Об использовании светодиодов, устройство светодиода, как зажечь светодиод

Со светодиодами сейчас знакомы все: это светодиодные фонари, светодиодные лампы, ленты и многое другое. Благодаря стараниям разработчиков появились совсем уж экзотические устройства, например, насадка на водопроводный кран.

Внешне она представляет собой прозрачный пластмассовый цилиндр: полилась прохладная вода — внутри насадки зажигается синий светодиод, стала потеплее — засветился желтый, а уж если вода слишком горячая, то насадка становится красной. Содержание внутренней начинки неизвестно, но то, что в качестве излучающих элементов используются светодиоды это очевидно.

Первый светодиод был разработан в университете штата Иллинойс в далеком 1962 году. В 1990 году на свет появились яркие, а позднее суперяркие светодиоды.

Собственно светодиод очень похож на обычный выпрямительный диод, только при прохождении через него прямого тока полупроводниковый кристалл начинает светиться. Английское название светодиодов light emitting diode, или LED, что дословно можно перевести как светоизлучающий диод.

Для получения разной длины волны излучения (цвета) в полупроводник добавляются различные легирующие добавки. Добавка алюминия, гелия, индия, фосфора заставляет кристалл излучать цвета от красного до желтого цвета. Чтобы получить свечение от голубого до зеленого оттенков кристаллы легируются частицами азота, галлия или индия.

В настоящее время, наверно, больше всего распространены светодиоды белого свечения. В основном это изделия для создания освещения, — от карманных фонариков-сувениров до серьезных прожекторов для установки на крышах и фасадах зданий. Но вот какая интересная деталь: в природе не существует полупроводникового материала способного светиться белым цветом.

Как же тут быть? Выйти из такой ситуации помогло ультрафиолетовое излучение: «ультрафиолетовый» кристалл покрывается слоем люминофора, примерно так же, как это сделано в люминесцентных лампах, в результате чего светодиод светится белым цветом.

Но тут тоже есть некоторая засада. Как и в люминесцентных лампах, люминофор со временем утрачивает свои свойства, свечение становится слабым. Правда, чтобы произошел такой износ, светодиод должен непрерывно светить не менее года, а может даже больше. Так что при периодическом включении — выключении срок службы этих приборов достаточно велик.

Первоначально светодиоды предназначались в основном для устройств индикации, они пришли на смену миниатюрным лампам накаливания. Преимущества тут оказались бесспорны. Это малая потребляемая мощность, низкое напряжение питания, а также высокая долговечность: лампа накаливания имеет срок службы не более тысячи часов, в то время как у светодиодов этот параметр исчисляется несколькими десятками тысяч.

В некоторых источниках утверждают, что светодиод может работать непрерывно до 11 лет! А ведь в некоторых устройствах, чтобы заменить лампочку приходится прибегать к значительной разборке корпуса и всей панели индикации. Вот тут в полном объеме помогают молоток, зубило и еще какая-то матерь.

Отличительным параметром светодиодов является разнообразие цветов, что позволяет обходиться без применения светофильтров. По сравнению с лампами накаливания светодиодны лампы обладают повышенной механической прочностью, что позволяет легко переносить вибрации и ударные нагрузки. В разумных, конечно, пределах.

Устройство светодиода

Первые светодиоды выпускались в металлических корпусах с прозрачным окошком. По мере совершенствования технологий корпус стали делать целиком из пластмассы. Цвет пластмассы, как правило, соответствует цвету свечения, но также очень распространены прозрачные корпуса. Каким цветом светится такой светодиод, можно узнать только после его включения.

Так же, как обычный выпрямительный диод , светодиод имеет два вывода анод и катод. Поэтому при подключении необходимо соблюдать полярность. Вывод анода, как правило, несколько длиннее катода, но это пока светодиод новый. Если ноги уже обрезаны, то выводы можно определить «прозвонкой» мультиметром: при правильной полярности подключения светодиод чуточку засвечивается.

В обратном направлении прибор должен показать большое сопротивление, практически обрыв, как в случае с обычным выпрямительным диодом. Внутренне устройство светодиода в прозрачном корпусе показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Внутренне устройство светодиода в прозрачном корпусе

Как зажечь светодиод

Достаточно часто начинающие радиолюбители задают вопрос: «Какое напряжение нужно для того, чтобы зажечь светодиод?». Здесь просматривается аналогия с лампами накаливания. Вот эта лампа на 220В, а вот эта на 12. В случае применения светодиода нельзя сказать, что вот этот светодиод на напряжение 5В, а вот этот на 12В. Спрашивается, почему так?

Дело в том, что светодиод является токовым прибором: последовательно с ним включается токоограничивающий резистор, что и показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема подключения светодиода через токоограничивающий резистор

Нетрудно заметить, что светодиод подключен к источнику постоянного тока с соблюдением полярности: анод подключен к положительному полюсу батареи, а катод через ограничительный резистор соответственно к отрицательному. Естественно, что ограничительный резистор можно включить и в разрыв анодного вывода, ведь цепь-то последовательная!

Источник постоянного тока на рисунке показан в виде гальванического элемента с напряжением не более полутора вольт. На самом деле это может быть батарея элементов с напряжением12…24В, а при соответствующем включении даже осветительная сеть переменного тока 220В. Главное, чтобы ограничить прямой ток через светодиод на уровне заявленном в технической документации. Для большинства современных светодиодов этот ток составляет 20мА.

Но вот тут как раз впору сделать маленькое замечание по поводу вопроса о напряжении светодиода. Дело в том, что в настоящее время с целью миниатюризации электронной аппаратуры налажен выпуск светодиодов с интегрированным, встроенным в корпус ограничительным резистором. Такая интеграция позволяет говорить о том, что вот этот светодиод имеет рабочее напряжение 12В, а этот только 5.

Именно с такой маркировкой можно увидеть ценники на прилавках радиорынков. Правда, такие приборы встречаются нечасто, поэтому, все же не следует забывать об ограничительном резисторе.

Есть еще категория светодиодов, рассчитанных на определенное рабочее напряжение. Это так называемые мигающие светодиоды, содержащие внутри интегральный генератор, заставляющий мигать кристалл с заданной частотой. Попытки изменить частоту мигания с помощью внешних конденсаторов и иных ухищрений обречены на неудачу. Хотя некоторого изменения частоты можно достичь, варьируя напряжение питания.

Так вот, мигающие светодиоды выпускаются именно на определенное напряжение: высоковольтные 3…14В, и низковольтные 1,8…5В. При этом встроенный ограничивающий резистор у низковольтных мигающих светодиодов отсутствует. Тут надо проявлять максимум внимания. Но вернемся к обычным светодиодам.

Итак, уже было сказано, что прямой ток большинства светодиодов 20 миллиампер. Можно сделать несколько меньше (всего-то упадет яркость, и цвет будет немного не тот, который ожидался), но больше крайне нежелательно. Именно это значение тока и призван обеспечить ограничивающий резистор, показанный на рисунке 2.

Для того, чтобы рассчитать величину сопротивления этого резистора следует знать два параметра. Во-первых, это напряжение питания схемы (обратите внимание, именно СХЕМЫ, а не отдельно взятого светодиода) и, во-вторых, прямое падение напряжения на светодиоде.

Это прямое падение оговаривается в техдокументации, и для большинства типов светодиодов находится в пределах 1,8…3,6В (для каждого типа свое, но чаще всего 2В). Именно таким и будет прямое падение напряжения на светодиоде при токе 20мА. Располагая такими данными, рассчитать сопротивление ограничительного резистора очень просто. Чтобы было понятней, откуда что берется, можно воспользоваться простой схемой, показанной на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема подключения светодиода

Совершенно очевидно, что последовательно соединенные резистор R1 и светодиод HL1 представляют собой делитель напряжения. При этом известно, что прямое падение напряжения на светодиоде по справочным данным ровно 2В. Вот такой хороший нам попался светодиод.

Тогда при напряжении питания 12В, падение напряжения на резисторе R1 составит 12В – 2В = 10В. Отсюда несложно по закону Ома подсчитать сопротивление резистора, при котором ток через светодиод будет 20мА: R=U/I=10В/20мА=0,5КОм.

Формула для расчета ограничительного резистора :

Здесь все понятно и просто. В числителе находятся напряжение питания и прямое падение напряжения на светодиоде. В знаменателе находится требуемый ток через светодиод помноженный на коэффициент надежности 0,75. В механике это называется запас прочности.

В случае, когда соединены последовательно несколько светодиодов падение напряжения на них просто складывается и подставляется в показанную выше формулу. Естественно, что при этом сопротивление R при этом становится меньше, чем для одного светодиода.

Совершенно естественно, что на резисторе выделяется какая-то мощность. Чтобы резистор не сгорел сразу или со временем, его мощность обычно рассчитывается по формуле :

Все величины имеют размерность системы СИ: напряжение в вольтах, сопротивление в Омах, мощность в ваттах.

Достаточно часто возникает потребность в различных способах соединения светодиодов, подключения их к различным источникам питания, но об этом будет рассказано в продолжении статьи.

Смотрите также: Как правильно подключить светодиодную ленту к блоку питания