Светодиод устройство и работа.
Любой полупроводниковый диод - это p-n переход. Основное свойство p-n перехода это прежде всего однонаправленное пропускание тока.
В светодиодах используется свойство p-n перехода к световому излучению при пропускании прямого тока через него.
Основной цвет свечения светодиода (СД) зависит от добавок добавленных в полупроводник из которого он сделан. Так, например, примеси
алюминия,
фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Индий, галлий, азот дают свечение от голубого до зеленного. Но это основное
цветовое свечение. Существуют и другие способы, например добавление люминофора. Например, при добавке люминофора в кристалл голубого свечения он
будет светиться белым светом.
В настоящее время промышленность выпускает СД свечения всех цветов радуги, однако цвет зависит не от цвета корпуса,
а именно от химических добавок в его кристалле, наличия люминофоров и прочих технических ухищрений. Например, какой-то конкретный цвет может быть
получен смешением двух или трех других цветов.
Светодиод может иметь прозрачный корпус, либо корпус из прозрачного материала, окрашенного в цвет его свечения. В этом
случае корпус играет роль светофильтра улучшающего цветового свечения. Кроме того в составе корпуса имеется линза, либо сам прозрачный
пластмассовый корпус может являться линзой.
Светодиоды можно разделить на две большие группы: видимого излучения и инфракрасного (ИК) диапазона.
Существует так же и третья группа - ультрафиолетового излучения. Но это весьма сложные приборы на основе люминофора,
светящегося в ультрафиолетом спектре.
Светодиоды видимого спектра излучения применяются в качестве индикаторов и источников подсветки, а так же и в качестве осветительных
приборов (все зависит от яркости свечения).
Инфракрасные применяются обычно в устройствах дистанционного управления, приемо-передающих устройствах ИК диапазона, охранных
датчиках, датчиках автоматики.
Двухцветные СД отличаются тем, что в одном корпусе у них два светодиода. Либо они включены встречно параллельно, тогда у
них два вывода, либо есть три вывода, - два анода от двух диодов разных цветов и один общий катод. В первом случае свечение зависит от
токового направления через них. Например, при одной полярности подключения цвет зеленый, а при другой красный. При работе же на
переменном токе - будет желтым.
У варианта с тремя выводами можно получить больше цветов, так как можно не только переключать
разноцветные части (обычно красная и зеленая) и включать их одновременно (желтый), но и изменять токовые соотношения через
разноцветные части, получая различные переходные цвета.
Кстати, аналогичную конструкцию имеют и так называемые RGB-светодиоды. У них в одном корпусе три диода - красный, синий и зеленый.
А выводов четыре, - общий катод и три анода. Изменяя токи через разноцветные части можно получить практически
любое цветовое свечение (также как на экране цветного телевизора).
Конструктивное исполнение СД весьма разнообразное. На рисунке 1 схематически показано несколько вариантов.
Однако наиболее часто встречается вариант корпуса рис.1.9. Обычно полярность обозначается длиной выводов (анод длиннее).
Если светодиод
выпаян из старой платы полярность определяют опытным путём, кратковременно
подключая его к источнику питания через токоограничительный резистор во избежание теплового пробоя или резкого
сокращения срока его службы. Нельзя определять полярность «методом тыка» без токоограничивающего резистора. Для быстрого тестирования
подключают через сопротивление 1 ком, а так как большинство светодиодов имеют
прямое напряжение в пределах 1,2... 3,6V, а максимальное обратное обычно не ниже 5V, то вполне в качестве его питания можно использовать
4,5-вольтовую батарею для плоских карманных фонарей. У неё очень удобные лепестковые выводы. К одному из них можно подпаять резистор и
получится «проверялка» как на рисунке 2.
При подключении к питанию более 5V необходимо соблюдать полярность, иначе он может выйти из
строя. Дело в том, что максимальное его обратное напряжение обычно не высоко и редко бывает более 5V. Все таки это не
выпрямительный диод, и при его разработке уделялось внимание его световому излучению, а не выпрямительным способностям. Поэтому между ними есть
значительная разница. Для того, чтобы он излучал в видимом диапазоне, у него
значительно более широкая запрещенная зона. А от ширины запрещенной зоны напрямую зависит такой паразитный
параметр, как внутренняя емкость. При изменении токового направления, эта емкость разряжается, за какое-то время, называемое временем
закрытия, зависящее от размеров этой емкости. Во время разряда емкости, кристалл светоизлучателя испытывает значительные пиковые нагрузки
на протяжении гораздо большего времени, нежели обычный диод.
При последующем изменении токового направления на правильное ситуация
повторяется. Впрочем ситуацию можно исправить включив последовательно светоизлучающему диоду выпрямительный диод в том же направлении. Хотя у
некоторых светодиодов он уже есть внутри для защиты от подключения в обратной полярности. В них обычно
есть и встроенный токоограничительный резистор (или интегральный токовый стабилизатор). Они предназначены для непосредственного
подключения к источнику 12V, например, в качестве автомобильной лампочки.
Вообще к вопросу питания СД следует подойти отдельно. В принципе напряжения его питания как такового параметра не
существует. Ведь несмотря ни на что, это диод и вольтамперная характеристика как у диода. Поэтому, минуя
некоторый почти линейный
участок напряжение на кристалле перестает расти, но начинается быстрый токовый рост (практически вертикальная часть ветви ВАХ). Так что
важен ток, который нельзя превышать, и важно то, что питание должно быть выше прямого напряжения светодиода. Именно
поэтому нужно сопротивление, которым устанавливается ток через него.
Определить сопротивление токоограничительного резистора можно по следующей формуле:
R = (Uпит.- Uпад.) / I,
где:
Uпит. - напряжение источника питания,
Uпад. - прямое напряжение падения на СД,
I - требуемый ток через СД.
Понятно что Uпад не может быть равным либо больше Uпит, в противном случае светодиод гореть не будет.
Например: при Uпад = 2V, I = 20 ma (0,02А) и Uпит = 12V
R= (12-2)/0,02 = 500 Ом.
Поэтому, последовательно этому светодиоду, в данных условиях, нужно включить сопротивление 500 Oм.
При последовательном включении нескольких светодиодов (рис.3.) сопротивление необходимого резистора рассчитывается аналогично,
только из напряжения питания нужно вычесть его падение на всех СД.
К примеру, для трех светодиодов формула будет выглядеть так:
R = (Uпит. - Uпад1 - Uпад2 -Uпад3)/I.
Например, при Uпит = 12V, у одного Uпад1 = 2V, у другого Uпад2 = 2,5V, а у третьего Uпад3 = 1,8V:
R = (12 - 2 - 2,5 - 1,8)/0,02 = 285 Oм.
С параллельным включением ситуация немного другая. Большой ошибкой будет подключить два или несколько СД
параллельно и подать на них ток через один резистор. Конечно рассуждая логически это возможно и правильно. Но нужно учесть тот факт что
они, даже из одной партии, имеют разброс напряжения падения, что делает такое
подключение практически нерабочим. Ведь как известно ток течет по наименьшему сопротивлению, и потечет он через тот светодиод у которого
падение ниже.
Остальные же либо вообще гореть не будут, либо будут гореть очень тускло.
Поэтому если они соединяются
параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничительный резистор, как показано на рисунке 4.
Это же касается и
многоцветных светодиодов, с количеством выводов более двух, - каждый цвет нужно подключать через отдельный резистор, а подбором их
сопротивлений можно изменять цветовую гамму в очень широких пределах (рис.5.).
Каравкин В.
РК 01/2013
| << Предыдущая | Cледующая >> |