Светодиоды – как работает, полярность, расчет резистора

Что такое LED и с чем его едят?

В повседневной жизни мы очень часто встречаемся с аббревиатурой LED, например, когда речь заходит о дисплеях. Что же это такое? Так вот, с английского LED расшифровывается как Light Emitting Diode, что можно дословно перевести, как “диод, испускающий свет”. Теперь все становится намного понятнее. Значит это все-таки один из видов диода, а точнее даже его особый вид. Давайте попробуем разобраться, где в повседневной жизни мы встречаемся с такими диодами и как вообще они работают.

Чаще всего можно увидеть эти 3 буквы при просмотре характеристик техники, которая имеет дисплеи. Например, матрицы телевизоров, телефонов и мониторов довольно часто оснащаются именно LED подсветкой. Если говорить проще, то LED — это световой диод, или светодиод. Уже проще, верно? Так как же он работает?

Виды и основные параметры светодиодов

На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

По назначению светодиоды разделяют на два вида – индикаторные и осветительные.

Индикаторные:

• светодиоды SMD;
• сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
• DIP светодиоды (Direct In-line Package);
• Straw Hat («соломенная шляпа»).

Осветительные:

• COB (Chip On Board) светодиоды;
• SMD LED;
• филаментные (Filament LED).

Индикаторные

Индикаторные светодиоды отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

• DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
• «Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
• «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
• SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.

Осветительные

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

• cool white – холодный;
• warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

А в чем же отличие от обычного диода?

Оказывается, световой диод все же отличается от обычного (сигнального) диода. Основное отличие, конечно же, заключается именно в конструкции. Так, у светодиода есть специальная полусферическая защита, которая хранит его от ударов и других механических воздействий извне. Также очень любопытен тот факт, что светодиодный переход самостоятельно излучает довольно мало фотонов. Именно по этой причине корпус светодиода специально делают из эпоксидной смолы, которая позволяет направить фотоны, идущие в другие стороны строго вверх.

Встречаются иногда и очень необычные формы светодиодов. Среди них и прямоугольная, и цилиндрическая и даже форма в виде стрелки. Все зависит от того, куда нужно концентрировать свет, а это зависит от цели, для которой этот светодиод создается.

Применение светодиодов

Такая продукция активно применяется в разных областях: световая реклама, домашние и промышленные осветительные приборы, автомобильная светотехника, светофоры и дорожные знаки, дизайн помещений, ландшафтная и архитектурная подсветка, а также многое другое.

Преимущества светодиодов:

• значительная длительность эксплуатации;
• экологическая безопасность;
• высокая надежность и безотказность;
• экономия электроэнергии;
• высокое качество освещения;
• низкие эксплуатационные расходы.

Смешение цветов

Современные диодные ленты могут выдавать разные оттенки светового потока. Один прибор может производить монотонный цвет. При создании многокристального устройства возможно получить огромное количество различных оттенков. Подобно монитору телевизора или компьютера, диод может создать любой цвет при помощи модели RGB (расшифровывается как красный, зеленый, синий).

Это простой принцип, позволяющий понять, как работают RGB-светодиоды. При помощи этой технологии можно создавать и белое освещение. Для этого все три цвета смешиваются в равной пропорции.

Однако, помимо представленной технологии, можно получить белое свечение при соединении диода коротковолнового излучения (ультрафиолетовый, синий) вместе с желтым покрытием люминофорного типа. При комбинации фотонов желтого и синего цвета в итоге получается белое свечение.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

• По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
• С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Почему тёплый свет?

Почему лучше лампы тёплые? В интернете гуляет такой график «комфортности» освещения в зависимости от ЦТ — кривая Круитхофа

кривая Круитхофа

Кривая Круитхофа не содержит фактических данных, которые стали основой для её построения, а лишь указывает на приблизительные соотношения освещённости и цветовой температуры для комфортного искусственного освещения. В связи с этим, научная ценность кривой неоднозначна.

С него хорошо видно, что если мы хотим «комфортный» холодный свет, то освещённость должна быть >1000лк в помещении, а это уже затратно. Верить в это или нет, вопрос исключительно личного мнения — например, я с ней согласен, только с одним условием — этот график совершенно не подходит для светодиодного освещения.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

• Uпитания – напряжение электропитания, В;
• Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
• Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном.2 х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Дальнейшее развитие светодиодных технологий

Первые сверхяркие светодиоды синего свечения на базе InGaN были продемонстрированы Ш. Накамурой из японской компании Nichia. Это положило начало новой эре в применении светодиодов — использование в качестве источника света для освещения. Комбинация синего света и желтого фосфора позволила получить белый свет.
Благодаря этому открытию светодиодные технологии начали бурно развиваться. В феврале 2008 года сотрудники Bilkent university в Турции заявили о получении 300 люмен видимого света на один ватт световой мощности. Это был белый цвет теплого оттенка, полученный с использованием нанокристаллов.

В январе 2009 года исследователи из Кембриджа под предводительством С. Хэмфри доложили о выращивании нитрида галлия на подложке из кремния. Этот способ позволяет сократить производственные затраты при производстве сверхярких светодиодов на 90% по сравнению с выращиванием структур на сапфировой подложке.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

• Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
• Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Принцип работы

Рассматривая, как работает светодиод, необходимо вникнуть в основной принцип работы подобных устройств. Прибор представленного типа имеет один электронно-дырчатый переход. Это связано с разным принципом проводимости компонентов осветителя. Один полупроводник имеет излишек электронов, а другой – излишек дырок.

При помощи процесса легирования дырчатый материал обогащается носителями отрицательного заряда. Если в месте обогащения полупроводников противоположными зарядами приложить ток, получится прямое смещение. Через переход этих двух материалов побежит электричество.

При этом в корпусе диода происходит сплавление носителей зарядов с различным электрическим статусом. Когда дырки и электроны сталкиваются, выделяется определенное количество энергии. Это квант светового потока. Его называют фотоном.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

• При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
• При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

Параллельное

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

• большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
• существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Смешанное

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.

Материалы

В следующей таблице указана зависимость цвета свечения светодиода от материала полупроводника

Долговечность

Диоды считаются долговечными устройствами. Это объясняется их конструкцией. Однако если не работают светодиоды на лампе, возможно, срок их эксплуатации вышел. Это можно определить по насыщенности свечения и изменению цвета.

Также специалисты отмечают, что срок эксплуатации маломощных устройств гораздо продолжительнее. Но даже в самых ярких лентах или лампах диоды гарантированно работают 20-50 тыс. часов. Так как они не имеют хрупких элементов конструкции, механические воздействия с большей вероятностью не нанесут вреда подобным осветителям.

Изучив, как работает светодиод, можно понять принцип устройства этого прибора, а также его эксплуатационные характеристики. Это оборудование считается осветителями будущего поколения.

Размеры кристаллов

Светодиодная матрица мощностью 80 Ватт
Сверхъяркий элемент выстраивается на кристаллах, размеры которых указываются как mil – тысячная доля дюйма. Если перевести величину в миллиметры, получится 0, 0254 мм. Размер стандартного кристалла составляет 30х30 и 45х45 mil.

Специалисты для определения размера кристалла используют цифровые штангенциркули с острыми концами. Инструмент позволяет выявить величину с точностью до 0,01 мм. Среднестатистическому человеку достаточно знать, что размер соотносим с мощностью:

• 1 W – 45х45 mil или 30х30 mil;
• 0,75 W – 24х40 mil;
• 0,5 W – 24х24 mil.

Кристалл светодиода производители утапливают в корпусе, поэтому для измерения не применяют микрометр.