Светодиод (LED)

Светодиоды повсюду – в наших телефонах, в наших автомобилях и даже в наших домах. Всякий раз, когда электронное устройство загорается, велика вероятность, что за этим стоит светодиод.

Светодиоды похожи на крошечные лампочки. Низкое энергопотребление, малый размер, быстрое переключение и длительный срок службы делают их идеальными для мобильных устройств и других маломощных приложений.

LED расшифровывается как Light Emitting Diode (светоизлучающий диод). Это особый тип диода, который преобразует электрическую энергию в свет. Они имеют очень похожие электрические характеристики с обычным диодом на основе PN-перехода. Поэтому символ светодиода похож на символ обычного диода с PN-переходом, за исключением того, что он содержит стрелки, направленные от диода, указывающие на то, что диод излучает свет.

Конструкция светодиода

Светодиоды настолько распространены, что выпускаются в огромном разнообразии форм, размеров и цветов. Светодиоды, которые вы, скорее всего, будете использовать, – это стандартные светодиоды для сквозного монтажа с двумя выводами. На следующем рисунке показаны его части.

Конструкция светодиода сильно отличается от обычного диода. PN-переход светодиода окружён прозрачной, жёсткой пластиковой оболочкой из эпоксидной смолы.

Оболочка сконструирована таким образом, что фотоны света, излучаемые переходом, фокусируются вверх через куполообразную верхнюю часть светодиода, которая сама по себе действует как линза. Вот почему излучаемый свет кажется наиболее ярким на верхней части светодиода.

Как и в обычном диоде, положительная сторона светодиода называется Анод, а отрицательная сторона светодиода называется Катод. Катод обычно обозначается более коротким выводом по сравнению с анодом. Кроме того, на внешней стороне пластикового корпуса обычно есть плоская грань или выемка, которая также может указывать на сторону катода светодиода.

Не все светодиоды имеют полусферическую форму, некоторые прямоугольные, а некоторые цилиндрические, но в основном они устроены одинаково.

Изображение предоставлено: wikipedia.org

Принцип работы светодиода

Как и обычный диод, светодиод работает только в режиме прямого смещения. Когда светодиод смещён в прямом направлении, свободные электроны пересекают PN-переход и рекомбинируют с дырками. Поскольку эти электроны переходят с более высокого на более низкий энергетический уровень, они излучают энергию в виде фотонов (света).

В обычных диодах эта энергия излучается в виде тепла, тогда как в светодиоде энергия излучается в виде света. Этот эффект называется электролюминесценцией.

Цвета светодиодов

Светоизлучающие диоды доступны в широком диапазоне цветов, наиболее распространёнными из которых являются красный, зелёный, жёлтый, синий, оранжевый, белый и инфракрасный (невидимый) свет.

В отличие от обычных диодов, которые изготавливаются из германия или кремния, светодиоды изготавливаются из таких элементов, как галлий, мышьяк и фосфор. Смешивая эти элементы в различных пространствах, производитель может изготавливать светодиоды, излучающие различные цвета, как показано в таблице ниже.

Цвет	Длина волны (нм)	Прямое напряжение (В)	Материал
Ультрафиолетовый	<400	3,1-4,4	Нитрид алюминия (ALN), Нитрид алюминия-галлия (AIGaN)
Фиолетовый	400-450	2,8-4,0	Нитрид индия-галлия (InGaN)
Синий	450-500	2,5-3,7	Нитрид индия-галлия (InGaN), Карбид кремния (SiC)
Зелёный	500-570	1,9-4,0	Фосфид галлия (GaP), Фосфид алюминия-галлия (ALGaP)
Жёлтый	570-590	2,1-2,2	Фосфид-арсенид галлия (GaAsP), Фосфид галлия (GaP)
Оранжевый	590-610	2,0-2,1	Фосфид-арсенид галлия (GaAsP), Фосфид галлия (GaP)
Красный	610-760	1,6-2,0	Арсенид алюминия-галлия (AIGaAs), Фосфид-арсенид галлия (GaAP), Фосфид галлия (GaP)
Инфракрасный	>760	>1,9	Арсенид галлия (GaAs), Арсенид алюминия-галлия (ALGaAs)

Фактический цвет светодиода определяется длиной волны излучаемого света, которая, в свою очередь, определяется фактическим полупроводниковым материалом, используемым для изготовления диода.

Поэтому цвет света, излучаемого светодиодом, НЕ определяется цветом корпуса светодиода. Он лишь усиливает световую отдачу и указывает на его цвет, когда он не включён.

Напряжение и ток светодиода

Для большинства маломощных светодиодов типичное падение напряжения составляет от 1,2 В до 3,6 В при токах от 10 мА до 30 мА. Точное падение напряжения, конечно, будет зависеть от используемого полупроводникового материала, цвета, допуска и других факторов.

Поскольку светодиод по сути является диодом, его вольт-амперные характеристики можно построить для каждого цвета, как показано ниже.

Если не указано иное, следует считать номинальное падение напряжения 2 В и прямой ток 20 мА.

Яркость светодиода

Яркость светодиода напрямую зависит от того, какой ток он потребляет. Чем больше ток он потребляет, тем ярче будет светить светодиод.

Вы можете управлять яркостью светодиода, контролируя величину тока, протекающего через него.

Токоограничивающий резистор

Если вы подключите светодиод напрямую к батарее или источнику питания, он попытается рассеять как можно больше мощности и практически мгновенно выйдет из строя.

Поэтому важно ограничить величину тока, протекающего через светодиод. Для этого мы используем резисторы. Резистор ограничивает поток электронов в цепи и предотвращает попытку светодиода потребить слишком большой ток.

Токоограничивающий резистор размещается между светодиодом и источником напряжения следующим образом:

В приведённой выше схеме на левом узле резистора напряжение VS, а на правом узле – напряжение VF, напряжение на резисторе равно разности этих двух напряжений.

Применяя закон Ома, токоограничивающий резистор рассчитывается как:

Базовый пример

Рассмотрим красный светодиод с прямым падением напряжения 1,8 В, подключённый к источнику постоянного тока 5 В. Рассчитайте значение токоограничивающего резистора, необходимого для ограничения прямого тока приблизительно до 10 мА.

Решение

Используя приведённую выше формулу, токоограничивающий резистор равен:

Это говорит о том, что нам понадобится резистор на 320 Ом для ограничения тока до 10 мА. Но 320 Ом – это не стандартное предпочтительное значение, поэтому нам нужно выбрать ближайшее большее значение, которое составляет 330 Ом.

Давайте пересчитаем прямой ток для токоограничивающего резистора 330 Ом:

Мы получили новое значение прямого тока 9,6 мА, что вполне приемлемо.

Многоцветные светодиоды

Большинство светодиодов излучают свет только одного цвета. Однако сейчас доступны многоцветные светодиоды, которые могут воспроизводить различные цвета в одном корпусе. На самом деле в них несколько светодиодов, объединённых в один корпус.

RGB-светодиоды

На первый взгляд RGB (Red, Green, Blue – красный, зелёный, синий) светодиоды выглядят как обычные светодиоды, однако внутри стандартного корпуса светодиода на самом деле находятся три светодиода: один красный, один зелёный и, да, один синий. Управляя интенсивностью каждого из отдельных светодиодов, вы можете смешивать практически любой цвет, который захотите.

RGB-светодиод имеет четыре вывода: по одному для каждого цвета и один общий вывод. У некоторых общий вывод является анодом, а у других – катодом.

Двухцветные светодиоды

В отличие от RGB-светодиода, двухцветный светодиод не содержит синего светодиода внутри корпуса. Как правило, внутри находятся только два светодиода: один красный и один зелёный. Управляя интенсивностью каждого из отдельных светодиодов, вы можете смешивать только оттенки красного и зелёного.

Двухцветный светодиод имеет три вывода: по одному для каждого цвета и один общий вывод. Подобно RGB-светодиоду, у некоторых общий вывод является анодом, а у других – катодом.