Схема светодиодов - LED circuit

Принципиальная схема простого светодиода (светоизлучающего диода)

В электронике , схема СИД или светодиодный драйвер является электрическая схема используется для питания светоизлучающий диод (LED). Схема должна обеспечивать достаточный ток, чтобы зажечь светодиод с требуемой яркостью, но должна ограничивать ток, чтобы предотвратить повреждение светодиода. Падение напряжения через светодиод примерно постоянна в широком диапазоне рабочего тока; поэтому небольшое увеличение приложенного напряжения значительно увеличивает ток. Для индикаторных светодиодов малой мощности используются очень простые схемы. Более сложные схемы источника тока требуются при включении мощных светодиодов для освещения для достижения правильного регулирования тока.

Базовая схема

Самая простая схема для 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.

У светодиода падение напряжения указано при предполагаемом рабочем токе. Закон Ома и законы схемы Кирхгофа используются для расчета соответствующего номинала резистора путем вычитания падения напряжения светодиода из напряжения питания и деления на желаемый рабочий ток. При достаточно высоком напряжении питания несколько светодиодов, включенных последовательно, могут получать питание от одного резистора.

Если напряжение питания близко или равно прямому напряжению светодиода, то разумное значение для резистора не может быть рассчитано, поэтому используется другой метод ограничения тока.

Рекомендации по источникам питания

Вольт-амперные характеристики светодиода аналогичны характеристикам любого диода . В соответствии с уравнением диода Шокли ток приблизительно экспоненциально зависит от напряжения , и небольшое изменение напряжения может привести к большому изменению тока. Если напряжение ниже или равно пороговому значению, ток не течет, и в результате светодиод не горит. Если напряжение слишком высокое, ток превысит максимальный номинал, что приведет к перегреву и потенциально разрушению светодиода.

По мере нагрева светодиода падение напряжения на нем уменьшается (уменьшается ширина запрещенной зоны). Это может способствовать увеличению тока.

Драйверы MOSFET

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

Активный стабилизатор постоянного тока обычно используется для светодиодов высокой мощности, стабилизируя световой поток в широком диапазоне входных напряжений, что может увеличить срок службы батарей. Активный постоянный ток обычно регулируется с помощью MOSFET режима истощения ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который является простейшим ограничителем тока. Стабилизаторы постоянного тока с малым падением напряжения (LDO) также позволяют общему напряжению светодиода быть более высокой долей напряжения источника питания.

Импульсные блоки питания 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. Микросхемы силовых интегральных схем (ИС), такие как Supertex HV9910B, широко используются для непосредственного управления полевыми МОП-транзисторами без необходимости в дополнительных схемах. Эти микросхемы Supertex IC на основе полевых МОП-транзисторов являются наиболее распространенными светодиодными драйверами для твердотельного освещения со светодиодными лампами. В 2008 году они использовались для управления твердотельным освещением в Пекинском национальном центре водных видов спорта во время летних Олимпийских игр 2008 года .

Последовательный резистор

Последовательные резисторы - это простой способ стабилизировать ток светодиода, но энергия теряется в резисторе.

Миниатюрные индикаторные светодиоды обычно питаются от постоянного тока низкого напряжения через токоограничивающий резистор. Обычны токи 2 мА, 10 мА и 20 мА. Индикаторы Sub-mA могут быть получены путем включения сверхярких светодиодов при очень низком токе. КПД имеет тенденцию к снижению при низких токах, но индикаторы, работающие на 100 мкА, все еще практичны.

В светодиодных лампах типа брелка с питанием от монетных элементов сопротивление элемента обычно является единственным устройством ограничения тока.

Доступны светодиоды со встроенными последовательными резисторами. Это может сэкономить место на печатной плате и особенно полезно при создании прототипов или установке печатной платы способом, отличным от задуманного разработчиками. Однако номинал резистора устанавливается во время изготовления, что устраняет один из ключевых методов настройки яркости светодиода.

Значение последовательного сопротивления может быть получено из закона Ома , учитывая, что напряжение питания смещено падением напряжения на диоде, которое мало меняется в диапазоне полезных токов:

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

где:

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

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

${\ displaystyle V_ {led}}$- это прямое падение напряжения на светодиодах в вольтах, как показано в технических описаниях светодиодов. Обычно прямое напряжение светодиода составляет от 1,8 до 3,3 В. Он зависит от цвета светодиода. Красный светодиод обычно падает примерно от 1,7 до 2,0 вольт, но поскольку падение напряжения и частота света увеличиваются с увеличением ширины запрещенной зоны , синий светодиод может упасть примерно от 3 до 3,3 вольт.${\ displaystyle V_ {f}}$

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

${\ displaystyle I_ {led}}$- желаемый ток светодиода в амперах . Максимальный ток указан в технических характеристиках светодиодов, например, 20 мА (0,020 А) является обычным для многих небольших светодиодов. Во многих схемах светодиоды работают с током, меньшим рекомендованного максимального значения, для экономии энергии, для разрешения использования резистора стандартного номинала или для уменьшения яркости.

Светодиодные матрицы

Схема последовательных светодиодов

Схема параллельного включения светодиодов

Гирлянды из нескольких светодиодов обычно подключаются последовательно . В одной конфигурации напряжение источника должно быть больше или равно сумме напряжений отдельных светодиодов; Обычно напряжения на светодиодах составляют около двух третей напряжения питания. Для каждой цепочки можно использовать один токоограничивающий резистор.

Параллельная работа также возможна, но может быть более проблематичной. Параллельные светодиоды должны иметь близко согласованное прямое напряжение ( V _f ), чтобы иметь аналогичные токи ответвления и, следовательно, аналогичный световой поток. Изменения в производственном процессе могут затруднить получение удовлетворительной работы при параллельном подключении некоторых типов светодиодов.

Светодиодный дисплей

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

Прямой привод - это самый простой для понимания подход - он использует множество независимых однолинейных (или однорядных) схем. Например, человек может разработать цифровые часы так , чтобы, когда часы отображали «12:34» на семисегментном индикаторе , часы включали соответствующие сегменты напрямую 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 имеют более низкие чистые затраты на оборудование. Например, большинство людей, разрабатывающих цифровые часы, проектируют их так, что, когда часы показывают «12:34» на семисегментном дисплее , в любой момент они включают соответствующие сегменты одной из цифр - все остальные цифры. темные. Часы сканируют цифры достаточно быстро, чтобы создать иллюзию, что они «постоянно» отображают «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 метод Charlieplexing, в котором способность некоторых микроконтроллеров переключать свои выходные контакты в три состояния 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 восходит к концу 1960-х годов. В 1969 году Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP модели 5082-7000, один из первых светодиодных дисплеев и первое светодиодное устройство, в котором использовалась технология интегральных схем. Его разработкой руководили Говард С. Борден и Джеральд П. Пигини из HP Associates и HP Labs , которые в период с 1962 по 1968 годы занимались исследованиями и разработками (НИОКР) практических светодиодов. революция в технологии цифровых дисплеев , заменив лампу Никси и став основой для более поздних светодиодных дисплеев.

Полярность

В отличие от ламп накаливания , которые светятся независимо от электрической полярности , светодиоды будут гореть только с правильной электрической полярностью. Когда напряжение на pn переходе имеет правильное направление, протекает значительный ток и устройство считается смещенным в прямом направлении . Если напряжение неправильной полярности, устройство считается смещенным в обратном направлении , ток течет очень мало и свет не излучается. Светодиоды могут работать от переменного напряжения, но они будут гореть только при положительном напряжении, заставляя светодиод включаться и выключаться с частотой переменного тока.

Большинство светодиодов имеют низкое номинальное напряжение обратного пробоя , поэтому они также будут повреждены приложенным обратным напряжением выше этого порога. Причина повреждения - перегрузка по току в результате пробоя диода, а не само напряжение. Светодиоды, питаемые непосредственно от источника переменного тока, напряжение которого превышает обратное напряжение пробоя, можно защитить путем размещения диода (или другого светодиода) в обратной параллели .

Производитель обычно советует, как определить полярность светодиода в техническом описании продукта. Однако нет стандартизации маркировки полярности для устройств поверхностного монтажа .

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, он будет гореть постоянно. Изменение отношения включения / выключения импульсов известно как широтно-импульсная модуляция . В некоторых случаях драйверы на основе ШИМ более эффективны, чем драйверы постоянного тока или постоянного напряжения.

В большинстве технических паспортов светодиодов указан максимальный постоянный ток, безопасный для непрерывной работы. Часто они указывают более высокий максимальный импульсный ток, который безопасен для коротких импульсов, пока контроллер светодиодов поддерживает достаточно короткий импульс, а затем отключает питание светодиода на время, достаточное для охлаждения светодиода.

Светодиод как датчик света

Мобильный телефон IrDA

Помимо излучения, светодиод может использоваться в качестве фотодиода при обнаружении света . Эта возможность может использоваться в различных приложениях, включая обнаружение окружающего света и двунаправленную связь.

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

Эта реализация светодиодов может быть добавлена ​​в конструкции только с небольшими изменениями в схемах. Светодиод может быть объединен в такую ​​схему, так что он может использоваться как для излучения света, так и для восприятия в разное время.

Смотрите также

• Вор Джоуля - питание светодиода от батареи 1,5 В и схемы повышения напряжения
• Соотношение Планка – Эйнштейна - связь между шириной запрещенной зоны и частотой фотонов
• Уравнение диода Шокли - связь между прямым напряжением и током

Рекомендации