Как понять, на сколько вольт рассчитан светодиод
Конечно, мы все прекрасно знаем, что главным параметром всех светодиодов является номинальный ток. Но кроме этого, так же очень важно знать, на какое напряжение рассчитан светодиод.
Хочу сразу сказать, что под аббревиатурой напряжение светодиода подразумевается разница потенциалов на p – n переходе в открытом состоянии. Этот параметр имеет справочный характер и его можно посмотреть в технической документации, где также указаны и другие параметры светодиодов.
Но зачастую у нас нет под рукой документов на светодиод, который мы нашли у себя в запасах. А вот как узнать падение напряжения в этом случае мы и поговорим в статье.
Определяем падение напряжения теоретическим способомИтак, у вас есть светодиод, но при этом нет на него документов. Цвет, которым светится светодиод, может вам о многом рассказать, как сам корпус, форма и размеры полупроводникового прибора.
Если у светодиода корпус из прозрачного компаунда, то каким цветом он светится без его подключения загадка.
Чтобы определить, а заодно и проверить исправность светодиода, нам потребуется мультиметр.
Переводим переключатель в положение прозвонка и щупами касаемся поочередно выводов диода. При этом у рабочего светодиода в прямом смещении вы увидите, что он слегка засветится.
Таким нехитрым способом вы определили цвет и исправность самого светодиода.
Почему именно важен цвет свечения? Да все просто. Светодиоды разных цветов изготавливаются из различных полупроводниковых компонентов. Именно химия полупроводника во многом определяет, какое падение напряжения будет на P-N переходе.
Но так как во время производства применяется множество химических элементов, то лишь по цвету можно определить только приблизительно на какое напряжение рассчитан тот или иной светодиод.
Если вы знаете какого цвета ваш светодиод, то вполне можно найти в интернете техническую документацию на светодиоды похожей конструкции, но обязательно одного цвета. И уже в ней посмотреть примерно какое напряжение на вашем светодиоде.
Теоретические изыскания вам смогут дать лишь приблизительные данные, но практический опыт позволит определить реальное напряжение светодиода.
Практическое определение напряжения светодиода
Для того, чтобы на практике определить напряжение кроме самого светодиода понадобится еще резистор на сопротивление 580 Ом (можно больше), регулируемый блок питания, например как у меня.
Собираем все наши детали вот по этой схеме:
Тут все очень просто: через резистор мы ограничиваем ток, а мультиметром мы контролируем прямое падение напряжения на светодиоде.
И проверка выглядит следующим образом: от регулируемого источника питания плавно (с нуля) начинаем подавать напряжение. Как только его величина подберется к порогу срабатывания, светодиод засветится.
При дальнейшем повышении напряжения яркость свечения достигнет своего номинала и показания мультиметра (в режиме вольтметра) перестанут расти. Это будет указывать на то, что p – n переход полностью открыт и дальнейшее увеличение напряжения на блоке питания будет прикладываться исключительно к резистору.
Вот эти показания на мультиметре и будут указывать на номинальное прямое напряжение светодиода.
Примечание. Если вы увидели, что на мультиметре установилось напряжение в 1,9 Вольта, но при этом светодиод не светится, то вероятнее всего перед вами инфракрасный светодиод. Чтобы убедиться в этом, возьмите телефон, включите камеру и посмотрите на тестируемый светодиод через нее. Если увидите, что в камере он светится ярко, то значит, вы тестируете именно инфракрасный светодиод.
Перейти к списку новостей
как определяется, на что влияет
Содержание
- 1 Как определить напряжение питания светодиодов
- 2 Как узнать падение напряжения на светодиоде
- 2.1 Теоретический метод
- 2.2 Практический метод
- 3 Итоги: что делать, если напряжение светодиода упало
Светодиод — полупроводниковый прибор, который преобразует прямой электрический ток в световое излучение. Английское название LED расшифровывается, как light emitting diode.
Если раньше светодиоды представляли интерес только для узкого круга ученых, то сейчас их активно используют оформители для украшения помещений и разработки концепции светодизайна. В отличие от ламп накаливания, светодиоды преобразуют ток в световое излучение с минимальными потерями, то есть LED-лампы практически не нагреваются при наличии хорошего теплоотвода.
Если еще в середине прошлого века ученым удавалось получить мизерный КПД только в 2%, то сейчас светодиоды в среднем выдают КПД 35-45%, хотя встречаются и настоящие рекордсмены, у которых КПД достигает фантастических 60%. Светодиоды могут работать на протяжении длительного времени. Приборы относятся к низковольтным, то есть безопасным для человека. Основное эстетическое достоинство светодиодов — свет, излучаемый им, «чистый», так как лежит в узком диапазоне спектра. У приборов есть несколько основных ТХ: мощность, сила потребляемого тока, цветовая температура и напряжение. О том, как определить напряжение и поговорим дальше.
Как определить напряжение питания светодиодов
Источник питания для светодиодов — основная комплектующая деталь, которая преобразует сетевое напряжение. Как известно светодиоды питаются током, но напряжение, которое подается в данном случае, значения не имеет. Это может быть как 12 В, так и 1000 В. Главное для светодиода — это ток. При его нехватке свет лампочек тускнеет, а при переизбытке они начинают нагреваться, и даже теплоотвод не всегда может справиться. Если простая лампа накаливания «самостоятельно» выбирает для себя ток, то светодиод сам выбирает напряжение. Если светодиод требует напряжение в 5 В, а блок питания подает ему, к примеру, 5 В, то высока вероятность того, что светодиод просто сгорит. Дело в том, что возникает «конфликт» между источником питания и светодиодом. Первый пытается честно выдать 5 В, а второй старается взять только положенные для себя 3 В. Светодиод может «просадить» напряжение до нужного, если блок питания слабенький, но чаще в этой схватке все же побеждает хаос и разрушение и светодиод перегорает.
Чтобы подобных проблем не возникло, необходимо стабилизировать ток. Самый простой вариант — резистор. Он подключается последовательно со светодиодами. Резистор помогает ослабить источник питания и заставить его выдавать светодиоду нужное напряжение. Если речь идет о мощных светодиодах, то слабенькому резистору с ними не справиться. В этой ситуации потребуется полноценный стабилизатор.
Расчет резистора провести довольно просто. Для вычислений необходимо знать напряжение питания, падение напряжения и ток. От значения напряжения питания отнимают падение напряжения, а получившуюся величину делят на ток. Теперь остается только выбрать резистор с ближайшим стандартным сопротивлением. Некоторые предпочитают вообще убирать из формулы падение напряжения, так как его точное значение не всегда известно, но ниже приведены два способа для определения этой величины.
Как узнать падение напряжения на светодиоде
Падение напряжения на светодиоде — это одна из его важных характеристик.
С помощью падения напряжения можно узнать, на сколько вольт уменьшится напряжение во время прохождения через один светодиод, если соединение было последовательным. К примеру, если падение напряжения на светодиоде 2,3 вольта, а напряжение питания 24 вольт, то после первой лампочки остальным останется 24—2,3=21,7 вольт. После прохождения второго светодиода значение станет еще меньше: 21,7—2,3=19,4 вольт.
Подсчеты можно проводить до тех пор, пока полученное значение не будет меньше падения напряжения, то есть на следующий диод его уже не хватит. После проведения нехитрых подсчетов можно прийти к выводу, что запитать при таких условиях можно только 10 светодиодов, а 11-й сиротливо останется в сторонке. Если в ленте их больше, то на остальных уже не хватит. Падение напряжения можно измерить двумя способами: практическим и теоретическим.
Теоретический метод
Для теоретического метода определения падения напряжения в светодиоде необходимы таблицы. Изменения этой характеристики напрямую связаны с его цветом.
Для изготовления светодиодов разных цветов используются разные полупроводниковые материалы. Здесь производители во мнении не сходятся, а единого стандарта нет, поэтому каждый делает из того, из чего считает нужным. Падение напряжения во многом определяется химическим составом полупроводника. Точных значений для светодиодов одного цвета нет, но существует определенный диапазон, в котором они варьируются. К примеру, для синих и белых 3—3,6 В, для красных 1,8—2В, для жёлтых и зелёных 2—2,4В. Эти данные можно посмотреть по даташиту.
У белых светодиодов показатель самый высокий, а в хвосте списке расположились красные. Хотя данные и приблизительные, этого обычно достаточно для проведения расчетов. Если светодиоды достались по наследству без документации, то можно поискать в интернете похожие, а после скачать документацию для них. Такой метод, к сожалению, совершенно ненадежен, так как под идентичными корпусами может скрываться разная начинка, соответственно и характеристики у нее будут другими.
Практический метод
В реальности проще это падение напряжения на светодиоде измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках и таблицах. Не нужно объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода. Если возникают трудности с идентификацией, то отличить их легко. Катод короче анода, что видно невооруженным глазом.
Итоги: что делать, если напряжение светодиода упало
Падение напряжения может сильно колебаться даже у одинаковых светодиодов от одного производителя в рамках одной партии. Этот показатель меняется по мере изнашивания светодиода. Также эта характеристика зависит от температуры. Сильный нагрев сокращает срок службы светодиода, поэтому необходим хороший теплоотвод и стабилизатор.
Как определить напряжение на светодиодах в цепи?
Простейшая модель уравнения светодиода имеет следующий вид:
$$V_D=V_{FWD}+R_{ON}\cdot I_D$$
Где \$V_{FWD}\$ и \$R_ {ON}\$ — это так называемые «параметры модели», которые определяют конкретное поведение конкретного диода.
Вы должны предоставить их, чтобы получить количественные ответы.
Представленная выше модель основана на следующей идее. Предположим, вы делаете три измерения со светодиодом, получая как напряжение на светодиоде, так и ток через светодиод, и наносите их на график:0003
Если вы затем используете линейку и проведете линию через точки, вы можете обнаружить, что она пересекает ось Y в некотором значении. В приведенном выше случае он пересекается прямо в точке \$V_{FWD}=2,96\:\text{V}\$. В этом смысл \$V_{FWD}\$ в приведенной выше модели. Это прогнозируемое значение, основанное на экстраполяции нескольких фактических точек, сделанных в другом месте на графике. Точно так же наклон линии, в данном случае с \$R_{ON}=2\:\Omega\$, обеспечивает другой параметр модели. (Вы можете вычислить их из набора необработанных точек данных, используя алгоритм «наименьших квадратов» для линий, если это необходимо.)
Схема с источником питания \$V=30\:\text{V}\$, резистором \$R=1\:\text{k}\Omega\$ и двумя добавленными светодиодами (все из них последовательно), дает следующий результат (\$2\$ происходит из-за того, что есть два светодиода последовательно):
$$30\:\text{V} – I_D\cdot R – 2\cdot \ left(V_{FWD}+R_{ON}\cdot I_D\right) = 0\:\text{V}$$
Это уравнение легко решается для \$I_D\$:
$$I_D=\frac {30\:\text{V} – 2\cdot V_{FWD}}{R+2\cdot R_{ON}}$$
(Вы должны решить и найти приведенное выше уравнение.
)
Используя вашу таблицу информации о светодиодах, я могу получить любую из этих двух моделей и их прогнозы:
- \$V_{FWD}=2,96\:\textrm{V}\$ и \$R_{ON}=2 \:\Omega\$, \$\поэтому I_D=\frac{30\:\text{V} – 2\cdot 2.96\:\textrm{V}}{1\:\text{k}\Omega+2 \cdot 2\:\Omega}\ок. 23,98\:\text{мА}\$
- \$V_{FWD}=3.00\:\textrm{V}\$ и \$R_{ON}=2\:\Omega\$, \$\поэтому I_D=\frac{30\:\text{V } – 2\cdot 3.00\:\textrm{V}}{1\:\text{k}\Omega+2\cdot 2\:\Omega}\приблизительно 23,90\:\text{мА}\$
Ни одно из них не соответствует указанному вами значению. Но они очень близки. Тот факт, что они не точны, предполагает, что либо я неправильно интерпретировал приведенную вами таблицу, либо при моделировании применялся другой тип модели светодиода.
Проблема с приведенной выше моделью заключается в том, что она предполагает, что светодиод ведет себя линейно, но на самом деле светодиоды не ведут себя таким образом. И приведенная выше модель работает только в очень небольшом диапазоне фактических токов, близких к «стандартному значению».
Улучшенная модель светодиода выглядит так:
$$V_D=n\cdot V_T\cdot\operatorname{ln}\left(\frac{I_D}{I_{SAT}}+1\right)$$
Это один из двух эквивалентных способов записи широко известного уравнения Шокли, который обеспечивает гораздо лучшую модель светодиода в гораздо более широком диапазоне токов диода. (Он по-прежнему не учитывает такие вещи, как выводной каркас, проволочное соединение и сопротивление проводов. Добавить их несложно, хотя это немного усложняет решение.)
Здесь \$V_T\$ — тепловая температура, которая рассчитывается как \$V_T=\frac{k\cdot T}{q}\$, где \$k\$ — постоянная Больцмана, \$q\$ — заряд электрона, а \$T\$ — абсолютная температура. При комнатной температуре \$V_T\примерно 26\:\text{мВ}\$. Это физический параметр и, строго говоря, не является параметром модели.
\$I_{SAT}\$ — ток насыщения. Это экстраполированное значение для светодиода (опять же), где оценка делается относительно точки пересечения оси (поскольку ее нельзя измерить напрямую).
{\cfrac{V_{CC}+I_ {SAT}\cdot R}{2\cdot n\cdot V_T}}\right]-I_{SAT}$$
(Я предоставил методологию решения таких уравнений. Пожалуйста, не стесняйтесь исследовать аналогичные [хотя и не одинаковые] шаги, которые можно применить для самостоятельного достижения вышеуказанного решения. См.: Дифференциальные и многокаскадные усилители (BJT). ).)
Предположим (и это чистое предположение, поскольку у нас нет фактических параметров модели), что параметры модели равны \$I_{SAT}=6\:\text{fA}\$ и \$n= 4\$. Тогда при комнатной температуре мы найдем:
$$I_D\примерно 23,96\:\text{мА}$$
Это не обязательно должно быть близко к значениям, которые дал ваш симулятор. Тем не менее, я выбрал значения параметров модели, которые были разработаны, чтобы получить что-то близкое. При этом помните, что Spice использует численные методы, а не закрытые математические решения. И также помните, что у меня просто нет хорошего представления о том, какие значения параметров модели я должен был использовать.
Но это, по крайней мере, дает представление о задействованном математическом процессе.
Spice создает матрицу и использует некоторые внутренние знания о моделях диодов, чтобы “линеаризовать” уравнение диода Шокли вокруг “текущей рабочей точки” диода. Таким образом, хотя Spice и использует уравнение Шокли, его подход сильно отличается от математического решения, которое я только что дал. Вместо этого Spice использует серию крошечных временных шагов вместе с линейными методами решения и пошаговыми корректировками линеаризованных моделей для последовательного получения ответа.
Как узнать, сколько светодиодов можно использовать при заданном напряжении
\$ V = I \cdot R\$ “штучка”, как вы это называете Закон Ома . Очень важный. Светодиоды
вызывают довольно постоянное падение напряжения, которое, как говорит Malife , в основном зависит от цвета светодиода, а также немного зависит от тока. На этой диаграмме показано, что для всех светодиодов видимого света требуется напряжение не менее 1,8 В.
Красный светодиод падает примерно на 2,2 В, так что, как вы видели, он может питаться от 3-вольтовой батареи. Для двух последовательных светодиодов требуется не менее 4,4 В, поэтому он не будет работать с батареей 3 В, но с 6 В все в порядке.
Странные три светодиода. Вы говорите, что два светятся слабо, а третий нет. Яркость светодиода определяется током, и один и тот же ток проходит через все светодиоды, поэтому все три должны светиться равномерно. Единственное объяснение, которое я могу придумать, это то, что третий может быть дефектным или это может быть ИК-светодиод. Хотя светодиод, который выходит из строя из-за слишком большого тока, обычно будет разомкнут, а не закорочен. Также закороченный светодиод не должен уменьшать яркость. Светодиоды
Теперь есть большая ошибка в схеме Malife , и это отсутствие резистора. У вас будет разница в напряжении между светодиодами и аккумулятором. Для двух светодиодов это будет около 6В – 4,4В = 1,6В. Вы должны что-то сделать с этим, если вы соедините три просто так, может протекать очень большой ток, который может разрушить ваши светодиоды. Таким образом, вы размещаете резистор, который будет обрабатывать 1,6 В. Поскольку вы знаете закон Ома, вы можете рассчитать значение резистора, если знаете, что для типичного индикаторного светодиода требуется 20 мА:
\$ R = \dfrac{V}{I} = \dfrac{6V – 2 \times 2.2V}{20 mA} = 80 \Omega \$
Для одного светодиода это будет
\$ R = \dfrac{V}{I} = \dfrac{3V – 2.2V}{20 mA} = 40 \Omega \$
Неважно, в каком порядке вы расположите светодиоды и резистор.
Если вы не использовали резистор в своих экспериментах и светодиоды не загорались, это, вероятно, потому, что батарея не может обеспечить слишком большой ток.
