Питание светодиодов. Часть 2. Что такое вольт-амперная характеристика

6 декабря 20236 дек 2023

1999

6 мин

Оглавление

ВАХ — что это такое и как с ней работать
ВАХ полупроводникового диода
Вернемся к светодиоду

erid: 2VtzqvdgfSa

Чтобы описать свойства электронных компонентов, используют различные характеристики, как правило, изображенные в виде графиков, а также таблицы с величинами разных параметров.

ВАХ — что это такое и как с ней работать

Зависимость тока, который протекает через элемент от приложенного к нему напряжения, называется вольт-амперной характеристикой (сокращенно ВАХ). Её изображают в виде графика, у которого по оси ординат отложен ток, а по абсцисс — напряжение. Простыми словами, на вольт-амперной характеристике по вертикали изображено напряжение, а по горизонтали — ток.

Вольт-амперная характеристика нужна разработчикам, чтобы узнать какой ток потечет через элемент при определенном напряжении на его выводах. Или, наоборот, узнать какое напряжение нужно приложить к элементу, чтобы через него потек определенный ток.

На примере видно, что если к выводам элемента приложить 2 вольта, то через него будет течь ток силой в 1 ампер, при 4 вольтах — 2 ампера и так далее. Глядя на этот график, можно предположить, что это ВАХ элемента с линейным сопротивлением величиной 2 Ома. Так себя ведут, например, резисторы и называется она линейной, потому что ток линейно связан с напряжением.

Линейная характеристика описывается простой формулой y = kx + b, в нашем случае I=(1/R)xU+0. Ну или просто I=U/R, закон Ома напоминает, не так ли?

ВАХ полупроводникового диода

Вольт-амперную характеристику диода нельзя описать такой формулой, она приближена к экспоненциальной зависимости тока от напряжения. Поэтому его характеристика называется нелинейной.

В правой верхней части графика изображен ток и напряжение в прямом включении — когда к аноду диода подключают плюс, а к катоду минус. В левой нижней — в обратном включении.

В прямом включении диод начинает проводить ток не сразу, а после какого-то порогового напряжения, которое зависит от типа диода. Когда напряжение на выводах диода достигнет порогового значения, ток резко увеличивается.

При обратном включении он практически не проводит ток, но все же есть небольшой обратный ток в пределах микроампер – единиц миллиампер. Однако когда напряжение на выводах диода достигнет величины максимального обратного напряжения, происходит электрический пробой, а затем и тепловой (на ВАХ не изображён).

Вернемся к светодиоду

Вольт-амперная характеристика светоизлучающего диода отличается от выпрямительного величиной прямого и обратного напряжения и тока. Но форма ветвей графика, в общем-то, останется неизменной. У светодиодов разных цветов разное рабочее прямое напряжение, например:

красный — 1,8 В
желтый — 2,1 В
зеленый — 2.2 В
синий и белый — 3.1 В.

Величина прямого напряжения у светодиодов разных цветов указана примерная, на практике напряжение отличается и зависит от типа светодиода, конкретного экземпляра и других факторов.

Так как мы занимаемся изготовлением осветительных приборов, то и рассматривать ВАХ будем на примере белого (синего) светодиода. Нас интересует поведение светодиода только в прямом включении, так как в обратном он не светится.

Как и обычный, светоизлучающий диод почти не проводит ток при низком напряжении. Ток, конечно, есть и постепенно увеличивается, как если бы это был резистор с очень высоким сопротивлением.

Когда напряжение достигает порогового значения, в цепи резко увеличивается сила тока и светодиод начинает светиться. По мере роста тока почти линейно увеличивается и яркость свечения. При дальнейшем увеличении напряжения сила тока увеличивается, но совсем не так, как у резисторов. Прямой ток светодиода увеличивается намного сильнее, чем питающее его напряжение, до тех пор пока кристалл не перегреется и не сгорит.

Из-за того, что светодиод начинает светиться не с нуля вольт, а после включения ток начинает резко расти, во время работы для светодиода доступен узкий диапазон питающих напряжений — рабочая область. Рассмотрим её подробнее.

Допустим, у нас есть светодиод с номинальным прямым током 20 мА и прямым напряжением около трех вольт. Если мы подключим его к лабораторному источнику питания и снимем ВАХ самостоятельно, то увидим, что начинает излучать свет он при напряжении около 2,6 вольт, а паспортный номинальный ток достигается, при 3.1 вольте.

Но момент включения, как правило, нас не особо интересует, так как свечение очень слабое, даже для работы в качестве индикатора. Предположим, минимальная удовлетворяющая яркость, достигается при токе в 5 мА.

Если нужна бОльшая яркость свечения в ущерб сроку службы, или это будут кратковременные вспышки света или другие специфические случаи, то можно установить и перегруженный режим работы, скажем, при токе на 25% больше номинального.

Таким образом и получается, что мы можем изменять рабочее напряжение светодиода в узких пределах: от значения, которое обеспечивает минимальные ток и яркость, до значения, при котором протекает номинальный или другой допустимый ток.

Если мы расставим эти 4 точки на ВАХ, то и увидим эту самую рабочую область.

На характеристике видим, что при напряжении в 2.75 В ток составляет 5 мА, при 3,1 В — 20 мА, при 3,15 вольтах - 25 мА, а что будет дальше?

Чтобы это узнать, расставим точки на характеристике, например, на токах кратных 10 мА и увидим такие напряжения: 30 мА при 3,2 В; 40 мА — 3,25 В; 60 мА — 3,3 В.

Обратите внимание, что между 3,15 и 3,2 вольтами ток увеличился всего на 5 мА, а при увеличении напряжения с 3,25, до 3,3 В ток вырос с 40 до 60 мА, то есть уже на 20 мА.

1 миллиампер — это одна тысячная часть ампера (0,001 А)

Будет нагляднее, если перевести эти цифры в процентное соотношение:

В первом случае разница между меньшим и большим напряжением 1,5%, а ток изменяется на 20%.
Во втором случае напряжение увеличили ещё на 1,5%, ток вырос уже на 50%.

Вывод: чем выше напряжение на выводах светодиода, тем круче растет ток. Вы можете самостоятельно исследовать характеристику настоящего светодиода и проанализировать зависимость тока от напряжения.

ВАХ реального светодиода на примере светодиода типа 2835 производства Samsung

Заключение:

При питании постоянным напряжением, на начальном этапе, когда через светодиод протекает малый ток, он ведет себя почти как резистор с большим сопротивлением. По мере увеличения напряжения ток начинает расти быстрее, и светодиод может выйти из строя из-за перегрева. Поэтому для стабилизации тока нужно использовать специальные драйверы питания или ограничивать ток резисторами.

В реальности напряжения светодиодов могут отличаться и зависят от бина, например, у светодиодов LM281B+ производства Samsung разброс номинальных напряжений от 2.7 до 3,3 вольт. Кстати, чем выше напряжение светодиода, тем больше он будет греться и меньший световой поток выдавать на 1 ватт мощности.

Но прежде, чем перейти к обсуждению способов питания и схем подключения, в следующей статье поговорим о том, как изменяются номинальные параметры в процессе работы и срока службы.