LED (аббревиатура от англ. Light-Emitting Diode, электролюминесцентный диод, также световой диод, светодиод) — обозначение в электротехнике диода, излучающего свет, возможно инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, отличающееся от стандартного диода.
Существует множество светодиодов различных форм, размеров, мощностей. Однако любой светодиод — это всегда полупроводниковый прибор, в основе которого - прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении, вызывающее оптическое излучение (видимый свет).
Принципиально все светодиоды характеризуются рядом конкретных технических характеристик, электрических и световых, о которых мы и поговорим далее. Данные характеристики вы сможете найти в даташите (в технической документации) на светодиод.
Электрические характеристики — это: прямой ток, прямое падение напряжения, максимальное обратное напряжение, максимальная рассеиваемая мощность, вольт-амперная характеристика.
Световые параметры — это: световой поток, сила света, угол рассеяния, цвет (или длина волны), цветовая температура, световая отдача.
Номинальный прямой ток — это ток, при прохождении которого через данный светодиод в прямом направлении, производитель гарантирует паспортные световые параметры данного источника света.
Другими словами, это рабочий ток светодиода, при котором светодиод точно не перегорит, и сможет нормально работать на протяжении всего срока эксплуатации. В этих условиях p-n-переход не будет пробит и не перегреется.
Кроме номинального тока есть еще такой параметр, как пиковый прямой ток (Ifp – peak forward current) – максимальный ток, который можно пропускать через переход лишь импульсами длительностью по 100 мкс при коэффициенте заполнения не более DC = 0.1 (точные данные - см.даташит). Теоретически максимальный ток — это предельный ток, который кристалл может выдерживать лишь кратковременно.
На практике величина номинального прямого тока зависит от размера кристалла, от типа полупроводника, и лежит в диапазоне от единиц микроампер до десятков миллиампер (для светодиодных сборок типа COB — еще больше).
Прямое падение напряжения (Vf – forward voltage)
Прямое падение напряжения на p-n-переходе, вызывающее номинальный ток светодиода. Напряжение прикладывается к светодиоду так, что анод имеет положительный потенциал относительно катода. В зависимости от химического состава полупроводника, от длины волны оптического излучения, различаются и прямые падения напряжения на переходе.
Кстати, по прямому падению напряжения можно определить химический состав полупроводника. А вот приблизительные диапазоны прямых падений напряжений для различных длин волн (цветов света светодиодов):
-
Инфракрасные светодиоды с длиной волны более 760 нм на базе арсенида галлия имеют характерное падение напряжения менее 1,9 В.
-
Красные (например галлия фосфид — от 610 нм до 760 нм) — от 1,63 до 2,03 В.
-
Оранжевые (галлия фосфид — от 590 до 610 нм) — от 2,03 до 2,1 В.
-
Желтые (галлия фосфид, от 570 до 590 нм) — от 2,1 до 2,18 В.
-
Зеленый (галлия фосфид, от 500 до 570 нм) — от 1,9 до 4 В.
-
Синий (селенид цинка, от 450 до 500 нм) — от 2,48 до 3,7 В.
-
Фиолетовый (индия-галлия нитрид, от 400 до 450 нм) — от 2,76 до 4 В.
-
Ультрафиолетовый (нитрид бора, 215 нм) — от 3,1 до 4,4 В.
-
Белые (синий или фиолетовый с люминофором) — около 3,5 В.
Максимальное обратное напряжение (Vr – reverse voltage)
Максимальное обратное напряжение светодиода, как и любого светодиода, - это такое напряжение, при прикладывании которого к p-n-переходу в обратной полярности (когда потенциал катода больше потенциала анода) происходит пробой кристалла, и светодиод выходит из строя. Подавляющее большинство светодиодов имеют обратное максимальное напряжение в районе 5 В. Для сборок COB – еще больше, а для инфракрасных светодиодов бывает и до 1-2 вольт.
Максимальная мощность рассеяния (Pd - total power dissipation)
Эта характеристика измеряется при температуре окружающей среды в 25°C. Это та мощность (зачастую в мВт), которую корпус светодиода еще способен рассеивать непрерывно, и не перегорит. Она вычисляется как произведение падения напряжения на текущий через кристалл ток. Если это значение будет превышено (произведение напряжения на ток), то очень скоро кристалл будет пробит, произойдет его тепловое разрушение.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ — график)
Нелинейная зависимость тока через p-n-переход от приложенного к переходу напряжения, называется вольт-амперной характеристикой (сокращенно - ВАХ) светодиода. Эта зависимость изображается в даташите графически, и по имеющемуся в распоряжении графику можно очень просто увидеть, какой ток при каком напряжении пойдет через кристалл светодиода.
Характер ВАХ зависит от химического состава кристалла. ВАХ оказывается очень полезна при проектировании электронных устройств со светодиодами, ведь благодаря ей можно без поведения практических измерений узнать, какое напряжение необходимо приложить к светодиоду, чтобы получить заданный ток. Еще с помощью ВАХ можно более точно подобрать к диоду токоограничительный резистор.
Зависимость тока от напряжения (вольтамперная характеристика) светодиода имеет сходный ход с обычным полупроводниковым диодом. Отличаются они только значениями граничных напряжений в проходном и замыкающем направлениях.
При увеличении напряжения на светодиоде от нуля в прямом направлении (т.е. положительный полюс источника подключен к аноду, а отрицательный полюс источника подключен к катоду диода), первоначально через него почти не протекает ток и светодиод ведет себя так, как будто он непроводящий.
С определенного уровня приложенного напряжения происходит пробой - диод начинает открываться и на дальнейшее небольшое повышение напряжения реагирует резким увеличением проходящего тока.
Ток увеличивается примерно экспоненциально по отношению к напряжению. Тогда светодиод тоже начинает загораться. По мере дальнейшего увеличения напряжения светодиод увеличивает свою яркость, пока не достигнет своего максимума.
Ток светодиода в этой области примерно линейный, т. е., например, если ток увеличить вдвое, интенсивность света, излучаемого светодиодом, примерно удвоится. При дальнейшем увеличении тока сверх допустимого предела может возникнуть тепловая перегрузка полупроводникового перехода и выход светодиода из строя.
Если подключить светодиод к источнику напряжения в направлении закрытия (т. е. положительный полюс источника подключен к катоду, а отрицательный полюс к аноду), ток через диод не протекает, когда он увеличивается от нуля. Он ведет себя непроводяще.
При определенном уровне напряжения в сторону закрытия происходит пробой - через диод вдруг начинает протекать большой ток. В большинстве случаев этот пробой носит деструктивный характер — полупроводниковый переход замыкается накоротко и диод необратимо повреждается. Напряжение пробоя в направлении закрытия у электролюминесцентных диодов очень низкое по сравнению с выпрямительными диодами - порядка единиц вольт.
Из-за формы вольт-амперной характеристики эти диоды должны питаться от источника тока. Если не требуется высокого КПД (например, для различных индикаторов), то можно аппроксимировать источник тока, подключив светодиод последовательно с токоограничивающим резистором к источнику постоянного напряжения (изменения напряжения вызовут меньшие изменения в текущем). Этот метод широко используется в простых случаях при подключении светодиодов.
Сила света, световой поток (luminous intensity, luminous flux)
Световые (оптические) параметры светодиодов измеряются еще на стадии их производства, при нормальных условиях и на номинальном токе через переход. Температура окружающей среды принимается равной 25°C, устанавливается номинальный ток, и измеряются сила света (в Кд — кандела) или световой поток (в Лм — люмен).
Под световым потоком в один люмен понимают световой поток, испускаемый точечным изотропным источником с силой света, равной одной канделе, в телесный угол в один стерадиан.
Слаботочные светодиоды характеризуются непосредственно силой света, которая указывается в милликанделах. Кандела — это единица силы света, а одна кандела — это сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Другими словами, сила света количественно отражает интенсивность светового потока в определенном направлении. Чем меньше угол рассеяния — тем больше будет сила света светодиода при одном и том же световом потоке. Например сверхъяркие светодиоды обладают силой света в 10 и более кандел.
Угол рассеяния светодиода (Viewing angle)
Эта характеристика часто описывается в документации на светодиоды как «двойной угол половинной яркости тэта», и измеряется в градусах (deg-degrees-градусы). Название именно таково, поскольку светодиод как правило имеет фокусирующую линзу, и яркость не по всему углу рассеяния получится равномерной.
Вообще этот параметр может лежать в диапазоне от 15 до 140°. У SMD светодиодов этот угол шире, чем у выводных собратьев. Например 120° для светодиода в корпусе SMD 3528 — это нормально.
Длина волны света (Dominant Wavelength)
Измеряется в нанометрах. Характеризует цвет излучаемого светодиодом света, который в свою очередь зависит от длины волны и от химического состава полупроводникового кристалла.
Инфракрасное излучение имеет длину волны более 760 нм, красный цвет — от 610 нм до 760 нм, желтый — от 570 до 590 нм, фиолетовый — от 400 до 450 нм, ультрафиолетовый — менее 400 нм. Белый свет выделяется при помощи люминофоров из ультрафиолетового, фиолетового или синего.
Цветовая температура (CCT - Color Temperature)
Данная характеристика задается в документации на белые светодиоды и измеряется в кельвинах (К). Холодный белый (около 6000К), теплый белый (около 3000К), белый (около 4500К) — точно показывает оттенок белого света.
В зависимости от цветовой температуры, цветопередача будет разной, и воспринимается человеком белый цвет с разной цветовой температурой — по разному. Теплый свет более комфортен, он лучше подойдет для дома, холодный — больше подходит общественным помещениям.
Световая отдача
Для светодиодов, применяемых для освещения сегодня, данная характеристика находится в районе 100 Лм/Вт. Мощные модели светодиодных источников света превзошли компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), и достигают 150 и более Лм/Вт. По сравнению с лампами накаливания, светодиоды превосходят их по световой отдаче более чем в 5 раз.
В принципе, световая отдача численно показывает, насколько эффективен источник света в плане энергопотребления: сколько ватт требуется для получения определенного количество света — сколько люмен наватт.
Устройство и принцип работы светодиода
Почему светодиод надо подключать через резистор