Светодиодите….

1. Теория

Светодиодът е оптоелектронен полупроводников елемент – диод, изграден от токоносители, които биват два вида – отрицателни и положителни, които образуват ( p-n ) преход. При протичане на ток в права посока те излъчват некохерентна светлина поради инжекция на неосновни токоносители, която е тясно съсредоточена в определен спектър. Най-просто казано светодиода е вид диод излъчващ светлина. Той може да съдържа един или съответно няколко кристали, които излъчват светлина. Те се намират в корпус с леща, който е един на брой. Самата леща създава свой светлинен поток.

Цветът, който излъчва светодиода се определя главно от две неща. Едното е какъв точно е състава на полупроводника. Друг фактор, който оказва влияние върху цвета на светлината на светодиода са допълнителните химични елементи – легиращи примеси. Дължината на вълната се посочва в “nm”. Характерно за светодиодите е, че те не са монохромни.

Изобретателят на светодиода е Ник Холоняк (1962) и първоначално ветодиодите се разработват само с червени или инфрачервени прибори. Те са били направени от GaAs. Постиженията в научния свят не подминаха и светодиодите. Днес се произвеждат прибори, които имат по-къс диапазон на спектъра. Той може да емитира светлина, която да е с различни цветове.

Конвенционалните светодиоди се изработват от разнообразни полупроводникови материали, които се произвеждат в много различни цветове.

2. Основни характеристики на светодиодите

Светодиодите имат няколко отличителни характеристики. Ето какви точно са те:

1. Максимална разсейваща мощност. Това буквално означава каква може да е максималната разсейваща мощност, която може да понесе светодиода без това да се отрази на неговата работа или да доведе до повредата му. Тя се определя основно от вида и от какви материали са били използвани при изработката на светодиода, но също така и от самата конструкция. Максималната разсейваща мощност се посочва в миливатове и се означава с mW. Днес вече се произвеждат много различни светодиоди с голяма разсейваща мощност.

2. Светлинна интензивност. Между максималната разсейваща мощност на светодиода и неговата светлинна интензивност има пряка връзка. Тя също зависи от вида и от какви материали е изработен светодиода, но също така и от вида на лещата. Измерва се в миликандели и се означава с mcd.

3. Максимален силов поток в една права посока. Това означава буквално колко силен ток може да премине през прехода на светодиода, без това да се отрази на правилната му работа или да доведе до повреда. Освен това е важно да знаем какво е максималното време за предаването на този ток. Най-често ще го видите посочено като продължителност или интервал на повторение, а също така като цикличност. Означава се mA или милиапери. Обикновеният потребител най-често не се интересува от тази характеристика на светодиода, тъй като тя е важна само при по-специфичните приложения.

4. Максимален продължителен ток в права посока. Това означава, какъв е максималният ток, който може да премине през прехода на светодиода, без той да се повреди или пък това да попречи на нормалната му работа. Измерва се в милиампери и се означава с mA.

5. Напрежение в права посока. Това означава каква е силата на напрежението, което се отлага върху прехода да самия светодиод в следствие на преминаване на ток през него в права посока. Трябва да запомните, че обикновено този ток е по-малък в сравнение с максималния силов ток в права посока. Ако искате да използвате него, то неговата стойност задължително трябва да е малко по-висока. Напрежението в права посока се измерва във волтове (V).

Разбира се светодиодите имат и други характеристики, но от най-голямо значение са само тези, които имат полза от практическа гледна точка. Важно е да отбележим, че е погрешно да се сравняват светодиодите с обикновени крушки. Например израза включих светодиод на 3V е грешен, тъй като той свети, когато през него преминава ток, а не от самото напрежение на тока. Силата на светлината зависи от тока, а не от напрежението. Ето един пример, за да разберете по-ясно. Ако към светодиод с максимално напрежение в права посока 3V се включи към източник, който е с напрежение от 3,5V без някакъв токоограничаващ елемент, то той много скоро ще изгори, въпреки че разликата между реалното напрежение и допустимото максимално е малка – само 0,5 V. Причините за това ще се опитаме да обясним малко по-нататък.

Сигурно на много от Вас ви е ясно, че съществува зависимост между тока и напрежението, които преминават през елемент и те съответно се разделят на две групи – нелинейни и линейни. Най-лесният пример за линеен елемент е резисторът. Изменението на токът, който преминава през резистора винаги води до еднакво и пропорционално изменение на самото отлагано напрежение през елемента. Обратното също важи, а именно колкото е по-високо напрежението, което се прилага върху елемента, то толкова е и по-висок токът, който протича през резистора.

Но тук е важно да отбележим, че светодиодите не са линейни елементи, тоест те са нелинейни. При него дори малките изменения в напрежението, водят до значително увеличаване на големината на тока, който протича през прехода на светодиода. Тук е в сила и обратната зависимост, тоест високите изменения в големината на тока не оказват почти никакво влияние на самото напрежение. Това е причината при включване на светодиод да се регулира големината на тока, който преминава през прехода му, а не напрежението. Както споменахме по-горе – тук е важен само токът! Важно е да се отбележи, че напрежението, което преминава в права посока, трябва да е по-голямо от параметъра “напрежение в права посока”, за да може да има въобще някакъв ток.

Друга всеобща заблуда е, че с промяната на тока в светодиод може да се регулира силата му на светене. Тук ще отбележим, че все пак зависимост между тока и силата на светлина на светодиода има, но тя не е линейна. Това е невъзможно особено в областите около самата максимална стойност на токът, който преминава в права посока. Ако стойностите на тока са по-малки е възможно да се извърши някакво регулиране, но и дори и да се получи то ще е минимално. А и всяка промяна на тока, различна от номиналната указана от производителя, неминуемо води и до промяна на дължината на вълната на излъчваната светлина в известни граници. При светодиодите с видима светлина това не е от такова значение, но за инфрачервените прибори ползвани в комуникационната и цифрова техника може да е критично. Ако светодиодът бъде пуснат в обратна посока през него не протича никакъв ток, но поради параметъра максимално напрежение в обратна посока и съответно превишаването му ще се случи повреда.

3. Приложение

За да включим светодиод и работата му да е безопасна е важно да бъде добавен елемент, който да ограничава токът, който протича през веригата, тоест неговите стойности да не превишават максималните допустими. Най-елементарното и простичко ограничаване можем отново да видим в резисторите. Стойността се изчислява с формулата на закон Ом : I=U/R или в обратна посока : R=U/I. Както виждате в следната формула участват напрежението в права посока и максималната продължителност на тока в права посока. Резисторът трябва да бъде съобразен и с мощността (топлината), която ще разсее – P=I² . R или P=U²/R

За да си гарантирате защита от евентуална повреда на светодиода е добре да се презастраховате, а именно да изчислите стойността на съпротивлението и да намалите самата стойност на максималната продължителност на тока в права посока с около десет процента. При вариране на напрежението на източника, който захранва се използват максималните му стойности.

Ако искате да включите над един светодиод е важно да запомните, че свързването между тях може да бъде по два начина:

• последователно;

• паралелно;

Ако искаме да свържем например 4 светодиода ще ни е нужно повече напрежение, което да ги захранва. Ето защо, ако свързваме светодиоди към 12 волтова инсталация на автомобилен превоз, оптималният брой светодиоди при свързване, което е последователно е 3-4. Броят им зависи и от напрежението в права посока. Това е главната причина да се използва паралелно свързване, ако имаме нужда да свържем повече светодиоди към ниско напрежение. Долу ще видите две схеми.

На лявата схема може да видите какво означава паралелно свързване. То обаче е забранено, ако светодиодите работят със стойност, която е близка до максимално допустимата. Причината за това е, че няма никаква гаранция, че всички светодиоди ще са с едни и същи параметри. Ако използваме такова свързване, нямаме никаква гаранция, че токът ще бъде разпределен поравно между клоновете на веригата. По този начин при някои от светодиодите, които са свързани към веригата може да се получи изгаряне. Това от своя страна ще доведе до лавинообразен процес, който от своя страна ще доведе до изгарянето на другите светодиоди.

На дясната схема може да видите максималното допустимо паралелно свързване. При него всичко е еднакво с другата схема, но тук всеки от светодиодите си има свой резистор, който служи за ограничаване на тока, който преминава през тях.

Когато се използват резистори, които да ограничават тока на светодиодите винаги се получава разсейване на мощността, която в случая се явява загуба. Съответно колкото е по-голямо това разсейване, то толкова е по-голяма и загубата. Ето защо, ако сте решили да изберете паралелно свързване е важно да изберете светодиоди с по-ниска стойност.

Употребата на резистори, които да ограничават силата на тока, която да преминава през светодиодите се използва само, когато те се захранват със стабилно напрежение.

Ако обаче е необходимо те да работят в много голям обхват, тоест с различно изменение на захранване, се използва така наречения генератор на ток. Той се нарича още токов ограничител. Най-лесно може да се направи токов ограничител с помощта на два транзистора, но също така с почти всеки интегрален три-изводен стабилизатор свързан по съответната схема.

Има и други решения за ограничаване на тока, но те не са толкова икономични като двата горепосочени начина, затова няма да се спираме на тях.

Всички схеми, които описахме до тук са решения за захранване на светодиоди с ток, който е постоянен. Ако обаче ни е нужна максималната енергия, на която могат да работят светодиодите, те се включват към така наречения импулсен режим. Освен това при импулсово захранване може плавно да се регулира силата на светлинната енергия чрез употребата на ШИМ.