Схема светодиода

Электрическая цепь, используемая для питания светодиода

Простая принципиальная схема светодиода (светоизлучающего диода)

В электронике схема светодиода или драйвер светодиода — это электрическая цепь , используемая для питания светодиода (LED). Схема должна обеспечивать достаточный ток для освещения светодиода необходимой яркости, но должна ограничивать ток, чтобы предотвратить повреждение светодиода. Падение напряжения на горящем светодиоде примерно постоянно в широком диапазоне рабочего тока; поэтому небольшое увеличение приложенного напряжения значительно увеличивает ток. В таблицах данных это падение может быть указано как «прямое напряжение» ( ) при определенном рабочем токе. Для индикаторных светодиодов малой мощности используются очень простые схемы. При управлении мощными светодиодами для освещения требуются более сложные схемы источников тока для достижения правильного регулирования тока. ${\displaystyle V_{f}}$

Базовая схема

Самая простая схема управления светодиодом — через последовательный резистор. Он обычно используется для индикаторов и цифровых дисплеев во многих бытовых приборах. Однако эта схема не является энергоэффективной, поскольку энергия рассеивается в резисторе в виде тепла.

Светодиоды зависят от их материала . Закон Ома и законы Кирхгофа используются для расчета соответствующего номинала резистора путем вычитания светодиодов из напряжения питания и деления на желаемый рабочий ток. При достаточно высоком напряжении питания несколько светодиодов, включенных последовательно, можно запитать одним резистором. ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Если напряжение питания близко или равно напряжению светодиода , то невозможно рассчитать разумное значение резистора, поэтому используется другой метод ограничения тока. ${\displaystyle V_{f}}$

Рекомендации по источнику питания

Характеристики напряжения и тока светодиода аналогичны характеристикам любого диода . Ток является приблизительно экспоненциальной функцией напряжения в соответствии с уравнением диода Шокли , и небольшое изменение напряжения может привести к большому изменению тока. Если напряжение ниже или равно пороговому значению, ток не протекает, и в результате светодиод не горит. Если напряжение слишком высокое, ток превысит максимальный номинал, что приведет к перегреву и потенциальному разрушению светодиода.

Светодиодные драйверы предназначены для работы с колебательной нагрузкой, обеспечивая достаточный ток для достижения необходимой яркости, не позволяя при этом протекать опасным уровням тока. Драйверы могут быть постоянного тока (CC) или постоянного напряжения (CV). В драйверах CC напряжение меняется, а ток остается прежним. Драйверы CC используются, когда электрическая нагрузка светодиодной цепи неизвестна или колеблется, например, в цепи освещения, в которой может быть установлено переменное количество светодиодных светильников.

По мере нагревания светодиода падение напряжения на нем уменьшается (уменьшение запрещенной зоны ^[1] ). Это может способствовать увеличению тока.

Драйверы МОП-транзисторов

Бытовая светодиодная лампа с открытыми внутренними светодиодными элементами и схемой драйвера.

Активный источник постоянного тока обычно используется для мощных светодиодов, стабилизируя светоотдачу в широком диапазоне входных напряжений, что может увеличить срок службы батарей. Активный постоянный ток обычно регулируется с помощью МОП-транзистора с режимом истощения (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который является простейшим ограничителем тока. ^{[2] Стабилизаторы постоянного тока} с низким падением напряжения (LDO) также позволяют увеличить общее напряжение светодиода по сравнению с напряжением источника питания.

Импульсные источники питания (например , понижающие , повышающие и понижающе-повышающие преобразователи) используются в светодиодных фонариках и бытовых светодиодных лампах . Силовые МОП-транзисторы обычно используются для переключения драйверов светодиодов, что является эффективным решением для управления светодиодами высокой яркости. Чипы силовых интегральных схем (ИС) широко используются для непосредственного управления МОП-транзисторами без необходимости использования дополнительных схем. ^[2]

Последовательный резистор

Последовательные резисторы — простой способ стабилизировать ток светодиода, но в резисторе тратится энергия.

Миниатюрные индикаторные светодиоды обычно питаются от постоянного тока низкого напряжения через токоограничивающий резистор. Обычно используются токи 2 мА, 10 мА и 20 мА. Индикаторы субмА могут быть изготовлены путем управления сверхяркими светодиодами при очень малом токе. КПД имеет тенденцию снижаться при малых токах ^[3] , но индикаторы, работающие на токе 100 мкА, по-прежнему практичны.

В светодиодных фонарях типа «брелок» с питанием от монетоприемника сопротивление самой ячейки обычно является единственным устройством ограничения тока.

Доступны светодиоды со встроенными последовательными резисторами. Они могут сэкономить место на печатной плате и особенно полезны при создании прототипов или заполнении печатной платы способом, отличным от задуманного проектировщиками. Однако номинал резистора устанавливается во время производства, что исключает один из ключевых методов настройки интенсивности светодиода.

Значение последовательного сопротивления можно получить из закона Ома , учитывая, что напряжение питания компенсируется сопротивлением диода , которое мало меняется в диапазоне полезных токов: ${\displaystyle V_{f}}$

${\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over I_{led}}}$   или   ${\displaystyle I_{led}}={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over R}$

где:

${\displaystyle R}$сопротивление в омах , обычно округленное до ближайшего более высокого значения резистора .

${\displaystyle V_{power}}$напряжение источника питания в вольтах , например, 9-вольтовая батарея.

${\displaystyle V_{f}}$это прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах при горении. и частота света светодиода (который мы воспринимаем как цвет ) увеличивается с увеличением ширины запрещенной зоны материалов светодиода . Следовательно, оно колеблется от примерно 1,7 до 2,0 В для красных светодиодов и примерно от 2,8 до 4,0 В для фиолетовых светодиодов. ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

${\displaystyle V_{switch}}$— падение напряжения на переключателе в вольтах: (A) для отсутствия переключателя используйте 0 вольт, (B) для механического переключателя используйте 0 вольт, (C) для BJT-транзистора используйте напряжение насыщения коллектор-эмиттер из таблицы данных транзистора. ${\displaystyle V_{CE(sat)}}$

${\displaystyle I_{led}}$— желаемый ток светодиода в амперах . Максимальный постоянный ток указан в технических характеристиках светодиодов, например, 20 мА (0,020 А) является обычным для большинства маленьких светодиодов. Во многих схемах светодиоды работают при токе меньше указанного максимального для экономии энергии, уменьшения яркости или использования резистора общего номинала . Для использования внутри помещений крошечные высокоэффективные светодиоды для поверхностного монтажа могут легко загораться с током 1 мА (0,001 А) или более, который большинство цифровых логических выходов могут легко получать или потреблять.

Используя алгебраическую формулу (см. выше) и приняв значение 0 (для упрощения примеров), сопротивление рассчитывается следующим образом: ${\displaystyle V_{switch}}$

Пример 1 при 9 В, = 1,8 В, = 5 мА: ${\displaystyle V_{power}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle I_{led}}$

${\displaystyle R}$= (9 В - 1,8 В) / 5 мА = (9 - 1,8) / 0,005 = 1440 Ом, затем округляем до резистора 1,5 кОм (в соответствии с обычными номиналами резисторов ).

Пример 2 при 5 В, = 1,8 В, = 1 кОм: ${\displaystyle V_{power}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle R}$

${\displaystyle I_{led}}$= (5 В – 1,8 В)/1 кОм = (5 – 1,8)/1000 = 0,0032, что составляет 3,2 мА

Светодиодные матрицы

Схема последовательного подключения светодиодов

Схема параллельного подключения светодиодов

Цепочки из нескольких светодиодов обычно соединяются последовательно . В одной конфигурации напряжение источника должно быть больше или равно сумме напряжений отдельных светодиодов; обычно напряжения светодиодов составляют примерно две трети напряжения питания. Для каждой цепочки можно использовать один токоограничивающий резистор.

Параллельная работа также возможна, но может быть более проблематичной. Параллельные светодиоды должны быть точно согласованы , чтобы иметь одинаковые токи ветвей и, следовательно, одинаковую светоотдачу. Изменения в производственном процессе могут затруднить получение удовлетворительной работы при параллельном соединении некоторых типов светодиодов. ^[4] ${\displaystyle V_{f}}$

Светодиодный дисплей

Светодиоды часто располагаются таким образом, что каждый светодиод (или каждую цепочку светодиодов) можно включать и выключать индивидуально.

Прямой привод — самый простой для понимания подход — в нем используется множество независимых схем с одним светодиодом (или одной цепочкой). Например, человек мог бы спроектировать цифровые часы так, чтобы, когда часы отображают «12:34» на семисегментном дисплее , часы напрямую включали бы соответствующие сегменты и оставляли их включенными до тех пор, пока не потребуется отобразить что-то еще.

Однако методы мультиплексного отображения используются чаще, чем прямой привод, поскольку они требуют более низких чистых затрат на оборудование. Например, большинство людей, разрабатывающих цифровые часы, проектируют их так, что, когда часы отображают «12:34» на семисегментном дисплее , в любой момент часы включают соответствующие сегменты одной из цифр — все остальные цифры. темные. Часы просматривают цифры настолько быстро, что создается иллюзия, будто они «постоянно» показывают «12:34» в течение целой минуты. Однако каждый «включенный» сегмент на самом деле быстро включается и выключается много раз в секунду.

Расширением этого метода является Чарлиплексирование , при котором способность некоторых микроконтроллеров выполнять три состояния своих выходных контактов означает, что можно управлять большим количеством светодиодов без использования защелок. Для N контактов можно управлять n ² -n светодиодами.

Использование технологии интегральных схем для управления светодиодами началось в конце 1960-х годов. В 1969 году Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP Model 5082-7000, первый светодиодный дисплей и первое светодиодное устройство, в котором использовалась технология интегральных схем. Его разработкой руководили Говард К. Борден и Джеральд П. Пигини из HP Associates и HP Labs , которые занимались исследованиями и разработками (НИОКР) в области практических светодиодов в период с 1962 по 1968 год. ^[5] Это был первый интеллектуальный светодиодный дисплей, сделав его революцией в технологии цифровых дисплеев , заменив лампу Никси и став основой для более поздних светодиодных дисплеев. ^[6]

Полярность

В отличие от ламп накаливания , которые светятся независимо от электрической полярности , светодиоды светятся только при правильной электрической полярности. Когда напряжение на pn-переходе имеет правильное направление, протекает значительный ток, и говорят, что устройство смещено в прямом направлении . Если напряжение имеет неправильную полярность, говорят, что устройство имеет обратное смещение , ток течет очень мало и свет не излучается. Светодиоды могут работать с переменным током , но они будут светиться только в половине цикла переменного тока, когда светодиод смещен в прямом направлении. Это приводит к включению и выключению светодиода с частотой источника переменного тока.

Большинство светодиодов имеют относительно низкое номинальное напряжение обратного пробоя по сравнению со стандартными диодами, поэтому перейти в этот режим может быть проще, чем ожидалось, и привести к повреждению светодиода из-за перегрузки по току. Однако напряжение включения всегда меньше напряжения пробоя, поэтому при питании светодиода непосредственно от источника переменного тока, когда ток ограничен для работы в прямом направлении, не требуется специальной защиты от обратного тока.

Производитель обычно сообщает, как определить полярность светодиода, в техническом описании продукта. Однако не существует стандартизации маркировки полярности для устройств поверхностного монтажа . ^{[7] [8]}

Импульсный режим

Многие системы включают и выключают светодиоды, периодически или периодически подавая питание. Пока частота мерцания превышает порог слияния мерцаний человека и светодиод неподвижен относительно глаза, светодиод будет светиться непрерывно. Изменение соотношения включения/выключения импульсов известно как широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В некоторых случаях драйверы на основе ШИМ более эффективны, чем драйверы постоянного тока или постоянного напряжения. ^{[3] [9]}

В большинстве технических характеристик светодиодов указан максимальный постоянный ток, безопасный для непрерывной работы. Часто они указывают более высокий максимальный импульсный ток, который безопасен для коротких импульсов, пока контроллер светодиода сохраняет импульс достаточно коротким, а затем отключает питание светодиода на время, достаточное для того, чтобы светодиод остыл.

Светодиод в качестве датчика освещенности

Мобильный телефон ИК-порт

Помимо излучения, светодиод можно использовать в качестве фотодиода при обнаружении света . Эту возможность можно использовать в различных приложениях, включая обнаружение внешнего освещения и двунаправленную связь. ^{[10] [11] [12]}

Как фотодиод, светодиод чувствителен к длинам волн, равным или короче преобладающей длины волны, которую он излучает. Например, зеленый светодиод чувствителен к синему и некоторому зеленому свету, но не к желтому или красному свету.

Такая реализация светодиодов может быть добавлена ​​в конструкции лишь с небольшими изменениями в схеме. ^[10] Светодиод можно мультиплексировать в такой схеме, чтобы его можно было использовать как для излучения света, так и для его считывания в разное время. ^{[10] [12]}

Смотрите также

• Портал электроники

• Похититель Джоуля — питание светодиода с помощью батареи 1,5 В и схемы повышения напряжения
• Соотношение Планка – Эйнштейна - связь между запрещенной зоной и частотой фотонов.
• Уравнение диода Шокли - связь между прямым напряжением и током

Рекомендации

1. Ван Зегбрук, Барт Дж. (1997). «2.2.5». 2.2.5. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны . Ece-www.colorado.edu. Архивировано из оригинала 1 февраля 2009 г. Проверено 15 февраля 2009 г.
2. Виндер, Стив (2011). Источники питания для управления светодиодами. Ньюнес . стр. 20–22, 39–41. ISBN 9780080558578.
3. Замечания по применению AND8067/D: «Инверторный генератор с двумя затворами NL27WZ04 увеличивает яркость светодиодов при одновременном снижении энергопотребления»
4. «Электрические свойства светодиодов GaN и параллельные соединения» (PDF) . Примечание по применению . Ничия. Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2007 г. Проверено 13 августа 2007 г.
5. Борден, Ховард К.; Пигини, Джеральд П. (февраль 1969 г.). «Твердотельные дисплеи» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard : 2–12.
6. "Hewlett-Packard 5082-7000" . Ассоциация винтажных технологий . Архивировано из оригинала 17 ноября 2014 года . Проверено 15 августа 2019 г.
7. «Существуют ли стандарты, регулирующие маркировку полярности?» www.circuitinsight.com . Проверено 19 апреля 2019 г.
8. «Как построить печатную плату: полярность диода (нет,...» Сообщество EEWeb . Проверено 19 апреля 2019 г. ).
9. Тахан, Мохаммед (зима 2017 г.). «Многострунный светодиодный драйвер с гибким и высокопроизводительным управлением яркостью ШИМ». Транзакции IEEE по силовой электронике . 32 (12): 9293–9306. arXiv : 2002.00029 . Бибкод : 2017ITPE...32.9293T. дои : 10.1109/TPEL.2017.2655884. S2CID  43054007.
10. Дитц, Пол, Уильям Еразунис, Даррен Ли (2003). «Очень дешевое обнаружение и связь с использованием двунаправленных светодиодов» (PDF) . Исследовательские лаборатории Мицубиси Электрик . Архивировано из оригинала (PDF) 5 февраля 2009 г. Проверено 7 сентября 2009 г.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
11. Бент, Сара, Аойф Молони и Джеральд Фаррелл (2006). «Светодиоды как оптические источники и детекторы в двунаправленных пластиковых оптоволоконных линиях». Ирландская конференция по сигналам и системам, 2006. IET : 345–349.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
12. Степняк, Г.; Ковальчик, М.; Максимюк Л.; Сюздак, Дж. (01 октября 2015 г.). «Передача со скоростью более 100 Мбит / с с использованием светодиода как передатчика и приемника». Письма IEEE Photonics Technology . 27 (19): 2067–2070. Бибкод : 2015IPTL...27.2067S. дои :10.1109/LPT.2015.2451006. ISSN  1041-1135. S2CID  23986334.

Внешние ссылки

• Калькулятор светодиодного резистора