Многие знают, что светодиоды нельзя подключать к источнику питания напрямую. Что для подключения светодиода к источнику питания необходимо рассчитать токоограничивающий резистор.
Можно легко найти онлайн-калькуляторы для расчета токоограничивающего резистора, также не сложно самому посчитать сопротивление резистора.
Но иногда при типовых значениях тока и напряжения из даташита светодиод светится слишком ярко.
Недавно я задался вопросом: А при каком минимальном токе светодиод начинает светиться?
Далее делюсь информацией, которую нашел. (На самом деле эта информация больше нужна мне, чтобы не забыть).
Это не указано в даташитах.
Для большинства светодиодов свечение становится заметным невооружённым глазом в полной темноте при токе 0,1-0,5 мА (100-500 мкА). Для тусклого свечения в нормальных климатические условиях достаточно 1-2 мА. Точных цифр нет, потому что все субъективно: один человек может раньше другого заметить свечение, а другой вообще может его не увидеть.
От чего зависит свечение светодиода?
1. Пороговое напряжение.
Свечение начинается не в момент подачи напряжения, а тогда, когда достигается определенное пороговое значение напряжения (Forward Voltage Vf). Это минимальное напряжение, которое необходимо приложить к p-n переходу светодиода, чтобы преодолеть его встроенный потенциальный барьер (barrier potential).
Представьте горку (это и есть потенциальный барьер). Чтобы шарик скатился вниз и совершил полезную работу (например, зажег лампочку), его нужно сначала поднять на вершину горки. Vf — это как раз та “высота горки” в вольтах.
Это пороговое напряжение различается для светодиодов разного цвета свечения:
– для красных светодиодов 1,6 – 2 В;
– зелёных, жёлтых, синих 2,8 – 3,2 В;
– для белых 2,8 – 3,3 В.
Когда приложенное напряжение превышает Vf, происходит следующее:
· Преодоление барьера: Электрическое поле от внешнего источника питания становится сильнее внутреннего поля p-n перехода. Это “сглаживает” горку.
· Инжекция носителей: Электроны из n-области и дырки из p-области получают достаточно энергии, чтобы “протолкнуться” через переход и попасть в противоположную область.
· Рекомбинация — ключевой момент: Теперь в p-области оказывается много “лишних” электронов, а в n-области — много “лишних” дырок. Это неравновесное состояние. Электрон, находясь в p-области, “видит” дырку и прыгает в нее, чтобы занять более низкое энергетическое состояние. Этот процесс называется рекомбинацией.
При рекомбинации электрон перескакивает с высокого энергетического уровня на низкий.
Разница энергий между этими уровнями (ширина запрещенной зоны, bandgap) не может исчезнуть бесследно. По закону сохранения энергии, она выделяется.
В обычных диодах эта энергия рассеивается в виде тепла (фононов).
В светодиодах полупроводниковый материал специально подобран так, чтобы большая часть этой энергии выделялась в виде кванта света — фотона.
Таким, образом, свечение — это следствие рекомбинации электрона с дыркой после того, как барьер был преодолен.
Почему Vf разное для разных цветов?
Это напрямую связано с шириной запрещенной зоны (E_g). Энергия излучаемого фотона E_photon равна ширине запрещенной зоны: E_photon = E_g.
А поскольку энергия фотона определяет его цвет (E_photon = h * c / λ, где λ — длина волны), то:
· Для синего света нужна бóльшая энергия (бóльшая запрещенная зона), а значит и бóльшее прямое напряжение (~2,8 – 3,2 В).
· Для красного света нужна меньшая энергия, значит и меньшее прямое напряжение (~1,6 – 2 В).
То есть если подать на светодиод напряжение ниже порогового, ток через него практически не потечет (микроамперы), и свечения не будет. Как только напряжение приблизится к пороговому, появится ничтожный ток (десятые доли мА), и возникнет самое слабое свечение.
2. Факторы, влияющие на минимальный ток.
· Цвет светодиода: Как правило, красные и зеленые светодиоды более чувствительны и начинают светиться при меньшем токе, чем синие или белые, из-за разной ширины запрещенной зоны полупроводника.
· Чувствительность человеческого глаза: Глаз человека максимально чувствителен к зеленому цвету. Поэтому зеленый светодиод будет “заметен” при меньшем токе, чем, например, синий той же самой световой мощности.
· Условия наблюдения: В абсолютно темной комнате свечение станет заметно при токе 0.05 мА, тогда как при дневном свете свечение при том же токе будет незаметно.
· Индивидуальные особенности светодиода: Технология производства и материалы даже у однотипных светодиодов дают небольшой разброс параметров.
3. Как узнать минимальный ток практически?
Самый надёжный способ: подключить светодиод к источнику питания через переменный резистор сопротивлением около 100 кОм. В разрыв цепи включить мультиметр в режиме измерения тока (предел на несколько мА).
Нужно выкрутить резистор на максимальное сопротивление, подать от источника напряжение, превышающее ожидаемое пороговое, например 5 В.
Затем, уменьшая сопротивление переменного резистора, следить за тем, когда светодиод начнет светиться. Зафиксировать показания мультиметра.
Примерные значения тока для различных уровней свечения (примерное сопротивление токоограничивающего резистора для напряжения питания 5 В):
– 0,05 – 0,2 мА – едва заметное в полной темноте свечение (47 кОм – 15 кОм);
– 0,5 – 1 мА – тусклое , но уверенно видимое свечение (4,7 кОм – 2,2 кОм);
– 1 – 2 мА – “ночной” режим, мягкая подсветка (2,2 кОм – 1 кОм);
– 20 – 25 мА – номинальная яркость свечения (150 Ом – 120 Ом).
На этом всё!