Как узнать ток и напряжение светодиода – практические и теоретические методы

При работе со светодиодным освещением, особенно когда эти светодиоды являются частью проекта с аккумуляторным питанием, очень важно рассчитать энергопотребление в цепи. Это выполнить просто, имея мультиметр, способный измерять ток, сопротивление и напряжение. Даже если нет необходимого прибора, можно оценить напряжение светодиодов другими методами, которые нужно знать.

Принцип работы светодиода

Светодиоды повсюду вокруг нас: в наших телефонах, наших автомобилях и даже в наших домах.

Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод.

Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта это самая популярная вещь в электроники.

Светодиоды («LED») — это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет.

На самом деле, светодиод означает «светоизлучающий диод».

И можно увидеть сходство на схеме диода и светодиода:

Характеристики светодиода (LED) - фотография 3

Как работает светодиод - изображение 4

В светодиоде положительный вывод называется анодом, а отрицательный вывод — катодом. 

Для правильной работы светодиода анод светодиода должен иметь более высокий потенциал, чем катод, так как ток в светодиоде течет от анода к катоду.

Что произойдет, если мы подключим светодиод в обратном направлении? Ничего, так как светодиод не будет проводить ток. Простая светодиодная схема - фотография 5

Прямой ток светодиодов

Светодиоды являются очень чувствительными устройствами, и величина тока, протекающего через светодиод, очень важна. Кроме того, яркость светодиода зависит от величины тока, потребляемого светодиодом.

Каждый светодиод имеет максимальный прямой ток, который может безопасно проходить через него, не перегорая. Да, допустимый ток, превышающий номинальный ток, фактически подожжет светодиод.

Например, наиболее часто используемые 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток от 20 мА до 30 мА, а 8-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 150 мА (точные значения приведены в техническом описании).

Как нам регулировать ток, протекающий через светодиод? Для контроля тока, протекающего через светодиод, мы используем резисторы с ограничением тока.

Прямое напряжение LED

Светоизлучающие диоды также рассчитаны на максимальное напряжение, то есть количество напряжения, которое необходимо для светодиода. Например, все 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 20 мА, но прямое напряжение меняется от одного светодиода к другому.

Максимальное напряжение на красных светодиодах составляет 2,2 В, максимальное напряжение на синих светодиодах — 3,4 В, а на максимальном напряжении белых светодиодов — 3,6 В.

История создания светодиода.

Она насчитывает всего чуть больше ста лет. Первое упоминание о свечении диода относится к 1907 году. Английский физик Генри Раунд заметил разноцветное излучение при течении электричества через соединения карбид кремния-металл. Такое явление получило название электролюминесценция.

Спустя почти двадцать лет в 1923 году российский ученый Олег Лосев проводил подобные эксперименты в Нижнем Новгороде. Физик обнаружил свечение на месте контакта карбида кремния и стальной проволоки. Лосев опубликовал результаты своих исследований, и обосновал, что электролюминесценция наблюдается именно на границе соприкосновения разнородных материалов. Теоретическую базу под открытие подвести не смогли, и дальнейшего развития оно не получило. Хотя Лосев предсказал использование электролюминесценции для создания маломощных и миниатюрных источников света. Физик даже придумал конструкцию светового реле, но дальше исследования не продолжились.

В 1961 году, еще через сорок лет, американские изобретатели Д. Р. Байард и Г. Питтман придумали технологию выпуска светодиодов из арсенида галлия. В 1962 году они получили патент, и начался промышленный выпуск. Однако, их led-элемент испускал инфракрасное излучение, то есть был не видим человеческому глазу.

Но в том же 1962 году американский физик Ник Холоньяк изобрел красный светодиод. В 1971 году его соотечественник Жак Панков придумал синий. А в 1972 Джордж Крафорд открыл желтый led.

Впрочем, до семидесятых годов XX века светоизлучающие диоды оставались очень дорогими. Фирма «Монсанто» первой в мире удалось организовать массовое производство led в качестве индикатора.

В семидесятых годах группе советских ученых под начальством Ж. Алферова удалось синтезировать неизвестные до этого полупроводниковые вещества. Их начали получать на предприятиях и в лабораториях. А на основе этих соединений запустили серийное изготовление светодиодов.

В 1983 году Citizen Electronics придумала и внедрила на своих предприятиях светодиоды плоской конструкции (SMD).

В девяностые годы японские ученые И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамура придумали, как значительно удешевить производство синих led. Технологию успешно опробовала фирма Nichia с 1993 года. А с 1996 года они начали изготовление белых led-элементов, чей свет получается из сочетания красного, синего и зеленого. В дальнейшем на базе открытия японских ученых стали стремительно развиваться новые методы производства световой техники: лампочек, дисплеев с подсветкой и других приборов.

В 2003 Citizen Electronics придумали новейшую технологию производства СОВ (Chip-On-Board). Она заключается в монтаже полупроводникового элемента на подложку при помощи специального непроводящего клея.

Очевидно, что история светоизлучающих диодов только набирает обороты, а технологии становятся все более совершенными.

Для создания разных цветов потребовалось много времени.

Принцип работы.

Кристалл состоит из полупроводниковых материалов, которые расположены слоями. Свечение появляется после протекания электричества между границами их соприкосновения. В одном полупроводнике (n) преобладают электроны (отрицательные частицы), а в другом (p) –  ионы – дырки (положительные частицы). Полупроводниковые соединения способны пропускать электричество только  от p -слоя к n -слою, т.е. в одну сторону.

Схема появления излучения.

Под воздействием электричества электроны из n-слоя и дырки из р-слоя начинают двигаться к р-n-переходу. Происходит рекомбинация дырки и электрона — между р-n-границей протекает ток. Электроны переходят на низший энергетический уровень, с высоких орбиталей на более низкие. Освобождается энергия, которая  излучается в виде фотонов.

Описанный процесс протекает во всех полупроводниковых диодах. Но длина волны фотона не всегда находится в заметном человеческому глазу спектре. Для появления видимости необходимо движение элементарных частиц в определенном интервале: от 400 до 700 нм. Это достигается подбором определенных химических веществ. У каждого есть особая длина волны и цвет излучения.

Самые удачные материалы получаются из соединений типа AIIIBV и AIIBVI где II, III, V и VI – валентности элементов. Например, уже упоминавшийся арсенид галлия, фосфат индия или селенид цинка  и теллурид кадмия. Подобные соединения называют прямозонными. Возможно получение разнообразных  по свечению светодиодов: от ультрафиолетовых до инфракрасных.

К другой группе относятся непрямозонные полупроводники. Это карбид кремния, сам кремний, германий и другие. Диоды из них свет светят очень неярко. Впрочем, научные работы по использованию таких веществ продолжаются. Основные поиски решения ведутся в области технологий квантовых точек и фотонных кристаллов.

Кроме света при p-n-переходе освобождается еще и тепло. Для его отвода необходим теплоотвод (часто в этой роли выступает корпус изделия) или радиатор.

Простая светодиодная схема

На следующем рисунке показана схема простой светодиодной цепи, состоящей из 5-миллиметрового белого светодиода с источником питания 5 В.

Типы светодиодов - изображение 6

Поскольку это белый светодиод, номинальные значения тока и напряжения следующие: типичный прямой ток составляет 20 мА, а типовое прямое напряжение составляет 2 В.

Виды и характеристики светодиодов.

Светоизлучающие диоды различают по конструкции корпуса:

  1. DIP – маломощные индикаторные цилиндрические элементы. Востребованы для подсветок экранов, индикации, световых гирлянд.
  2. «Пиранья» — четырехконтактный DIP. Они крепче держатся на своем месте и меньше греются. Востребованы в автомобильной промышленности для подсветок.
  3. SMD – внешне выглядит, как параллелепипед. За счет своей надежности и универсальности востребованы во многих отраслях светотехнической промышленности.
  4. PCB Star светодиоды. Разновидность SMD.
  5. СОВ – плоский SMD. Новейший тип.

Независимо от исполнения корпуса выделяют светодиоды:

  1. Двухцветные. Они излучают одновременно два цвета. Обладают тремя контактами, один из которых общий.
  2. Полноцветные RGB (красный-зеленый-синий). Изготавливаются из трех полупроводниковых кристаллов под общей линзой, обладают четырьмя электродами. По одному выводу для каждого полупроводникового элемента и один общий вывод. В SMD у прибора будет шесть выводов.

Пропорциональное смешение цветов дает всевозможные оттенки света. Например, при включении на 100% красного и зеленого получится желтый.

  1. Адресные светодиоды − разновидность полноцветных. Отличаются от обычных RGB тем, что включаются по собственному индивидуальному коду. Востребован в лентах, где на адресном светодиоде можно задать неповторяющийся цветовой оттенок. При этом led-диод обладает собственным адресом, на который поступают команды от специального управляющего драйвера. Управление цветами происходит через микрочипы, которые встраиваются рядом с адресными светодиодами.
  2. Сверхмощные (сверхяркие) светодиоды – элементы мощностью выше 1 Вт с силой тока от 300 мА. (Мощность обычных светодиодов измеряется чаще всего в милливаттах). Такие устройства светят очень ярким светом. Используются в фонариках, фарах, прожекторах и т.п.

Также led-элементы подразделяются на:

  1. Индикаторные — маломощные.
  2. Осветительные — приборы большой мощности.
  3. Инфракрасные – излучают невидимый человеческому глазу инфракрасный спектр.

Инфракрасные диоды. Благодаря специально подобранным материалам проводников они испускают невидимые глазу инфракрасные лучи. Они безвредны для живых существ, но заметны для электронных систем регистрации. Востребованы во многих технических устройствах  и станках во всевозможных отраслях промышленности.

Индикаторные led-диоды. Выступают в роли индикаторов для техники,  подсветок дисплеев и т.п. Их делят по типу используемых полупроводников на:

  • двойные – светят зеленым и оранжевым;
  • тройные – светят желтым и оранжевым;
  • тройные – светят красным и желто-зеленым.

Независимо от вида светодиоды характеризуются некоторыми параметрами.

Цвет излучения. Обусловлен химическим составом полупроводников. Некоторые вещества и соответствующие им цвета обозначены в таблице.

Яркость. Она пропорциональна силе тока, текущей сквозь элемент. Среди led-диоды, которые светят белым светом, выделяют яркие (20-25 милликандел) и сверхяркие (свыше 20 тысяч милликандел).

Сила тока. Светодиоды весьма чувствительны к силе тока. При превышении ее значения выше номинального led может перегореть. Поэтому не рекомендуется превышать максимальный прямой ток элемента. Точные значения для конкретного светодиода приводятся в техническом описании.

Падение напряжения. Характеризует допустимую разницу между величинами входного и выходящего напряжения. У значения напряжения для светодиодов есть максимальное значение, превышение которого приведет к поломке led. Значения указываются в техническом описании.

Полярность. Поскольку ток в светодиоде течет только от p -слоя к n -слою, для предотвращения поломок стоит полярность. Обычно ее определяют по внешнему виду, маркировке или особым пометкам на корпусе. (Подробнее смотрите в статье «определение полярности»). Также узнать полярность можно из технической документации.

Угол рассеивания света. Определяется формой линзы, конструкцией кристалла и от используемых для изготовления кристалла веществ. Может меняться от 15 до 180 градусов.

Устройство светодиода.

Led-диод состоит из полупроводникового кристалла, который закреплен на подложке, корпуса с контактами и оптической системы.

Устройства индикаторных (DIP), плоских (SMD) и СОВ элементов различаются снаружи. 

Конструктивное устройство DIP.

DIР-светодиод в разрезе.

В основании прибора монтируются контакты. Кристалл (один или несколько) закреплен на катоде. К кристаллу присоединяется проволока. Она соединяет полупроводники с анодом. Это необходимо для группировки двух проводников с различными типами проводимости. Сверху led-элемент герметично покрывается линзой. Корпус устройства изготавливается в виде цилиндра из эпоксидной смолы, край которого обрезан со стороны катода. Монтаж led-элемента происходит путем пайки длинных выводов.

Конструктивное устройство SMD.

SMD-светодиод в разрезе.

Корпус изготавливается параллелепипедом. Его основа – теплоотвод от кристалла. На  нее монтируется полупроводниковый элемент. Контактный провод соединяет его с анодом. Контакты выполняются плоскими. Сверху элемент герметично накрывается линзой.

Конструктивное устройство СОВ.

COB-технология – новейшее направление в производстве.

Такие светоизлучающие диоды имеют в основании теплопроводящую подложку (обычно алюминиевую). На нее непроводящим клеем закрепляют полупроводниковые кристаллы, которые объединены по последовательно-параллельной схеме. Сверху все покрывается люминофором.

Такой тип led легко монтируется, выдает хороший световой поток и не искажает цвета. Востребованы в производстве небольших, ярких прожекторов и декоративной подсветки. В отличие от DIP и SMD способны работать при повышенных температурах. Но из-за своего устройства имеют меньший срок эксплуатации по сравнению.

Если на одной подложке смонтировано множество кристаллов, то такой led-элемент называется светодиодной матрицей.

Конструктивное устройство PCB Star.

Состоит из одного большого кристалла, который монтируется на алюминиевую подложку в форме звезды. За счет увеличенной площади кристалла повышается мощность светодиода. Упрощается его фокусировка. Поэтому РCB Star востребованы в производстве ярких источников света: от фонариков до прожекторов.

Индикаторные светодиоды

Индикаторныесветодиодные чипы наиболеераспространены. Применяются для различной подсветки и индикации, от фонарей исветофоров до бытовой техники. Современные модификации обладают большой силойсвета, хотя это достаточно маломощныесветодиоды.

Функциюотражателей, концентрирующих световой поток, выполняют стенки и опорнаяпластина. Приборы имеют прямоугольные торцы с диаметром 3-10 мм и выпуклыелинзы. Для них требуется источник питания в 2,5-5 В (предел по току – 20-25 мА), а если используетсяинтегрированный резистор – 12В. Угол свечения бывает либошироким (110-140о), либо узким (15-45о). Светоотдача белых светодиодов находится на уровне3-5 Лм.

  • Строение индикаторного светодиода

Индикаторный диод обладает следующими преимуществами:

  • небольшая стоимость;
  • безопасные токи и напряжение светодиодов;
  • высокий уровень защиты от внешних воздействий;
  • небольшое потребление энергии с низкой теплоотдачей, позволяющей устройствам работать продолжительное время без охлаждающих радиаторов.

Среди индикаторныхвыделяют следующие типы светодиодов:

Тип светодиода Строение Корпус Цветовой диапазон Угол рассеяния Область применения
DIP Самые маленькие, кристалл в выводном корпусе Прямоугольный или цилиндрический, диаметр – от 3 до 10 мм. Имеет выпуклую линзу Одно- и многоцветный (RGB), УФ и ИК До 60о Устройства индикации, световые табло, ёлочные украшения
Super Flux «Piranha» Имеет четыре вывода для фиксации на плате Прямоугольный, с линзой (5 или 3 мм) или без Зелёный, красный, синий и белые с разной температурой 40-120о Подсветка дневных ходовых огней, автомобильных приборов и прочего
Straw Hat Два вывода, кристалл расположен возле передней стенки Цилиндрический, радиус линзы увеличен, высота уменьшена Синий, зелёный, жёлтый, белый и красный светодиод 100-140о Используются, когда требуется равномерное освещение с небольшим энергопотреблением
SMD Не имеют вывода, монтируются поверхностно Типовой размерный ряд, часть с выпуклой линзой, другая – плоские светодиоды Цветные и белые 20-120о Являются основой диодных лент

Наиболеетехнологичной и популярной является группа SMD светодиодов.

Как сделать расчет потребления ампер для светодиодной ленты, диода

Сегодня светодиодная продукция прочно вошла в наши дома и стала незаменимой. Это утверждение касается не только лампочек, но и светодиодных лент, с помощью которых можно создать в домашних или уличных условиях красивейшие световые эффекты.

Внешний вид светодиодной ленты

Но чтобы светодиодная лента работала долго и качественно, ее нужно правильно подключить. А для этого необходимо выяснить, сколько ампер будет потреблять купленная лента. Это очень важный параметр, который обязательно должен знать человек, делающий светодиодную подсветку с помощью данной продукции своими руками. Все, что нужно знать, чтобы выяснить, сколько потребляет led-лента, расскажет данная статья.

Недостатки светодиодов:

  • Небольшое превышение напряжения или тока может повредить устройство.
  • Известно, что устройство имеет более широкую полосу пропускания по сравнению с лазером.
  • Температура зависит от выходной мощности излучения и длины волны.

Энергетическая эффективность различных светодиодов

Развитие LED технологий направлено в первую очередь на увеличение их энергоэффективности. Средние показатели световой отдачи для различных типов чип-светодиодов составляют следующие значения:

  • SMD 3528 — 70 лм/Вт
  • SMD 5050 — 80 лм/Вт
  • SMD 5630 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-05 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-1 — 100 лм/Вт

Из приведенных данных видно, что со сменой поколений светодиодов кардинального роста световой отдачи не произошло. В тоже время, если сравнить светодиоды SMD3528 и светодиоды SMD5730-1, то можно обнаружить, что световой поток вырос почти в 22 раза, в то время как потребление энергии возросло всего в 15 раз.

Вольт-амперная характеристика светодиода.

Она имеет нелинейный характер. Led начинает пропускать ток с определенного значения напряжения. Оно называется пороговым. Пороговый вольтаж определяется химическими соединениями полупроводников.

Вольт-амперная зависимость.

Синяя кривая описывает протекание электричества при прямом включении. Красная кривая — при обратном включении.

UMAX и UMAXОБР – предельно допустимые значения напряжений. При их превышении элемент сгорает.

UMIN – минимальное величина напряжения. Начинается свечение.

Интервал между минимальным и максимальным — рабочая зона. Именно в ней диод светоизлучается.

IMAX – предельное допустимое значение тока. При превышении светодиод перегорает.

Подключение светодиода.

Самым простым случаем подключения светодиода является подключение с резистором. Последний необходим для токоограничения, чтобы исключить перегорание led при скачках напряжения.

onebit.png

При подключении led-элементов по любой схеме не забывайте придерживаться полярности! Иначе полупроводниковый прибор не будет светить и перегорит.

Электрическая схема соединения светодиода (LED) и резистора (R).

При соединении нескольких светоизлучающих диодов возможны разные варианты их соединения.

Последовательное подключение.

Схема последовательного соединения.

Элементы соединяются последовательно с учетом полярности. В цепи значение тока   постоянно, а напряжение на led-элементах суммируется.

Параллельное соединение.

Схема параллельного соединения светодиодов через один резистор.

В этом случае постоянным в цепи сохраняется напряжение, а силы тока на элементах складываются. У данного типа соединения есть недостаток. На разных светодиодах может быть неодинаковое падение напряжения. Поэтому ток на каком-нибудь элементе может превысить допустимый, что приведет к поломке.

Во избежание этого следует подключать к каждой параллельной цепи свой резистор.

Схема параллельного подключения.

Параллельно-последовательное соединение.

При подключении большого количества светодиодов стоит использовать параллельно-последовательную электрическую схему. При этом в параллельных ветках напряжение одинаковое.

Электрическая схема параллельно-последовательного соединения.

Цветовая маркировка.

Маркировка led в мире не стандартизирована. Изготовитель сам решает, что он будет обозначать на корпусе.

Светодиоды российского производства маркируются цветовым кодом. Он состоит из цветных кружочков или черточек. Примеры маркировки приведены ниже на рисунке.

Цветовая маркировка российских индикаторных светодиодов.

Рассмотрим маркировку известных мировых производителей.

Philips.

В качестве примера возьмем модель Luxeon Rebel. Она маркируется LXML-ABCD-EFGH. В этой аббревиатуре зашифровано следущее:

  • LXML – серия;
  • ABC – информация о свете:  как распределяется, цветовая температура;
  • D – величина тока;
  • E – запасная буква на будущие модели;
  • FGH – яркость (в люменах).

Cree.

Фирма предлагает обозначение SSSCCC-BD-0000-NNNNN, где:

  • SSS – серия;
  • CCC – описание цвета:
  • BD – индекс цветопередачи:
  • 0000 – код производителя;
  • NNNNN – индивидуальный номер по цветовой температуре и яркости. Стоит уточнить в техническом описании.

Достоинства и недостатки светодиодов

Плюсы

  • Высокая механическая и вибрационная стойкость.
  • Небольшой разогрев.
  • Маленькие габаритные размеры, легкий
  • Долговечность.
  • Низкое энергопотребление и мощность.
  • Возможность регулирования интенсивности свечения.
  • Высокие декоративные качества: разнообразие цветов и оттенков свечения.
  • Безынерционность: включаются сразу на полную мощность.
  • Возможность работы при низких температурах.
  • Низкая цена индикаторных светодиодов.
  • Безопасность: низкие рабочие значения напряжения и тока.

Минусы

  • Высокая цена SMD.
  • Ухудшения со временем качества кристалла: чем дольше светодиод работает, тем он тусклее.
  • Повышенные требования к источнику питания.
  • Недопустимы даже небольшие превышения минимальных и максимальных значений электрических параметров.

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Органические светодиоды (OLED)

Если основа излучающей поверхности светодиода имеет органическоепроисхождение, такой светодиод называют OLED  (Organic LightEmitting Diode). Излучающим материалом может быть небольшая молекула вфазе кристаллизации или полимер. Полимерные кристаллы могут бытьгибкими, соответсвенно их называют PLED или FLED.

По сравнению с обычными светодиодами, OLED светлее, а полимерныевдобавок позволяют делать источник света гибким. В будущем на базетаких светодиодов планируется изготовление гибких недорогих дисплеевдля портативных устройств, источников света, декоративных систем,светящейся одежды. Но пока уровень разработки OLED не допускает ихкоммерческое применение.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...