История вопроса и терминология

Первые массово выпускаемые и доступные светодиоды в конце 60-х-начале-70-х годов XX века применялись в целях индикации, а не освещения [1]. В первую очередь из-за их малой световой отдачи, яркости и мощности, а во вторую — потому что они были цветными. Белые сверхъяркие светодиоды, которые сегодня зачастую подразумеваются под понятием «светодиод», среди них отсутствовали. Для питания таких цветных маломощных светодиодов применялись простейшие электронные схемы (см. рис. 1) в виде линейных стабилизаторов (ЛС).

Рисунок 1. Пример принципиальной схемы линейного стабилизатора постоянного тока

Характерной особенностью этих схем являлось отсутствие элементов, накапливающих энергию, таких как дроссели и конденсаторы. Вместо них применялись полупроводниковые элементы, такие как транзисторы, диоды, стабилитроны. В виду своей простоты и малых габаритов данные схемы не выделялись в отдельный источник питания и не имели собственного корпуса. Как правило, они располагались вместе со светодиодами на одной печатной плате.

Появление в 1994 году первого коммерческого яркого синего светодиода послужило толчком к созданию первых белых светодиодов в наиболее распространённом на сегодняшний день виде: с люминофором. Но, несмотря на то, что первые образцы белых светодиодов с люминофорным покрытием появились уже в 1996 году, их высокая стоимость и невысокая по сравнению с современными светодиодами эффективность не способствовали широкому применению в области освещения. Лишь во второй половине 2000-х годов сверхъяркие белые светодиоды начали активно применяться в освещении, постепенно набирая обороты. Мощность этих светодиодов значительно возросла по сравнению с применяемыми для индикации монохромными светодиодами, соответственно, возросли и потери мощности в источнике питания, применение линейных стабилизаторов стало невыгодно.

На сцену вышли электронные импульсные источники питания (ИИП), более дорогие, конструктивно и технологически более сложные, но обладающие гораздо лучшей эффективностью. Кроме того, ИИП позволяли обеспечить более высокую точность и стабильность тока через светодиоды, что было важно для первых коммерчески успешных белых светодиодов, предъявлявших высокие требования к качеству питания.

Отличительной особенностью класса импульсных источников питания является обязательное наличие накопительного реактивного элемента (см. рис. 2) (конденсатор, дроссель, трансформатор) и силовых полупроводниковых элементов (транзистор, диод).

Рисунок 2. Структурная схема импульсного источника питания светодиодов на основе понижающего преобразователя постоянного тока

В отличие от схем с линейными стабилизаторами, где полупроводниковые элементы работают непрерывно, в импульсных источниках питания формирование тока через светодиоды обеспечивается короткими импульсами. Во время этих импульсов полупроводниковые элементы включаются и выключаются, обеспечивая накопление поступающей из внешнего источника питания электрической энергии (будь то сеть переменного тока или источник постоянного напряжения) с помощью реактивных элементов, затем выводя эту энергию в нагрузку, на светодиоды. Импульсный принцип работы и дал название всему семейству источников питания.

Современные мощные белые светодиоды значительно дешевле тех, что были доступны на рынке 10 лет назад, а их эффективность значительно выше. При этом требования к качеству питания они предъявляют значительно более мягкие и многое «прощают». Всё это приводит к тому, что для ряда приложений может оказаться выгодным применение электромагнитных источников питания (ЭМИП). Электромагнитные источники питания, как и электронные импульсные, имеют реактивный элемент — дроссель (см. рис. 3), но, в отличие от них, используют его не для накопления энергии, а в качестве реактивного сопротивления для ограничения тока через светодиоды, т.е. дроссель здесь является балластом.

Рисунок 3. Структурная схема электромагнитного источника питания светодиодов

По эффективности ЭМИП превосходят на средних и больших мощностях линейные стабилизаторы, но уступают импульсным. Выгодным отличием электромагнитных источников питания от импульсных является надёжность (меньше элементов — меньше шансов выхода из строя), конструктивная простота, ремонтопригодность, меньшая стоимость.

Текущее положение дел

На данный момент линейные стабилизаторы довольно широко применяются в области освещения: для питания светодиодов в составе бегущих строк, декоративных светильников, ретрофитных ламп, светильников для транспортных средств, медицинских светильников, портативных фонариков и пр. Линейные стабилизаторы сегодня можно встретить даже в бытовых холодильниках. Однако общая доля линейных стабилизаторов среди всех источников питания для светодиодов крайне мала: 1-2 %. Оставшуюся часть занимают импульсные источники питания. И это неудивительно, т.к. они позволяют сделать компактный, эффективный, относительно недорогой драйвер для светодиодных светильников любой мощности. Электромагнитные источники для питания светодиодов начали рассматривать относительно недавно [2], и широкого распространения они пока не получили.

Если в процентном соотношении ситуация ясна, то в абсолютных величинах картина остаётся туманной. Чтобы оценить мировые масштабы обратимся к информации британской аналитической компании IHS (рис. 4).

Рисунок 4. Распределение по уровню мощности источников питания для светодиодов

Помимо общей тенденции к увеличению количества произведённых светодиодных источников питания в мире, мы видим, что согласно прогнозу продажи источников питания средней мощности (25-59 Вт), применяемых в основном для внутреннего освещения и ритейла, к 2020 году составят порядка 2 миллиардов штук в год — 53.7 % от общего количества. И приблизительно столько же будет продано источников питания малой мощности (менее 25 Вт) для ЖКХ и бытового потребления — 44.9 % от общего количества. При этом источники питания высокой мощности (60-150 Вт) составят около 80 миллионов шт. в год — менее 2 % от общего количества.

Характерные особенности электронных импульсных источников питания

Общей чертой всех импульсных источников питания для светодиодов является стабилизация выходного тока, т.е. при изменении напряжения в сети, ток светодиодов будет неизменным. Среди всего многообразия топологий схем импульсных источников питания наибольшее распространение получили две.

Однокаскадная

Импульсные источники питания, построенные по однокаскадной топологии, любимы многими производителями за простоту и невысокую стоимость. В основе данной топологии лежит совмещение функций коррекции коэффициента мощности и стабилизации тока в одном преобразователе (см. рис. 5). Если требуется гальваническая развязка, то в этой роли выступает обратноходовой преобразователь (flyback converter), если можно обойтись без развязки, то источник строится на основе повышающе-понижающего преобразователя (buck-boostconverter).

Рисунок 5. Структурная схема однокаскадного импульсного источника питания для светодиодов

Простота и дешевизна достигнуты использованием всего одного реактивного моточного элемента — дросселя или трансформатора, в зависимости от требования гальванической развязки. Кроме того, используется один силовой полупроводниковый элемент для запасания энергии в трансформаторе, и ещё один для её вывода. Данная топология оказалась оптимальной по стоимости, габаритным размерам, эффективности, стабильности и точности поддержания выходных параметров для большинства светодиодных нагрузок мощностью от 10 до 100 Вт с номинальными токами от 150 до 2000 мА. При повышении мощности и/или увеличении выходного тока оптимальность однокаскадной топологии достаточно легко ставится под вопрос.

Особенности однокаскадной топологии

Пусковой ток в сети при подаче напряжения питания равен или незначительно превышает номинальный потребляемый ток. Например, если включить в сеть 230 В однокаскадный ИИП мощностью 60 Вт, амплитуда броска тока будет порядка 260 мА. Почему этот параметр важен? Потому что, если пусковой ток значительно превышает номинальный, может сработать защитный автомат на линии питания и обесточить всю линию.

Нормальным значением коэффициента мощности для однокаскадной топологии можно считать величину в пределах 0.95-0.97. Эта величина зависит от мощности светодиодной нагрузки и входного напряжения, и обычно меняется в диапазоне от 0.85 до 0.99. Ещё одной важной особенностью однокаскадной топологии является ограниченный диапазон рабочей выходной мощности. Проще говоря, вы не сможете запитать светодиодную нагрузку мощностью 10 Вт от источника питания мощностью 40 Вт. Он, скорее всего, даже не включится, хотя по току драйвер вам подходит. Большинство однокаскадных источников питания не работают при мощности нагрузки менее 50 % максимальной.

Также источники питания для светодиодов, выполненные по однокаскадной топологии, не могут диммироваться до нуля. Как правило, диммирование для них доступно в диапазоне от 10 % до 100 % номинального выходного тока.

Снижение пульсаций светового потока и, соответственно, освещённости может достигаться двумя путями. Первый — увеличение ёмкости выходных фильтрующих конденсаторов, что влечёт за собой рост габаритов источника и его стоимости. Второй — применение активного фильтра с использованием полупроводниковых элементов, что лишь незначительно увеличивает стоимость, но эффективность понижает на 1-2 %. Поэтому не стоит гнаться за сверхнизким значением пульсации светового потока без крайней на то необходимости, платить за это придётся снижением КПД.

Двухкаскадная

В основе двухкаскадной топологии лежат по сути два отдельных преобразователя, объединённых на одной печатной плате и помещённые в общий корпус.

Рисунок 6. Структурная схема двухкаскадного импульсного источника питания для светодиодов

Один преобразователь выполняет функцию корректора коэффициента мощности, другой — обеспечивает требуемый режим работы светодиодов. Количество реактивных и силовых полупроводниковых элементов в данной топологии как минимум в два раза больше по сравнению с однокаскадной, что обуславливает увеличение стоимости в сравнении с однокаскадной топологией. ИИП, выполненный по двухкаскадной топологии, способен показать высокую эффективность при высоких значениях выходных токов (2 А и выше) и/или при низком сетевом напряжении (110 В). Наибольшее распространение получили источники питания по двухкаскадной топологии на мощности от 100 до 250 Вт. В этом диапазоне мощностей их более высокая по отношению к однокаскадным ИИП стоимость компенсируется более высокой эффективностью и меньшими размерами.

Особенности двухкаскадной топологии

Пусковой ток при подаче питания на вход ИИП может превышать номинальный на несколько порядков. К примеру, при включении в сеть 230 В двухкаскадного ИИП мощностью 100 Вт амплитуда броска тока может составлять 20-50 А, в то время как номинальный ток потребления составит всего 0.43 А. Этот момент необходимо учитывать при выборе защитного автомата. Для борьбы с этим неприятным эффектом могут применяться специальные устройства, ограничивающие бросок пускового тока в линии. Либо можно применять более дорогие источники питания, в которых аналогичный ограничитель встроен.

Коэффициент мощности в двухкаскадной топологии очень высок, обычно 0.98-0.99, и зависит от напряжения сети и нагрузки в меньшей степени, чем в однокаскадной топологии.

Одним из неоспоримых преимуществ двухкаскадных ИИП является возможность обеспечения постоянного тока светодиодов в широком диапазоне выходной мощности. Т.е. речь уже о 10-100 % максимальной выходной мощности, а не о 50-100 %, как у однокаскадных.

Также двухкаскадные ИИП хорошо диммируются до нулевого значения выходного тока.

Наличие двух каскадов, каждый из которых работает на частотах в десятки и сотни килогерц позволяет источнику обеспечить сверхнизкие пульсации светового потока. Типовое значение пульсации светового потока светильника с двухкаскадным источником питания — 0.5 %.

Характерные особенности электромагнитных источников питания

Стоит упомянуть, что сама по себе идея использовать реактивное сопротивление для ограничения тока светодиодов не нова. Довольно давно и с определённым успехом применяются схемы питания с балластной ёмкостью, в которой в качестве токоограничивающего реактивного элемента применяется конденсатор (см. рис. 7).

Рисунок 7. Структурная схема источника питания с балластной ёмкостью

Однако мощность таких схем составляет 1-3 Вт. В этом диапазоне можно использовать ёмкости небольших габаритов, способные уместиться даже в цоколь ретрофитной светодиодной лампы. При дальнейшем увеличении мощности обойтись одним-двумя конденсаторами не получается, приходится использовать целую батарею конденсаторов, соединяя их параллельно. Габариты и цена при этом вырастают до неприличных размеров.

На больших мощностях 60-300 Вт гораздо эффективнее применять в качестве реактивного элемента дроссель. Найти готовый, подходящий по параметрам дроссель не всегда представляется возможным, придётся его рассчитывать и изготавливать. Но в ряде случаев могут подойти готовые дроссели, применяемые для питания газоразрядных ламп.

На мощностях 3-60 Вт использовать для питания светодиодов токоограничивающий дроссель можно, но ИИП будет дешевле и компактнее. Характерной особенностью схем с реактивным сопротивлением, будь то балластная ёмкость или электромагнитный балласт, является зависимость тока светодиодов от входного сетевого напряжения. Чем выше напряжение, тем больше будет ток (см. рис. 8).

Рисунок 8. Зависимость выходного тока от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

Кроме того, ток светодиодов также будет зависеть и от величины напряжения на светодиодах, т.е. от того, в каком количестве и как они соединены. Существует оптимальное напряжение на светодиодах, при котором из сети передаётся максимальная мощность, а пульсации светового потока при этом минимальны [3].

Зависимость тока СД от входного напряжения на первый взгляд — существенный минус. При разработке светильника нужно быть уверенным, что светодиоды не перегреются и не выйдут из строя во всём диапазоне входного напряжения, возникает необходимость применения более дорогих и мощных светодиодов с запасом по максимально допустимому току.

С другой стороны такое поведение выходного тока — плюс, поскольку светодиодные светильники с электромагнитным источником питания с успехом могут быть применены в работающих с газоразрядными лампами системах управления освещением. Например, АСУНО «БРИЗ» компании «Светосервис ТМ» или АСУНО «Кулон» компании «Сандракс».

Кроме того, возможно создание локальной супербюджетной системы управления освещением. Например, вам необходимо осветить небольшую автостанцию с 8-ю светодиодными светильниками 100 Вт, и при этом вы хотите снижать освещённость в ночные часы, но не хотите платить за систему управления освещением, которая стоит дороже, чем все ваши светильники вместе взятые. Для реализации этой задачи всё, что вам понадобится — подсоединить светильники к сети питания через лабораторный автотрансформатор мощностью 1-1.5 кВА. Стоимость решения меньше стоимости одного светильника. Конечно, регулирование придётся осуществлять руками, и это не всегда приемлемо. Но можно не сомневаться, что найдётся немало потребителей, для которых стоимость решения перевесит подобные недостатки.

Коэффициент мощности в ЭМИП также зависит от входного напряжения (см. рис. 9). При номинальном напряжении питания 230 В коэффициент мощности величиной 0.97-0.99 достигается тем же образом, что и в электромагнитных балластах для газоразрядных ламп: подключением конденсатора, компенсирующего сдвиг фазы между сетевым напряжением и потребляемым током. Величина ёмкости этого конденсатора будет зависеть от индуктивности дросселя и мощности светильника.

Рисунок 9. Зависимость коэффициента мощности от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

От входного напряжения будет также зависеть и эффективность ЭМИП (см. рис. 10). Чем ниже входное напряжение, тем выше КПД источника питания. При этом учтем, что снижение тока через светодиоды приводит к возрастанию их световой отдачи. В результате снижение потребляемой мощности приводит к увеличению эффективности всего светильника, и световой поток снижается меньше. На примере образца светильника GALAD Омега LED-120-ШБ/У50с ЭМИП можно отметить (см. рис. 11), что изменение напряжения питания с 220 В до 170 В приводит к снижению потребляемой мощности почти в два раза (на 45 %), а световой поток снижается только на треть (на 34 %).

Рисунок 10. Зависимость эффективности от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

Рисунок 11. Относительное изменение характеристик в образце светильника GALAD Омега LED-120-ШБ/У50 с электромагнитным источником питания

Светодиодный светильник с ЭМИП при правильном расчёте способен выдержать кратковременные скачки сетевого напряжения до 300-380 В. При этом, конечно, ток через светодиоды будет превышать номинальный в 1.5-2 раза, но современные мощные светодиоды способны переносить такие скачки без последствий. Если высокое напряжение появилось на входе источника питания надолго, например, при обрыве нулевого проводника в линии питания, то светильник будет работать на повышенной мощности. Сколь долго? Необходимо испытывать в каждом конкретном случае. Но стоит учитывать, что при обрыве нулевого проводника должна сработать защитная автоматика на линии. Но если есть основания полагать, что она не сработает, то светильнику понадобится дополнительная защита от повышенного входного напряжения.

ЭМИП для светодиодов способен работать без фильтрующих электролитических конденсаторов по выходу. Пульсации светового потока при этом будут близки к 100 %, но зато можно таким образом добиться стабильной надёжной работы при экстремальных температурах от -70 до +95 °С.

При необходимости простым способом снизить пульсации светового потока, можно всё же применить электролитические конденсаторы. Их наличие в источнике питания не является принципиальной помехой для использования его при низких температурах. При включении светильника на температуре -60 °С ток заряда конденсаторов будет ограничен реактивным сопротивлением дросселя и не окажет разрушающего воздействия на замёрзшие конденсаторы.

Высокая надёжность ЭМИП обусловлена малым количеством элементов (меньше шансов сломаться), их высокой помехозащищённостью и стойкостью к внешним воздействиям (сложно вывести из строя дроссель).

Основная сложность, связанная с использованием ЭМИП для питания светодиодов, заключается в том, что источник питания не может восприниматься как чёрный ящик с заранее известными характеристиками. Для каждой конкретной светодиодной нагрузки требуются испытания, требуется тщательное исследование тепловых режимов светодиодов и источника в составе светильника во всём диапазоне сетевого напряжения, требуется подбор индуктивного сопротивления. Всё это занимает как минимум несколько итераций, чаще всего в продаже требуемого дросселя не оказывается, а при отсутствии собственного моточного производства, его заказ на стороне ещё больше затянет сроки вывода светильника на рынок.

Выводы

Подводя итог, можно сказать, что нет повода говорить о конце эпохи электронных импульсных источников питания в освещении. Наоборот, с каждым годом в мире их выпускается всё больше. Там, где требуется высокая эффективность, компактность, низкий уровень пульсаций светового потока, высокая точность и стабильность, электронные импульсные источники питания вне конкуренции. Там, где во главу угла ставится низкая стоимость, надёжность и возможность работы при низких температурах, перспективно выглядят электромагнитные источники питания.

Е.С. Ошуркова, технический консультант ООО «БЛ Трейд»

Список литературы: 1. Георгобиани С.А., Горев Л.В., Клыков М.Е., Коваленко Е.А. Электромагнитные ПРА для светодиодов. Светотехника, № 4, 2013. 2. Клыков М.Е. Устройства питания светодиодов при включении в сеть переменного тока. Светотехника, № 6, 2010. 3. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2008.

светодиодный источник тока (электронная схема)

Выходные контакты интерфейса с логикой TTL (такой как наш программируемый MP3-плеер) может управлять один светодиод в лучшем случае. Если вы должны управлять несколькими светодиодами с одним выходом, Есть несколько вариантов:

• Управляйте реле от логики TTL и включайте / выключайте светодиоды отдельным источник питания. Это может быть удобно, если светодиоды уже имеют ограничение тока резистор. Обратите внимание, что не все реле совместимы с уровнями TTL.Мы использовали и реле DIL и твердотельные реле успешно.
• Вместо реле используйте силовой транзистор. Это не имеет перенапряжения защита реле, но оно дешевле и переключается быстрее. Смотреть статью Выходная мощность для H0420 для примера схемы. Опять же эта схема удобна, если светодиоды уже есть токоограничивающий резистор.
• Для разветвления двух или более простых светодиодов, то есть светодиодов не имеют ограничитель тока резистор, к выходу ТТЛ удобнее использовать «постоянный ток источник «схема.Эта схема находится в центре внимания этой статьи.

Использование источника тока — лучший способ управлять несколькими светодиодами, потому что Яркость светодиода зависит от тока, который проходит через него. Даже внутри серия светодиодов (с одинаковым номером продукта и от одного производителя), вариация прямого напряжения светодиодов довольно велика. При использовании резистор для ограничения тока светодиода, ток, который течет через светодиод немедленно связан с прямым напряжением. Изменение прямых напряжений из светодиодов, следовательно, приводит к различиям в яркости.

Источник тока невосприимчив к вышеуказанной проблеме, так как он регулирует ток, и не напряжение, которое течет через светодиоды.

Схема

Для схемы, давайте сначала рассмотрим, что ничего не прикреплено к P1 .Затем база транзистора и анод из светодиодов ( D1 ) подтягиваются резистором R2 . Из-за зеленого светодиода напряжение на базе транзистора будет таким же, как прямое напряжение светодиод, который составляет 2,1 В для стандартного зеленого светодиода. Если база транзистора составляет 2,1 В, то его излучатель будет на 0,6 В ниже или 1,5 В. Это означает, что Ток через резистор R3 составляет 15 мА (1,5 В, деленное на 100 Ом). Этот же ток также проходит к ряду светодиодов, подключенных между двумя штифты P3 .

Если на вывод P1 подается низкий уровень, транзистор блокируется и ток отсутствует будет течь через светодиоды. Эта возможность позволяет вам переключать последовательность Светодиоды включаются и выключаются с внешнего устройства с использованием логики TTL или выходов с открытым коллектором. Вы можете затемнить светодиоды одним и тем же способом: выключите и включите контакты очень Быстрая последовательность, варьирующая ширину «вкл» -импульса. Для достижения наилучших результатов это Схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ) должна происходить на частоте между 50 Гц и 100 Гц.

Если вы планируете не управлять источником тока от внешнего устройства, вы можете резистор R1 и разъемы P1 и P2 опущены. Даже если вы используете или для подачи тока от другого устройства, вы можете по-прежнему опускается R1 при условии, что выходной контакт внешнего устройства является открытым коллектором или имеет внутренний резистор .

Резистор R2 может быть опущен, если источник тока питается от внешнее устройство (на P1 ) и этот вывод , а не открытый коллектор.В частности, для нашего программируемого MP3-плеера, и R1 и R2 могут быть опущены.

Конечные ноты

Максимальное количество светодиодов, которые может использовать один источник тока при напряжении 24 В, зависит на цвет светодиодов. Каждый цвет светодиода изготавливается из разного полупроводника. материал с другим прямым напряжением. Прямые напряжения в таблице ниже приведены приблизительные значения, потому что типичное прямое напряжение для светодиода зависит от производителя и даже в пределах серии светодиодов, допуск прямое напряжение довольно высокое.

Эта схема может при напряжении 24 В возбуждать до 6 белых светодиодов и до 10 красных светодиодов. Если вам нужно подключить больше светодиодов, вы можете поместить несколько источников тока в каскад. к для этого подключите контакт P2 одного источника тока к P1 следующего источника тока.

Подобные источники тока доступны преднастроенным из Конрада (номер продукта 185027-I5).

светодиодов (LED) — learn.sparkfun.com

Введение

светодиодов вокруг нас: В наших телефонах, наших автомобилях и даже наших домах. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта: они бекон электроники.Они широко предназначены для того, чтобы сделать любой проект лучше, и их часто добавляют в невероятные вещи (к радости всех).

Однако, в отличие от бекона, они не годятся, как только вы их приготовили. Это руководство поможет вам избежать любых случайных светодиодных барбекю! Хотя обо всем по порядку. Что именно — это , о котором все говорят?

(то есть «ell-ee-dees») — это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. На самом деле светодиод означает «светоизлучающий диод».«(Он делает то, что говорит на банке!) И это отражается в сходстве между диодными и светодиодными схематическими обозначениями:

Короче говоря, светодиоды похожи на крошечные лампочки. Тем не менее, для сравнения светодиоды требуют гораздо меньше энергии. Они также более энергоэффективны, поэтому они не имеют тенденцию нагреваться, как обычные лампочки (если вы действительно не накачиваете в них энергию). Это делает их идеальными для мобильных устройств и других приложений с низким энергопотреблением. Не считайте их из мощной игры.Светодиоды высокой интенсивности нашли свое применение в акцентном освещении, прожекторах и даже автомобильных фарах!

Тебе уже хочется? Желание поставить светодиоды на все? Хорошо, оставайтесь с нами, и мы покажем вам как!

Рекомендуемое чтение

Вот некоторые другие темы, которые будут обсуждаться в этом руководстве. Если вы не знакомы ни с одним из них, пожалуйста, ознакомьтесь с соответствующим руководством, прежде чем идти дальше.

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается с цепи.Не знаете, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как молнии в грозах, но что это? Это не простой вопрос, но этот урок проливает свет на него!

Диоды

Диодный праймер! Диодные свойства, типы диодов и применение диодов.

Электроэнергия

Обзор электроэнергии, скорость передачи энергии. Мы поговорим об определении мощности, ваттах, уравнениях и номинальных мощностях. 1,21 гигаватт учебного веселья!

Полярность

Введение в полярность в электронных компонентах. Узнайте, что такое полярность, в каких частях она есть и как ее определить.

Предложенный просмотр

Как использовать их

Итак, вы пришли к разумному выводу, что вам нужно поставить светодиоды на все.Мы думали, что ты придешь.

Давайте пройдемся по книге правил:

1) Вопросы полярности

В электронике полярность указывает, является ли компонент схемы симметричным или нет. Светодиоды, будучи диодами, позволяют току течь только в одном направлении. А когда нет тока, нет света. К счастью, это также означает, что вы не можете сломать светодиод, подключив его в обратном направлении. Скорее это просто не будет работать.

Положительная сторона светодиода называется «анодом» и отмечена наличием более длинного «провода» или ножки.Другая отрицательная сторона светодиода называется катодом . Ток течет от анода к катоду, а не в противоположном направлении. Обратный светодиод может препятствовать нормальной работе всей цепи, блокируя ток. Так что не волнуйтесь, если добавление светодиода нарушит вашу цепь. Попробуйте перевернуть это.

2) Текущий ток равняется Моарному свету

Яркость светодиода напрямую зависит от того, какой ток он потребляет. Это означает две вещи. Во-первых, суперяркие светодиоды разряжают батареи быстрее, потому что дополнительная яркость зависит от используемой дополнительной мощности.Во-вторых, вы можете контролировать яркость светодиода, управляя величиной тока через него. Но установка настроения не единственная причина, чтобы сократить ваш ток.

3) Есть такая вещь, как слишком большая сила

Если вы подключите светодиод непосредственно к источнику тока, он попытается рассеять столько энергии, сколько ему позволено, и, подобно трагическим героям Олде, уничтожит сам себя. Вот почему важно ограничить количество тока, протекающего через светодиод.

Для этого мы используем резисторы. Резисторы ограничивают поток электронов в цепи и защищают светодиод от попыток получить слишком большой ток. Не волнуйтесь, для определения наилучшего значения резистора требуется лишь небольшая математика. Вы можете узнать все об этом в примерах применения нашего учебника по резисторам!

Резисторы

1 апреля 2013 г.

Учебник по всем вещам резисторов. Что такое резистор, как они ведут себя параллельно / последовательно, декодируют коды цветов резистора и применяют резистор.

Не позволяй всей этой математике напугать тебя, на самом деле довольно сложно все испортить. В следующем разделе мы поговорим о том, как сделать светодиодную схему без вашего калькулятора.

Светодиоды без математики

Прежде чем мы поговорим о том, как читать таблицы, давайте подключим некоторые светодиоды. В конце концов, это учебник по светодиодам, а не учебник по чтению .

Это также не учебник по математике, поэтому мы дадим вам несколько практических правил по установке и эксплуатации светодиодов.Как вы, вероятно, собрали из информации в предыдущем разделе, вам понадобится батарея, резистор и светодиод. В качестве источника питания мы используем аккумулятор, потому что их легко найти и они не могут подавать опасное количество тока.

Базовый шаблон для светодиодной схемы довольно прост, просто подключите батарею, резистор и светодиод последовательно. Как это:

330 Ом Резистор

Хорошее значение резистора для большинства светодиодов — 330 Ом (оранжевый — оранжевый — коричневый).Вы можете использовать информацию из последнего раздела, чтобы помочь вам определить точное значение, которое вам нужно, но это светодиоды без математики … Итак, начните с подключения резистора 330 Ом в вышеуказанную цепь и посмотрите, что произойдет.

проб и ошибок

Интересная особенность резисторов заключается в том, что они рассеивают дополнительную мощность в виде тепла, поэтому, если у вас есть резистор, который нагревается, вам, вероятно, нужно использовать меньшее сопротивление. Однако, если ваш резистор слишком мал, вы рискуете перегореть светодиод! Учитывая, что у вас есть несколько светодиодов и резисторов, с которыми можно поиграть, приведем схему, которая поможет вам спроектировать схему светодиодов методом проб и ошибок:

Throwies с батарейкой типа «монета»

Еще один способ зажечь светодиод — просто подключить его к батарейке типа «таблетка»! Поскольку ячейка монеты не может подавать достаточный ток, чтобы повредить светодиод, вы можете соединить их напрямую вместе! Просто вставьте монетоприемник CR2032 между выводами светодиода.Длинная нога светодиода должна касаться стороны батареи, отмеченной знаком «+». Теперь вы можете обернуть ленту вокруг всего этого, добавить магнит и приклеить его! Уя за подлых!

Конечно, если вы не добились хороших результатов с помощью метода проб и ошибок, вы всегда можете достать свой калькулятор и вычислить его. Не волнуйтесь, не сложно рассчитать лучшее значение резистора для вашей схемы. Но прежде чем вы сможете определить оптимальное значение резистора, вам нужно найти оптимальный ток для вашего светодиода.Для этого нам необходимо сообщить в таблицу …

Получить подробную информацию

Не подключайте к своим цепям какие-либо странные светодиоды, это просто вредно для здоровья. Узнай их первым. И как лучше, чем читать таблицы.

В качестве примера мы рассмотрим таблицу для нашего основного красного 5-мм светодиода.

Светодиодный ток

Начиная сверху и спускаясь, первое, с чем мы сталкиваемся, это очаровательный стол:

Ах, да, но что все это значит?

Первая строка в таблице указывает, какой ток ваш светодиод сможет выдерживать непрерывно.В этом случае вы можете дать ему 20 мА или меньше, и он будет светить ярче всего при 20 мА. Второй ряд говорит нам, каким должен быть максимальный пиковый ток для коротких импульсов. Этот светодиод может выдерживать короткие удары до 30 мА, но вы не хотите выдерживать этот ток слишком долго. Эта таблица данных даже достаточно полезна, чтобы предложить стабильный диапазон тока (в третьем ряду сверху) 16-18 мА. Это хорошее целевое число, чтобы помочь вам сделать расчеты резисторов, о которых мы говорили.

Следующие несколько строк имеют меньшее значение для целей этого урока.Обратное напряжение — это свойство диода, о котором вам не нужно беспокоиться в большинстве случаев. Рассеиваемая мощность — это количество энергии в милливаттах, которое светодиод может использовать до получения повреждения. Это должно работать само собой, пока вы держите светодиод в пределах его рекомендуемых значений напряжения и тока.

Светодиодное напряжение

Посмотрим, какие еще столы они здесь поставили … Ах!

Это полезный столик! В первом ряду сообщается, каким будет падение напряжения на светодиодах .Прямое напряжение — это термин, который очень часто встречается при работе со светодиодами. Этот номер поможет вам решить, какое напряжение необходимо подать в схему на светодиод. Если к одному источнику питания подключено более одного светодиода, эти цифры действительно важны, потому что прямое напряжение всех светодиодов, сложенных вместе, не может превышать напряжение питания. Мы поговорим об этом более подробно позже в углубленном разделе этого урока.

LED Длина волны

Во второй строке этой таблицы указывается длина волны света.Длина волны в основном очень точный способ объяснить, какого цвета свет. Это число может варьироваться, поэтому таблица дает нам минимум и максимум. В этом случае это от 620 до 625 нм, что находится на нижнем красном конце спектра (от 620 до 750 нм). Опять же, мы более подробно рассмотрим длину волны в более глубоком разделе.

Яркость светодиодов

Последний ряд (помеченный «Интенсивность света») — это показатель яркости светодиода. Единица измерения mcd, или millicandela , является стандартной единицей измерения интенсивности источника света.Этот светодиод имеет максимальную интенсивность 200 мкд, что означает, что он достаточно яркий, чтобы привлечь ваше внимание, но не совсем яркий фонарик. В 200 мкд, этот светодиод будет хорошим индикатором.

Угол обзора

Далее у нас есть этот веерообразный график, который представляет угол обзора светодиода. Различные типы светодиодов будут включать линзы и отражатели, чтобы либо сконцентрировать большую часть света в одном месте, либо распространить его как можно шире. Некоторые светодиоды похожи на прожекторы, которые излучают фотоны во всех направлениях; Другие настолько направленны, что вы не можете сказать, что они включены, если вы не смотрите прямо на них.Чтобы прочитать график, представьте, что светодиод стоит прямо под ним. «Спицы» на графике представляют угол обзора. Круглые линии представляют интенсивность в процентах от максимальной интенсивности. Этот светодиод имеет довольно узкий угол обзора. Вы можете видеть, что если смотреть на светодиод прямо вниз, это когда он самый яркий, потому что при 0 градусах синие линии пересекаются с самой внешней окружностью. Чтобы получить угол обзора 50%, угол, при котором свет становится вдвое менее интенсивным, следуйте по кругу 50% вокруг графика, пока он не пересекает синюю линию, затем следуйте по ближайшему выступу, чтобы прочитать угол.Для этого светодиода угол обзора 50% составляет около 20 градусов.

Размеры

Наконец, механический чертеж. Это изображение содержит все измерения, которые вам понадобятся, чтобы фактически установить светодиод в корпус! Обратите внимание, что, как и большинство светодиодов, у этого есть небольшой фланец внизу. Это очень удобно, когда вы хотите установить его на панели. Просто просверлите отверстие идеального размера для корпуса светодиода, и фланец предотвратит его падение!

Теперь, когда вы знаете, как расшифровать таблицу, давайте посмотрим, с какими необычными светодиодами вы можете столкнуться в дикой природе…

Типы светодиодов

Поздравляем, вы знаете основы! Может быть, вы даже взяли в руки несколько светодиодов и начали зажигать, это круто! Как бы вы хотели улучшить свою игру? Давайте поговорим о том, как это может выглядеть за пределами вашего стандартного светодиода.

Крупный план суперяркого 5-миллиметрового светодиода крупным планом

Типы светодиодов

Вот актерский состав других персонажей.

RGB светодиодов

RGB (красно-зелено-синие) светодиоды — это фактически три светодиода в одном! Но это не значит, что он может сделать только три цвета.Поскольку красный, зеленый и синий цвета являются дополнительными основными цветами, вы можете контролировать интенсивность каждого из них, чтобы создать каждый цвет радуги. Большинство светодиодов RGB имеют четыре контакта: по одному для каждого цвета и общий вывод. У одних общий контакт — это анод, а у других — катод.

RGB с общим прозрачным катодным светодиодом

светодиодов с интегральными схемами

Велоспорт

Некоторые светодиоды умнее других. Возьмите, например, светодиодный индикатор. Внутри этих светодиодов фактически имеется интегральная схема, которая позволяет светодиоду мигать без какого-либо внешнего контроллера.Вот крупным планом IC (большой, черный квадратный чип на кончике наковальни), управляющий цветами.

5-миллиметровый светодиод с медленным циклом крупным планом

Просто включите его и смотрите! Они отлично подходят для проектов, в которых требуется немного больше действий, но нет места для схем управления. Есть даже мигающие светодиоды RGB, которые переключаются между тысячами цветов!

Адресуемые светодиоды

Другие типы светодиодов могут управляться индивидуально.Существуют разные наборы микросхем (WS2812, APA102, UCS1903 и многие другие), используемые для управления отдельным светодиодом, соединенным в цепочку. Ниже приведен крупный план WS2812. Большая квадратная IC справа контролирует цвета индивидуально.

Адресная WS2812 PTH Close Up

Встроенный резистор

Что это за магия? Светодиод со встроенным резистором? Это правильно. Есть также светодиоды, которые включают в себя небольшой резистор ограничения тока. Если вы внимательно посмотрите на изображение ниже, на стойке имеется небольшая черная квадратная ИС для ограничения тока на светодиодах этих типов.

Светодиод со встроенным резистором Close Up

Итак, подключите светодиод со встроенным резистором к источнику питания и включите его! Мы протестировали эти типы светодиодов на 3,3 В, 5 В и 9 В.

Супер яркий зеленый светодиод со встроенным резистором

Примечание: Таблица данных для светодиодов со встроенным резистором указывает, что рекомендуемое прямое напряжение составляет около 5 В. При тестировании одного на 5 В, напряжение около 18 мА.Стресс-тест с батареей 9 В, напряжение около 30 мА. Это, вероятно, на более высоком конце входного напряжения. Использование более высокого напряжения может сократить срок службы светодиода. При напряжении около 16 В светодиод погас.

Пакеты для поверхностного монтажа (SMD)

SMD-светодиоды — это не столько специфический тип светодиода, сколько тип корпуса. По мере того как электроника становится все меньше и меньше, производители придумали, как разместить больше компонентов в меньшем пространстве. Компоненты SMD (устройства поверхностного монтажа) представляют собой крошечные версии своих стандартных аналогов.Вот крупный план адресуемого светодиода WS2812B, упакованного в небольшой пакет 5050.

Адресная WS2812B Close Up

SMD светодиодов бывают нескольких размеров, от довольно больших до меньших размеров, чем рисовое зерно! Поскольку они такие маленькие и с подушками вместо ног, с ними не так легко работать, но если вы ограничены в пространстве, они могут быть именно тем, что доктор прописал.

также упрощают и ускоряют процесс выбора и размещения машин. позволяет размещать светодиодов на печатных платах и ​​полосах.Вы, вероятно, не будете вручную паять все эти компоненты вручную.

Высокая мощность

от таких производителей, как Luxeon и CREE, безумно яркие. Они ярче суперярких! Как правило, светодиод считается мощным, если он может рассеивать 1 Вт или более мощности.Это причудливые светодиоды, которые вы найдете в действительно хороших фонариках. Их можно даже построить для прожекторов и автомобильных фар. Поскольку через светодиод проходит так много энергии, для этого часто требуются радиаторы. Радиатор — это, по сути, кусок теплопроводящего металла с большой площадью поверхности, работа которого заключается в передаче как можно большего количества отработанного тепла в окружающий воздух. Может быть некоторое тепловыделение, встроенное в конструкцию некоторых коммутационных щитов, таких как показанная ниже.

могут выделять столько тепла, что могут повредить себя без надлежащего охлаждения. Не позволяйте термину «отработанное тепло» обмануть вас, хотя эти устройства по-прежнему невероятно эффективны по сравнению с обычными лампами. Для управления вы можете использовать светодиодный драйвер постоянного тока.

Специальные светодиоды

Есть даже светодиоды, которые излучают свет за пределами нормального видимого спектра. Например, вы, наверное, используете инфракрасные светодиоды каждый день. Они используются в таких вещах, как телевизионные пульты, для отправки небольших фрагментов информации в виде невидимого света! Они могут выглядеть как стандартные светодиоды, поэтому их будет трудно отличить от обычных светодиодов.

IR LED

На противоположном конце спектра вы также можете получить ультрафиолетовые светодиоды. Ультрафиолетовые светодиоды сделают некоторые материалы флуоресцентными, как черный свет! Они также используются для дезинфекции поверхностей, потому что многие бактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению.Они также могут быть использованы для обнаружения поддельных (счета, кредитные карты, документы и т. Д.), Солнечные ожоги, список можно продолжать. Пожалуйста, надевайте защитные очки при использовании этих светодиодов.

Ультрафиолетовый светодиод осматривает законопроект США

Больше светодиодов

С такими модными светодиодами, как они, нет никакого оправдания тому, чтобы что-то не было освещено. Однако, если ваша жажда знаний о светодиодах не была утолена, тогда читайте дальше, и мы начнем разбираться со светодиодами, цветом и яркостью света!

Delving Deeper

Итак, вы закончили со светодиодами 101 и хотите больше? О, не волнуйся, у нас есть больше.Давайте начнем с науки о том, что заставляет светодиоды тикать … ошибаться … мигать. Мы уже упоминали, что светодиоды — это особый вид диодов, но давайте немного углубимся в то, что это означает:

То, что мы называем светодиодом, это на самом деле светодиод и упаковка, но сам светодиод на самом деле крошечный! Это чип из полупроводникового материала, который легирован примесями, что создает границу для носителей заряда. Когда ток течет в полупроводник, он прыгает с одной стороны этой границы на другую, высвобождая энергию в процессе.В большинстве диодов эта энергия выделяется в виде тепла, а в светодиодах эта энергия рассеивается в виде света!

Длина волны света и, следовательно, цвет, зависит от типа полупроводникового материала, используемого для изготовления диода. Это связано с тем, что структура энергетических зон полупроводников различается между материалами, поэтому фотоны излучаются с разными частотами. Вот таблица распространенных светодиодных полупроводников по частоте:

Хотя длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, интенсивность зависит от количества мощности, проталкиваемой через диод.Мы немного поговорили об интенсивности света в предыдущем разделе, но это не просто обозначение яркости чего-либо.

Единица измерения силы света называется канделой, хотя, когда вы говорите об интенсивности одного светодиода, вы обычно находитесь в диапазоне милликанделей. Что интересно в этом устройстве, так это то, что он не является мерой количества световой энергии, а фактическим показателем «яркости». Это достигается путем взятия мощности, излучаемой в определенном направлении, и взвешивания этого числа по функции яркости света.Человеческий глаз более чувствителен к некоторым длинам волн света, чем к другим, и функция яркости является стандартизированной моделью, которая учитывает эту чувствительность.

Световая интенсивность светодиодов может варьироваться от десятков до десятков тысяч милликандела. Индикатор питания на вашем телевизоре, вероятно, около 100 мкд, тогда как хороший фонарик может быть 20000 мкд. Смотреть прямо на что-то более яркое, чем несколько тысяч милликандел, может быть больно; не пытайся

Падение Напряжения

О, я также пообещал, что мы поговорим о концепции прямого падения напряжения.Помните, когда мы смотрели таблицу, и я упомянул, что прямое напряжение всех ваших светодиодов, сложенных вместе, не может превышать напряжение вашей системы? Это связано с тем, что каждый компонент в вашей схеме имеет , чтобы разделить напряжение , и величина напряжения, которую каждая деталь использует вместе, всегда будет равна доступному количеству. Это называется законом напряжения Кирхгофа. Таким образом, если у вас есть источник питания 5 В, а каждый из ваших светодиодов имеет прямое падение напряжения на 2,4 В, то вы не можете подавать питание более двух раз за раз.

Законы Кирхгофа также пригодятся, когда вы хотите приблизить напряжение на данной части на основе прямого напряжения других частей. Например, в примере, который я только что дал, есть источник питания 5 В и 2 светодиода с падением прямого напряжения 2,4 В каждый. Конечно, мы хотели бы включить резистор ограничения тока, верно? Как бы вы узнали напряжение на этом резисторе? Это просто:

5 (Напряжение системы) = 2,4 (светодиод 1) + 2,4 (светодиод 2) + резистор

5 = 4.8 + Резистор

Резистор = 5 — 4,8

Резистор = 0,2

Итак, на резисторе 0,2 В! Это упрощенный пример, и это не всегда так просто, но, надеюсь, это даст вам представление о том, почему прямое падение напряжения важно. Используя число напряжений, которое вы выводите из законов Кирхгофа, вы также можете делать такие вещи, как определение тока через компонент, используя закон Ома. Короче говоря, вы хотите, чтобы напряжение вашей системы было равно ожидаемому прямому напряжению компонентов вашей комбинированной схемы.

Расчет токоограничивающих резисторов

Если вам необходимо рассчитать точное значение ограничивающего ток резистора последовательно со светодиодом, обратитесь к одному из примеров приложений в руководстве по резисторам для получения дополнительной информации.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Вы сделали это! Вы знаете, почти все … о светодиодах. А теперь иди и поставь светодиоды на что угодно! А теперь … драматическая реконструкция светодиода без токоограничивающего резистора, который перегружен и сам перегорает:

Да… это не впечатляет.

Если вы хотите узнать больше о некоторых темах, связанных со светодиодами, посетите следующие учебники:

Свет

Свет — полезный инструмент для инженера-электрика. Понимание того, как свет относится к электронике, является фундаментальным навыком для многих проектов.

ИК-связь

Это руководство объясняет, как работает обычная инфракрасная (ИК) связь, а также показывает, как настроить простой ИК-передатчик и приемник с Arduino.

Как делают светодиоды

Мы познакомимся с производителем светодиодов и узнаем, как изготавливаются светодиоды PTH 5 мм для SparkFun.

Руководство по сборке панели RGB

Создавайте яркие, красочные дисплеи с использованием светодиодных матричных панелей RGB 32×16, 32×32 и 32×64. В этом руководстве показано, как подключить эти панели и управлять ими с помощью Arduino.

Marquee Party Bag

Этот урок содержит все, что вам нужно знать, чтобы создать собственную сумку Marquee Party!

Хотите узнать больше о светодиодах?

На странице LED вы найдете все, что вам нужно знать, чтобы начать использовать эти компоненты в своем проекте.

Возьми меня туда!

Или проверьте некоторые из этих связанных сообщений в блоге:

  ɑ = β / (β + 1)  

  I  REF  = I  C  + I  B1  + I  B2   

  Базовый ток T1 (I  B1 ) = Базовый ток T2 (I  B2 ) = Общий базовый ток узла (I  B )  

  R  OUT  = V  A  + V  CE  / I  C  Согласно R = V / I  

  I  D  = f (V  GS , V  DG )  

  I  D  = f (V  GS , V  DG  = 0)  

  V  CV  = V  GS  (I  D  при V  DG  = 0) 
  Или, f  -1  (I  D ), когда V  DG  = 0