Diodele emițătoare de lumină sau pur și simplu LED-uri, sunt printre cele mai utilizate dintre toate tipurile de diode semiconductoare disponibile astăzi și sunt utilizate în mod obișnuit în afișajele TV și color.

Acestea sunt cel mai vizibil tip de diodă care emite o lățime de bandă destul de îngustă de lumină vizibilă la lungimi de undă colorate diferit, lumină infraroșie invizibilă pentru comenzi de la distanță sau lumină de tip laser atunci când un curent direct trece prin ele.

"Dioda emițătoare de lumină" sau LED, așa cum se numește mai des, este în principiu doar un tip specializat de diodă, având caracteristici electrice foarte asemănătoare cu o diodă joncțiune PN. Aceasta înseamnă că un LED va trece curentul în sens direct, dar va bloca fluxul de curent în direcția inversă.

Când dioda este polarizată direct, electronii din banda de conducție a semiconductorilor se recombină cu goluri din banda de valență, eliberând suficientă energie pentru a produce fotoni care emit o lumină monocromatică (o singură culoare). Din cauza acestui strat subțire, un număr rezonabil de astfel de fotoni pot părăsi joncțiunea și pot radia, producând o ieșire de lumină colorată.

Atunci, putem spune că atunci când sunt polarizate direct, LED-urile sunt dispozitive semiconductoare care convertesc energia electrică în energie luminoasă.

Construcția unui LED este foarte diferită de cea a unei diode normale de semnal. Joncțiunea PN a unui LED este înconjurată de o carcasă sau corp de formă emisferică din rășină epoxidică transparentă, care protejează LED-ul atât de vibrații, cât și de șocuri.

În mod surprinzător, o joncțiune LED nu emite prea mult lumină, astfel încât corpul din rășină epoxidică este construit astfel încât fotonii luminii emise de joncțiune să fie reflectați departe de baza substratului înconjurător de care este atașată dioda și sunt focalizați în sus prin partea superioară a LED-ului, care acționează ca o lentilă pentru a concentra cantitatea de lumină. Acesta este motivul pentru care lumina emisă pare a fi mai strălucitoare în partea de sus a LED-ului.

Dar, nu toate LED-urile sunt realizate de formă emisferică pentru carcasa lor epoxidică. Unele LED-uri indicatoare au o construcție în formă dreptunghiulară sau cilindrică, care au o suprafață plană pe partea de sus sau corpul lor este modelat într-o bară sau săgeată. În general, toate LED-urile sunt fabricate cu două terminale care ies din partea inferioară a corpului.

Aproape toate LED-urile moderne au catodul lor, terminalul (-), identificat fie printr-o crestătură sau loc plat pe corp, fie terminalul catod mai scurt decât celălalt, anodul (+).

Spre deosebire de lămpile normale cu incandescență și becuri care generează cantități mari de căldură atunci când luminează, LED-ul produce o generație "rece" de lumină care conduce la eficiență ridicată față de "becul" normal, deoarece cea mai mare parte a energiei generate radiază departe în spectrul vizibil. Deoarece LED-urile sunt dispozitive solid-state, ele pot fi extrem de mici și durabile și oferă o viață a lămpilor mult mai lungă decât sursele normale de lumină.

Culorile LED-urilor

Spre deosebire de diodele de semnal normale care sunt realizate pentru detectarea sau redresarea puterii și care sunt realizate din materiale semiconductoare din germaniu sau siliciu, LED-urile sunt fabricate din compuși semiconductori exotici, cum ar fi Gallium Arsenide (GaAs), Gallium Phosphide (GaP) Fosfida (GaAsP), carbură de siliciu (SiC) sau Gallium Indium Nitride (GaInN) toate amestecate împreună în diferite rapoarte pentru a produce o lungime de undă distinctă de culoare.

Compuși diferiți de LED-uri emit lumină în anumite regiuni ale spectrului de lumină vizibilă și, prin urmare, produc nivele de intensitate diferite. Alegerea exactă a materialului semiconductor utilizat va determina lungimea de undă globală a emisiilor de lumină fotonică și, prin urmare, culoarea rezultată a luminii emise.

Astfel, culoarea reală a unui LED este determinată de lungimea de undă a luminii emise, care la rândul ei este determinată de compusul semiconductor efectiv utilizat în formarea joncțiunii PN în timpul fabricației.

Prin urmare, culoarea luminii emise de un LED NU este determinată de culoarea corpului din plastic al LED-ului, deși acestea sunt ușor colorate atât pentru a spori puterea luminii, cât și pentru a indica culoarea atunci când nu este aprinsă de o sursă de alimentare electrică.

LED-urile sunt disponibile într-o gamă largă de culori, cele mai frecvente fiind RED, AMBER, YELOW și GREEN și sunt astfel folosite pe scară largă ca indicatoare vizuale și ca afișaje luminoase în mișcare.

LED-urile de culoare albastră și albă recent dezvoltate sunt de asemenea disponibile, dar acestea sunt mult mai scumpe decât culorile standard datorită costurilor de producție pentru mixarea a două sau mai multe culori complementare la un raport exact în compusul semiconductor și de asemenea prin injectarea de atomi de azot în structura cristalină în timpul procesului de dopare.

Din tabelul de mai sus putem vedea că principalul dopant tip P utilizat în fabricarea LED-urilor este Gallium (Ga, număr atomic 31) și că principalul dopant de tip N folosit este Arsenic (As, număr atomic 33) dând compusul rezultat din structura cristalină a arsenului cu gallium (GaAs).

Problema cu utilizarea de arseniură de Galliu ca compus semiconductor este aceea că emite cantități mari de radiație infraroșu cu o luminozitate scăzută (de la 850 nm la 940 nm) de la joncțiunea sa, atunci când un curent direct curge prin el.

Cantitatea de lumină infraroșie pe care o produce este în regulă pentru telecomenzi de la televizor, dar nu este foarte utilă dacă dorim să folosim LED-ul ca lumină indicatoare. Dar prin adăugarea de fosfor (P număr atomic 15) ca al treilea dopant, lungimea de undă globală a radiației emise este redusă la mai puțin de 680 nm dând lumină roșie vizibilă ochiului uman. Îmbunătățirile suplimentare în procesul de dopare al joncțiunii PN au dus la o gamă de culori care acoperă spectrul luminii vizibile așa cum am văzut mai sus, precum și lungimile de undă infraroșu și ultra violet.

Prin amestecarea unei varietăți de compuși semiconductori, metale și gaze, se poate produce următoarea listă de LED-uri.

Tipuri de LED-uri

• Gallium Arsenide (GaAs) - infraroșu

• Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) - roșu până la infraroșu, portocaliu

• Aluminium Gallium Arsenide Phosphide (AlGaAsP) - luminozitate ridicată roșu, orange-roșu, orange și galben

• Gallium Phosphide (GaP) - roșu, galben și verde

• Aluminium Gallium Phosphide (AlGaP) - verde

• Gallium Nitride (GaN) - verde, verde smarald

• Gallium Indium Nitride (GaInN) - aproape de ultraviolete, albastru-verde și albastru

• Silicon Carbide (SiC) - albastru ca substrat

• Zinc Selenide (ZnSe) - albastru

• Aluminium Gallium Nitride (AlGaN) - ultraviolete

La fel ca diodele joncțiune PN convenționale, LED-urile sunt dispozitive dependente de curent, cu căderea de tensiune directă VF în funcție de compusul semiconductor (culoarea sa de lumină) și de curentul LED-ului polarizat direct. Cele mai obișnuite LED-uri necesită o tensiune de funcționare directă de aproximativ 1,2 până la 3,6 volți cu un curent direct nominal de aproximativ 10 până la 30 mA, cu 12 până la 20 mA fiind cel mai comun interval.

Atât tensiunea de funcționare directă cât și curentul direct variază în funcție de materialul semiconductor utilizat, dar punctul în care începe conducția și producerea luminii este de aproximativ 1,2 V pentru un LED roșu standard și la aproximativ 3,6 V pentru un LED albastru.

Căderea exactă a tensiunii va depinde, bineînțeles, de producător datorită diferitelor materiale dopante și lungimi de undă utilizate. Căderea de tensiune pe LED la o anumită valoare de curent, de exemplu 20 mA, va depinde de asemenea de punctul de conducție inițială VF. Deoarece LED-ul este o diodă, curbele caracteristice curent direct - tensiune pot fi trasate pentru fiecare culoare de diodă, după cum se arată mai jos.

Caracteristici I-V pentru LED-uri

Simboluri LED și curbe caracteristice I-V ce arată diferitele culori disponibile.

Inainte ca un LED să poată "emite" orice formă de lumină, are nevoie de un curent care să curgă prin el, fiind un dispozitiv dependent de curent cu intensitatea luminii direct proporțională cu curentul direct care trece prin LED.

Deoarece LED-ul trebuie să fie conectat într-o stare de polarizare directă la o sursă de alimentare, acesta ar trebui să limiteze curentul folosind un rezistor serie pentru a-l proteja de curentul excesiv. Nu conectați niciodată un LED direct la o baterie sau la o sursă de alimentare, deoarece va fi distrus aproape instantaneu, din cauza curentului prea mare ce va trece prin el.

Din tabelul de mai sus putem observa că fiecare LED are propria cădere de tensiune directă pe joncțiunea PN și acest parametru care este determinat de materialul semiconductor utilizat este căderea de tensiune directă pentru o anumită cantitate de curent direct de conducție, tipic pentru un curent direct de 20 mA.

În majoritatea cazurilor, LED-urile sunt operate de la o alimentare DC de joasă tensiune, cu un rezistor serie RS folosit pentru a limita curentul la o valoare sigură de, să spunem, 5 mA, pentru un indicator LED simplu, la 30 mA sau mai mult, unde este necesară o ieșire de lumină cu strălucire mare.

Rezistor serie cu LED

Valoarea rezistorului serie RS se calculează pur și simplu folosind legea lui Ohm, cunoscând curentul direct necesar IF al LED-ului, tensiunea de alimentare VS pe combinație și căderea de tensiune directă anticipată pe LED VF, la nivelul curentului necesar. Rezistorul limitator de curent se calculează după cum urmează:

Circuit rezistor serie cu LED

LED. Exemplul nr. 1

Un LED de culoarea chihlimbarului cu o cădere de tensiune directă de 2 volți trebuie conectat la o sursă DC stabilizată de 5V. Folosind circuitul de mai sus, calculați valoarea rezistorului serie necesar pentru a limita curentul direct la mai puțin de 10 mA. Calculați, de asemenea, curentul care trece prin diodă dacă se utilizează un rezistor serie de 100 Ω în loc de primul calcul.

1). rezistorul serie necesar la 10mA:

2). cu un rezistor serie de 100 Ω:

Ne amintim că rezistoarele vin în valori standard. Primul calcul de mai sus arată că pentru a limita curentul care trece prin LED la 10 mA exact, am avea nevoie de un rezistor de 300 Ω. În seria de rezistențe E12 nu există rezistor de 300 Ω, așa că ar trebui să alegem următoarea valoare cea mai mare, care este de 330 Ω. O rapidă recalculare arată că noua valoare de curent direct este acum de 9,1mA, iar acest lucru este bine.

LED-uri conectate împreună în serie

Putem conecta LED-urile împreună în serie pentru a crește numărul necesar sau pentru a mări nivelul luminii atunci când este utilizată în afișaje. Ca și în cazul rezistoarelor serie, LED-urile conectate în serie au toate același curent direct IF care curge prin ele. Deoarece prin toate LED-urile conectate în serie trece același curent, este în general cel mai bine dacă acestea sunt toate de aceeași culoare sau tip.

Deși lanțul serie de LED-uri are același curent care curge prin el, căderea de tensiune serie pe ele trebuie să fie luate în considerare atunci când se calculează rezistența necesară a rezistorului de limitare a curentului RS. Dacă presupunem că fiecare LED are o cădere de tensiune pe el, atunci când luminează, de 1,2 volți, atunci căderea de tensiune pe toate cele trei va fi de 3 x 1,2v = 3,6 volți.

Să presupunem că cele trei LED-uri trebuie să fie aprinse de la același dispozitiv logic de 5 volți sau să fie alimentate cu un curent direct de aproximativ 10 mA, la fel ca mai sus. Atunci, căderea de tensiune pe rezistorul RS și valoarea rezistenței sale se va calcula astfel:

Din nou, în seria de rezistențe E12 (10% toleranță) nu există rezistor de 140 Ω, așa că ar trebui să alegem următoarea valoare cea mai mare, care este de 150 Ω.

Circuite de comandă pentru LED-uri

Acum, când știm ce înseamnă un LED, avem nevoie de o anumită modalitate de a-l controla prin comutarea lui "ON" și "OFF". Etajele de ieșire ale ambelor porți logice TTL și CMOS pot furniza sau consuma cantități utile de curent, deci pot fi folosite pentru a comanda un LED. Circuitele integrate obișnuite (IC) au un curent de ieșire de până la 50 mA în configurația modului sink (consum), dar au un curent de ieșire limitat intern de aproximativ 30 mA în configurația modului source (furnizare).

În orice caz, curentul LED trebuie să fie limitat la o valoare sigură folosind un rezistor serie așa cum am văzut deja. Mai jos sunt câteva exemple de comandat LED-uri folosind IC-uri inversoare, dar ideea este aceeași pentru orice tip de circuit integrat de ieșire, fie combinaționale sau secvențiale.

În cazul în care mai multe LED-uri necesită comandă în același timp, cum ar fi în matricee mari de LED-uri sau curentul de sarcină este prea ridicat pentru circuitul integrat sau este posibil să să folosim componente discrete în loc de IC, atunci un mod alternativ de a comanda LED-urile utilizând tranzistoare bipolare NPN sau PNP ca întrerupătoare este prezentat mai jos. Din nou ca și înainte, un rezistor serie RS este necesar pentru a limita curentul LED.

Circuitul de comandă cu tranzistor

Luminozitatea unui LED nu poate fi controlată prin simpla variație a curentului care trece prin el. Permiterea unui curent mai mare de a curge prin LED va face să strălucească mai tare, dar va determina să disipeze mai multă căldură. LED-urile sunt proiectate pentru a produce o cantitate setată de lumină, funcționând la un curent nominal direct variind de la aproximativ 10 până la 20 mA.

În situațiile în care economia de energie este importantă, este posibil să existe mai puțin curent. Dar, reducerea curentului sub 5 mA poate diminua prea mult emiterea luminii sau poate chiar să comute LED-ul "OFF". O mult mai bună cale de a controla luminozitatea LED-urilor este utilizarea unui proces de control cunoscut sub numele de "Pulse Width Modulation" sau PWM (modularea lățimii de impuls), în care LED-ul este comutat în mod repetat "ON" și "OFF" la frecvențe variabile în funcție de intensitatea luminoasă cerută LED-ului.

Intensitatea luminii LED-ului folosind PWM

Atunci când sunt necesare ieșiri mai mari de lumină, un curent modulat cu lățimea impulsului cu un ciclu de funcționare destul de scurt (raport "ON-OFF") permite curentului diodei și deci intensității luminii la ieșire să crească semnificativ în timpul impulsurilor reale, menținând "nivelul curentului mediu" al LED-ului și disiparea puterii în limite sigure.

Această condiție intermitentă "ON-OFF" nu afectează ceea ce este văzut de ochiul uman, deoarece "umple" golurile dintre impulsurile luminoase "ON" și "OFF", oferind frecvența impulsurilor suficient de mare, astfel că apare ca o ieșire continuă a luminii. Deci impulsurile la o frecvență de 100 Hz sau mai mult apar de fapt mai strălucitoare pentru ochi decât o lumină continuă cu aceeași intensitate medie.

LED multicolor

LED-urile sunt disponibile într-o gamă largă de forme, culori și diverse dimensiuni, cu intensități diferite de ieșire a luminii, cel mai frecvent (și cel mai ieftin pentru a fi produse) fiind LED-ul standard 5 mm Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP).

LED-urile sunt de asemenea disponibile în diferite "pachete" amenajate pentru a produce atât litere, cât și numere, cel mai frecvent fiind cel al aranjamentului "afișaj cu șapte segmente".

În zilele noastre, sunt disponibile afișaje cu LED-uri cu ecran plat full-color, dispozitive mobile și televizoare, care utilizează un număr mare de LED-uri multicolore, toate comandate direct de propriul IC dedicat lor.

Cele mai multe LED-uri produc doar o singură ieșire de lumină colorată, dar acum sunt disponibile LED-uri multicolore care pot produce o gamă de culori diferite dintr-un singur dispozitiv. Cele mai multe dintre acestea sunt de fapt două sau trei LED-uri fabricate într-un singur pachet.

LED bi-color

Un LED bi-color are două cipuri LED conectate împreună în "paralel invers" (unul într-un sens, altul în sens contrar) combinate într-un singur pachet. LED-urile bi-color pot produce oricare dintre cele trei culori, de exemplu, o culoare roșie este emisă atunci când dispozitivul este conectat cu un curent care curge într-o direcție și o culoare verde este emisă atunci când este polarizat în cealaltă direcție.

Acest tip de aranjament bidirecțional este util pentru indicarea polarității, de exemplu conectarea corectă a bateriilor sau a surselor de alimentare etc. De asemenea, un curent bidirecțional produce ambele culori amestecate, deoarece cele două LED-uri comută pe rând pentru a ilumina dacă dispozitivul a fost conectat (printr-un rezistor adecvat) la o sursă de curent alternativ de joasă tensiune, de joasă frecvență.

LED tricolor

Cel mai popular tip de LED tricolor cuprinde un LED roșu și unul verde combinate într-un singur pachet, cu terminalele catodice conectate împreună, producând un dispozitiv cu trei terminale. Acestea se numesc LED-uri tricolore, deoarece pot da o singură culoare roșie sau verde prin comutare "ON" doar a unui LED la un moment dat.

Aceste LED-uri tricolore pot genera, de asemenea, nuanțe suplimentare ale culorilor lor primare (a treia culoare), cum ar fi Orange sau Galben, prin comutare "ON" a celor două LED-uri în diferite rapoarte de curent direct, așa cum se arată în tabel, generând astfel patru culori diferite de la doar două joncțiuni de diode.

Afișaje LED

Pe lângă LED-urile unicolor sau multi-color, mai multe LED-uri pot fi combinate împreună într-un singur pachet pentru a produce afișaje precum bargrafe, benzi, matrice și afișaje cu șapte segmente.

Un afișaj LED cu 7 segmente oferă o modalitate foarte convenabilă atunci când se decodifică corect afișarea informațiilor sau a datelor digitale sub formă de numere, litere sau chiar caractere alfanumerice și, după cum sugerează și numele acestora, ele constau în șapte LED-uri individuale (segmentele) într-un singur pachet de afișare.

Pentru a produce numerele sau caracterele cerute de la 0 la 9 și de la A la F, pe afișaj trebuie să fie iluminată combinația corectă de segmente LED. Un afișaj LED cu șapte segmente standard are în general opt conexiuni de intrare, unul pentru fiecare segment LED și unul care acționează ca un terminal sau conexiune comună pentru toate segmentele interne.

Ecranul cu catod comun (CCD) - În afișajul cu catod comun, toate conexiunile catod ale LED-urilor sunt unite și segmentele individuale luminează prin aplicarea unui semnal HIGH, logic "1".

Afișajul cu anod comun (CAD) - În ecranul cu anod comun, toate conexiunile anod ale LED-urilor sunt unite și segmentele individuale luminează prin conectarea terminalelor la semnalul LOW, "0" logic.

Un ecran tipic cu șapte segmente LED

Optocuplor

O altă aplicație utilă a LED-ului este în opto-cuplare. Un opto-cuplor sau un optoizolator, așa cum se mai numește, este un singur dispozitiv electronic care constă dintr-un LED combinat fie cu o foto-diodă, fie cu un foto-tranzistor sau cu un foto-triac pentru a furniza o cale de semnal optic între o conexiune de intrare și o conexiune de ieșire, menținând izolarea electrică între două circuite.

Un optoizolator este alcătuit dintr-un corp din plastic rezistent la lumină, care are o tensiune de străpungere tipică între circuitul de intrare (foto-diodă) și circuitul de ieșire (foto-tranzistor) de până la 5000 volți. Această izolare electrică este utilă în special atunci când semnalul de la un circuit de joasă tensiune, cum ar fi un circuit alimentat de la baterie, un computer sau un microcontroler, este necesar pentru a opera sau pentru a controla un alt circuit extern care funcționează la o tensiune de rețea potențial periculoasă.

Opto-cuploare cu foto-diodă și foto-tranzistor

Cele două componente utilizate într-un optoizolator, un transmițător optic, cum ar fi un LED Gallium Arseniură emițător în infraroșu și un receptor optic, cum ar fi un foto-tranzistor, sunt cuplate strâns optic și folosesc lumină pentru a transmite semnale și/sau informații între intrarea sa și ieșire. Aceasta permite transmiterea informațiilor între circuite fără o conexiune electrică sau un potențial comun de masă.

Optoizolatoarele sunt dispozitive digitale sau de comutare, astfel încât acestea transferă semnale de control "ON-OFF" sau date digitale. Semnalele analogice pot fi transferate prin intermediul modulației frecvenței sau a lățimii impulsurilor.

REFERINȚE

Fotoemițătoare