Diody LED

Intro czyli dłuższy wstępniak

- Co będziemy robić dzisiejszej nocy?
- To co każdej nocy. Będziemy opanowywać świat!
Ale zaraz. To musi zaczekać. Najpierw moi dzicy adepci sztuki modowania porozmawiamy o diodach. Tych dużych i małych, super i hiper-jasnych, czerwonych i niebieskich...

Diody LED o podwyższonej jasności (super- i hiper-jasne), jak sama nazwa wskazuje, dzięki specjalnej budowie świecą jaśniej od zwykłych diod. Dodatkowo ich obudowa jest wykonana najczęściej z przezroczystego tworzywa, które tworzy soczewkę skupiającą światło emitowane.
Jak podaje serwis Fotonika.pl diody elektroluminescencyjne zaliczamy do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitują one promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni. Diody Pojawiły się w latach sześćdziesiątych (dokładnie w roku1962, ich wynalazca to amerykański inżynier Nick Holonyak). Zasada działania opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego (emisja kwantu promieniowania).

Zdjęcia poniżej przedstawiają diody jakimi bawiłem się podczas pisaniu tego artykułu. Mają one kolor czerwony, niebieski, pomarańczowy oraz biały. Ta ostatnia ma 3 mm średnicy (w sklepie nie mieli wersji 5 mm) i muszę przyznać, że świeci bardzo jasno. Ceny diod są różne. W sklepie gdzie ja się zaopatruję, dioda czerwona superjasna o średnicy 5mm kosztuje 1,5 zł natomiast niebieska 1,2 zł. W sprzedaży dostępnych jest wiele kolorów (w tym także diody ultrafioletowe oraz podczerwone, ale tym nie będziemy się zajmować.

Diody wydają się ciekawą alternatywą w stosunku do katod ponieważ są dużo tańsze... ale lepiej zapomnijcie o tym :). Po pierwsze diody nie zastąpią katod, które mają tą zaletę, że bardzo jasno świecą. Diody służą głównie do oświetlenia punktowego. Można dzięki temu wyeksponować ciekawsze elementy modyfikacji. Krótko mówiąc, odpowiednio użyte tworzą klimat.
Jest z nimi jednak pewien problem. Chociaż są stosunkowo tanie, to okazuje się że chcąc nimi oświetlić swój projekt (np. zmodyfikowany komputer) będziesz potrzebował większą ilość - koszty nagle rosną.
Diody super jasne są zasilane napięciem ok. 3V (to zależy od modelu i koloru), są trochę kłopotliwe w montażu, wymagana jest cierpliwość przy lutowaniu tych wszystkich kabelków, uwierzcie, bo wiem co mówię. Kiedyś przez trzy dni z rzędu robiłem okablowanie w swoim komputerze. Nie było to ani przez moment pasjonujące (może poza chwilą, gdy źle podłączyłem zasilanie do CDROM-u... tak, poszedł dym). Pomimo tego do oświetlania swoich projektów używam prawie wyłącznie diod LED.

Jak to podłączyć?

Zdjęcie poniżej przedstawia kilka rodzajów diod. Z lewej strony superjasna, czerwona o średnicy 5 mm. Pozostałe to zwykłe diody. Litera "K" oznacza katodę, "A" - anodę. Zwróćcie uwagę na charakterystyczny kształt katody w strukturze diody. Końcówka dodatnia (anoda) jest zawsze dłuższa i podłączamy ją do bieguna dodatniego zasilania.

Dioda jest elementem jednobiegunowym i nie będzie świecić przy odwrotnym podłączeniu. Musimy także pamiętać o zastosowaniu rezystora ograniczającego prąd, inaczej dioda ulegnie uszkodzeniu. Wzór pozwala obliczyć wymaganą wartość rezystora R.

• R - rezystor ograniczający prąd (w omach)
• U - napięcie zasilania (w woltach)
• Ud - napięcie przewodzenia diody
• Id - prąd diody (w amperach)

Diody można łączyć ze sobą. Wzór pozostaje ten sam z tą tylko różnicą, ze w połączeniu równoległym za Id podstawiamy sumę prądów poszczególnych diod, a w połączeniu szeregowym za Ud podstawiamy sumę napięć przewodzenia wszystkich diod. Diody łączone w ten sposób muszą być tego samego typu i najlepiej z tej samej serii, aby nie było żadnych różnic w jasności świecenia diod.

Po obliczeniu rezystancji musimy sprawdzić czy taki opornik istnieje i jeśli nie, dobrać najbliższą wartość (najlepiej większą). Rezystory dostępne w sprzedaży mają wartości pochodzące z tzw. szeregu E24.

E24: 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91 (np. liczba 22 oznacza że są dostępne rezystory o wartościach 2.2, 2, 22, 220).

Rezystory także możemy łączyć w celu uzyskania potrzebnej rezystancji:

Musisz sobie przyswoić jeszcze jedno pojęcie jakim jest moc rezystora. W rezystorze, przez który przepływa prąd wydziela się moc tracona w postaci ciepła (grzanie się rezystora - ciepło Joulie'a). Wyrażamy ją w watach [W]. Moc P możemy obliczyć ze wzoru:

• R - rezystor
• Ur - napięcie na rezystorze R, w naszym przypadku Ur = U - Ud
• I - prąd płynący przez rezystor, tutaj I = Id

Przy pojedynczych diodach nie musimy się o to martwić, ale jeśli łączymy kilka diod (szeregowo lub równolegle), to trzeba wziąć to pod uwagę. Każdy rezystor ma określona maksymalną moc traconą. Najczęściej stosowane rezystory przewlekane (takie jak na zdjęciu poniżej) maja moc 0,25W. Jeżeli damy rezystor o zbyt małej mocy, będzie się on grzał, aż w końcu się "spali".

Każdy rezystor ma określona rezystancję. Jeśli nie masz miernika możesz ją odczytać z kodu paskowego (to te kolorowe paski). W takim kodzie każdy kolor oznacza inną cyfrę, jednak nie będę tu podawał szczegółów. Prościej i szybciej będzie jeżeli skorzystasz ze specjalnego programu. Takiego jak np. Oporniki v1.0 (259KB) autorstwa Tomasza Mroczkowskiego.
Często nie znamy danych katalogowych diod jakie posiadamy. Dla czerwonych możemy przyjąć napięcie przewodzenia Ud równe 2V, dla zielonych i żółtych 2,2V, a dla niebieskich i białych 3,5V. Prąd przewodzenia Id w zakresie od 20 do 30mA (czyli od 0,02 do 0,03A). Będą to jednak tylko przybliżone wartości.
Poniżej możemy zobaczyć dane katalogowe kilku diod produkowanych przez firmę Kingbright (jeden z czołowych producentów optoelektroniki).
Rysunek po lewej przedstawia diody "zwykłe" o szerokim kącie świecenia, natomiast rysunek po prawej diody hiper-jasne o wąskim kącie świecenia. Możemy z nich odczytać napięcie przewodzenia diod (typowe i maksymalne) mierzone przy prądzie 20mA. Wykres przedstawia zależność prądu (Forward Current) od napięcia (Forward Voltage) przewodzenia diody. Diody innych firm mogą się różnić parametrami.

Czas na odrobinę praktyki! Wszystkie diody "użyte" w tych przykładach to wersje zwykłe, czerwone. Przyjmujemy U_d = 2V oraz I_d = 20mA.

Najprostszy przypadek. Chcemy podłączyć diodę do napięcia +5V i musimy dobrać odpowiedni rezystor.

R = (U - U_d) /I_d = (5V - 2V) / 0,02A = 150om

Mamy już obliczoną rezystancję. Sprawdźmy jeszcze moc traconą na rezystorze.

P = (U - U_d) * I_d = 3V * 0,02A = 0,06W

Zwykły rezystor o mocy 0,25W w zupełności wystarczy.

Podobna sytuacja jak powyżej, tylko że tym razem chcemy podłączyć równolegle osiem diod LED.

R = (U - U_d) / (I_d1 + I_d2 + ... + I_d8) = (5V - 2V) / 0,16A = 18,75om

Wynik możemy zaokrąglić do 18ohm. Policzmy teraz moc:

P = (U - U_d) * (I_d1 + I_d2 + ... + I_d8) = (5V - 2V) * 0,16A = 0,48W

Jeden rezystor o mocy 0,25W będzie się nadmiernie grzał.

W takim przypadku możemy albo kupić rezystor o większej mocy (0,5W) lub też połączyć szeregowo dwa rezystory 0,25W (co da wypadkową 0,5W).

A teraz dla odmiany połączenie szeregowe diod przy napięciu 12V.

R = [U - (U_d1 + U_d2 + U_d3 + U_d4)] / I_d = (12V - 8V)/0,02A = 200om
P = [U - (U_d1 + U_d2 + U_d3 + U_d4)] * I_d = 4V * 0,02A = 0,08W

Na schemacie powyżej brakuje rezystora. Zauważ, że:

U = U_d1 + U_d2 + U_d3 + U_d4 + U_d5 + U_d6

W takich przypadkach rezystor jest zbędny. Z diodami zielonymi o napięciu przewodzenia 2,2V to już się nam nie uda. Ponieważ jeżeli podłączymy szeregowo 5 sztuk (przy napięciu zasilania 12V) każda będzie pracować przy napięciu 2,4V (czyli trochę za dużym ale można sprawdzić czy diody nie będą się grzały i wtedy powinny pracować normalnie, choć spadnie ich żywotność). Natomiast przy 6 diodach, dla każdej przypadnie napięcie 2V- w tym wypadku będą świecić za słabo.