Какое напряжение нужно для светодиода?

Как определить на сколько вольт светодиод?

Несмотря на то что электрический параметр №1 для светодиода – это номинальный ток, часто для расчётов необходимо знать напряжение на его выводах. Под понятием «напряжение светодиода» понимают разницу потенциалов на p-n-переходе в открытом состоянии. Оно является справочным параметром и вместе с другими характеристиками указывается в паспорте к полупроводниковому прибору. 3, 9 или 12 вольт… Часто в руки попадают экземпляры, о которых ничего не известно. Так как узнать падение напряжения на светодиоде?

Теоретический метод

Прекрасной подсказкой в этом случае является цвет свечения, внешняя форма и размеры полупроводникового прибора. Если корпус светодиода выполнен из прозрачного компаунда, то цвет его остаётся загадкой, разгадать которую поможет мультиметр. Для этого переключатель цифрового тестера переводят в положение «проверка на обрыв» и щупами поочерёдно касаются выводов светодиода. У исправного элемента в прямом смещении будет наблюдаться небольшое свечение кристалла. Таким образом, можно сделать вывод не только о цвете свечения, но и о работоспособности полупроводникового прибора. Существуют и другие способы тестирования излучающих диодов, о которых подробно написано в данной статье.

Светоизлучающие диоды разных цветов изготавливают из различных полупроводниковых материалов. Именно химический состав полупроводника во многом определяет напряжение питания светодиодов, точнее, падение напряжение на p-n-переходе. В связи с тем, что в производстве кристаллов используют десятки химических соединений, точного напряжения для всех светодиодов одного цвета не существует. Однако есть определённый диапазон значений, которых зачастую достаточно для проведения предварительных расчетов элементов электронной цепи. С одной стороны, размер и внешний вид корпуса не влияют на прямое напряжение светодиода. Но ,с другой стороны. через линзу можно увидеть количество излучающих кристаллов, которые могут быть соединены последовательно. Слой люминофора в SMD светодиодах может скрывать целую цепочку из кристаллов. Ярким примером является миниатюрные многокристальные светодиоды от компании Cree, падение напряжения на которых зачастую значительно превышает 3 вольта.

В последние годы появились белые SMD светодиоды, в корпусе которых размещено 3 последовательно соединённых кристалла. Их часто можно встретить в китайских светодиодных лампах на 220 вольт. Естественно убедиться в исправности LED-кристаллов в такой лампе при помощи мультиметра не удастся. Стандартная батарейка тестера выдаёт 9 В, а минимальное напряжение срабатывания трёхкристального белого светоизлучающего диода – 9,6 В. Также встречаются двухкристальная модификация с порогом срабатывания от 6 вольт.

Узнать все технические характеристики светодиода можно из интернета. Для этого нужно скачать datasheet на схожую по внешним признакам модель, обязательно такого же цвета свечения, сверить паспортные размеры с действительными и выписать номинальные значения тока и падения напряжения. Следует учитывать, что данная методика весьма приблизительна, так как в одинаковом корпусе могут быть изготовлены светодиоды на 20 мА и на 150 мА с разбросом напряжения до 0,5 вольт.

Практический метод

Самые точные данные о прямом падении напряжения на светодиоде можно получить путём проведения практических измерений. Для этого понадобится регулируемый блок питания (БП) постоянного тока с напряжение от 0 до 12 вольт, вольтметр или мультиметр и резистор на 510 Ом (можно больше). Лабораторная схема для тестирования показана на рисунке. Здесь всё просто: резистор ограничивает ток, а вольтметр отслеживает прямое напряжение светодиода. Плавно увеличивая напряжение от источника питания, наблюдают за ростом показаний на вольтметре. В момент достижения порога срабатывания светодиод начнёт излучать свет. В какой-то момент яркость достигнет номинального значения, а показания вольтметра перестанут резко нарастать. Это означает, что p-n-переход открыт, и дальнейший прирост напряжения с выхода БП будет прикладываться только к резистору.

Текущие показания на экране и будут номинальным прямым напряжением светодиода. Если ещё продолжить наращивать питание схемы, то расти будет только ток через полупроводник, а разность потенциалов на нём изменится не более чем на 0,1-0,2 вольт. Чрезмерное превышение тока приведёт к перегреву кристалла и электрическому пробою p-n-перехода.

Если рабочее напряжение на светодиоде установилось около 1,9 вольт, но при этом свечение отсутствует, то возможно тестируется инфракрасный диод. Чтобы убедиться в этом, нужно направить поток излучения на включенную фотокамеру телефона. На экране должно появиться белое пятно.

В отсутствии регулируемого блока питания можно воспользоваться «кроной» на 9 В. Также можно задействовать в измерениях сетевой адаптер на 3 или 9 вольт, который выдаёт выпрямленное стабилизированное напряжение, и пересчитать номинал сопротивления резистора.

Как определить параметры светодиода?

В связи с глобальным развитием технологий широкое применение в электронике получили светодиоды. Они обладают множеством особенностей, из которых можно выделить компактность и яркое свечение. Помимо номинального тока, который является их главным параметром, нужно знать рабочее напряжение светодиодов. Этот параметр часто используют для проведения расчетов. Если правильно подобрать параметры устройства, можно продлить срок его службы. Напряжение для светодиода является разницей потенциалов на p-n-переходе, что отмечается в паспортных данных прибора. Бывают случаи, когда нет информации о конкретном изделии, тогда возникает вопрос: «Как определить падение напряжения на светодиоде?».

1. Определение тока
2. Как узнать падение напряжения?
3. Теоретический метод
4. Практический метод

Определение тока

Для осуществления этого есть несколько методов. Рассмотрим наиболее простой из них. Чтобы определить номинальный ток светодиода, потребуется наличие тестера, называемого мультиметром. Такой метод также применяется для обычных диодов.

Измерение силы тока светодиода

Тестирование проводится следующим образом:

• Щупы мультиметра подключаются плюсовым выводом к аноду, а минусовым к катоду.
• Анодный вывод у светодиода делается длиннее, чем катодный.
• Прозванивать можно светодиоды, у которых небольшое напряжение питания. Если у них большая мощность, применять такой метод нельзя.

Лучше воспользоваться проверенным способом измерения характеристик устройства. Для этого понадобятся:

• блок питания, рассчитанный на 12 В;
• мультиамперметр;
• постоянные резисторы – 2,2 и 1 кОм, а также 560 Ом;
• переменный резистор – 470–680 Ом;
• вольтметр, желательно цифровой;
• провода для коммутации схемы.

Как и в предыдущем случае, потребуется узнать полярность диода. Если по его выводам непонятно, где «+» и «-», тогда придется к одному из выводов подсоединить резистор 2,2 кОм. После этого нужно подключить светодиод к блоку питания. При его свечении нужно отключить питание и промаркировать нужный выход «+».

Теперь нужно заменить резистор 2,2 кОм на 560 Ом. В эту цепь последовательно подсоединяется переменный резистор, а также миллиамперметр для проведения замера. Вольтметр, у которого разрешение 0,1 В, подключается параллельно светодиоду. После этого необходимо установить максимальное сопротивление у переменного резистора.

Мультиметр для замера силы тока и напряжения светодиода

Можно подсоединить собранную схему к блоку питания, соблюдая полярность. После включения у светодиода будет блеклое свечение. Сопротивление постепенно снижают и следят за вольтметром. Определенное время напряжение будет расти до 0,5 В, расти будет и ток, что влияет на увеличение яркости светодиода. Необходимо фиксировать показания каждые 0,1 В. Оптимальный рабочий ток будет достигнут, когда величина напряжения станет расти медленнее силы тока, а яркость перестанет увеличиваться.

Как узнать падение напряжения?

Для того чтобы определить, на сколько вольт светодиод, можно воспользоваться теоретическим и практическим методами. Они оба хороши и применяются в зависимости от ситуации и сложности испытуемого прибора.

Теоретический метод

Для анализа характеристик светодиода таким способом большую подсказку дают габариты прибора, цвет и форма его корпуса. Примеси различных химических элементов вызывают свечение кристаллов от красного до желтого цвета. Конечно, если видна расцветка корпуса, тогда можно определить некоторые параметры светодиода по внешнему виду. Но при его прозрачности придется воспользоваться мультиметром. Выставляем тестер на «обрыв» и щупами прикасаемся к выводам светодиода. Ток, проходящий через светодиод, вызывает слабое свечение кристалла.

Типы и виды светодиодов

В состав этих изделий входят различные полупроводниковые металлы. Этот фактор и влияет на падение напряжения на p-n-переходе. Чтобы обозначить такие характеристики, независимо от марок и производителей светодиода, их окрашивают в различные цвета. Но стоит знать, что конкретно утверждать, на сколько вольт светодиод, опираясь только на его окраску, будет неверно. Цвета этих приборов дают приблизительные значения для проведения измерений. Примерные параметры по цветовому признаку приведены в таблице.

Примерные характеристики светодиода можно определить по цвету его корпуса и размерам

На прямое напряжение светодиода не воздействуют габариты или вариации корпуса, однако может проглядываться количество кристаллов, которые излучают свет и соединяются последовательно. Бывают виды элементов SMD, где люминофор прячет цепочку кристаллов.

В корпусе SMD-светодиода последовательно соединяются три кристалла белого цвета. Наиболее часто они применяются в лампах на 220 В китайского производства. Из-за того, что такие светодиоды начинают реагировать только от 9,6 вольт, протестировать их мультиметром не удастся, так как его батарейка питания рассчитана на 9,5 В.

Теоретически можно воспользоваться интернетом, скачав специальную программу datasheet, в поисковике которой вписать известные параметры светодиода, его цвет. Это позволит найти приблизительные характеристики, где падение напряжения и значения тока могут быть неточными.

Практический метод

Проведение тестирования практическим способом позволяет получить наиболее точные значения силы тока и падения напряжения. Рассчитанная таким образом характеристика прибора позволяет безопасно и долговременно использовать его по назначению. Для получения неизвестных параметров потребуется вольтметр, мультиметр, блок питания, рассчитанный на 12 В, резистор от 510 Ом.

Принцип измерений аналогичен описанному выше для тестирования светодиода на номинальный ток. Необходимо собрать схему с резистором и вольтметром, после чего увеличивать постепенно напряжение до начала свечения кристалла. При достижении яркости высшей точки показания замедляют рост. Можно снимать с экрана номинальное напряжение светодиода.

При 1,9 вольт может отсутствовать свечение. В этом случае часто проверяется инфракрасный диод. Чтобы это уточнить, необходимо перевести излучатель в телефонную камеру. Если будет видно на экране белое пятно, то это и есть инфракрасный диод.

Схема проверки падения напряжения на светодиоде

Если нет возможности применить блок питания на постоянные 12 В, можно использовать батарейку «Крона», рассчитанную на 9 вольт. При отсутствии вышеперечисленных источников питания отлично подойдет стабилизатор сетевого напряжения, который может выдавать необходимое выпрямленное напряжение, только потребуется заново рассчитать номинал сопротивления резистора, задействованного в схеме. В этом случае также нужно повышать напряжение до засвечивания светодиода. Напряжение, при котором произойдет свечение, и будет номинальным, на которое он рассчитан.

При неизвестных характеристиках светодиода обязательно необходимо рассчитывать его значения номинального тока и падения напряжения, чтобы предотвратить быстрый выход из строя.

Подробно о напряжении светодиода

Зачастую в руки ремонтника или радиолюбителя попадают светодиоды без приложения технической документации. Для правильного применения полупроводниковых приборов требуется знать их характеристики, в противном случае скорый выход из строя светоизлучающего элемента неизбежен. Хотя управляющим параметром для LED является ток, знание рабочего напряжения является важным – при его превышении жизнь p-n перехода окажется недолгой.

Как узнать какой светодиод стоит в лампе

Самый простой вариант – если лампа полностью исправна. В этом случае надо просто измерить падение напряжения на любом из элементов. Если при подаче питания один или несколько элементов не светят (или все), надо идти другим путем.

Если лампа построена по схеме с драйвером, то на драйвере указано выходное напряжение в виде верхнего и нижнего пределов. Это связано с тем, что драйвер стабилизирует ток. Для этого ему надо изменять напряжение в определенных границах. Фактическое напряжение придется измерить мультиметром и убедиться, что оно в норме. Далее визуально (по дорожкам печатной платы) определить количество параллельных цепочек светодиодов в матрице и количество элементов в цепочке. Напряжение драйвера нужно разделить на число последовательно соединенных элементов. Если напряжение на драйвере не обозначено, то его можно лишь замерить по факту.

Если светильник построен по схеме с балластным резистором и его сопротивление известно (или его можно измерить), то напряжение светодиода можно определить расчетным способом. Для этого надо знать рабочий ток. В этом случае надо рассчитать:

• падение напряжения на резисторе – Uрезистора=Iраб*Rрезистора;
• падение напряжения на цепочке LED – Uled=Uпитания – Uрезистора;
• разделить Uled на количество приборов в цепочке.

Если Iраб неизвестен, его можно принять равным 20-25 мА (схема с резистором применяется для маломощных фонарей). Точность будет приемлема для практических целей.

Сколько вольт имеет прямое напряжение светодиода

Если изучить стандартную вольт-амперную характеристику светодиода, можно заметить на ней несколько характерных точек:

1. В точке 1 p-n переход начинает открываться. Через него начинает идти ток и LED начинает светиться.
2. При увеличении напряжения ток достигает рабочего значения (в данном случае 20 мА), и в точке 2 напряжение является рабочим для данного LED, яркость свечения становится оптимальной.
3. При дальнейшем увеличении напряжения ток растет, и в точке 3 достигает своего максимально допустимого значения. После этого он быстро выходит из строя, а кривая ВАХ растет только теоретически (штриховой участок).

Надо заметить, что после окончания перегиба и выхода на линейный участок ВАХ имеет большую крутизну, что ведет к двум последствиям:

• при увеличении тока (например, при неисправности драйвера или отсутствии балластного резистора) напряжение растет слабо, поэтому можно говорить о постоянном падении напряжения на p-n переходе, независимо от рабочего тока (эффект стабилизации);
• при небольшом увеличении напряжения ток растет быстро.

Поэтому заметно увеличивать напряжение на элементе относительно рабочего нельзя.

На сколько вольт бывают светодиоды

Параметры светодиодов большей частью зависят от материала, из которого изготовлен p-n переход, хотя часть характеристик все же зависит от конструктива. Типовые значения рабочего напряжения и цвет свечения для маломощных элементов при токе 20 мА сведены в таблицу:

Мощные осветительные светодиоды работают при больших токах. Так, кристалл популярного LED 5730 предназначен для длительной эксплуатации при токе 150 мА. Но из-за крутой ВАХ, стабилизирующей падение напряжения, его Uраб составляет около 3,2 В, что укладывается в указанное в таблице значение.

Как определить напряжение светодиода

Самый очевидный метод определения напряжения полупроводникового прибора – это использовать регулируемый источник питания. Если блок питания регулируется с нуля и при этом возможен контроль тока (а еще лучше – его ограничение), то больше ничего не нужно.

Надо подключить LED к источнику, строго соблюдая полярность. Дальше надо плавно поднимать напряжение (до 3..3,5 В). При определенном напряжении светодиод вспыхнет в полную силу. Этот уровень будет примерно соответствовать рабочему току, который можно считать по амперметру. Если у прибора нет встроенного амперметра, то крайне желательно контролировать ток по внешнему прибору.

Такой метод применим к приборам оптического диапазона. Свечение УФ- и ИК-светодиодов не видно человеческим зрением, но в последнем случае можно наблюдать за включением LED через камеру смартфона. Таким методом можно отследить появление инфракрасного излучения.

Важно! При подъеме напряжения не превышать предел 3..3,5 В! Если светодиод при таких условиях не горит, возможна неверная полярность подключения прибора. Он может выйти из строя из-за превышения предела обратного напряжения.

Если регулируемого источника нет, можно взять обычный блок питания с фиксированным выходом, заведомо превышающим предполагаемое напряжение светодиода. Или даже батарейку на 9 В, но в этом случае можно будет проверить только светодиод небольшой мощности. К светоизлучающему элементу надо последовательно припаять резистор так, чтобы ток в цепи не превысил верхний предел. Если предполагается, что LED маломощный и работает при токе не более 20 мА, то для источника с выходным напряжением 12 В резистор должен быть около 500 Ом. Если используется мощный осветительный прибор (например, типоразмера 5730) с током 150 мА (батарейка такой ток обеспечит не всегда), то резистор должен быть около 10 Ом. Надо подключить цепочку к источнику постоянного напряжения, убедиться в зажигании LED и замерить падение напряжения на нем.

Существуют и альтернативные способы узнать, на сколько вольт рассчитан светодиод .

Мультиметром

У некоторых мультиметров напряжение, подаваемое на клеммы в режиме тестирования диодов, достаточно велико для зажигания LED. Такой измерительный прибор можно использовать для определения рабочего напряжения светодиода, одновременно проверяя цоколевку полупроводникового элемента. При верном подключении p-n переход начнет светиться, а тестер покажет какое-то сопротивление (зависит от типа LED). Проблема этого метода в том, что для замера фактического значения Uрабочего на выводах светодиода потребуется второй мультиметр. И другой момент: измерительного напряжения мультиметра вряд ли будет достаточно для вывода светодиода в рабочую точку по току. Визуально это заметно по недостаточно яркому свечению, а для замеров это будет означать, что светодиод не вышел на линейную часть ВАХ и фактическое значение рабочего напряжения будет выше.

По внешнему виду

Рабочее напряжение приблизительно можно оценить по внешнему виду и цвету свечения LED (иногда цвет можно определить даже не подавая питание на прибор). Для этого можно воспользоваться таблицей, приведенной выше. Но однозначно определить напряжение по цвету свечения светодиода не получится. Зачастую производители подкрашивают компаунд, чтобы цвет излучения p-n перехода сложился с цветом линзы и получился новый оттенок. К тому же даже в пределах одного цвета существует разброс параметров (см. таблицу) для светодиодов разных типов. Так, для LED белого свечения разница напряжений может достигать более 50%.

Как узнать на какое напряжение рассчитан светодиод

Все вышесказанное относится к обычным LED, работающим без дополнительных встроенных элементов. Существующие технологии позволяют встраивать в корпус прибора добавочные комплектующие. Например, гасящие резисторы. Так получают светодиоды на большее напряжение – 5,12 или 220 В. Визуально определить напряжение зажигания таких приборов практически невозможно. Поэтому остается один путь.

Если предыдущие способы не дали результата и есть уверенность, что LED исправен, надо пробовать подавать на него повышенное напряжение. Сначала 5 В, потом увеличить напряжение до 12 В, если результата нет – можно попробовать повышать далее, вплоть до 220 В. Но до таких величин лучше не экспериментировать – это напряжение опасно для человека. Кроме того, в случае ошибки можно получить разрушение корпуса светодиода. При этом может произойти небольшой хлопок, оплавление изоляции проводов, возгорание и т.д. В настоящее время технологии шагнули далеко вперед, и светодиод стоит не настолько дорого, чтобы из-за него рисковать оборудованием и здоровьем.

Правильное подключение светодиода. Схемы подключения.

1. Подключение светодиода к низковольтному напряжению постоянного тока.

Чтобы подобрать резистор для светодиода, будем пользоваться следующим способом: нам известно, что напряжение светодиода 2В, соответственно при подключении светодиода к 12 вольтам (например, светодиод будем использовать в автомобиле) нам надо ограничить 10В, в принципе в случаях светодиодов правильней говорить ограничить ток светодиода, но мы при выборе резистора будем пользоваться простым проверенным многими годами способом без всяких математических формул. На каждый вольт необходим резистор сопротивлением 100 Ом, т.е. если светодиод с рабочим напряжением 2В, и мы подключаем к 12 вольтам, нам нужен резистор 100Ом х 10В=1000 Ом или 1кОм обычно на схемах обозначается 1К, мощность резистора зависит от тока светодиода, но если мы используем обычный не мощный светодиод, как правило, его ток 10-20мА и в этом случае достаточно резистора на 0,25Вт самого маленького резистора по размеру.

Резистор с большей мощностью нам понадобится в 2х случаях: 1) если ток светодиода будет больше и 2) если напряжение будет выше, чем 24В и соответственно в случаях подключения светодиода к напряжению 36-48В и выше нам понадобится резистор с большей мощностью 0,5 – 2Вт, а в случае подключения светодиода к сети 220В лучше использовать резистор на 2Вт, но при подключении светодиода к сети переменного тока нам потребуется еще ряд элементов, но об этом чуть позже.

Если требуется светодиод подключить к батарейке, скажем на 3В, то можно поставить резистор последовательно на 100 Ом, а если батарейка пальчиковая на 1,5В, то можно подключить и без резистора.
При расчете мы можем выбрать только резисторы из стандартных номиналов, поэтому нет ничего страшного, если сопротивление резистора, будет чуть больше или меньше расчетного.

Если вы используете очень яркий светодиод, а светодиод используется, к примеру, для индикации в каких-либо устройствах, то можно сопротивление резистора увеличить, и тем самым яркость светодиода уменьшится, и светодиод не будет ослеплять. Но лучше всего в таких случаях если не требуется большая яркость светодиода, то при покупке в магазине или заказе в Китае можно выбрать матовый светодиод нужного цвета и током, как правило, 6-20мА, угол обзора у данных светодиодов, как правило, составляет 60 градусов, они отлично подходят для индикации, не ослепляют и от них не устают глаза, даже если долго на них смотреть. Прозрачные белые светодиоды для данных целей, как правило, не подходят.

В случае подключения светодиода к микроконтроллеру или плате ARDUINO, как правило, рабочее напряжение составляет 5В, соответственно резистор можно взять 300-470 Ом можно и еще с большим сопротивлением. Главное учитывать, что ток не может превышать предельного тока вывода микроконтроллера, как правило, не более 10мА, поэтому сопротивление резистора 300-470 Ом для подключения светодиода является золотой серединой. Схема подключения светодиода к микроконтроллеру или плате ARDUINO представлена на рисунке 3. Стоит обратить Ваше внимание, что светодиод может быть подключен как анодом, так и катодом к микроконтроллеру и от этого будет зависеть программный способ управления светодиодом.

3. Последовательное подключение нескольких светодиодов
При последовательном соединении светодиодов чтобы их яркость не отличалась, друг от друга надо, чтобы светодиоды были одного типа. При последовательном соединении светодиодов сопротивление резистора будет меньше в отличие от случая, когда мы подключаем один светодиод. Для расчета резистора мы так же можем использовать ранее рассмотренный способ.

К примеру, нам необходимо последовательно подключить четыре светодиода к напряжению постоянного тока 12В, соответственно рабочее напряжение светодиодов 2В при последовательном соединении будет 2В х 4шт. = 8В. Тогда мы можем выбрать резистор из стандартного ряда на 470-510 Ом. При последовательном соединении светодиодов ток, протекающий через все светодиоды, будет одинаковым.

Рисунок 5 — Последовательное соединение светодиодов
Одним из недостатков последовательного соединения светодиодов является тот факт, что в случае выхода одного из светодиодов из строя, все светодиоды перестанут светится. Ниже приведена схема с последовательным соединением двух, трех и четырех светодиодов.

4.Параллельное подключение светодиодов
При параллельном подключении светодиодов резистор выбираем так же, как в случае одиночного светодиода. На каждый светодиод должен быть свой резистор при этом, если резисторы по сопротивлению будут отличаться или светодиоды будут различных марок, то будет очень заметно неравномерность свечения одного светодиода от другова. Ток при параллельном соединении будет складываться в зависимости от количества светодиодов.

5. Подключение мощных светодиодов с большим рабочим током, как правило, применяемых для освещения. При использовании мощных светодиодов лучше всего не использовать обычные резисторы, а применять специальные импульсные источники питания для светодиодов в них, как правило, уже установлены цепи стабилизации тока, данные источники питания обеспечивают равномерность свечения светодиодов и более долговечный срок службы. Светодиоды, применяемые для освещения необходимо устанавливать на теплоотвод (радиатор).

6. Подключение светодиода к переменному напряжению 220В.
(Внимание. Опасное напряжение все работы по подключению к сети 220В необходимо производить только при выключенном, снятом напряжении и при этом необходимо убедится, что напряжение отсутствует. Будьте внимательны. Ко всем элементам схемы не должно быть прямого доступа).
При подключении светодиода к переменному напряжению 220В нам понадобится не только резистор, но и диод для выпрямления напряжения, так как светодиод работает от постоянного тока. Без диода на переменное напряжение лучше не включать. Схема подключения светодиода к сети 220В представлена на рисунке 7. Благодаря тому что мы используем два резистора вместо одного, мы можем использовать резисторы мощностью 1Вт. Так же лучше всего установить конденсатор особено если будет заметно мерцание светодиода. Конденсатор может быть керамический или пленочный главное нельзя использовать электролитический конденсатор.

7. Подключение двухцветных светодиодов.
Если мы возьмем двухцветный светодиод, то увидим, что у данного светодиода не два, а три вывода, соответственно, один вывод по центру является общим, а два вывода по бокам каждый отвечает за свой цвет.

Немного математики :
Расчет сопротивления ограничивающего резистора при 5В и токе светодиода 20мА:
R = U / Imax = 5 / 0.020 = 250 Ом — соответственно сопротивление резистора при 5В должно быть не меньше 250 Ом

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:

• анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл;
• катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл;
• отражатель;
• кристалл полупроводника;
• рассеиватель.

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:

• ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;

• полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.

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:

Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света. Dip светодиоды

• Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам. Smd

• Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров. Cob
• Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды. Волоконные
• Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп. Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно. Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий. Filament

• Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии. Oled

• В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.

Светодиоды могут быть:

• мигающими – используются для привлечения внимания;
• многоцветными мигающими;
• трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
• RGB;
• монохромными.

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:

• Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
• При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.

• При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
• По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.

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:

• когда вопрос эффективности схемы не является основным – например, индикация;

• лабораторные исследования.

В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах.

Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора: