Светодиод, который я использую, требует более высокого напряжения для освещения, чем я поставил, и в результате он не горит вообще.

Я бы ожидал, по крайней мере, тусклый свет, но свет не генерируется.

Почему это поведение «если нет требуемого уровня напряжения, нет света»? Что происходит внутри светодиода?

Светодиоды не работают как обычные (накаливания) лампочки.

Основные отличия (немного упрощенные для начинающих):

• Они имеют полярность, следовательно, они должны питаться от постоянного тока, соблюдая эту полярность. Поменяйте полярность, и они не будут работать. Вы также можете повредить их, если подаете более ~ 4 В-5 В в обратном направлении (это безопасные значения; точное максимально допустимое значение зависит от конкретного устройства).

• Излучение света начинается только в том случае, если достигается определенное напряжение (пороговое напряжение), при этом напряжении излучение незначительно. Поэтому, если у вас есть батарея, напряжение которой ниже порогового напряжения светодиода, вам не повезло, если вы не используете более сложную схему (например, джоульский вор или повышающий DC-DC преобразователь) для питания светодиода.

• После того, как пороговое напряжение достигнуто, любое очень небольшое увеличение напряжения заставляет светодиод сильно работать, то есть поглощать огромный ток . Следовательно, вам нужен последовательный резистор для ограничения этого тока до безопасного предела. На этом сайте есть другие вопросы / ответы, объясняющие, как рассчитать значение ограничивающего резистора.

• После проводимости интенсивность излучаемого света примерно пропорциональна току (не напряжению), который течет в диоде (таким образом, вы получаете более яркий светодиод, если уменьшаете значение ограничивающего резистора). Это до максимального предела тока светодиода. После того, как этот предел достигнут, устройство выходит из строя !

Вы также спрашиваете, почему все это происходит, но ответ довольно сложный, поскольку он зависит от физической структуры кристалла полупроводника внутри диода. Физическое объяснение лежит в квантовой механике и физике твердого тела, действительно сложных предметах.

Статья Википедии на светодиодах скребет только поверхность внутренней работы светодиодов и до сих пор является довольно сложным.

Я вижу, Лоренцо уже ответил на ваш вопрос напрямую (+1). Вот что вы можете сделать, чтобы зажечь свой светодиод и посмотреть, что у вас есть.

Светодиоды являются диодами, поэтому проводят только в одном направлении. В отличие от обычной лампочки, ориентация имеет значение. Если светодиод не горит в одну сторону, переверните его и попробуйте снова.

Чтобы безопасно поэкспериментировать с практически любым светодиодом, используйте источник питания 5 В с последовательным соединением не менее 180 Ом. Использование более высокого сопротивления работает, но будет светить светодиод тусклее. Даже при последовательном 1 кОм вы все равно сможете увидеть любой светодиод видимого света в помещении.

Причиной использования источника питания 5 В является ограничение обратного напряжения на светодиоде при обратном подключении. Большинство светодиодов могут выдерживать обратное напряжение не менее 5 В.

Светодиод видимого света будет падать минимум на 1,8 В. Это оставляет (5 В) - (1,8 В) = 3,2 В на резисторе. Практически любой светодиод может выдерживать прямой ток 20 мА. По закону Ома (3,2 В) / (20 мА) = 160 Ом. Я сказал минимум 180 Ом для небольшого запаса и потому что это обычное значение.

Прямое напряжение светодиода зависит от цвета. Например, обычные зеленые светодиоды падают примерно на 2,1 В. «Белые» светодиоды обычно представляют собой ультрафиолетовые светодиоды с люминофором, который излучает в видимом спектре. Те могут упасть около 3,5 В.

С резистором 200 Ом и светодиодом 3,5 В вы получите (1,5 В) / (200 Ом) = 7,5 мА. Такой светодиод все равно будет гореть довольно заметно, через него будет 7,5 мА, даже если бы он мог выдержать 20 мА или более.

Как только вы включите светодиод, вы можете измерить его прямое напряжение, а затем настроить резистор таким образом, чтобы максимальный ток соответствовал этому прямому напряжению. Предположим, что максимальная величина составляет 20 мА, если у вас нет таблицы данных, в которой указано иное.

Физика объяснение

Лампочки

Лампа накаливания на самом деле не столько источник света, сколько нагревательный элемент . Любой ток через провод немного нагревает его ; когда провод выше комнатной температуры, он излучает чистую энергию через излучение черного тела . Скорость, с которой эта энергия излучается, зависит от четвертой степени температуры , т. Е. Чем выше температура, тем ярче ^† . И чем больше тока (или то же самое ^‡ большего напряжения), тем выше температура проволоки.

Фундаментальный физический процесс, лежащий в основе излучения света черного тела, состоит в следующем: атомы в теплом куске материала сотрясаются от теплового движения. Это движение совершенно хаотично, поэтому, даже если средняя энергия на атом довольно мала, время от времени атом на поверхности будет отталкиваться от нескольких соседей и, таким образом, собирать достаточно энергии, чтобы он мог испускать видимый фотон (по крайней мере,$2.6\times10^{-19}$Джоулей). Но гораздо чаще у него будет достаточно энергии для излучения невидимого инфракрасного фотона.

светодиоды

Напротив, светодиоды накачивают атомы непосредственно к энергии, необходимой для излучения видимого света. Они делают это, ловко используя запрещенную зону полупроводника. Это квантово-механическая особенность таких кристаллов, как кремний, которая «запрещает» электронам иметь энергию в определенном диапазоне. Затем вы берете один кусок полупроводника, который был легирован так, что электроны проводимости находятся все выше запрещенной зоны, и один, где они все ниже ширины запрещенной зоны. Затем, когда ток протекает через соединение, каждый электрон теряет нужное количество энергии, чтобы возбудить атом, чтобы произвести фотон с правильной энергией, чтобы быть видимым - опять же, для красного света это примерно$2.6\ldots3.2\times10^{-19}$ Джоулей.

Только ... почему электроны продолжают идти через соединение? После того, как электрон пересечет соединение, он не будет склонен снова преодолевать запрещенную зону; это стоит энергии, которой нет у электрона. ... Если вы не отдадите ему энергию от внешнего источника: каждый вольт, который вы подаете на цепь, может снабжать электрон энергией$1.6\times10^{-19}\:\mathrm{J}$, количество, которое физики называют просто электрон-вольт . Поэтому, когда вы применяете напряжение$U$ к светодиоду, ширина запрещенной зоны которого имеет энергию $U\times1\:\mathrm{eV}$Можете следить за течением. Это напряжение на самом деле не зависит от того, какой ток фактически проходит через светодиод, поэтому яркость не может эффективно регулироваться путем подстройки напряжения - вместо этого вам нужно отрегулировать ток . И если напряжение упадет ниже ширины запрещенной зоны, ток просто полностью прекратится, потому что электроны проводимости просто больше не перейдут в n- легированную область.

^† _{Это слишком упрощенно: Стефан-Больцман описывает интенсивность, интегрированную по всему электромагнитному спектру. На самом деле видна только узкая полоса (поэтому лампа накаливания намного менее эффективна, чем светодиоды). Поскольку длина волны пиковой интенсивности также зависит от температуры , яркость фактически связана не только с$T^4$ но в более сложном отношении, но все же: более высокие температуры всегда соответствуют более яркому свету.}

^‡ _{Кроме того , закон Ома не совсем корректно , так как здесь сопротивление зависит от температуры. Но качественная зависимость более высокого напряжения ⇒ более высокая электрическая мощность остается в силе.}

Вы только что получили наглядный урок о том, как светодиоды нелинейны .

Лампы накаливания линейные, когда они светятся . Линейный означает, что он действует как резистор: потребление тока пропорционально напряжению: половина напряжения, половина тока, 1/4 мощности. Лампа накаливания сделает то, что вы ожидаете.

Светодиоды имеют очень крутой график зависимости напряжения от тока: небольшое изменение напряжения приводит к значительному изменению потребления тока. Вы находитесь за пределами этой таблицы, следовательно, нет света.

Крутая кривая делает светодиод очень скачкообразным, небольшие изменения напряжения приводят к большим (и разрушающим) изменениям тока. Хуже того, кривая меняется в зависимости от температуры, температуры и возраста. Таким образом, светодиоды рассчитаны на определенный ток, а не напряжение. Для индикаторов вы можете ограничить ток с помощью резисторов. Для освещения, где вам нужна максимальная производительность, лучше всего использовать активную схему возбуждения, чтобы регулировать ток по спецификации.

Такие схемы также пригодны для повышения или понижения напряжения питания в соответствии со светодиодом. Joule Thief - это простая схема, которая решает проблему управления светодиодным светильником с одной батареей 1,5 В.

Для чего это стоит, это еще хуже с третьим видом света, дуговым разрядным освещением: флуоресцентный, неоновый, металлогалогенный, пары ртути и натрий высокого / низкого давления. Они являются изоляторами вплоть до определенного напряжения, когда дуга зажигается ... После чего они почти до предела. Ограничение тока обязательно.

Немного истории о полупроводниках ...

Чистый кремний (или германий) является изолятором. Примеси добавляются для создания материала типа «P» или «N». Когда они находятся рядом друг с другом (в диодах или светодиодах PN), примеси эффективно нейтрализуют друг друга , оставляя вас с небольшим « чистым » слоем, который действует как изолятор.

Если вы неправильно подключите питание , слой будет становиться все толще и сильнее - вплоть до повреждения устройства. (Varicaps используют этот принцип для создания переменного конденсатора - толщина изоляции действует как расстояние между пластинами конденсатора)

Когда вы правильно подключите питание , слой будет становиться тоньше, пока устройство не пропустит ток. Когда это наконец произойдет, ваш светодиод начнет светиться.

И последнее замечание: светодиод можно зажечь только с источником 1,5 В: используйте схему повышения напряжения. Самая распространенная схема называется вором Джоуля .

Их падение напряжения (~ 2 В) выше, чем напряжение питания (1,5 В). Если напряжение питания ниже, чем падение напряжения, любой диод (включая светодиод) вообще не работает.

В дополнение к ответам здесь также стоит отметить, что каждый светодиод отличается (даже по цвету). Все они имеют немного отличающиеся напряжения активации и пределы разрушения.

Правильный способ быть уверенным в том, что вы не собираетесь взорвать свой светодиод, а также убедиться в том, что свет может ожидать, - это взглянуть на технические характеристики вашего светодиода.

Использование таблицы даст вам необходимый опыт в

1. Нахождение указанных таблиц
2. Читать и понимать их

Для начала, вот случайный для белого светодиода с верхней части Google; что, возможно, немного сложнее, чем у большинства светодиодов, потому что «белый» - это не цвет на земле светодиодов.

В них невероятное количество информации, и если вы их не понимаете, я бы посоветовал вам попробовать, а затем снова опубликовать вопрос с вопросом о конкретной части, которую вы не понимаете.