Что такое светодиоды и где они могу применяться?

Светодиоды – один из самых используемых электронщиками метод индикации какого-либо события, обрабатываемого микроконтроллером. Проблема в том, что мало кто из начинающих ардуинщиков знает, как правильно подключать светодиоды, в чём их отличие, как ими управлять, что вообще они представляют собой и так далее. Результат – сожжённые светодиоды, обида на мир и непонимание, почему же не всё работает так, как хочется. Новички читают советы таких же как они, после чего путаются ещё больше, зачастую добавляя вопросов, а не разрешая их. В нашей статье мы попробуем прояснить основные моменты работы со светодиодами, чтобы вы могли избежать дальнейших ошибок.

Светодиоды сейчас используются повсеместно благодаря простоте и относительно низкой стоимости. Взять те же популярные дисплеи 128×64, подключающиеся по IIC – они выполнены по технологии OLED, а значит – каждый пиксель там является светодиодом. Но мало кто представляет, что же такое светодиод и какие параметры у него бывают?

Светодиод – диод с p-n переходом, испускающим определённый спектр при пропускании тока в прямом направлении. Цвет свечения  напрямую зависит от материалов полупроводника. Важно помнить, что в обратном направлении светодиод ток не пропускает.

Светодиод начинает испускать фотоны при переходе напряжения через определённое значение, причём для каждого цвета оно разное – именно поэтому каждому цвету желательно подбирать свой резистор, иначе мы сталкиваемся с частой ошибкой – подключение RGB-светодиода через одинаковые резисторы, что приводит к неравномерной интенсивности цветов. Важно помнить, что хоть светодиоду и необходимо некоторое конкретное напряжение для работы, более важным параметром является ток.

У каждого типа светодиодов он также свой, но имеются средние значения. Например, для большинства 3 – и 5 мм светодиодов максимальный ток чуть превышает 20 мА. Однако, лучше держать его чуть пониже для увеличения ресурса – около 10 мА. Если Вам не нужно освещать им конкретную площадь, то будет достаточно и меньшего тока, например, для индикации события.

Плюсы светодиодов:

• Яркие точные цвета
• Большой срок службы (стремится к бесконечности)
• Большой КПД, малый нагрев
• Миниатюрный размер кристалла

Недостатки:

• Необходима схема ограничения тока (сложнее, чем ограничение напряжения для ламп накаливания)
• Неизбежное повреждение при превышении тока

Светодиоды отличаются по:

• Размеру внешнего корпуса
• Форме корпуса (круглые – самые популярные, но прямоугольные тоже часто встречаются)
• Типу линзы (направленная – прозрачная – или рассеивающая, матовая)

По форме светодиоды бывают самые разнообразные, но кристалл в основе не зависит от внешней оболочки. По размеру – от самых мелких светодиодов в корпусе типоразмера 0402 (0.5×1мм) до 100-ваттных светодиодов размером 50×50 мм.

В зависимости от эффекта, ставят несколько кристаллов одного или разных цветов. Одного – для повышения мощности, в таком случае они подключаются параллельно и в итоге фокусируются как единый светодиод. Разных – для многоцветного эффекта, например, для индикации (обычно синий-красный, встречается во многих аккумуляторных устройствах как индикатор работы/зарядки) или для отображения большого спектра
цветов (как например RGB-светодиод, способный отобразить все возможные цвета – состоит из 3 кристаллов, красного (R), зелёного (G), синего (B)).

Светодиоды отличаются по длине волны – они способны точно испускать свет определённого спектра, в частности, ультрафиолетовыми светодиодами можно засвечивать фоторезист, а фидосветодиоды ускоряют рост растений.

Граничное напряжение светодиода меняется от 1.9 В (инфракрасный) до 3.7 В (белый). Часто светодиоды собирают в последовательные сборки (например, в дешёвых светодиодных лентах), чтобы запитать, например, 5 2.2-вольтовых светодиодов от 12В, потеряв всего 1В на резисторе.

Если Вы используете светодиоды на большой ток, то, скорее всего, придётся ставить мощные резисторы, на которых всё равно будет теряться большое количество тепла. В таком случае можно использовать импульсные стабилизаторы тока (на основе DC-DC преобразователей или самодельные) – при большом КПД они обеспечивают большой ток и практически не греются! Светодиоды от 100 мА желательно подключать уже именно так.

Понятно, что все светодиоды имеют различные характеристики, но как же найти нужный номинал резистора для правильного подключения светодиода? В этом деле нам поможет давно забытый школьный курс физики, а именно закон Ома.

Для примера, возьмём светодиод с падением напряжения 2В, который нам нужно запитать от 3.3 В. Ток возьмём по среднему для всех «мелких» светодиодов значению – 20 мА, а чтобы не убить его раньше времени – 15 мА. Разница в напряжении между напряжением питания и напряжением, нужным для светодиода, составляет 3.3 – 2 = 1.3 В. Вспоминаем закон Ома для замкнутой цепи – I = U/R.

Преобразуем её относительно сопротивления . Поделим 1.3 на 0.015 (15мА в А), получим 86.7 Ом. Значение крайне нестандартное, поэтому возьмём ближайшее удобное (в большую сторону) – например, 100 Ом. Светодиоду по режиму будет только лучше, а ток изменится незначительно (13 мА) – невооружённым взглядом вы вряд ли заметите это изменение.

В сети часто встречаются схемы параллельного или последовательного подключения светодиодов, при которых задействуется всего 1 резистор. Схемы имеют право на жизнь, но лишь в случае низкого тока через светодиоды и только при условии одинаковости всех диодов. Допустим, несколько светодиодов для индикации какого-либо события так подключить можно, но только обычных (часто применяемых, 3 или 5мм диодов с током до 20мА и напряжением примерно 2-3В) и с маленьким током (около 5мА). Мощные светики по 200мА не рекомендуется подключать таким образом – во-первых, у них могут сильнее различаться характеристики из-за неравномерного нагрева кристаллов, а вот-вторых понадобится мощный резистор, который и то, возможно, будет греться.

Лучше подключать каждый светодиод со своим резистором, или использовать линейные или импульсные стабилизаторы тока. Из-за уникальности каждого светодиода при подключении большого их количества может накопиться довольно большое отклонение от теоретических
расчётов параметров, чему будут результатом сгоревшие диоды.

Одно из интересных применений светодиодов – засветка фоторезиста для изготовления печатных плат. Если вы когда-либо занимались этой технологией или хотя бы читали о ней, Вы явно видели засветку с помощью лампы, похожей на энергосберегающую. Такие лампы малоэффективны, на засветку требуется порядка 10 минут, а с помощью самодельного устройства из 100 УФ-светодиодов мы достигли времени засветки 35 секунд! Для регулировки тока применялось 5 линейных стабилизаторов тока на 200мА, итоговый ток – 10мА на светодиоде, что продлит срок службы!