Historie vývoje LED se táhne již 100 let. Na počátku 1907. století byl popsán fenomén emise světla z materiálů pod vlivem elektrických polí a efekt byl nazván „fotoluminiscence“. Zcela náhodou objevil britský radiotechnik kapitán Henry Joseph Round prototyp moderní LED. Round o tomto zajímavém efektu hovořil v roce 1923 ve své poznámce, kde popsal pouze efekt žluté záře ze samotné bipolární struktury. V roce XNUMX sovětský vědec Oleg Vladimirovič Losev podrobně studoval detektor karbidu křemíku a byl schopen vyfotografovat záři vyzařovanou detektorem obsahujícím náhodně generovaný pn přechod.
Pokrok ve výzkumu a výrobě LED následoval v 60. a 70. letech. minulého století s vývojem nových materiálů pro červené, žluté, oranžové a zelené LED. V roce 1960 byly vytvořeny první LED (světlo emitující diody) a lasery v blízké infračervené oblasti založené na GaAs. Paralelně s tím se objevily fotodetektory na bázi polovodičů. První modrozelená LED se strukturou kov-izolátor-polovodič (MIS) byla vytvořena Jacquesem Pankovem (Jakov Isajevič Pančenkov) a spoluautory v roce 1971. Tyto LED diody byly vyrobeny epitaxní depozicí nitridu galia, který má elektronickou vodivost, na safírový substrát, načež byla nanesena izolační vrstva nitridu gallium s příměsí zinku.
Moderní LED diody jsou dostupné ve velmi široké škále barev, včetně IR a UV rozsahů. Mohou být buď jednobarevné, nebo vícebarevné (když je v jednom případě soustředěno několik krystalů různých barev), například RGB. LED se vyznačují elektrickými a světelnými parametry. Elektrické charakteristiky: propustný proud, pokles napětí v propustném směru, maximální zpětné napětí, maximální ztrátový výkon, charakteristika proud-napětí. Parametry světla: světelný tok, intenzita světla, úhel rozptylu, barva (nebo vlnová délka), teplota barvy, světelná účinnost.
Typy LED diod
Технические характеристики
Dopředný jmenovitý proud – provozní proud při kterém bude LED normálně fungovat a pn-přechod se neporuší a nebude se přehřívat.Hodnota jmenovitého propustného proudu závisí na velikosti krystalu, typu polovodiče, barvě záře.
Dopředné napětí – úbytek napětí na pn-přechodu LED při provozním proudu Z hodnoty napětí lze určit chemické složení polovodiče.
- červená (fosfid galia) – od 1,63 do 2,03 V
- oranžová (fosfid galia) – od 2,03 do 2,1 V;
- žlutá (fosfid galia) – od 2,1 do 2,18 V;
- zelená (fosfid galia) – od 1,9 do 4 V;
- modrá (selenid zinečnatý) – od 2,48 do 3,7 V;
- fialová (nitrid indium gallium) – od 2,76 do 4 V.
Maximální zpětné napětí LED je napětí s obrácenou polaritou, při kterém se krystal rozbije a LED selže.
Maximální ztrátový výkon – výkon, který je schopno rozptýlit pouzdro LED v provozním režimu.
Síla světla kvantitativně odráží intenzitu světelného toku v určitém směru a udává se v milikandelách.Čím menší je úhel rozptylu, tím větší je svítivost LED.
Pod světelným tokem Jeden lumen je světelný tok vyzařovaný bodovým izotropním zdrojem o svítivosti rovné jedné kandele do prostorového úhlu jednoho steradiánu.
Vlnová délka měřeno v nanometrech a charakterizuje barvu světla vyzařovaného LED. Závisí na chemickém složení polovodičového krystalu, například:
- červená – od 610 nm do 760 nm;
- oranžová – od 590 do 610 nm;
- žlutá – od 570 do 590 nm;
- zelená – od 500 do 570 nm;
- modrá – od 450 do 500 nm;
- fialová – od 400 do 450 nm.
Úhel rozptylu LED se měří ve stupních.
Vzorec pro výpočet odporu omezujícího proud pro LED
Pro omezení propustného proudu přes LED je v obvodu zahrnut odpor. Požadovanou hodnotu zjistíme z poměru:
Nejsprávnější zapojení několika LED je v sérii. Nyní vysvětlím proč.
Faktem je, že určujícím parametrem jakékoli LED je její provozní proud. Je to proud procházející LED, který určuje, jaký bude výkon (a tedy jas) LED. Právě překročení maximálního proudu vede k nadměrnému zvýšení teploty krystalu a selhání LED – rychlému vyhoření nebo postupné nevratné destrukci (degradaci).
Hlavní je proud. Je to uvedeno v technických charakteristikách LED (datasheet). A v závislosti na proudu bude mít LED jedno nebo druhé napětí. Napětí lze nalézt i v referenčních údajích, ale většinou se uvádí ve formě určitého rozsahu, protože je podružné.
Podívejme se například na datový list LED 2835:
Jak vidíte, dopředný proud je jasně a jednoznačně indikován – 180 mA. Ale napájecí napětí LED při tomto proudu má určité rozdíly – od 2.9 do 3.3 voltů.
Ukazuje se, že pro nastavení požadovaného provozního režimu LED je nutné zajistit, aby jí protékal určitý proud. Proto k napájení LED diod musíte použít zdroj proudu, nikoli zdroj napětí.
Zdroj proudu (nebo generátor proudu) je zdroj elektrické energie, který udržuje konstantní proud zátěží změnou napětí na svém výstupu. Pokud se například zvýší odpor zátěže, zdroj proudu automaticky zvýší napětí, takže proud zátěží zůstane nezměněn a naopak. Zdroje proudu, které napájejí LED diody, se také nazývají ovladače.
Samozřejmě můžete k LED připojit stabilizovaný zdroj napětí (například výstup laboratorního zdroje), ale pak musíte přesně vědět, jakou hodnotu má napětí mít, abyste získali daný proud LED.
Například v našem příkladu s LED 2835 bychom na ni mohli aplikovat asi 2.5 V a postupně zvyšovat napětí, dokud se proud nestane optimálním (150-180 mA).
To lze provést, ale v tomto případě budete muset upravit výstupní napětí napájecího zdroje pro každou konkrétní LED, protože všechny mají technologické odchylky v parametrech. Pokud vám připojením k jedné LED 3.1V přicházel max. proud 180 mA, neznamená to, že výměnou LED za úplně stejnou ze stejné šarže ji nespálíte (protože proud přes ní při napětí 3.1V může snadno překročit maximální přípustnou hodnotu).
Kromě toho je nutné velmi přesně udržovat napětí na výstupu napájecího zdroje, což klade určité požadavky na jeho obvody. Překročení specifikovaného napětí o pouhých 10% je téměř zaručeno, že povede k přehřátí a selhání LED, protože proud překročí všechny představitelné hodnoty.
Zde je skvělá ilustrace výše uvedeného:
A nejnepříjemnější věc je, že vodivost jakékoli LED (což je v podstatě pn přechod) je velmi závislá na teplotě. V praxi to vede k tomu, že jak se LED zahřeje, začne proud skrz ni neúprosně narůstat. Chcete-li vrátit proud na požadovanou hodnotu, budete muset snížit napětí. Obecně platí, že bez ohledu na to, jak se na to díváte, se bez současné kontroly neobejdete.
Nejsprávnějším a nejjednodušším řešením by proto bylo použít k připojení LED proudový ovladač (aka zdroj proudu). A pak bude úplně jedno, jakou LEDku vezmeš a jaké na ní bude propustné napětí. Stačí najít ovladač pro požadovaný proud a je hotovo.
Nyní se vraťme k hlavní otázce článku – proč je zde sériové připojení a ne paralelní? Podívejme se, jaký je v tom rozdíl.
Paralelní připojení
Když jsou LED zapojeny paralelně, napětí na nich bude stejné. A protože neexistují dvě diody s naprosto identickými vlastnostmi, bude pozorován následující obrázek: přes nějakou LED poteče proud pod jmenovitou (a světlo bude tak tak), ale sousední LED poteče proud dvakrát vyšší než maximum a vyhoří za půl hodiny (nebo možná rychleji, pokud budete mít štěstí).
Je zřejmé, že takovému nerovnoměrnému rozdělení moci je třeba zabránit.
Aby se výrazně vyrovnalo rozšíření výkonnostních charakteristik LED, je lepší je připojit přes omezovací odpory. V tomto případě může být napájecí napětí výrazně vyšší než stejnosměrné napětí na LED. Jak připojit LED ke zdroji napájení je znázorněno na obrázku:
Problém tohoto zapojení LED je v tom, že čím větší je rozdíl mezi napájecím napětím a napětím na diodách, tím více zbytečné energie se rozptýlí v omezovacích rezistorech a tím pádem se snižuje účinnost celého obvodu.
Omezení proudu probíhá podle jednoduchého schématu: zvýšení proudu LED vede ke zvýšení proudu také rezistorem (protože jsou zapojeny do série). Pokles napětí na rezistoru se zvyšuje a na LED se odpovídajícím způsobem snižuje (protože celkové napětí je konstantní). Snížení napětí na LED automaticky vede k poklesu proudu. Tak to celé funguje.
Obecně se odpor rezistorů počítá pomocí Ohmova zákona. Podívejme se na konkrétní příklad. Řekněme, že máme LED se jmenovitým proudem 70 mA, provozní napětí při tomto proudu je 3.6 V (to vše přebíráme z datasheetu k LED). A musíme to připojit na 12 voltů. To znamená, že musíme vypočítat odpor rezistoru:
Ukazuje se, že pro napájení LED z 12 voltů ji musíte připojit přes 1-wattový odpor 120 ohmů.
Přesně stejným způsobem můžete vypočítat, jaký by měl být odpor rezistoru pro jakékoli napětí. Například pro připojení LED na 5 voltů musí být odpor odporu snížen na 24 ohmů.
Hodnoty rezistorů pro jiné proudy lze převzít z tabulky (výpočet byl proveden pro LED s stejnosměrným napětím 3.3 voltu):
| UPete | ILED | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 мА | 10 мА | 20 мА | 30 мА | 50 мА | 70 мА | 100 мА | 200 мА | 300 мА | |
| 5 Volt | 340 Ohm | 170 Ohm | 85 Ohm | 57 Ohm | 34 Ohm | 24 Ohm | 17 Ohm | 8.5 Ohm | 5.7 Ohm |
| 12 Volt | 1.74 kΩ | 870 Ohm | 435 Ohm | 290 Ohm | 174 Ohm | 124 Ohm | 87 Ohm | 43 Ohm | 29 Ohm |
| 24 voltů | 4.14 kΩ | 2.07 kΩ | 1.06 kΩ | 690 Ohm | 414 Ohm | 296 Ohm | 207 Ohm | 103 Ohm | 69 Ohm |
Při připojení LED na střídavé napětí (například do sítě 220 voltů) můžete zvýšit účinnost zařízení použitím nepolárního kondenzátoru (reaktance) namísto předřadného odporu (aktivní odpor). Tento bod jsme podrobně a s konkrétními příklady probrali v článku o připojení LED na 220 V.
Sériové připojení
Když jsou LED zapojeny do série, protéká jimi stejný proud. Na počtu LED nezáleží, může to být jen jedna LED, nebo to může být 20 nebo dokonce 100 kusů.
Například můžeme vzít jednu 2835 LED a připojit ji k 180mA driveru a LED bude fungovat normálně a bude dodávat svůj maximální výkon. Nebo můžeme vzít girlandu z 10 stejných LED a pak bude každá LED fungovat i v normálním pasovém režimu (ale celkový výkon lampy bude samozřejmě 10x větší).
Níže jsou dva spínací obvody LED, věnujte pozornost rozdílu napětí na výstupu ovladače:
Takže na otázku, jak by měly být LED zapojeny, sériově nebo paralelně, může být pouze jedna správná odpověď – samozřejmě sériová!
Počet LED zapojených do série je omezen pouze možnostmi samotného ovladače.
Perfektní řidič může neurčitě zvýšit napětí na jeho výstupu, aby zajistil požadovaný proud zátěží, takže k němu lze připojit nekonečné množství LED. Skutečná zařízení bohužel mají omezení napětí nejen shora, ale i zdola.
Zde je příklad hotového zařízení:
Vidíme, že ovladač je schopen regulovat výstupní napětí pouze v rozsahu 64 voltů. Pokud pro udržení daného proudu (106 mA) potřebujete zvýšit napětí nad 350 voltů, pak je to průšvih. Ovladač vydá své maximum (106V) a na tom již nezávisí, jaký bude proud.
A naopak k takovému ovladači LED nemůžete připojit příliš málo LED. Pokud k němu například připojíte řetězec 10 LED zapojených do série, ovladač nebude schopen snížit své výstupní napětí na požadovaných 32-36V. A všech deset LED s největší pravděpodobností jen shoří.
Přítomnost minimálního napětí se vysvětluje (v závislosti na provedení obvodu) omezením výkonu výstupního regulačního prvku nebo překročením omezujících generačních režimů pulsního měniče.
Samozřejmě, ovladače mohou být pro jakékoli vstupní napětí, ne nutně 220 voltů. Zde je například ovladač, který převede libovolný zdroj trvalý napětí (napájení) od 6 do 20 voltů do zdroje proudu 3 A:
To je vše. Nyní víte, jak zapnout LED (jednu nebo více) – buď přes odpor omezující proud, nebo pomocí ovladače pro nastavení proudu.
Jak vybrat správný ovladač?
Vše je zde velmi jednoduché. Stačí si vybrat podle tří parametrů:
- výstupní proud;
- maximální výstupní napětí;
- minimální výstupní napětí.
Výstupní (provozní) proud ovladače LED – to je nejdůležitější vlastnost. Proud by se měl rovnat optimálnímu proudu pro LED.
Například jsme měli k dispozici 10 kusů plnospektrálních LED pro fytolampu:
Jmenovitý proud těchto diod je 700 mA (převzato z referenční knihy). Proto potřebujeme 700 mA proudový ovladač. No, nebo o něco méně, aby se prodloužila životnost LED diod.
Maximální výstupní napětí ovladače musí být větší než celkové dopředné napětí všech LED. U našich phytoLED je dopředné napětí v rozsahu 3 voltů. Vezmeme to na maximum: 4V x 4 = 10V. Náš ovladač musí mít výstupní napětí alespoň 40 voltů.
Minimální napětí, podle toho se vypočítá na základě minimální hodnoty propustného napětí na LED. To znamená, že by nemělo být větší než 3V x 10 = 30 voltů. Jinými slovy, náš ovladač musí být schopen snížit výstupní napětí na 30 voltů (nebo nižší).
Potřebujeme tedy vybrat budicí obvod navržený pro proud 650 mA (nechť je o něco menší než jmenovitý) a schopný vydávat napětí v rozsahu od 30 do 40 voltů podle potřeby.
Pro naše účely tedy bude fungovat něco takového:
Samozřejmě při výběru driveru lze rozsah napětí vždy rozšířit libovolným směrem. Například místo driveru s výstupem 30-40 V je perfektní ten, který produkuje od 20 do 70 Voltů.
Příklady ovladačů, které jsou ideálně kompatibilní s různými typy LED, jsou uvedeny v tabulce:
| LED diody | Jaký ovladač je potřeba |
|---|---|
| 60 mA, 0.2 W (SMD 5050, 2835) | viz diagram na TL431 |
| 150 mA, 0.5 W (SMD 2835, 5630, 5730) | ovladač 150mA, 9-34V (lze současně připojit 3 až 10 LED) |
| 300 mA, 1 W (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) | ovladače 300mA, 3-64V (pro 1-24 LED zapojených v sérii) |
| 700 mA, 3 W (LED 3W, fyto-LED) | ovladač 700mA (pro 6-10 LED) |
| 3000 mA, 10 wattů (XML2 T6) | budič 3A, 21-34V (pro 7-10 LED) nebo viz schéma |
Mimochodem, pro správné zapojení LED není vůbec nutné kupovat hotový ovladač, stačí vzít nějaký vhodný zdroj (například nabíječku na telefon) a na jeden našroubovat jednoduchý stabilizátor proudu tranzistor nebo na LM317.
