O diodách LED pro Dummies

Nemám rád vzorce. Jako každý normální člověk :) Způsobují mi bolest hlavy a touhu něco hodit do zdi. Celý svůj život jsem se snažil držet dál od nich. A ukázalo se to. Ale teď jsem se začal zajímat o LED diody a uvědomil jsem si - nikam se nedostane. Abyste dosáhli požadovaného výsledku, musíte pochopit, jak to funguje. Pomalu jsem se po schodech začal brodit džunglí lumen, kandely a steradiánů. V mé hlavě se postupně začal tvořit obraz. A zároveň litovat - no, proč nebyl nikdo, kdo by to vysvětlil jednoduchým přístupným jazykem? Tolik času zbytečného ... Pokusím se tě zachránit od bolesti hlavy a vysvětlit to co nejpřístupnější - co je LED a jak to funguje. Současně vysvětlím několik optických zákonů :)

Článek je věnován těm, kteří jsou zmatení v apartmánech watts-candela-lumens-suite. A opravdu v LED. Napsal pokročilý čajník pro začátečníky :)

Normální LED

Bez ohledu na to, jak rotujete, musíte se nejprve dotknout zákonů běžné elektřiny. V názorných příkladech samozřejmě všichni: Víme - co je 220 voltů - to je to, co může zasáhnout správně, pokud nedodržíte bezpečnostní opatření. Když kupujete elektrický spotřebič, například žehličku, cestovní pas uvádí, pro jaké napětí je určen. Obvykle je to 220 voltů. Ve stejném pasu jsou však také uvedeny tyto parametry - střídavé napětí s frekvencí 50 Hz. Proč výrobci tvrdohlavě uvádějí tyto parametry?

Vyzvedněte jakýkoli technický pas pro elektrický spotřebič a podívejte se - říká se, že napájecí napětí by mělo být ~ 220 voltů, 50 Hz. Uvidíme, co to je. Symbol „~“ znamená, že napětí musí být variabilní. Např. V automobilovém elektrickém systému je napětí konstantní. A s baterií prstového typu je trvalá. Rozdíl je jednoduchý - konstantní napětí má plus a mínus - proměnná ne. Proč ne? Všechno je velmi jednoduché. V sítích střídavého proudu se plus a mínus neustále mění. Stejný kontakt je buď plus nebo mínus. Jak často? Ale pro to existuje další hodnota - 50 Hz.

Co je Hz? Jedná se o jednu vlnu za sekundu. To znamená, že v naší domácí síti se plus mínus padesátkrát za sekundu. A teď - jaké je praktické využití těchto znalostí, jaký druh má na LED diodu?

Pojďme to správně. Předpokládejme, že máte v ruce 220 voltovou 100 wattovou žárovku. Pokud ji zapojíte do elektrické sítě - rozsvítí se všech sto wattů. A pokud nepotřebujeme těchto 100 wattů? Potřebujete například 50? To nám pomůže DIODE.

Pokud rozbijeme slovo „LED“ na jeho komponenty, dostaneme „světlo“ a „dioda“. To znamená, že je to normální dioda, která také svítí.

Dioda je zařízení, které je nejlépe srovnatelné například s ventilem nebo vsuvkou v kole automobilu. Tam můžete čerpat vzduch a zpět - bradavka nedovolí. Běžná dioda vypadá jako černý sud se dvěma kolíky - plus a mínus. Zde ji můžeme použít pro praktické experimenty, které mnohým pomohou opravit materiál. Samozřejmě je nebezpečné začít experimentovat okamžitě se 220 volty, ale s náležitou péčí se nic špatného nestane. Nicméně všechny experimenty, které provádíte na vlastní nebezpečí a riskujete :)

Podívejte se na téma: Zařízení a princip činnosti polovodičové diody

Potřebujeme žárovku z ledničky na 220 V, 15 W. Pro ni musíte najít vhodnou kazetu a odstranit z ní dva dráty. Pak potřebujeme jakoukoli diodu, kterou lze získat například z vadné televize nebo magnetofonu. Čím je větší, tím lepší. Nemusíte brát velmi malé - konec konců 220 voltů. V jeho blízkosti je obvykle označení ve tvaru trojúhelníku.

Pak potřebujeme napájecí kabel se zástrčkou, několika dráty a páječka. Chcete-li začít, jednoduše připojte žárovku k síti a nezapomeňte, jak svítí. Poté odpojte a sestavte obvod podle obrázku vlevo.

Nezapomeňte pečlivě izolovat všechny spoje elektrickou páskou. Připojte se. Jak vidíte, žárovka svítí mnohem horší. To není překvapivé - nyní dostává pouze polovinu napětí, které potřebuje - druhá dioda se nespustí. Pokud vaše zkušenost byla úspěšná a dioda je dostatečně velká - nyní můžete kteroukoli ze svých žárovek učinit prakticky věčnou.

Například ve vaší chodbě svítí 50 wattová lampa a neustále hoří. Vezměte 100 wattů, zapněte je diodou - bude svítit jako 50 wattů, ale nevyhoří. Existuje však jedna nástraha - dioda musí být dimenzována na 220 V a proud je alespoň ampér. Nejlepší je koupit jeden v obchodě s rádiovými součástmi.

Protože jsme zjistili, co je dioda, má smysl jít na téma, které nás zajímá - LED. LED, jak je nyní jasné, má také plus a mínus. To znamená, že pro jeho provoz je nutný zdroj konstantního napětí - baterie, baterie, zdroj energie. Napájecí zdroj musí indikovat, že dodává konstantní napětí (DC). Na krytu bloku je obvykle nálepka tohoto obsahu.

Vstup - ~ 220V 50HZ,

výstup - 12 V, 0,5 A DC

To znamená, že taková jednotka může produkovat konstantní napětí 12 voltů a proud 0,5 ampér.

Nabíječka pro mobilní telefony je také napájecí zdroj. Obvykle má parametry 5-6 voltů, 0,2-0,5 A. Často je velmi vhodné použít jej k napájení LED, protože nabíječka stabilizuje proud. Ale více o tom později v následujících článcích.

Pro nás jsou důležité dva parametry - provozní napětí LED a proud. Provozní napětí LED se také nazývá „úbytek napětí“. Tento termín v podstatě znamená, že po LED bude napětí v obvodu menší o velikost stejného poklesu. To znamená, že pokud napájíme LED diodu, která má pokles napětí 3 volty, pak bude jíst tyto tři volty a zařízení k němu připojené poté získá 3 volty méně. Ale nejdůležitější věcí, kterou se musíme naučit, je to, že proud je důležitý pro LED, ne pro napětí. Napětí vezme tolik, kolik potřebuje, ale aktuální - kolik dáte. To znamená, že pokud váš zdroj energie může vydat 10 ampér, LED bude nabírat proud, dokud nevyhoří. Logika je zde jednoduchá - připojená LED spotřebovává proud a začíná se zahřívat. Čím silnější se ohřívá - čím více to může projít proudem - expanduje z ohřevu. Spolu s proudem se zvyšuje úbytek napětí v diodě. A tak dokud nevyhoří úplně - nikdo neomezil proud. To však musí být provedeno pomocí omezujícího prvku.

Mějte na paměti, že pokud má zdroj napájení výstupní napětí rovné provoznímu napětí LED, není nutné proud omezovat. To znamená, že pokud máte například bílou LED a 3,6 V baterii z mobilního telefonu - můžete ji připojit přímo k této baterii - s LED se nic nestane. Rád by chytil více proudu - ale není k dispozici dostatečné napětí. Baterie 3,6 V je tedy ideálním zdrojem energie pro experimentování s bílými a modrými LED diodami. Proč jen s nimi - o tom v dalších článcích.

Obecně platí, že v sérii s LED diodou musíme dát nějaký druh kohoutku a přišroubovat jej na potřebnou hodnotu. V roli takového jeřábu mohou být různá zařízení. Nejjednodušší z nich je odpor.

Optické aspekty používání LED

Předpokládejme, že jsme se naučili, jak připojit LED a omezit její proud. Vyvstává otázka - kolik to svítí? Tady se musíme trochu ponořit do optiky.

Mezi vlastnosti LED, zvláště výkonných, je často uveden typ distribuce světla. Obvykle se jedná o tzv. Lambert LED. Dále to budeme považovat za nejrozšířenější. Co to znamená? LED Lambert svítí ve všech směrech stejně, bez ohledu na směr.Pokud by LED byla koule, svítila by rovnoměrně ve všech směrech - to je podstata Lambertova diagramu. Aby to bylo jasné, slunce je Lambertianův zdroj.

Standardní design LED je krystal, tenká deska, která svítí. Prohlédněte si průhledné okno LED - a uvidíte tento krystal. K němu přicházejí tenké dráty kontaktů. Pokud propojíte představivost, můžete si představit světlo přicházející z LED jako oblak ve tvaru koule visící nad ní. Světlo - to jsou malé částice zvané fotony. Nad LED svítí koule naplněná fotony. Čím více světla LED vyzařuje, tím větší je koule, čím dál fotonové koblihy létají, tlačí se a vytlačují se. Většina z nich letí vzhůru kolmo k rovině krystalu, takže maximální intenzita světla LED je 90 stupňů vzhledem k rovině krystalu. Doufám, že se vám nyní schémata od výrobců LED stala jasnější :) Pro úplnost pochopení se podívejme na příklad.

Předpokládejme, že existuje LED, na jejímž konci světelná koule, kterou vyzařuje, visí s průměrem 1 metr (dobrá LED! :)).

Nižší stupnice je počet procent tohoto metru, horní je stupeň radiace. Podle tohoto diagramu je největší počet fotonů v nejvyšším bodě se stupněm 0 a rozsahem 1 metr. Vypadá to divně, ale je to tak. Méně podivné, že to začne vypadat, pokud si vzpomenete, že světlo je vlna, není to pro nic, co by naznačovalo vlnovou délku charakteristik. Podle toho může být naše světelná koule reprezentována jako elektromagnetické pole s určitou hustotou. Ale to už je džungle - pojďme :)

Poloviční úhel jasu

Výrobce obvykle označuje parametr, jako je dvojitý úhel polovičního jasu. Co to znamená? Jak jsme zjistili, LED dala maximální světlo ve středu a nahoře, to znamená, že úhel je nula. Čím dále od středu, tím méně světla. Úhel poloviny jasu je, když LED dává 100 konvenčních jednotek světla při „0“ stupních, a například při 30 stupních (vzhledem k ose „0“) - 50. Úhel poloviční jasnosti na obrázku I je intenzita světla, Imax je maximální intenzita světla. ImaxCos - poloviční síla světla. Proč "double" - vynásobíme stupně dvěma, LED také svítí symetricky. Výsledkem je pěkný rovnoramenný trojúhelník světla. Mimo tento trojúhelník je také světlo, máme světelnou kouli, ale referenční bod pro charakteristiku LED je poloviční úhel.

Candela

Nyní můžeme zvážit, co je Candela. Candela je starým způsobem „svíčkou“. Pamatujete, říkali - lustr nebo lampa se stovkou svíček? Ve starých časech bylo zapotřebí nějakého referenčního bodu. Dohodli jsme se, že vezmeme svíčku o požadované tloušťce, zapálíme ji a považujeme ji za standardní, právě tuto kandelu. V dnešní době samozřejmě myslí jinak. Nebudu podrobně vysvětlovat, jak je to nad rámec článku. Je to jen měrná jednotka intenzity světla a nazývá se Candela. Jeho hlavním rysem je použití směrových zdrojů pro měření intenzity světla. To je důvod, proč jsou pro 5 mm LED uvedeny hodnoty v svíčkách, přesněji v milikandelech (1 cd = 1 000 mcd).

Je na čase zjistit, jak se 5 mm LED nebo jakékoli jiné v plastovém pouzdře liší od silných.

Konstrukční vlastnosti indikátorů 5 mm LED

Jak je uvedeno výše, LED je krystal emitující světlo. Zvažte design LED v plastovém pouzdře 5 mm. Podrobná prohlídka odhalí dvě důležité věci - čočku a reflektor. Krystal LED je umístěn v reflektorovém zařízení LED. Tento reflektor nastavuje počáteční úhel rozptylu. Pak světlo prochází epoxidovým pouzdrem. Přichází k objektivu - a poté se začne rozptylovat po stranách pod úhlem v závislosti na konstrukci objektivu. V praxi - od 5 do diagramu LED 160 stupňů.

K označení intenzity světla takových LED se používá pouze kandela.LED diody se směrovým vyzařováním emitují světlo v pevném úhlu. Abychom pochopili, co je pevný úhel, stačí si představit následující obrázek. Vezměte baterku, zapněte ji a vložte ji do ohnivé nádoby až na dno a poté ji zavřete víkem. Světlo uvnitř má podle toho tvar kužele ve tvaru našeho kbelíku. Tento kužel ohraničený víkem je pevný úhel.

Pokusím se vysvětlit význam distribuce světla jednodušeji. Předpokládejme, že svítivost naší lucerny je 1 kandela, tj. 1 000 mikročástic (abych byl více obrazný, lze mikro kandely považovat za fotony :)) Pokud půjdeme dále analogicky, máme kbelík mikročástic. Pokud si přejete, můžete spočítat objem kbelíku - vítejte v geometrii :) Pokud tedy vezmeme kbelík dvakrát tolik - mikročástice jsou na něm rovnoměrně rozloženy, to znamená, že už nebude více :) Ve všech těchto vysvětlením najdete odpověď na posvátnou otázku - kolik K výměně 100 W žárovky je potřeba LED. O tom - dále.

Konstrukční vlastnosti vysoce výkonných LED

Na rozdíl od indikátorových LED diody nejsou výkonné pouze zařízení, ale také marketingový produkt. Dnes mezi hlavními výrobci existuje skutečná rasa pro lumeny - kdo je víc? A nikdo se nestará o to, že tyto lumeny musí být stále používány. Pojďme do pořádku.

Hlavním rozdílem mezi výkonnou LED a indikační LED v její čisté podobě je minimalizovat jakékoli překážky pro únik světla z pouzdra LED. Proto mají výkonné LED diody Lambertův diagram. K čemu to v praxi vede? Zapnete LED a nad ní získáte pěknou žárovku. A co dál? Jak mohou osvětlit požadovaný povrch? Musíte použít různé optiky nebo reflektory, což nevyhnutelně vede ke ztrátám, a proto ke snížení světelného toku. Proto, pokud jste si koupili výkonnou LED, nezískali jste dobrou optiku a byli navrženi speciálně pro svůj design - radujete se brzy - bolesti hlavy musí teprve přijít.

Dodání lumenů, které potřebujete na povrch, který chcete osvětlit, není snadný úkol.

Lumen

Jak jste již pochopili, kandely pro hodnocení intenzity světla vysoce výkonných LED nejsou vhodné. K tomu existují lumeny - to je celkové množství světla, které LED může vydat, když je připojeno ke specifikovaným hodnotám proudu a napětí. Pamatujete si analogii kbelíku na oheň? Tady také sedí. Předpokládáme, že pokud má LED intenzitu světla 100 lumenů, pak v našem kbelíku bude 100 lumenů.

100 W obyčejná žárovka je také Lambertovým zdrojem. Průměrný světelný výkon této žárovky je 10-15 lumenů na watt. To znamená, že 100 wattů žárovky nám dá, řekněme, 1000 lumenů. Chcete-li tedy vyměnit 100 W žárovku za LED, potřebujete 10 kusů po 100 lumenech. Je to tak jednoduché? Ne, bohužel. Přicházíme k termínu jako LUX.

Suite

Luxusní je poměr počtu lumenů a osvětlené oblasti. 1 lux je 1 lumen na metr čtvereční. Řekněme, že máme čtvercový povrch o rozloze jednoho metru. To vše je rovnoměrně osvětleno žárovkou umístěnou v určité vzdálenosti čiré shora. U této žárovky výrobce prohlásil osvětlení 100 luxů. Bereme zařízení, které měří sílu světla a měří to kdekoli na našem náměstí, měli bychom získat 100 lumenů. Pokud ano, výrobce nás klamal.

Přečtěte si také toto téma:Příklady použití LED