вівторок, 2 грудня 2008 р.

Трохи :) про світлодіоди. Основи електроніки.

23 коментарів:

Не помилюсь, стверджуючи, що чотири, чи п'ять років тому про світлодіоди ( LED ) знали переважно спеціалісти з електроніки та радіоаматори.
Сьогодні важко знайти запальничку, у яку б не було вмонтовано світлодіодний ліхтарик. Як завжди буває, чим більшого розповсюдження набуває певне досягнення техніки, тим менше користувачі знають про принципи на яких воно побудовано.
Навіщо користувачеві знати технічні подробиці?
Ну хоча б для того, аби знати за що він віддає гроші. Скільки доводилося сперечатися на базарі з продавцями досягнень китайської електроніки, скільки разів "випитувати" тип світлодіоду, що лежить на прилавку, спостерігаючи щире нерозуміння, для чого воно мені.
Моя цікавість не знічев'я, раз "обпікся" замінивши звичайну лампочку "коногонки" саморобною сборкою білих світлодіодів.

Навколо технічних новинок виникає так багато міфів.
Найбільший міф білих світлодіодів — їх довговічність.
Але починати треба з того, що світлодіод в принципі не здатен випромінювати біле світло.
Найперші світлодіоди давали лише інфрачервоне випромінювання ( RCA 1955р ), перший світлодіод видимого діапазону був червоного кольору, розробила його група Ніка Голоняка з GE у 1962 р. Детальніше про історію створення світлодіоду оповідає Вікіпедія, до речі, бачення російськомовної версії дещо відрізняється :) . Багато матеріалів присвячено О.В.Лосеву , першовідкривачеві ефекту люмінесценції на кристалах карбіду кремнію. Олега Володимировича навіть називають винахідником світлодіоду, незважаючи на те, що йому не вдалося ні створити діючий зразок, ні дати вичерпне пояснення самого ефекту, що не применшує вкладу цього видатного вченого. Про Ніка Голоняка російська версія мовчить, українська також не надто інформативна, а дарма, людина дуже цікава.

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що здатен перетворювати електричну енергію безпосередньо у світлову. За своєю структурою, світлодіод подібний до звичайного напівпровідникового діоду, так само як і будь який напівпровідниковий діод, світлодіод має властивість односторонньої електропровідності, але, при протіканні електричного струму у "прямому" напрямі, на кристалі, в зоні контакту напівпровідників різного типу провідності, виникає світіння. Довжина світлової хвилі, яку ми сприймаємо як колір, залежить лише від структурних та хімічних особливостей напівпровідників. Ніякі зміни характеристик струму живлення світлодіода ( сила струму, частота, напруга ) не можуть вплинути на довжину хвилі випромінюваного світла.
Та немає таких обмежень, які б не спробувала обійти конструкторська думка. Ніщо не заважає розмістити у одному корпусі кілька кристалів з різним кольором світіння. Першими були створені двокольорові світлодіоди. Конструктори скористались тим, що світлодіод здатен проводити струм лише у одному напрямі, розмістивши на одній основі два кристали, під'єднані до виводів живлення зустрічно.
двоколірний світлодіод принцип будова
Зі зміною полярності живлення змінюється колір світіння з червоного на зелений. Здатність ока утримувати зорові образи, на якій побудована техніка кіно і телебачення, дозволила підбираючи співвідношення тривалостей імпульсів протилежної полярності змінювати пропорції червоного та зеленого отримуючи проміжні кольори
як видно з діаграми кольорів, це всі відтінки жовтого.
Діаграма кольорів також показує, що отримати біле світло можна змішуючи світло червоного, зеленого та синього світлодіодів, проблема лише в тому, що сині світлодіоди до недавнього часу було неможливо виготовити.
Нині проблема вирішена, серійно виробляються світлодіодні RGB сборки , так звані RGB світлодіоди , але їх сфера використання в основному багатокольорові дисплеї та рекламні табло.
Технологічно виявилось можливим виготовити світлодіоди жовтого кольору світіння, діаграма кольорів підказує можливість отримання білого світла змішуючи жовте з синім.
Необхідність використання кількох кристалів суттєво здорожує технологію.
Тому найбільшого розповсюдження серед світлодіодів білого світіння набули світлодіоди з люмінофорним покриттям, саме вони стоять у всіх китайських ліхтариках, саме ці світлодіоди мають на увазі кажучи про "білі світлодіоди". Головна перевага світлодіодів з люмінофорами - їх дешевизна.
За принципом дії такі світлодіоди подібні до люмінесцентних ламп. На кристал фіолетового, або ультрафіолетового світлодіода наноситься покриття люмінофору, що під дією ультрафіолетового випромінення починає світитися сам, але вже білим світлом. Зрозуміло, так само як вигоряє люмінофор люмінесцентних ламп, зменшуючи світловіддачу, вигоряє і люмінофор світлодіода. Фактично, світлодіоди невисокої якості за 2 - 3 місяці зменшують світловіддачу вдвоє.
Ознакою гарної якості є рівномірність нанесення шару люмінофору та його хімічна чистота. Якщо з десятка вибраних світлодіодів половина відрізняється відтінками кольору, висока ймовірність того, що зв'язуватись з цією партією не варто.
Друга важлива складова - електричні та теплові параметри. Якщо через світлодіод пропускати більший струм, ніж той на який він розрахований, світлодіод світитиме яскравіше, але внаслідок виділення тепла кристал швидко деградує. Замість сотень тисяч годин світлодіод пропрацює десятки, поступово втрачаючи яскравість. Номінальний струм має бути вказаним у технічних характеристиках, раніше з цим не було ніяких проблем, відкриваємо довідник :
Тип світлодіодаКолірПостійна пряма напруга(Uпр.) В,не більше при [Iпр.] мАМаксимальний постійний прямий струм (Iпр.), мАСила світла,мкд,не
менше
АЛ307АМчервоний2,0 [10]200,15
АЛ307БМчервоний2,0 [10]200,9
АЛ307ВМзелений2,8 [20]220,4
АЛ307ГМзелений2,8 [20]221,5
АЛ307ДМжовтий2,5 [10]200,4
АЛ307ЕМжовтий2,5 [10]201,5
АЛ307ЖМжовтий2,5 [10]206,0
АЛ307КМчервоний2,0 [10]202,0
АЛ307ЛМчервоний2,0 [10]206,0
АЛ307НМзелений2,8 [20]226,0
АЛ307ПМзелений2,8 [20]2216,0
АЛ336Ачервоний2,0 [10]206
АЛ336Бчервоний2,0 [10]2020
АЛ336Взелений2,8 [10]2010
АЛ336Джовтий2,8 [10]204
АЛ336Ежовтий2,8 [10]2010
АЛ336Жжовтий2,8 [10]2015
АЛ336Изелений2,8 [10]2020
АЛ336Кчервоний2,0 [10]2040
АЛ336Нзелений2,8 [10]2050
Як бачимо одна і та ж сила струму, а яскравість в залежності від типу відрізняється у рази.
Для сучасних, як імпортних, так і вітчизняних світлодіодів відомих виробників існують технічні паспорти — datasheet .
З виробами no name складніше. Саме ці невідомі герої умудряються продавати світлодіоди з максимальним прямим струмом 5 ma під виглядом над яскравих на 50 ma і більше. Свідченням ненормального режиму може бути відчутний нагрів корпусу світлодіода при протіканню через нього струму, який ми вважаємо номінальним.
У бідь якому разі над яскраві світлодіоди не є джерелами холодного світла, не зважаючи на відсутність нитки розжарювання - вони нагріваються під час роботи. Ефективність тепловідведення дуже важлива для світлодіода. Цю особливість слід враховувати при проектуванні.
Ще одна відмінність світлодіоду віл звичайних ламп розжарювання - виражена нелінійність вольт - амперної характеристики. Невеличкі зміни напруги живлення призводять до значних коливань струму.
Щоб подивитись як змінюється струм через різні світлодіоди та їх яскравість в залежності від напруги живлення я зібрав найпростіший стенд:
Перший піддослідний - світлодіод білого кольору з люмінофором, від невідомого виробника
Три вольта, а наш герой навіть не збирається світити.
При зміні напруги від 0 до 3 вольт струм
залишається на рівні мікроамперів і не
фіксується
вимірювальним приладом.
3.25 вольта, ледь помітне світіння. Струм через світлодіод 0.04 міліампера.
3.52 вольта, 0.92 міліампера.
3.89 вольта, 1.7 міліампер.Світіння
можна помітити не придивляючись.
4.24 вольта, 9.7 міліампер. Umin.
4.45 вольт, 21.4 міліампер. Яскраве світло, схоже що це має бути номінальний струм. Світлодіод трошки нагрівається.
4.51 вольта, 25.9 міліампер
4.64 вольта, 38.3 міліампера. Нагрів відчутний. U max.
4.87 вольта, 69 міліампер.
5.07 вольт 102 міліампера. Світлодіод перегрівається. Пластмасовий корпус гарячий.

Графік де відображається залежність сили струму від поданої на прилад напруги називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ). Вольт амперна характеристика цього світлодіоду:

Що ми бачимо? Збільшення напруги живлення від 4.7 до 5.07 вольт, всього - нічого,  на 0.37 вольта викликає зростання струму через світлодіод до 100 міліампер.
Найпростіше обмежити зростання струму за допомогою підключеного послідовно резистора.
У відповідності з законом Ома падіння напруги на опорі навантаження Uрез= IR , нормальною мовою це означає - якщо прикласти до нашої схеми більшу напругу то зросте струм, але більша частина напруги падатиме на опорі, внаслідок чого загальне збільшення струму через світлодіод буде значно меншим у порівнянні зі схемою без баластного резистора.
Вважатимемо номінальним струмом нашого світлодіода I= 30 mA , що відповідає напрузі на світлодіоді U прям.д = 4.5 v. При максимальній напрузі живлення 5 v, величина опору резистора буде:
U = U прям.д + Uрез
5 = 4.5 + Uрез
Uрез= 5 - 4.5 = 0.5 v
I = 30 mA = 0.03 А
Uрез= IR, звідки R = Uрез / I = 0.5 / 0.03 = 16 Oм
необхідний баластний опір - 16 Ом

Зауважу, значення опору резистора саме для цього світлодіода та аналогічних з близькими параметрами. Якщо використати, наприклад
світлодіод АЛ307ПМ : U прям.д= 2.8 v, Iпр= 20 mA (згідно довідника :)
R = (Uжив - Uпрям.д)/Iпр = (5 - 2.8) / 0.02 = 110 Ом

При напрузі живлення 12 вольт опір резистора:
R = (Uжив - Uпрям.д)/Iпр = (12 - 2.8) / 0.02 = 460 Ом,
Але, необхідно враховувати, що баластний резистор, обмежуючи струм, сам нагрівається. Потужність, яка виділиться на резисторі у вигляді тепла:
P = Uрез. I пр. = (Uжив - Uпрям.д)I пр.= (12 - 2.8 ) 0.02 = 0.184 Вт
тобто, ставити потрібно не аби який резистор, а резистор не менше 184 міліват, наприклад типу МЛТ 0.25 . Про типи резисторів ще буде :)

Всі ці розрахунки та вольт-амперні характеристики навів тут показати - вони потрібні не лише студентам мізки забивати, та викладачам отримувати зарплатню, можна зробити і без них, якийсь час працюватиме.
На сьогодні все.
Далі подивимось вольт-амперні характеристики світлодіодів різних типів, ознайомимось зі способами регулювання яскравості світлодіодного світильника.

23

vityok :

Така велика та красива стаття. Впевнений, що ви б змогли істотно розширити вміст статті в українській Вікіпедії, аби вона не мала такий пригнічуючий вигляд.

ivanko :

Дякую за добрі слова. Я ніяк не наважусь зробити допис до вікіпедії, це трохи інший стиль. Мені здається, писати енциклопедичні статті мають професіонали, люди знайомі до тонкощів з найновішими напрямами, академіки, професори, зрештою, викладачі профільних вишів. Це додає авторитету як цим людям так і всій українській науці. Я ж лише намагаюсь популяризувати, розповісти зрозумілими словами. Проблема не лише у пригніченому вигляді деяких статей, на мою думку, проблема у втраті інтересу до науки і техніки, перетворення навчання на пошук викладених в мережі рефератів.

yanek :

Сподобалося. Приєднуюся, до слів Вітька.

ivanko :

Спробую.

Анонім :

доступно написано, дякую

ivanko :

стараюсь :) блог вже деякий час не оновлюється, але у перспективі ( протягом двох трьох наступних місяців) планую відновити регулярні публікації. Зараз працюю над дизайном та облаштовую собі робоче місце.

Анонім :

http://www.youtube.com/watch?v=ktI0qdyQFZ8 я тут на "Ю ТУБ" знайшов таку річ ... мовляв якщо світлодіод освіти світлом то він працюватиме як фотоелектричний елемент...скажіть ,це правда ???

ivanko :

Звуку я нажаль не почув, але світлодіод дійсно може працювати у якості фотоелементу. Щоправда струм від такого елементу буде у межах мікроамперів.
У часи тотального дефіциту я робив фотоелементи пропилюючи отвір у корпусі транзистора, щоб світло падало на поверхню кристала. Бачив цілі батареї з транзисторів зі спиляними кришками з'єднані паралельно-послідовно, така батарея з 25 елементів у сонячний день давала струм достатній для живлення радіоприймача.
Світлодіод використовувати гірше, він реагує на світло у вузькому діапазоні частот (кольорів), освітлюючи червоний світлодіод зеленим світлом є ризик не отримати ніякого струму.
Найкращу відповідь дає дослід. Мабуть варто торкнутися цієї теми детальніше. Дякую за ідею.

Анонім :

а як з вами можна зконтактувати ідивідуально ??? в мене є деякі ідеї... але бракує знань... може ми би разом ,щось путнє змайстрували ? Звати мене Орест.

Анонім :

і ще одне посилання http://www.youtube.com/watch?v=kdd7WHUNiMQ гадаєте це можливо ???

Анонім :

Дякую за хорошу статтю!
Додам про світлодіоди дещо й від себе; це виявив у результаті практичної діяльності:
світлодіод можна використати ще в якості шумового генератора - якщо ввімкнути АЛ307БМ
у зворотньому напрямку - через навушник або малопотужний динамік до джерела напруги 5 - 10В,
то буде чути дивне "шипіння". Це дивне явище помітив лише у вищезазначеного типу світлодіодів.
Якщо використати світлодіод як фотоелемент, то згенерованої напруги при його освітленні буде цілком достатньо, щоби "закрити" польовий транзистор КП303 з p-n переходом - у польових транзисторів, як відомо, дуже високий вхідний опір (щоправда, транзистор можливо треба буде підібрати). Таким чином, цю схему можна використати для якоїсь автоматики.

ivanko :

Дякую за теплі слова, про можливість використання світлодіода у якості генератору шуму не знав, свого часу робив генератор білого шуму на транзисторі у режимі пробою, коли теплової потужності ще недостатньо для руйнування переходу, Знаю що стабілітрони також непогано шумлять, а от поекспериментувати з світлодіодами не догадався.
У якості фотоелементу пробував, але надійніше все ж справжній фотодіод.

Анонім :

Дякую за інфу.

DFX :

Так все гарно розписано але мені потрібна Ваша порада.
потрібно на оптопарі MOC3041 створити два незалежних кола.
потрібно щоб оптопара (світлодіод) живилася від 220в і включала робоче коло через сімістор.
чекаю на ваше розуміння і допомогу

ivanko :

Одразу вибачусь за те, що відповідатиму посиланням на чужу роботу.
наскільки я зрозумів Вам потрібно щось на зразок такого:
http://www.delabs-circuits.com/cirdir/power/static-relays/del30012.html

В принципі схему можна спростити, у колі керування важливо забезпечити через світлодіод оптопари струм не більше 15 міліампер, чого не важко досягти і звичайним резистором, мостовий випрямлювач доведеться залишити як і ємність та стабілітрон, бо потрібно щоб струм через оптрон не пульсував, інакше семистор буде відкриватися не повністю.
Мені наведена схема здається працездатною, проте я її не повторював, не було потреби .

DFX :

Дуже велике спасибі за Вашу допомогу а то я пробував резистор на 22 кОм і мостовий випрямляч плюс ємність. В результаті вийшов з ладу мос3041

ivanko :

Щоось не так. 22 кілооми дадуть струм десь 10 міліампер, цього недостатньо щоб спалити світлодіод оптопари, але якщо тільки Ви не переплутали полярність. Раджу до підключення мос3041 випробувати схему на більш дешевому звичайному світлодіоді. Дибийтеся щоб він загорався заміряйте струм і тоді вже підключайте.

Принцип роботи подібних схем - на баластному резисторі падає майже вся напруга, але для цього електричне коло має бути замкненим, якщо світлодіод включено зустрічно, струм через нього не протікає падіння напруги на баласті відповідно немає, вся напруга 220В виявляється прикладеною до переходу.

DFX :

Сьогодні купив 5 світлодіодів для заднього стопу
Зєднав їх паралельно підключивши до них резистор на 330 Ом
Марки не можу сказати бо продавець сам не знає
Вони не стандартного розміру (шось похоже на жовтий на верхній картинці), прозорі червоного свічення.
Проблема в тому що вони світять дуже тускло а зменшувати опір не пробую у звязку з тим що вони можуть згоріти.
Потрібна ваша порада

ivanko :

Задній стоп живиться від батарейки? яка напруга?

Справа в тому, що ви можете з’єднати світлодіоди послідовно, такий варіант навіть краще.

Оптимально було б взяти регульований блок живлення, припаяти послідовно світлодіоду резистор 30 - 50 ом (про всяк випадок) підключити і поступово піднімаючи напругу від 0 добитися потрібного світіння.
Заміряти струм через світлодіод і напругу на ноьму а далі як розписано у статті, підставивши свої дані у формулу:
R = (Uжив - Uпрям.д)/Iпр = (12 - 2.8) / 0.02 = 460 Ом,

Нажаль я анінайменшого уявлення не маю який номінальний струм і напруга вашого світлодіода, пропоную визначити експериментально, виходячі з яскравості. Зрештою ви ризикуєте тільки одним світлодіодом.

Можна і без розрахунків методом тика:
Якщо яскравість задовільна а світлодіод не згорів, чіпляйте послідовно ще один і піднімайте напругу до потрібної яскравості.
далі ще один, до досягнення напруги живлення батарейки, чи акумулятора, від чого у вас живиться задній стоп.

Групи послідовно з’єднаних світлодіодів підключаємо паралельно.
Сподвіаюсь зрозуміло.

Як нема регульованого блока живлення можна застосувати трохи ризикований варіант:
з’єднати всі п’ять світлодіодів послідовно (з урахуванням полярності) і через резистор 30 - 50 ом підключити спочатку всі п’ять (перший раз короткочасно, ледве торкнувшись, яскравість спалаху покаже чи треба збільшувати опір резистора.

Найймовірніше ваші світлодіоди на 1,7 V, 30 mA, а це означає, що з’єднавши всі п’ять послідовно їх можна сміливо підключати через резистор у 30 ом до батарейки у 4,5 V (3 x 1,5V)
Далі підключаємо на один менше, доки не отримаємо потрібну яскравість. Підключати взагалі без резистора не рекомендую.
Припускаю що пара з двох послідовно з’єднаних світлодіодів через резистор у 30 ом буде саме те для напруги 4.5 V
Тільки уважно, будьласка.

Андрей Клецук :

А Вы слышали что-то о индукционных лампах?
lvd-svet.com.ua

Андрей Клецук :

Мог бы дать Вам на испытания.

Yura Bravchuk :

Дякую!!

Yura Bravchuk :

Дякую!!

Дописати коментар

Можна використовувати теги:
<i>курсив</i> <b>жирний</b>
<a href="http:// «адреса посилання» "> «текст» </a>

ще? :