Voltnova – sklep elektroniczny i kursy elektroniki w praktyce

Wstęp

W końcu nadszedł moment, by zobaczyć światło na Twojej płytce drukowanej. Po opanowaniu prawa Ohma i obu fundamentalnych zasad Kirchhoffa, posiadasz teraz całą wiedzę potrzebną do pracy z jednym z najbardziej wszechobecnych elementów nowoczesnej elektroniki – diodą elektroluminescencyjną (LED).

Diody LED są wszechobecne we współczesnym świecie. Od kontrolek w urządzeniach, po ekran, na którym to czytasz, od oświetlenia domowego po zastosowania motoryzacyjne. Po prostu – diody LED zrewolucjonizowały sposób, w jaki wytwarzamy i wykorzystujemy światło. Jednak w przeciwieństwie do rezystorów, które działają niezależnie od kierunku podłączenia, diody LED wymagają szczególnej uwagi co do polaryzacji, napięcia i prądu. Nieprawidłowe podłączenie spowoduje ich nieprawidłowe działanie. Zbyt duży prąd spowoduje ich natychmiastowe uszkodzenie.

W tej lekcji dowiesz się, jak działają diody LED, jak prawidłowo identyfikować ich polaryzację, a co najważniejsze, jak obliczyć i dobrać odpowiedni rezystor ograniczający prąd, aby zapewnić ich bezpieczną pracę. Pod koniec tej lekcji oświetlisz swój pierwszy obwód z diodami LED i zrozumiesz podstawowe zasady każdego zastosowania diod LED, z którym się spotkasz.

Cele edukacyjne

Do końca tej lekcji będziesz potrafił:

• Zrozumieć podstawy diod LED: Wyjaśnić, co to jest dioda LED oraz czym różni się od innych elementów elektronicznych.
• Zidentyfikować polaryzację diod LED: Rozpoznać anodę i katodę na symbolach diod LED i elementach fizycznych.
• Zrozumieć wymagania dotyczące napięcia dla diod LED: Wyjaśnić, dlaczego różne kolory diod LED wymagają różnych napięć zasilania i określić typowe zakresy napięć.
• Zastosować ograniczenia prądowe: Wyjaśnić, dlaczego diody LED wymagają rezystorów ograniczających prąd i określić odpowiednie wartości prądu w zakresie od 1 mA do 20 mA.
• Obliczyć rezystory ograniczające prąd: Zastosuj prawo Ohma i prawo Kirchhoffa, aby wybrać prawidłową wartość rezystora dla dowolnego obwodu z diodą LED.
• Budować i testować obwody diod LED: Konstruować funkcjonalne obwody zawierające diody LED i weryfikować obliczenia za pomocą pomiarów multimetrem.
• Zrozumieć sterowanie jasnością: Wyjaśnić związek między natężeniem prądu a jasnością diody LED.

Lekcja 5: LED czyli dioda elektroluminescencyjna

Co to jest LED?

Zrozumienie diod elektroluminescencyjnych

Z pewnością spotkałeś się już z diodami LED, ponieważ praktycznie większość dostępnego obecnie na rynku oświetlenia opiera się na technologii LED. Prawdopodobnie wiesz, że diody LED świecą, a nawet występują w różnych kolorach.

Formalna nazwa to dioda elektroluminescencyjna, ale my będziemy używać po prostu terminu LED – Light Emitting Diode (dioda elektroluminescencyjna). Pominiemy na razie szczegółową fizykę powstawania światła wewnątrz elementu, ponieważ jest to dość zaawansowana wiedza. Zamiast tego skupimy się na prawidłowym stosowaniu diod LED w praktycznych obwodach.

Polaryzacja diod LED: Przedstawiamy nową definicję

Tak wygląda symbol diody LED i widać, że jest to element z polaryzacją.

Wprowadzamy tutaj nowy termin – polaryzacja. Nie używałem go wcześniej, ponieważ rezystory nie mają polaryzacji. Niezależnie od tego, czy przylutujesz je w jednym, czy drugim kierunku, będą działać poprawnie!

Dioda LED zbudowana jest z dwóch elektrod zwanych katodą i anodą. Anoda jest dodatnia, a katoda ujemna. Dlatego dioda LED ma polaryzację i należy ją prawidłowo podłączyć do obwodu, zgodnie z oznaczeniami.

Z pierwszej lekcji wiemy już, że analizujemy przepływ prądu od plusa do minusa. Znamy również pierwsze prawo Kirchhoffa, więc bez problemu poradzimy sobie z podłączeniem diody do obwodu!

A gdyby odwrócić polaryzację

A co, gdybyśmy podłączyli taką diodę LED w odwrotnej polaryzacji? Właściwie nic by się nie stało, a wynika to z ogólnych właściwości diod. Przewodzą one w jednym kierunku, ale nie w drugim! Ale to temat na lekcję 7 naszego kursu „Elektronika kompletna”, w której omówimy diody prostownicze.

Identyfikacja biegunowości na symbolu

Na symbolu łatwo określić położenie anody i katody. Anoda jest oznaczona literą A, a katoda literą K.

Pamiętaj, że anoda jest dodatnia, a katoda ujemna.

Z symbolu możesz również łatwo wywnioskować, że strzałka wskazuje kierunek przepływu prądu.

Jeśli masz trudności z zapamiętaniem tych nazw, oto kolejna wskazówka. Linia w symbolu reprezentuje katodę, która jest ujemna, ponieważ wygląda jak znak minus.

Fizyczne elementy LED

Elementy w Twoim zestawie

W torbie na tę lekcję mamy 2 diody LED – jedną czerwoną i jedną niebieską. To najpopularniejsze diody LED, jakie można kupić!

Ciekawostka: uzyskanie niebieskiego koloru było bardzo trudne o czym świadczy fakt, że w 2014 roku Nakamura, Akasaki i Amano otrzymali za to osiągnięcie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Zobaczmy, jak wyglądają – mają soczewkę i metalowe przewody, nic nadzwyczajnego!

Identyfikacja polaryzacji fizycznych diod LED

Spójrz na długość przewodów. Jeden jest dłuższy, a drugi krótszy. Jak zapewne zgadłeś, oznacza to, że jeden jest anodą, a drugi katodą.

Katoda to krótsze ramię i zawsze tak to pamiętam – biegunowi ujemnemu zawsze czegoś brakuje. W tym przypadku brakuje kawałka metalu.

Jak zasilać diody LED

Maksymalny prąd znamionowy

Zadajmy sobie teraz pytanie: Jak zasilamy diody LED?

Standardowe diody LED charakteryzują się maksymalnym prądem znamionowym 20 mA. Jest to absolutnie maksymalny prąd, jaki powinien płynąć przez diodę LED – przekroczenie tego limitu spowoduje jej uszkodzenie lub zniszczenie.

Wymagania dotyczące napięcia przewodzenia

Wiele osób uważa, że ​​wszystkie diody LED wymagają takiego samego napięcia do działania. To nieprawda – każdy kolor diody LED ma inne wymagania dotyczące napięcia przewodzenia.

Zrozumienie charakterystyki diod LED

Teraz przejdziemy do kolejnego nowego pojęcia w tej lekcji – charakterystyk. Praktycznie każdy element elektroniczny na świecie ma charakterystykę, i to nie tylko jedną, a czasami dziesiątki!

W przypadku diod LED najbardziej podstawową jest charakterystyka prądowo-napięciowa. Ten wykres pokazuje zależność między napięciem a natężeniem prądu dla diody LED. Możemy z niego odczytać, jakie napięcie jest potrzebne dla każdego koloru, aby zaczął przewodzić prąd i emitować światło.

Spójrz na tę charakterystykę. Przy niskich napięciach (np. 0,5 V) dioda LED nie przewodzi prądu. Ale gdy przekroczymy napięcie progowe (oznaczone na krzywej dla każdego koloru), dioda LED zaczyna przewodzić, a prąd zaczyna płynąć wykładniczo.

Napięcie przewodzenia według koloru

Przyjrzyjmy się jeszcze raz wykresowi. Różne kolory diod LED wymagają różnych napięć przewodzenia, ponieważ wykorzystują różne materiały półprzewodnikowe. Jak to zwykle bywa w elektronice, napięcia te podano w następujących zakresach:

• Czerwona dioda LED: 1,6 V do 2,2 V (typowo: ~1,8 V)
• Zielona dioda LED: 2,7 V do 3,5 V (typowo: ~3,0 V)
• Niebieska dioda LED: 3,0 V do 3,6 V (typowo: ~3,2 V)

Czerwone diody LED mają najniższe napięcie przewodzenia, podczas gdy niebieskie wymagają najwyższego. Ta różnica jest kluczowa przy obliczaniu wartości rezystorów – zasilanie 9 V z czerwoną diodą LED pozostawia około 7 V na rezystorze, ale z niebieską diodą LED pozostaje tylko około 6 V.

Sterowanie jasnością diody LED

Spójrzmy ponownie na tą charakterystykę i zauważmy coś ważnego: gdy dioda LED osiągnie napięcie progowe, jej jasność jest kontrolowana przez przepływający przez nią prąd.

Oto kluczowa zależność, którą należy zrozumieć: jasność (natężenie światła) diody LED jest wprost proporcjonalna do przepływającego przez nią prądu. Większy prąd oznacza jaśniejszą diodę LED, mniejszy prąd oznacza mniejszą jasność diody LED.

Ponieważ rezystory ograniczają przepływ prądu (tym samym zwiększając bezpieczeństwo), możemy ich używać do sterowania jasnością naszej diody LED. Im wyższa rezystancja, tym niższy prąd, a tym samym ciemniejsza dioda LED. Im niższa rezystancja, tym wyższy prąd i jaśniejsza dioda LED.

Wybór odpowiedniej wartości rezystora

Dlatego teraz dowiemy się, jak dobrać rezystor do diody LED! Nie możemy po prostu użyć dowolnego rezystora, ponieważ jako entuzjaści elektroniki musimy wiedzieć, co dzieje się w obwodzie i co chcemy osiągnąć.

Typowy prąd roboczy 20 mA zapewnia dobrą jasność bez przekraczania maksymalnej wartości znamionowej diody LED. Musimy jednak wybrać między 1 mA a 20 mA, w zależności od tego, jaką jasność chcemy uzyskać. Praca przy niższym prądzie (5-10 mA) wydłuża żywotność diody LED i zmniejsza pobór mocy, zapewniając jednocześnie odpowiednią jasność do zastosowań wskaźnikowych.

Kolejnym czynnikiem jest żywotność baterii – im większy prąd przepływa, tym więcej prądu pobiera bateria, a nie chcemy jej szybko rozładowywać, więc musimy znaleźć kompromis, prawda?

Wiem, że jesteście ciekawi, co się stanie, jeśli zasilimy diodę LED bezpośrednio, bez rezystora.

OSTRZEŻENIE: Podłączenie diody LED bezpośrednio do źródła napięcia bez rezystora ograniczającego prąd spowoduje przepływ nadmiernego prądu, który natychmiast zniszczy diodę LED. Dioda LED będzie krótko migać, a następnie trwale zgaśnie. Zawsze używaj rezystora ograniczającego prąd!

Podsumowanie kluczowych informacji

Przypomnijmy sobie zdobytą wiedzę.

Dioda LED to element półprzewodnikowy emitujący światło, posiadający dwie elektrody: anodę (dodatnią) i katodę (ujemną). Aby działać prawidłowo:

1. Dioda musi być podłączona z zachowaniem prawidłowej polaryzacji (anoda do bieguna dodatniego, katoda do bieguna ujemnego).
2. Natężenie prądu musi być ograniczone do maksymalnie 20 mA, aby zapobiec uszkodzeniu.
3. Napięcie zasilania musi uwzględniać napięcie przewodzenia diody LED, które zmienia się w zależności od koloru.
4. Prąd przepływający przez diodę LED określa jej jasność.
5. Rezystory służą do bezpiecznego sterowania diody LED, jak i jasnością.

Obliczanie wartości rezystorów ograniczających prąd

Wykorzystanie prawa Ohma do doboru rezystorów

Oczywiście, do tego celu wykorzystujemy wyłącznie prawo Ohma. Pamiętaj, że zawsze możesz zajrzeć do Lekcji 1, jeżeli chcesz odświeżyć lub uzupełnić swoją wiedzę

Spójrz teraz na nasze obwody – jak widzisz, nie mamy podanych wartości rezystorów, ponieważ to właśnie jest nasze zadanie!

W torbie na tę lekcję mamy po dwa rezystory o opornościach 10 kΩ, 1 kΩ i 2 kΩ. Nie pozostaje nam więc nic innego, jak tylko chwycić coś do pisania i zacząć obliczenia!

Wzór na obliczenie rezystora LED

Podstawowe podejście jest następujące:

1. Wyznacz napięcie na rezystorze, korzystając z prawa Kirchhoffa: U_R = U_zasilanie – U_LED
2. Wybierz prąd jaki ma przepływać przez diodę LED (od 1 mA do 20 mA)
3. Oblicz rezystancję, korzystając z prawa Ohma: R = U_R / I

Przykład 1: Obwód z czerwoną diodą LED

Obwód z pojedynczą diodą LED z rezystorem ograniczającym prąd

W pierwszym obwodzie obliczmy wartość rezystora dla czerwonej diody LED.

Dane:

• Napięcie zasilania: 9 V
• Napięcie przewodzenia diody LED (U_LED): 2 V
• Pożądany prąd (I): 7 mA

Krok 1: Oblicz napięcie na rezystorze

Korzystając z napięciowego prawa Kirchhoffa, wiemy, że napięcie z baterii dzieli się między elementy:

U_R = U_supply – U_LED = 9V – 2V = 7V

Krok 2: Oblicz rezystancję

Korzystając z prawa Ohma:

R = U_R / I = 7V / 7mA = 7V / 0.007A = 1000Ω = 1kΩ

W zestawie znajduje się rezystor 1kΩ, co idealnie pasuje do otrzymanego wyniku!

Przykład 2: Obwód z niebieską diodą LED

Przejdźmy teraz do drugiego przykładu i obliczmy go w ten sam sposób. Jedyne, co musimy zmienić, to wartość spadku napięcia dla niebieskiej diody LED.

Dane:

• Napięcie zasilania: 9 V
• Napięcie przewodzenia diody LED (U_LED): 3 V
• Docelowy prąd (I): 7 mA

Twoja kolej: Zatrzymaj się w tym miejscu i oblicz, jaka będzie ta rezystancja.

Rozwiązanie:

U_R = 9V – 3V = 6V

R = 6V / 7mA = 6V / 0.007A = 857Ω

Nie mamy rezystora 857 Ω, ale możemy użyć zamiast niego rezystora 1 kΩ. Obliczmy rzeczywisty prąd dla 1 kΩ:

I = U_R / R = 6V / 1000Ω = 0.006A = 6mA

Prąd wyniesie około 6 mA, więc nadal mieścimy się w wybranym przez nas zakresie od 1 mA do 20 mA. Idealnie!

Budowanie i testowanie obwodów LED

Lutowanie elementów

Teraz nie pozostało nam nic innego, jak tylko lutować i weryfikować nasze obliczenia!

Umieszczenie diod LED na płytce PCB

Najpierw lutowanie – jak wspomniałem, diody LED mają jedną nóżkę krótszą, a drugą dłuższą, i wiemy też, że ta krótsza to katoda, czyli biegun ujemny.

Na naszej płytce narysowaliśmy symbol i już wiadomo, gdzie jest biegun ujemny, a gdzie dodatni! To samo dotyczy niebieskiej diody LED.

I to w zasadzie wszystko, jeśli chodzi o lutowanie. Przypominam również, że nie lutujemy trzeciego układu, ponieważ to temat na zupełnie inną lekcję.

Moment prawdy: TESTOWANIE

Czas na jeden z najlepszych momentów dla początkującego entuzjasty elektroniki! Coś się wydarzy – na naszych płytkach pojawi się światło!

Nie ma co dłużej gadać, podłączmy baterię i zobaczmy, jak działa!

BUUM, świeci pięknie!

Działające obwody LED – świecą się zarówno dioda czerwona, jak i niebieska

Pomiary i weryfikacja

Nie będziemy tylko patrzeć, jak świeci. Weźmy multimetr i wykonajmy pomiary. Należy pamiętać, że diody LED mają zakresy napięciowe, więc jeśli wartości różnią się nieco od naszych obliczeń, nie ma powodu do obaw.

Pomiary czerwonej diody LED

Najpierw sprawdźmy napięcie na czerwonej diodzie LED. Jest ono zbliżone do obliczonego. Jeśli napięcie jest podobne, natężenie również będzie podobne.

Pomiar napięcia na czerwonej diodzie LED

Zmieniamy tryb pomiaru na multimetrze i sprawdzamy natężenie.

I jak się spodziewaliśmy, natężenie również jest podobne. To dobry znak!

Uwaga: Zwróć uwagę, że podczas pomiaru natężenia obwód działa tylko wtedy, gdy multimetr zamknie obwód. To wyraźnie pokazuje, że przez multimetr musi płynąć prąd!

Pomiary niebieskiej diody LED

Teraz napięcie na niebieskiej diodzie LED!

Pomiar napięcia w obwodzie z niebieską diodą LED

I jak widać, wszystko, co obliczymy, cała ta teoria znajduje potwierdzenie w praktyce! Zatem te prawa nie kłamią i oczywiście wszystko, co mówię, jest również prawdą!

Pozostaje tylko pomiar prądu, i myślę, że to formalność, ale sprawdźmy:

Pomiar prądu w obwodzie z niebieską diodą LED

Porównaj z teorią: zmierzone wartości powinny być zbliżone do obliczonych 6–7 mA. Niewielkie różnice są normalne ze względu na tolerancję komponentów, wahania napięcia przewodzenia diody LED, a dodatkowo innym napięciem zasilania (bateria z czasem się rozładowuje):

Pomiar napięcia zasilania zestawu Elektronika Kompletnego

Eksperymenty i ćwiczenia

Wypróbuj różne wartości rezystorów

Pamiętaj, że masz dodatkowe rezystory – 10 kΩ i 2 kΩ – i cały zestaw należy co Ciebie.

Weź więc długopis, oblicz, jaki będzie prąd z jednym rezystorem, a jaki z drugim. Następnie wylutuj stare rezystory, wlutuj nowe i zweryfikuj obliczenia pomiarami!

Powtórzę jeszcze raz – zestaw jest Twój i możesz go używać, jak chcesz! To najlepszy sposób, aby naprawdę zrozumieć zależność między rezystancją, prądem i jasnością diody LED.

Sugerowane eksperymenty:

• Oblicz i zmierz prąd z rezystorem 2 kΩ.
• Oblicz i zmierz prąd z rezystorem 10 kΩ.
• Zaobserwuj, jak zmienia się jasność diody LED przy różnym natężeniu prądu.
• Porównaj swoje obliczenia z rzeczywistymi pomiarami.

Podsumowanie

Dowiedzieliśmy się o nowym komponencie – diodzie LED – i o tym, jak dobrać do niej rezystor, a także oczywiście, jak rozpoznać anodę i katodę. To była bardzo interesująca lekcja, ponieważ w końcu coś się wydarzyło, coś się zaświeciło, w końcu coś widocznego i ekscytującego!

Kluczowe pojęcia, które powinieneś teraz rozumieć:

• Diody LED mają polaryzację – anoda (dodatnia, dłuższa nóżka) i katoda (ujemna, krótsza nóżka)
• Różne kolory diod LED wymagają różnych napięć przewodzenia
• Diody LED muszą pracować z maksymalnym prądem 20 mA
• Rezystory ograniczające prąd są niezbędne, aby zapobiec uszkodzeniu diody LED
• Wykorzystaj prawo Ohma i prawo Kirchhoffa do obliczenia wartości rezystorów
• Jasność diody LED jest kontrolowana przez przepływ prądu

W następnej lekcji poznasz jeszcze częściej występujący w elektronice element niż LEDy. Gromadzi energię – i nie, nie jest to bateria. Czy domyślasz się, co to może być?