Zadajmy sobie więc następujące pytania :
- Czy kolor diody ma znaczenie pod względem elektrycznym ?
- Czy będą świecić tak samo jasno ?
- Jakie spadki napięcia na nich osiągniemy ?
- Czy rozgrzewają się tak samo jak pozostałe ?
- Które z nich możemy podłączyć bezpośrednio do Arduino ?
Zbudujmy sobie więc prosty układ elektroniczny do testowania diod w dostępnych kolorach na naszej płytce stykowej. Podłączmy szeregowo diody świecące różnego koloru z opornikami o jednakowej oporności. Napięcie zasilające taki dwójnik powinno być większe niż nominalne napięcie zasilające diodę LED. Na rezystorze odkłada się wówczas napięcie będące różnicą pomiędzy napięciem zasilającym i napięciem przewodzenia diody. Dobierając odpowiednią rezystancję rezystora ustalamy prąd płynący przez układ. Ja pod ręką miałem oporniki o rezystancji 220 Ω więc takie tu zastosujemy.
Diody świecące inaczej zwane diodami LED lub elektroluminescencyjnymi emitują światło widzialne podczas przepływu prądu przez ich złącze p-n. Z tego tez względu diody musimy odpowiednio spolaryzować czyli podłączyć odpowiednio "+" do anody a "-" do katody.
Jak rozróżnić gdzie anoda a gdzie katoda - to proste, producenci diod przyjęli oznaczać anodę dłuższą nóżką.
Płytka stykowa jest tak zbudowana aby równocześnie można było podłączać na niej elementy szeregowo i / lub równolegle. Na szerszych bokach posiada połączone na całej długości otwory oznaczona oznaczone jako "+" (linia czerwona) i "-" (linia niebieska) do której możemy podłączyć zasilanie.
Jeżeli zasilanie podłączymy do jednego z punktów to będzie występowało w każdym następnym punkcie oznaczonym danym kolorem, w przypadku mojej płytki jest to od rzędu 3 do 82. W ten sposób za pomocą dwóch przewodów możemy budować układy równolegle zasilane z jednego źródła napięcia.
Między liniami zasilania "+"i "-" istnieje oczywiście przerwa aby nie występowało zwarcie. Taka sama przerwa występuje między liniami zasilania a wierszami otworów oznaczanymi przez litery a-j. Tu istnieje jednak zupełnie inna zależność - połączone ze sobą otwory są rzędowo tzn. otwory a-e oraz f-j są ze sobą zwarte poziomo. Nie ma wiec większego znaczenia czy podłączymy coś do pinu "a" czy "c" - oba punkty są ze sobą połączone pod względem elektrycznym.
Między punktami "e" i "f" jest znów przerwa tak aby była możliwość podłączenia innego elementu elektronicznego w szereg z poprzednim.
Przerwy to nic innego jak obwód otwarty dla prądu - aby na płytce zaczął płynąć prąd przerwy te musimy zastąpić elementami elektroniki bądź połączyć je za pomocą dostępnych przewodów typu męskiego (bolec-bolec). Konstrukcja płytki pozwala wiec bez problemu podłączać do trzech elementów elektronicznych w szereg jednego tylko rzędu. Jeżeli elementów jest miej to proponuję przerwy zwierać zworami z męskich przewodów lub tak wkładać nasze elementy aby mostkować przerwy na płytce :
Przykład podłączenia równoległego układu pięciu diod świecących.
Jak to działa ?
Do dolnego "+" podłączony jest "+" zasilacza, przerwa pierwsza między linią "+" a punktami "a" zmostkowana jest diodami, przerwa między punktami "e" i "f" oraz między "j" a "-" zmostkowana jest opornikami.
Prąd płynie wiec od "+" przez diodę, poprzez punkt "a" do "e", następnie poprzez opornik do linii "-" która podłączona jest do "-" zasilacza. Obwód zostaje wiec zamknięty i diody zaczynają świecić.
Po zasileniu układu napięciem stałym zacząłem obserwować jak zmienia się natężenie światła poszczególnych diod przy zmianie napięcia od 2,6 V do 8,6 V.
Tylko dwie z nich (niebieska i biała) silnie reagowały intensywnością świecenia przy zmianie napięcia, u pozostałych natężenie światła zmieniało się nieznacznie.
Sprawdźmy wiec jak rozkładało się napięcie na poszczególnych diodach i odpowiadającym im opornikom:
Niebieska | Zielona | Czerwona | Biała | Żółta | ||||||
Zasilanie | Dioda N | Opornik N | Dioda Z | Opornik Z | Dioda C | Opornik C | Dioda B | Opornik B | Dioda Ż | Opornik Ż |
2,60 | 2,57 | 0,04 | 1,96 | 0,60 | 1,89 | 0,67 | 2,57 | 0,01 | 1,94 | 0,62 |
4,00 | 2,85 | 1,28 | 2,02 | 2,02 | 1,98 | 2,05 | 2,82 | 1,20 | 2,00 | 2,04 |
5,50 | 2,96 | 2,51 | 2,03 | 3,45 | 2,02 | 3,46 | 2,93 | 2,55 | 2,02 | 3,45 |
6,90 | 3,03 | 3,80 | 2,04 | 4,78 | 2,03 | 4,78 | 3,01 | 3,80 | 2,03 | 4,78 |
8,60 | 3,09 | 5,45 | 2,04 | 6,50 | 2,04 | 6,50 | 3,10 | 5,44 | 2,03 | 6,5 |
Z powyższych wyników możemy przygotować wykres aby łatwiej analizować otrzymane dane :
Rozkład punktów na wykresie pokazuje, że mamy do czynienia z dwoma rodzajami diod świecących.
Diody niebieska i biała silniej reagowały na wzrost napięcia zasilania niż pozostałe trzy. Napięcie na tychże diodach wzrosło z 2,5 V do 3,10 V a przyrost napięcia wyniósł 0,6 V w badanym zakresie napięcia zasilania. Z wykresu możemy wnioskować, że przyrost napięcia na diodzie nadal by rósł przy wyższym napięciu zasilania.
Na pozostałych trzech diodach (zielona, czerwona, żółta) napięcie wzrosło z 1,89 V do 2,04 V czyli przyrost napięcia wyniósł jedynie 0,15 V. Napięcie na diodach ustabilizowało się przy ok. 2 V i wykres wskazuje, że przyrost napięcia zasilania nie spowodowałby wzrost napięcia na diodach świecących.
Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego, w naszym przypadku można podejrzewać więc, że mamy do czynienia z różnymi materiałami.
Diody LED są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego, np. arsenek galu, fosforek galu, arsenofosforek galu i inne).
Barwa diod czerwona, zielona i żółta odpowiada materiałowi o nazwie fosforek galu, biała i niebieska barwa odpowiada materiałowi azotek galu.
Pokrywa się to z naszymi badaniami - jednakowe właściwości i podobne napięcia otrzymaliśmy w dwóch grupach diod :
- biała i niebieska gdzie złącze półprzewodnikowe pn jest wykonane z azotku galu, diody te święcą mocniej przy niższym napięciu i niższym prądzie przewodzenia;
- czerwona, zielona i żółta gdzie złącze pn jest z fosforku galu, diody te charakteryzują się stałym spadkiem napięcia na diodzie wynoszącym ok 2 V, nadmiar napięcia zasilania zamieniana jest przez opornik na ciepło odpadowe.