Світлодіод

Світлодіод – це різновид діода. Особливістю світлодіода є його здатність випромінювати світло при прямому підключенні, коли струм проходить від анода (+) до катода (-). Звідси скорочена назва світлодіода – LED, що означає: light emitting diode (з англ. – світловипромінювальний діод).

З чого складається світлодіод?

Так як світлодіод виготовляється на базі звичайного діода, то його структура включає в себе базові елементи діода. Для більшої функціональності в світлодіод додали нові елементи.

Як ми бачимо на зображенні, як і звичайний діод, світлодіод всередині має два шари напівпровідника p- і n-типу. Вони закріплені на клемі-підкладці, яка безпосередньо пов’язана з катодом. Верхній шар напівпровідника пов’язаний з анодом дротяним зв’язком.

Корпус світлодіода виготовляють з світлопрозорих матеріалів, в основному це пластик або скло. Залежно від конфігурації, світлодіод може бути з додатковими технічними рішеннями. Це інший корпус (форма, наявність лінзи, металеві тепловідвідні елементи) і внутрішні складові (кілька p-n пар напівпровідника, люмінесцентне заповнення, керуючий чіп, рефлектор та ін.)

Принцип роботи світлодіода

При прямому підключенні світлодіода до джерела живлення, відбувається рекомбінація електронів і дірок в забороненій зоні напівпровідників. При цьому виділяється певна кількість тепла і світла.

Зазначу, що напівпровідниковий кристал будь-якого діода при прямому підключенні випромінює фотони світла. Але спектр хвиль цього випромінювання знаходиться поза видимою зоною для людського ока.

Кристали світлодіодів виготовляють з домішками арсеніду і фосфіду галію, алюмінію, телуриду кадмію, селеніду цинку, з’єднань індію та інших. Домішки змінюють ширину забороненої зони і дозволяють задати світлодіоду потрібну інтенсивність світіння та колір.

Напрямок та кут розсіювання потоку світлового випромінювання в світлодіодах задають лінзи і рефлектори.

Кристали надпотужних світлодіодів розміщують на тепловідвідних площадках з міді або алюмінію для захисту від перегріву.

Застосування світлодіодів

Елементарна функція світлодіода це – індикація. Це може бути індикація стану приладу – вмикання/вимикання, або індикація режиму, в якому працює прилад. Щоб підсвітити панель приладу, на допомогу так само приходять світлодіоди.

Наприклад, ви включаєте аудіоколонки на комп’ютері і зелений світлодіод інформує вас про те, що живлення включено. Монітор комп’ютера перейшов в “енергозберігаючий режим” – про це інформує миготливий помаранчевий світлодіод, замість зазвичай палаючого синього. А щоб ви не шукали в темряві вимикач – він підсвічується світлодіодом.

Ще приклад використання – підсвічування дисплея. РК-дисплеї вимагають додаткового підсвічування з бічної або тильної сторони. Цю задачу вирішують світлодіоди. Ліхтарик, гірлянда, світлофор, рекламний рядок, який біжить, і навіть величезний LED-телевізор (світлодіоди виконують роль пікселів на екрані) – підсвічуються завдяки світлодіодам.

Світлодіоди удосконалюються і отримують все більше переваг. Наприклад, висока яскравість при відносно малому споживанні струму і широкий спектр кольорів дозволяють широко використовувати світлодіоди в декоруванні і освітленні (світлодіодні стрічки, світильники, лампи, прожектори).

Один з видів світлодіодів випромінює не тільки видимий діапазон хвиль світла. Приклад – пульт від телевізора або інших побутових приладів оснащений світлодіодом, який працює в інфрачервоному діапазоні хвиль. Завдяки ньому пристрій-приймач на приладі отримує інфрачервоні сигнали від пульту. А більш потужні ІЧ-моделі світлодіодів використовують аграрії, щоб забезпечити рослинам світло при будь-яких природних умовах.

Ультрафіолетовий світлодіод прийшов на заміну газорозрядним УФ-лампам. Його використовують в медицині, промисловості, косметології, криміналістиці.

Світлодіоди також «перекачують» колосальний обсяг інтернет-трафіку по оптоволоконних мережах. На відміну від звичайної лампи розжарювання – світлодіод може випромінювати імпульси світла з дуже високою частотою.

Різновиди, позначення

Світлодіод на схемі позначається наступним чином:

Знайомий нам діод доповнюється двома стрілками, спрямованими в бік по діагоналі від нього. Кругле обведення не є обов’язковим, і на багатьох схемах опускається. Позначення світлодіода літерою на принципових схемах залежить від виробника. Це може бути абревіатура HL, VD, LED.

Підключення світлодіода відбувається за такою схемою:

У схемі обов’язково (!) Повинен бути струмообмежуючий резистор. Якщо його не використовувати – термін служби світлодіода скоротиться в рази, а в деяких випадках без додаткового навантаження світлодіод може вийти з ладу після першого включення живлення.

Це викликано тим, що кристал напівпровідника досягає стану теплового пробою (пікові значення струму виробник вказує в специфікації), це виводить світлодіод з ладу.

Справа в тому, що визначальним параметром світлодіода є його робочий струм, а напруга живлення варіюється вже в залежності від нього.

Для того, щоб розрахувати, який резистор потрібен, скористайтеся формулами:

• Опір: R = (Uпит – ULED) / ILED
• Потужність: P = (Uпит – ULED) * ILED

де:

• Uпит – напруга джерела живлення;
• ULED – пряме падіння напруги світлодіода;
• ILED – робочий струм світлодіода.

Якщо отриманого результату в списку номіналів резисторів немає – використовуйте найближчий до нього в бік збільшення або змінюйте додатковими опорами. Також не забувайте і про потужність резистора. Недостатньо потужний буде грітися або перегорить. Використовуйте опір з запасом потужності 20-30%.

Майте на увазі, що різка зміна струму в ланцюзі світлодіода також згубно впливає на його роботу. Тому потрібно попередньо стабілізувати струм в ланцюзі. При використанні світлодіодних стрічок, ламп, і подібних приладів, використовують блоки живлення з автоматичною стабілізацією струму.

При експлуатації світлодіодів, захистіть їх від зворотного струму. Якщо зворотний струм перевищить допустиме виробником значення – світлодіод вийде з ладу. Включати світлодіоди можна як послідовно, так і паралельно, але обов’язково корегуйте струм резисторами. Найбільш ефективна схема підключення групи світлодіодів – послідовна.

Допускається підключення світлодіода в ланцюг змінного струму. У цьому випадку, коли через світлодіод буде проходити імпульс прямого струму – він буде світитися, імпульс зворотного – ні (буде блимати з частотою змінного струму). При такому підключенні використовуйте в схемі діод, який захистить світлодіод від імпульсів зворотного струму.

Світлодіоди умовно діляться на два типи:

• індикаторні;
• освітлювальні.

Головна характеристика індикаторного світлодіода – відносно невисока потужність (при цьому висока яскравість) і широкий спектр кольорів. Колір, яким буде світитися такий світлодіод, визначається типом хімічної домішки, яку додають в кристал напівпровідника.

Види індикаторних світлодіодів

DIP світлодіод

Такі світлодіоди мають малий кут розсіювання (до 60 °).

Корпус, як правило, виготовлений з пластику або скла, може бути прозорим або кольоровим; циліндровим або прямокутним; з лінзою або без неї.

В одному корпусі таких світлодіодів можуть розміщуватися кристали з різним кольором світіння. У цих світлодіодів є додаткові виводи і підключаються вони за принципом загального анода або загального катода.

RGB світлодіод

На одній матриці розміщується відразу три кристали: червоний, зелений і синій. Завдяки незалежному керуванню такими кристалами, можна отримати будь-який колір.

Щоб ці кристали не виділялися точково через лінзу RGB – світлодіода, на корпус може наноситися матове покриття, яке згладжує колір.

Super Flux «Piranha»

Такий світлодіод дає пучок світла з кутом розсіювання в діапазоні 40 ° -120 °. Підвищена яскравість, але різних кольорів немає – можна вибрати тільки температуру білого світіння. На корпусі «піраньї» чотири виводи для кріплення на монтажній платі. Наявність лінзи залежить від моделі.

Straw Hat

Кристал напівпровідника в такому світлодіоді розташований близько до лінзи, за рахунок цього кут розсіювання 100°-140°.

Висота світлодіоду помітно зменшена щодо його пропорцій.

Ще одна відмінна риса Straw Hat – великий радіус лінзи.

SMD-світлодіоди

Мініатюрність – головне достоїнство SMD-світлодіоду.

Його корпус може бути розміром в 1 мм, і для економії місця виводи SMD-світлодіодів можуть бути просто контактними майданчиками на корпусі.

Широкий спектр кольорів і хороша яскравість – теж переваги SMD.

Види освітлювальних світлодіодів

Освітлювальний світлодіод дуже потужний і його інтенсивність світіння висока. Тому він використовується для виготовлення ламп, люстр, прожекторів, автомобільних фар. Колір освітлювального світлодіода – білий. Є варіанти теплою і холодною температурою свічення. До видів таких світлодіодів можна віднести:

Освітлювальний SMD LED

Освітлювальний SMD LED схожий за конфігурацією і розмірами корпусу з індикаторним SMD.

Але для збільшення яскравості, кристал покрили шаром люмінофора і вмонтували на мідну або алюмінієву основу, яка служить елементом, який регулює температуру.

Кут розсіювання 100 ° – 130 °.

COB-світлодіод

COB складається з безлічі синіх світлодіодів, які об’єднали в одному кристалі. Кілька десятків світлодіодів розташовані на загальному люмінофорному покритті.

Filament LED

Опис такого світлодіода можна обмежити зображенням.

Це декоративне підсвічування, ККД не високий.

Лазерний світлодіод

Кристал лазерного світлодіода має специфічну конфігурацію, яка дозволяє довго утримувати всередині фотон, який випромінюється. При цьому фотон сприяє утворенню нових фотонів, поки сила світлового потоку не перевищить рівень втрат.

Таким чином, світло ніби накопичується всередині кристала і при досягненні певного рівня – вивільняється у вигляді лазерного променя.

Лазерні зчитувальні пристрої, оптоволоконні комунікації, медичне обладнання або звичайна лазерна указка працюють завдяки лазерним світлодіодам.

Маркування світлодіодів, вимірювання

Міжнародних стандартів для світлодіодів немає. Кожен виробник закладає інформацію про елемент на свій розсуд.

Величини вимірювання показників світла для різних світлодіодів можуть бути вказані як в люменах, так і в канделах. Це пов’язано з тим, що люмен – це повний світловий потік, який включає в себе все світло, яке випромінюється джерелом (застосовується для світлодіодів з великим кутом розсіювання або над-яскравих).

Кількість кандел вказує силу світла, яке випромінює джерело в напрямку певного кута (може бути застосовано для світлодіодів з малим кутом розсіювання).

Наприклад, можна уявити звичайну лампу розжарювання: вимірюємо інтенсивність її світіння в люменах – так як світло від неї рівномірно розподіляється на всі боки. Якщо ж її розмістити всередині ліхтаря – напрямок світлового потоку обмежиться кутами рефлектора ліхтаря, і його інтенсивність (силу) ми будемо вже вимірювати в канделах.

Для визначення полярності світлодіода виробники пропонують такі варіанти:

Довжина ніжки катода коротша, ніж у анода, і з боку катода на корпусі зроблений зріз.

Розмір посадкових майданчиків деяких світлодіодів може відрізнятися.

Виробник може явно вказати на корпусі світлодіода його цоколь за допомогою знаків «+» і «-», відповідно розташованим контактам, або застосує власне маркування (точка, зарубка на корпусі або інший знак).

Якщо визначити візуально розташування контактів не виходить – протестуйте світлодіод самі, при цьому не забувайте обмежувати струм резистором.

Вольтамперна характеристика

На графіку представлена вольтамперна характеристика для всіх типів світлодіодів. Значення струму і напруги можуть коливатися в залежності від моделі світлодіода. Але всі вони мають пряму залежність: зі зростанням напруги збільшується сила прямого струму.

Якщо подати на світлодіод зворотний струм, він не буде світитися, але після досягнення позначки Umaxобр напівпровідник вийде з ладу. Ця точка називається напругою пробою. Діапазон Umin – Umax називають робочою зоною напруги світлодіода. Перевищення максимальних значень згубно впливають на його працездатність.