Светодиоды активно используются в быту и промышленности. Однако для их правильной работы важно знать цоколевку и основные параметры. В статье рассматриваются способы определения полярности светодиодов, их конструктивные особенности и характеристики. Эта информация поможет при выборе и эксплуатации светодиодов.
Общие сведения о светодиодах
Светодиоды были изобретены в 1962 году Ником Холоньяком в компании General Electric. Первые светодиоды излучали тусклый красный свет с низким КПД. С тех пор конструкция и параметры светодиодов значительно улучшились.
Принцип работы светодиодов основан на явлении электролюминесценции в полупроводниках. При пропускании тока через p-n переход выделяется энергия в виде фотонов, что и создает свечение. Цвет свечения зависит от материала полупроводника.
Сегодня светодиоды используются повсеместно:
- Бытовые светильники и лампы
- Подсветка помещений
- Светофоры и уличное освещение
- Автомобильные фары и приборные панели
- Индикаторы и дисплеи различной аппаратуры
По сравнению с лампами накаливания и газоразрядными лампами светодиоды обладают более высоким КПД, долгим сроком службы, малыми габаритами. Однако стоимость светодиодов выше.
Конструкция светодиодов
Конструктивно светодиод состоит из следующих элементов:
- Кристалл на основе полупроводниковых соединений (GaAs, GaN)
- Каркас для закрепления кристалла
- Выводные проволоки
- Корпус
- Оптическая система фокусировки излучения
Распространены два типа корпусов светодиодов:
- Линзовый корпус со стеклянной линзой
- Плоский корпус для поверхностного монтажа (SMD)
Форм-фактор светодиода определяет его габариты и способ крепления в устройстве. Стандартные размеры светодиодов: 5 мм, 8 мм, 10 мм. SMD светодиоды классифицируют по размерам 1206, 3528 и т.д.
Параметры светодиодов
Основные параметры светодиодов:
- Длина волны (цвет) излучения
- Сила света (яркость)
- Прямое падение напряжения при заданном токе
- Максимально допустимый прямой ток
Современные светодиоды способны излучать свет в широком диапазоне длин волн – от ультрафиолетового до инфракрасного. Наиболее распространены красные, зеленые, синие, белые и желтые LED.
Яркость светодиода зависит от мощности и определяется в канделах или люменах. По яркости светодиоды делят на 4 категории: низкояркие, средней яркости, яркие, сверхъяркие.
Напряжение в открытом состоянии у кремниевых светодиодов составляет 1,5-2 В, у арсенид-галлиевых 2-4 В. Рабочий прямой ток для мощных светодиодов может достигать 1 А.
Максимально допустимые значения напряжения и тока определяют область безопасной работы светодиода.
Цоколевка светодиодов
Для нормального свечения светодиода необходимо соблюдать полярность – анод должен быть соединен с положительным полюсом источника тока, а катод с отрицательным.
Цоколевка светодиодов бывает двух видов:
- Прямая – анод соединен с длинной ножкой светодиода
- Обратная – анод соединен с короткой ножкой светодиода
На принципиальной электрической схеме цоколевка светодиодов обозначается в виде треугольника и поперечной линии – треугольник соответствует аноду.
Визуальные способы определения полярности
Определить цоколевку светодиодов можно визуально, рассмотрев внутреннюю структуру через прозрачный корпус. Катодом является более широкий вывод с засечкой или срезом. У новых светодиодов катод короче анода.
С помощью мультиметра или тестера
Подключив светодиод к мультиметру в режиме проверки диодов, можно определить цоколевку светодиодов. При прямом включении прибор покажет падение напряжения на диоде и светодиод может загореться.
Путем подачи питающего напряжения
При поочередном включении светодиода к источнику питания, цоколевка светодиодов определяется по свечению при подаче напряжения в прямом направлении. Во избежание выхода диода из строя, напряжение питания выбирают ниже максимально допустимого.
Светодиод своими руками
Светодиод своими руками можно изготовить на основе готовых светодиодных компонентов – матриц, модулей или отдельных кристаллов. Для этого потребуются навыки пайки и сборки электронных схем.
Плавное включение и выключение светодиодов
Для плавного включения и выключения светодиодов, устранения мерцания используют сглаживающие RC-цепочки или регулятор яркости (диммер). Также применяют импульсные источники питания со ШИМ-регулированием.
Выбор типа и мощности светодиода
При разработке устройства на светодиодах важно правильно выбрать их тип и мощность, исходя из требуемых характеристик:
- По длине волны – нужный цвет свечения
- По световому потоку – необходимая яркость
- По КПД – энергоэффективность и тепловыделение
- По габаритам – размеры и способ установки
- По стоимости – бюджет проекта
Расчет токоограничивающего резистора
Для ограничения тока через светодиод и предотвращения его выхода из строя используют резистор, величина которого рассчитывается исходя из параметров источника питания и светодиода.
Расчет числа светодиодов в цепи
Количество светодиодов в цепи, требуемых для получения заданной светоотдачи, рассчитывают исходя из суммарного светового потока. Следует учитывать падение напряжения и допустимый ток через каждый светодиод.
Последовательное и параллельное соединение
В зависимости от питающего напряжения и требуемого тока, светодиоды могут соединяться последовательно или параллельно. Параллельно для увеличения общего тока, последовательно при высоком напряжении для ограничения тока в каждом.
Схемы включения светодиодов
Существуют различные принципиальные схемы включения светодиодов:
- С токоограничивающим резистором
- На основе стабилизатора напряжения
- С использованием микросхем драйверов
- На транзисторных ключах
Защита от перенапряжений
Для защиты светодиодов от выхода из строя при перенапряжениях используют следующие методы:
- Включение shunt-резисторов, которые шунтируют избыточный ток в нагрузку
- Применение специальных защитных диодов (TVS, Z-диоды), ограничивающих напряжение
- Использование варисторов – резисторов с отрицательным сопротивлением
- Установка плавких предохранителей
Защита от электромагнитных помех
Для предотвращения влияния наводок от силовых цепей на светодиоды применяют фильтрующие конденсаторы и ферритовые кольца на линиях питания. Также используют экранированные или витые пары проводов.
Выбор оптимальной яркости свечения
Для достижения максимального срока службы светодиодов, их яркость выбирают ниже номинальной, обычно 20-30% от максимальной. Это позволяет уменьшить выделение тепла и деградацию кристалла.
Теплоотвод от светодиодов
Для отвода избыточного тепла применяют радиаторы на основе алюминиевых ребристых профилей. Радиаторы крепятся непосредственно к корпусу светодиода для лучшего отвода тепла.
Контроль температуры светодиодов
Для контроля температурного режима используют термодатчики, устанавливаемые в непосредственной близости от светодиодов. По показаниям датчиков осуществляется регулировка яркости свечения или отключение питания.
