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.

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.

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.

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. 

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.

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. 

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.

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.

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. 

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! 

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.

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. 

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!