Светодиод – полупроводник, в котором при прохождении электрического тока создается световое излучение. Другое его название – светоизлучающий диод.
Современные светодиоды предназначены для решения трёх основных задач:
- отображения состояния электронных устройств (в т.ч. – измерительных);
- отображения числовой и графической информации;
- освещения.
Решение последней задачи в наших лекциях мы опустим как непрофильное.
Основные сведения о светодиодах
Светодиоды построены на тех же принципах, что и выпрямительные. Они созданы с применением двух полупроводников разных проводимостей и имеют в своей структуре pn-переход. При протекании прямого тока СВД светится.
Доступна вся цветовая гамма: от красного до фиолетового. СВД выпускаются в различных конструктивных исполнениях: наряду со впаиваемыми в отверстия широкое распространение получили миниатюрные СВД для поверхностного монтажа (чип). ВАХ и основные характеристики повторяют характеристики выпрямительных диодов. Устройство, графема и типовые характеристики СВД представлены на рисунке 2.11.
Здесь мы встречаемся с новой единицей измерения – канделой (от лат. свеча).
Это единица силы света, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Определена как «сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683Вт/ср».
Примечание – ср – сокращение от стерадиан, единицы измерения телесных углов.
Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы с радиусом r, вырезающему из сферы поверхность площадью r2(показано на рисунке 2.12).
Вместо определения на практике будем использовать сравнительную таблицу силы света для некоторых актуальных источников (показано в таблице 2.2).
Таблица 2.2 – Сила света различных источников
Источник |
Мощность, Вт |
Сила света, оценка, кд |
Свеча |
- |
1 |
Современная лампа накаливания |
100 |
100 |
Обычный светодиод |
0,015..0,1 |
0,005..3 |
Сверх яркий светодиод |
1 |
более 25 |
Современная люминесцентная лампа |
22 |
120 |
При использовании СВД в портативных устройствах возникает задача оптимизации потребления и силы света. Точкой отсчёта для этого являются паспортные данные о силе света, излучаемой СВД. Обычно, в паспорте на СВД нормируется (даётся) сила света при протекающем токе в 20 мА.
Это расточительный ток для портативных устройств, поэтому возникает желание ток уменьшить. На практике, если использовать сверх яркие светодиоды, удаётся снизить прямой ток до 500 мкА при удовлетворительной светимости диода.
В любом случае это задача экспериментальная, т.к. требуемая светимость зависит от условий эксплуатации электронного устройства.
При подключении СВД в схему используют дополнительный резистор, с помощью которого задаётся прямой ток. Графический расчёт полностью аналогичен таковому в случае с выпрямительным диодом (показано на рисунке 2.13): если известен источник питающего напряжения и выбран желательный прямой ток, то необходимо наложить на ВАХ светодиода нагрузочную прямую с точками на оси абсцисс (напряжение питания) – Uпит, и желательной точкой на ВАХ.
Полученный наклон нагрузочной прямой позволяет определить требуемое значение резистора. На рисунке 2.13 справа представлены ВАХ двух СВД:
ВАХ1 – характеристика с малым прямым напряжением (характерно для СВД красного цвета), ВАХ2 - характеристика с высоким прямым напряжением (белый или синий светодиоды).
Аналитический расчёт-оценка сопротивления дополнительного резистора:
(Uпит. мин- Uпр) / Iпр= R , (2.6)
где Iпр задаётся, а Uпр определяется по ВАХ или берётся как грубая оценка из характерного для данного типа СВД диапазона прямых напряжений от 0,7до3,5 В.
Оба способа расчёта – грубые, но более точных расчётов обычно не требуется.
На рисунке 2.14 показаны способы подключения и управления светодиодами с помощью сигналов микроконтроллера.
Следует отметить, что:
- современные МК, как правило, имеют симметричные по току выходы, которые способны формировать достаточные для питания СВД втекающие и вытекающие токи. Однако, некоторые экономичные типы МК формируют лишь ограниченные втекающие токи (1 мА), а вытекающие не превышают не-сколько десятков микроампер;
- в ответственных случаях, когда светимость СВД должна быть гарантированной, используют специальные электронные схемы (драйверы), которые формируют строго выверенные значения питающих токов. Эта тема находится за пределами курса.
- в случае двуполярного питания СВД обратное (запирающее) напряжение не должно превышать нескольких вольт (см. паспортные данные СВД). В противном случае необходимо параллельно и разнонаправлено с СВД включить другой СВД или обычный выпрямительный. Некоторые производители выпускают такие интегрированные пары серийно.
Разновидности светодиодов
Разновидности СВД показаны на рисунках 2.15, 2.16.
Светодиоды для монтажа в отверстия
Светодиоды для поверхностного монтажа
Многоцветные светодиоды
Серийно выпускаются СВД, в которых интегрировано два, три или четыре светодиода разных цветов. Такие светодиоды минимизируют площадь монтажа, но есть и другая, более важная функция.
Совмещение красного, зелёного и синего светодиодов позволяет синтезировать цвет свечения во всём видимом спектре. Такие электронные сборки принято называть RGB-диодами. RGB-диоды выпускаются в различных конструктивных исполнениях.
Светодиодные модули
Светодиодные модули показаны на рисунке 2.17.
Проверка работоспособности СВД
Работоспособность СВД проводится с помощью мультиметра аналогично проверки выпрямительного диода. Отличие будет состоять в том, что при проверке СВД будет светиться (показано на рисунке 2.18). Важно помнить, что при проверке необходимо соблюдать полярность!