Czy kolor diody ma znaczenie ?

Z zestawem Arduino zakupiłem garść diod świecących 3 mm różnego koloru. Zawsze podobało mi się ich światło. Mamy więc okazję przyjrzeć się im nieco bliżej i troszkę je potestować.

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.

Jak to zrobić na płytce stykowej dostarczonej z Arduino :

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.