Светодиод

26/12/2013 - 07:12 Pavel Bobkov

Введение

Светодиод (Light Emitting Diode, LED) - это полупроводниковый диод, способный излучать свет, когда к нему приложено напряжение в прямом направлении. По сути, это диод, преобразующий электрическую энергию в световую. В зависимости от материала из которого изготовлен светодиод, он может излучать свет разной длины волны (разного цвета) и иметь различные электрические характеристики. 

Светодиоды применяются во многих сферах нашей жизни в качестве средств отображения визуальной информации. Например, в виде одиночных излучателей или в виде конструкций из нескольких светодиодов - семисегментных индикаторов, светодиодных матриц, кластеров и так далее. Также в последние годы светодиоды активно занимают сегмент осветительных приборов. Их используют в автомобильных фарах, фонарях, светильниках и люстрах.

Применение светодиодов


Обозначение светодиода на схеме

На электрических схемах светодиод обозначается символом диода с двумя стрелками. Стрелки направлены от диода, символизируя световое излучение. Не путай с фотодиодом, у которого стрелки направлены к нему.

На отечественных схемах буквенное обозначение одиночного светодиода - HL.

Обозначение светодиода

Выводы и маркировка светодиода

Стандартный одноцветный светодиод имеет два вывода - это анод и катод. Определить какой из выводов является анодом, можно визуально. У светодиодов с проволочными выводами анод обычно длиннее катода.

где у светодиода плюс


У SMD светодиодов выводы одинаковые, но на обратной стороне обычно есть маркировка в виде треугольника или подобия буквы T. Анодом является вывод, к которому обращена одна сторона треугольника или верхняя часть буквы Т. 

маркировка smd светодиода


Если не получается определить визуально где какие выводы, можно прозвонить светодиод. Для этого понадобится источник питания или адаптер, способный давать напряжение около 5 Вольт. Подключаем любой вывод светодиода к минусу источника, а второй подключаем к плюсовой клемме источника через сопротивление 200 - 300 Ом. Если светодиод подключен правильно, он засветится. В противном случае меняем выводы местами и повторяем процедуру. 

Можно обойтись без резистора, если не подключать плюсовую клемму источника питания, а быстро "чиркнуть" ей по выводу светодиода. Но вообще подавать большое напряжение на светодиод, не ограничивая при этом ток, нельзя - он может выйти из строя!

Напряжение светодиода

Светодиод испускает свет, если к нему приложить напряжение в прямом направлении: к аноду - плюс, а к катоду - минус.

включение светодиода


Минимальное напряжение, при котором светодиод начинает светится, зависит от его материала. В таблице ниже приведены значения напряжений светодиодов при тестовом токе 20 мА и цвета, которые они излучают. Эти данные я взял из каталога светодиодов фирмы Vishay, различных даташитов и Википедии. 

напряжения разных светодиодов


Самое большое напряжение требуется для голубых и белых светодиодов, а самое маленькое для инфракрасных и красных.

Излучение инфракрасного светодиода не видно человеческим глазом, поэтому такие светодиоды не применяются в качестве индикаторов. Они используются в различных датчиках, подсветках видеокамер. Кстати, если инфракрасный светодиод запитать и посмотреть на него через камеру мобильного телефона, то его свечение будет хорошо видно.

инфракрасный светодиод


В показанной таблице даны примерные значения напряжения светодиода. Обычно этого достаточно, чтобы его включить. Точную величину прямого напряжения конкретного светодиода можно узнать в его даташите в разделе Electrical Characteristics. Там указано номинальное значение прямого напряжения при заданном токе светодиода. Для примера заглянем в даташит на красный SMD светодиод фирмы Kingbright.

прямой ток светодиода

Вольт-амперная характеристика светодиода

Вольт-амперная характеристика светодиода показывает взаимосвязь между приложенным напряжением и током светодиода. На рисунке ниже показана прямая ветвь характеристики из того же даташита. 

вольт-амперная характеристика светодиода


Если светодиод подключить к источнику питания (к аноду +, к катоду -) и с нуля постепенно повышать на нем напряжение, то ток светодиода будет меняться согласно этому графику. По нему видно, что после прохождения точки "загиба", ток через светодиод будет резко возрастать при небольших изменениях напряжения. Это как раз та причина, по которой светодиод нельзя подключать к любому источнику питания без резистора, в отличии от лампочки накаливания. 

Чем выше ток, тем ярче светится светодиод. Однако повышать ток светодиода до бесконечности, естественно, нельзя. При большом токе светодиод перегреется и сгорит. Кстати, если сразу подать на светодиод высокое напряжение он даже может шлепнуть, как слабенькая петарда! 

взрыв светодиода

Остальные характеристики светодиода

Какие еще характеристики светодиода представляют интерес с точки зрения практического использования? 

Максимальная мощность рассеяния, максимальные значения постоянного и импульсного прямых токов и максимальное обратное напряжение. Эти характеристики показывают предельные значения напряжений и токов, которые не стоит превышать. Они описаны в даташите в разделе Absolute Maximum Ratings.

характеристики светодиода


Если приложить к светодиоду напряжение в обратном направлении, светодиод не засветится, да и вообще может выйти из строя. Дело в том, что при обратном напряжении может наступить пробой, в результате которого обратный ток светодиода резко возрастет. И если выделяемая на светодиоде мощность (обратный ток * на обратное напряжение) превысит допустимую - он сгорит. В некоторых даташитах дополнительно приводится и обратная ветвь вольт-амперной характеристики, из которой видно, при каком напряжении наступает пробой. 

Интенсивность излучения (сила света)

Грубо говоря, это характеристика, определяющая яркость свечения светодиода при заданном тестовом токе (обычно 20 мА). Обозначается - Iv, а измеряется в микроканделах (mcd). Чем ярче светодиод, тем выше значение Iv. Научное определение силы света есть в википедии.

Также представляет интерес график зависимости относительной интенсивности излучения светодиода от прямого тока. У некоторых светодиодов, например, при увеличении тока интенсивность излучения растет все меньше и меньше. На рисунке приведено несколько примеров. 

интенсивность излучения светодиода


Спектральная характеристика

Она определяет в каком диапазоне длин волн излучает светодиод, грубо говоря цвет излучения. Обычно приводится пиковой значение длины волны и график зависимости интенсивности излучения светодиода от длины волны. Я редко смотрю на эти данные. Знаю, например, что светодиод красный и мне этого достаточно. 


Климатические характеристики

Они определяют диапазон рабочих температур светодиода и зависимости параметров светодиода (прямого тока и интенсивности излучения) от температуры. Если светодиод планируется использовать при высоких или низких температурах, стоит обратить внимание и на эти характеристики. 

Как работает светодиод?

Материал статьи рассчитан на начинающих электронщиков, а потому я намеренно не касаюсь физики работы светодиода. Осознание того, что светодиод излучает фотоны в результате рекомбинации носителей заряда в области p-n перехода, не несет никакой полезной информации для практического использования светодиодов. Да и не только для использования, но и для понимания в принципе. 

Однако, если вам хочется покопаться в этой теме, то даю направление, куда рыть - Пасынков В.В, Чиркин Л.К. "Полупроводниковые приборы" или Зи.С "Физика полупроводниковых приборов". Это ВУЗ`овские учебники - там все по-взрослому. 

О подключении светодиодов в следующем материале...

Поделился статьей - получил светодиодный луч добра!

Комментарии   

# ed 26.12.2013 09:07
"..Подключаем любой вывод светодиода к минусу источника, а второй подключаем к минусовой клемме..."
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 27.12.2013 05:12
Поправил.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# САБ 20.01.2014 13:53
Совсем "на пальцах" физика работы светодиода описана в книжке "Барьеры (От кристалла до интегральной схемы)", выпуск 65 библиотечки "Квант". http://ru.wikipedia.org/wiki/Библиотечка_«Квант»

Также можно добавить, что лет 20 назад светодиоды использовались как низковольтные стабилитроны.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# devprodest 06.02.2014 14:12
Кстати если кто-то постоянно путает что такое катод и что такое анод, особенно начинающие, предлагаю такую запоминалку.

По количеству букв в словах Анод-Плюс (по 4 буквы), Катод-Минус (по 5 букв).
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 06.02.2014 14:46
Мне нравятся такие мнемонические правила. Помню из института еще правило "трех П". Чтобы сместить p-n переход в прямом направлении нужно к P приложить плюс.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Сергей 07.02.2014 07:44
С лицевой стороны SMD светодиода зелеными точками у вывода обозначается катод(минус).
Ваша картинка, с изображением SMD-светодиода, немного вводит в заблуждение.
Если не сложно, поправьте картинку.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 07.02.2014 17:43
Да, надо поправить.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# LEV-PRAV 04.09.2014 07:58
Не поправил.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить