Как сделать чтобы светодиод горел одним цветом
Добавил пользователь Alex Обновлено: 04.10.2024
О светодиодах применяемых в нашей жизни, автомобилях и технике, устройство, характеристика, подключение светодиода, история будущее.
Рекламодателям и Исполнителям заданий
четверг, 19 января 2012 г.
Вопросы: От чего зависит цвет светодиода? .
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими. Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И наконец в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время порядка 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
Главное свойство диода, в том, что он пропускает ток только в одном направлении. Это основная, функция диода, но диоды бывают разные, и для некоторых из них односторонняя проводимость является далеко не главным свойством.
Вот, например, Светодиод.
Обозначение светодиода
Практически тот же диод, и проводимость у него односторонняя, но при пропускании прямого тока он светится. И это уже его основная функция. И так, светодиод, это диод, который при пропускании через него прямого тока излучает свет.
Светодиоды мы встречаем часто, - индикаторы у различной аппаратуры, бывают светодиодные фонарики, ёлочные гирлянды, рекламные табло, осветительные лампы и даже светофоры.
Рис. 1. Как выглядит обычный индикаторный светодиод, обозначение на схемах.
Но и это еще не все! В отличие от лампочки светодиод нельзя подключать непосредственно к источнику питания, а только через токоограничительный резистор. Поскольку светодиод все же диод, он имеет довольно низкое прямое сопротивление и диодную характеристику.
То есть, существует такая странная вещь, как Падение прямого напряжения на диоде. Так вот, в отличие от номинального напряжения лампочки, здесь зависимость тока от напряжения работает совсем не по Закону Ома. То есть, хорошо пропускать ток в прямом направлении диод начинает только тогда, когда напряжение на нем больше некоторого значения.
И при этом, ток резко возрастает, что может привести к повреждению диода или светодиода. Поэтому, если вы подключите светодиод прямо к батарейке (без токоограничительного резистора), то очень высока вероятность того, что светодиод перегорит.
Подключение светодиода
На рисунке 2 показано как обычно подключают светодиод. Здесь взят светодиод с напряжением падения 1,6V (Un). Батарейка на 4,5V, поэтому чтобы не сжечь светодиод последовательно ему включен резистор R1, на котором падает избыток напряжения (4,5 -1,6 = 2,9V).
Рис. 2. Схема подключения светодиода через гасящий резистор.
Теперь попробуем рассчитать сопротивление резистора R1. Допустим, номинальный ток через светодиод 10mA, напряжение падения 1,6V, напряжение источника питания 4,5V. То есть, сопротивление резистора R1 должно быть таким, чтобы на нем падало 2,9V, и был ток 10mA (0,01 А).
Переходим к Закону Ома: R= U/I = 2,9 / 0,01 = 290 Ом. То есть, вполне нормально будет поставить R1 сопротивлением 300 Ом. Бывают светодиоды разных цветов, - красные, зеленые, желтые, синие, белые. Еще конечно различаются по яркости света, по напряжению падения, по току.
Что такое двухцветный светодиод
Интересная вещь - двухцветный светодиод. Практически это два светодиода в одном корпусе. Бывают они с двумя и с тремя выводами (рис. 3).
Рис. 3. Светодиоды с двумя и тремя выводами, обозначения на схемах.
Двухвыводный двухцветный светодиод представляет собой два светодиода разных цветов (обычно, красный и зеленый), включенных встречно-параллельно.
Подключение двухцветных светодиодов
Цвет свечения такого светодиода зависит от направления тока через него. Это показано на рисунке 4.
Рис. 4. Цвет свечения двухцветного светодиода зависит от направления тока через него.
Трехвыводные двухцветные светодиоды тоже содержат в одном корпусе два светодиода (красный и зеленый), но у них один общий вывод от катода (или анода), а аноды (или катоды) выведены на разные выводы (рис.5). Фактически такие светодиоды трехцветные.
На рисунке 5 показано как переключаются цвета трехвыводного светодиода с общим катодом, - если включен S1 то горит один цвет, например, красный. Если включен S2 - горит другой цвет, например, зеленый. Ну, а если включить оба S1 и S2 то будут гореть оба цвета, что даст желтый цвет.
Рис. 5. Схема подключения трехвыводного двухцветного светодиода.
Мигающий светодиод
Кроме светодиодов постоянного свечения, существуют и мигающие. Одноцветный мигающий светодиод это почти то же, что обычный одноцветный, но в нем есть электронный прерыватель тока, который периодически выключает светодиод. Поэтому он мигает. Существуют двух, трех и многоцветные мигающие светодиоды.
Внутри такого светодиода есть несколько разноцветных светодиодов, и схема электронного переключателя, которая их поочередно переключает.
Выглядит одно- или многоцветный мигающий светодиод как обычный, - прозрачный корпус и два вывода. Подключать его тоже нужно через токоограничительный резистор.
Любопытно то, что во время мигания, в промежутках когда мигающий светодиод гаснет ток через него резко снижается. Поэтому мигающие светодиоды иногда используют как генераторы импульсов. На одних схемах мигающий светодиод обозначают как обычный, на других в его обозначение вводят символ выключателя (рис. 6).
Рис. 6. Обозначение на схемах и подключение мигающего светодиода.
Мигающий светодиод может служить не только индикатором, но и ключом для прерывания тока. Например, для того чтобы мигала гирлянда из нескольких светодиодов.
Если гирлянда состоит из нескольких последовательно включенных светодиодов, то чтобы она замигала достаточно чтобы один из этих светодиодов был мигающим. На рисунке 7 показана схема оригинального сигнального устройства для легкового автомобиля.
Рис. 7. Схема сигнального устройства на светодиодах для легкового автомобиля.
Это стояночное сигнальное устройство, оно потребляет незначительный ток от автомобильного аккумулятора. Состоит гирлянда из четыех светодиодов, которые нужно установить в фары автомобиля. Свечение светодиодов ночью очень заметно, особенно если они мигают.
В схеме на рисунке 7 мигающий светодиод один - HL2. Остальные обычные. Так как включены последовательно мигают все. Светодиоды НL1, HL3, HL4 - любое индикаторные, красные, HL2 - любой мигающий красный.
Другие светодиоды, токоограничительный резистор
Сейчас уже ноябрь, и возникает необходимость в подготовке к новогодним торжествам. Вот здесь и могут помочь светодиоды. Лампы накаливания, конечно, тоже заслуживают уважения, как заслуженные ветераны новогодних торжеств.
Но светодиоды по многим характеристикам выгоднее и лучше ламп накаливания, особенно если дело касается не только освещения, но декоративного украшения новогодней ёлки.
Светодиоды бывают разные, на ёлке наиболее эффектно будут выглядеть сверхяркие разных цветов. Такими светодиодами можно украсить не только маленькую настольную ёлку, но полноразмерную. Они бывают красные, желтые, белые, синие, зеленые, оранжевые.
Еще бывают мигающие, причем, есть такие мигающие, которые мигают двумя или тремя разными цветами. Выглядит это очень интересно, в отличие от лампы накаливания, которая менять свой цвет не может
Но перед началом мастерить гирлянды следует усвоить некоторые отличия светодиодов от ламп накаливания. А связаны эти отличия с тем, что светодиоды, это, по сути дела, диоды, только такие, которые светятся при пропускании через них прямого тока.
Светодиод стремится понизить напряжение источника до своего номинального прямого напряжения, а источник стремится повысить напряжение падения на светодиоде до напряжения на своем выходе.
Рис. 8. Как подключить токоограничительный резистор к светодиоду, схема.
Чтобы рассчитать токоограничительный резистор для светодиода, воспользуйтесь формулами и калькулятор из статьи - Расчёт резистора для светодиода, формулы и калькулятор.
Гирлянда на светодиодах
На рисунке 9 показана гирлянда из восьми светодиодов. Номинальное напряжение падения на каждом около 2V. Резистор R1 ограничивает ток.
А питаться гирлянда может от источника напряжением 20-25V. Чтобы гирлянда мигала достаточно чтобы одни из светодиодов был мигающим. HL1 во время мигания прерывает ток в цепи, поэтому одновременно с ним мигают и остальные семь светодиодов.
Рис. 9. Схема самодельной гирлянды из восьми светодиодов.
На рисунке 10 показана гирлянда состоящая из практически неограниченного числа светодиодов. Здесь светодиоды включены параллельно (через токоограничительные резисторы). Это значит, что каждый из них живет своею собственной жизнью и на работу остальных не влияет.
Здесь можно использовать самые разные светодиоды, - разных цветов, мигающие и немигающие. При этом, немигающие будут гореть ровно, а мигающие будут мигать.
Можно поставить двух или трехцветные мигающие, - они будут переливаться разными цветами. В общем, гирлянда будет вся сверкать, переливаться. очень красиво. И чем разнообразнее светодиоды, тем красивее.
Рис. 10. Схема гирлянды, состоящей из практически неограниченного числа светодиодов.
Однако, нужно учитывать и мощность источника питания. Если при резисторах сопротивлением по 510 Ом и напряжении источника питания 12V (а можно от 6 до 18V), ток через каждый светодиод будет где-то около 0.02А.
Но число светодиодов можно увеличить и не увеличивая ток. На рисунке 11 показана гирлянда вроде той, что на рисунке 10. Но в ней светодиоды включены по три последовательно.
Такая гирлянда может питаться напряжением 9-18V, потребляя ток всего около 0,02А на каждую тройку светодиодов. Таким образом, число светодиодов увеличивается втрое, при том же потреблении тока. При этом чтобы тройка светодиодов мигала, достаточно чтобы в ней был один мигающий светодиод.
Рис. 11. Схема светодиодной гирлянды, в которой светодиоды включены по три последовательно.
В каждой ветви (рис. 11) может быть светодиодов и больше и меньше трех. Важно то, чтобы суммарное напряжение падения светодиодов было как минимум на 10% меньше напряжения источника питания, в противном случае, светодиоды гореть не будут либо будут гореть очень слабо.
Сопротивление гасящего резистора, включенного последовательно светодиоду или светодиодам нужно выбирать таким, чтобы сила тока через светодиод была не более допустимого для него значения, но такой, чтобы свечение было достаточно ярким.
Рассчитать гасящее сопротивление для цепи со светодиодами можно по формуле:
R = (U - Uc) /1, где U - напряжение питания.
Uc - суммарное напряжение падения последовательно включенных светодиодов, I -сила тока.
Например, напряжение питания 12V, последовательно включены три светодиода, с напряжениями падения 1,9V, 2,4V и 2,1V. Требуется сила тока через светодиоды 17мА.
Считаем Uc = 1,9 + 2,4 + 2,1 = 6,4V. Затем вычисляем R = (12 - 6,4) / 0,017 = 329,4 Ом, то есть, нужен резистор на 330 Ом.
В этой формуле разность (U - Uc) не должна быть отрицательной или равной нулю. То есть, напряжение питания всегда должно быть больше напряжения падения на светодиодах.
Однако нужно учесть и то, что если в цепи есть мигающий светодиод, то напряжение питания не должно быть больше максимально допустимого для мигающего светодиода, находящегося в выключенном состоянии.
К сожалению, этот параметр не всегда приводится в справочниках, но подавляющее большинство мигающих светодиодов нормально переносят прямое напряжение до 30V в выключенном состоянии. А вот при большем напряжении некоторые выходят из строя.
Детали
В приведенных здесь схемах можно использовать практически любые светодиоды. Желательно сверхяркие. Мигающие светодиоды, включенные в последовательных цепях должны быть одноцветными.
Двух или трехцветный мигающий светодиод скорее не мигает, а переключает свои цвета, и существенных импульсов в цепи не создает, поэтому включенные последовательно с ним немигающие светодиоды мигать не будут. В лучшем случае их свечение будет только подрагивать.
У всех новых светодиодов (не выпаянных из плат) анод обозначен более длинным выводом. А короткий - катод. У выпаянных назначение выводов нужно проверять мультиметром (так как прозванивают обычные диоды).
Всем привет! С данной статьи хочу начать серию публикаций о различной электронике и самоделках на ее основе.
Сегодня мы поговорим о RGB светодиоде . А так же напишем небольшой скетч, для плавного изменения его цвета от красного до фиолетового, с помощью переменного резистора ( потенциометра ) на 10кОм и Arduino UNO .
RGB светодиод – это сразу три светодиода в одном: красный, зеленый и синий. Т.е. как раз те три цвета, при различном сочетании и интенсивности свечения которых можно получить все остальные цвета видимого спектра. У RGB светодиода 4 ножки – самая длинная – общая. В зависимости от модели светодиода, это может быть либо катод, либо анод. А 3 остальные – это либо аноды, либо катоды трех разных цветов.
Проверить чем является общая ножка катодом или анодом очень просто – если общая ножка катод, то при подключении к ней минуса источника питания, а плюса (через резистор) к любой другой ножке, светодиод загорится соответствующим цветом. Если не загорается, значит общая ножка – анод, и подключать к ней нужно плюс источника питания.
Приступим к созданию схемы на макетной плате. В качестве микроконтроллера будем использовать Arduino UNO. Подключаем общую ножку светодиода к выходу GND Ардуино. А оставшиеся три ножки к цифровым портам Ардуино. Ножку, отвечающую за красный цвет, к порту номер 8, за синий - к порту номер 9, за зеленый - к порту 10. Добавляем на схему потенциометр и соединяем его первую ножку с портом GND Ардуино, центральную ножку номер 2 соединяем с аналоговым портом А0 Ардуино, а ножку номер 3 с выходом 5В Ардуино.
В интернете находим таблицу RGB-цветов радуги , и переносим эту информацию в таблицу (MS Excel, Open Office) и определяем полный интервал значений для изменения цветности светодиода по всем цветам радуги. Он составляет 1530.
В среде разработки Arduino IDE пишем скетч для управления свечения светодиодом. Определяем постоянные, связанные с цифровыми портами Ардуино, через которые мы будем управлять цветом светодиода и с аналоговым портом А0, через который мы будем снимать значение с потенциометра. Добавим небольшую функцию для удобства работы с rgb-светодиодом. В качестве параметров, функция будет получать значения переменных и отправлять эти значения в соответствующий порт Ардуино.
(необходимо поставить символ решетки перед define )
При вращении регулятора потенциометра из крайнего левого положения в крайне правое, уменьшается его сопротивление от номинала (10кОм) до значения близкого к 0. При этом напряжение линейно увеличивается от нуля, до напряжения выдаваемого соответствующим пином Ардуино, т.е. около 5 В. Стандартная для Arduino IDE функция analogRead преобразует передаваемое в порт А0 напряжение в цифровой интервал от 0 (при нулевом напряжении) до 1023 (при максимальном напряжении). Т.к. полный интервал регулирования цветности светодиода составляет 1530, то с помощью стандартной для Arduino IDE функции map расширяем интервал возможных значение переменной val до 1530.
Далее идет блок условий, в котором при достижении определенных значений переменной связанной с потенциометром, меняется интенсивность каждого из трех цветов RGB-светодиода.
Хорошие и плохие схемы включения светодиодов
В предыдущих статьях были описаны различные вопросы подключения светодиодов. Но в одной статье всего не написать, поэтому придется эту тему продолжить. Здесь речь пойдет о различных способах включения светодиодов.
Как было сказано в упомянутых статьях, светодиод является прибором токовым, т.е. ток через него должен быть ограничен с помощью резистора. Как рассчитать этот резистор, было уже рассказано, повторяться здесь не будем, но формулу, на всякий случай, приведем еще раз.
Здесь Uпит. – напряжение питания, Uпад. – падение напряжение на светодиоде, R – сопротивление ограничивающего резистора, I – ток через светодиод.
Однако, несмотря на всю теорию, китайская промышленность выпускает всевозможные сувениры, брелоки, зажигалки, в которых светодиод включен без ограничительного резистора: просто две-три дисковых батарейки и один светодиод. В этом случае ток ограничивается внутренним сопротивлением батареи, мощности которой просто не хватает, чтобы спалить светодиод.
Но тут, кроме перегорания, есть и еще одно неприятное свойство – деградация светодиодов, более всего присущее светодиодам белого и синего цветов: через некоторое время яркость свечения становится совсем незначительной, хотя ток через светодиод протекает вполне достаточный, на уровне номинального.
Нельзя сказать, что не светит вовсе, свечение еле заметно, но это уже не фонарик. Если при номинальном токе деградация происходит не ранее, чем через год непрерывного свечения, то при завышенном токе дождаться этого явления можно через полчаса. Такое включение светодиода следует назвать плохим.
Подобную схему можно объяснить лишь стремлением сэкономить на одном резисторе, припое, и трудозатратах, что при массовых масштабах производства, видимо, оправдано. Кроме того, зажигалка или брелок вещь одноразовая, копеечная: кончился газ или села батарейка - сувенир просто выкинули.
Рисунок 2. Схема плохая, но применяется достаточно часто.
Рисунок 3. Хорошая схема, правильная.
Именно такую схему следует считать хорошей или правильной. Чтобы проверить, правильно ли указан номинал резистора R1, можно воспользоваться формулой, показанной на рисунке 1. Будем считать, что падение напряжения на светодиоде 2В, ток 20мА, напряжение питания 3В обусловлено применением двух пальчиковых батареек.
А вообще не надо стремиться ограничить ток на уровне предельно допустимых 20мА, можно запитать светодиод меньшим током, ну, хотя бы, миллиампер 15…18. При этом произойдет совсем незначительное уменьшение яркости, который глаз человека, в силу особенностей устройства, не заметит совсем, а вот срок службы светодиода намного увеличится.
Еще один пример плохого включения светодиодов можно встретить в различных фонариках, уже более мощных, нежели брелоки и зажигалки. В этом случае некоторое количество светодиодов, иногда достаточно большое, просто включено параллельно, и тоже без ограничительного резистора, в роли которого опять же выступает внутреннее сопротивление батареи. Такие фонарики достаточно часто попадают в ремонт именно по причине выгорания светодиодов.
Рисунок 4. Совсем плохая схема включения.
Рисунок 5. Так уже немного лучше.
Но и такое включение поможет мало. Дело в том, что в природе просто не найти двух одинаковых полупроводниковых приборов. Именно поэтому, например, транзисторы одного типа имеют различный коэффициент усиления, даже если они из одной производственной партии. Тиристоры и симисторы тоже бывают разные. Некоторые открываются легко, а другие настолько тяжко, что от их применения приходится отказаться. То же можно сказать и о светодиодах – двух абсолютно одинаковых, тем более трех или целой кучи, найти просто невозможно.
Замечание на тему. В DataSheet на светодиодную сборку SMD-5050 (три независимых светодиода в одном корпусе) включение, показанное на рисунке 5, не рекомендуется. Мол, из-за разброса параметров отдельных светодиодов, может быть заметна разница в их свечении. А казалось бы, в одном корпусе!
Никакого коэффициента усиления у светодиодов, конечно же, нет, зато есть такой важный параметр, как прямое падение напряжения. И если даже светодиоды взяты из одной технологической партии, из одной упаковки, то двух одинаковых в ней просто не будет. Поэтому ток у всех светодиодов будет разный. Тот светодиод, у которого ток будет больше всех, и рано или поздно превысит номинальный, сгорит раньше всех.
Чтобы такого не произошло, схему надо немного изменить: для каждого светодиода установить свой резистор, что и показано на рисунке 6.
Рисунок 6. А вот так светодиоды прослужат очень долго.
Здесь все, как требуется, все по правилам схемотехники: ток каждого светодиода будет ограничен своим резистором. В такой схеме токи через светодиоды не зависят друг от друга.
Но и это включение не вызывает особого восторга, поскольку количество резисторов равно количеству светодиодов. А хотелось бы, чтобы светодиодов было побольше, а резисторов поменьше. Как же быть?
Выход из этого положения достаточно простой. Каждый светодиод надо заменить цепочкой последовательно включенных светодиодов, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Параллельное включение гирлянд.
Платой за такое усовершенствование будет увеличение напряжения питания. Если для одного светодиода достаточно всего трех вольт, то даже два светодиода, включенных последовательно, от такого напряжения уже не зажечь. Так какое же напряжение понадобится для включения гирлянды из светодиодов? Или по-другому, сколько светодиодов можно подключить к источнику питания с напряжением, например, 12В?
Чтобы получить ответ на этот вопрос, достаточно напряжение питания просто разделить на падение напряжения на светодиоде. В большинстве случаев при расчетах это напряжение принимается 2В. Тогда получается 12/2=6. Но не надо забывать, что какая-то часть напряжения должна остаться для гасящего резистора, хотя бы вольта 2.
Получается, что на светодиоды остается только 10В, и количество светодиодов станет 10/2=5. При таком положении дел, чтобы получить ток 20мА, ограничительный резистор должен иметь номинал 2В/20мА=100Ом. Мощность резистора при этом составит P=U*I=2В*20мА=40мВт.
Такой расчет вполне справедлив, если прямое напряжение светодиодов в гирлянде, как было указано, 2В. Именно это значение часто принимается при расчетах, как некоторое среднее. Но на самом деле это напряжение зависит от типа светодиодов, от цвета свечения. Поэтому при расчетах гирлянд следует ориентироваться на тип светодиодов. Падения напряжения для светодиодов разных типов приведены в таблице, показанной на рисунке 8.
Рисунок 8. Падение напряжения на светодиодах разных цветов.
Таким образом, при напряжении источника питания 12В, за вычетом падения напряжения на токоограничивающем резисторе, всего можно подключить 10/3,7=2,7027 белых светодиодов. Но кусочек от светодиода не отрежешь, поэтому подключить возможно только два светодиода. Такой результат получается если из таблицы взять максимальное значение падения напряжения.
Если же в расчет подставить 3В, то совершенно очевидно, что подключить возможно три светодиода. При этом каждый раз придется кропотливо пересчитывать сопротивление ограничительного резистора. Если реальные светодиоды окажутся с падением напряжения 3,7В, а может выше, три светодиода могут и не зажечься. Так что лучше остановиться на двух.
Принципиально не важно, какого цвета будут светодиоды, просто при расчете придется учитывать разные падения напряжений в зависимости от цвета свечения светодиода. Главное, чтобы они были рассчитаны на один ток. Нельзя собрать последовательную гирлянду из светодиодов, часть которых с током 20мА, а другая часть из 10-ти миллиамперных.
Понятно, что при токе 20мА светодиоды с номинальным током 10мА попросту сгорят. Если же ограничить ток на уровне 10мА, то 20-ти миллиамперные засветятся недостаточно ярко, примерно как в выключателе со светодиодом: ночью видно, днем нет.
Чтобы облегчить себе жизнь, радиолюбители разрабатывают различные программы-калькуляторы, облегчающие всевозможные рутинные расчеты. Например, программы для расчета индуктивностей, фильтров различного типа, стабилизаторов тока. Есть такая программа и для расчета светодиодных гирлянд. Скриншот такой программы приведен на рисунке 9.
Программа работает без установки в системе, просто ее надо скачать и пользоваться. Все настолько просто и понятно, что никаких пояснений к скриншоту совсем не требуется. Естественно, что все светодиоды должны быть одного цвета и с одинаковым током.
Смотрите также из ранее опубликованного на сайте: Как подключить светодиод к осветительной сети
Ограничительные резисторы это, конечно, хорошо. Но только тогда, когда известно, что вот эта гирлянда будет питаться от стабилизированного источника постоянного напряжения 12В, и ток через светодиоды не превысит расчетного значения. А как быть, если просто нет источника с напряжением 12В?
Рисунок 10. Регулируемый стабилизатор тока SSC0018
Технические характеристики стабилизатора показаны на рисунке 11.
Рисунок 11. Технические характеристики стабилизатора тока SSC0018
Изначально стабилизатор тока SSC0018 был разработан для применения в светодиодных светильниках, но может также применяться для зарядки малогабаритных аккумуляторов. Пользоваться устройством SSC0018 достаточно просто.
Сопротивление нагрузки на выходе стабилизатора тока может быть нулевым, попросту можно замкнуть накоротко выходные клеммы. Ведь стабилизаторы и источники тока не боятся коротких замыканий. При этом ток на выходе будет номинальным. Уж если установили 20мА, то столько и будет.
Рисунок 12. Подключение для питания светодиодов, соединенных параллельно
Здесь все понятно из схемы. Для четырех светодиодов с током потребления 20мА на каждый на выходе стабилизатора надо выставить ток 80мА. При этом на входе стабилизатора SSC0018 потребуется напряжение чуть большее, чем падение напряжения на одном светодиоде, о чем было сказано выше. Конечно, подойдет и большее напряжение, но это приведет только к дополнительному нагреву микросхемы стабилизатора.
Замечание. Если для ограничения тока с помощью резистора напряжение источника питания должно превышать общее напряжение на светодиодах незначительно, всего вольта на два, то для нормальной работы стабилизатора тока SSC0018 это превышение должно быть несколько выше. Никак не меньше, чем 3…4В, иначе попросту не откроется регулирующий элемент стабилизатора.
На рисунке 13 показано подключение стабилизатора SSC0018 при использовании гирлянды из нескольких последовательно соединенных светодиодов.
Рисунок 13. Питание последовательной гирлянды через стабилизатор SSC0018
Рисунок взят из технической документации, поэтому попробуем рассчитать количество светодиодов в гирлянде и постоянное напряжение, потребное от блока питания.
Указанный на схеме ток, 350мА, позволяет сделать вывод, что гирлянда собрана из мощных белых светодиодов, ведь как было сказано чуть выше, основное назначение стабилизатора SSC0018 это источники освещения. Падение напряжения на белом светодиоде находится в пределах 3…3,7В. Для расчета следует взять максимальное значение 3,7В.
Количество светодиодов может быть и меньше. Тогда входное напряжение придется уменьшить (при этом выходной ток не изменится, так и останется 350мА как был отрегулирован), зачем на 3 светодиода, пусть даже мощных, подавать 50В? Такое издевательство может закончиться плачевно, ведь мощные светодиоды отнюдь недешевы. Какое потребуется напряжение для подключения трех мощных светодиодов желающие, а они всегда найдутся, могут посчитать сами.
Регулируемый стабилизатор тока SSC0018 устройство достаточно хорошее. Но весь вопрос в том, всегда ли оно нужно? Да и цена девайса несколько смущает. Каков же может быть выход из создавшегося положения? Все очень просто. Прекрасный стабилизатор тока получается из интегральных стабилизаторов напряжения, например, серии 78XX или LM317.
Для создания такого стабилизатора тока на базе стабилизатора напряжения потребуется всего 2 детали. Собственно сам стабилизатор и один единственный резистор, сопротивление и мощность которого поможет рассчитать программа StabDesign, скриншот которой показан на рисунке 14.
Рисунок 14. Расчет стабилизатора тока с помощью программы StabDesign.
Особых пояснений программа не требует. В выпадающем меню Type выбирается тип стабилизатора, в строке Iн задается требуемый ток и нажимается кнопочка Calculate. В результате получается сопротивление резистора R1 и его мощность. На рисунке расчет проведен для тока 20мА. Это для случая, когда светодиоды соединены последовательно. Для параллельного соединения ток подсчитывается так же, как показано на рисунке 12.
Светодиодная гирлянда подключается вместо резистора Rн, символизирующего нагрузку стабилизатора тока. Возможно даже подключение всего одного светодиода. При этом катод подключается к общему проводу, а анод к резистору R1.
Казалось бы, на этом рассказ о светодиодах можно закончить. Но есть еще светодиодные ленты, о которых будет рассказано в следующей статье.
Чтобы разобраться, за счет чего, в результате каких факторов внешнего и внутреннего воздействия, светодиоды меняют цвет, необходимо разобраться с общим устройством этого полупроводникового прибора. Оказывается, что изменение цветового спектра при свечении светодиода, независимо от типа и конструкции, происходит в результате изменения параметров напряжения. Оказывается, что под таким воздействием даже самый обыкновенный светодиод (например, оранжевый) изменит цвет по мере увеличения напряжения в сети. Сначала это будет желтый, затем светло-зеленый тон, а далее диод попросту перегорит.
Общий принцип явления
Эта излучаемая энергия, это не что иное, как цвет. Он может изменяться с учетом влияния следующих основных факторов:
- Тип полупроводника, из которого светодиоды сделаны.
- Какой вид примесей используется в месте контакта полупроводников.
- Размер запретной зоны по ширине, место, где протекает процесс рекомбинации.
- Параметры, величины, влияющие на проявление силы тока на данном участке электрической цепи.
Проще всего воздействовать на светодиод, добиваясь изменения цвета, регулируя величину электрического тока. Добиваются этого путем перемены параметров напряжения. В соответствии с законом Ома увеличение напряжения в цепи приводит к пропорциональному увеличению силы тока. Соответственно, в этот момент энергия фотона будет увеличиваться. Результатом будет перемещение цвета по направлению к холодной, синей части спектра.
Основные принципы формирования цвета с использованием светодиодов
Полезно будет вспомнить, что любой цвет и оттенок, формируется за счет трех основных цветов:
Комбинируя параметры этих трех цветов можно легко получать практически любые оттенки. Главное – правильно подбирать пропорции.
Исходя из этого параметра, чтобы любой световой прибор имел возможность менять цвета и оттенки, он должен иметь не менее трех источников света. Фактически, так оно и есть. Любой RGB-светодиод, это не что иное, как три излучающих кристалла, заключенных в едином корпусе.
Управление и контроль работы такого светодиода осуществляется за счет использования контроллера. Каждый светодиод, меняющий цвет, оснащен таким контроллером. Это устройство управляет каждым отдельным цветом.
Характерные особенности световых эффектов
Выясняя, как за счет рекомбинации дырок и электронов появляется неодинаковое излучение света, в результате чего светодиоды меняют цвет. Это излучение специалисты характеризуют параметрами квантового выхода. Эта величина получается в результате формирования определенного количества выделенных световых фантов.
- Внутренний. Находится внутри полупроводникового перехода.
- Внешний. Его место – непосредственно конструкция самого светодиода.
В первом случае теоретически можно обеспечить квантовый выход в параметрах, близких к 100% показателям. Но при одном условии – потребуется создавать экстремально высокие (для данного диода) токи и обеспечить эффективный отвод тепла.
Второй уровень предусматривает рассеивание части света внутри самого источника. Это свечение в основном поглощается элементами конструкции осветительного устройства, в результате снижается общая эффективность излучения.
RGBW светодиоды
Мы уже отмечали, что для формирования идеально белого цвета, необходимо обеспечить эффективную работу каждого RGB-светодиода, для чего максимально точно отбалансировать яркость свечения по каждому отдельному кристаллу. На практике это сделать достаточно сложно, поэтому, чтобы решить задачу кратчайшим путем, следует дополнить устройство диода кристаллом четвертого свечения. То есть, к красному, синему и зеленому кристаллам, являющимися обязательными компонентами современного диода, добавляется еще один кристалл – белый.
Подведем итог
Очевидно, что в конструкции современного светодиода имеются элементы, позволяющие при определенных условиях менять цвет. Основная причина этого – поведение контроллера, который под воздействием меняющегося напряжения передает соответствующие команды на RGB-светодиод.
Читайте также: