Светодиоды – как работает, полярность, расчет резистора
Светодиоды – одни из самых популярных электронных компонентов, использующиеся практически в любой схеме. Словосочетание “помигать светодиодами” часто используется для обозначений первой задачи при проверке жизнеспособности схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиода, сделаем краткий обзор их видов, а также разберемся с такими практическими вопросами как определение полярности и расчет резистора.
Устройство светодиода
Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.
Светодиод состоит из нескольких частей:
Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.
Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.
Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.
Цвета светодиодов
Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.
Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.
RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.
Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.
Принцип работы светодиодов
Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.
При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.
Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:
Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.
Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).
Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.
Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.
Виды светодиодов, классификация
По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.
По типу исполнения выделяют:
Светодиоды могут быть:
Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.
Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).
По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.
Полярность светодиодов
При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.
Полярность моно определить несколькими способами:
Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.
Расчет сопротивления для светодиода
Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.
Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.
Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.
Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.
Когда нужно использовать токоограничивающий резистор:
В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах.
Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора:
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.
Свежие записи
Свежие комментарии
Сравнение светодиодов: виды, типы, классификация, характеристики и назначение
Современный рынок осветительных приборов в значительной степени состоит из светодиодных светильников, являющихся устройствами нового поколения. Они активно применяются в качестве источников света как для городского и домашнего освещения, так и для подсветки матриц различных технических устройств. Светодиодные чипы крайне разнообразны по габаритам, функциональным и техническим характеристикам, энергоэффективности и области применения. Проведя их сравнение, можно с лёгкостью выбрать подходящий прибор в 2020 году.
Устройство и принцип работы светодиодов
Светодиодом называется прибор-полупроводник, способный преобразовывать электрический ток в видимое световое излучение. Часто применяемое обозначение светодиода ЛЕД является абберевиатурой light-emitting diode – светоизлучающий диод.
В отличие от ламп, излучение которых лежит в широком спектре, кристалл светодиода по внешнему полю излучает конкретный цвет. Диапазон освещения определяется химическими особенностями полупроводников, используемых в каждом случае.
Все модели светодиодов содержат следующие элементы:
Конструкция диода включает два полупроводника, легированных разными примесями. Один из них содержит свободные электроны, а второй – отверстия (дырки). Это обеспечивает p-n переход между полупроводниками, когда электроны переходят от донора к реципиенту, занимая свободные отверстия и выделяя фотоны. Данная реакция возможна при наличии источника постоянного тока. На практике применяются гетероструктуры – многослойные полупроводники, имеющие самый маленький вес.
Зная, какие бывают светодиоды по мощности и по внешнему виду, можно выбрать прибор для разных случаев. Они делятся на две большие группы:
Основные параметры светодиодов
Перед тем, как рассматривать особенности существующих конструкций, следует ознакомиться с основными характеристиками приборов:
Обратите внимание! Нейтральный свет диодов считается оптимальным для офисной работы, так как подсвечиваемые предметы имеют наибольшую чёткость.
Также выделяют цветные (синий, красный, жёлтый, зелёный) и RGB световые диоды.
3. Мощность светодиода (Вт, мА). Необходима для выбора подходящего источника питания. Диоды бывают:
Обратите внимание! Чтобы продлить срок службы блока питания, его необходимо выбирать с запасом в 15-20%, превышающим реальную мощность светодиода.
5. Ресурс, или деградация (часы). Определяет длительность эксплуатации. На ресурс влияют:
Обратите внимание! Чтобы лучшие светодиоды прослужили заявленное количество часов, температура в точке пайки должна быть не более 65 о С.
Индикаторные светодиоды
Индикаторные светодиодные чипы наиболее распространены. Применяются для различной подсветки и индикации, от фонарей и светофоров до бытовой техники. Современные модификации обладают большой силой света, хотя это достаточно маломощные светодиоды.
Функцию отражателей, концентрирующих световой поток, выполняют стенки и опорная пластина. Приборы имеют прямоугольные торцы с диаметром 3-10 мм и выпуклые линзы. Для них требуется источник питания в 2,5-5 В (предел по току – 20-25 мА), а если используется интегрированный резистор – 12 В. Угол свечения бывает либо широким (110-140 о ), либо узким (15-45 о ). Светоотдача белых светодиодов находится на уровне 3-5 Лм.
Индикаторный диод обладает следующими преимуществами:
Среди индикаторных выделяют 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 60 о | 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 | 40-120 о | 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 | 100-140 о | 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 | 20-120 о | Являются основой диодных лент |
Наиболее технологичной и популярной является группа SMD светодиодов.
Сравнение SMD светодиодов
Применение SMD диодов повсеместно. Эти относительно маломощные светодиоды являются основой лампочек общего освещения, индикаторных панелей и систем аварийного освещения. Наибольшей популярностью пользуются светодиодные ленты на СМД диодах. Существуют и их вариации в виде модулей и линеек, где используются планарные светодиоды.
Определить тип и размер корпусов SMD диодов можно по маркировке, цифры которой обозначают ширину и длину. Новые модификации конструируются на группах, состоящих из четырёх равных по мощности светодиодов разных цветов – «G+R+W+B». Это увеличивает светоотдачу и расширяет световые оттенки, поэтому такой тип светодиодов самый яркий.
Классификация светодиодов по типоразмерам следующая:
| Маркировка SMD | 3528 | 5630 | 3014 | 5050 | 5730-05 | 5730-1 | 2835 |
| Световой поток, Лм | 5 | 40 | 8 | 15 | 40 | 100 | 25 |
| Мощность, Вт | 0,06 | 0,5 | 0,07 | 0,2 | 0,5 | 1 | 0,2 |
| Температура, о С | до 65 | до 80 | до 65 | до 65 | до 80 | до 80 | до 65 |
| Ток, мА | 20 | 150 | 30 | 60 | 150 | 30 | 60 |
| Напряжение, А | 3,3 | 3,3 | 3,3 | 3,3 | 3,4 | 3,4 | 3,4 |
| Габариты, мм | 3,5х2,8 | 5,3х3 | 3х1,4 | 5х5 | 4,8х3 | 4,8х3 | 2,8х3,5 |
Таблица включает усреднённые технические характеристики, которые показывают лучшие светодиоды с белым светом. Самые мощные лампы холодного и тёплого белого света обладают меньшим световым потоком и, имея равную яркость светодиодов, дают лучшее освещение, чем цветные.
Обратите внимание! Светоотдача тёплых тонов может быть на 10% меньше той, что отражают маркировка и характеристики, а холодных – на 10% больше, поэтому они самые энергоэффективные.
Реальные технические характеристики и качество светодиодов в значительной степени определяет марка светодиодов, причём колебания могут доходить до 15%. Качественные светодиоды выпускают крупные японские, европейские и китайские бренды. Бюджетные же устройства неизвестных китайских производителей, занесённые в каталог, обычно очень слабые, и вместо заявленных 0,5 Ватт могут выдавать 0,15 или даже 0,09.
Такие низкие показатели мощности объясняются тем, что внутри корпуса смонтирован кристалл меньшего размера. Это характерно для низкокачественной китайской продукции. Поэтому, самостоятельно проектируя источник питания, стоит стремиться к реальным показателям тока в нагрузке, равным около 95% от заявленного. При небольшой недогрузке можно увеличить рабочий ресурс даже для устройств, где используются не самые лучшие светодиоды.
Осветительные светодиоды
Выбирая, какие светодиоды самые яркие, стоит остановиться на осветительных. Это сверхмощные светодиоды с высокой интенсивностью излучения. Выпускаются исключительно в белом цвете, тёплом и холодном, корпус предназначен для поверхностного монтажа. Используются в лампах и светодиодных лентах, фарах, фонарях и прочем, где необходимы мощные сверхъяркие светодиоды.
Не существует естественных кристаллов, излучающих белый свет. Поэтому, чтобы создать светодиоды белого свечения, используются различные технологии, основанные на смешивании трёх основных цветов (RGB). Цветовая температура определяется способом их сочетания. Популярным методом является покрытие кристалла слоями люминофора, каждый из которых отвечает за один из трёх базовых цветов. Другой способ заключается в нанесении пары слоёв люминофора на голубой кристалл.
Можно выделить следующие преимущества осветительных диодов:
Среди осветительных выделяются следующие виды светодиодов:
| Тип светодиода | Строение | Корпус | Угол рассеяния | Область применения |
| SMD | Кристалл, покрытый люминофором, размещён на алюминиевой либо медной подложке, отводящей тепло | В основном прямоугольный, с линзой или без | 100-130 о | Переносные фонари, светодиодные лампы и ленты, фары авто |
| COB | Большое количество светодиодов SMD в едином корпусе, покрытом люминофором | Имеют вид матрицы, чаще всего прямоугольной | до 180 о | Только для освещения без узконаправленного излучения |
| Filament | Кристаллы покрыты люминофором и установлены на стеклянную подложку | Цилиндрическая подложка | 360 о | Декоративная подсветка помещений |
| PCB Star | Один кристалл большой площадью на подложке из алюминия | Подложка в форме шестерёнки или звезды | 120 о | Мощные прожекторы и ручные фонари |
Обратите внимание! Спектр свечения Filament намного приятнее для человеческого глаза, чем виды SMD и COB, и схож со светом ламп накаливания.
Типы светодиодов: особенности
Решая, какие светодиоды лучше для освещения, стоит учесть, что по величине светового потока сверхъяркий PCB Star лидирует, хоть и является разновидностью SMD диодов. Разница заключается в том, что он является точечным мощным источником света, а не совокупностью кристаллов, что упрощает фокусировку. По этой причине эти мощные сверхъяркие светодиоды удобно применять для фонаря.
Наиболее универсальными являются SMD светодиоды. Можно выделить следующие преимущества этого типа:
Данные светодиоды повышенной яркости имеют и недостатки:
Филаментные приборы являются более технологичными. Такая модель представляет собой стеклянную полоску, металлизированную с обеих сторон, за счёт чего подаётся питание. Сверху на полоску приклеено некоторое количество светодиодов, покрытое люминофором. Полоски, несущие мощные светодиоды, помещаются в стеклянную колбу, имеющую вид привычной лампочки с гелием. По сути филаментная лампочка является COB диодом, помещённым в газовую среду.
К преимуществам Filament диодов относится следующее:
Можно выделить и ряд недостатков:
Видео по теме (на примере сравнения лент SMD диодов 3528, 5050, 5630, 5730):
Если у вас остались вопросы после прочтения статьи «Сравнение светодиодов: виды, типы, классификация, характеристики и назначение», задайте их в комментарии, мы обязательно постараемся дополнить материал ответами на них.
