Устройство светодиода
Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.
Общая характеристика LED-источников
Как выбрать светодиод нужной конфигурации? Для этого важно разобраться в основных характеристиках. Одна из них — ток потребления. Под эту величину подбираются стабилизаторы и ограничители. Для расчетов нужно знать напряжение. Чтобы эффективно заменить LED-источниками лампы накаливания нужно вычислить мощность.
При создании определенного интерьера важно учитывать размер светоизлучающего диода, а также оттенок светового потока. Имея дело с LED-источниками, принято брать во внимание угол свечения. Разобравшись в перечисленных параметрах, можно подобрать наиболее подходящий светодиод.
При выборе светодиодов важно учитывать такие характеристики: сила тока, напряжение, мощность, эффективность, угол свечения, размер устройства
Ток потребления LED
Стабилизаторы тока очень важны в работе светодиодов. Даже небольшое колебание величины тока в большую сторону приведет к изменению излучаемого кристаллами светового оттенка на более холодный и преждевременному выходу осветительного устройства из строя. Значительный скачок электрического тока приводит к мгновенному перегоранию диода.
LED –лампы всегда снабжают стабилизаторами для преобразования тока. Отдельный светоизлучающий диод нужно подключать с применением резистора для ограничения тока. Для одного кристалла обычно необходим ток в 0,02 А. Для четырех кристаллов потребуется соответственно больший показатель — 0,08 А.
Принцип работы светодиодов
Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.
При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.
Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:
- ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;
- полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.
Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.
Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).
Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.
Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.
Цветовая маркировка световых диодов
С одной стороны, цветовая маркировка позволяет определить вид и характеристики светодиода, с другой – единых обозначений не существует. Каждый производитель использует свои значения. В России есть цветовая маркировка, но ее редко используют – список элементов из цифр и букв слишком большой, запомнить достаточно сложно, расшифровка неудобна для обычного покупателя.
Более простое буквенное обозначение принимают за общепринятое (неофициально). Используют в основном для светодиодных лент. Кроме общих характеристик указывают степень защиты элемента от проникновения мусора и влаги – IP и цифры от 0 до 6.
Чтобы выбрать хороший вариант для замены устаревших лампочек, необходимо выяснить, какие бывают светодиоды, и установить параметры подключаемой электрической сети: соответствие напряжения, силы тока, сопротивления.
Ориентироваться на стоимость нельзя – марки дешевых светодиодов часто имеют завышенные параметры, используют неустойчивые материалы.
Виды светодиодов, классификация
По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.
По типу исполнения выделяют:
- Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света.
Dip светодиоды - Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.
- Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам.
Smd - Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров.
Cob - Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.
Волоконные - Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп. Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно. Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий.
Filament - Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.
Oled
- В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.
Светодиоды могут быть:
- мигающими – используются для привлечения внимания;
- многоцветными мигающими;
- трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
- RGB;
- монохромными.
Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.
Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).
По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.
Зачем нужно знать мощность
Мощность светодиода нужна для выбора подходящего источника питания. Зная потребление светодиода, мы можем подобрать нужный ему блок питания. Расчет по мощности позволит избежать проблем при дальнейшей работе или сэкономить средства.
Рассмотрим примеры, чтобы стало понятно, о чем идет речь. Например, имеем светоизлучающий диод с рабочим напряжением 3,5 Вольта и током 0,1 Ампера. По формуле расчета мощности P=I*U, получаем значение P=3,5*0,1 => P=0,35 Ватт. Мощность десяти составит 3,5 Ватта или 1 Ампер. Отсюда делаем вывод, что для подключения одного светодиода нам потребуется блок питания (БП) мощностью 0,385 Ватта (с запасом 10%). Для подключения десяти понадобится БП на 3,85 Вт (также с запасом 10%).
Блок питания для светодиодов рекомендуется выбирать с запасом в 10-20%. Это предотвратит работу БП на пределе, что в свою очередь продлит его срок службы.
Полярность светодиодов
Полярность светодиодов
При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.
Полярность моно определить несколькими способами:
- Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
- При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.
- При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
- По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.
Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.
Варианты схем подключения
Определить оптимальную схему питания для конкретного светодиода можно, если известны его вольтамперные характеристики и параметры сети (батарейки, аккумулятора, бытовой электросети).
Если, например, нужно подключить светодиод к пальчиковой батарейке или нескольким батарейкам, то прямое соединение приведет к быстрому разряду источника или перегоранию диода. Поэтому в схему включается резистор, ограничивающий электроток. Чтобы определить сопротивление резистора, нужно от вольтажа батареек отнять вольтаж светодиодного источника, полученный результат разделить на ток led. Если резистора с такими параметрами нет, нужно купить элемент с ближайшим большим значением.
Внимание! Так можно сделать своими руками самый простой фонарик.
Домашние мастера для питания светодиодов используют так же:
- аккумуляторы мобильных кнопочных телефонов на 3,7 В;
- зарядные устройства планшетов на 5 В;
- батарейки крона (9 В);
- автомобильные аккумуляторы (12 В);
- блоки питания ноутбуков (19 В).
На основе зарядных устройств телефонов и планшетов делают ночники из светодиодной ленты на 3,7 или 5 В. На корпус нужно приклеить отрезок, соответствующий по вольтажу, и подключить к USB-гнезду или плате (если корпус можно разобрать).
К батарейке крона можно последовательно подключить 2-3 СМД-чипа. Возможна регулировка яркости при помощи миниатюрного диммера.
Аккумулятора на 12 В достаточно для питания 3 светодиодов СМД, но при использовании в автомобиле требуется резистор или низковольтный драйвер с настройкой электротока тока (с дросселем).
Дома к блоку питания ноутбука можно подключить до 5-и диодов последовательно, если меньше, то в схему включается резистор. Для питания большего количества источников используется смешанная схема, например, 3 параллельные цепочки, в каждой из которых 3 последовательно соединенных диода. При таком варианте для каждой последовательной цепи требуется отдельный резистор.
При большом токе лампы с цоколем резисторы использовать нецелесообразно, так как теряется большой объем мощности. Необходимо купить сетевой импульсный драйвер или сделать линейный. При выборе последнего варианта используются готовые схемы и компоненты, которые доступны в радиомагазинах и интернет-магазинах. Импульсную модель неспециалисту самостоятельно изготовить сложно.
Важно! При последовательном соединении напряжение блока должно быть такое же, как сумма падения вольтажа на диодах. При параллельном соединении плюсуются электротоки. Если в системе источники с разными характеристиками, для каждого вида требуется отдельный блок.
При выборе драйвера важно учесть так же характеристики среды, в которой будет работать светодиодный источник. Не стоит думать, что это оборудование стабилизирует ток только при скачках напряжения. В помещениях с повышенной температурой электроток повышается, при минусовых температурах – понижается.
Введение
Всем нам с детства знакомы эти красивые яркие лампочки. Сегодня они присутствуют практически в любой аппаратуре. Те, кто постарше, помнят, как покупали их по 40–50 копеек за штуку и вставляли в магнитофоны «Электроника 302».
Сегодня их тоже используют «самоделкины», но в основном для создания красивой подсветки автомобилей, компьютеров или других устройств (т.н. моддинг). Но правильно ли их подключают? Почему они то работают годами, а то сгорают в первые же дни, хотя подключены к одинаковому напряжению? Ответы на эти вопросы вы найдёте в этой статье.
Статья рассчитана на дилетантов в электронике, простым языком объясняя основные её понятия, необходимые для осмысленного подключения светодиодов к различным источникам питания.
[Вернуться в начало]
