Kolik voltů potřebuje LED?

LED (zkratka Light-Emitting Diode, elektroluminiscenční dioda, též light diode, light emitting diode) je v elektrotechnice označení pro diodu vyzařující světlo, případně infračervené nebo ultrafialové záření, odlišnou od standardní diody.

Existuje mnoho LED diod různých tvarů, velikostí a výkonů. Každá LED je však vždy polovodičové zařízení, které je založeno na průchodu proudu pn přechodem v propustném směru, což způsobuje optické záření (viditelné světlo).

V zásadě se všechny LED vyznačují řadou specifických technických charakteristik, elektrických a světelných, o kterých budeme dále diskutovat. Tyto charakteristiky naleznete v datovém listu (v technické dokumentaci) pro LED.

Elektrické charakteristiky jsou: propustný proud, pokles napětí v propustném směru, maximální zpětné napětí, maximální ztrátový výkon, charakteristika proud-napětí.

Parametry světla jsou: světelný tok, intenzita světla, úhel rozptylu, barva (nebo vlnová délka), teplota barvy, světelná účinnost.

Dopředný jmenovitý proud (If – dopředný proud)

Jmenovitý propustný proud je proud, který při průchodu danou LED v propustném směru výrobce garantuje jmenovité světelné parametry tohoto světelného zdroje.

Jinými slovy, jedná se o provozní proud LED, při kterém LED rozhodně nevyhoří a bude schopna normálně fungovat po celou dobu své životnosti. Za těchto podmínek se pn přechod nepoškodí a nebude se přehřívat.

Kromě jmenovitého proudu existuje také takový parametr, jako je špičkový dopředný proud (Ifp – špičkový dopředný proud) – maximální proud, který lze procházet přechodem pouze v pulsech o délce 100 μs s pracovním cyklem ne více než DC = 0.1 (přesné údaje viz datasheet) . Teoreticky je maximální proud maximální proud, který krystal vydrží jen krátkodobě.

V praxi je hodnota jmenovitého propustného proudu závislá na velikosti krystalu, na typu polovodiče a pohybuje se od několika mikroampérů až po desítky miliampérů (u sestav COB LED i více).

Dopředný pokles napětí (Vf – dopředné napětí)

Pokles napětí v propustném směru na pn přechodu způsobující jmenovitý proud LED. Na LED je přivedeno napětí, takže anoda je na kladném potenciálu vzhledem ke katodě. V závislosti na chemickém složení polovodiče a vlnové délce optického záření se liší i stejnosměrné úbytky napětí na přechodu.

Mimochodem, chemické složení polovodiče lze určit podle poklesu napětí v propustném směru. A zde jsou přibližné rozsahy poklesů dopředného napětí pro různé vlnové délky (barvy světla LED):

• Infračervené LED s vlnovou délkou větší než 760 nm na bázi arsenidu galia mají charakteristický úbytek napětí menší než 1,9 V.
• Červená (například fosfid galia – od 610 nm do 760 nm) – od 1,63 do 2,03 V.
• Oranžová (fosfid galia – od 590 do 610 nm) – od 2,03 do 2,1 V.
• Žlutá (fosfid galia, od 570 do 590 nm) – od 2,1 do 2,18 V.
• Zelená (fosfid galia, 500 až 570 nm) – 1,9 až 4 V.
• Modrá (selenid zinečnatý, 450 až 500 nm) – 2,48 až 3,7 V.
• Fialová (nitrid indium-gallium, 400 až 450 nm) – 2,76 až 4 V.
• Ultrafialové (nitrid boru, 215 nm) – od 3,1 do 4,4 V.
• Bílá (modrá nebo fialová s fosforem) – asi 3,5 V.

Maximální zpětné napětí (Vr – zpětné napětí)

Maximální zpětné napětí LED, stejně jako jakékoli LED, je napětí, které, když je aplikováno na pn přechod v obrácené polaritě (když je katodový potenciál větší než anodový potenciál), dojde k rozpadu krystalu a LED selže. Naprostá většina LED má maximální zpětné napětí kolem 5 V. U COB sestav je to ještě vyšší a u infračervených LED to může být až 1-2 volty.

Maximální ztrátový výkon (Pd – celkový ztrátový výkon)

Tato charakteristika se měří při okolní teplotě 25°C. Jedná se o výkon (často v mW), který je LED pouzdro stále schopno rozptýlit bez spálení. Vypočítá se jako součin úbytku napětí a proudu procházejícího krystalem. Pokud je tato hodnota překročena (součin napětí a proudu), pak velmi brzy dojde k rozbití krystalu a tepelné destrukci.

Charakteristika proud-napětí (voltampérová charakteristika – graf)

Nelineární závislost proudu přes pn-přechod na napětí přivedeném na přechod se nazývá proudově-napěťová charakteristika (zkráceně I-V charakteristika) LED. Tato závislost je graficky znázorněna v datasheetu a z dostupného grafu velmi snadno zjistíte, jaký proud při jakém napětí bude protékat LED krystalem.

Charakter proudově-napěťové charakteristiky závisí na chemickém složení krystalu. Proudově-napěťová charakteristika se ukazuje jako velmi užitečná při návrhu elektronických zařízení s LED, protože díky ní můžete bez praktického měření zjistit, jaké napětí je třeba na LED přivést, abyste získali daný proud. Pomocí charakteristiky proud-napětí můžete přesněji vybrat odpor omezující proud pro diodu.

Závislost proudu na napětí (voltampérová charakteristika) LED má podobný vzorec jako u běžné polovodičové diody. Liší se pouze hodnotami hraničních napětí v průchozím a uzavíracím směru.

Jak se napětí na LED zvyšuje od nuly v propustném směru (tj. kladný pól zdroje je připojen k anodě a záporný pól zdroje je připojen ke katodě diody), zpočátku neprotéká téměř žádný proud on a LED se chová, jako by byla nevodivá.

Od určité úrovně přiloženého napětí dojde k průrazu – dioda se začne otevírat a na další mírné zvýšení napětí reaguje prudkým nárůstem procházejícího proudu.

Proud se zvyšuje přibližně exponenciálně vzhledem k napětí. Poté začne svítit i LED. Jak se napětí dále zvyšuje, LED zvyšuje svůj jas, dokud nedosáhne svého maxima.

Proud LED v této oblasti je přibližně lineární, to znamená, že pokud se například proud zdvojnásobí, intenzita světla vyzařovaného LED se přibližně zdvojnásobí. Při dalším zvýšení proudu nad povolenou mez může dojít k tepelnému přetížení polovodičového přechodu a LED může selhat.

Pokud připojíte LED ke zdroji napětí ve směru vypnuto (t.j. kladný pól zdroje je připojen ke katodě a záporný pól k anodě), neprotéká diodou při jejím nárůstu od nuly žádný proud. Chová se nevodivě.

Při určité napěťové hladině ve směru sepnutí dojde k průrazu – diodou začne náhle protékat velký proud. Ve většině případů má tento průraz destruktivní charakter – zkrat polovodičového přechodu a nevratné poškození diody. Průrazné napětí v závěrném směru elektroluminiscenčních diod je ve srovnání s usměrňovacími diodami velmi nízké – řádově několik voltů.

Vzhledem ke tvaru proudově-napěťové charakteristiky musí být tyto diody napájeny z proudového zdroje. Pokud není vyžadována vysoká účinnost (například pro různé indikátory), můžete zdroj proudu aproximovat zapojením LED do série s odporem omezujícím proud ke zdroji konstantního napětí (změny napětí způsobí menší změny proudu) . Tato metoda je široce používána v jednoduchých případech při připojování LED.

Svítivost, světelný tok

Světelné (optické) parametry LED jsou měřeny ve fázi jejich výroby, za normálních podmínek a při jmenovitém proudu přechodem. Předpokládá se okolní teplota 25°C, nastaví se jmenovitý proud a změří se svítivost (v CD – kandela) nebo světelný tok (v Lm – lumenech).

Světelný tok jednoho lumenu je světelný tok vyzařovaný bodovým izotropním zdrojem o svítivosti rovné jedné kandele do prostorového úhlu jednoho steradiánu.

Nízkoproudé LED se vyznačují přímo svítivostí, která se udává v milikandelách. Kandela je jednotka svítivosti a jedna kandela je svítivost zdroje vyzařujícího monochromatické záření o frekvenci 540·1012 Hz v daném směru, jehož svítivost v tomto směru je 1/683 W/sr. .

Jinými slovy, intenzita světla kvantitativně odráží intenzitu světelného toku v určitém směru. Čím menší je úhel rozptylu, tím větší je svítivost LED při stejném světelném toku. Například supersvítivé LED diody mají svítivost 10 kandel nebo více.

LED pozorovací úhel

Tato charakteristika je často popisována v dokumentaci LED jako „dvojitý poloviční jas theta“ a měří se ve stupních (stupních). Název je jen takový, protože LED má obvykle zaostřovací čočku a jas není rovnoměrný v celém úhlu rozptylu.

Obecně se tento parametr může pohybovat od 15 do 140°. U SMD LED je tento úhel širší než u jejich vyvedených protějšků. Například 120° pro LED v pouzdře SMD 3528 je normální.

Vlnová délka světla (dominantní vlnová délka)

Měřeno v nanometrech. Charakterizuje barvu světla vyzařovaného LED, která zase závisí na vlnové délce a chemickém složení polovodičového krystalu.

Infračervené záření má vlnovou délku více než 760 nm, červené – od 610 nm do 760 nm, žluté – od 570 do 590 nm, fialové – od 400 do 450 nm, ultrafialové – méně než 400 nm. Bílé světlo se vyrábí pomocí ultrafialového, fialového nebo modrého fosforu.

Teplota barev (CCT – Color Temperature)

Tato charakteristika je uvedena v dokumentaci pro bílé LED a je měřena v kelvinech (K). Studená bílá (asi 6000 K), teplá bílá (asi 3000 K), bílá (asi 4500 K) – přesně zobrazuje odstín bílého světla.

V závislosti na teplotě barev se bude barevné podání lišit a člověk jinak vnímá bílou barvu s různou teplotou barev. Teplé světlo je pohodlnější, hodí se lépe do domácnosti, studené se hodí spíše do veřejných prostor.

U LED používaných pro osvětlení dnes je tato charakteristika v oblasti 100 Lm/W. Vysoce výkonné modely LED světelných zdrojů překonaly kompaktní zářivky (CFL) a dosahují 150 lm/W nebo více. Ve srovnání s žárovkami mají LED diody více než 5krát lepší světelnou účinnost.

V zásadě je světelná účinnost numerickým měřítkem toho, jak účinný je světelný zdroj z hlediska spotřeby energie: kolik wattů je potřeba k produkci určitého množství světla – kolik lumenů na watt.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Sekvenční připojení rádiových komponent – to je, když jsou díly k sobě spojeny pouze jednou stranou, tzn. postupně:

Paralelní spojení rádiových komponentů je, když jsou díly vzájemně spojeny ve dvou bodech – na začátku a na konci:

Stres – síla, kterou je elektřina „vtlačena“ do drátu, aby vytvořila svůj proud.
Je to podobné jako u tlakového rozdílu na začátku a na konci potrubí v závislosti na síle čerpadla vhánějícího vodu do potrubí.
Měřeno ve voltech (V).

Ток – „množství elektřiny“ procházející drátem za jednotku času.
Podobně jako množství vody procházející potrubím.
Měřeno v ampérech (A).

Odpor – síla, která brání průchodu el.
Podobně jako zúžení potrubí, které brání volnému toku vody.
Měřeno v ohmech (ohmech).

Moc – vlastnost, která odráží schopnost např. rezistoru propouštět elektrický proud bez jeho poškození (přehřátí nebo zničení).
Podobně jako tloušťka stěn zužující se oblasti trubky.

DC – to je, když elektřina neustále proudí jedním směrem, z plusu do mínusu.
Jedná se o baterie, akumulátory, proud po usměrňovačích.
Je to podobné jako průtok vody poháněný čerpadlem skrz smyčkové potrubí v jednom směru.

Pokles napětí – rozdíl potenciálů před a za částí, která poskytuje odpor elektrickému proudu, tj. napětí měřené na kontaktech této části.
Podobně jako rozdíl tlaku vody poháněné čerpadlem v kruhu, před a za jedním ze zúžení potrubí.

Střídavý proud – tehdy proudí elektřina nejprve a pak zpět a mění směr pohybu na opačný s určitou frekvencí, například 50krát za sekundu.
Jedná se o elektrickou osvětlovací síť, zásuvky. V nich je jeden vodič (nula) společný, vůči němuž je napětí v druhém vodiči (fázi) buď kladné nebo záporné. Výsledkem je, že když zapojíte například rychlovarnou konvici, proud teče jedním nebo druhým směrem.
Je to podobné jako při pohybu vody, kterou čerpadlo potrubím (fází) spouštěným shora buď vtlačí do nádrže (nula), nebo z ní vysává.

Frekvence střídavého proudu — počet úplných cyklů (period) změny směru proudu (tam a zpět) za sekundu.
Měřeno v hertzech (Hz). Jedna perioda za sekundu se rovná frekvenci 1 hertz.
Střídavý proud má dopředné a zpětné (tj. kladné a záporné) půlcykly.
V ruských domácích elektrických sítích (v zásuvkách a žárovkách) je frekvence 50 hertzů.

Nejdůležitější vlastnosti LED diod:

LED je polovodič. Prochází jím proud pouze jedním směrem (stejně jako běžná dioda). V tuto chvíli se rozsvítí. Proto je při zapojování LED důležitá polarita jejího připojení. Pokud je LED připojena na střídavý proud (jehož polarita se mění například 50krát za sekundu, jako v zásuvce), pak LED bude procházet proud v jedné polovině cyklu a ve druhé ne, to znamená, že bude blikat rychle, což je však očima téměř nepostřehnutelné.

Podotýkám, že při připojení LED na střídavý proud je nutné ji chránit před působením zpětného půlcyklového napětí, protože maximální přípustné zpětné napětí většiny indikačních LED je v rozmezí několika voltů. Chcete-li to provést, paralelně s LED, ale s obrácenou polaritou, musíte zapnout jakoukoli křemíkovou diodu, která umožní proudění proudu v opačném směru a vytvoří úbytek napětí, který nepřekročí maximální přípustné zpětné napětí LED.

Zápor (katoda) LED bývá označen malým zářezem v těle nebo kratším vývodem. Při absenci těchto značek lze polaritu určit experimentálně krátkým připojením LED k napájecímu napětí přes příslušný odpor. To však není nejlepší způsob, jak určit polaritu. Navíc, aby se zabránilo tepelnému průrazu LED nebo prudkému snížení její životnosti, nelze polaritu určit „náhodně“ bez vhodného odporu!

2. Napájecí napětí a úbytek napětí.

Napájecí napětí – tento parametr není pro LED použitelný. LED diody tuto vlastnost nemají, protože LED diody nelze připojit přímo ke zdroji energie. Hlavní je, že napětí, ze kterého je LED napájena (přes rezistor), je vyšší než přímý úbytek napětí LED (propustný úbytek napětí je indikován v charakteristice místo napájecího napětí a u běžných indikačních LED se pohybuje v průměru od 1,8 do 3,6 voltu).

Napájecí napětí nemůže být charakteristikou LED, protože pro každý případ LED stejného jmenovitého výkonu může být vhodné napětí jiné. Zapnutím několika LED se stejným výkonem paralelně a jejich připojením k napětí např. 2 volty riskujeme, že v důsledku změn charakteristik některé kopie rychle spálíme a jiné podsvítíme. Při připojování LED je proto nutné sledovat nikoli napětí, ale proud.

Jmenovitý proud většiny indikačních LED odpovídá buď 10 nebo 20 miliampérům (zahraniční LED často indikují 20 mA) a je regulován individuálně pro každou LED odporem sériově zapojeného rezistoru. Kromě toho by výkon odporu neměl být nižší než vypočtená úroveň, jinak se může přehřát. Na umístění rezistoru (na kladné straně LED nebo na záporné straně) nezáleží.

Protože pro LED je důležité, aby její proud odpovídal jmenovitému proudu, je jasné, proč by neměla být připojena přímo k napájecímu napětí. Pokud je například při napětí 1,9 voltu proud 20 miliampérů, pak při napětí 2 volty bude proud již 30 miliampérů. Napětí se změnilo jen o desetinu voltu a proud vyskočil o 50 % a výrazně zkrátil životnost LED. A pokud zapojíte i přibližně vypočítaný rezistor do série s LED, udělá mnohem jemnější úpravu proudu.

Výpočet omezovacího odporu proudu
Hodnota rezistoru:

R = (Upit. – Aktualiz.) / (I * 0,75)

— R — odpor odporu v ohmech.
— Upit. — napájecí napětí ve voltech.
— Pád. -přímý úbytek napětí na LED ve voltech (uvedeno ve specifikacích a je obvykle kolem 2 voltů). Když je několik LED zapojeno do série, poklesy napětí se sčítají.
— I je maximální dopředný proud LED v ampérech (uvedený ve specifikacích a je obvykle buď 10 nebo 20 miliampérů, tj. 0,01 nebo 0,02 ampérů). Když je několik LED zapojeno do série, dopředný proud se nezvyšuje.
— 0,75 — koeficient spolehlivosti pro LED.

Minimální výkon rezistoru:

P = (Upit. – Upd.) ^ 2 / R

— P — výkon rezistoru ve wattech.
— Upit. — efektivní (efektivní, střední kvadratická hodnota) napětí zdroje energie ve voltech.
— Pád. — přímý pokles napětí na LED ve voltech (uvedeno ve specifikacích a obvykle kolem 2 voltů). Když je několik LED zapojeno do série, poklesy napětí se sčítají. .
— R — odpor odporu v ohmech.

Omezení zpětného napětí při připojení LED na střídavý proud

Při připojení LED na střídavý proud je nutné omezit vliv zpětného půlcyklového napětí, které je pro ni nebezpečné. U většiny LED je maximální přípustné zpětné napětí jen asi 2 volty a jelikož je LED zablokována ve zpětném směru a neprotéká jí prakticky žádný proud, úbytek napětí na ní se stává plným, tedy rovným napájecímu napětí. Výsledkem je, že se na svorkách diody objeví plné reverzní poloviční napájecí napětí.

Abyste vytvořili přijatelný úbytek napětí na LED pro reverzní půlcyklus, musíte jím projít zpětný proud. Chcete-li to provést, paralelně s LED, ale s obrácenou polaritou, musíte rozsvítit libovolnou křemíkovou diodu (označení začíná 2D. nebo CD. ), která je navržena pro stejnosměrný proud ne menší než ten, který teče dovnitř. obvodu (například 10 mA).

Dioda přeskočí problematický půlcyklus a vytvoří na sobě úbytek napětí, což je u LED naopak. To způsobí, že zpětné napětí LED se bude rovnat dopřednému poklesu napětí diody (pro křemíkové diody je to asi 0,5-0,7 V), což je u většiny LED pod limitem 2 voltů. Reverzní maximální přípustné napětí pro diodu je výrazně vyšší než 2 volty a je úspěšně sníženo přímým poklesem napětí LED. Ve výsledku jsou všichni šťastní.

Vzhledem k prostorové nenáročnosti by měly být upřednostněny diody malých rozměrů (například dioda KD522B, která se mimochodem používá v síťových filtrech „Pilot“ právě pro tento účel). Místo křemíkové diody můžete nainstalovat i druhou LED s podobným nebo vyšším maximálním propustným proudem, ale za předpokladu, že u obou LED nepřekročí úbytek napětí jedné LED maximální povolené zpětné napětí druhé.

Poznámka: Někteří radioamatéři nechrání LED před zpětným napětím a argumentují tím, že LED stejně nevyhoří. Přesto je takový režim nebezpečný. Když zpětné napětí překročí napětí specifikované v charakteristikách LED (obvykle 2 V), při každém polocyklu zpětného chodu v důsledku vystavení silnému elektrickému poli v p-n přechodu dojde k elektrickému průrazu LED a protéká proud přes něj v opačném směru.

Vlastní elektrický průraz je vratný, to znamená, že diodu nepoškodí a při poklesu zpětného napětí se vlastnosti diody obnoví. Například u zenerových diod je to obecně provozní režim. Avšak tento dodatečný proud, i když je omezen rezistorem, může způsobit přehřátí p-n přechodu LED, což má za následek nevratný tepelný únik a další destrukci krystalu. Proto byste neměli být líní nainstalovat bočníkovou diodu. Navíc se k tomu hodí téměř každá křemíková dioda, protože mají (na rozdíl od germaniových diod) malý zpětný proud, a proto ho nepřevezmou, čímž se sníží jas vysunuté LED.

Nejčastější chyby při zapojování LED

1. Připojte LED přímo ke zdroji napájení bez omezovače proudu (rezistor nebo speciální čip ovladače). Diskutováno výše. LED rychle selže kvůli špatně řízenému proudu.

2. Připojení LED zapojených paralelně ke společnému rezistoru. Jednak kvůli možnému rozptylu parametrů budou LED svítit různým jasem. Za druhé, a co je důležitější, pokud jedna z LED selže, proud druhé se zdvojnásobí a může se také spálit. Pokud používáte jeden rezistor, je vhodnější zapojit LED do série. Poté při výpočtu rezistoru ponecháme proud stejný (například 10 mA) a sečteme propustný úbytek napětí LED (například 1,8 V + 2,1 V = 3,9 V).

3. Zapínání LED v sérii, určené pro různé proudy. V tomto případě se jedna z LED buď opotřebuje, nebo bude svítit slabě, v závislosti na aktuálním nastavení omezovacího odporu.

4. Instalace odporu s nedostatečným odporem. V důsledku toho je proud procházející LED diodou příliš vysoký. Vzhledem k tomu, že část energie je přeměněna na teplo v důsledku defektů v krystalové mřížce, stává se příliš velkým při vysokých proudech. Krystal se přehřívá, v důsledku čehož se výrazně snižuje jeho životnost. S ještě větším nárůstem proudu v důsledku zahřívání oblasti pn přechodu se snižuje vnitřní kvantový výstup, klesá jas LED (to je zvláště patrné u červených LED) a krystal se začíná katastrofálně hroutit.

5. Připojení LED k síti střídavého proudu (např. 220 V) bez opatření k omezení zpětného napětí. U většiny LED je maximální přípustné zpětné napětí asi 2 volty, zatímco napětí zpětného půlcyklu, když je LED uzamčena, vytváří na ní pokles napětí rovný napájecímu napětí. Existuje mnoho různých schémat, která eliminují destruktivní účinky zpětného napětí. Nejjednodušší z nich je diskutován výše.

6. Instalace nedostatečného výkonového rezistoru. V důsledku toho se rezistor velmi zahřeje a začne tavit izolaci vodičů, které se ho dotýkají. Pak se na něm barva připálí a nakonec vlivem vysoké teploty zkolabuje. Rezistor může bezpečně rozptýlit pouze výkon, pro který je navržen.

Pokud nemáte požadovaný odpor

Požadovaný odpor ® a výkon (P) rezistoru lze získat kombinací rezistorů jiných jmenovitých hodnot a výkonů v sérioparalelním pořadí.
Odporový vzorec pro sériové zapojení rezistorů

Odporový vzorec pro paralelní zapojení rezistorů

R = (R1 * R2) / (R1 + R2) nebo R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2)

R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + … + 1 / Rn)

Výkon rezistoru

Výkony rezistorů v sestavě jsou vypočteny na základě stejných vzorců jako jednotlivé rezistory. Při sériovém zapojení se napájecí napětí dosadí do vzorce pro výpočet výkonu mínus úbytek napětí na ostatních sériových rezistorech a LED.