[033] Prawie wszystko o diodach świecących cz. 1

Czym jest dioda świecąca? Odpowiedzi będą dwie: pierwsza – światełkiem. I w zasadzie wystarczyłoby na tym poprzestać, choć dobrze byłoby jeszcze dodać informację, jak tym światełkiem sterować. Do tego, by diod używać, więcej nie trzeba.

Ale to jest portal edukacyjny, więc choćby dla samego zaspokojenia ciekawości proponuję temat rozwinąć. Dioda elektroluminescencyjna to półprzewodnik, który podczas przepływu prądu emituje promieniowanie z zakresu światła widzialnego lub okolic. Światło jest tutaj wygenerowaną energią, która powstaje, gdy elektrony przechodzą z wyższego poziomu energetycznego na niższy. Zatem podczas przepływania prądu przez diodę wystąpi spadek napięcia – bo z czegoś ta energia musi się wziąć.

Istota diody jako takiej, czyli urządzenia przewodzącego prąd w jedną tylko stronę, jest, że tak powiem, gratisowa. Zwykle cecha ta nie jest nam do niczego potrzebna, ale czasem korzysta się z niej, na przykład zestawiając LED-y w matryce. Gdyby miały cechy żarówek – czyli światełek pracujących symetrycznie – trzeba byłoby w takich matrycach używać diod. A tak to mamy dwa w jednym. Trzeba pamiętać jednak, że owa cecha nie pozwala na dowolne wstawianie LED-ów w obwód. Anoda musi być zawsze podłączona do potencjału wyższego niż katoda, inaczej światła nie będzie.

Skoro już wiemy czym jest dioda świecąca, wyjaśnimy sobie sprawy związane z jej zasilaniem. By dioda świeciła, musi przez nią przepływać pewien prąd, a ten będzie płynął tylko wtedy, gdy napięcie przyłożone do diody przekroczy pewną minimalną wartość, charakterystyczną dla konkretnego egzemplarza. W praktyce napięcie to należy do przedziału od niecałych dwóch do nieco ponad trzech woltów i zwykle jest związane z kolorem: najniższe dla diod pracujących w podczerwieni, dla czerwonych około 2 woltów, żółte i zielone potrzebują troszkę więcej, a niebieski kolor wymaga co najmniej 3 woltów. Podobnie jest z diodami białymi i super jasnymi, te także wymagają zwykle większego napięcia. Ale ten podział jest tylko orientacyjny i tak naprawdę nie jest taki istotny, a zaraz napiszę dlaczego.

Ważne jest to, że wszystkim zwyczajnym diodom wystarczy pięć woltów, a sporej części już nawet 3,3 wolta, co jest drugim standardem napięć w cyfrowym świecie. Oznacza to, że takie diody będziemy mogli zapalać tymi samymi napięciami, których używają nasze Arduina i w ogóle elektronika cyfrowa. Ten fakt bardzo upraszcza sterowanie nimi.

Teraz sprawa najważniejsza: czym się taka dioda różni od żarówki? Oczywiście żarówka potrzebuje więcej energii, jest przestarzała, grzeje się itd. Ale ja mam na myśli coś innego. Żarówka to właściwie rezystor, tyle że ogrzewający się tak mocno, że aż świeci. Im wyższe napięcie przyłożymy do takiej żarówki, tym więcej światła dostaniemy. W pewnym przedziale napięć żarówka będzie świeciła od lekkiego żarzenia w kolorze pomarańczowym, do białego blasku, a każdy z etapów przejściowych może być użyteczny. Żarówkę podłączamy do źródła napięcia, pilnując by nie przekroczyło ustalonego maksimum i to wszystko.

Z LED-ami tak fajnie nie jest. Możemy je traktować jak tamę. Dopóki poziom wody powyżej tamy nie przekroczy pewnego stanu, woda nie popłynie. Czyli do diody możemy podłączyć napięcie jeden wolt i nie ma szans, by cokolwiek zaświeciło albo by popłynął prąd. Wróćmy do tamy: pada deszcz, poziom wody rośnie i w pewnym momencie tama zaczyna się przelewać. Na początku w granicach ustalonych przez architektów tamy, ale gdyby nastąpiła jakaś powódź stulecia, poziom wody nad tamą wcale nie będzie się zwiększać, natomiast wodospad uczyniony z niej zacznie przepuszczać tak ogromną ilość wody, że będzie to grozić zniszczeniem tamy.

Dokładnie tak dzieje się z diodami świecącymi. Tutaj powyżej dwóch woltów prąd zaczyna płynąć, ale już przy napięciu dwóch i jednej dziesiątej wolta płynie wielkim strumieniem – zbyt mocnym na taką małą diodę i dalsze zwiększanie napięcia uśmierci nam światełko. Dlatego diod nigdy nie podłącza się wprost do źródła energii, a przez urządzenie ograniczające prąd. Najczęściej będzie nim prościutki rezystor.

A teraz o wielkościach. Napięcie już znamy: minimum musi sięgać niecałych dwóch do przeszło trzech woltów. Co z prądem? Po ten parametr należy sięgać do dokumentacji diod. Przyjęło się, że taka zwyczajna pojedyncza dioda, czy to w obudowie z soczewką, czy SMD, może bez szkody brać na siebie prąd o wielkości 20 mA. Gdy znamy jedno i drugie, łatwo policzyć trzecie, czyli wartość rezystora. Przyjdzie nam z pomocą niezawodne prawo Ohma.

R=U/I

Gdy pracujemy w logice pięciowoltowej, mamy… oczywiście pięć woltów. Od tej wielkości należy odjąć spadek napięcia na diodzie. Przyjmijmy dwa wolty – dla diody czerwonej. 5 - 2 = 3 więc teraz już 3 V należy podzielić przez 20 mA i wychodzi nam 150 Ω Oto odpowiedź: wstawiamy między diodę, a zasilanie rezystor 150 Ω i cieszymy się światełkiem, trwałym, jasnym i bezpiecznym.

Z uwag praktycznych: 20 mA to maksymalna wartość bezpieczna, ale zwykle aż tyle nie potrzeba. Poza tym przyrost jasności przy zbliżaniu się do wartości maksymalnej dla naszego oka nie jest aż tak duży. Ja osobiście zakładam zawsze dwie wartości: tam, gdzie ma być jasno, podaję 10 mA. Tam zaś, gdzie oszczędnie – 1, może 2 mA. Okazuje się bowiem, iż współczesne LED-y są tak doskonałe, że nawet przy tak małych prądach świecą jasno i nie ma sensu tych prądów zwiększać.

W konkretnych przypadkach, na przykład przy składaniu paneli wskaźnikowych z różnymi diodami, warto wykonać sobie taki układ, złożony z rezystora 150 Ω oraz potencjometru 2,2 kΩ i kręcąc tym potencjometrem ustawić satysfakcjonującą jasność. Następnie należy zmierzyć wartość sumy oporów i wymienić ten układ na rezystor o podobnej wartości. Kończąc temat, jeśli będziemy się obracać przy napięciach rzędu 5 woltów, wartość mocy rezystora nie ma znaczenia, bo moce będą tu bardzo niskie.

I jeszcze jedna uwaga: opowiadałem tu o diodach zwyczajnych, mających pojedynczą strukturę w obudowie. Trzeba wiedzieć, że nie zawsze tak jest, takie świecące plastry na przykład potrzebują dużo wyższego napięcia, ponieważ zawierają wewnątrz wiele struktur połączonych szeregowo.

Dlatego nie należy się dziwić, że takiej diody nie zapalimy, podłączając ją do Arduino. Ale ten temat rozwinę później. Dotąd pisałem o diodach świecących w pełni albo nieświecących wcale. Tymczasem bardzo często potrzeba nam dowolnej pośredniej jasności świecenia. Jak sprawę ugryźć? O tym napiszę w kolejnym artykule.