Задание

Соберите схемы
(1-6). Включите схемы и проверьте работу.
Подайте на входы схемы все возможные
комбинации уровней входных сигналов
и, наблюдая уровни сигналов на входах
и выходе с помощью логических пробников,
заполните таблицы истинности для каждой
логической схемы (1-6).

1. Исследование
   логической функции “И”.

Соберите логическую
схему на базе логического элемента “И”,
источника логических сигналов +Vdd (1),
заземления (0), 2 – х выключателей-ключей,
3 – х индикаторов логических импульсов.

2. Исследование
   логической функции “ИЛИ”.

Соберите логическую
схему на базе логического элемента
“ИЛИ”, источника логических сигналов
+Vdd (1), заземления (0), 2 – х выключателей-ключей,
3 – х индикаторов логических импульсов.

3. Исследование
   логической функции “И-НЕ”.

Соберите логическую
схему на базе логического элемента “И”,
логического элемента “НЕ”, источника
логических сигналов +Vdd (1), заземления
(0), 2 – х выключателей-ключей, 3 – х
индикаторов логических импульсов.

4. Исследование
   логической функции “ИЛИ-НЕ”.

Соберите логическую
схему на базе логического элемента
“ИЛИ”, логического элемента “НЕ”,
источника логических сигналов +Vdd (1),
заземления (0), 2 – х выключателей-ключей,
3 – х индикаторов логических импульсов.

5. Исследование
   логической функции “2И-НЕ”.

Соберите логическую
схему на базе логического элемента
“2И-НЕ”, источника логических сигналов
+Vdd (1), заземления (0), 2 – х выключателей-ключей,
3 – х индикаторов логических импульсов.

6. Исследование
   логической функции “2ИЛИ-НЕ”.

Соберите логическую
схему на базе логического элемента
“2ИЛИ-НЕ”, источника логических сигналов
+Vdd (1), заземления (0), 2 – х выключателей-ключей,
3 – х индикаторов логических импульсов.

Схемы заданий

Таблица истинности для заданий (1-6)

Контрольные вопросы

1. Каково
   назначение программы Electronics Workbench?

2. Каковы
   преимущества программы Electronics Workbench?

3. Сформулируйте
   аксиомы алгебры логики.

4. Что такое логическая
   переменная и логический сигнал? Какие
   значения они могут принимать?

5. Что такое логическая
   функция?

6. Что такое таблица
   истинности?

7. Может ли быть
   логическим сигналом уровень напряжения?
   Состояние контакта? Свечение светодиода?

8. Какая логическая
   функция описывает поведение системы
   пуска трехфазного двигателя (двигатель
   может быть запущен, если три датчика
   подтверждают наличие фазных напряжений)?

9. Датчик температуры
   состоит из контакта, который замыкается
   (размыкается) при превышении температуры.
   При замыкании контакта вырабатывается
   сигнал логической единицы, при размыкании
   — логического нуля. Какую схему следует
   использовать для обнаружения срабатывания
   хотя бы одного датчика пожарной
   сигнализации? а) при повышении температуры
   в датчике происходит замыкание контакта;
   б) при повышении температуры в датчике
   происходит размыкание контакта.

10. Какой
    сигнал должен быть подан на неиспользуемые
    входы элемента “8И-НЕ’’,
    если требуется реализовать функцию
    “5И-НЕ’’?

11. Какой
    сигнал должен быть подан на неиспользуемый
    вход элемента “4ИЛИ-НЕ’’
    при реализации функции “ЗИЛИ-НЕ’’?

12. В
    вашем распоряжении имеются логические
    элементы “2И-НЕ”.
    Как на их основе сделать схему “ЗИ’’?
    Достаточно ли 4-х элементов “2И-НЕ’’
    для выполнения этой задачи?

13. Как будет вести
    себя схема И, если на одном из входов
    вследствие внутренней неисправности
    будет постоянно присутствовать
    логическая единица? Логический нуль?
    Составьте таблицу истинности для
    неисправной схемы ЗИ. Определите
    поведение схемы И-НЕ при тех же условиях.

14. Как
    будет вести себя схема ИЛИ, если на
    одном из входов вследствие внутренней
    неисправности будет постоянно
    присутствовать логическая единица?
    Логический, нуль? Составьте таблицу
    истинности для неисправностей схемы
    “ЗИЛИ”.
    Определите поведение схемы “ИЛИ-НЕ’’
    при тех же условиях.

1.4 Контрольные вопросы:

1.
Что такое логическая переменная и
логический сигнал? Какие значения они
мо­гут принимать?

2.
Что такое логическая функция?

3.
Может ли быть логическим сигналом
уровень напряжения? Состояние контакта?
Све­чение светодиода?

4.
Какая логическая функция описывает
поведение системы пуска трехфазного
дви­гателя (двигатель может быть
запущен, если три датчика подтверждают
наличие фазных напряжений)?

5.
Датчик температуры состоит из контакта,
который замыкается (размыкается) при
превышении температуры. При замыкании
контакта вырабатывается сигнал
логичес­кой единицы, при размыкании
— логического нуля. Какую схему следует
использовать для обнаружения срабатывания
хотя бы одного датчика пожарной
сигнализации?

а) при повышении
температуры в датчике происходит
замыкание контакта;

б) при повышении
температуры в датчике происходит
размыкание контакта.

6.
Какой сигнал должен быть подан на
неиспользуемые входы элемента 8И-НЕ,
если тре­буется реализовать функцию
5И-НЕ?

7.
Какой сигнал должен быть подан на
неиспользуемый вход элемента 4ИЛИ-НЕ
при ре­ализации функции ЗИЛИ-НЕ?

8. В
вашем распоряжении имеются логические
элементы 2И-НЕ. Как на их основе сделать
схему ЗИ? Достаточно ли 4-х элементов
2И-НЕ для выполнения этой задачи?

9.
Как будет вести себя схема И, если на
одном из входов вследствие внутренней
неис­правности будет постоянно
присутствовать логическая единица?
Логический нуль? Составьте таблицу
истинности для неисправной схемы ЗИ.
Определите поведение схе­мы И-НЕ при
тех же условиях.

10.
Как будет вести себя схема ИЛИ, если на
одном из входов вследствие внутренней
неисправности будет постоянно
присутствовать логическая единица?
Логический нуль? Составьте таблицу
истинности для неисправностей схемы
3ИЛИ. Определи­те поведение схемы
ИЛИ-НЕ при тех же условиях.

11.
Какие логические функции выполняет
дешифратор?

12.
Каково назначение входов управления в
дешифраторе, как влияет сигнал управления
на выходные функции дешифратора?

13.
Какие дополнительные логические элементы
необходимы для реализации логических
функции п аргументов на основе дешифратора
с прямыми выходами? А с инверсными?

14.
Как выглядит схема дешифратора 2х4,
выполненная в базисе И, ИЛИ, НЕ? Входы
де­шифратора А, В, выходы Y0,
Yl, Y2, Y3.
Сколько элементов каждого типа для
этого требуется?

15.
Как надо видоизменить схему дешифратора
2х4 в предыдущем случае, чтобы оснастить
её прямым управляющим входом? Инверсным?
Обозначьте входы дешифратора А, В,
управляющий вход G или G
, выходы Y0, Yl,
Y2, Y3.

16.
Как из двух дешифраторов 2х4 сделать
один дешифратор 3х8?

17.
Как на основе нескольких дешифраторов
2х4 с управляющим входом сделать
дешифра­тор 4х16? Сколько дешифраторов
2х4 потребуется для решения этой задачи,
если не ис­пользовать другие элементы?

18.
Как на основе дешифратора 2х4 сделать
схему, фиксирующую совпадение двух бит
(А=В=1, А=В=0) и реализующую функцию

?

19.
Как на основе дешифратора сделать
логическую схему, реализующую функцию

?

Как падение напряжения на ИК-светодиодах влияет на производительность и срок службы светодиодов | Блог Advanced PCB Design

Мое первое знакомство со светодиодом произошло в местном радиомагазине во время поиска компонентов для моего научного проекта. Цель состояла в том, чтобы создать AT-AT, который ходил, и последним штрихом стали светодиодные фонари в кабине.

Излишне говорить, что с тех пор я фанат светодиодов. Однако я не одинок, особенно с миллионами постоянно используемых пультов от телевизора. На самом деле, я был свидетелем того, как одна сестра настолько пристрастилась к пульту, что буквально забыла, как без него включать телевизор.

Не говоря уже о том, что иногда я вытаскивал свою верную черную изоленту и блокировал ею сигнал ИК-светодиода с пульта. Не осуждайте, это то, что происходит со старшими сестрами, которые пытаются командовать своим младшим братом, когда наши родители не видят. Со всей серьезностью, светодиод является универсальным, удобным в применении и широко используемым компонентом. Поэтому важно, чтобы разработчики понимали параметры, влияющие на их функциональность и производительность.

Что такое инфракрасные светодиоды?

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) представляет собой твердотельное светоизлучающее (SSL) устройство, излучающее свет в инфракрасном диапазоне или диапазоне спектра электромагнитного излучения. ИК-светодиоды позволяют экономично и эффективно производить инфракрасный свет, то есть электромагнитное излучение в диапазоне от 700 нм до 1 мм.

Различные ИК-светодиоды могут излучать инфракрасный свет с разной длиной волны, точно так же, как разные светодиоды излучают свет разных цветов. ИК-светодиоды также используются во многих типах электроники, таких как пульты дистанционного управления для телевизоров и многих других электронных устройствах. Они даже используются в камерах; эти инфракрасные камеры используют ИК-светодиоды как прожектор, оставаясь невидимыми для невооруженного глаза.

Спрос на ИК-светодиоды обусловлен их универсальностью. Например, ИК-светодиоды в сочетании с несколькими различными типами датчиков обычно используются в межмашинных средах и приложениях Интернета вещей (IoT).

Как работают ИК-светодиоды?

Таким образом, ИК-светодиод представляет собой особый тип диода или простого полупроводника. Я уверен, вы помните, что в диодах электрический ток течет только в одном направлении. По мере прохождения тока электроны падают из одной области диода в дырки в другой области. Это стало возможным благодаря тому, что электроны отдают энергию в виде фотонов, и этот процесс производит свет (электролюминесценция).

Также необходимо модулировать излучение ИК-светодиода, чтобы использовать его в электронных приложениях, чтобы предотвратить ложное срабатывание. Модуляция выделяет сигнал ИК-светодиода над шумом.

Кроме того, корпус инфракрасных диодов непрозрачен для видимого света, но прозрачен для инфракрасного излучения. В целом, широкое использование ИК-светодиодов в пультах дистанционного управления, системах охранной сигнализации и почти во всех других электронных устройствах сделало их чрезвычайно рентабельными.

Принцип действия ИК-светодиода?

Схематично символ светодиода представляет собой диод правильной формы внутри круга с двумя маленькими стрелками, указывающими в сторону, что указывает на излучение света.

Светодиоды изготовлены из других химических веществ, чем, скажем, кремниевые диоды, и их прямое падение напряжения будет другим. Вообще говоря, у светодиодов прямое падение напряжения намного больше, чем у выпрямительного диода. Их напряжение варьируется от 1,2 вольта (ИК) до более 3,4 вольта (УФ или белый), в зависимости от цвета. Например, ИК-светодиод имеет прямое напряжение 1,2 В при прямом токе 20 мА.

Кроме того, обычный или типичный рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет около 20 мА. Кроме того, при работе светодиода от источника постоянного напряжения выше, чем прямое напряжение светодиода, необходимо использовать последовательно соединенный (подавляющий) резистор, чтобы предотвратить повреждение светодиода при полном напряжении источника.

Светодиоды нуждаются в особом внимании к источнику напряжения.

Пример схемы падения напряжения ИК-светодиода

Итак, давайте рассмотрим эти две примерные схемы, одна из которых использует источник 6 В, а другая использует источник 24 В, обе с заданным током светодиода 20 мА.

В нашем первом примере (красный) светодиод падает на 1,6 вольт; следовательно, на резисторе будет падать 4,4 вольта. Кроме того, определить размер резистора для тока светодиода 20 мА так же просто, как взять его падение напряжения (4,4 В) и разделить его на ток цепи (20 мА), следуя закону Ома (R = E / I), что дает нам цифра 220 Ом.

При расчете рассеиваемой мощности для этого резистора 220 Ом мы берем его падение напряжения и умножаем на его ток (P=IE), и результат равен 88 мВт, что вполне соответствует номинальной мощности резистора 1/8 Вт.

Во втором примере мы исследуем влияние увеличения источника напряжения. Более высокое напряжение батареи потребует более высокого сопротивления нашего понижающего резистора и, возможно, более высокой номинальной мощности.

Например, гасящий резистор должен быть увеличен до размера 1,12 кОм, чтобы сбрасывать необходимые 22,4 вольта при 20 мА, чтобы светодиод по-прежнему получал только 1,6 вольта. Это увеличение также означает более высокую рассеиваемую мощность резистора — 448 мВт. Таким образом, очевидно, что резистор, рассчитанный на мощность рассеяния 1/8 Вт или даже мощность рассеяния 1/4 Вт, будет перегреваться при использовании здесь.

Общее влияние шунтирующих резисторов в цепях ИК-светодиодов

Резистивные шунтирующие резисторы в цепях ИК-светодиодов жизненно важны для жизненного цикла и общей функциональности светодиода. Однако поведение схемы очень предсказуемо в отношении незначительных увеличений и уменьшений сопротивления.

Кроме того, значения гасящего резистора не обязательно должны быть точными для вашей схемы светодиодов, если вы понимаете, что это означает с точки зрения производительности светодиодов. Например, предположим, что в нашей предыдущей имитационной модели мы использовали резистор 1 кОм, а не резистор 1,12 кОм. Общий результат будет немного выше тока цепи и падения напряжения на светодиоде.

Это, конечно же, приведет к более яркому световому излучению светодиода и немного сократит срок службы (выгорание). И наоборот, гасящий резистор со значением 1,5 кОм вместо 1,12 кОм приведет к меньшему току в цепи, меньшему напряжению светодиода и меньшему световому излучению ИК-светодиода. Таким образом, светодиоды вполне терпимы к колебаниям подаваемой мощности; поэтому вам, возможно, не нужно стремиться к совершенству при выборе шунтирующего резистора, если этого не требует ваша конструкция.

Учет падения напряжения начинается с самого начала ваших проектов.

ИК-светодиоды, как и все светодиоды, входят в состав почти каждого электронного устройства. Их экономичность и эффективность делают их одним из наиболее широко используемых компонентов в области электроники. Поэтому понимание того, как они функционируют и взаимодействуют с различными цепями, в которых они находятся, жизненно важно. Я знаю, что большинство из нас не думает об ИК-светодиодах до тех пор, пока наши пульты не перестанут работать или не зазвучит сигнал тревоги.

Наконец, с точки зрения функциональности падение напряжения ИК-светодиодов влияет на функциональность, производительность и срок службы.

Попросите ваших дизайнеров и производственных групп работать вместе над реализацией стратегий для правильного падения напряжения ИК-светодиодов во всех ваших конструкциях печатных плат с помощью набора инструментов Cadence для проектирования и анализа. Allegro PCB Designer — это решение для компоновки светодиодных схем в ваших текущих и будущих проектах печатных плат.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin

Посетить сайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

Основы светоизлучающих диодов | Типы светодиодов, цвета и области применения

Светоизлучающий диод или просто светодиод является одним из наиболее часто используемых источников света в наши дни. Будь то фары вашего автомобиля (или дневные ходовые огни) или освещение гостиной вашего дома, применение светодиодов бесчисленно.

В отличие от (почти) устаревших ламп накаливания, для работы светодиодов (и люминесцентных ламп) требуется специальная схема. Их просто называют светодиодными драйверами (или балластом в случае люминесцентных ламп).

Поскольку светодиоды неизбежны в нашей жизни, интересующимся людям (инженерам, разработчикам драйверов и т. д.) рекомендуется ознакомиться с основами светоизлучающих диодов. Эта статья составлена ​​как краткое руководство по светодиодам, которое включает в себя краткое введение, электрические символы светодиодов, типы, конструкцию, характеристики, драйверы светодиодов и многое другое.

ПРИМЕЧАНИЕ: Существует упрощенная версия этой статьи «Светодиод — светоизлучающий диод», в которой дается более простой обзор светодиода, не вдаваясь в технические подробности.

Краткое описание

Введение

Двумя наиболее важными полупроводниковыми источниками света, широко используемыми в различных приложениях, являются лазерные диоды и светодиоды. Принцип работы лазерных диодов основан на вынужденном излучении, тогда как у светодиодов — на спонтанном излучении.

Светоизлучающие диоды являются наиболее распространенным выдающимся источником света, доступным в электронных компонентах. Например, они широко используются для отображения времени и многих других типов данных на экранах некоторых устройств отображения. Светодиоды — это опто-полупроводниковые устройства, которые легко преобразуют электрический ток в освещение (или свет). Площадь светодиода обычно очень мала, и при разработке его диаграммы направленности можно использовать множество встроенных оптических компонентов. Его основное преимущество заключается в низкой стоимости производства и более длительном сроке службы, чем у лазерного диода.

Светодиод состоит из двух основных полупроводниковых элементов. Это положительно заряженные дырки P-типа и отрицательно заряженные электроны N-типа.

Когда положительная сторона P диода подключена к источнику питания, а сторона N к земле, говорят, что соединение имеет прямое смещение, что позволяет электрическому току течь через диод. Основные и неосновные носители заряда со стороны P и со стороны N объединяются друг с другом и нейтрализуют носители заряда в обедненном слое на PN-переходе.

Миграция электронов и дырок, в свою очередь, высвобождает некоторое количество фотонов, которые выделяют энергию в виде монохроматического света с постоянной длиной волны, обычно в нм, что напоминает цвет светодиода. Цветовой спектр излучения светодиодов обычно чрезвычайно узок.

В общем случае его можно определить как определенный диапазон длин волн в электромагнитном спектре. Выбор цвета излучения светодиода довольно ограничен из-за природы полупроводника, используемого при его производстве. Обычно доступные цвета светодиодов: красный, зеленый, синий, желтый, янтарный и белый.

Свет красного, синего и зеленого цветов можно легко комбинировать для получения белого света с ограниченной яркостью. Рабочее напряжение красного, зеленого, янтарного и желтого цветов составляет около 1,8 вольт. Фактический диапазон рабочего напряжения светодиода можно определить по напряжению пробоя полупроводникового материала, используемого в конструкции светодиода. Цвет света, излучаемого светодиодом, определяется полупроводниковыми материалами, образующими PN-переход диода.

Это связано с различиями в структуре запрещенной зоны полупроводниковых материалов, поэтому испускается разное количество фотонов с разными частотами. Однако длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов на стыке, а интенсивность света зависит от количества мощности или энергии, подаваемой через диод. Выходную длину волны можно поддерживать с помощью составных полупроводников, чтобы можно было наблюдать требуемый цвет, обеспечивая вывод в пределах видимого диапазона.

Свет можно производить и контролировать с помощью электронных средств несколькими способами. В светоизлучающих диодах свет создается за счет электролюминесценции, которая представляет собой твердотельный процесс. При определенных специфических условиях получения света твердотельные процедуры могут давать когерентный свет, как и в лазерных диодах.

Типы светодиодов

Светоизлучающие диоды можно разделить на две основные категории светодиодов. Это

• Видимые светодиоды
•  Невидимые светодиоды

Светодиоды видимого диапазона в основном используются для переключателей, оптических дисплеев и для освещения без использования каких-либо фотодатчиков. Невидимые светодиоды используются в приложениях, включая оптические переключатели, анализ и оптическую связь и т. д. с использованием фотодатчиков.

Эффективность

Рейтинг светодиодов определяется их светоотдачей. Он определяется как отношение светового потока к подводимой к диоду электрической мощности и может быть выражен в люменах на ватт. Световой поток представляет собой реакцию глаза на различные длины волн света.

0,39

Конструкция светодиода

Структура и конструкция светоизлучающих диодов сильно отличаются от обычных полупроводниковых сигнальных диодов. Свет будет излучаться светодиодом, когда его PN-переход смещен в прямом направлении. PN-переход покрыт прозрачным корпусом из твердой и пластичной эпоксидной смолы полусферической формы, который защищает светодиод от атмосферных помех, вибраций и теплового удара. PN-переход формируется с использованием материалов с самой низкой шириной запрещенной зоны, таких как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия, фосфид галлия, нитрид галлия-индия, нитрид алюминия-галлия, карбид кремния и т. д.

На самом деле светодиодный переход не излучает большого количества света, поэтому корпус из эпоксидной смолы сконструирован таким образом, что фотоны света, испускаемые переходом, отражаются от окружающего основания подложки и фокусируются через куполообразную верхнюю часть светодиод, который сам действует как линза, концентрирующая большее количество света.

Именно поэтому излучаемый свет кажется наиболее ярким в верхней части светодиода.

Обычно светоизлучающие диоды, излучающие красный свет, построены на подложке из арсенида галлия, а диоды, излучающие зеленый/желтый/оранжевый свет, являются фиктивными на подложке из фосфида галлия. Для излучения красного цвета слой N-типа легирован теллуром (Te), а слой P-типа легирован цинком. Контактные слои сформированы с использованием алюминия на стороне P и алюминиевого олова на стороне N соответственно.

Светодиоды предназначены для того, чтобы большая часть рекомбинации носителей заряда происходила на поверхности PN-перехода следующими путями.

• При увеличении концентрации легирования подложки дополнительные электроны неосновных носителей заряда перемещаются в верхнюю часть структуры, рекомбинируют и излучают свет на поверхности светодиода.
• Увеличивая длину диффузии носителей заряда, т. е. L = √ Dτ, где D — коэффициент диффузии, τ — время жизни носителей заряда. При превышении критического значения будет вероятность повторного поглощения испущенных фотонов устройством.

Когда диод подключен в прямом смещении, носители заряда приобретают достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьерный потенциал, существующий на PN-переходе. Всякий раз, когда применяется прямое смещение, неосновные носители заряда как P-типа, так и N-типа инжектируются через переход и рекомбинируют с основными носителями. Эта рекомбинация основных и неосновных носителей заряда может быть как излучательной, так и безызлучательной. При излучательной рекомбинации излучается свет, а при безызлучательной рекомбинации выделяется тепло.

Органические светоизлучающие диоды (OLED)

В органических светоизлучающих диодах сложный полупроводниковый материал, используемый при разработке светодиодов, является органическим по своей природе. Органический полупроводниковый материал является электропроводным в некоторой части или во всей молекуле за счет сопряженного электрона; в результате это органический полупроводник. Материал может находиться в кристаллической фазе или полимерных молекулах. Он имеет преимущество в тонкой структуре, меньшей стоимости, низком напряжении для вождения, отличной диаграмме направленности, высокой яркости, максимальной контрастности и интенсивности.

Цвета светоизлучающих диодов

В отличие от обычных полупроводниковых, сигнальных диодов, которые используются для коммутационных цепей, выпрямителей и схем силовой электроники, изготовленных из кремниевых или германиевых полупроводниковых материалов, светоизлучающие диоды изготавливаются из составных полупроводниковых материалов, таких как Арсенид галлия, фосфид арсенида галлия, карбид кремния и нитрид галлия-индия смешиваются вместе в различных соотношениях для получения уникальной отличительной длины волны цвета.

Различные полупроводниковые соединения излучают свет в определенных областях спектра видимого света, поэтому они производят свет с разной интенсивностью. Выбор полупроводникового материала, используемого при производстве светодиода, будет определять длину волны излучения фотонов и результирующий цвет излучаемого света.

Диаграмма направленности

Определяется как угол излучения света по отношению к излучающей поверхности. Максимальное количество мощности, интенсивности или энергии будет получено в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности. Угол излучения света зависит от излучаемого цвета и обычно колеблется от 80° до 110°.

Color	Wavelength (nm)	Voltage Drop (V)	Semiconductor Material
Инфракрасный	> 760		Арсенид галлия
			Алюминий Арсенид галлия
Красный	610 — 760	1,6 2,0	Алюминий Арсенид галлия
			Арсенид галлия фосфид
			Алюминий Галлий Фосфид индия
			Фосфид галлия
Оранжевый	590 — 610	2,0 2,1	Фосфид арсенида галлия
			Алюминий Галлий Фосфид индия
			Фосфид галлия
Желтый	570 — 590	2. 1 2.2	Фосфид арсенида галлия
			Алюминий Галлий Фосфид индия
			Фосфид галлия
Зеленый	500 — 570	1,9 4,0	Галлий-индий-фосфид
			Алюминий Галлий Фосфид индия
			Фосфид галлия алюминия
			Индий Галлий Нитрид
Синий	450 — 500	2,5 3,7	Селенид цинка
			Индий Галлий Нитрид
			Карбид кремния
			Кремний
Фиолетовый	400 — 450	2,8 4,0	Индий-галлий Нитрид
Фиолетовый	Несколько типов	2,4 3,7	Два синих/красных светодиода
			Синий с красным люминофором
			Белый с фиолетовым пластиком
ультрафиолет		3,1 4,4	Алмаз
			Нитрид бора
			Нитрид алюминия
			Алюминий Нитрид галлия
			Алюминий галлий Нитрид индия
Розовый	Несколько типов	3,3	Синий с люминофором
			Желтый с красным, оранжевым или розовым люминофором
			Белый с розовым пигментом
Белый	Широкий спектр	3,5	Синий/УФ-диод с желтым люминофором

Цвет света, излучаемого светодиодом, не определяется цветом пластикового корпуса, в котором находится светодиод. Оболочка используется как для усиления светового излучения, так и для обозначения его цвета, когда он не питается от источника питания. В последние годы также доступны синие и белые светодиоды, но они дороже, чем обычные стандартные цветные светодиоды, из-за производственных затрат на смешивание двух или более дополнительных цветов в точном соотношении в полупроводниковом соединении.

Общие характеристики источников света

Ток возбуждения в зависимости от светоотдачи

При высоких значениях прямого тока возбуждения температура PN-перехода полупроводника увеличивается из-за значительного рассеивания мощности. Такой тип повышения температуры на переходе приводит к снижению эффективности излучательной рекомбинации. В результате плотность тока еще больше увеличивается; внутреннее последовательное сопротивление будет иметь тенденцию снижать светоизлучающую эффективность любого источника света.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность любого источника света определяется как отношение скорости излучательной рекомбинации, которая излучает свет, к общей скорости рекомбинации и определяется как:

 η=Rr/Rt

Скорость переключения

Скорость переключения источника света похожа на то, как быстро источник света может включаться и выключаться при подаче электропитания для создания соответствующей картины оптического выхода. Светодиоды имеют меньшую скорость переключения, чем обычные ЛАЗЕРНЫЕ диоды.

Длина волны спектра

Пиковая длина волны спектра определяется как длина волны, при которой генерируется максимальная интенсивность света. Он определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого в производстве светодиодов.

Ширина спектра

Ширина спектра источника света определяется как диапазон длин волн, в котором источник света излучает свет. Источник света должен излучать свет в пределах более узкой ширины спектра.

ВАХ светодиода

Прежде чем излучать свет от любого светоизлучающего диода, через него должен протекать ток, поскольку светодиод является устройством, зависящим от тока, а интенсивность его выходного света прямо пропорциональна прямому току, проходящему через светодиод.

Светоизлучающий диод должен быть подключен в комбинации с прямым смещением к источнику питания, и его ток должен быть ограничен с помощью последовательно включенного резистора для защиты от избыточного тока. Светодиод не следует подключать напрямую к аккумулятору или источнику питания, поскольку через него будет протекать избыточный ток, что может привести к повреждению светодиода.

Каждый светодиод имеет свое индивидуальное прямое падение напряжения вдоль PN-перехода, и этот параметр определяется полупроводниковым материалом, используемым при производстве светодиода, для определенной величины прямого тока проводимости, обычно для прямого тока около 20 мА.

При низком прямом напряжении в управляющем токе диода преобладает ток безызлучательной рекомбинации из-за рекомбинации носителей заряда по длине светодиодного чипа. При более высоких прямых напряжениях в токе возбуждения диода преобладает ток радиационной диффузии.

Даже при больших напряжениях, чем обычно, ток диода ограничивается последовательным сопротивлением. Диод никогда не должен достигать обратного напряжения пробоя в течение короткого промежутка времени, так как это может привести к необратимому повреждению диода. На рисунке ниже показаны вольт-амперные характеристики светодиодов разного цвета.

Расчет сопротивления серии светодиодов

Светоизлучающий диод работает хорошо, когда он соединен последовательно с сопротивлением, в результате чего прямой ток, необходимый для светодиода, обеспечивается напряжением питания на комбинации. Значение сопротивления последовательно включенного резистора можно рассчитать по приведенной ниже формуле. Обычно прямой ток обычного светодиода считается равным 20 мА.

Многоцветный светоизлучающий диод

На рынке представлено большое количество светодиодов различных форм и размеров, цветов и интенсивности светового потока. Арсенид-фосфид галлия Светодиод красного цвета диаметром 5 мм является наиболее часто используемым светодиодом и очень дешев в производстве. В настоящее время производятся светодиоды с многоцветным излучением, и они доступны во многих корпусах, большинство из которых представляют собой два-три светодиода в одном корпусе.

Двухцветные светодиоды

Двухцветные светодиоды представляют собой разновидность светодиодов, аналогичную одноцветным светодиодам, только с дополнительным светодиодным чипом, входящим в комплект поставки. Двухцветные светодиоды могут иметь два или три контакта для подключения; это зависит от используемого метода. Как правило, два светодиодных вывода соединены в обратно-параллельной комбинации. Анод одного светодиода подключается к катоду другого светодиода и наоборот. При подаче питания на любой из анодов будет светиться только один светодиод. Мы также можем включить оба светодиода одновременно с динамическим переключением на высокой скорости.

Трехцветный светоизлучающий диод

Обычно трехвыводной светодиод имеет общий катодный вывод, в котором два других светодиодных чипа соединены внутри. Должен гореть либо один, либо два светодиода, необходимо общий катод соединить с землей. Токоограничивающие резисторы подключены к обоим анодам для индивидуального управления током.

Для одноцветной или двухцветной светодиодной подсветки необходимо подключить питание к любому из анодов по отдельности или одновременно. Эти трехцветные светодиоды состоят из отдельных КРАСНЫХ и ЗЕЛЕНЫХ светодиодных чипов, подключенных к одному и тому же катоду. Этот тип диодов генерирует дополнительные оттенки основных цветов путем включения двух светодиодов с разным соотношением прямого тока.

Схемы управления светодиодами

Интегральные схемы Для управления светодиодами могут использоваться комбинационные схемы или последовательные схемы. Светоизлучающие диоды можно включать и выключать с помощью интегральных схем. Выходные каскады логических элементов TTL или CMOS могут использоваться для управления светодиодами в качестве переключателей в двух режимах конфигурации. Это режимы источника и приемника конфигурации.

Выходной ток, выдаваемый интегральными схемами в конфигурации с режимом приемника, может составлять около 50 мА, а в конфигурации с режимом истока прямой ток может составлять около 30 мА. Однако ток, управляемый светодиодом, должен быть ограничен резистором, включенным последовательно.

Управление светодиодом с помощью транзистора

Вместо использования интегральных схем для управления светодиодами можно использовать дискретные компоненты, такие как биполярные транзисторы PNP и NPN. Дискретные компоненты могут использоваться для управления более чем одним светодиодом, как в больших структурах массива светодиодов.

В меньшем количестве приложений используется только один светодиод. Транзисторы-переходники используются для подачи тока через несколько светоизлучающих диодов таким образом, что прямой ток, создаваемый светодиодом, составляет около 10–20 мА. Если для управления светодиодом используется NPN-транзистор, то последовательный резистор действует как источник тока. Если для управления светодиодами используется PNP-транзистор, то последовательный резистор действует как приемник тока.

Для таких применений, как подсветка экрана, уличное освещение или замена люминесцентной лампы или лампы накаливания, в большинстве случаев требуется более одного светодиода. Как правило, параллельное включение нескольких одиночных светодиодов приводит к неравномерному распределению тока между светодиодами; даже в этом случае все светодиоды рассчитаны на одинаковое прямое падение напряжения.

Если один светодиод не может управлять последовательно включенными светодиодами, это можно решить, установив параллельные стабилитроны или кремниевые управляемые выпрямители (SCR) для каждого последовательно включенного светодиода. SCR — разумный выбор, потому что они рассеивают меньше энергии, если им приходится работать вокруг неисправного светодиода.

В случае параллельной комбинации включение отдельного драйвера для каждой строки обходится дороже, чем использование нескольких драйверов с соответствующей выходной мощностью.

Управление интенсивностью света светодиода с помощью ШИМ

Интенсивность света, излучаемого светодиодом, регулируется протекающим через него током. Поскольку ток через него меняется, яркостью света можно управлять. Если через диод пропускается большое количество тока, светодиод светится намного лучше обычного.

Если ток превышает максимальное значение, интенсивность света увеличивается еще больше, что приводит к рассеиванию тепла светодиодом. Ограничение прямого тока, установленное для проектирования светодиодов, составляет от 10 до 40 мА. Когда требуемый ток очень мал, могут быть шансы выключить светодиод.

В таких случаях для управления яркостью света и током, потребляемым светодиодом, используется процесс, известный как широтно-импульсная модуляция, для многократного включения и выключения светодиода в зависимости от требуемой интенсивности света. Устройства линейного управления рассеивают избыточную энергию в виде тепла, в результате для выдачи необходимого количества мощности используются ШИМ-драйверы, так как они вообще не выдают мощность.

Прежде всего, чтобы подавать импульсы ШИМ в цепи светодиодов, сначала требуется генератор ШИМ. Существует разное количество генераторов ШИМ.

Светодиодные дисплеи

Одноцветные, двухцветные, многоцветные и некоторые другие светодиоды объединены в одну упаковку. Их можно использовать в качестве задней подсветки, полос и гистограмм. Одним из основных требований к цифровым устройствам отображения является визуальный цифровой дисплей. Обычный пример такого единого пакета из нескольких светодиодов можно увидеть в семисегментных дисплеях.

Семисегментный дисплей, как следует из названия, состоит из семи светодиодов в одном корпусе дисплея. Его можно использовать для отображения информации.

Отображаемая информация может быть в цифровой форме данных, состоящей из цифр, букв, символов, а также буквенно-цифровых символов. Семисегментный дисплей обычно имеет восемь комбинаций входных соединений, по одной для каждого светодиода, а оставшаяся одна является общей точкой соединения для всех внутренних светодиодов.

Если катоды всех светодиодов соединить вместе и подать логический ВЫСОКИЙ сигнал, то загорятся отдельные сегменты. Таким же образом, если аноды всех светодиодов соединить вместе и подать логический НИЗКИЙ сигнал, тогда загорятся отдельные сегменты.

Преимущества, недостатки и области применения светодиодов

Преимущества

• Малый размер кристалла и низкая стоимость
• Долгий срок службы
• Высокая энергоэффективность
• Низкотемпературный
• Гибкость дизайна
• Много цветов
• Экологичный
• Высокая скорость переключения
• Высокая сила света
• Предназначен для фокусировки света в определенном направлении
• Менее затронуты повреждениями
• Меньше излучаемого тепла
• Повышенная устойчивость к тепловому удару и вибрации
• Отсутствие УФ-лучей

Недостатки

• Зависимость выходной мощности излучения и длины волны светодиода от температуры окружающей среды.
• Чувствительность к повреждениям из-за избыточного напряжения и/или избыточного тока.