизаторе) Т.е., при токе 20 мА, R = 1,2 / 0.02 = 60 Ом. Стабилизаторы рассчитаны на максимальное напряжение в 35 вольт. Лучше не напрягать их так и подавать максимум 20 вольт. При таком включении, например, белого светодиода в 3,3 вольта возможна подача напряжения на стабилизатор от 4,5 до 20 вольт, при этом ток на светодиоде будет соответствовать неизменному значению в 20 мА. При напряжении 20В получаем, что к такому стабилизатору можно подключить последовательно 5 белых светодиодов, не заботясь о напряжении на каждом из них, ток в цепи будет протекать 20мА (лишнее напряжение погасится на стабилизаторе).
Важно! В устройстве с большим количеством светодиодов протекает большой ток. Категорически воспрещается подключать такое устройство к включенному источнику питания. В этом случае, в месте подключения, возникает искра, которая ведет к появлению в цепи большого импульса тока. Этот импульс выводит из строя светодиоды (особенно синие и белые). Если светодиоды работают в динамическом режиме (постоянно включаются, выключаются и подмигивают) и такой режим основан на использовании реле, то следует исключить возникновение искры на контактах реле.
Каждую цепочку следует собирать из светодиодов одинаковых параметров и одного производителя.
Тоже важно ! Изменение температуры окружающей среды влияет на протекающий ток через кристалл. Поэтому желательно изготавливать устройство так, чтобы протекающий ток через светодиод был равен не 20мА, а 17-18 мА. Потеря яркости будет незначительная, зато долгий срок службы обеспечен.
