Физика работы светодиода

Новиков М.Г.
14.04.2007

Содержание

Введение

Ранее я уже затрагивал тему светодиодов, где описывал способы правильного их подключения к различным источникам тока. Это был чисто практический материал. Теперь я опишу процессы, происходящие в светодиоде на атомном уровне, которые заставляют его излучать свет.

При изучении первой главы данного материала мы постараемся обойтись без квантовой механики, чрезмерно абстрактной для лёгкого её понимания. Мы будем оперировать старыми упрощёнными понятиями. Во второй главе мы вскользь коснёмся некоторых понятий квантовой физики. В заключительной третьей главе, касающейся современных светодиодов, нам придётся уже существенно погрузиться в квантовую механику, без которой невозможно понимание работы современного светодиода. Впрочем, при всём при этом мы обойдёмся без формул.

Итак, вначале нам нужно будет знать всего лишь несколько простых вещей:

1. Материя состоит из атомов. Во многих твёрдых телах атомы находятся упорядоченном симметричном состоянии. Такое состояние называют кристаллической решёткой, а само вещество — кристаллом.
2. Атом — это ядро с вращающимися вокруг него на определённых орбитах электронами. Чем выше энергия электрона, тем на более высокой орбите он вращается. Не испытывая внешнего воздействия электроны стремятся выбросить часть энергии чтобы занять более устойчивые нижние орбиты.
3. Электрон — физическая частица, входящая в состав атома, и имеющая отрицательный заряд и некоторый уровень энергии. Заряд электрона всегда постоянен. Энергия электрона, находящегося в составе атома, может принимать только определённые фиксированные значения. Движение электронов вне атома в веществе в одном направлении называют «электричеством», или электрическим током, поскольку электронами перемещаются заряды, формирующие электрический ток.
4. Атомы разных элементов (водорода, гелия и т.п.) различаются количеством протонов в своём ядре. Протоны имеет положительный заряд, который по величине равен заряду электрона. Если отнять электрон у атома, атом станет положительно заряженным. Если добавить лишний электрон к атому, атом станет отрицательно заряженным.
5. Электромагнитная волна — излучение, порождаемое выбросом излишка энергии электрона, переходящего с более высокого энергетического состояния на более низкое, например, при его переходе из свободного состояния на орбиту в атом. Чем больше разница в энергиях свободного состояния и орбиты, тем больше излишек энергии и, как следствие, выше частота излучённой волны. Видимый диапазон частот электромагнитных волн мы называем светом, цвет которого напрямую зависит от частоты волны.

[Вернуться в начало]

Глава 1. Простое объяснение

Принцип излучения света светодиодом достаточно прост. Внутри светодиода прижаты друг к другу два разных материала. Каждый из материалов подключен к своему выводу (ножке светодиода). Свойства одного материала обуславливают наличие в нём некоторых атомов с лишними электронами, находящимися на высоких орбитах, готовых оторваться, а свойства другого — наличие в нём атомов с недостатком электронов на низких орбитах.

Подключив материал с избытком электронов к минусу батарейки а другой — к плюсу, мы создадим разность потенциалов, в результате которой все плохо закрепленные в атомах электроны, вращающиеся на высоких орбитах, начнут отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному. Они двинуться в сторону второго материала, заполняя пустые места в его атомах, находящиеся на более низких орбитах.

Поскольку раньше электроны находились на более высоких орбитах, то они имеют большую энергию, чем им нужно в новых атомах. Поэтому переходя на более низкую орбиту они выбрасывает лишнюю энергию в виде электромагнитной волны, то есть рождают свет.

Длина излучённой электромагнитной волны зависит от величины выделившейся из электрона энергии — чем больше энергия, тем сильнее сжата волна, выше её плотность, а значит, меньше её длина, и, как следствие, «синее» излучаемый свет.

При заполнения электронами ближнего слоя атомов второго материала, приложенная разность потенциалов заставит эти электроны не изменяя более своих энергий перескакивать по атомам дальше. Таким образом электроны пройдут через весь второй материал до положительного полюса батареи. А пока они будут идти, первый слой снова заполнится пришедшими из первого материала электронами, которые снова излучат свет при снижении своих орбит и всё повторится.

[Вернуться в начало]

Глава 2. То же самое более подробно

По ходу прочтения предыдущего крайне простого объяснения у вас наверняка возникли вопросы, на которые я постараюсь ответить в этой более подробной главе. Сначала мы познакомимся с некоторыми новыми понятиями, такими как полупроводники, электронная и дырочная проводимости и т.п., а потом перейдём непосредственно к работе светодиода.

Замечу, что процессы, происходящие на атомном уровне, представлены здесь в виде общепринятых, но не совсем точных моделей. Эти модели призваны дать приблизительное понятие о том, что на самом деле происходит, и их нельзя использовать в качестве основы для построения более глубоких умозаключений. В микромире заканчивается привычная нам физика твёрдых частиц и появляется всё больше абстракций, которые на современном этапе всё труднее объяснить на пальцах в привычных чекловеку понятиях. А с помощью приближённых моделей мы имеем возможность хоть ещё немного продолжить привычную нам физику.

[Вернуться в начало]

Энергетическая структура атома

Внутри атома электрон может располагаться только на определённых, фиксированных орбитах, зависящих от его энергии. В нашей модели орбита электрона фиксируется благодаря его волновым свойствам — когда она вмещает по своей длине целое число его внутренних волн таким образом, что при каждом новом витке последующие возмущённые им волны поглощают предыдущие, то его общая энергия сохраняется и он остаётся на орбите. При гипотетических попытках отклонения энергии, электрон переходит на соответствующую новой энергии орбиту, где волны могут перестать поглащать друг друга и даже начнут интерферировать (складываться). Поскольку взаимного поглощения не происходит, они беспрепятственно излучаются наружу из атома, снижая общую энергию электрона, а значит и его орбиту, до ближайшей нижележащей орбиты, где его волны опять начнут поглащать друг друга. Утечка энергии прекратится и орбита вновь зафиксируется.

Уровни орбит (энергетические уровни) можно условно объединить в более крупные зоны. Электронам каждой зоны свойственно своё поведение.

Рассмотрим зонную структуру атомов рассматриваемых нами материалов, начиная с уровней наименьших энергий:

1. Зона основных энергетических уровней. Электроны этой зоны расположены ближе других к ядру. Они имеют наименьшую энергию и в рассматриваемых нами процессах не участвуют.
2. Валентная зона. Электроны именно этой зоны участвуют в электрических и химических процессах (валентные электроны). Расположены на верхних орбитах атомов.
3. Запрещенная зона. Зона энергий, которой не обладают электроны данного вещества. Запрещенной зоны нет лишь в металлах. В диэлектриках она наибольшая. В качестве материалов для изготовления диодов (в том числе и светодиодов) применяют полупроводники. Полупроводники — это вещества с размером запрещённой зоны меньшим, чем у диэлектриков. Дальнейшее повествование будет касаться в основном полупроводников.
4. Зона проводимости. Электроны, имеющие энергетические уровни этой зоны, не находятся на орбитах своих атомов, а беспорядочно передвигаются от атома к атому. Именно они обеспечивают высокую электропроводность металлов. Материалы, не имеющие электронов в зоне проводимости, являются диэлектриками.

[Вернуться в начало]

Ковалентная связь между атомами полупроводника

Атомы полупроводника (например, германия) связаны друг с другом валентными электронами. Связь происходит следующим образом. У германия 4 валентных электрона. Вокруг каждой пары атомов германия движутся 2 валентных электрона — по одному от каждого атома. Атомы выстраиваются так, чтобы у каждого было столько соседних атомов, сколько валентных электронов он имеет. Таким образом все валентные электроны у всех атомов получаются задействованными. Такая связь называется ковалентной.

На рисунке вы видите развернутую в плоскость модель фрагмента кристаллической решётки германия, на которой демонстрируется ковалентная связь. Силой ковалентной связи можно объяснить существование запрещенной зоны в полупроводниках и диэлектриках. Чем больше энергии надо затратить, чтобы оторвать валентные электроны, участвующие в ковалентной связи, и отправить их в зону проводимости, тем шире запрещенная зона. Это логично. В металлах ковалентной связи нет, нет и запрещённой зоны.

[Вернуться в начало]

Электронная и дырочная проводимость

В полупроводниках при повышении температуры выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, которой становится достаточно для преодоления небольшой запрещённой зоны и перехода на уровень проводимости. В итоге, при комнатной температуре в зоне проводимости постоянно присутствует некоторое количество электронов, а в валентной зоне атомов образуется дефицит электронов (дырки).

В итоге полупроводник начинает обладать и электронной и дырочной проводимостью — электронную проводимость осуществляют электроны, свободно перемещающиеся в зоне проводимости, а дырочную — электроны в зоне валентности, способные перескакивать в дырку с соседних атомов. При этом электронная проводимость доминирует над дырочной, так как электроны зоны проводимости перемещаются свободнее, но общая электропроводность полупроводника естественно складывается из этих двух проводимостей.

[Вернуться в начало]

Примесная проводимость

Замещая у полупроводника некоторые атомы на атомы других веществ с той или иной валентностью, можно увеличить либо количество электронов в зоне проводимости, либо количество дырок в валентной зоне. Происходит это следующим образом:

1. Электронная проводимость (проводимость n-типа). Некоторые атомы четырехвалентного германия заменяем на атомы пятивалентной сурьмы. При ковалентной связи у атомов сурьмы оказывается незадействованным пятый валентный электрон, который начинает вращаться вокруг атома сурьмы и объединённых с ним ковалентной связью атомов германия. Атом сурьмы и связанные с ним ковалентной связью атомы германия образуют для этого электрона некое ядро, и вся конструкция издалека начинает напоминать атом водорода с одним электроном. Электрон занимает энергетический уровень, который накладывается на уровень запрещенной зоны атомов германия. Уровень находится у верхнего края запрещённой зоны германия, почти у его зоны проводимости. Поэтому при комнатной температуре электроны с этого энергетического уровня легко уходят в зону проводимости. В зоне проводимости оказывается очень много электронов, и полупроводник получает хорошую электронную проводимость.
2. Дырочная проводимость (проводимость p-типа). Некоторые атомы четырёхвалентного германия заменяем на атомы трёхвалентного индия. При ковалентной связи атому индия не хватает одного электрона, чтобы связаться с четвертым атомом германия. В результате у атома индия образуется дефицит электрона для полноценной ковалентной связи, которая ему очень важна. Чтобы занять место этого электрона в атоме индия, валентному электрону соседнего атома германия нужно совсем немного энергии. Получив её в результате теплового воздействия, он немного увеличивает свой энергетический уровень и занимает это место в ковалентной связи. Теперь его энергетический уровень в атоме индия накладывается на уровень запрещенной зоны атомов германия. Но в отличие от случая с электронной проводимостью, этот энергетический уровень находится в запрещённой зоне не у зоны проводимости, а ниже, у зоны валентности атомов германия. В результате в атомах германия в зоне валентности образуются дополнительные дырки, в которые смогут перескакивать электроны с соседних атомов. Дырок получается много, поэтому создаются условия для хорошей дырочной проводимости.

[Вернуться в начало]

Работа электронно-дырочного перехода

Теперь сложим два разных полупроводника вместе, и подключим прямое напряжение — минус к полупроводнику с электронной проводимостью, а плюс — к полупроводнику с дырочной проводимостью. Из-за разности потенциалов электроны из зоны проводимости первого полупроводника, проскакивая между атомами, устремятся в сторону второго. Достигнув его, они будут перескакивать на ждущие их атомы второго полупроводника с отсутствующими валентными электронами, и далее пойдут по цепочке этих атомов, перескакивая от одного к другому, пока не выйдут через плюсовой вывод.

В момент, когда электроны опускаются из зоны проводимости через запрещённую зону на валентные энергетические уровни атомов второго полупроводника, из электронов выделяется лишняя энергия, пропорциональная ширине запрещённой зоны. Процесс занятия электроном зоны проводимости пустого энергетического уровня в атоме называется рекомбинацией.

Как уже упоминалось выше при рассмотрении энергетической структуры атома, энергия при рекомбинации электрона выделяется из него за счёт пересечения им орбит с длиной, в которой не укладывается целое число его собственных волн (ведь электрон имеет также и собственную волновую функцию). Поэтому его собственная волна при каждом новом витке не поглощает саму себя, как это происходит на всех фиксированных орбитах, а накладывается друг на друга (интерферирует), и излучается.

[Вернуться в начало]

Работа светодиода

В случае с германием выделение электронами энергии при пересечении небольшой запрещённой зоны незначительно, и расходуется лишь на тепловое раскачивание атомов. Для того, чтобы энергия выделялась в виде электромагнитных волн (фотонов) светового диапазона, применяют полупроводники с большим размером запрещённой зоны. В этом случае при рекомбинации электрона выделяется фотон (квант электромагнитной волны) с большой энергией. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитной волны. Подбирая полупроводники с разным размером запрещённой зоны можно менять цвет излучения.

[Вернуться в начало]

Глава 3. Физика работы современных светодиодов

В современных светодиодах для повышения эффективности их работы используют сложную структуру полупроводников. Вместо обычного электронно-дырочного перехода (на основе одного полупроводника с примесями разной валентности) применяют несколько последовательных гетеропереходов (переходов между полупроводниками разных составов). В простейшем случае между двумя полупроводниками разного типа проводимости помещают тонкий слой (плёнку) полупроводника без примесей (с невыраженным типом проводимости) и с относительно меньшим размером запрещённой зоны в его атомах.

Ссылка по теме:
Свет из гетеропереходов.
http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_01/LIGHT.HTM

Из-за различной ширины запрещённых зон этих полупроводников, тонкий центральный слой образует в себе т.н. квантовую яму для электронов.

Электроны попадают в этот полупроводник и принимают наименьший энергетический уровень его зоны проводимости, ближе к дну ямы, после чего не могут свободно проскочить дальше по зоне проводимости, ибо их энергия уже ниже энергии проводимости следующего материала. В результате они оказываются запертыми и вынуждены рекомбинировать в этой тонкой области.

Ссылка по теме:
Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое?
http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/326.html
или http://phys.unn.ru/docs/9705_080.pdf.pdf

Рекомбинация в тонком полупроводниковом слое, не имеющем примесей, даёт несколько преимуществ:

1. За счёт уменьшения объёма, в котором происходит рекомбинация, увеличивается концентрация рекомбинирующих электронов, что уменьшает вероятность расхода энергии на тепловые колебания атомов.
2. В результате отсутствия примесей в центральном слое, вероятность безизлучательной рекомбинации тоже уменьшается, поскольку эти самые примеси и другие дефекты атомной структуры полупроводника как раз и являются её источником.
3. Возможность регулировать цвет толщиной слоя.

Объясню последний пункт подробнее. При толщине центрального слоя всего в несколько слоёв атомов появляется дополнительная возможность регулировать этой толщиной энергию испускаемых рекомбинирующими электронами фотонов (цвет излучения) как за счёт эффекта размерного квантования, так и за счет упругой деформации слоя. И то и другое влияет на величину расщепления энергетических уровней, о чём будет сказано ниже.

Ссылка по теме:
Полупроводниковые гетероструктуры: от классических к низкоразмерным,
или «конструктор» от Нобелевского лауреата.
http://www.scientific.ru/journal/onisch/onisch.html

Регулировка размерным квантованием заключается в следующем:

• Если электроны заперты в ограниченном объёме (например, в атоме вещества, находясь на его орбите) то они занимают энергетические уровни таким образом, чтобы не мешать друг другу. Это значит, что на одном энергетическом уровне может находится максимум только два электрона, и то в том случае, если они имеют противоположный спин (противоположный собственный импульс). Более того, энергетические уровни могут иметь только определённые фиксированные значения.

  Внутри атома так и происходит. Но если из всех атомов вещества выйдет хотя бы по одному электрону, которые попытаются занять один и тот-же энергетический уровень в зоне проводимости, то этот уровень начнет расщепляться на несколько подуровней по числу атомов вещества. В сравнительно больших объёмах вещества энергетические уровни свободных электронов сливаются в одну большую зону, и о каком-либо квантовании энергий в зоне проводимости не может идти и речи.

  Но если же мы физически ограничим размеры вещества, то электронов с одинаковыми энергетическими уровнями будет меньше, следовательно меньше будет и расщепление. При дальнейшем уменьшении размера вещества мы будем наблюдать, как из «размазанного» энергетического спектра рождаются конкретные энергетические уровни, то есть мы видим, что энергия электронов квантуется — имеет конечную дискретность. Эффект квантования энергий при уменьшении размеров вещества называется квантово-размерным эффектом или эффектом размерного квантования.

  При толщине центрального слоя, сравнимой с длинами волн электрона, количество энергетических уровней в зоне проводимости становится небольшим. Это происходит из за того, что количество электронов одних и тех же энергетических уровней в веществе сокращается, и эти уровни перестают так сильно расщепляться. В итоге «размазанная» по всей квантовой яме энергетическая структура стягивается в ограниченные зоны, и приближаются к единичным уровням, как это происходит в отдельном атоме.

  В итоге, нижний расщеплённый уровень отдаляется от запрещённой зоны, и подтягивается к центру расщепления — энергетическому уровню единичного атома. Таким образом, разница между энергией электронов зоны проводимости и энергий свободного уровня целевого атома увеличивается. Теперь для рекомбинации потребуется больший выброс энергии электроном, а значит изменится и цвет свечения.

Регулировка упругой деформацией заключается в следующем:

• При уменьшении толщины центрального слоя его свойства всё в большей степени начинают зависеть от влияния на его атомы атомов соседних полупроводников, сил поверхностного натяжения кристалла и т.п.. В центральном слое возникают определенные упругие деформации, в результате которых меняется расстояние между атомами, а значит, меняется ширина расщепленных энергетических уровней электронов (при сближении атомов начинает проявляться эффект, связанный с невозможностью взаимодействующих электронов находиться на одних и тех же энергетических уровнях, и они вынуждены расщепляться на ширину, пропорциональную расстоянию между атомами). Расширение расщеплённых энергетических уровней уменьшает разницу между энергией электронов зоны проводимости и энергий свободного уровня целевого атома, а это уменьшает выделяющуюся энергию что и изменяет цвет свечения.

[Вернуться в начало]

Материалы активной зоны светодиодов разных спектров свечения
 

Цвет	Длина волны (нм)	Материал активного слоя
Инфракрасные	≈ 760…1450	GaAs, GaAlAs(P), GaInAs(Sb | P)
Красные	≈ 670	InGaAlP, GaP, GaAsP, GaAlAs
Красно-оранжевые	≈ 635	InGaAlP, GaP
Оранжевые	≈ 620	InGaAlP, GaP
Янтарные	≈ 600	InGaAlP, GaP
Жёлтые	≈ 585	InGaAlP, GaP
Салатовые	≈ 565	InGaN, GaP
Зелёные	≈ 540	InGaN, GaP
Зелёно-синие	≈ 510	InGaN
Зелёно-синие (бирюзовые)	≈ 490	InGaN
Голубые	≈ 470	InGaN
Синие	≈ 450	InGaN
Фиолетовые	≈ 420	InGaN
Ультрафиолетовые	≈ 210…400	GaAlN, AlN

[Вернуться в начало]

светодиод (rgb) многоцветный — принцип работы и устройство. Подключение

RGB  – английская аббревиатура, расшифровывающаяся как «красный, зеленый, синий». Соответственно, rgb светодиод имеет внутри три самостоятельных источника света. В зависимости от своего строения. Такие светодиоды могут иметь один общий анод либо катод. Весь эффект заключается в особенностях нашего зрения. Если рядом друг с другом расположить диоды, дающие красное и синие свечение, на дальности в несколько метров свет от них сольется и получится фиолетовый.

Если в этот спектр добавить еще и зеленый, в данном случае свет станет просто белым. В статья изложены все особенности строения, устройства rgb светодиода, а также в каких сферах они используются. В качестве бонуса в статье есть несколько видеоматериалов и одна интересная научная статья по этому вопросу.

Светодиод трехцветный.

Устройство и сферы применения

Конструктивно RGB–светодиоды представляют собой три светодиодных кристалла с одной оптической линзой, расположенные в одном корпусе. Управление цветом происходит с помощью подачи электрических сигналов на выводы каждого светодиодного кристалла, а сочетание излучений всех трех светодиодов позволяет регулировать итоговый цвет. Для примера, ниже представлен самый популярный RGB–светодиод SMD 5050.

Светодиод RGB – это полноцветный светодиод, смешивая три цвета в разной пропорции можно отобразить любой цвет. К примеру, если зажечь все три цвета на полную мощность, получится свечение белого цвета. 

Сферы применения RGB светодиодов напрямую связаны с развитием рынка рекламы и развлекательных мероприятий. Также готовые RGB–светильники и ленты применяются в области светового оформления архитектурных и дизайнерских решений — ночная подсветка зданий или фонтанов, интерьерный свет, индикаторный системы автомобилей и т.д.

Таблица длины волн светодиодов smd 5050, различного свечения

Разнообразие сфер применения многоцветных светодиодных источников света определяет основные виды внешнего оформления RGB–светодиодов: изделия небольшой мощности выпускаются в стандартных круглых корпусах со сферической линзой и выводами под обычную пайку; маломощные RGB–светодиоды в SMD-корпусах поверхностного монтажа широко применяются в светодиодных лентах или полноцветных светодиодных экранах большой площади; в корпусах типа Emitter выпускают мощные RGB–источники света с независимым управление каждым светодиодным кристаллом; сверх яркие светодиоды в корпусах.

Для упрощения систем управления светом в корпуса некоторых серий многоцветных LED–источников света вмонтированы управляющие микросхемы. Схемы расположения выводов (распиновка) Несколько стандартных схем управления определяют структуру внешних выводов RGB–светодиодов и их соединение внутри корпуса. Существует три основных схемы распиновки, которые соблюдаются на большинстве выпускаемых изделий:

• В схеме с общим катодом для управления используется три независимых вывода анода, а катодные выводы LED-кристаллов соединены между собой;
• Распиновка с общим анодом управляется отрицательными импульсами на катодные выводы, а вместе соединены уже анодные электроды светодиодных кристаллов;
• Независимая схема соединения имеет шесть выводов по числу LED кристаллов, соединений внутри корпуса не производится.

Единого стандарта на распиновку не существует, конкретный тип расположения внешних выводов применяют в зависимости от поставленных задач. При отсутствии документов на светодиодное изделие тип внешних выводов легко определить с помощью мультиметра. В режиме прозвонки светодиод будет светиться (мощные светодиоды очень слабо), а мультиметр издавать звук соединения, если красный щуп мультиметра подсоединен к аноду светодиодного кристалла, а черный к его катоду. В случае обратного подключения никаких видимых и слышимых эффектов просто не будет.

Три светодиода и их размеры

Простейший способ подключения и управления режимами работы RGB–светодиодов реализуется с помощью стандартных микроконтроллеров Arduino. Общий вывод подключается к единой шине микроконтроллера, а управляющие сигналы подаются на выводы LED–кристаллов через ограничительные резисторы.Управление режимами свечения светодиодных кристаллов происходит с помощью широтной-импульсной модуляции, где скважность импульсов определяет силу света. Программирование ШИМ–модулятора определяет итоговый цвет всего прибора или циклические режимы работы каждого цвета.

Материал по теме: Что такое реле времени

Как устроены 3 цветные led диоды

Конструктивно трехцветный светодиод представляет собой 3 цветных светодиода, смонтированных в общем корпусе, а если быть более точным, 3 кристалла, интегрированных на одной матрице. На рис.1 представлена микрофотография интегрального rgb светодиода. Цветные квадраты на фото – это кристаллы основных цветов. Для отображения всей палитры оттенков вполне достаточно три цвета, используя RGB синтез (Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий). RGB палитра используется не только в графических редакторах, но и в сайтостроении. Смешивая цвета в разной пропорции можно получить практически любой цвет. Преимущества RGB светодиодов в простоте конструкции, небольших габаритах и высоком КПД светоотдачи.

RGB светодиоды объединяют три кристалла разных цветов в одном корпусе. RGB LED имеет 4 вывода — один общий (анод или катод имеет самый длинный вывод) и три цветовых вывода. К каждому цветовому выходу следует подключать резистор. Кроме того, модуль RGB LED Arduino может сразу монтироваться на плате и иметь встроенные резисторы — этот вариант более удобный для занятий в кружке робототехники.

Виды

Для адаптации к разным вариантам схемы управления, ргб диоды производятся в нескольких модификациях:

• Исполнение с общим катодом
• Исполнение с общим анодом
• Без общего анода или катода, с шестью выводами

В первом случае светодиод управляется сигналами положительной полярности, поступающими на аноды, во втором – отрицательными импульсами, подаваемыми на катоды. Третья модификация исполнения допускает любые варианты коммутации и выпускается обычно в виде SMD компонента.

Светимость светодиодов.

Подключение

В качестве примера приведем схему подключения ргб диодов к универсальному блоку автоматики Arduino, созданному на базе микроконтроллера ATMEGA. На рис. 2 показана схема подключения rgb led с общим катодом. Выводы RGB в обоих случаях подключаются к цифровым выходам (9, 10,12). Общий катод на Рис.2 соединен с минусом (GND), общий анод на Рис.3 – с плюсом питания (5V). Arduino — простой контроллер для начинающих роботехников, позволяющий создавать на своей базы различные устройства, от обычной цветомузыки на светодиодах до интеллектуальных роботов.

Управление

Включение светодиода происходит при прохождении прямого тока, когда анод подключен к плюсу, катод к минусу. Многоцветный спектр излучения можно получить, изменяя интенсивность свечения каналов (RGB). Результирующий оттенок определяется соотношением яркостей отдельных цветов. Если все 3 цвета одинаковы по интенсивности свечения, результирующий цвет получается белым.

Для тех, кто забыл. Скважностью называется отношение длительности периода следования импульсов к длительности импульса. Чем ниже скважность импульсов канала, тем ярче свечение соответствующего led диода. Программа управления скважностью импульсов цветовых каналов зашита в микросхеме контроллера. Такое изменение скважности импульсов, осуществляемое в целях управления процессом, называется ШИМ (широтно – импульсной модуляцией). Управление цветом и интенсивностью свечения rgb диода может осуществляться и без ШИМ. На приведенной ниже схеме применено аналоговое управление трехцветными светодиодами. Суть его заключается в регулировании постоянного тока диодов определенного цвета.

Катоды одного цвета всех диодов объединены, и через резисторы R4.1, R4.2, R4.3 соединяются с эмиттером соответствующего транзистора. Таким образом, все светодиоды красного цвета подключены к транзистору VT1.1, зеленые светодиоды – к VT1.2, синие – к VT1.3. При перемещении движков потенциометров R1.1, R1.2, R1.3 изменяется ток базы соответствующего транзистора. Величина тока базы определяет степень открытия перехода «эмиттер – коллектор», и, в конечном счете, яркость свечения соответствующего цвета. Перед подключением нужно правильно определить полярность светодиода, иначе он не будет светиться.

Применение цифровых программируемых контроллеров предоставляет практически безграничные возможности управления цветом. В тех же случаях, когда не требуется создание цветовых динамических образов, может быть применен аналоговый способ управления. Это могут быть наружные или интерьерные светильники для статической подсветки с выбором цвета. Кстати. Применение такого регулирования в системах подсветки панелей приборов транспортных средств позволяет водителю выбирать любой оттенок и яркость.

RGBW светодиоды

Для того чтобы получить чисто белый цвет, используя разноцветный rgb светодиод, необходима точная балансировка яркости свечения по кристаллу каждого цвета. На практике это бывает затруднительно. Поэтому, для воспроизведения белого цвета и увеличения разнообразия цветовых эффектов, rgb диод стали дополнять четвертым кристаллом белого свечения. Чаще всего, RGBW светодиоды используются в светодиодных лентах RGBW SMD. Для питания таких светодиодных лент созданы специальные RGBW контроллеры, как правило, управляемые пультами дистанционного управления на инфракрасных лучах.

Свет от светодиодов RGB

Смешение цветов

Чем RGB-светодиод, лучше трех обычных? Всё дело в свойстве нашего зрения смешивать свет от разных источников, размещенных близко друг к другу. Например, если мы поставим рядом синий и красный светодиоды, то на расстоянии несколько метров их свечение сольется, и глаз увидит одну фиолетовую точку. А если добавим еще и зеленый, то точка покажется нам белой. Именно так работают мониторы компьютеров, телевизоры и уличные экраны.

Матрица телевизора состоит из отдельно стоящих точек разных цветов. Если взять лупу и посмотреть через нее на включенный монитор, то эти точки можно легко увидеть. А вот на уличном экране точки размещаются не очень плотно, так что их можно различить невооруженным глазом. Но с расстояния несколько десятков метров эти точки неразличимы.

Получается, что чем плотнее друг к другу стоят разноцветные точки, тем меньшее расстояние требуется глазу чтобы смешивать эти цвета. Отсюда вывод: в отличие от трех отдельностоящих светодиодов, смешение цветов RGB-светодиода заметно уже на расстоянии 30-70 см. Кстати, еще лучше себя показывает RGB-светодиод с матовой линзой.

Как изменяется цвет свечения

Регулировка цвета осуществляется путем регулировки яркости излучения каждым из кристаллов. Мы уже рассматривали способ регулировки яркости светодиодов с помощью ШИМ-контроллера. RGB-контроллер для ленты работает по такому же принципу, в нём стоит микропроцессор, который управляет минусовым выводом источника питания – подключает и отключает его от цепи соответствующего цвета. Обычно в комплекте с контроллером идёт пульт дистанционного управления. Контроллеры бывают разной мощности, от этого зависит их размер, начиная от такого миниатюрного.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Так как сечение дорожек на ленте не позволяет подключать последовательно с ней следующий отрезок ленты, если длина первого превышает 5м, нужно подключать второй отрезок проводами напрямую от РГБ-контроллера. Но можно выйти из положения, и не тянуть допоkнительных 4 провода на 5 метров от контроллера и использовать RGB-усилитель. Для его работы нужно протянуть всего 2 провода (плюс и минус 12В) или запитать еще один блок питания от ближайшего источника 220В, а также 4 «информационных» провода от предыдущего отрезка (R, G и B) они нужны для получения команд от контроллера, чтобы вся конструкция светилась одинаково. А к усилителю уже подключают следующий отрезок, т.е. он использует сигнал с предыдущего куска ленты. То есть вы можете запитать ленту от усилителя, который будет расположен непосредственно возле неё, тем самым сэкономив деньги и время на прокладку проводов от первичного RGB-контроллера.

Светодиодная лента.

Заключение

Более подробно о светодиодах  и способе их управления рассказано в статье Как управлять светодиодом. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.electrik.info

www.robotclass.ru

www.ledjournal.info

www.ledno.ru

www.xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai

Предыдущая

ПолупроводникиЧем стабисторы отличаются от стабилитронов?

Следующая

ПолупроводникиЧто такое адресная светодиодная лента

Как проверить диод мультиметром без выпаивания

Диод – одна из самых распространенных радиодеталей в современной электротехнике. Без нее невозможно собрать ни один электрический прибор. Он используется в производстве и электрических чайников и сложнейших аппаратов МРТ. Встает вопрос, как проверить диод? Это можно сделать самым обычным цифровым мультиметром, которые есть у любого радиолюбителя. Проверка для разных типов диодов отличается друг от друга и имеет некоторые характерные особенности, которые зависят от строения, назначения, типа, параметров работы и других свойств конкретного диода.

Для этого был разработан специальный режим, на котором осуществляется проверка диода. Именно таким образом проверяется его работоспособность, состояние, соответствие техническим характеристикам. При появлении на экране измерительного прибора появится напряжение в промежутке между 0,6-0,7 В, значит радиодеталь исправна. В статье подробно описан весь процесс проверки диода, порядок действия, все особенности и разных типов. В данном материале содержатся несколько видеороликов и подробный практический материал в заключении.

Проверка диода.

Тестирование обычного диода, используя аналоговый мультиметр.

Чтобы проверить обычный Кремниевый диод, используя аналоговый мультиметр, поместите селектор мультиметра в позицию низкого сопротивления (1K). Соедините положительный вывод мультиметра к аноду диода и отрицательный вывод мультиметра к катоду диода. Если мультиметр показывает чтение низкого сопротивления, мы можем предположить, что диод исправен. Этот — тест для того, чтобы проверить прямосмещенный режим диода.

Теперь поместите селектор мультиметра в позицию высокого сопротивления (100K).  Соедините положительный вывод мультиметра к катоду диода и отрицательный вывод к аноду диода. Если мультиметр показывает бесконечное чтение, мы можем предположить, что диод исправен. Этот — тест для того, чтобы проверить обратный режим блокирования диода. Мультиметр показывает бесконечное или очень высокое сопротивление, потому что у обратно-смещенного диода есть очень высокое сопротивление (обычно в диапазоне сотен Омов K).

Диод и светодиод.

Тестирование Диода Зенера

Прямые характеристики Диода Зенера подобны обычному диоду. Так методы, используемые для того, чтобы протестировать вперед проводящий режим любого обычного диода, также применимо к Диоду Зенера . Но в обратном режиме, у напряжения обратного пробоя есть большое значение, и это должно быть в частности протестировано. Например, 5.3-вольтовый Диод Зенера должен начать проводить только, когда примененное обратное напряжение просто превышает 5.3V. Режим обратного смещения Диода Зенера может быть легко протестирован при помощи схемы, данной ниже. Сопротивление R1 может обычно быть 100 Омов.

Мультиметр должен быть в режиме напряжения. Теперь медленно увеличивайте производство переменного источника питания и одновременно наблюдайте напряжение, показанное в мультиметре. Дисплей мультиметра увеличивается вместе с увеличением напряжения источника питания до напряжения пробоя. Кроме того показания мультиметра остается неизменным несмотря на напряжение источника питания. Это вызвано тем, что Диод Зенера находится теперь в области пробоя, и напряжение через него останется постоянным независимо от увеличения напряжения питания, и это постоянное напряжение будет равно напряжению пробоя.

Если показание мультиметра  равно напряжению пробоя, определенному производителем, мы можем предположить, что Диод Зенера исправен. При выполнении этого теста не забудьте не превышать входное напряжение возбуждения к точке, которая вынуждает Диод Зенера рассеять больше питания. Обычно оно не должно превышать  больше, чем 10mA

Особенности диодов

Стандартный диод представляет собой компонент электросети и выступает в роли полупроводника с p-n переходом. Его строение позволяет пропускать ток по цепи только в одном направлении — от анода к катоду (разные концы детали). Для этого нужно подать на анод «+», а на катод – «-». Из-за такой особенности изделия, при подозрении на предмет поломки, его можно проверить тестером или мультиметром.

Различные виды диодов.

На сегодняшний день в радиоэлектронике существует несколько видов диодов: Виды диодов:

• светодиод. При прохождении электрического тока через такой элемент он начинает светиться в результате трансформации энергии в видимое свечение;
• защитный или обычный диод. Такие элементы в электросети выполняют роль супрессора или ограничителя напряжения. Одной из разновидностей данного элемента является диод Шоттки. Его еще называют как диод с барьером Шоттки. Такой элемент при прямом включении дает малое падение напряжения. В Шоттки вместо p-n перехода применяется переход металл-полупроводник.

Вот небольшая подборка, составленная из конкретных диодов и соответствующих им величин Vf, которые были получены при их тестировании мультиметром. Все диоды были предварительно проверены на исправность.

Таблица замеров характеристик диодов с помощью мультимера.

Если обычные детали и светодиоды используются в превалирующем большинстве электроприборов, то Шоттки – преимущественно в качественных блоках питания (например, для таких приборов, как компьютеры). Стоит отметить, что проверка обычного диода и Шоттки практически ни чем особым не отличается, так как проводится по одному и тому же принципу. Поэтому не стоит беспокоиться по данному вопросу, ведь принцип работы и Шоттки, и обычных диодов идентичен.

Обратите внимание! Здесь только стоит отметить, что Шоттки в большинстве случаев встречаются сдвоенными, размещаясь в общем корпусе. При этом они имеют общий катод. В такой ситуации можно эти детали не выпаивать, а проверить «на месте».

Диод Шоттки

Являясь компонентом электронной схемы, такие полупроводниковые элементы довольно часто выходят из строя. Самыми распространенными причинами выхода их из строя бывают:

• превышение максимально допустимого уровня прямого тока;
• превышение обратного напряжения;
• некачественная деталь;
• нарушение правил эксплуатации прибора, установленных производителем.

При этом вне зависимости от причины потери работоспособности выход из строя может быть непосредственно обусловлен либо «пробоем», либо коротким замыканием. В любом случае, если имеется предположение о выходе электросети из строя в зоне полупроводника, необходимо провести его диагностику с помощью специального прибора – мультиметра. Только для проведения таких манипуляций необходимо знать, как проверить диод с его помощью правильно.

Интересное по теме: Как используются фотореле для уличного освещения.

Что такое мультиметр

Мультиметр является универсальным прибором, который выполняет ряд функций:

• измеряет напряжение;
• определяет сопротивление;
• проверяет провода на предмет наличия обрывов.

С помощью этого прибора даже можно определить пригодность батарейки.

Проверка светодиодов в лампе.

Как проверить диод

После того, как мы разобрались с полупроводниками электрической схемы и предназначением прибора, можно ответить на вопрос «как проверить диод на исправность?».
Вся суть проверки диодов мультиметром заключается в их односторонней пропускной способности электрического тока. При соблюдении этого правила элемент электрической схемы считается функционирующим правильно и без сбоев. Обычные диоды и Шоттки можно спокойно проверить с помощью данного прибора. Чтобы проверить этот полупроводниковый элемент мультиметром, необходимо проделать следующие манипуляции:

• необходимо удостовериться, что на вашем мультиметре имеется функция проверки диодов;
• при наличии такой функции подключаем щупы прибора к той стороне полупроводника, с которой будет осуществляться «прозвон». Если данная функция отсутствует, тогда переводим прибор с помощью переключателя на значение 1кОМ. Также следует выбрать режим для измерения сопротивления;
• красный провод измерительного устройства необходимо подключить к анодному концу, а черный – к катодному;
• после этого нужно наблюдать за изменениями прямого сопротивления полупроводника;
• делаем выводы о имеющемся или отсутствующем напряжении

После этого прибор можно переключить, чтобы проверить на предмет утечки или высокого замыкания. Для этого необходимо поменять места вывода диода. В таком состоянии также необходимо провести оценку полученных значений прибора.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Как проверить диодный мост

Иногда имеется ситуация, когда нужно проверить на работоспособность диодный мост. Он имеет вид сборки, состоящей из четырех полупроводников. Они соединяются таким образом, чтобы переменное напряжение, подаваемое к двум из четырех спаянных элементов, переходило в постоянное. Последнее снимается с двух других выводов. В результате происходит выпрямление переменного напряжения и перевод его в постоянное.

По сути, принцип проверки в этой ситуации остается таким же, как было описано выше. Единственной особенностью тут является определение, к какому выводу будет подключен измерительный прибор. Здесь имеется четыре варианта подключения, которые следует «прозвонить»:

• выводы 1 – 2;
• выводы 2 – 3;
• выводы 1 – 4;
• выводы 4 – 3;

При проверке диодов (обычного и Шоттки) с помощью мультиметра, вы получите определенный результат. Теперь нужно понять, что он может означать. К признакам, которые свидетельствуют в пользу исправности полупроводника, относятся следующие моменты:

1. При подключении детали электросхемы к прибору последний будет выдавать величину имеющегося прямого напряжения в этом элементе;
2. Разные типы диодов обладают различным уровнем напряжения, по которому они и отличаются. Например, для германиевых изделий этот параметр составит 0,3-0,7 вольт
3. При подключении обратным способом (щуп прибора к аноду изделия) будет регистрироваться ноль.

Проверив каждый выход, вы получите четыре результата. Полученные показатели следует оценивать по тому же принципу, что и для отдельного полупроводника.

Материал в тему: Что такое кондесатор

Обратная проверка

Если эти два показателя соблюдаются, то полупроводник работает адекватно и причина поломки не в нем. А вот если хотя бы одни из параметров не соответствует, то элемент признается негодным и подлежит замене. Кроме этого следует учитывать, что возможна не поломка, а «утечка». Этот неприятный дефект может проявиться при длительной эксплуатации прибора или некачественной сборке.

При наличии короткого замыкания или утечки, полученное сопротивление будет довольно низким. Причем вывод необходимо делать, основываясь на виде полупроводника. Для германиевых элементов этот показатель в данной ситуации будет иметь диапазон от 100 килоом до 1 мегаом, для кремниевых — тысячи мегаом. Для выпрямительных полупроводников данный показатель будет в разы больше.

Как видим, своими силами не так уж и сложно провести оценку работоспособности полупроводников в любом электроприборе. Вышеописанный принцип подходит для проверки диодных элементов различных типов и видов. Главное в этой ситуации правильно подключить измерительный прибор к полупроводнику и проанализировать полученные результаты.

Два диода Шоттки.

Проверка работоспособности диода, светодиода, стабилитрона.

• Устанавливаем прибор в режим прозвонки, если такого режима нет, то в режим измерения сопротивления 1кОм;
• Убеждаемся, что щупы прибора подключены в нужные нам гнезда мультиметра;
• Провод красного цвета подсоединяется к аноду, а провод черного цвета — к катоду;
• Производим измерение. В режиме прозвонки, при подключении диода прибор показывает падение напряжения от 200 до 400 мВ для германиевых диодов, от 500 до 700 мВ для кремниевых. При измерении сопротивления прибор будет показывать сопротивление диода. К примеру, для германиевых элементов сопротивление составляет от 100 килоом до 1 магаома, для элементов выполненных из кремния этот показатель равен 1000 мегаом. Если проверяется выпрямительный полупроводник, то значение еще более высокое. Это обязательно нужно учитывать, чтобы не допустить ошибку при определении результатов;
• Меняем местами красный и черный щуп прибора;
• Производим измерение. Если диод подключить в обратном направлении, то прибор будет показывать единицу «1», то есть величина сопротивления или напряжения утечки бесконечно большая;
• Нужно помнить, что может быть вовсе не поломка, а утечка. Этот вариант возможен в двух случаях, если прибор долго находился в эксплуатации или же сборка его была выполнена не качественно. Если имеется короткое замыкание или утечка, то прибор покажет низкое сопротивление. Причем при определении результата нужно учитывать вид полупроводника.
• Делаем выводы о работоспособности элемента.

Если все показатели соблюдены, то можно смело сказать, что он работает правильно и исправен. А вот если хотя бы один параметр не верный, то это свидетельствует о том, что элемент нужно заменить.

Проверка диода.

Заключение

В данной статье описаны главные этапы проверки диода мультиметром. Более подробную информацию можно узнать из статьи Как проверять мультиметром радиодетали.  В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.radioschema.ru

www.ledsovet.ru

www.electrongrad.ru

www.svetilnik.info

Предыдущая

ПрактикаПроверка реле при помощи мультиметра

Следующая

ПрактикаКак проверить стабилитрон на работоспособность

характеристики диодов с двумя и тремя выводами, схема подключения

Словосочетание двухцветный светодиод свидетельствует о свечении такого чипа двумя цветами. У этого вида источников света 2 разноцветных кристалла и 2 или 3 вывода. Конструкция похожа на RGB, но принцип работы другой – один кристалл горит, если ток проходит одном направлении, второй – при изменении полярности. Это особенность используется в индикаторах и системах сигнализации различного электрооборудования.

Характеристика двухцветных диодов с двумя и тремя выходами

В двухцветный диод установлены 2 кристалла,соединенные встречно-параллельно. Корпус имеет стандартные размеры DIP И SMD с двумя или тремя выводами. При первом варианте каждый вывод служит анодом одного кристалла и катодом другого. Такой источник излучает 2 или 3 цвета. Третий получается при одновременном свечении обеих кристаллов.

Возможные комбинации цветов:

• красный и синий;
• красный и зеленый;
• красный и желтый или желто-зеленый;
• синий и желтый;
• зеленый и желтый.

Падение напряжения зависит от цвета кристалла:

• красный 1,6 В;
• зеленый 1,8 В;
• синий 3,5 В;
• желтый 1,7 В.

Важно! Двухцветный светодиод всегда можно заменить двумя чипами разного цвета, соединенными по соответствующей схеме.

Если у двухцветного светодиода 2 вывода, кристаллы соединены встречно-параллельно. В конструкции с общим анодом или катодом установлено 2 светодиода разного цвета.

В чипах с двумя выводами общий контакт чаще всего расположен посередине корпуса, но бывают исключения. Определить полярность можно при помощи омметра.

Цвета кристаллов подбираются в соответствии с правилами эргономики. Зеленый цвет чаще всего указывает на нормальную работу оборудования, красный – на аварийную ситуацию. Для определения режима ждущего режима используется желтый цвет. Синие кристаллы используются для подсветки поверхностей темных оттенков.