Меню

Напряжение питания красного светодиода



Ликбез о питании светодиодов

Очень часто при покупке светодиода задаётся вопрос: «На сколько он вольт?» Разумеется, если речь идёт о LED-лампе, модуле, ленте, панели – законченном устройстве, уже содержащем схему управления или хотя бы просто резистор – то да, они выпускаются на стандартные напряжения. В подавляющем большинстве это 12В постоянного тока или 220 переменного. В промышленной аппаратуре встречаются и другие значения питающего напряжения, но в данной статье мы не будем касаться таких устройств, а рассмотрим, как правильно запитать дискретные светодиоды простейшими средствами – без готовых (и недешёвых) промышленных драйверов.

Прежде всего, следует помнить, что практически для всех электрических процессов в основном важно не напряжение, а ток. Физика описывает механическое действие тока, химическое действие тока, тепловое действие тока. Не напряжения, а именно тока. А какое напряжение необходимо приложить, зависит от требуемого тока и сопротивления нагрузки: U=IR (производное закона Ома).

И вот это самое R (сопротивление) зачастую непостоянно, и зависимость тока от напряжения нелинейная. Даже в обычной лампочке накаливания сопротивление нити возрастает (как и у всех металлов) с повышением температуры. Но такая нелинейность нам на руку: как бы сам собой стабилизируется ток – его увеличение ведёт к разогреву волоска, это повышает сопротивление и, следовательно, противодействует дальнейшему увеличению тока. Именно поэтому лампы накаливания можно питать фиксированным напряжением: необходимый ток установится автоматически.

Вольт-амперная характеристика светодиода

Со светодиодами – сложнее. Их вольтамперная характеристика (ВАХ), как и у всех полупроводниковых диодов, при достижении некоторого напряжения становится очень крутой, почти вертикальной, и малейшее его отклонение может вызвать значительное изменение тока. И даже при очень точном и стабильном напряжении к тем же результатам может привести тепловое смещение характеристики. Наконец, светодиоды имеют разброс параметров, и при одном и том же напряжении ток может сильно отличаться даже у приборов из одной партии.

Рабочий участок характеристики лежит в очень узком диапазоне напряжений и зависит от длины волны излучаемого света и материала светодиода: 1,5. 2,1 В для арсенида галлия (красных, оранжевых, желтых), но более 2,4 В для красных же из AlInGaP. Таблица по всем цветам и материалам обширна, а для расчетов, в общем, не нужна. С достаточной точностью можно считать напряжение светодиодов

  • красных – 2 В,
  • желтых – 2,5 В,
  • зелёных – 3 В,
  • синих и белых – 3,5 В.

В принципе так можно было бы и отвечать на вопрос из первого предложения статьи, но с оговоркой, что любое отклонение напряжения приведет либо к перегоранию светодиода, либо к тому, что он будет излучать лишь несколько процентов своего номинального светового потока.

Таким образом, светодиоды следует питать только фиксированным током (не напряжением!), а уж просто его ограничить или стабилизировать с высокой точностью – зависит от того, какое качество освещения, эффективность и долговечность излучателя необходимы.

Простейший драйвер светодиода

При использовании светодиодов для индикации или подсветки небольшой мощности, вполне допустимо погасить ток до уровня 60-70% максимально допустимого просто последовательно включенным резистором с сопротивлением:

R=(U-UVD)/I, где U – напряжение питания, UVD – рабочее напряжение светодиода (или суммарное нескольких, включенных последовательно), I – необходимый ток.

Мощность, выделяющаяся на резисторе P=I2R при питании маломощных светодиодов от низковольтных источников, обычно не превышает 100 мВт и позволяет использовать маленькие детали.

Максимально допустимый ток практически всех маломощных диодов (полностью пластиковых, не имеющих площадки для радиатора) составляет 20 мА, а мощность – не более 50 мВт. Исключение – квадратные «Пираньи», которые могут содержать несколько кристаллов, включенных параллельно, или кристаллы большой площади, и рассеивать, соответственно, до 200 мВт. Это немного, но в случае близкого расположения нескольких светодиодов может вызвать ощутимый нагрев, что необходимо учитывать в конструкции – обеспечивать конвекцию воздуха, не заливать теплоизолирующими полимерами и т.д.

Из формулы видно, что тот же самый ток можно получить при различном сопротивлении – в зависимости от напряжения и количества светодиодов. Например, около 14 мА будет протекать через диод с рабочим напряжением 3 В при его питании от 12-вольтового источника через резистор 643 Ом. И такой же ток, но через 3 аналогичных диода, обеспечит резистор в 214 Ом. В первом случае существенно меньше будет изменение тока при отклонениях напряжения питания и температурном дрейфе ВАХ, зато во втором – в 9 раз меньше потери энергии на резисторе (относительно потребляемой излучателями). Палка о двух концах: экономичность против стабильности и долговечности. Практически для нормальной работы светодиодов достаточно, чтобы на резисторе падала где-то треть-четверть напряжения питания.

Читайте также:  Транзисторный инвертор напряжения с самовозбуждением

Параллельное включение светодиодов

Если количество светодиодов не укладывается в это условие (их суммарное напряжение превосходит или незначительно меньше напряжения источника), применяют групповое включение нескольких параллельно соединённых последовательных цепочек с резистором в каждой. Просто параллельное соединение светодиодов используется только в дешёвых китайских фонарях и не может гарантировать равномерного распределения тока между излучателями даже одной партии, не говоря уже о раздельно приобретенных компонентах.

Например, необходимо запитать 10 белых маломощных светодиодов от источника в 9 В (достаточно стабильного, не «гуляющего», как бортовая сеть автомобиля на 30-40%). В таком случае можно выбрать ток достаточно близкий к максимально допустимому. Скажем, 17 мА.

Последовательное соединение 3х3,5 В уже неприемлемо: недостаточно напряжения питания. Значит, останавливаемся на схеме из пяти цепочек по 2 диода – как раз треть питания на резисторах, сопротивлением R = (9 В-2*3,5 В)/17 мА=117 Ом. Конечно, не обязательно искать соответствующие прецизионные, вполне подойдёт ближайшее значение из стандартного ряда – 120 Ом.

Ток, потребляемый от источника, составит 5*17=85 мА, а мощность P=U*I=9 В*85 мА=765 мВт. То есть подойдёт блок питания мощностью всего 1 Вт (щелочная батарейка «Крона» прослужит около сотни часов).

Именно так (параллельные группы только не из двух, а из трёх последовательно соединённых диодов и резистора) устроены 12-вольтовые светодиодные ленты. Поэтому резать их можно только по специально отмеченным границам – на целое количество групп.

Стабилизатор тока на транзисторе

Стабилизировать ток в маломощной цепочке проще всего полевым транзистором VT с начальным током стока, слегка превышающим рабочий ток светодиодов (КП302, КП307 и т.п.), подобрав его точное значение изменением сопротивления R в пределах нескольких десятков Ом.

Более серьёзные схемы для стабилизации тока, а также для питания светодиодов от сети 220 В рассмотрены в статье про самодельные LED-лампы. В случае же еще больших мощностей или совсем низковольтного питания (менее 3В), или для максимальной эффективности использования самых дорогих излучателей рекомендуется уже применять промышленные драйверы: себестоимость самодельного устройства такой сложности будет выше, чем у серийно выпускаемого.

Источник

Правильное включение светодиода

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92410

Светодиод — это диод способный светится при протекании через него тока. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

Цвет свечения светодиода зависит от добавок добавленных в полупроводник. Так, например, примеси алюминия, гелия, индия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Индий, галлий, азот заставляет светодиод светится от голубого до зеленного цвета. При добавке люминофора в кристалл голубого свечения, светодиод будет светиться белым светом. В настоящее время промышленность выпускает светодиоды свечения всех цветов радуги, однако цвет зависит не от цвета корпуса светодиода, а именно от химических добавок в его кристалле. Светодиод любого цвета может иметь прозрачный корпус.

Первый светодиод был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса. В начале 1990-ых годов на свет появились яркие светодиоды, а чуть позже сверх яркие.
Преимущество светодиодов перед лампочками накаливания не оспоримы, а именно:

* Низкое электропотребления – в 10 раз экономичней лампочек
* Долгий срок службы – до 11 лет непрерывной работы
* Высокий ресурс прочности – не боятся вибраций и ударов
* Большое разнообразие цветов
* Способность работать при низких напряжениях
* Экологическая и противопожарная безопасность – отсутствие в светодиодах ядовитых веществ. светодиоды не греются, от чего пожары исключаются.

Маркировка светодиодов

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92439

Рис. 1. Конструкция индикаторных 5 мм светодиодов

В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор задает первоначальный угол рассеивания.
Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы . Доходит до линзы — и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы, на практике — от 5 до 160 градусов.

Излучающие светодиоды можно разделить на две большие группы: светодиоды видимого излучения и светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона. Первые применяются в качестве индикаторов и источников подсветки, последние — в устройствах дистанционного управления, приемо-передающих устройствах ИК диапазона, датчиках.
Светоизлучающие диоды маркируются цветовым кодом (табл. 1). Сначала необходимо определить тип светодиода по конструкции его корпуса (рис. 1), а затем уточнить его по цветной маркировке по таблице.

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92406

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92854

Рис. 2. Виды корпусов светодиодов

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают почти всех цветов: красный, оранжевый, желтый, желтый, зеленый, синий и белый. Синего и белого светодиода немного дороже, чем другие цвета.
Цвет светодиодов определяется типом полупроводникового материала, из которого он сделан, а не цветом пластика его корпуса. Светодиоды любых цветов бывают в бесцветном корпусе, в таком случае цвет можно узнать только включив его…

Читайте также:  Подстанции постоянного тока высокого напряжения

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92672

Таблица 1. Маркировка светодиодов

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b93

Многоцветные светодиоды

Устроен многоцветный светодиод просто, как правило это красный и зеленый объединенные в один корпус с тремя ножками. Путём изменения яркости или количества импульсов на каждом из кристаллов можно добиваться разных цветов свечения.

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92673

Светодиоды подключаются к источнику тока, анодом к плюсу, катодом к минусу. Минус (катод) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса или более коротким выводом, но бывают и исключения, поэтому лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92407

При отсутствии указанных меток полярность можно определить и опытным путём, кратковременно подключая светодиод к питающему напряжению через соответствующий резистор. Однако это не самый удачный способ определения полярности. Кроме того, во избежание теплового пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность «методом тыка» без токоограничивающего резистора. Для быстрого тестирования резистор с номинальным сопротивлением 1кОм подходит большинству светодиодов если напряжение 12V или менее.

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Почему? Как уже ясно из названия, светодиод это не выпрямительный диод, и, хотя свойство пропускать ток в одном направлении у них общее, между ними есть значительная разница. Для того, что светодиод излучал в видимом диапазоне, у него значительно более широкая запрещенная зона, чем у обычного диода. А от ширины запрещенной зоны напрямую зависит такой паразитный параметр диодов, как внутренняя емкость. При изменении направления тока, эта емкость разряжается, за какое-то время, называемое временем закрытия, зависящее от размеров этой емкости. Во время разряда емкости, светодиодный кристалл испытывает значительные пиковые нагрузки на протяжении гараздо большего времени, нежели обычный диод. При последующем изменении направления тока на «правильное» ситуация повторяется. Поскольку время закрытия / открытия у обычных диодов значительно меньше, необходимо использовать их в цепях переменного тока, включая последовательно со светодиодами, для снижения негативного влияния переменного тока на светодиодный кристалл. Если светодиодное изделие не имеет встроенной защиты от переполюсовки, то ошибка подключения также приведет к снижению срока службы. В некоторые светодиоды токоограничивающий резистор встроен «с завода» и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды встречаются довольно редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний токоограничивающий резистор.

Сразу следует предупредить: не следует направлять луч светодиода непосредственно в свой глаз (а также в глаз товарища) на близком расстоянии, что может повредить зрение.

Напряжение питания

Две главных характеристики светодиодов это падение напряжения и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например, четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА. Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umaxобр (соответственно для прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при котором наблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между Umin и Umax называется “рабочей” зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода.

Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов такой характеристики, поэтому нельзя подключать светодиоды к источнику питания напрямую. Главное, чтобы напряжение, от которого (через резистор) питается светодиод, было выше прямого падения напряжения светодиода (прямое падение напряжения указывается в характеристике вместо напряжения питания и у обычных индикаторных светодиодов колеблется в среднем от 1,8 до 3,6 вольт).
Напряжение, указанное на упаковке светодиодов — это не напряжение питания. Это величина падения напряжения на светодиоде. Эта величина необходима, чтобы вычислить оставшееся напряжение, «не упавшее» на светодиоде, которое принимает участие в формуле вычисления сопротивления резистора, ограничивающего ток, поскольку регулировать нужно именно его.
Изменение напряжение питания всего на одну десятую вольта у условного светодиода (с 1,9 до 2 вольт) вызовет пятидесятипроцентное увеличение тока, протекающего через светодиод (с 20 до 30 милиампер).

Читайте также:  Как включить вольтметр для измерения напряжения

Для каждого экземпляра светодиода одного и того же номинала подходящее для него напряжение может быть разным. Включив несколько светодиодов одного и того же номинала параллельно, и подключив их к напряжению, например, 2 вольта, мы рискуем из-за разброса характеристик быстро спалить одни экземпляры и недосветить другие. Поэтому при подключении светодиода надо отслеживать не напряжение, а ток.

Величина тока для светодиода является основным параметром, и как правило, составляет 10 или 20 миллиампер. Неважно, какое будет напряжение. Главное, чтобы ток, текущей в цепи светодиода, соответствовал номинальному для светодиода. А ток регулируется включённым последовательно резистором, номинал которого вычисляется по формуле:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92408

R — сопротивление резистора в омах.
Uпит — напряжение источника питания в вольтах.
Uпад — прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.
I — максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в характернистиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера). При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.
0,75 — коэффициент надёжности для светодиода.

Не следует также забывать и о мощности резистора. Вычислить мощность можно по формуле:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92409

P — мощность резистора в ваттах.
Uпит — действующее (эффективное, среднеквадратичное) напряжение источника питания в вольтах.
Uпад — прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .
R — сопротивление резистора в омах.

Расчет токогораничивающего резистора и его мощности для одного светодиода

Типичные характеристики светодиодов

Типовые параметры белого индикаторного светодиода: ток 20 мА, напряжение 3,2 В. Таким образом, его мощность составляет 0,06 Вт.

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92856

Также к маломощным относят светодиоды поверхностного монтажа — SMD. Он подсвечивают кнопки в вашем сотовом, экран вашего монитора, если он с LED-подсветкой, из них изготовлены декоративные светодиодные ленты на самоклеющейся основе и многое другое. Есть два наиболее распостраненных типа: SMD 3528 и SMD 5050. Первые содержат такой же кристалл, как и индикаторные светодиоды с выводами, то есть его мощность 0,06 Вт. А вот второй — три таких кристалла, поэтому его нельзя уже называть светодиодом — это светодиодная сборка. Принято называть SMD 5050 светодиодами, однако это не совсем правильно. Это — сборки. Их общая мощность, соответственно, 0,2 Вт.
Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.

Таблица падения напряжений светодиодов в зависимости от цвета

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92411

По величине падения напряжения при тестировании светодиодов мультиметром можно определить примерный цвет свечения светодиода согласно таблице.

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92440

Последовательное и параллельное включение светодиодов

При последовательном подключении светодиодов сопротивление ограничивающего резистора рассчитывается также, как и с одним светодиодом, просто падения напряжений всех светодиодов складываются между собой по формуле:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92413

При последовательном включении светодиодов важно знать о том, что все светодиоды, используемые в гирлянде, должны быть одной и той же марки. Данное высказывание следует взять не за правило, а за закон.

Что б узнать какое максимальное количество светодиодов, возможно, использовать в гирлянде, следует воспользоваться формулой

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92415

* Nmax – максимально допустимое количество светодиодов в гирлянде
* Uпит – Напряжение источника питания, например батарейки или аккумулятора. В вольтах.
* Uпр — Прямое напряжение светодиода взятого из его паспортных характеристик (обычно находится в пределах от 2 до 4 вольт). В вольтах.
* При изменении температуры и старения светодиода Uпр может возрасти. Коэфф. 1,5 дает запас на такой случай.

При таком подсчете “N” может иметь дробный вид, например 5,8. Естественно вы не сможете использовать 5,8 светодиодов, посему следует дробную часть числа отбросить, оставив только целое число, то есть 5.

Ограничительный резистор, для последовательного включения светодиодов рассчитывается точно также как и для одиночного включения. Но в формулах добавляется еще одна переменная “N” – количество светодиодов в гирлянде. Очень важно чтобы количество светодиодов в гирлянде было меньше или равно “Nmax”- максимально допустимому количеству светодиодов. В общем, должно выполнятся условие: N =

Источник