|
|
|
Светоизлучающий диод (англ. light-emitting diode, LED)
|
|
|
|
|
|
|
|
> Устройство, которое представляет собой полупроводниковый прибор, способный излучать свет при пропускании через него электрического тока в прямом направлении, от анода к катоду.
|
|
|
|
|
|
|
|
##### Внешний вид
|
|
|
|
Самая распространённый вид диода состоит из полимерного корпуса с линзой, медного или алюминиевого основания, катода, параболического рефлектора (отражателя) и полупроводникового кристалла, который соединяется с анодом при помощи тонкой золотой проволоки.
|
|
|
|
|
|
|
|
{width=50%}
|
|
|
|
|
|
|
|
> В современной микроэлектронике применяются миниатюрные светодиоды для поверхностного монтажа. SMD-светодиоды могут иметь 4 вывода (2 анода и 2 катода), что обусловлено технологией их производства. Третий и четвёртый выводы могут быть электрически незадействованными, но использоваться в качестве дополнительного теплоотвода. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка или кольцевая полоска.
|
|
|
|
>> SMD светодиоды есть и на Raspberry Pi, сможете найти их?
|
|
|
|
|
|
|
|
##### Принцип работы
|
|
|
|
|
|
|
|
Принцип работы диода основывается на взаимодействии двух полупроводников, положительного и отрицательного типа (p-n-переход). P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Полупроводниковые материалы названы в честь доминирующих носителей тока в соответствующем типе материала: в n-типе доминирующими носителями тока являются электроны, которые несут отрицательный заряд, отсюда и название n-типа (negative). В p-типе доминирующими носителями являются дырки, которые несут положительный заряд — отсюда и название p (positive).
|
|
|
|
|
|
|
|
<details>
|
|
|
|
<summary> Далее... </summary>
|
|
|
|
|
|
|
|
> 🚸 Это дополнительный продвинутый материал по физике полупроводников, который не относится непосредственно к курсу. Читайте на свой страх и риск!
|
|
|
|
|
|
|
|
Зонная теория твердых тел утверждает, что валентные электроны, получившие энергию, соответствующую зоне проводимости, оставляют состояние со свободной энергией в валентной зоне. Это позволяет этому состоянию быть занятым другими электронами с энергией в зоне валентного уровня. Это явление можно описать как движение положительных носителей тока — т.е. дырок.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В полупроводнике количество электронов и дырок одинаково — каждый валентный электрон, который получает энергию из зоны проводимости, оставляет дырку в зоне проводимости. Количество электронов или дырок увеличивается при добавлении соответствующих легирующих добавок для «подпитки» одного типа носителей тока.
|
|
|
|
|
|
|
|
Если соединить p- и n-полупроводник, то в результате диффузии электроны из n-полупроводника «переходят» в p-полупроводник, а дырки в обратном направлении.
|
|
|
|
|
|
|
|
Затем в области перехода электроны и дырки с обеих сторон объединяются. Это в конечном итоге приводит к пространственному распределению заряда на переходе — с повышенной концентрацией отрицательного заряда на стороне p-полупроводника и положительного заряда на стороне n-полупроводника — противоположно типичному распределению носителей в полупроводнике. Такое пространственное распределение заряда достигает насыщенного состояния и образует барьер, препятствующий дальнейшему движению заряда
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны — спонтанное излучение, которое мы наблюдаем в виде свечения в оптическом диапазоне.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если к n-стороне полупроводника приложено отрицательное напряжение, а к p-стороне — положительное, внешнее электрическое поле заставляет электроны на n-стороне и дырки на p-стороне двигаться к барьеру. При достижении барьера электроны и дырки объединяются — электроны с энергией в диапазоне зоны проводимости переходят в диапазон энергии валентной зоны, испуская избыточную энергию в виде электромагнитного излучения. Это явление называется радиационной рекомбинацией.
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергетическое расстояние между валентной полосой и полосой проводимости называется энергетическим зазором (шириной запрещенной зоны) и обычно обозначается символом $`E_g`$. Когда электрон переходит в более низкое энергетическое состояние, он может испускать избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, или он может передать часть этой энергии кристаллической решетке путем увеличения тепловых колебаний. Полупроводники, в которых электроны практически всю свою избыточную энергию излучают в виде электромагнитного излучения, используются для изготовления светодиодов.
|
|
|
|
|
|
|
|
Электроны испускают электромагнитное излучение порциями, называемыми фотонами. Энергия фотонов зависит от частоты электромагнитного излучения. Связь между энергией фотона и частотой выражается формулой Планка:
|
|
|
|
|
|
|
|
```math
|
|
|
|
E_f = { h * \nu }
|
|
|
|
```
|
|
|
|
где $`E_f`$ — энергия фотона, $`h`$ — постоянная Планка, $`\nu`$ — частота фотона.
|
|
|
|
|
|
|
|
Когда свет испускается в результате радиационной рекомбинации, энергия фотона приблизительно равна энергии ширины запрещенной зоны $`E_g`$.
|
|
|
|
|
|
|
|
> Цвет света, который мы наблюдаем, зависит исключительно от частоты фотонов, другими словами, цвет излучение светодиода зависит от величины энергии $`E_g`$, которая определеяется материалом полупроводника и легирующими примесями. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне — от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения. Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия GaP, зеленый, синий и фиолетовый — на основе нитридов галлия GaN.
|
|
|
|
>> Помимо обычных одноцветных светодиодов бывают еще двух, и даже трехцветные. У них также один катод, а вот число анодов соответствует числу разных цветов.
|
|
|
|
|
|
|
|
</details>
|
|
|
|
|
|
|
|
##### Подключение светодиода в схему
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как диод имеет малое внутреннее сопротивление, то при подключении его напрямую к блоку питания он может либо не загореться, либо светиться слабо, либо вообще перегореть. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к батарейке или аккумулятору через схему с маломощным резистором.
|
|
|
|
|
|
|
|
{width=30%}
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция резистора — ограничение протекающего через p-n-переход тока определенным значением, не превышающим номинальное. Основными параметрами резистора является собственно сопротивление — *R* и мощность — *P*. В наших целях нужно подключать его последовательно со светодиодом, чтоб на нём упало оставшееся напряжение. Проще говоря, в разрыв между проводом питания и светодиодом. При этом не имеет значения, в какой последовательности будут подключены светодиод и резистор: сначала светодиод, а потом резистор, или наоборот.
|
|
|
|
|
|
|
|
Для того чтобы правильно включить светодиод в электрическую цепь, важно уметь определять полярность источника света. Полярность — это способность пропускать электрический ток в одном направлении. При неправильном включении светодиод может сломаться. А чтобы определить полярность, необходимо отличать катод от анода. Сделать это можно либо по технической документации, либо визуально по нескольким признакам:
|
|
|
|
|
|
|
|
- Анод светодиода имеет более длинный проводник.
|
|
|
|
- Со стороны катода корпус светодиода немного срезан.
|
|
|
|
|
|
|
|
Также вы можете узнать полярность с помощью мультиметра. Установите прибор в режим «Прозвонка», красный и черный щупы установите на выводы. Если диод светится, значит красный щуп подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не наблюдается, попробуйте поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), вероятно, диод вышел из строя. Для самых смелых есть способ нахождения плюса и минуса путём подключения к источнику напряжения, но лучше не рисковать и воспользоваться одним из умпомянутых выше вариантов :)
|
|
|
|
|
|
|
|
> На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер.
|
|
|
|
|
|
|
|
> {width=50%}
|
|
|
|
|
|
|
|
##### Расчет номинала резистора для цепи
|
|
|
|
|
|
|
|
Если мы взглянем на вольт-амперную характеристику светодиода (зависимость тока от напряжения при прямом и обратном включениях), то заметим, как важно не ошибиться при выборе номинала резистора. Как видно, чем выше напряжение, тем выше значение тока (и тем выше яркость, но даже небольшой рост номинального тока приведёт к перегреву кристалла и, как следствие, к снижению рабочего ресурса. Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания $`U_{max}`$ и $`U_{max}^{обр}`$ (соответственно для прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания $`U_{нач}`$, при котором начинает наблюдаться свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между $`U_{нач}`$ и $`U_{max}`$ называется "рабочей" зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как же выбрать резистор, чтобы светодиод не сгорел? Нужно определить сопротивление резистора *R* по формуле
|
|
|
|
|
|
|
|
```math
|
|
|
|
R = { U_{питания} - U_{паспорт} \over I_{ном.} }
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
|
|
U<sub>питания</sub> – напряжение электропитания (питание источника), В
|
|
|
|
|
|
|
|
U<sub>паспорт.</sub> – падение напряжения, паспортное значение напряжения для светодиода, В
|
|
|
|
|
|
|
|
I<sub>ном.</sub> – номинальный ток, А.
|
|
|
|
|
|
|
|
Для ярких светодиодов (малой мощности), напряжение падения в среднем составляет 2,5 — 3,1 В, а рабочий ток — 10-15 мА (миллиампер). Допустим, что напряжение питания равно 14 В, U<sub>паспорт.</sub> ~ 3 В, I<sub>ном.</sub> = 10 мА. Значит, на резисторе оставшееся падение напряжение должно составлять
|
|
|
|
|
|
|
|
```math
|
|
|
|
U_{питания} - U_{паспорт}= {14В - 3В} = {11 В}.
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда сопротивление
|
|
|
|
|
|
|
|
$$
|
|
|
|
R = {11 В \over 0.01 А} = 1100 Ом.
|
|
|
|
$$
|
|
|
|
|
|
|
|
Значит, для данного светодиода нужно добавить в цепь резистор с сопротивлением минимум 1.1 кОм. Если сопротивление будет меньше, то ток будет больше, а нам этого не нужно. Но если мы захотим купить резистор, то нас в первую очередб спросят про то, какой мощности нужен резистора. Почему? При малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя, что приведет к разрыву электрической цепи. Так что подставим в известную формулу напряжение падения на резисторе 11В и ток 0,01А и найдем мощность:
|
|
|
|
|
|
|
|
$$
|
|
|
|
P = {U * I} = {11 В * 0.01 А} = {0.11 Вт}
|
|
|
|
$$
|
|
|
|
|
|
|
|
По данной величине нужно определить ближайшее значение стандартных мощностей резисторов (с уклоном в большую сторону, с запасом) — получится 0.125 Вт. Вот теперь мы действительно готовы к сборке цепи! |
