Двухцветный трёхногий светодиод имеет некоторую особенность, которая поначалу может сбить с толку, но которую можно пустить на пользу.
Соберём макетик по заглавной картинке и исследуем его. Зелёный проводок относится к зелёному кристаллу, оранжевый — к красному.
Подключим батарейку и пощёлкаем тумблером.
Тумблер выключен, светодиод зелёный
Тумблер включен, светодиод красный (правда, красный, на фото плохо получилось)
При разомкнутой цепи светодиод светит зелёным, при замкнутой… красным. Ой, что-то не то! Ведь зелёный кристалл подключен напрямую к батарейке и должен светить всегда! Т.е. при замыкании тумблера мы должны получить свечение обоих кристаллов и как бы жёлтый цвет! Но если присмотреться, видно что при включении красного зелёный гаснет! Прям коммутатор какой-то.
Так, изобразим схему этой… схемы 🙂
Ага, понятно. Неправильное включение светодиодов! Ведь во всех мурзилах сказано: при параллельном включении каждый светодиод должен иметь свой собственный балластный резистор. А при такой схеме, из-за индивидуальных отличий, они будут светить вразнобой: кто-то ярче, кто-то тусклее.
Но! Мы-то наблюдаем другую картину. У нас горит один кристалл. Т.е. простой замыкающий контакт у нас работает как переключающий. Почему? Попробуем разобраться. Для этого соберём схему попроще — с одним светодиодом, но обвешаем её измерительными приборами и будем наблюдать за их показаниями:
У нас есть:
- регулируемый источник напряжения;
- подопытная цепь R и VD;
- амперметр, показывающий ток в цепи;
- вольтметры, которыми мы можем померять напряжение на отдельно на R и VD.
Мы будем плавно поднимать напряжение от 0, наблюдая за показаниями приборов.
С диодом интереснее. Дело в том что диод (в т.ч. и светодиод) является нелинейным элементом. Его сопротивление в прямом направлении зависит от протекающего тока. Чем больше ток, тем меньше сопротивление. Кроме того, диод имеет т.н. порог. При напряжении ниже этого порога диод будет закрыт даже в прямом направлении.
Итак, потихоньку крутим наш источник питания, поднимая напряжение. И сразу видим отличие от схемы на резисторах. Вот уже пол-вольта, один вольт, а амперметр не кажет. Ток = 0. Напряжение Ur = 0, а Uvd = напряжению источника. Т.е. диод закрыт, его сопротивление очень велико, тока в цепи практически нет, а всё напряжение «высаживается» на нём.
Но вот мы подобрались к порогу, для красного светодиода это около 1.3 вольт. Светодиод открылся и слабо засветился. Амперметр с нуля сразу прыгнул до некоторого значения. Также резко появилось напряжение Ur.
Добавим ещё чуть-чуть. При напряжении около 1.7 В светодиод засветился в полную силу.
Добавляем дальше. И опять видим странное! Ток растёт как положено. Растёт Ur. А вот Uvd остаётся на уровне 1.7 В! Т.е. диод «стремится» сохранить напряжение на себе равным 1.7 В. Для этого при росте тока он снижает своё сопротивление и всё больше и больше напряжения достаётся резистору — ведь сумма Ur+Uvd обязана быть равной напряжению источника.
Так будет происходить пока ток не возрастёт настолько что диод перегреется и сгорит. При этом разница в яркости между «только засветился» и «почти сгорел» будет незначительна хотя ток изменился в разы. А напряжение Uvd возросло, но не сильно, где-то до 2.5 В.
Напряжение, при котором светодиод «вышел на режим», т.е. его ток и яркость соответствуют норме и считают типичным падением напряжения для данного типа полупроводника. Да, для разных типов полупроводников эти значения отличаются. У кремниевого p-n перехода будет одно значение, у германиевого — другое, у перехода на основе арсенида галия (красный светодиод) — третье, у перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) четвёртое.
И тут мы наконец можем ответить на вопрос почему так странно работает схема из заголовка статьи. Дело в том что зелёный и красный кристалл выполнены из разных материалов, имеющих разные пороги и разное падение напряжения. В моём макете падение на зелёном кристалле было около 2 В (при питающем напряжении от 3 до 9 В), а на красном — 1.7 В.
Что происходит когда параллельно светящемуся зелёному мы подключаем красный? Напряжение сразу валится до 1.7 В! И зелёному просто не хватает прямого напряжения чтобы открыться. Всё оказалось просто 🙂
Теперь. Как можно использовать эту неправильную схему. Например, можно переключать с зелёного на красный используя одну ножку микроконтроллера, а не две. Правда, такое решение потребует кое-какой дополнительной «обвязки», но если надо жёстко экономить ножки — может сгодиться.
Более простые схемы также могут использовать этот трюк. Один из примеров будет в следующей статье.
Двухцветные светодиоды содержат на одном кристалле два отдельных светзлучателя, которые изготавливаются из разных полупроводниковых сплавов. Такой индикатор может светиться как минимум двумя разными цветами. Почему «как минимум»? Потому что за счёт общего корпуса, выполненного из светорассеивающей пластмассы, при одновременном включении обоих излучателей можно получить суммарный третий цвет.
В Табл. 2.5 перечислены встречающиеся сочетания оттенков в двухцветных светодиодах. Надо чётко представлять, что не все цветовые смеси хорошо различаются визуально. Например, сочетание «жёлтый - зелёный» в смеси лучше не использовать, поскольку теряется однозначность, ведь суммарный «зелёно-жёлтый» оттенок сложно без навыка отличить от зелёного и от жёлтого цвета.
Таблица 2,5, Цветовые сочетания в двухцветных светодиодах
Восприятие цвета человеком весьма субъективно. В колориметрии (науке о цвете) различают более тысячи образцов цветовых эталонов, стандартизованных в специальных книгах-атласах. Некоторые люди обладают даром «абсолютного цвета», но это столь же редко, как и «абсолютный слух» у музыкантов. На практике пользователь хорошо различает оттенки, но только при одновременном предъявлении ему нескольких образцов для сравнения.
Светодиоды формируют достаточно тусклые по насыщенности цвета. Если взять смесь красного с зелёным, то в сумме должен получиться жёлтый цвет. Однако в светодиодном исполнении образуется оттенок, который одни воспринимают как «оранжево-жёлтый», другие как «жёлто-зелёный». Более того, если смотреть на светодиод перпендикулярно прямо, то виден жёлтый цвет, но если смотреть с правой стороны, то оттенок «краснеет», а с левой - «зеленеет» или наоборот.
Вывод - конструировать устройство необходимо так, чтобы на панели постоянно светился хотя бы один образцовый индикатор базового цвета, по которому можно устойчиво идентифицировать остальные оттенки. Им обычно служит зелёный светодиод наличия питания. Другой вариант - каждому индикатору назначить своё посадочное место, примерно как в светофоре - «красный-жёлто зелёный» или ввести режим мигания для суммарного цвета.
Прямое падение напряжения у двухцветных светодиодов такое же, как у обычных светодиодов того же оттенка. Ориентироваться можно по условной точке начального подъёма ВАХ: 1.6 В (красный), 1.7 В (жёлтый/оранжевый), 1.8 В (зелёный), 3.5 В (белый/синий). Любой двухцветный светодиод можно заменить двумя обычными, рядом расположенными или накрытыми общим корпусом, если провести электрические соединения между ними согласно внутренней схеме.
Цветовая гамма наружных индикаторов должна подбираться по правилам эргономики. Например, красным цветом обозначают состояние «Авария», «Брак», зелёным - «Норма», «Готовность», «Работа». Смена режимов «Ждущий/Активный» можно индицировать жёлтым/зелёным цветом. «Синие» светодиоды хорошо смотрятся в полумраке или применяются для декоративной подсветки тёмных поверхностей. И ещё. Считается, что зелёный и красный - это нарядные рождественские цвета, а чёрный и оранжевый - предупреждающие цвета Хэллоуина.
Двухцветные светодиоды бывают двух трёх выводные. Первые из них имеют встречно-параллельное соединение (Рис. 2.15, а…ж), а вторые - два отдельных излучателя с общим анодом/катодом (Рис. 2.16, а…к). На всех последующих cxeмах для простоты будет принято, что светодиоды являются «красно-зелёными».
Важный нюанс. Обычно в трёхвыводных светодиодах общий контакт конструктивно располагается по центру корпуса, но иногда встречаются модели, например, BL-Bxx204-A (фирма Bright LED Electronics), у которых общий вывод находится с краю. Определить «что есть что» можно прозвонкой выводов омметром.
а) на двух линиях MK формируются противофазные уровни ВЫСОКИЙ-НИЗКИЙ или НИЗКИЙ-ВЫСОКИЙ. Соответственно, светодиод HL1 светится то красным, то зелёным цветом. Для полного гашения светодиода надо установить на выходах MK одинаковые уровни: НИЗКИЙ-НИЗКИЙ или ВЫСОКИЙ-ВЫСОКИЙ;
б) управление светодиодом HL1 от одной линии MK: ВЫСОКИЙ уровень - красный цвет, НИЗКИЙ - зелёный, вход с Z-состоянием - полное гашение. Недостатком схемы является лишний расход мощности на делителе R1, R2, что оправдано, если опорный уровень со средней точки используется для других узлов устройства;
в) аналогично Рис. 2.15, б, но с меньшими потерями мощности, поскольку через стабилитроны VD1, VD2 не протекает лишний ток. Резистором R1 регулируется общая яркость;
г) аналогично Рис. 2.15, в, но с возможностью раздельного регулирования яркости красного и зелёного светоизлучателей резисторами R1, R2;
д) аналогично Рис. 2.15, в, но с пониженным питанием и заменой двух стабилитронов транзисторными ключами F77, VT2. Резистором &2регулируется общая яркость; О
О Рис. 2.15. Схемы подключения двухцветных светодиодов с двумя выводами (окончание):
е) коммутация полярности включения яркого светодиода HL1 через мостовую схему. Сигналы на выходах MK должны быть строго противофазными. Резистор R5 защищает пары транзисторов VT3, VT4 и VT5, VT6 от перегрузки по току при их одновременном включении из-за ошибок в программе, а также при переходных процессах. Резистор R6 задаёт яркость свечения;
ж) управление тремя двухцветными светодиодами HL1…HL3 от трёх линий MK. Возможны одноцветные и разноцветные комбинации свечения в любом порядке.
Рис. 2.16. Схемы подключения двухцветных светодиодов с тремя выводами (начало):
а) при ВЫСОКОМ уровне на одном из выходов МК светодиод HL1 загорается красным или зелёным цветом. При двух ВЫСОКИХ уровнях должен получаться цвет, близкий к жёлтому. Его реальный оттенок зависит от типа светодиода и соотношения сопротивлений резисторов R1, R2. При обоих НИЗКИХ уровнях на выходах MK светодиод полностью погашен;
б) аналогично Рис. 2.16, а, но для светодиода HL1 с общим анодом и с активными НИЗКИМИ уровнями;
в) при НИЗКОМ уровне на выходе MK индикатор HL1 светится зелёным цветом, при ВЫСОКОМ - красным, поскольку «зелёный» излучатель (1.8 В) шунтируется «красным» (1.6 В). Диод VD1 устраняет небольшую подсветку «зелёного» излучателя при светящемся «красном»; О
г) аналогично Рис. 2.16, в, но для светодиода HL1 с общим анодом и с активным НИЗКИМ уровнем. Диод VD1 может отсутствовать (проверяется экспериментально). Если поменять местами выводы «R» и «G» индикатора HL1, то наличие диода VD1 обязательно;
д) один общий резистор на два излучателя светодиода HL /, что может привести к некоторому различию в яркости их свечения. Для получения промежуточных цветовых оттенков используют два противофазных сигнала ШИМ с изменяющейся скважностью;
е) аналогично Рис. 2.16, д, но для светодиода HL1 с общим анодом;
ж) выбор одного из двух излучателей производится механическим переключателем SA 1\
з) аналогично Рис. 2.16, в, но с полевым транзистором VT1 Схема эффективна при повышенном токе через светодиод HL1 (задаётся резистором R1).
и) плавное получение всей гаммы цветовых оттенков в спектре от красного до зелёного при помощи переменного резистора R2\
к) джампер, установленный между контактами 1-2 соединителя *S7, определяет красный, а между контактами 2-3 - зелёный цвет свечения всех индикаторов HL1…HLn одновременно.
И красно-оранжевого, ученые смогли создать желтый светодиод. Он идет третьим в раскладке белого света и энергетически приближен к оранжевому. Без желтого сложно было бы представить полную картину миру, поэтому он активно используется в устройствах современных приборов.
Новые горизонты для желтого цвета
Желтый светодиод был изобретен вскоре после красного. Символично, что автором изобретения стал Джордж Крафорд ученик «отца светодиодов» Ника Холоньяка.
Произошло это в 70-х годах и сопровождалось постепенным внедрением новых приборов в жизнь человека. Первое применение было связано в основном с подсветкой. Желтым светились калькуляторы, таблички-указатели, телефоны, он активно использовался в светофорах. И сейчас такое применение светодиода существует, но помимо него открылись и другие горизонты.
Характеристики желтого светодиода
У всех светодиодов главными характеристиками являются длина волны и рабочее напряжение (или допустимая сила тока). Для прибора, излучающего желтый свет, эти величины соответственно составляют 570-590 нм и 2,1-2,18 Вольта.
Материалом для их производства служит арсенид-фосфид галлия и несколько других полупроводников.
Если отводить от желтого светодиода тепло и следить, чтобы через него проходил только допустимый стабильно-постоянный ток, то он сможет непрерывно работать более 9 лет. Идеальных условий не существует, поэтому со временем качество освещения снижается, и реальный срок службы становится немного меньше. Но если сравнивать со всеми другими существующими приборами освещения – это самый долгий срок эксплуатации.
Желтый светодиод может иметь разные оттенки. Встречается янтарный цвет(Amber), чистый (High Yellow) и тому подобное. Такое различие связано с особенностями выращивания полупроводниковых кристаллов и с особенностью конструкции колбы. Например, колба, окрашенная в ярко-желтый цвет, будет влиять на свет, доходящий до наших глаз.
Варианты применения
Наибольшее распространение желтый светодиод получил в осветительных приборах для автомобиля. Такие знаменитые производители, как Philips или OSRAM, используют его при изготовлении поворотных огней и занимаются разработками высокомощных образцов. Причем конкуренция на рынке автомобильных светодиодов довольно большая.
Широко применение нежного желтого светодиода в декоративных целях:
- выпускаются занавесы из лампочек, образующие красивый цветной дождь;
- гирляндами украшают деревья, фасады зданий, уличные скульптуры;
- светодиоды заменяют свечи, полностью имитируя их сияние;
- в прожекторах для создания клубного освещения при направлении на зеркальный шар;
- для освещения студий во время проведения фото или видео съемки.
С помощью света от желтых светодиодов создается праздничное настроение. Они потребляют очень мало электроэнергии, поэтому их спокойно используют на больших площадях.
Есть перспективы применения желтого света в медицине, поскольку считается, что он положительно влияет на остроту зрения, увеличивает скорость восприятия и способствует правильному функционированию лимфатической системы.
Яркий цвет виднеется издалека и привлекает повышенное внимание, поэтому его применяют при создании информационных табло, указательных табличек и светофоров.
Некоторые осветительные приборы конструируют таким образом, чтобы в них можно было комбинировать свет желтого светодиода с белым. Таким способом удается получить необходимую световую температуру освещения.
