Расчет гасящего резистора для светодиода: Рассчитать сопротивление для светодиода. Делаем расчет резистора для параллельного или последовательного включения светодиодов

Содержание

Расчет емкости «Гасящего конденсатора» для сети 220вольт. | Дмитрий Компанец

Конденсатор вместо резистора

Конденсатор вместо резистора

Конечно, в наши дни, лампочки накаливания «не в моде», но и для «модных» светодиодов расчет гасящего конденсатора по мощности остается актуальным. Так что вспомним старое и

РАССЧИТАЕМ ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРА

для включения в сеть 220 вольт маломощной лампочки накаливания с рабочим напряжением 6,3 вольта.

Считать будем «классически» по учебнику и старым журналам «Радио»

Для начала подсчитаем падение напряжения приходящееся на «балласт» — резистор или дроссель или … конденсатор.
Самое простое это вычесть из напряжения сети 220 вольт рабочее напряжение лампочки

220 — 6,3 = 213,7 это напряжение которое будет падать на резисторе, если мы таковой применим для нашей схемы.
Ток нашей цепи определяется лампочкой — 0,22А, так что номинал резистора можно определить просто по формуле
R = U/I подставив значения 213,7/0,22 = 970 Ом получим сопротивление.

Но абы какой резистор поставить в цепь с лампочкой нельзя! Нужно учитывать мощность ! Тут все просто — формула мощности P=U*U/R позволяет подсчитать какой мощности резистор нам потребовался бы для подобной схемы.
P=U*U/R подставив значения 213,7*213,7/970 получим мощность 47 Вт

Если приглядеться к формулам, то очевидно, что считать сопротивление для расчета мощности нам не было смысла R = U/I , P=U*U/R , P=U*U/U/I, P=I*U но за ради разминки и дальнейших вычислений мы это сделали.

Мощность 47 Вт для резистора рассеивающего её просто как тепло в атмосферу это слишком жирно для маленькой лампочки!
Именно для этого в цепи с активной нагрузкой ставят конденсаторы, которые хоть и проводят переменный ток, но оказывают ему сопротивление зависящее от своей емкости.

Простейшая формула R=1/(2Пi*F*C) поможет нам узнать — Какую емкость должен иметь конденсатор для нашей схемы.
Вытащить С (емкость) из формулы и подставить известные для нашей электро-сети значения Пi=3,14 , F=50 (Гц) , R = U/I=970 Ом

ВСЁ! Для лампочки с током 0,22А и рабочим напряжением 6,3 вольта Требуется емкость конденсатора С=1/(2Пi*F*R) = 1/(2*3.14*50*970)
примерно 3,3 мкф.
С учетом, что рабочее напряжение конденсаторов в таких схемах должно быть не менее 400 вольт (чтим ТБ), то и размер «банок» конденсаторов Неполярных будет приличным.

ЗАМЕЧАНИЕ (Автора)

В реальной жизни использование маломощных лампочек для индикации было организовано совсем иначе чем в этом школьном примере.
Утюги, электроплиты , станки и пылесосы использовали схему с резисторным «гасителем напряжения». У меня до сих пор сохранились крепежи с индикаторными лампочками в колпачках с мощным проволочным резистором на контактах.

Но этот расчет может очень пригодиться тем кто строит (конструирует) схемы из светодиодов включаемых в сеть 220 вольт.
Во многих светодиодных лампочках вместо «умных драйверов» и схем стабилизации тока, ставят именно «гасящие конденсаторы» и служат такие лампочки, вопреки ожиданиям , лучше и дольше чем «умные».
К примеру диммировать такую светодиодную лампу можно, а вот «умную» нельзя, — только покупать специальную более дорогую диммируемую лампочку.

РАСЧЕТ ЕМКОСТИ ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ

Как ни удивительно , а расчет для светодиодов даже проще чем для старой лампы накаливания.
Вам нужно только знать мощность на которую рассчитаны ваши светодиоды (хоть сотня хоть один) и исходя из этого , используя формулу R=1/(2Пi*F*C) просто рассчитать подходящий конденсатор, не забывая при этом тот факт, что Светодиоды питаются выпрямленным током, а полярные конденсаторы на 400 вольт занимают очень мало места.

Клуб историко-технического стендового моделизма Патриот в Ступино

«Светодиоды и их использование в моделизме»
(или из ненаписанной для «М-Хобби» статьи…)


Все описанное далее является компиляцией опыта использования светодиодов многими авторами, положенного на элементарные знания школьного курса физики и личный опыт.

Светодиодные источники света широко вошли в наш быт. В настоящее время в продаже можно найти множество разных светодиодов основных цветов (и их оттенков) – желтых, синих, красных, зеленых, белых. Кроме того выпускаются многоцветные светодиоды – последовательно изменяющие цвет свечения, а так же просто мигающие одним или двумя цветами. Это, несомненно, влечет желание разнообразит модель световыми эффектами и визуально привлечь к ней внимание.

В 2018 году журнал «М-Хобби» (5/2018) поднял эту тему, опубликовав статью Сергея Торхова «Светодиоды на службе моделиста». В своей статье Сергей описывал конкретное применение светодиодов, использованных им в ходе постройки модели автопоезда, с рекомендацией (цитата) «брать источник питания (ИП) с запасом по напряжению и покупать светодиоды тоже с запасом, т.к. по первости некоторым из них суждено сгореть»! И хотя в данной статье упоминается о необходимости подключения светодиодов через резистор – в приведенных схемах он, почему то, отсутствовал.

 

Как человек далекий от радиотехники, я на собственном опыте сталкивался с проблемой подбора ИП и сгоревших светодиодов, поэтому приведу некоторые рекомендации, что бы сэкономить деньги моделистов и помочь избежать «перегорания».

Основная ошибка многих — это подключение светодиодов напрямую к источнику питания (что делал раньше и я). Светодиоды необходимо включать в цепь через балластный резистор, который снизит силу тока и создаст комфортные условия для работы светодиода (рис. ниже). При этом стоит помнить, что светодиод – это полупроводниковый элемент, подключать который необходимо с соблюдением полярности.

 

К светодиоду должен быть последовательно подключен резистор. Резистор ограничивает ток, проходящий через светодиод. Без гасящего резистора светодиод может выйти из строя. Номинал резистора определяется по формуле:


Где:
Uпит – Напряжение источника питания, например батарейки или аккумулятора. В вольтах.
Uпад — Прямое напряжение светодиода взятого из его паспортных характеристик (обычно находится в пределах от 2 до 4 вольт). В вольтах.
I — Прямой ток светодиода взятого из его паспортных характеристик (обычно находится в пределах от 0,01 до 0,02 ампера). В амперах.
R — Номинал резистора в Омах.

Подставьте в указанную формулу величину напряжения питания, паспортные характеристики на ваш светодиод и получите требуемый номинал гасящего резистора в Омах.

Рассчитать необходимые параметры резистора в зависимости от применяемого типа светодиода (его напряжения питания и силы тока) помогут специализированные интернет-калькуляторы, которые читатель может найти в сети (Например — http://led-obzor.ru/raschet-rezistora-dlya-svetodioda-kalkulyator).
Есть и графический метод расчета схем подключения одного, либо одновременно подключенных двух или трех светодиодов. Например в статье https://www.inventable.eu/2013/03/20/066-metodo-grafico-para-calcular-la-resistencia-de-los-leds/

Автор приводит графики для белых, синих и зеленых светодиодов (Vled = 3,6 В Iled = 20 мА), а так же для красных, оранжевых или желтых светодиодов (Vled = 1,8 В Iled = 20 мА). Указанные графики рассчитаны на светодиоды высокой яркости с рабочим током 20 мА.

Авторы указанных статей отмечают, что, как правило, придется изменять полученное значение сопротивления, чтобы адаптировать его к коммерческим значениям. Например, значение, полученное как 190 Ом, может быть без проблем заменено значением 180 Ом – более распространенное в продаже.

Касаясь использования источника питания (ИП) для модели, которую предполагается относительно длительное время выставлять в экспозиции какого-либо конкурса – позволю себе смелость рекомендовать распространенные переносные (карманные) ИП для смартфонов (телефонов) с выходным напряжением 5 вольт и разъёмом USB. Такие ИП широко представлены в магазинах и помимо своего прямого назначения – заряжать телефоны – могут прекрасно использоваться для питания модели со светодиодами. Собрать такую схему по плечу даже начинающему мастеру (рис. ниже) используя ненужный шнур с разъёмом USB.

Единственное условие – требуется соединить выводы D- и D+ (рис.

5) с выводами «-» и «+» разъёма USB (который продается там же, где и светодиоды) через резисторы или перемычкой. В противном случае ИП не сможет опознать Вашу схему со светодиодами как телефон и через несколько секунд автоматически отключится. Рекомендую предварительно поискать информацию в сети для подключения конкретного ИП. Ссылки на некоторые из сайтов, посвященных такому подключению, привожу в конце.

В случае затруднения в подборе конкретного ИП, а так же для их подключения к конкретным схемам светодиодов — рекомендую обратиться к мастерам, благо таких специалистов можно найти на радиорынках, магазинах радиодеталей и сервисных центрах.
Вместе с тем сейчас распространены компактные аккумуляторы, используя которые можно собрать любой ИП. Для тех, кто решил использовать батарейки (аккумуляторы) привожу схемы на 9 вольт. По способу расчета и подключения балластного резистора — они не отличаются от описанных выше.

Для более стабильной работы ИП на аккумуляторах (или батареях) – я собираю их последовательно (либо параллельно – если надо добиться более высокого тока) в общую батарею, с запасом по напряжению, например 8-12 вольт (при необходимых мне 5-ти вольтах), а для стабилизации и получения на нужного напряжения – ставлю интегральный линейный стабилизатор, например КР142ЕН5А (или импортный аналог).

Более интересные схемы – сочетание светодиодов и пучка световодов – для создания разнообразных световых рисунков. Обращаю внимание, что световод, хотя и достаточно гибкий элемент, не допускает резких перегибов и чувствителен к нагреванию и агрессивным клеям.

Примеры работ ряда моделистов:

   

Для моделистов, которые уверенно владеют паяльником (а этот навык необходим и для использования фототравления) – рекомендую простейшие электронные схемы для создания специальных цветовых рисунков. Их схемы можно найти в сети, а детали купить по отдельности или приобрести готовые конструкторы. Например – схема, в которой светодиоды поочередно зажигаются, создавая эффект «бегущей точки».

В заключении:
Обращаю внимание моделистов на необходимость соблюдения правил безопасности при работе с высоким напряжением, нагревательными элементами, а так же тщательной изоляции цепей.
Все описанное является компиляцией опыта использования светодиодов другими авторами, положенного на элементарные знания школьного курса физики.
Буду признателен за конструктивную критику и примеры использования.

С Уважением, Виктор Цымбал (Москва-Ступино)

 

При подготовке статьи использовались:
https://mavius.mavjuz.com/projects/led/ расчет резисторов в цепи светодиодов
http://www.talkingelectronics.com/projects/30%20LED%20Projects/30%20LED%20Projects.html расчет резисторов в цепи светодиодов, а так же простые схемы подключения

http://www.talkingelectronics.com/projects/30%20LED%20Projects/30%20LED%20Projects.html
https://www.inventable.eu/2013/03/20/066-metodo-grafico-para-calcular-la-resistencia-de-los-leds  
https://www.taringa.net/posts/hazlo-tu-mismo/16519642/LEDs-otro-modo-de-saber-el-valor-de-la-resistencia.html графический метод расчета сопротивления в цепи светодиода
http://www.instructables.com/id/Choosing-The-Resistor-To-Use-With-LEDs/ расчет сопротивления резистора в цепи светодиода
http://rones.su/techno/usb.html статья о разъёмах USB
http://rones.su/techno/zaryadka-mobilynika-po-usb. html зарядка гаджетов через блоки питания
http://rones.su/techno/5v_gadget_supply_and_charging.html питание и заряд 5V-гаджетов
http://ca.flippity.com/buy/Engine-Light-Control-Board-for-Star-Wars-Revell-Zvezda-1-2700-Star-Destroyer-292477243813 электронный конструктор для подсветки модели «Звездного разрушителя».

Для иллюстрации использовались работы с различных модельных сайтов, в т.ч. Каропка, Скала и т.п. Приношу извинения, если не указал конкретное авторство, но URL Вам в помощь.

Дежурное освещение на светодиодах / Хабр

Часто, в разных местах, требуется освещение типа «лишь бы не полная тьма». Например, лестничная клетка многоквартирного дома, где иголки на полу искать не требуется, а достаточно лишь минимального света, чтобы не оступиться или иметь возможность попасть ключом в замочную скважину. Обычно, в таких случаях, вкручивается либо 20-40 ваттная «лампочка Ильича» или «экономичная» на 7-9Ватт. Лампа накаливания имеет свойство часто перегорать, а «экономички», просто, банально крадут

(у меня с лестничной клетки, за 3 года, стырили штук пять, мною вкрученных — мелочь, но неприятно)

.

Если вам нужен экономичный и защищенный от воровства

(ну, скажем так, более защищенный, чем просто лампочка)

источник света, то читайте дальше.


Для освещения будем использовать мощные светодиоды 0,5 Ватт калибра 7.62мм

(да-да, тот самый)

, они достаточно ярки и им не нужен внешний дополнительный радиатор, в отличие от более мощных собратьев «звёздочек» по 1-3 Ватта. В моей конструкции используются четырёхногие белые светодиоды 7,62мм 100мА с углом рассеивания 140°. Падение напряжения на светодиоде возьмём ~3.3В. Питать будем от сети 230Вольт. По закону Ома, величина гасящего сопротивления должна быть (230В-3.3*3)/0.1А=2200Ом. Рассеиваемая на нём мощность, соответственно, составит более 20Ватт. Резистор, с такими параметрами, имеет весьма внушительные размеры и, к тому же, будет сильно греться. Мы пойдём другим путём и используем в качестве сопротивления конденсатор.


Классическая схема с гасящим конденсатором.

Из курса электротехники известно, что конденсатор в цепи переменного тока имеет реактивное сопротивление Xc=1/(2πfC), где f-частота, C — ёмкость конденсатора. Чтобы получить сопротивление конденсатора в районе 2200Ом при частоте 50Гц, ёмкость должна быть C=1/(2*3.14*50*2200)=0.0000014Фарад. или ~1.4мкФ. Это очень грубый расчет, где не берётся во внимание наличие в схеме выпрямительного моста и сглаживающего конденсатора. Сделаем запас на прочность, взяв ток в 75% от расчётного (яркости светодиодов будет достаточно, а режим их работы станет более щадящим), и возьмём конденсатор ёмкостью 1мкФ. Яркости будет достаточно даже при 0.68мкФ.


ВНИМАНИЕ! В качестве гасящих рекомендую использовать только специальные помехоподавляющие конденсаторы класса X2, на напряжение не менее 250Вольт.

Обычно такие конденсаторы имеют прямоугольную форму и много всяких значков-сертификатов на корпусе.

Использование неподходящих конденсаторов может привести к пожару!

Резистор 220 Ом уменьшает бросок тока через конденсатор, при включении. Ведь, разряженный конденсатор, в момент включения, имеет очень маленькое сопротивление и, через всю схему, на доли секунды, протекает очень большой ток. Дополнительно, для защиты светодиодов от бросков тока в момент включения и в процессе работы, в схему включены электролитический конденсатор и мощный стабилитрон.

Макет «на весу»:


Для изготовления понадобятся:


  • небольшая разветкоробка (корпус)
  • 3 светодиода 0,5 Ватт 100мА
  • диодный мостик на напряжение не менее 400В и ток 1-2А)
  • стабилитрон на 5Ватт 14-15 Вольт (такой запас не повредит)
  • электролитический конденсатор 100мкФ на напряжение 100В
  • конденсатор (класса X2) 0.68-1мкФ на напряжение не менее 250В
  • резистор 1-2 Ватта на 150-200 Ом.
  • предохранитель на 1-2 Ампера (на всякий пожарный)
  • колодка (клеммник) на два контакта


ВНИМАНИЕ! При работе устройства все элементы схемы находятся под опасным для жизни напряжением! Соблюдайте технику безопасности и осторожность!

Даже при полном отключении от сети, конденсатор продолжительное время сохраняет заряд. При касании его выводов можно получить неприятный удар током. Параллельно гасящему конденсатору можно подключить резистор сопротивлением 500КОм — 1МОм, он будет разряжать конденсатор при выключении.

Данное устройство освещает мою лестничную клетку уже в течении трёх месяцев и не вызывало нареканий.

Использованные материалы:
1) Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором — журнал «Радио» за 1997 год, Nr. 5, с. 48 — 50.

LM317 и светодиоды — OpenVoron


 LM317 и светодиоды

статья с переработанная с сайта http://invent-systems.narod.ru/LM317.htm

Долговечность светодиодов определяется качеством изготовления кристалла, а для белых светодиодов еще и качеством люминофора. В процессе эксплуатации скорость деградации кристалла зависит от рабочей температуры. Если предотвратить перегрев кристалла, то срок службы может быть очень велик до 10 и более лет.

От чего может быть вызван перегрев кристалла? Он может быть вызван только чрезмерным увеличением тока. Даже короткие импульсы тока перегрузки сокращают срок жизни светодиода, например, если в первый момент, после скачка тока визуально это воздействие не заметно и кажется, что светодиод не пострадал.

Повышение тока может быть вызвано нестабильностью напряжения или электромагнитными (электростатическими) наводками на цепи питания светодиода.

Дело в том, что главным параметром для долговечности светодиода является не напряжение его питания, а ток, который по нему течет. Например, красные светодиоды по напряжению питания могут иметь разброс от 1,8 до 2,6 V, белые от 3,0 до 3,7 V. Даже в одной партии одного производителя могут встречаться светодиоды с разным рабочим напряжением. Нюанс заключается в том, что светодиоды изготовленные на основе AlInGaP/GaAs (красные, желтые, зеленые — классические) довольно хорошо выдерживают перегрузку по току, а светодиоды на основе GaInN/GaN (синие, зеленые (сине-зеленые), белые) при перегрузке по току, например, в 2 раза живут … 2-3 часов!!! Так что, если Вы желаете, чтобы светодиод горел и не сгорел в течение хотя бы 5 лет позаботесь о его питании.

Если мы устанавливаем светодиоды в цепочку (последовательное соединение) или подключаем параллельно, то добиться одинаковой светимости можно только если протекающий ток через них будет одинаков.

Также опасно для светодиодов высокое обратное напряжение. У светодиодов обычно порог обратного напряжения не превышает 5-6 V. Для зашиты светодиода от импульсов обратного напряжения рекомендуется устанавливать выпрямительный диод в обратном направлении.

Как построить своими руками самый простой стабилизатор тока? И желательно из недорогих комплектующих.

 Обратим внимание на стабилизатор напряжения LM317, который легко превратить в стабилизатор тока при помощи только одного резистора, если нужно стабилизировать ток в пределах до 1 A или LM317L, если необходима стабилизация тока до 0,1 А. Datasheet можно скачать здесь!

 Так выглядят стабилизаторы LM317 с рабочим током до 3 А.

 

Так выглядят  стабилизаторы LM317L с рабочим током до 100 мА.

На Vin (input) подается напряжение, с Vout (output) — снимается напряжение, а Adjust — вход регулировки. Таким образом, LM317стабилизатор с регулируемым выходным напряжением. Минимальное выходное напряжение 1,25 V (если Adjust «посадить» прямо на землю) и максимальное — до входного напряжения минус 1,25 V. Т.К. максимальное входное напряжение составляет 37 вольт, то можно делать стабилизаторы тока до 37 вольт соответственно.

Для того чтобы LM317 превратить в стабилизатор тока нужен всего 1 резистор!

Схема включения выглядит следующим образом:

По формуле внизу рисунка очень просто рассчитать величину сопротивления резистора для необходимого тока. Т.е сопротивление резистора равно — 1,25 деленное на требуемый ток.  Для стабилизаторов до 0,1 A подходит мощность резистора 0,25 W. На токи от 350 мА до 1 А рекомендуется 2 W. Ниже  привожу таблицу резисторов на токи для широко распространенных светодиодов.

Ток (уточненный ток для резистора стандартного ряда) Сопротивление резистора Примечание  
20 мА 62 Ом стандартный светодиод  
30 мА (29) 43 Ом «суперфлюкс» и ему подобные  
40 мА (38) 33 Ом  
80 мА (78) 16 Ом четырех-кристальные  
350 мА (321) 3,9 Ом 1 W  
750 мА (694) 1,8 Ом 3 W  
1000 мА (962) 1,3 Ом 5 W  

Вот пример с учетом всего выше сказанного. Сделаем стабилизатор тока для белых светодиодов с рабочим током 20 мА, условия эксплуатации автомобиль (сейчас так моден световой тюннинг….).

Для белых светодиодов  рабочее напряжение в среднем равно 3,2 V. В  легковой автомашине бортовое напряжение колеблется в среднем от 11,6 V в режиме работы от аккумулятора и до 14,2 V при работающем двигателе. Для российских машин учтем выбросы в «обратке» и в прямом направлении до 100 ! вольт.

Включить последовательно можно только 3 светодиода — 3,2*3 = 9,6 вольта, плюс 1,25 падение на стабилизаторе = 10,85. Плюс диод от обратного напряжения 0,6 вольта = 11,45 вольта.

Полученное значение 11,45 вольта ниже самого низкого напряжения в автомобиле — это хорошо! Это значит на выходе будет всегда наши 20 мА независимо от напряжения в бортовой сети автомобиля. Для защиты от выбросов положительной полярности поставим после диода супрессор на 24 вольта.

P.S. Подбирайте количество светодиодов так, чтобы на стабилизаторе оставалось как можно меньше напряжения (но не меньше 1,3 вольта), это необходимо для уменьшения рассеиваемой мощности на самом стабилизаторе. Это особенно важно для больших токов. И не забудьте, что на токи от 350 мА и выше LMка потребуется радиатор.

Вот и все!

Cхема. РИСУНОК 1

Z1 супрессор или стабилитрон для дешевых светодиодов можно и не ставить, но диод в автомобиле обязателен! Рекомендую его ставить даже, если вы просто подключаете светодиоды с гасящим резистором. Как рассчитывать сопротивление резистора для светодиодов я думаю описывать излишне, но если надо пишите на форуме.

Краткое описание к схеме рис.1

Количество светодиодов в цепочке надо выбирать с учетом вашего рабочего напряжения минус падение напряжения на стабилизаторе и минус на диоде.

Например: Вам необходимо в автомобиле подключить белые светодиоды с рабочим током в 20 мАм. Обратите внимание, что 20 мА — это рабочий ток для ФИРМЕННЫХ дорогих светодиодов!!! Только фирма гарантирует такой ток. Если вы не знаете точного происхождения, то выбирайте ток в пределах 14-15 мА. Это для того, что бы потом не удивляться, почему так быстро упала яркость или,  вообще, почему они так быстро перегорели. Это тоже актуально и для мощных светодиодов. Потому что к нам завозят не всегда то, что маркировано на изделии.

Вопрос 1. Сколько можно включить их последовательно? Для белых светодиодов рабочее напряжение 3,0-3,2 вольта. Примем 3,1. Напряжение минимальное рабочее на стабилизаторе (исходя из его опорного 1,25) приблизительно 3 V. Падение на диоде 0,6 V. Отсюда суммируем все напряжения и получаем минимальное рабочее напряжение выше которого наступает режим стабилизации тока на заданном уровне (если ниже, соответственно ток будет ниже) = 3,1*3 +3,0+0,6 = 12,9 V. Для автомобиля минимальное напряжение в сети 12,6 — это нормально.

Для белых светодиодов на 20 мА можно включать 3 шт, для сети 12,6 V. Учитывая, что при включенном двигателе нормальное рабочее напряжение сети 13,6 V (это номинальное, в других вариантах может быть и выше!!!), а рабочее LM317 до 37 V

Вопрос 2 — как рассчитать сопротивление резистора задающего ток! Хотя выше и было описано, вопрос задают постоянно.

 R1 = 1,25/Ist.

где     R1 — сопротивление токозадающего резистора в Омах.

1,25 — опорное (минимальное напряжение стабилизации) LM317

Ist — ток стабилизации в Амперах.

 

Нам нужен ток в 20 мА — переводим в амперы = 0,02 А.

Вычисляем R1 = 1,25 / 0,02 = 62,5 Ом. Принимаем ближайшее значение 62 Ома.

 

Еще пару слов о групповом включении светодиодов.

Идеально — это последовательное включение со стабилизацией тока.

Светодиоды — это в принципе стабилитроны с очень малым обратным рабочим напряжениям. Если есть возможность наводок высокого напряжения от близ лежащих высоковольтных проводов, то необходимо каждый светодиод зашунтировать защитным диодом. (для справки многие производители особенно для мощных диодов это уже делают вмонтируя в изделие защитный диод).

если необходимо подключить массив из светодиодов, то рекомендую такую схему включения.

Резисторы необходимы для выравнивания токов по цепям и являются балластными нагрузками при повреждениях светодиодов в массиве.

Как рассчитать значение гасящего резистора для светодиода? Расчет проводиться по закону Ома.

Ток в цепи равен напряжению делённому на сопротивление цепи.

I led = V pit / на сопротивление диода и резистора.

Сопротивление резистора и диода мы не знаем, но знаем наш рабочий ток и падение напряжения на светодиоде.

Для маломощных светодиодов с током 20 мАм необходимо принимать:

Тип светодиода Рабочее напряжение (падение на светодиоде)
Инфракрасный 1,6-1,8
Красный 1,8-2,0
Желтый (зеленый) 2,0-2,2
Зеленый 3,0-3,2
Синий 3,0-3,2
Ультрафиолетовый 3,1-3,2
Белый 3,0-3,1

Зная падение напряжения на светодиоде можно вычислить остаток — напряжение на резисторе.

Например, питающее напряжение V pit = 9 V. Мы подключаем 1 белый светодиод, падение на нем 3,1 V. Напряжение на резисторе будет = 9 — 3,1  = 5,9 V.

Вычисляем сопротивление резистора:

R1 = 5.9 / 0.02 = 295 Ом.

Берем резистор с близким более высоким сопротивлением 300 ом.


PS. Не всегда характеристики на рабочий ток светодиода соответствуют истине, это актуально особенно для светодиодов изготовленных «не знаю где»,  для светодиодов (любых) надо большое внимание уделить отводу тепла, а так как это условие не всегда выполнимо, то по этому рекомендую для «20 мА» светодиодов выбирать ток в районе 13-15 мА. Если это SMD на 50 мА, нагружать током 25-30 мА. Эта рекомендация особенно актуальна для светодиодов с рабочим напряжением в районе 3,0 вольт (белые, синие и истинно зеленые) и светодиодов в SMD исполнении. Т.е. не задавайте максимальный ток по описанию, сделаете его на 10-25%  меньше, срок службы будет в 10 дольше :)…

Рекомендую обратить внимание на драйверы, правда цена на них еще кусается 

NSI45015W
NSI45020
NSI45020A
NSI45020J
NSI45025
NSI45025A
NSI45025AZ
NSI45025Z
NSI45030
NSI45030A
NSI45030AZ
NSI45030Z
NSI45035J
NSI45060JD
NSI45090JD
NSI50010YT1G
NSI50350AD
NSI50350AS


Разработка и оптимизация люминофоров для твердотельного освещения с использованием расчетов из первых принципов

Abstract

Открытие новых люминофоров является ключом к разработке высокоэффективных и экологически безопасных твердотельных светодиодов (LED). Это открытие, однако, в значительной степени произошло благодаря кропотливым экспериментам в стиле Эдисона. В этой диссертации мы используем расчеты из первых принципов для изучения новых люминофорных материалов и улучшения нашего понимания свойств фотолюминесценции (ФЛ).

Люминофоры с узкополосным излучением являются важнейшим компонентом светодиодов высокой яркости и подсветки жидкокристаллических дисплеев (ЖК) с широкой цветовой гаммой. В первой части мы обнаружили количественный дескриптор узкополосного излучения, активированного Eu2+, путем сравнения электронных структур известных узкополосных и широкополосных люминофоров. Включив этот дескриптор в высокопроизводительный скрининг первых принципов 2259 нитридных соединений, мы определили пять многообещающих новых нитридных матриц для активированных Eu2+ люминофоров красного свечения, которые, по прогнозам, будут демонстрировать хорошую химическую стабильность, стойкость к термическому гашению и квантовую эффективность, а также узкую -полосное излучение.

Во второй части мы провели систематическое исследование взаимосвязей структура-состав-свойства в активированном Eu2+ β-SiAlON, одном из наиболее перспективных узкополосных зеленых люминофоров. Используя расчеты из первых принципов, мы сначала определили наиболее энергетически выгодную структуру для β-SiAlON:Eu2+, а затем изучили влияние содержания кислорода и концентраций активатора Eu2+ на локальное окружение активатора EuN9 и его влияние на важные свойства ФЛ, такие как пик эмиссии положение, полоса пропускания и сопротивление термическому гашению.Полученные данные дают конструктивные средства для оптимизации характеристик ФЛ β-SiAlON в эксперименте.

В третьей части мы разработали подход к открытию новых оксидных люминофоров путем изучения неисследованных химических соединений с прогнозированием структуры на основе данных и высокопроизводительным скринингом. Этот подход был продемонстрирован предсказанием и экспериментальной проверкой новых широко распространенных в земле Eu2+ и Ce3+-активированных люминофоров Sr2LiAlO4. Люминофоры Sr2LiAlO4:Eu2+/Ce3+ демонстрируют широкое излучение при λmax ~ 512 нм (зелено-желтый) и λmax ~ 434 нм (синий) соответственно с превосходной стойкостью к термическому гашению > 88% интенсивности при 150°C.Прототип белого светодиода с использованием люминофоров на основе Sr2LiAlO4 обеспечивает превосходный индекс цветопередачи, превышающий 90.

Больше информации Меньше информации

Закрывать

Введите пароль, чтобы открыть этот файл PDF:

Отмена Ok

Подготовка документа к печати…

Отмена

На рис. {1}\) коллектор 31,32 .Следов эмиссии линии Eu 3+ не обнаружено. Это, однако, не исключает его присутствия, поскольку известно, что состояния IVCT гасят эмиссию Eu 3+ в случае, если она образует пары с ионами Eu 2+ 28 . Однако спектры поглощения рентгеновских лучей с высоким энергетическим разрешением, обнаруженные при флуоресценции, вблизи края (HERFD-XANES 33,34 ), показывают, что Eu 3+ не присутствует в приготовленных образцах в пределах обнаружения (см. Дополнительный Рис. 2).

Рис.1: Спектры излучения фотолюминесценции.

Спектры излучения фотолюминесценции люминофоров CaS ( a ) и SrS ( b ), легированных Eu 2+ — и Tb 3+ . Спектры были сняты при возбуждении на длине волны 285 нм для порошков, легированных Eu и Eu/Tb, и при возбуждении на длине волны 305 нм для порошков, легированных Tb. Спектральная форма инфракрасного излучения с переносом заряда от металла к металлу (MMCT) выделена желтым цветом для наглядности. Все спектры были измерены при комнатной температуре.

Рис. 2: Спектры возбуждения фотолюминесценции.

Спектры возбуждения фотолюминесценции люминофоров CaS, легированных Eu 2+ — и Tb 3+ . Спектры получены для излучения Tb 3+ 4 f –4 f (545 нм, сплошные зеленые линии), Eu 2+ 5 d –4 f (650 нм, красные сплошные линии) и золотые сплошные линии) и излучение с переносом заряда металл-металл (MMCT) Eu-Tb (790 нм, пунктирная линия). Оценочный спектральный профиль полосы возбуждения Eu-Tb MMCT выделен желтым цветом.Дополнительно показаны эмиссионные спектральные профили Eu 2+ 5 d –4 f и Eu-Tb MMCT (серые пунктирные линии). Все спектры были измерены при комнатной температуре.

по отдельности TB MS показывает характеристику TB 3 + 5 D D 4 → 7 F 9 F

0 J Линейная эмиссия по видимую (зеленая кривая на рис. 1), особенно заметно в зеленом цвете (545 нм, Дж  = 5). Это внутриконфигурационное излучение 4 f 8 может возбуждаться относительно высоколежащим 4 f 8 → 4 f 7 5 d 7 5 d полосы возбуждения на рис. .2) 35,36,37 . В случае CaS и SrS основное поглощение матрицы находится в одном и том же диапазоне энергий, а полосы поглощения и возбуждения в ближнем УФ диапазоне, вероятно, являются результатом смеси переходов, связанных с матрицей и легирующей примесью 30,31 .

При сочетании Eu и Tb в одном образце появляется дополнительная полоса ИК-излучения в случае CaS, но не в случае SrS. Эта полоса выделена на рис. 1. Она имеет пик при 810 нм (12 345 см −1 ) и очень широкая, с полной шириной на полувысоте 195 нм (2960 см −1 ).{1}\) может быть идентифицирована полоса с небольшим красным смещением 20 нм, что соответствует примерно 500 см −1 . В дополнение к этой полосе некоторая интенсивность возбуждения может быть обнаружена в области около 370 нм, где не обнаружено разрешенных переходов для Eu 2+ 31 , что указывает на наличие дополнительных возбужденных состояний при совместном легировании Eu и Tb. Эти особенности также видны при низкой температуре, а также в спектрах диффузного отражения (см. Дополнительные рисунки 6 и 7).

Измерения срока службы (см. Дополнительный рис.9 и дополнительная таблица 1) показывают, что полосы ИК-излучения имеют очень похожее поведение затухания, чем излучение Eu 2+ 5 d → 4 f , с постоянными времени около 500  нс при комнатной температуре 38 .

Чтобы исключить связь этой ранее невидимой полосы излучения с используемыми прекурсорами, были приготовлены содопированные порошки из различных партий прекурсоров с использованием фторидов, оксидов и сульфидов в качестве прекурсоров лантанидов 39,40,41,42 . Все синтезы, в которых Eu и Tb присутствовали в качестве легирующих примесей, приводили к одной и той же полосе ИК-излучения, в то время как эта ИК-полоса всегда отсутствовала в случае использования только одной легирующей примеси (см. Дополнительный рисунок 4). Сходство ИК-излучения независимо от условий синтеза свидетельствует о том, что детали механизма компенсации заряда для Tb 3+ не оказывают прямого влияния на ИК-излучение. Показано, что явная компенсация Tb 3+ путем добавления одновалентного содопанта, такого как Na + , вредна для люминесцентных свойств, приводя к падению эффективности в 10 раз (см.8). Причина в том, что при внешней компенсации Tb 3+ образование Eu 3+ также будет благоприятствовать 29 , генерируя нежелательные Eu 2+ –Eu 3+ (–Na

3 + ) в дополнение к предполагаемым центрам Eu 2+ –Tb 3+ (–Na + ). Первые центры ответственны за падение эффективности люминесценции при тушении ОКТ 28,43 .

Эта проверка, наряду с продемонстрированной фазовой чистотой (из рентгеновской дифракции (XRD), см. Дополнительный рис.1) и наличие только одной степени окисления для обоих легирующих примесей в отсутствие компенсации внешнего заряда, то есть Eu 2+ и Tb 3+ (из HERFD-XANES, см. Дополнительный рис. 2), убедительно свидетельствует о том, что эта полоса ИК-излучения является физическим эффектом, возникающим из-за взаимодействия между центрами Eu 2+ и Tb 3+ в кристалле сульфида кальция.

Чтобы получить больше информации об этой своеобразной люминесценции, ее свойства исследуются в зависимости от концентраций легирования Eu и Tb.Спектры излучения ФЛ показывают, что внутриконфигурационное излучение Tb 3+ 4 f 8 резко уменьшается при добавлении ионов Eu 2+ вплоть до полного исчезновения (рис. 1). Это неудивительно из-за большого перекрытия между эмиссией Tb 3+ и спектрами возбуждения Eu 2+ , что обеспечивает эффективную передачу энергии, когда ион Tb 3+ сенсибилизирует люминесценцию Eu 2+ 44, 45 . При добавлении небольшого количества Eu 2+ к образцу, легированному Tb 3+ (CaS:Eu 0.001 Tb 0,01 ) или наоборот (CaS:Eu 0,01 Tb 0,001 ) ИК излучение проявляется, но с ограниченной интенсивностью. Относительные интенсивности сопоставимы в обоих случаях (см. рис. 1). Для более высоких концентраций, 1% для обеих легирующих добавок (CaS:Eu 0,01 Tb 0,01 ), выделяется ИК-излучение, имеющее большую интегральную интенсивность, чем излучение Eu 2+ 5 d → 4 f . При еще большем увеличении концентрации легирования (CaS:Eu 0.03 Tb 0,03 ) ИК-излучение доминирует во всем спектре излучения.

Появление ИК-излучения при добавлении Tb к CaS:Eu сопровождается снижением квантовой эффективности (КЭ) ФЛ, которая снижается с 35% для CaS:Eu 0,01 до 10% для CaS:Eu 0,01 Tb 0,01 (см. Дополнительный рис. 8). Этот относительно низкий внутренний QE частично компенсируется эффективной возбудимостью ИК-излучения (см. Рис. 2), где поглощается> 90% падающего видимого (400–600 м) света (см. Дополнительный рис.7). Отсюда ясно, что практические приложения требуют компромисса между эффективностью преобразования и долей ИК в спектре излучения (см. далее) 46 .

Зависимость от концентрации

Исследование ФЛ в зависимости от концентрации показывает, что интенсивность ИК-излучения зависит от произведения концентраций обоих легирующих примесей; однако получение количественных выводов затруднено ограниченным числом концентраций, которые можно приготовить, и не учитывает неконтролируемые микроскопические различия концентраций 47,48,49,50 .Для получения более детальной картины проводят микроскопическое исследование.

Для этого исследуются два зерна с предельной неоднородностью легирования 51,52,53 . Следует подчеркнуть, что эти зерна были выбраны для этой цели и что они не отражают глобальную гомогенность легирования люминофоров, что намного лучше. Как показано на дополнительном рисунке 3 и сопутствующем обсуждении, вариации локальных концентраций ограничены менее чем процентом, что соответствует приличной однородности легирования.

Микроскопическое исследование неоднородных зерен показано на рис. 3. Одно зерно имеет преимущественно красное свечение (внизу слева), а другое зерно показывает сильное ИК-излучение (вверху справа). Из элементного анализа с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) становится ясно, что легирование действительно неоднородно и что локальные концентрации Eu и Tb находятся в диапазоне от 0 до примерно 4% 54 . Как прямое следствие, спектр катодолюминесценции (КЛ) показывает сильные вариации по образцу, поскольку интенсивность ИК-излучения сильно зависит от концентраций Eu и Tb.В качестве иллюстрации на рис. 3в показаны пять локальных спектров. Ясно, что меньшее зерно в нижней части изображения показывает незначительное ИК-излучение (рис. 3c, d), что совместимо с элементным анализом, который предполагает, что Eu и Tb хорошо разделены в этом зерне, на что указывает ограниченное количество желтого цвета на рис. 3b. Для более крупного зерна четко конгрегируют Eu и Tb (на рис. 3б больше желтого) и обнаруживается интенсивное ИК-излучение (рис. 3в, г).

Рис. 3: Микроскопическое исследование SEM-EDX-CL.

Исследование порошка CaS:Eu 0,01 Tb 0,01 с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Изображение в обратно рассеянных электронах ( a ), а также карты энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDX) для тербия и европия ( b ). Цвета кодируют местные концентрации тербия (зеленый) и европия (красный). Одновременное обнаружение приводит к желтому цвету. c Спектры катодолюминесценции (КЛ) для нескольких выбранных точек, указанных в d . d Изображение в искусственных цветах, отображающее общую интегральную интенсивность CL. e показано, как относительные вклады красной полосы Eu 2+ (интегрированная от 600 до 650 м) и ИК (интегрированная от 760 до 815 м) полосы люминесценции в суммарный спектр ХЛ эволюционируют в зависимости от локальной концентрации Eu и Концентрации Tb, [Eu] ⋅ [Tb].

Из исследования фотолюминесценции ясно, что и Eu, и Tb необходимы для индукции ИК-излучения; поэтому произведение обеих локальных концентраций, [Eu] ⋅ [Tb], определенное на пиксель в карте сканирующего электронного микроскопа (SEM)-EDX, используется в качестве зависимой переменной для корреляции люминесцентных свойств со спектром CL, измеренным для тот же пиксель 49,55 .Красный и ИК-вклады в локальный спектр КЛ интегрируются и затем анализируются как функция [Eu] ⋅ [Tb]. Рисунок 3e был получен путем усреднения точек данных по оси абсцисс. При низких значениях [Eu] ⋅ [Tb] ИК-излучение линейно увеличивается в зависимости от [Eu] ⋅ [Tb], тогда как красное излучение Eu 2+ соответственно уменьшается. После линейного увеличения/уменьшения относительные интенсивности стабилизируются, а спектр не изменяется заметно при увеличении произведения концентраций легирования выше примерно 3 × 10 −4 , что соответствует симметричной концентрации легирования, \(\sqrt{[ {\rm{Eu}}]\cdot [{\rm{Tb}}]}\), из 1. 7%. Не обнаружено пятен, где полностью исчезает красное излучение Eu 2+ , ни в области, показанной на рис. 3, ни в каком-либо другом исследованном зерне, ни в спектрах излучения люминофоров с концентрацией легирования >5% (см. Дополнительный рис. 5). Это равновесие между красным и ИК-излучением означает, что ИК-излучение, по-видимому, не является результатом передачи энергии от Eu 2+ к другому излучающему центру, потому что тогда можно было бы ожидать, что излучение Eu 2+ полностью исчезнет, ​​если концентрации достаточно растянуты 44,56 .Тем не менее, полосы поглощения Eu 2+ отчетливо присутствуют в спектре возбуждения ИК полосы. Это означает, что ИК излучение связано непосредственно с кластером дефектов, содержащим Eu 2+ .

Температурная зависимость

Измерение интенсивности ФЛ в зависимости от температуры, т.е. эксперимент по термическому гашению (TQ) может дать больше информации о равновесии между красным и ИК излучением. Результат показан на рис. 4. Красное излучение Eu 2+ следует довольно стандартному поведению, которое напоминает форму однобарьерной модели 57 ,

$${I}_{{\rm{ красный}}}(T)=\frac{{I}_{0}}{1+A\exp \frac{-\Delta {E}_{T,{\rm{red}}}}{{k }_{{\rm{B}}}T}}.$$

(1)

Использование этой феноменологической модели для подгонки данных дает высоту барьера Δ E T ,red  = 1484 см −1 ( A  = 01,07 3 90 3 10 3 ). Эти показатели TQ сравнимы с показателями однократно легированных CaS:Eu 0,01 люминофоров, которые содержат достаточное количество Eu для заметного концентрационного гашения 29,58,59 .

Рис. 4: Профили термической закалки.

Кривые термического гашения красной и инфракрасной (ИК) полос излучения CaS:Eu 0,01 Tb 0,01 , измеренные при возбуждении на длине волны 470 нм. Черные кривые — результат подгонки уравнений. (1) и (2) для красного и ИК излучения соответственно. Небольшое плечо ~340 К, вероятно, связано с термолюминесценцией (ТЛ) и далее здесь не исследуется. Серая кривая показывает термическое гашение однократно легированного CaS:Eu 0,01 для сравнения.

В отличие от красного излучения, которое показывает ожидаемое поведение TQ, ИК-излучение выглядит более сложным в зависимости от температуры, с увеличением интенсивности между 100 и 225 K.Это свидетельствует о том, что ИК-излучение в некоторой степени термоактивировано. Однако значительная часть ИК-излучения, ~77% от максимального выхода при 225 K, также излучается при низкой температуре. Это напоминает температурную зависимость внутренней конверсии (IC) и межсистемной конверсии (ISC) в молекулярных хромофорах, где константы скорости обычно записываются в виде суммы зависящего от температуры и не зависящего от температуры члена 60,61 . Таким образом, кривая IR TQ может быть смоделирована путем объединения константы скорости ISC с однобарьерной моделью поведения TQ,

$${I}_{{\rm{IR}}}(T)=\frac{{ I} _ {1} + {I} _ {2} \ exp \ frac {- \ Delta {E} _ {{\ rm {ISC}}}} {{k} _ {{\ rm {B}}} T}}{1+A\exp \frac{-\Delta {E}_{T,{\rm{IR}}}}{{k}_{{\rm{B}}}T}},$ $

(2)

, где I 1 и I 2 представляют константы скорости, не зависящие от температуры, и константы скорости, зависящие от температуры, соответственно. Δ E ISC – соответствующая высота барьера для последнего. Уравнение установки (2) в профиль TQ выходов эмиссии TQ Δ E ISC = 476 см -1 и δ E

0 T , IR = 1500 см -1 в качестве барьеров ( I 1 / I 2  = 9,5 и A  = 1,61 × 10 3 ). TQ при более высокой температуре примерно такой же, как и для красного излучения, на что указывают аналогичные энергетические барьеры для тушения.

Интенсивности красного и ИК-излучения люминофора, легированного Eu,Tb, уже при более низкой температуре уменьшаются по сравнению с красным излучением однократно легированного Eu CaS (см. серую кривую на рис. 4), где Δ E T ,красный  = 1989 см −1 ( A  = 2,04 × 10 3 , уравнение (1)). Это указывает на то, что добавление Tb открывает дополнительный канал безызлучательного распада, который активен при комнатной температуре. При более высоких температурах TQ однократно легированного Eu и солегированного Eu,Tb люминофора совпадают, достигая 50% от исходной интенсивности при T 0 .5  ≈ 375 K. Это значение соответствует предыдущим исследованиям 58,59,62 , даже несмотря на то, что значения 475 K были зарегистрированы для монокристаллов 58 , предполагая, что повышение эффективности все еще возможно за счет оптимизации синтеза.

Как показали модельный расчет Струка и Фонгера и последующий обзор экспериментальной литературы различных авторов, физический смысл определенных выше энергетических барьеров довольно ограничен из-за туннельных эффектов и важности деталей электронно-колебательного структура по вероятностям безызлучательного перехода 63,64,65,66 .По этой причине уравнения. (1) и (2) следует рассматривать как строго эмпирические предписания.

Качественная интерпретация приведенного выше анализа позволяет предположить, что возбужденный ион Eu 2+ в материале, легированном Eu 2+ , Tb 3+ , имеет две возможности радиационного распада: стандартную красную люминесценцию и ИК-люминесценцию, которая достигается после некоторого внутреннего перехода на другой энергетический уровень. Если бы обе эмиссии исходили от одного и того же начального уровня и различались по конечному уровню, то не следовало бы ожидать усиления ИК-излучения, вызванного температурой.

Модель MMCT

Экспериментальные данные позволяют предположить, что состояния MMCT могут быть вовлечены в сложную люминесценцию этого материала. Учитывая степени окисления допантов в этом соединении, Eu 2+ и Tb 3+ , наиболее вероятным сценарием для исследования являются Eu 3+ -Tb 2+ MMCT-состояния, т.е. где электрон переносится с Eu 2+ на Tb 3+ . Для этого используются встроенные кластерные вычисления ab initio (см.5).

Рис. 5: Расчет встроенного кластера.

Графическое представление смоделированной системы и ее разделения на кластер (LnS 6 M 6 ) 2+/3+ (M = Ca, Sr и Ln = Eu, Tb), который обрабатывается на самом высоком уровне теории (справа) с учетом потенциала встраивания, состоящего из потенциалов модели полных ионов ab initio (AIMP) 316 ионов в следующих четырех координационных сферах (в центре) и 24 389 точечных зарядов в узлах кристаллической решетки. (осталось).Указанные расстояния относятся к CaS и немного больше для SrS.

Диабатические поверхности потенциальной энергии и конфигурационные диаграммы пар Eu 2+ -Tb 3+ получены по результатам независимых расчетов встроенных кластеров 23,67 . Этот подход доказал свою надежность, объяснив аномальное излучение нескольких люминофоров, легированных Ce и Yb 23,25,26,68 , предсказав существование полос поглощения из-за состояний IVCT в люминофорах, легированных Eu 28 , и показывая роль состояний MMCT в тушении люминесцентных уровней Pr 3+ 69 .

Диаграммы конфигурационных координат вдоль режима дыхания для Eu 2+ , Tb 3+ , Eu 3+ и Tb 2+ являются составными частями диаграмм переноса электрона, которые описывают Eu-to- Переходы Tb MMCT по рецепту в исх. 22,23 . Расчеты выполнены для хостов CaS и SrS. Подробности, промежуточные и окончательные результаты собраны в дополнительных таблицах 2–7 и на дополнительных рисунках. 10–15.

Ландшафт возбужденного состояния Eu 2+ подробно обсуждался ранее в ref. 31 и практически определяется одним уровнем основного состояния, 4 f 7 ( 8 S 7/2 ), отделенным от очень плотного 4 f 5 3

2 1 коллектор на ~16 000–17 000 см −1 . EU 3+ и TB 3+ функция конъюгата наземных состояний конфигурации с 4 F 6 ( 7 F
0 F

0 0

1) и 4 F 8 ( 7 F 6 ) мультиплеты соответственно.Высокопоседатель 4 F 6 6 ( 5 D D

0 0

1) и 4 F 8 ( 5 D 4 ) Государства Главная 4 F — 4 f уровни излучения. Конфигурации 4 f N  − 1 5 d 1 характеризуются высокими энергиями возбуждения для этих трехвалентных лантаноидов и поэтому не нужны для текущего расчета. Для Tb 2+ близки по энергии конфигурации 4 f 8 5 d 1 и 4 f 9 , первая из которых составляет основное ), а для SrS — обратный порядок (1 Γ 7 u ).Более подробная информация об электронных структурах Tb 3+ и Tb 2+ в CaS и SrS приведена в дополнительном обсуждении, в частности, в отношении относительной энергии 4 f 8 5 d 1 и 4 f 9 коллекторы Tb 2+ . Равновесные длины связей Eu–S и Tb–S, а также частоты колебаний дыхательной моды приведены в таблице 1. Предыдущие сравнения с экспериментальными результатами для Eu 2+ и Eu 3+ показали превосходное количественное соответствие <300 см − 1 для энергий возбуждения и не более нескольких % для равновесных длин связей и частот колебаний 31 .

Таблица 1 Расчетные спектроскопические параметры.

В рамках диабатического приближения схема энергетических уровней пары лантаноидов может быть построена путем объединения всех уровней отдельных ионов, результирующая энергия определяется суммированием отдельных энергий с кулоновской и обменной энергиями между двумя лантаноидами. Предполагается, что два последних вклада не зависят от состояния 67 . Результирующие энергетические уровни помечаются уникальным образом путем объединения обеих отдельных меток.Например, основное состояние пары Eu 2+ –Tb 3+ обозначается как 8 (1 A 1 г ). Кривые диабатической потенциальной энергии доказали свою полезность, успешно объясняя качественные тенденции процессов CT при химических замещениях в соединениях-хозяевах 22,23,28,43 .

Для каждого энергетического уровня пары Eu–Tb получается двумерная поверхность потенциальной энергии, натянутая на дыхательные моды фрагментов EuS 6 и TbS 6 . Следовательно, каждая точка в этом двумерном пространстве соответствует уникальной паре ( d Tb-S , d Eu-S ). Точка равновесия состояний Eu 2+ –Tb 3+ соответствует относительно большому значению d Eu-S (двухвалентный ион) и относительно малому значению d Tb-S (трехвалентный ион). ). EU 2+ -TB 3+ 4 F 6 5 D 1 (1 γ

0 8 G ) -4 F 8 (1 A 1 г ) поверхность потенциальной энергии представлена ​​на верхних панелях рис.6 для CaS и SrS (зеленые контуры), наряду с самым низким уровнем MMCT, Eu 3+ –Tb 2+ 4 f 6 (1 A 1 г 309031 901 901 f 8 (1 Γ 7g ) (черные контуры), где d Eu-S уменьшились (трехвалентный ион) и d Tb1-S 9011 ион увеличились (двухвалентный ион Tb1-S 9011). Пересечение обеих поверхностей потенциальной энергии представляет собой кривую линию (штриховая красная линия на контурных графиках рис.6).

Рис. 6: Многоэлектронные диаграммы переноса заряда от металла к металлу.

Контуры выбранных поверхностей потенциальной энергии в двумерном конфигурационном пространстве ( d Eu–S , d Tb–S ) ( a , b ) и координаты по диаграммам конфигураций координата реакции переноса электрона ( Q et ) ( c , d ) для пар Eu–Tb в CaS ( a , c ) и SrS ( 6 d 9072 b

6 ).{8}(1\,{A}_{{\rm{1}}g})\) (зеленый для высокоспиновых состояний, красный для низкоспиновых состояний) и 4 f 7 ( 8 S ) -4 S ) -4 F 8 ( 5 D , L , г ) (золото) и следующие уровни для конфигурации EU 3+ -TB 2+ : 4 F 6 ( 7 F ) -4 F 8 5 D 1 (1 γ 7 G ) (черный), 4 F 6 6 (1 A 1 G

1) -4 F 80030 F 8 5 D T T 2 G (Зеленый для головных состояний с высоким спином, красный для низкого спина штаты) и 4 f 6 (1 A 1 g )–4 f 9 (серый). Квазиконтинуум, образованный всеми остальными уровнями пары Eu-Tb, где ни один из обоих ионов не находится в основном состоянии, представлен зеленым фоном. Контурные участки отображают изолиний, соответствующие EU 2+ 4 F 6 5 D 1 (1 γ 8 G ) -TB 3+ 4 F 8 (1 A 1 G

1) и EU 3+ 4 3+ 4 F 6 ( 7 F ) -TB 2+ 4 F 8 5 d 1 (1 Γ 7 g ) (состояние с наименьшим переносом заряда металл-металл (MMCT)).Координата реакции указана красным вместе с точкой пересечения обеих поверхностей (штриховая красная линия).

На нижних панелях рис. 6 показаны конфигурационные диаграммы координат для пар Eu 2+ –Tb 3+ в обоих соединениях-хозяевах вдоль координаты реакции переноса электрона, Q et . Эта координата показана на изолиниях и определяется здесь как кусочно-прямая линия, соединяющая равновесия Eu 2+ –Tb 3+ 4 f 6 5 d 1 (1 Γ 8 G ) -4 F 8 (1 A 1 G 1 G ) и EU 3+ -TB 2+ 4 F 6 ( 1 A

0 1 G

1) -4 F 8 5 D 1 (1 γ 7G ) Потенциальные энергетические поверхности в двумерных ( D EU- S d Tb−S ) конфигурационное пространство с их седловой точкой, то есть минимумом пересечения обеих поверхностей.Эта одномерная диаграмма представляет собой упрощение двухмерного пространства, которое исследуется для удобной визуализации. Однако сообщаемые данные, такие как расположение минимумов, точек пересечения, барьеров и энергий перехода, получены из двумерных поверхностей.

Диаграммы конфигурационных координат показывают, что конфигурация MMCT Eu 3+ –Tb 2+ приводит к низколежащим состояниям, лежащим примерно на 20 000 см −1 выше основного состояния (таблица 1).Наличие этих состояний MMCT изменяет динамику возбужденного состояния после возбуждения иона Eu 2+ Возбужденный электрон может безызлучательно перейти к иону Tb 3+ , образуя переходную пару Eu 3+ –Tb 2+ . Вскоре электрон Tb 2+ 5 d переносится обратно на орбиталь Eu 3+ 4 f , что приводит к распаду состояния MMCT.

Различные каналы распада обнаружены в случае CaS или SrS, легированных Eu, Tb, что обусловлено их структурными различиями. В случае CAS, минимум самого нижнего состояния MMCT (4 F 6 (1 A 1 G 1 G ) -4 F 8 5 D 1 (1 Γ 7 g )) метастабильна. Поэтому радиационное распадание этого состояния можно ожидать структурно подчеркнутым 4 F 7 ( 8 S 7/2 ) -4 F 8 ( 6 F J ) основное состояние (красные стрелки на рис.6в). В SrS через минимум наинизшего состояния MMCT проходят ветви напряженного 4 f 7 ( 8 S 7/2 )−4 f 8 F J ), обеспечивающие эффективный безызлучательный распад благодаря быстрому нижнему кроссоверу (красные стрелки на рис. 6d), который препятствует любому излучательному распаду. Связанный диабатический энергетический барьер составляет 94  см -1 и, вероятно, исчезнет или будет иметь незначительный размер в адиабатических расчетах.Это действительно поведение, которое экспериментально обнаружено для CaS и SrS, легированных Eu, Tb.

Из-за большого смещения по горизонтали между основным состоянием и состоянием MMCT результирующая полоса излучения в случае CaS:Eu,Tb должна быть широкой. По прогнозам, излучение MMCT начнется примерно на 11 000 см -1 (900 нм), что соответствует несколько более низкой энергии, чем экспериментальное ИК-излучение, которое начинается на ~ 14 000–15 000 см -1 . Это количественное расхождение между экспериментальной и расчетной энергиями перехода соответствует тому, что можно ожидать от диабатического приближения 23,67 .{1}\) найдены уровни. Последние спектроскопически невидимы при прямом возбуждении из основного состояния 4 f 7 ( 8 S 7/2 ) из-за правила выбора спина 31 . Присутствие пар Eu-Tb и состояний MMCT индуцирует вероятность перехода в этой иначе запрещенной области энергий, о чем свидетельствует полоса возбуждения ~ 370  нм в экспериментальном спектре (рис. 2). Предполагаемая форма спектра выделена в качестве ориентира для глаза.Это поглощение MMCT также видно в спектре возбуждения регулярного красного излучения Eu 2+ на длине волны 650 нм для образца CaS:Eu 0,01 ,Tb 0,01 , что указывает на то, что значительная часть легирующих примесей уже может взаимодействовать в исследуемый диапазон концентраций.

Спектр возбуждения ФЛ излучения MMCT (штриховая линия на рис. 2) указывает на то, что его можно возбудить с теми же длинами волн, что и обычное излучение Eu 2+ , даже когда энергия фотонов возбуждающего света недостаточна для достижения ветвь MMCT за счет вертикального возбуждения из основного состояния.Это можно объяснить, если учесть двухъямную форму поверхности потенциальной энергии, которую образует соединение Eu 2+ (1 Γ 8 g )–Tb 3+ (1 A 1 G ) Красное излучение и ЕС 3+ (1 A 1 G ) -TB 2+ (1 γ 7G ) ИК-излучение MMCT. Даже при низкой температуре, когда барьер не может быть термически преодолен, квантово-механическое туннелирование будет частично заселять состояние MMCT.Это не только объясняет, почему оба излучения всегда появляются вместе, но и то, почему ИК-излучение усиливается, когда имеется достаточная тепловая энергия для преодоления барьера, и почему времена жизни люминесценции для обеих полос излучения сравнимы.

Широкополосный ИК-светодиод

Широкополосное ИК-излучение MMCT теперь используется для создания ИК-светодиода, который можно непосредственно использовать для многочисленных вышеупомянутых спектроскопических приложений. Из-за высокой силы поглощения разрешенных по четности переходов 4 f −5 d Eu 2+ может быть достигнута более высокая внешняя квантовая эффективность, чем при современном уровне техники, Cr 3 + на основе люминофоров 4,5,6,8,9,10 .Кроме того, чрезвычайно широкое излучение MMCT расширяет охваченный спектральный диапазон на несколько сотен нанометров до ИК по сравнению с одиночным излучением Eu 2+ 5 d −4 f 11 в ближнем ИК-диапазоне.

На рисунке 7 показан спектр, выраженный в мВт нм −1 , для полученного светодиода, где использовался синий светодиод накачки 450 нм. Светодиод имеет ширину 430 нм в ИК диапазоне от 620 до 1050 нм. Работу ИК-светодиода иллюстрируют рисунки на рис. 7б–д. Здесь фильтр верхних частот с длиной волны 780 нм используется для фильтрации проходящего синего света накачки, чтобы оценить яркость ИК-излучения. Снимки были сделаны камерой, которая также чувствительна к свету в ближнем ИК-диапазоне, так как его излучение едва заметно невооруженным глазом. Суммарный лучистый поток ИК части излучения составляет 38 мВт. Это значение на 50% превосходит нынешнее состояние на основе Cr 3+ , имеющего потоки ИК-излучения в диапазоне 20–25  мВт 4,5,6,8,9,10 .

Рис. 7: Широкополосный светодиод ближнего ИК-диапазона.

a Спектральный выход построенного широкополосного инфракрасного (ИК) светодиода (LED). На вставке показана конструкция светодиода, состоящая из синего светодиода накачки ( b ) в сочетании с широкополосным инфракрасным люминофором CaS:Eu,Tb ( d ), при работе ниже 780-нм высокочастотного отсекающего фильтра без ( c ) и с ( e ) наличием инфракрасного люминофора, снято камерой с чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне.

Ясно, что это широкополосное ИК-излучение MMCT имеет огромный потенциал применения. Следующий шаг включает в себя дальнейшую оптимизацию его люминесценции для достижения более высокой эффективности и обеспечения некоторой спектральной настройки для оптимального удовлетворения требований различных приложений. Поскольку механизм люминесценции в CaS:Eu,Tb был подробно решен нашими расчетами ab initio, на основе этих результатов можно сделать некоторые выводы и сделать дальнейшие выводы.

Как показано, SrS не является подходящим хозяином для достижения люминесцентного состояния MMCT.Есть два основных различия между CaS и SrS, которые имеют решающее значение в этом отношении. Во-первых, частота колебаний меньше на несколько десятков см -1 в случае SrS (242 см -1 по сравнению с 292 см -1 для CaS, см. Таблицу 1), что вызывает небольшое открытие ветвей, пересекающих состояние MMCT. Этот эффект невелик, потому что частота колебаний между CaS и SrS отличается лишь на небольшую величину. Во-вторых, смещение в равновесной геометрии для основного состояния и состояний MMCT больше для SrS ( Q et  = 0.548 Å по сравнению с 0,428 Å для CaS). Это является прямым следствием большей разницы длин связей между двухвалентными и трехвалентными лантаноидами по отношению к CaS (см. Таблицу 1) и приводит к тому, что минимум MMCT смещается в область 7/2 )−4 f 8 ( 6 F J ) ветвей, вызывающих тушение состояния ММСТ. Последний параметр является доминирующим для различного поведения CaS:Eu,Tb и SrS:Eu,Tb.

Приведенный выше анализ может быть расширен для разработки рекомендаций по поиску других люминофоров, проявляющих MMCT-люминесценцию. Для этого поверхность потенциальной энергии основного состояния должна пересекать излучающий уровень MMCT при достаточно большом значении Q et . Для этого необходимы малые кривизны, что выражается в малых частотах колебаний, свойство, характерное не только для сульфидных матриц 30,70 , но и для селенидов 30 , нитридов 71 , хлоридов 72 , бромидов 72 и йодиды 73 . Кроме того, пересечение между основным состоянием и уровнем MMCT можно сместить от минимума MMCT, уменьшив горизонтальное смещение между обеими параболами, то есть уменьшив равновесное значение Q et . Эта величина пропорциональна изменению длины связи лантанид–лиганд при ХТ и квадрату координационного числа лантанида 67 . Люминесценция MMCT, следовательно, будет более вероятной в хозяевах с небольшим сайтом для лантанида, поскольку они претерпевают меньшие изменения длины связи.Основы на основе Са, предпочтительно с низким координационным числом, поэтому более желательны по сравнению с матрицами на основе Sr или Ва.

Когда химический состав соединений-хозяев разрабатывается для достижения люминесценции MMCT, ожидается, что это также повлияет на вертикальное смещение и, следовательно, на энергию излучения MMCT. Действительно, вертикальное смещение дается разностью потенциала ионизации (ИП) донора и сродства к электрону (ЭА) акцептора, дополненного кулоновским и обменным взаимодействием между обоими ионами 67 , и эти параметры являются принимающими зависимый. Более радикальная манипуляция вертикальным смещением может быть достигнута путем замены ионов лантаноидов. Примерное представление о влиянии модификации хозяина и замещения лантанидов на вертикальное смещение можно получить, обратившись к обширным эмпирическим данным по IP и EA ионов лантанидов и их систематическому поведению 74,75 .

Таким образом, на наличие или отсутствие MMCT-люминесценции, а также на энергию излучения влияют три параметра: локальная частота колебаний, изменение длины связи и выбранная пара лантанидов.Для достижения MMCT-люминесценции требуется идеальный баланс между этими параметрами, как в случае CaS:Eu 2+ ,Tb 3+ .

В этом комбинированном экспериментально-теоретическом исследовании сообщается, охарактеризовано и объяснено широкополосное ИК-излучение в CaS:Eu 2+ ,Tb 3+ . Спектр излучения перекрывается с обычной красной люминесценцией Eu 2+ 5 d −4 f и простирается до 1200 нм. Важно отметить, что его можно эффективно накачивать длинноволновым видимым светом.

Эксперименты в зависимости от концентрации и микроскопии показали, что ИК-излучение вызвано совместным эффектом между Eu и Tb. Многоконфигурационные расчеты ab initio подтверждают, что ИК-излучающее состояние представляет собой состояние MMCT Eu 3+ –Tb 2+ , локальная структура которого значительно отличается от основного состояния Eu 2+ –Tb 3+ .

Тип матрицы оказывает решающее влияние на свойства MMCT-люминесценции, о чем свидетельствует тот факт, что ИК-излучение гасится в аналогичном соединении SrS.Такое поведение было объяснено расчетами ab initio, которые показывают, что расположение состояний MMCT и, следовательно, их люминесцентные свойства можно точно настроить, изменив несколько параметров. Они доступны экспериментально путем изменения анионов и катионов в носителе или паре лантанидов, а именно локальных частот колебаний и структурной перестройки при MMCT, а также IP- и электронного сродства легирующих примесей.

Люминофор CaS:Eu,Tb использовался для создания широкополосного ИК-светодиода для ПК для спектроскопических приложений в интеллектуальной электронике, безопасности пищевых продуктов и медицине.ИК-излучение светодиода охватывает спектральный диапазон шириной 430 нм в красном и ближнем ИК-диапазоне. Более того, это достигается за счет выходного ИК-излучения мощностью 38 мВт, что превосходит современный уровень техники.

Расчет трансформатора для светодиодной ленты. Как выбрать блок питания для светодиодной ленты. Формула расчета мощности. Есть несколько существенных недостатков.

Светодиодные элементы находят все большее применение в сферах человеческой деятельности в качестве осветительных приборов для помещений, в уличных фонарях, карманных фонарях, при освещении аквариума.В автомобильной промышленности светодиоды группы широко используются для подсветки габаритных огней, стоп-сигналов и поворотов.

Внешний вид светодиодов

Отдельные элементы разного цвета обеспечивают подсветку приборной панели, сигнализирующую о снижении уровня охлаждающей жидкости в радиаторе. Невозможно перечислить все направления их использования: от украшения елки, подсветки аквариума до приборов ракетно-космической техники.

Они постепенно вытесняют обычные лампы накаливания.Многочисленные интернет-магазины онлайн Продают светодиодные ленты и другие осветительные приборы. Также можно найти калькулятор схем драйверов для них, если возникнет необходимость в ремонте или изготовлении своими руками. Такое стремительное развитие имеет ряд причин.

Основные преимущества

  • низкое энергопотребление;
  • высокая эффективность;
  • низковольтные;
  • почти отсутствует обогрев;
  • высокая степень электро- и пожаробезопасности;
  • прочный корпус: отсутствие хрупких нитей накаливания и стеклянной колбы делает их устойчивыми к механическим, вибрационным воздействиям;
  • нехолостой запуск обеспечивает быстродействие, нет затрат времени на нагрев нити накала;
  • долговечность, малые габариты и долговечность;
  • непрерывная работа не менее 5 лет;
  • широкий спектр спектра (цветов) и возможность оформления отдельного элемента, чтобы сделать рассеянное или направленное освещение.

Есть несколько существенных недостатков:

  1. Высокая цена.
  2. Интенсивность светового потока отдельного элемента мала.
  3. Чем выше напряжение необходимого источника питания, тем быстрее разрушается структура светодиодных элементов. Проблема перегрева решается установкой радиатора.

Параметры и особенности

Достоинств у светодиодов гораздо больше, чем недостатков, но из-за дороговизны люди не спешат приобретать светотехнические приборы.Люди, обладающие необходимыми знаниями, покупают отдельные элементы и сами собирают лампы для аквариума, делают соединения на приборных панелях автомобилей, стоп-сигналах и габаритах. Но для этого нужно хорошо разбираться в принципах работы, параметрах и конструктивных особенностях светодиодов.

Опции:

  • рабочий ток;
  • рабочее напряжение;
  • цвет светового потока;
  • угол рассеивания:
  • тип снаряда.

Особенностью конструкций является диаметр, форма линзы, определяющая направление и степень рассеивания светового потока. Цветовой спектр свечения определяется примесями, добавленными в полупроводниковый кристалл диода. Фосфор, индия, галлий, алюминий обеспечивают подсветку от красной до желтой полосы.

Состав азота, галлия, индия сделает спектр в синей и зеленой области спектра, если добавить люминофор в синюю (синюю) часть спектра, то можно получить белый свет. Углы направления и рассеивание потоков определяет состав кристалла, но в большей степени форма линзы светодиода.

Для поддержания живого мира аквариума необходим процесс фотосинтеза водорослей. Требуется правильный спектр и определенный уровень освещения аквариума, с чем справляются светодиоды.

Расчет параметров и схемы

Определившись с цветом, направлением светового потока и напряжением питания, можно купить светодиоды. Но чтобы собрать нужную схему, необходимо произвести расчет резистора светодиода в цепочке, гасящего повышенное напряжение питания.Знаем рабочий ток и напряжение по нормам.

Необходимо учитывать, что светодиод это полупроводник, который имеет полярность.

Если перепутать полярность, то не загорится и вообще может выйти из строя. Хорошим примером расчета гасящего резистора в Схемах подключения светодиодов являются автомобильные осветительные приборы. В качестве индикации определенного технического параметра используется один светодиодный элемент, в качестве опции принимается уменьшенный уровень охлаждающей жидкости радиатора.

Схема подключения светодиода

R = UAK.- УРБ. / Я раб.
R = 12В — 3В/00,2А = 450 Ом = 0,45 ком.

УАК — напряжение питания, в нашем случае автомобильный аккумулятор 12В;
УРР — рабочее напряжение светодиода;
Рабочий ток ведомого светодиода I.

Можно рассчитать сопротивление получившегося резистора в схеме с последовательным подключением определенного количества светодиодов. Такой вариант можно использовать для подсветки приборов на передней панели или в качестве стоп-сигналов автомобиля.

Схема последовательного соединения светодиодов и гасящего сопротивления

Расчет сопротивления аналогичен:

R = УАК — УРА * Н/ИБА.

R = 12В — 3В * 3 / 0,02А = 150 Ом = 0,15 ком.

n — Количество светодиодов 3 шт.

Стоит рассмотреть корпус с шестью светодиодами; В запорных лампах все больше и больше, но метод расчета сопротивления и построение схемы будут те же.

R = UAK — URB * N / IRAB
R = 12В — 18 В / 002А — рабочее напряжение диодов превышает напряжение питания, в этом случае диоды придется разделить на 2 группы по три диода и подключить их к.Расчеты делают для каждой группы отдельно.

Предыдущий расчет с тремя светодиодами в схеме последовательного включения показывает, что при параллельном соединении в каждой группе сопротивление сопротивления должно быть 0,15 ком.

Несмотря на небольшой нагрев, светодиодные лампы не работают без радиатора. Например, для освещения аквариума сверху устанавливается крышка, на которой точечные источники света или . Во избежание его перегрева применяется алюминиевый профиль. Для изготовления радиатора начинают применять специальные пластмассы, рассеивающие тепло. Специалисты не рекомендуют самостоятельно заниматься их изготовлением, хотя никто не запрещает принимать меры по улучшению теплоотвода от мощных светильников. В качестве радиатора используйте медь, обладающую высокой теплопроводностью.

На многих сайтах можно найти калькулятор, с помощью которого предусмотрена возможность подбора схемы, составления параметров диода и расчета в режиме онлайн резистора для одного светодиода или группы.

В специализированных магазинах можно купить диски с программным обеспечением и установить на отечественный драйвер.Драйвер с драйверами легко скачать бесплатно онлайн или купить, если заплатить электронными деньгами на сайте.

Особенности, которые необходимо учитывать:

  • Не рекомендуется подключать светодиоды по параллельной схеме через одно сопротивление. При неисправности одного диода к остальным будет подаваться слишком мощное напряжение, что приведет к выходу из строя всех диодов. Если такая схема придет, то можно через онлайн-калькулятор рассчитать и переделать, добавив отдельное сопротивление светодиодам.

Схема параллельного соединения

  • При расчетах могут быть получены номиналы резистора, не совпадающие со стандартными нормами, тогда сопротивление выбирается несколько большим. Здесь удобно пользоваться Калькулятором в онлайн-режиме.
  • При совпадении рабочего напряжения светодиодов и питания в бытовых цепях для фонариков, новогодних гирлянд иногда резистор не используется. При этом отдельные светодиоды светятся с разной яркостью, это вызвано разбросом их параметров.В этих случаях рекомендуется применять преобразователи для повышения напряжений.

Ниже представлена ​​одна из простейших схем драйвера светодиодной лампы.

Схема и фото драйвера ламп МР-16

Схема собрана с использованием вместо С1 конденсатора и резистора R1. Напряжение подается на диодный мост. Ограничение тока обеспечивает конденсатор С1, который создает сопротивление, но не отводит тепло, а снижает напряжение при подключении цепи питания к цепи питания.

Выпрямленное напряжение сглаживается с помощью электролитического конденсатора С2. Сопротивление R1 предназначено для разрядки конденсатора С1 при отключении питания. R1 и R2 не участвуют в работе схемы. Резистор R2 предназначен для защиты конденсатора С2 от пробоя при обрыве цепи питания лампы.

На фото тип привода с обеих сторон. Красный цилиндр — изображение конденсора С1, черный — С2.

Резистор. Видео

На вопрос, что такое резистор, и как он работает, ответит это видео.Простота изложения дает возможность освоить материал даже новичку.

Учитывая все вышеизложенное, можно сделать правильный самостоятельный расчет резистора для светодиода и приобрести в специализированном магазине то, что действительно пригодится в хозяйстве.

Светодиоды

— это современные, экономичные, надежные радиоэлементы, используемые для световой индикации. Думаем, все об этом знают! Именно на этом опыте основано такое большое желание применять светодиоды для проектирования самых разнообразных электрических схем, как в бытовой электронике, так и для автомобиля. Но тут есть некоторые трудности. Ведь самые распространенные светодиоды имеют напряжение питания 3…3,3 вольта, а бортовое напряжение автомобиля в соотношении 12 вольт, при этом иногда повышается до 14 вольт. Само собой идет естественное предположение, что для подключения светодиодов к 12 вольтовой сети машины необходимо будет уменьшить напряжение. Этой теме, подключению светодиода к бортовой сети автомобиля и понижению напряжения, и будет посвящена статья.

Два основных принципа, как подключить светодиод к 12 вольтам или снизить нагрузку на нагрузку

Прежде чем перейти к конкретным схемам и их описаниям, хотелось бы сказать о двух принципиально разных, но возможных вариантах подключения светодиода к сети 12 вольт.
Первый, это когда напряжение падает из-за того, что светодиод последовательно подключен добавочным сопротивлением потребителя, которым является микросхема-стабилизатор напряжения. При этом определенная часть напряжения теряется в микросхеме, переходя в тепло. Так что второй оставшийся, попадает непосредственно к нашему потребителю — светодиоду. Из-за этого он не горит, так как через него проходит не все общее напряжение, а только часть. Плюс применения микросхемы в том, что она способна поддерживать заданное напряжение в автоматическом режиме.Однако есть и минусы. Вам не придется снижать напряжение ниже расчетного уровня. Второй. Так как микросхема имеет определенный КПД, то падение на входе и выходе будет отличаться на 1-1,5 вольта в меньшую сторону. Также для применения чипа потребуется применить установленный на нем хороший рассеивающий радиатор. Ведь по сути тепло, выделяемое от чипа, это и есть невостребованные нами потери. Это то, что мы отсекаем больший потенциал, чтобы получить меньше.
Второй вариант мощности светодиода, когда напряжение ограничено из-за резистора.Это похоже на то, если бы были взяты более крупные водопроводные трубы и сужены. При этом расход (расход и напор) уменьшился бы в разы. В этом случае на светодиод поступает только часть напряжения. Значит, он тоже может работать без опасности обжечься. Недостатком резистора будет то, что он тоже имеет свой КПД, то есть тоже тратит невостребованное напряжение в тепло. В этом случае сложно установить радиаторный резистор. В результате не всегда подходит для включения в цепочку.Также минусом будет и то, что резистор не поддерживает автоматическое удержание в заданном пределе. При падении напряжения в общей цепи, такое же меньшее напряжение будет давать и светодиод. Соответственно, обратная ситуация будет иметь место при увеличении напряжения в общей цепи.
Конечно, другой вариант не идеален, поэтому при работе от переносных источников энергии каждый из них будет тратить часть полезной энергии на обогрев. И это актуально! Но что поделать, таков принцип их работы.В этом случае источник энергии будет тратить часть своей энергии не на полезный эффект, а на нагрев. Здесь панацеей является использование импульсной модуляции, но это сильно усложняет схему… Поэтому мы пока остановимся на первых двух вариантах, которые рассматриваем на практике.

Подключение светодиода через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

Начнем, как и в пункте выше, с варианта подключения светодиода к напряжению 12 вольт через резистор.Для того, чтобы вы лучше поняли, как падает напряжение, приведем несколько вариантов. При подключении 3 светодиодов к 12 вольтам 2 и 1.

Подключение 1 светодиода через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

Итак, у нас есть светодиод. Напряжение питания у него 3,3 вольта. То есть если бы мы взяли блок питания на 3,3 вольта и подключили к нему светодиод, то все было бы замечательно. Но в нашем случае имеет место повышенное напряжение, которое нетрудно рассчитать по формуле.14,5-3,3 = 11,2 вольта. То есть нам нужно изначально уменьшить напряжение на 11,2 вольта, а потом только подать напряжение на светодиод. Для того, чтобы нам рассчитать сопротивление, нужно знать, какой ток протекает в цепи, то есть ток, потребляемый светодиодом. В среднем он составляет около 0,02 А. При желании номинальный ток можно посмотреть в даташите на светодиод. В результате по закону получается Ом. R = 11,2/0,02 = 560 Ом. Рассчитывается сопротивление резистора.Ну и проще схему нарисовать.

Мощность резистора вычисляем по формуле p = ui = 11,2 * 0,02 = 0,224 Вт. Берем ближайший по эталону осциллятор.

Подключение 2-х светодиодов через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

По аналогии с предыдущим примером тоже все считается, но с одним условием. Так как светодиодов уже два, то и падение напряжения на них будет 6.6 вольт, а остальные 14,5-6,6=7,9 вольта останутся резистором. Исходя из этого схема будет следующая.

Поскольку ток в цепи не изменился, мощность резистора остается неизменной.

Подключение 3-х светодиодов через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

И еще один вариант, когда почти все напряжение гасится светодиодами. Значит, резистор в своем номинале будет еще меньше. Итого 240 Ом.Схема подключения 3 светодиодов к бортовой сети машины прилагается.

Наконец, мы просто должны сказать, что напряжение не 12, а 14,5 вольт. Именно такое высокое напряжение обычно возникает в электросети машины при ее запуске.
Также не сложно прикинуть, что при подключении 4-х светодиодов не нужно будет использовать какой-либо резистор, т.к. на каждый из светодиодов придется 3,6 вольта, что допустимо.

Подключение светодиода через стабилизатор напряжения к 12 вольтам в машине (через микросхему)

Теперь переходим к схеме стабилизированного питания светодиодов от 12 вольт.Здесь, как мы уже говорили, есть схема, которая регулирует собственное внутреннее сопротивление. Таким образом, питание светодиода будет устойчивым, вне зависимости от перепадов напряжения бортовой сети. К сожалению, минусом микросхемы является то, что минимальное стабилизированное напряжение, которого возможно достичь, составляет 5 вольт. Именно с таким напряжением можно встретить наиболее широко известные микросхемы — стабилизаторы КР142 ЕН 5Б или зарубежный аналог L7805 или L7805CV. Тут разница только в производителе и номинальном рабочем токе от 1 до 1.5 А.

Итак, оставшееся напряжение от 5 до 3,3 вольта придется гасить все по тому же примеру, что и в предыдущих случаях, то есть с применением резистора. Однако снизить напряжение резистором на 1,7 вольта это уже не так критично, как 8-9 вольт. Стабилизация напряжения в этом случае все равно будет наблюдаться! Приводим схему подключения микросхемы стабилизатора.
Как видите, она очень простая. Он может это реализовать. Не сложнее, чем сохранить тот же резистор.Единственное условие — установка радиатора, который будет отводить тепло от чипа. Необходимо его установить. На схеме написано, что микросхема может запитать 10 цепей со светодиодом, на самом деле этот параметр занижен. Фактически, если через светодиод проходит около 0,02 А, он может обеспечить до 50 светодиодов. Если вам нужно предоставить большее количество, то используйте вторую такую ​​же независимую схему. Использование двух микросхем, соединенных параллельно, правильно. Так как характеристик у них немного, и они будут отличаться друг от друга, в силу индивидуальных особенностей.В результате у одной из фишек появится шанс преодолеть намного быстрее, а у другой — переоценить.
О применении подобных микросхем мы уже рассказывали в статье «Зарядное устройство на 5 вольт в автомобиль». Кстати, если вы все-таки решили выполнить питание светодиода на ШИМ, хотя вряд ли оно того стоит, то в этой статье также будут раскрыты все секреты реализации такого проекта.

Подведение итогов подключение светодиода к 12 вольтам в автомобиле своими руками

Подводя итоги подключения светодиода к сети 12 вольт, можно сказать о простоте схемотехнического выполнения.Как в случае с резистором, так и с микросхемой-стабилизатором. Все это легко и просто. По крайней мере, это самое простое, что можно встретить в электронике. Так что маскировать подключение светодиода к бортовой сети автомобиля на 12 вольт надо каждому и наверняка. Если не «по зубам», то за более сложный и не берите вообще.

Видео по подключению светодиода к сети в автомобиле

А теперь чтобы вам было легче прикинуть какое значение сопротивления нужно и какой мощности для вашего конкретного случая, вы можете воспользоваться калькулятором подбора резистора

Светодиод имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, если его подключить напрямую к источнику питания, ток будет достаточно большим, чтобы он сгорел.Медные или золотые нити, которыми кристалл подключается к внешним выводам, выдерживают небольшие скачки, но при сильных превышениях сгорают и питание перестает поступать на кристалл. Онлайн расчет резистора для светодиода производится исходя из его номинального рабочего усилия.


  • 1. Онлайн калькулятор
  • 2. Основные параметры
  • 3. Особенности дешевого льда

Онлайн-калькулятор

Предварительно перетащите схему подключения, чтобы избежать ошибок в расчетах.Онлайн-калькулятор покажет вам точное сопротивление в Оме. Как правило оказывается, что резисторов с таким номиналом нет в наличии, и вам покажут ближайший стандартный номинал. Если не получается сделать точный подбор сопротивления, то используйте больший номинал. Подходящий номинал можно сделать, подключив сопротивления параллельно или последовательно. Расчет сопротивления для светодиода можно не делать, если использовать мощный переменный или подстроечный резистор. Самый распространенный тип — 3296 на 0.5 Вт. При использовании питания на 12В можно последовательно подключить до 3-х светодиодов.

Резисторы разного класса точности, 10%, 5%, 1%. То есть их сопротивление может ошибаться в этих пределах в положительную или отрицательную сторону.

Не забывайте учитывать емкость токоограничивающего резистора, это его способность рассеивать определенное количество тепла. Если он будет маленьким, то он перегреется и выйдет из строя, тем самым разорвав электрическую цепь.

Для определения полярности можно подать небольшое напряжение или воспользоваться функцией проверки диодов на мультиметре. Он отличается от режима измерения сопротивления, обычно подают от 2В до 3В.

основные параметры

Также при расчете светодиодов необходимо учитывать разброс параметров, у дешевых они будут максимальными, у дорогих будут более идентичными. Для проверки этого параметра необходимо включать их поровну, то есть последовательно. Замедление тока или напряжения снижает яркость до слегка светящихся точек. Визуально вы можете оценить, некоторые будут светиться ярче, другие тусклее.Чем равномернее они горят, тем меньше разброс. Калькулятор, рассчитывающий резистор для светодиода, подразумевает, что характеристики светодиодных микросхем идеальны, то есть разница равна нулю.

Падение напряжения для распространенных моделей малой мощности до 10Вт может составлять от 2В до 12В. С ростом мощности количество кристаллов в COB-диоде увеличивается, на каждом — капля. Кристаллы включаются цепочками последовательно, затем объединяются в параллельные цепочки. На мощности от 10Вт до 100Вт падение возрастает с 12В до 36В.

Этот параметр должен быть указан в технических характеристиках светодиодного чипа и зависит от назначения:

  • цвет синий, красный, зеленый, желтый;
  • трехцветный RGB;
  • четырехцветный RGBW;
  • двухцветный, теплый и холодный белый.

Особенности дешевого льда

Перед тем, как выбрать резистор для светодиода на онлайн-калькуляторе, следует обязательно узнать параметры диодов. Китайцы на Алиэкспресс продают много светодиодов, выдавая их за бренд.Наиболее популярные модели SMD3014, SMD 3528, SMD2835, SMD 5050, SMD5630, SMD5730. Все самое худшее обычно делается под маркой Epistar.

Например, чаще всего китайцы накручивают SMD5630 и SMD5730. Цифры в маркировке указывают только размер 5,6 мм на 3,0 мм. В фирменных такой большой корпус используется для установки мощных кристаллов на 0,5Вт, поэтому покупатели диодов SMD5630 напрямую ассоциируются с мощностью 0,5Вт. Хитрые китайцы пользуются этим, и в корпус 5630 ставят дешевый и слабенький кристалл в среднем на 0. 1 Вт, при указании энергопотребления 0,5 Вт.

Китайские светодиодные лампы-кукурузы

Наглядным примером будут автомобильные лампы и светодиодные кукурузы, в которых поставляется большое количество слабой и некачественной ледяной крошки. Обычный покупатель считает, что чем крупнее светодиоды, тем лучше меньшая мощность.

Автомобильные лампы на самый слабый лед 0.1Вт

В целях экономии мои светодиодные коллеги ищут приличный лед на AliExpress. Ищу хорошего продавца, который обещает определенные параметры, заказал, ждал доставки месяц.После тестов выясняется, что китайский продавец обманул, продал барахло. Нам повезет, если на седьмой раз придут приличные диоды, а не барахло. Обычно делают 5 заказов, и не добившись результата иду делать заказ в отечественный магазин, где могут сделать обмен.

Питание светодиодов не такой простой вопрос, как может показаться. Они крайне чувствительны к режиму, при котором не терпят перегрузок. Самое главное, что нужно помнить — полупроводниковые излучающие диоды питаются стабильным током, а не напряжением. Даже идеальное стабилизированное напряжение не обеспечит поддержку указанного режима, это следствие внутреннего устройства и принципа работы полупроводников. Тем не менее, при грамотном подходе светодиоды можно подключить к питанию через токоограничивающий или добавочный резистор. Его расчет сводится к элементарному подбору такого сопротивления, на которое будут падать лишние вольты при данном значении тока. Давайте рассмотрим, как рассчитать его номинал вручную или воспользоваться онлайн-калькулятором.

Хотя основным параметром для мощности светодиода является ток, но есть и такой, как падение напряжения. Это значение, необходимое для того, чтобы он ушел. Зачистив его, рассчитать ограничительный резистор.

Типовые напряжения светодиодов разных типов:

Цвет Напряжение, Б.
Белый 2,8-3,2 для маломощных, 3,0 и выше для мощных (более 0,5 Вт)
Красный 1.6-2,0
Зеленый 1,9-4,0
Синий 2,8-3,2
Желто-оранжевый 2,0-2,2
ИК До 1,9.
УФ 3.1-4.4

Внимание! Если вы не можете найти документацию на существующий элемент — при использовании онлайн-калькулятора берите данные из этой таблицы.

Чтобы сократить теорию, давайте сразу на практике, рассчитаем сопротивление для подключения белого светодиода к бортовой цепи автомобиля 12В.Его фактическое значение с центром двигателя доходит до 14,2 В, а иногда и выше, значит, и берите его для расчетов.

Затем выполняется расчет сопротивления светодиода:

На светодиоде должно падать 3 вольта, значит нужно компенсировать:

Отрез = 14,2-3 = 11,2 В

У обычного 5 мм светодиода номинальный ток 20 мА или 0,02 А. Рассчитываем сопротивление резистора, которое должно падать 11,2 В при заданном токе:

Р = 11.2/0,02 = 560 Ом или ближайшее

Для достижения стабильной мощности и яркости в цепь питания дополнительно поставить стабилизатор L7805 или L7812 и рассчитать относительно питания 5 или 12 вольт соответственно.

Разрезать = 220-3 = 217 в

R = 217/0,02 = 10850 Ом

Так как любой диод пропускает ток в одном направлении, обратное напряжение приведет к тому, что он выйдет из строя. Значит параллельно светодиоду поставить еще один такой же или шунтирующий обычный маломощный выпрямительный диод, например, 1N4007.

С помощью нашего онлайн-калькулятора вы можете рассчитать сопротивление для одного или нескольких соединенных последовательно или параллельно цепочек светодиодов:

Если светодиодов несколько, то:

  • При последовательном соединении резистор рассчитывается исходя из количества падений на каждом элементе.
  • Для параллельного соединения сопротивление рассчитывается исходя из суммы токов каждого светодиода.

Так же можно не забыть про мощность резистора, например во втором примере с подключением схемы к сети 220В на ней будет выделена мощность:

Р = 217*0.02 = 4,34 Вт

В данном случае это будет довольно большой резистор. Чтобы уменьшить эту мощность, можно еще ограничить ток, например, в 0,01а, что уменьшит эту мощность в два раза. В любом случае номинальная мощность сопротивления должна быть больше, чем будет выделяться в процессе его эксплуатации.

Для длительной и стабильной работы излучателя при подключении к сети используйте в расчетах напряжение чуть выше номинального, то есть 230-240 В.

Если вам сложно рассчитать или вы в чем-то не уверены, то наш онлайн-калькулятор расчета резистора для светодиода быстро подскажет, какой нужен резистор из стандартного размерного ряда, а также его минимальную мощность.

Нравится( 0 ) мне не нравится( 0 )

При подключении маломощных светодиодов чаще всего используется гасящий резистор. Это самая простая схема подключения, позволяющая получить необходимую яркость без применения дорогостоящих. Однако, при всей его простоте, для обеспечения оптимального режима работы необходимо произвести расчет резистора для светодиода.

Светодиод как нелинейный элемент

Рассмотрим семейство вольт-амперных характеристик (ВА) для светодиодов различных цветов:

Данная характеристика показывает зависимость тока, проходящего через светодиод, от приложенного к нему напряжения.

Как видно из рисунка, характеристики нелинейны. Это означает, что даже при незначительном изменении напряжения на несколько десятых вольта ток может измениться в несколько раз.

Однако при работе со светодиодами наиболее линейная часть (так называемая рабочая область) вау, где ток меняется не так резко. Чаще всего производители указывают в характеристиках светодиода положение рабочей точки, то есть значения напряжения и силы тока, при которых достигается заявленная яркость свечения.

На рисунке приведены типовые значения рабочих точек для красных, зеленых, белых и синих светодиодов при токе 20 мА. Здесь видно, что светодиоды разного цвета с одинаковым током имеют разное падение напряжения в рабочем пространстве. Эту особенность следует учитывать при разработке схем.

Представленные выше характеристики получены для светодиодов, включенных в прямом направлении. То есть питание отрицательного полюса подключается к катоду, а положительного — к аноду, как показано на рисунке справа:

Полная батарея выглядит следующим образом:

Тут понятно, что обратное включение бессмысленно, так как светодиод не будет излучать, и при определенном пороге обратного напряжения выйдет из строя в результате пробоя. Излучение происходит только при включении в прямом направлении, а интенсивность свечения зависит от тока, проходящего через светодиод. Если этот ток ничем не ограничивать, то светодиод переключится в зону пробоя и отважится. Если вам нужно установить рабочий светодиод или нет, то вам будет полезна статья подробно обо всех способах.

Как выбрать одиночный резистор для одного светодиода

Для ограничения тока светодиода можно использовать резистор, включенный таким образом:

Теперь определяем какой резистор нужен.Для расчета сопротивления используется формула:

где uпит — напряжение питания,

U падение напряжения на светодиоде,

I — требуемый ток светодиода.

В этом случае мощность, рассеиваемая на резисторе, будет пропорциональна квадрату тока:

Например, для красного светодиода CREE C503B-RAS типичное падение напряжения составляет 2,1 при токе 20 мА. При напряжении питания 12 В сопротивление резистора будет

.

Из стандартного ряда сопротивлений Е24 выбрать наиболее близкое значение номинала — 510 Ом.Тогда мощность, рассеиваемая на резисторе, составит

.

Таким образом, необходимо гасить резистор номиналом 510 Ом и дисперсионной мощностью 0,25 Вт.

Может показаться, что при малом напряжении питания можно подключить светодиод без резистора. На этом видео видно, что будет происходить со светодиодом, таким образом, при напряжении всего 5 В:

Светодиод сначала будет работать, но через несколько минут просто заплетется. Это вызвано нелинейным характером его Вау, о чем говорилось в начале статьи.

Никогда не подключайте светодиод без гасящего резистора даже при низком напряжении питания. Это приводит к его перегоранию и в лучшем случае к обрыву цепи, а в худшем — к короткому замыканию.

Расчет резистора при подключении нескольких светодиодов

При последовательном соединении используется один резистор, который задает одинаковый ток для всей цепочки светодиодов. Следует иметь в виду, что блок питания должен обеспечивать напряжение, превышающее общее падение напряжения на диодах.То есть при компаундировании 4х светодиодов с падением 2,5В источник тока более 10В потребуется на все равно. Сопротивление резистора в этом случае можно рассчитать по формуле:

где — напряжение питания,

— сумма падений напряжения на светодиодах,

— ток потребления.

Итак, 4 зеленых светодиода KingBright L-132XGD напряжением 2,5 В и током 10 мА с резистором сопротивления источника питания 12 В

При этом надо разгонять мощность

При параллельном соединении каждый светодиод ограничивает ток своего резистора.В этом случае можно использовать низковольтный блок питания, но ток потребления всей цепи будет складываться из токов, потребляемых каждым светодиодом. Например, 4 желтых светодиода BTLUX Electronics BL-L513UYD с потреблением по 20 мА каждый потребуют источника тока не менее 80 мА при параллельном включении. Здесь сопротивление и мощность резисторов для каждой пары «Резистор — светодиод» рассчитываются так же, как и при подключении одиночного светодиода.

Обратите внимание, что при последовательном и параллельном подключении блоки питания используются на одинаковую мощность.Только в первом случае потребуется источник с высоким напряжением, а во втором — с большим током.

Нельзя подключать параллельно несколько светодиодов к одному резистору, т.к. либо они все будут гореть очень тускло, либо один из них может открыться чуть раньше, и через него пойдет очень большой ток, что выведет его из строя .

Программы расчета сопротивления

При большом количестве подключенных светодиодов, особенно если они включены и последовательно, и параллельно, рассчитать сопротивление каждого резистора вручную бывает проблематично.

Проще всего воспользоваться одной из многочисленных программ расчета сопротивления. Очень удобен в этом плане онлайн Калькулятор на сайте CXEm.net:

Включает в себя небольшую базу самых распространенных светодиодов, поэтому не нужно вручную набирать падения напряжения и ток, достаточно указать напряжение питания и выбрать нужный светодиод из списка. Программа рассчитает сопротивление и мощность резисторов, а также начертит схему подключения или принципиальную схему.

Например, с помощью этого калькулятора был рассчитан резистор на три XLAMP MX3 при напряжении питания 12 В:

Также в программе есть очень полезная функция: она подскажет цветовую маркировку нужного резистора.

Еще одна распространенная в интернете простая программа для расчета сопротивления разработана Сергеем Войтьевичем с портала LEDZ.org.

Здесь уже вручную выбирается способ подключения светодиодов, напряжение и ток.Программа не требует установки, достаточно распаковать в любую директорию.

Заключение

Гасящий резистор — простейший ограничитель тока светодиодной цепочки. От его подбора зависит сила тока, а значит интенсивность свечения и долговечность светодиода. Однако следует помнить, что при больших токах на резисторе будет значительная мощность, поэтому для питания мощных светодиодов лучше использовать драйверы.

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.