для чего нужен светодиод
светодиоды и общие сведения
Терминология русским языком
Последовательное включение радиодеталей — это когда детали соединены между собой только одной стороной, т.е. последовательно:
Параллельное включение радиодеталей — это когда детали соединены между собой в двух точках — в начале и в конце:
Напряжение — сила, с которой электричество «вдавливается» в провод, чтобы создать его ток.
Аналогична разности давления в начале и конце трубопровода, зависящей от силы насоса, загоняющего воду в трубу.
Измеряется в вольтах (В).
Ток — «количество электричества», проходящее по проводу в единицу времени.
Аналогичен количеству проходящей воды в трубе.
Измеряется в Амперах (А).
Сопротивление — сила, препятствующая прохождению электричества.
Аналогично сужению трубы, препятствующему свободному протоку воды.
Измеряется в омах (Ом).
Мощность — характеристика, отражающая способность, например, резистора без вреда для себя (перегрева или разрушения) пропускать электрический ток.
Аналогична толщине стенок места сужения трубы.
Постоянный ток — это когда электричество течёт постоянно в одну сторону, от плюса к минусу.
Это батарейки, аккумуляторы, ток после выпрямителей.
Аналогичен потоку воды, гоняемой насосом по закольцованной трубе в одну сторону.
Падение напряжения — разность потенциалов до и после детали, дающей сопротивление электрическому току, то есть напряжение, замеренное на контактах этой детали.
Аналогично разности давления воды, гоняемой насосом по кругу, до и после одного из сужений трубы.
Переменный ток — это когда электричество течёт то вперёд, то назад, меняя направление движения на противоположное с определённой частотой, например 50 раз в секунду.
Это электрическая сеть освещения, розетки. В них один провод (ноль) является общим, относительно которого а другом проводе (фазе) напряжение то положительное, то отрицательное. В результате при включении в розетку, например, электрочайника, ток в нём течёт то в одну, то в другую сторону.
Аналогичен движению воды, которую насос через трубу (фазу), опущенную сверху, то выдавливает в бак (ноль), то всасывает из него.
Частота переменного тока — число полных циклов (периодов) изменения направления тока (туда-обратно) за секунду.
Измеряется в герцах (Гц). Один период за секунду равен частоте в 1 герц.
Переменный ток имеет прямой и обратный (т.е. положительный и отрицательный) полупериод.
В Российских бытовых электросетях (в розетках и в лампочках) частота равна 50 герцам.
Важнейшие характеристики светодиодов:
Светодиод — это полупроводник. Он пропускает через себя ток только в одном направлении (также, как и обычный диод). В этот момент он и зажигается. Поэтому при подключении светодиода важна полярность его подключения. Если же светодиод подключается к переменному току (полярность которого меняется, например, 50 раз в секунду, как в розетке), то светодиод будет пропускать ток в одном полупериоде и не пропускать в другом, то есть быстро мигать, что, впрочем, практически незаметно для глаза.
Замечу, что при подключении светодиода к переменному току необходимо обезопасить его от действия напряжения обратного полупериода, поскольку максимально допустимое обратное напряжение большинства индикаторных светодиодов лежит в пределах единиц вольт. Для этого параллельно светодиоду но с обратной полярностью нужно включить любой кремниевый диод, который даст току течь в обратном направлении и организует на себе падение напряжения, не превышающее максимально допустимое обратное напряжение светодиода.
Минус (катод) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса или более коротким выводом. 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 соответствующего резистора!
2. Напряжение питания и падение напряжения.
Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов такой характеристики, потому что 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 питания не может являться характеристикой светодиода, поскольку 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.
Номинальный ток большинства индикаторных светодиодов соответствует либо 10, либо 20 миллиамперам (у зарубежных светодиодов чаще указывают 20 мА), и регулируется он индивидуально для каждого светодиода сопротивлением последовательно включенного резистора. Кроме того, мощность резистора не должна быть ниже расчётного уровня, иначе он может перегреться. Местоположение резистора (со стороны плюса светодиода или со стороны минуса) безразлично.
Поскольку светодиоду важно, чтобы его ток соответствовал номинальному, становится ясно, почему его нельзя подключать к напряжению питания напрямую. Если, например, при напряжении 1,9 вольта ток равен 20 миллиамперам, то при напряжении 2 вольта ток будет равен уже 30 миллиамперам. Напряжение изменилось всего на десятую часть вольта, а величина тока подскочила на 50% и существенно сократила жизнь светодиоду. А если включить в цепь последовательно со светодиодом даже приблизительно рассчитанный резистор, то он произведёт гораздо более тонкую регулировку тока.
Расчет ограничивающего ток резистора
Сопротивление резистора:
R = (Uпит. — Uпад.) / (I * 0,75)
Минимальная мощность резистора:
P = (Uпит. — Uпад.) ^ 2 / R
Ограничение обратного напряжения при подключении светодиода к переменному току
При подключении светодиода к переменному току необходимо ограничить влияние опасного для него напряжения обратного полупериода. У большинства светодиодов предельно допустимое обратное напряжение составляет всего около 2 вольт, а поскольку светодиод в обратном направлении заперт и ток по нему практически не течёт, то падение напряжения на нём становится полным, то есть равным напряжению питания. В результате на выводах диода оказывается полное напряжение питания обратного полупериода.
Для того, чтобы создать на светодиоде приемлимое падение напряжения для обратного полупериода, надо пропустить «через него» обратный ток. Для этого параллельно светодиоду, но с обратной полярностью, надо включить любой кремниевый диод (маркировка начинается на 2Д… или КД…), который рассчитан на прямой ток не менее того, что течёт в цепи (напр. 10 мА).
Диод пропустит проблемный полупериод и создаст на себе падение напряжения, являющегося обратным для светодиода. В результате обратное напряжение светодиода станет равным прямому падению напряжения диода (для кремниевых диодов это примерно в 0,5–0,7 В), что ниже ограничения большинства светодиодов в 2 вольта. Обратное же максимально допустимое напряжение для диода значительно выше 2 вольт, и в свою очередь с успехом снижается прямым падением напряжения светодиода. В результате все довольны.
Исходя из соображения экономии места, предпочтение следует отдать малогабаритным диодам (например, диоду КД522Б, который используется, кстати, в сетевых фильтрах «Пилот» именно для этой цели). Вместо кремниевого диода можно также поставить второй светодиод с аналогичным или более высоким максимальным прямым током, но при условии, что для обоих светодиодов падение напряжения одного светодиода не будет превышать максимально допустимое обратное напряжение другого.
Примечание: Некоторые радиолюбители не защищают светодиод от обратного напряжения, аргументируя это тем, что светодиод и так не перегорает. Тем не менее такой режим опасен. При обратном напряжении свыше указанного в характеристиках светодиода (обычно 2 В) при каждом обратном полупериоде в результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе, происходит электрический пробой светодиода и через него проходит ток в обратном направлении.
Сам по себе электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода восстанавливаются. Для стабилитронов, например, это вообще рабочий режим. Тем не менее этот дополнительный ток, хоть он и ограничен резистором, может вызвать перегрев р-n-перехода светодиода, в результате чего произойдёт необратимый тепловой пробой и дальнейшее разрушение кристалла. Поэтому не стоит лениться ставить шунтирующий диод. Тем более для этого подходит практически любой кремниевый диод, поскольку у них (в отличие от германиевых) малый обратный ток, а следовательно он не будет забирать его на себя, снижая яркость шунтируемого светодиода.
Наиболее распространённые ошибки при подключении светодиодов
1. Подключение светодиода напрямую к источнику питания без ограничителя тока (резистора или специальной микросхемы-драйвера). Обсуждалось выше. Светодиод быстро выходит из строя из-за плохо контролируемой величины тока.
2. Подключение параллельно включенных светодиодов к общему резистору. Во-первых, из-за возможного разброса параметров, светодиоды будут гореть с разной яркостью. Во-вторых, что более существенно, при выходе из строя одного из светодиодов, ток второго возрастёт вдвое, и он может тоже сгореть. В случае использования одного резистора целесообразнее подключать светодиоды последовательно. Тогда при расчёте резистора ток оставляем прежним (напр. 10 мА), а прямое падение напряжения светодиодов складываем (напр. 1,8 В + 2,1 В = 3,9 В).
3. Включение последовательно светодиодов, рассчитанных на разный ток. В этом случае один из светодиодов будет либо работать на износ, либо тускло светиться — в зависимости от настройки тока ограничивающим резистором.
4. Установка резистора недостаточного сопротивления. В результате текущий через светодиод ток оказывается слишком большим. Поскольку часть энергии из-за дефектов кристаллической решётки превращается в тепло, то при завышенных токах его становится слишком много. Кристалл перегревается, в результате чего значительно снижается срок его службы. При ещё большем завышении тока из-за разогрева области p-n-перехода снижается внутренний квантовый выход, яркость светодиода падает (это особенно заметно у красных светодиодов) и кристалл начинает катастрофически разрушаться.
5. Подключение светодиода к сети переменного тока (напр. 220 В) без принятия мер по ограничению обратного напряжения. У большинства светодиодов предельно допустимое обратное напряжение составляет около 2 вольт, тогда как напряжение обратного полупериода при запертом светодиоде создаёт на нём падение напряжения, равное напряжению питания. Существует много различных схем, исключающих разрушающее воздействие обратного напряжение. Простейшая рассмотрена выше.
6. Установка резистора недостаточной мощности. В результате резистор сильно нагревается и начинает плавить изоляцию касающихся его проводов. Потом на нём обгорает краска, и в конце концов он разрушается под воздействием высокой температуры. Резистор может безболезненно рассеять не более той мощности, на которую он рассчитан.
Если нет нужного резистора
Нужное сопротивление ® и мощность (P) резистора можно получить, комбинируя в последовательно-параллельном порядке резисторы других номиналов и мощностей.
Формула сопротивления для последовательного соединения резисторов
Формула сопротивления для параллельного соединения резисторов
R = (R1 * R2) / (R1 + R2) или R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2)
R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + … + 1 / Rn)
Мощности резисторов в сборке рассчитываются исходя из тех-же формул, что и одиночные резисторы. При последовательном включении в формулу вычисления мощности подставляется напряжение источника питания за вычетом падения напряжения на других последовательно стоящих резисторах и светодиоде.
Светодиоды: виды и схема подключения
Светодиодами называют полупроводниковые приборы, которые при подаче напряжения создают оптическое излучение. Их международное буквенное обозначение – LED (LightEmittingDiode).
Содержание статьи
Устройство светодиода
Хотя и существует множество светодиодов, самая распространённая форма состоит из 5-миллиметрового полимерного корпуса с линзой, медного или алюминиевого основания, катода, параболического рефлектора (отражателя) и кристалла, который соединяется с анодом при помощи тонкой золотой проволоки.
Как работает светодиод?
Принцип работы изделия основывается на взаимодействии двух полупроводников, положительного и отрицательного типа (p-n-переход). Когда электрический ток проходит через полупроводники, в месте соприкосновения выделяется энергия, излучающая свет. Это обусловлено переходом от одного типа проводимости к другому, когда ионы положительно заряженных дырок соединяются с отрицательными зарядами электронов.
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 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:
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:
Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.
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.
Основные правила подключения светодиодов
Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:
Основные характеристики светодиодов
Две главные характеристики, указываемы в паспорте светоизлучающего прибора:
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:
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.
Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания
Существует несколько типов блоков питания:
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 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:
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.
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:
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.
Что такое светодиод (LED)
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?
Почему светодиоды вообще работают?
Начну с того, что светодиод очень напоминает диод с PN переходом. Он работает по такому же принципу, то есть пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Зачем это нужно? Если электроны будут двигаться в одном направлении, то будут создавать ток, который в дальнейшем и будет источником света.
Теперь подробнее именно про светодиод. Он устроен не сильно сложнее простого диода. Внутри находится полупроводник с высокой степенью легирования. Спектр излучения зависит от степени легирования и материала, из которого изготовлен полупроводник. Для того, чтобы светодиод работал, нужно воздействовать на него извне, то есть к полюсу p подается напряжение (это называется прямым смещением).
Далее все происходит следующим образом. Диод смещен в прямом направлении, поэтому электроны рекомбинируют с дырками из валентной зоны и высвобождается энергия, которой достаточно для производства фотонов. Эти самый фотоны излучают свет одного света (монохромный). Правда, слой очень тонкий, и поэтому большая часть фотонов покидает переход, тем самым создавая поток света из множества основных цветов видимого спектра.
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.
В чем самые главные плюсы технологии LED?
Одной из главных особенностей светодиодов является его высокий КПД. Дело в том, что обычная лампа накаливания при работе выделяет очень много тепла, а вот светодиод, напротив, остается достаточно холодным. Все это происходит из-за того, что он в большую часть света производит именно в видимом для человека спектре и не расходует энергию на ненужные длины волн. Это позволяет технологии LED серьезно доминировать над уже устаревшими лампами накаливания. Кроме того, светодиоды гораздо меньше по размеру и их можно располагать благодаря этому как угодно и где угодно.
Можно выстраивать из них целые фигуры и даже программировать последовательность того, как они загорятся с помощью мини-компьютеров. Таким образом, это дает очень большой толчок для дальнейшего развития и совершенствования, но довольно лирики.
Какие цвета может излучать светодиод?
Многие заблуждаются в том, что светодиоды светят тем цветом, в который окрашен их корпус, хотя как мы уже говорили ранее, для регулировки цвета и регулировки его интенсивности нужно подбирать подходящий полупроводниковый материал. Именно он является определяющим фактором, если нужно подобрать цвет. Однако, светодиоды могут излучать не все цвета и есть точный спектр, который получить возможно.
Наиболее распространенные цвета — это красный, желтый, зеленый и оранжевый. Это все потому, что их легче производить, а соответственно и стоят они в разы дешевле ново появившихся синих и белых. Взгляните на эту таблицу, чтобы понять, какому напряжению соответствуют итоговые цвета:
Цвета, которые бывают у светодиодов
Давайте теперь подробно остановимся на конкретных материалах, которые влияют на выбор цвета:
Взглянув на этот список можно заметить, что для некоторых цветов подойдет сразу несколько полупроводников и это действительно так. Это уже сам производитель выбирает, какие полупроводники ему выбрать. Может быть, ему легче достать именно этот тип, а не другой, или он просто дешевле. Да, вот так много разных материалов нужно, чтобы создать даже очень простенький современный телевизор, например.
Подробнее про работу светодиода
Теперь, когда мы знаем достаточно много про работу светодиода, давайте еще немного поговорим о том, как он устроен изнутри. Каждый светодиод состоит из следующих деталей:
Каждая из этих деталей очень важна для работы светодиода. Но давайте поговорим о том, что каждый из них делает конкретно. Самые главные детали внутри светодиода — это катод и анод.
Светодиод (или led по другому)
Электроны идут от катода к аноду при подаче напряжения на устройство, благодаря чему электроны идут к PN переходу и там занимают свободные места. После этого электроны переходят на новый энергетический уровень, выделяется множество фотонов. Как мы уже говорили ранее, фотоны направляются вверх с помощью отражателя и рассеивателя.
Чем отличаются разные светодиоды и зачем нужен каждый из них?
Если говорить об основных видах LED или светодиодов, то это конечно же осветительные (используются для яркого света в помещении) и индикаторные (они для декоративных целей, например, чтобы украсить стадион или телебашню). Однако светодиоды также различают по типу конструкции:
Как можно подсоединять светодиоды
Когда мы уже знаем достаточно много о светодиодах, давайте узнаем, как можно объединять. Для этого нам нужно их соединить. Но каким образом можно это сделать и какой способ будет лучшим?
Попробуем подсоединить последовательно
Последовательное соединения нужно, если нужно массово увеличить количество освещенности (например, регулировка уровня яркости). Подсоединив светодиоды таким способом, они будут работать как один. Рекомендуем при этом использовать в цепочке светодиоды одного типа и даже одного цвета.
Последовательное соединение LED
Несмотря на то, что ток внутри светодиодов при последовательном подключении идет один и тот же, при установке резисторов нам точно придется учитывать, что напряжение тоже будет падать последовательно. Например, исходное напряжение равно 1.2 В на один светодиод, но тогда напряжение на всех n светодиодах будет уже n * 1.2. То есть если светодиодов 3, то общее падение будет уже 3.6 В. Так как же тогда посчитать падение напряжения на резисторах? Все очень просто. Давайте предположим, что все светодиоды будут питаться от одного и того же логического устройства с напряжением 5 В. Тогда:
Обращаю ваше внимание, что среди резисторов E12 не встречается сопротивления 140 Ом, поэтому придется вариант с 150 Ом.
Как же теперь включать и выключать светодиоды?
Когда мы знаем уже достаточно много о светодиодах, пришло время узнать, как можно легко управлять их включением и выключением. Здесь схемы будут немного сложнее. Для управления мы будем использовать выходные каскады CMOS и TTL (они регулируют напряжение при высоком кпд и почти без искажений). Дело в том, что они могут использоваться как источники, так и как приемники полезного тока. А это как раз дает нам возможность пользоваться ими, как включателями и выключателями. Взгляните на эти примеры:
Теперь вы знаете достаточно много про светодиоды. Если вам понравилась статья и вы хотели бы узнать о них еще больше, то мы будет очень рады узнать от вас эту информацию в комментариях.
Светодиоды можно купить на алишке, вот по этой ссылке.
Вот в передаче «Галилео» подробно рассказывают про светодиоды, можете посмотреть: