Аналіз світлодіодів та повний розрахунок трансформатора живлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Метою виконання даної курсової роботи є виконання двох основних задач:

Провести технічний огляд по темі світлодіоди.

Виконати повний розрахунок трансформатора живлення.

Огляд світлодіодів полягає у розгляді наступних питань: основні терміни та визначення, класифікація, умовні графічні позначення, система маркування, принцип дії, основні параметри та характеристики, еквівалентна схема, типові схеми включення, конструкції, типові промислові вироби.

Виконання розрахунку трансформатора живлення передбачає розрахунок всіх електричних та габаритних параметрів, необхідних для виготовлення трансформатора.

Кінцевим результатом курсової роботи є проведений аналіз світлодіодів та повний розрахунок трансформатора живлення:

- сумісна порівняльна таблиця технічних параметрів розрахованого компонента та альтернативного серійного промислового компонента;

- пояснення причин та вагомостей розбіжностей, що виникли у результаті розрахунку;

- ескіз отриманого компонента (з розташуванням обмоток).

1. Світлодіоди

1.1 Основні терміни та визначення

світлодіод маркування трансформатор обмотка

Світлодіод -- напівпровідниковий пристрій, випромінюючий некогерентне світло при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежать від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати на довжині хвилі від інфрачервоної до близького ультрафіолету, та навіть існують методи поширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру рівномірно на всіх напрямках класичні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіод був розвинений до лазерних діодів, які працюють на тому ж принципі, але дозволяють направлене випромінювання когерентного світла. [1]

Сучасні напрямки розвитку включають розробку органічних світлодіодів, які повинні дозволити виробництво дешевих та екологічно безпечних пристроїв, використання квантових точок, які дозволяють отримувати біле світло, та просування далі у короткохвилеву область.

Квантовий вихід -- це число квантів світла, що випромінюють, на одну електронно-діркову пару, що рекомбінувала. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній -- в самому p-n-переході, зовнішній -- для приладу в цілому (адже світло може втрачатися «по дорозі» -- поглинатися, розсіватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів з хорошим тепло-отводом досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а для синіх -- 35%.

Зовнішній квантовий вихід -- одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють в тілесному вугіллі від 4 до 140 градусів. Колір, як завжди, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання.

Кажучи про температуру світлодіода, необхідно розрізняти температуру на поверхні кристала і в області p-n-перехода. Від першої залежить термін служби, від другий -- світловий вихід. В цілому з підвищенням температури p-n-перехода яскравість світлодіода падає, тому що зменшується внутрішній квантовий вихід із-за впливу коливань кристалічної решітки. Тому такий важливий хороший тепловідвід.

Падіння яскравості з підвищенням температури не однаково у світлодіодів різних квітів. Воно більше у AlGalnP- і AeGaAs-светодиодов, тобто у червоних і жовтих, і менше у InGaN, тобто у зелених, синіх і білих.[5]

Хоча найбільш важливою характеристикою світлодіода є світлова віддача по потужності, для спеціальних застосувань потрібні докладніші відомості про спектральні характеристики випромінюваного світла. Окрім контрасту яскравості, велике значення має і колірний контраст.

Перенесення кольорів. Залежно від місця установки лампи і виконуваного ними завдання штучне світло повинне забезпечувати можливість найбільш кращого сприйняття кольору (як при природному денному світлі). Дана можливість визначається характеристиками перенесення кольорів джерела світла, які виражаються за допомогою різних ступенів “загального коефіцієнта перенесення” кольорів Ra. Коефіцієнт перенесення кольорів відображає рівень відповідності природного кольору тіла з видимим кольором цього тіла при освітленні його еталонним джерелом світла. Для визначення значення Ra фіксується зрушення кольору за допомогою 8 вказаних в DIN 6169 стандартних еталонних квітів, який спостерігається при напрямі світла тестованого або еталонного джерела світла на ці еталонні кольори. Чим менше відхилення кольору випромінюваного тестованою лампою світла від еталонних квітів, тим краще характеристики перенесення кольорів цієї лампи. Джерело світла з показником перенесення кольорів Ra = 100 випромінює світло, що оптимально відображає всі кольори, як світло еталонного джерела світла. Чим нижче значення Ra, тим гірше передаються кольори освітлюваного об'єкту.

Світлова віддача h.Одиниця вимірювання: люмен на Ват [лм/Вт].

Світлова віддача h показує, з якою економічністю споживана електрична потужність перетвориться в світло. [1]

1.2 Класифікація світлодіодів

В першу чергу світлодіоди поділяються на:

світлодіоди з випромінюванням в видимі частині спектру;

світлодіоди з випромінюванням в інфрачервоні частині спектру

Розглянемо класифікацію світлодіодів. Вона здійснюється за наступною схемою:

за властивостями випромінюванього світла:

а) індикаторні;

стандартної яскравості

надяскраві

слаботочні

б) лазерні;

в) інфрачервоні;

за кількістю сегментів:

а) односигментні:

б) багатосигментні:

цифрові

матричні

модулі світлодіодної підсвітки

за кількістю кольорів:

а) монохромні;

б) двохкольорові;

в) повнокольорові;

за способом монтажу:

а) поверхневий SMD-монтаж;

б) вивідний монтаж.

Взаємо повязаність кваліфікаційних ознак зображено на Рисунку 1.1

Рисунок 1.1 Класифікація світлодіодів.

Світлодіоди з інфрачервоним спектром випромінювання характеризуються високою потужністю випромінювання, підтримкою автоматизованого монтажу і високою надійністю. Типовими областями їх застосування є оптичні контрольно-вимірювальні прилади і пристрої дистанційного керування на ІЧ-ПРОМЕНЯХ побутового і офісного устаткування [10] Ще світлодіоди класифікують за яскравістю випромінення:

«Звичайні» світлодіоди - LED (так також називають взагалі всі світлодіоди, не плутайте), застосовуються для індикації в умовах слабкої освітленості, корпус «5мм».

«Яскраві» світлодіоди - Bright LED, застосовуються для індикації в умовах слабкої і середньої освітленості, основний корпус «5 мм».

«Понад яскраві» світлодіоди - Super Bright LED, найбільш широко вживані зараз світлодіоди, існують у великій різноманітності корпусів.

Останнім часом набирає популярність класифікація по потребуючі потужності, користуючись нею необхідно враховувати, що те, скільки світлодіод споживає потужнусті зовсім не показує, ЯК він світить:

«Малопотужні» світлодіоди - до цього класу відносять всі світлодіоди за умови споживання до 150 мВт.

«Середній потужності» - це вже тільки понад яскраві світлодіоди з попередньої класифікації, потребуюча потужність, як правило, в районі 0,5.0,6 Вт (менше немає сенсу, більше важко відвести від кристала в маленькому корпусі).

«Могутні» світлодіоди - Power LED, застосовуються для декоративного підсвічування, в 2008 р з'явилися нові могутні світлодіоди, цілком застосовні для освітлення корпус залежить від виробника, потребуюча потужність потужність 1.5 Вт.[6]

1.3 Умовні графічні позначення

На Рисунку 1.2 зображено вигляд світлодіода в житті, а також вказані електроди.

Рисунок 1.2 Вигляд світлодіода

Для позначення світлодіода на схема використовують символьне позначення VD і умовне графічне зображення що показане на Рисунку 1.3.2



а) б)

Рисунок 1.2 Умовне графічне зображення світлодіодів

Взагалі то традиційним умовним зображенням світлодіода важається зображення а, яке показане на Рисунку 1.3.2, але досить часто зустрічається і варіант б.[12]

1.4 Система маркування світлодіодів

Вітчизняна система маркування світлодіодів:

Починаючи з 1973г. Напівпровідниковим діодам, привласнюються позначення відповідно до ГОСТ 10862-72. Позначення складаються з чотирьох елементів.

Перший елемент - буква або цифра - позначає матеріал:

1 або Г - германій або його з'єднання

2 або До - кремній або його з'єднання

3 або А - арсенід галію або інші з'єднання галію.

Другий елемент - буква - вказуюча підклас приладу:

Д - діоди

Ц - випрямні стовпи і блоки

А - надвисокочастотні діоди

У - варикапы

І - діоди тунельні і обернені

З - стабілітрони і стабістори

Л - випромінювачі.

Третій елемент - число - вказуюче призначення і якісні властивості приладу, а також порядковий номер розробки.

Випромінювачі:

від 101 до 199 - інфрачервоного випромінювання

від 301 до 399 - видимого випромінювання з яскравістю менше 500 кд/м2

від 401 до 499 - видимого випромінювання з яскравістю більше 500 кд/м2

Система позначень сучасних напівпровідникових діодів малої потужності встановлена галузевим стандартом Ост11336.919-81. Позначення складаються з п'яти елементів.

Перший елемент позначення напівпровідникових приладів - буква або цифра - визначає початковий напівпровідниковий матеріал з якого виготовлений прилад:

1 або Г - германій або з'єднання германію

2 або До - кремній або з'єднання кремнію

3 або А - з'єднання галію

4 або І - з'єднання индия.

Другий елемент позначення - буква - що позначає підклас (або групу) приладів:

Д - діоди випрямні, імпульсні, діодні перетворювачі (магнитодиоды, термодиоды і ін.)

Ц - випрямні стовпи і блоки

У - варикапы

І - діоди тунельні і обернені

А - діоди надвисокочастотні

Ж - стабілізатори струму

З - стабілізатори напруги (стабілітрони, стабістори, обмежувачі напруги)

Г - генератори шуму

Л - випромінюючі оптоелектронні прилади

Про - оптопари

Н - діодні тиристори

У - тріодні тиристори.

Третій елемент позначення - цифра - що визначає призначення або принцип дії приладу.

Для світлодіодів:

1 - випромінюючі діоди інфрачервоного випромінювання

2 - випромінюючі модулі інфрачервоного випромінювання

3 - светоизлучающие діоди візуального представлення інформації

4 - знакові індикатори

5 - знакові табло

6 - шкали

7 - екрани.

Четвертий елемент позначення - двозначні числа від 01 до 99 - указують порядковий номер розробки. Допускається використання тризначних чисел від 101 до 999 за умови що порядковий номер розробки перевищує число 99.

П'ятий елемент позначення - буква - що умовно визначає класифікацію (розбраковувану по параметрах) приладів, виготовлених за єдиною технологією. Як класифікаційна літера застосовуються букви російського алфавіту (за винятком З, П, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).

Як додаткові елементи позначення використовується наступні символи:

Цифри 1...9 для позначення модифікацій приладу, що приводять до зміни його конструкції або електричних параметрів.

Система маркування JEDEC (США) напівпровідникових приладів :

Перший елемент

означає число PN - переходів: 1 - діод; 2 - транзистор; 3 -тиристор

Другий елемент

буква "N" і "Р" (типономінал).

Третій елемент

цифри (серійний номер).

Четвертий елемент

буква, вказуюча на можливі зміни параметрів (характеристик) приладу в межах одного типономінала по EIA. Якщо корпус світлодіода або іншого напівпровідникового приладу малий, то в скороченій маркіровці перша цифра і буква "N" - не ставляться. [2]

Колірна маркіровка напівпровідникових діодів за системою JEDEC:

числове значення	буквене значення	колір смуги	числове значення	буквене значення	Колір смуги
0	-	чорний	5	Е	зелений
1	А	коричневий	6	F	синій
2	У	червоний	7	G	фіолетовий
3	З	оранжевий	8	H	сірий
4	D	жовтий	9	I	білий

У колірній маркіровці напівпровідникових діодів перша цифра (одиниця) і буква "N" опускаються. Номери з двох цифр (1N66...) - позначаються однією чорною смугою і двома кольоровими, якщо в позначенні використовується буква, то вона указується четвертою смугою.

Номери з трьох цифр (1N237...) - позначаються трьома кольоровими смугами, четверта смуга указує букву.

Номери з чотирьох цифр (1N1420...) - обозначаются чотирма кольоровими смугами і п'ятою чорною, якщо потрібно позначити букву, то її позначають п'ятою кольоровою смугою. Кольорові смуги знаходяться ближче до катода або перша від катода - широка, тип діода читається від катода. [4]

Європейська система маркування PRO ELECTRON напівпровідникових приладів:

Перший елемент

означає початковий матеріал (А - германій; У - кремній; З - арсенід гапия; D -антимонид индия; R - сульфіт кадмію).

Другий елемент

визначає підклас приладу (А - малопотужний діод; У - варікап; З - малопотужний НЧ транзистор; D - могутній НЧ транзистор; Е - тунельний діод; F - малопотужний ВЧ транзистор; G - декілька приладів в одному корпусі; Н - магнітодіод; L - могутній ВЧ транзистор; М - датчик Холу; Р - фотодиод.фототранзистор; Q - світлодіод; R - малопотужний регулюючий або перемикальний прилад; S - малопотужний перемикальний транзистор; Т - могутній регулюючий або перемикальний транзистор; U - могутній перемикальний транзистор; Х - умножительный діод; Y - могутній випрямний діод; Z - стабілітрон).

Тртій елемент

цифри і букви: 100...999 - прилади широкого застосування, Z10...A99 - прилади для промислової і спеціальної апаратури.

Четвертий і п'ятий елементи

букви і цифри, що позначають, - для стабілітронів - допустима зміна номінальної напруги стабілізації (буква) і напруга стабілізації, В (цифра): А = 1 %; В = 2%; С = 5%; D = 10%; Е = 15%

Колірна маркіровка напівпровідникових діодів по європейській системі PRO ELECTRON:

колір смуги	значення кольорових смуг
	перша широка смуга	друга широка смуга	третя і четверта вузькі смуги
чорний	АА	Х	0
коричневий			1
червоний	ВА	S	2
оранжевий			3
жовтий		Т	4
зелений		V	5
синій		W	6
фіолетовий			7
сірий		Y	8
білий		Z	9

Також, як і в американській системі тип діода читається від катода. Кольорові смуги знаходяться ближчим до катода або перша від катода - широка.

Маркеровка напівпровідникових приладів по японські системі СИСТЕМІ JIS-C-7012

У Японії широко використовується промисловий стандарт JIS асоціацій Electronic Industries of Japan, який є комбінацією між системами позначень JEDEC і Pro-Electron.

Умовне позначення складається з п'яти елементів:

Перший елемент

цифра, позначає вид (клас) н/п приладу: 0 - фотодіод, фототранзистор; 1 - діод; 2 - транзистор; 3 - тиристор.

Другий елемент

буква "S" означає "Semiconductor" (“Напівпровідник”).

Третій елемент

буква, що позначає тип приладу: А - високочастотний транзистор з PNP переходом; У - низькочастотний транзистор з NPN переходом; З - високочастотний транзистор з NPN переходом; D - низькочастотний транзистор з PNP переходом; Е - діод Есаки (чотиришаровий діод із структурою PNPN); F - тиристор; G - діод Ганна (чотиришаровий діод із структурою NPNP); Н - одноперехідний (не инжектированный) транзистор; 1 - польовий транзистор з Р-каналом; К - польовий транзистор з N-каналом; М - симетричний тиристор (семістор); Q - світлодіод; R - випрямний діод; S - слабкострумовий діод; Т - лавинний діод; V - варікап; Z - стабілітрон.

Четвертий елемент

позначає реєстраційний номер, починаючи з числа 11...

П'ятий елемент

буква (може бути відсутнім), позначає різні додаткові модифікації - "А" або "В"

Шостий елемент

додатковий індекс "N", "М" або "S", що показує відношення до вимог спеціальних стандартів. У фотоприладів третій елемент маркіровки відсутній.[2]

1.5 Принцип дії світлодіода

Перш за все, світлодіод - це напівпровідниковий прилад, тобто по суті справи це p-n-перехід. Р-n-переход - представляє сполучені разом два шматки напівпровідника з різними типами провідності (один з надміром електронів - "n-тип", другий з надміром дірок, - "p-тип"). Якщо до p-nпереходу прикласти "прямий зсув", тобто під'єднати джерело електричного струму плюсом до p-части, то через нього потече струм. Сучасні технології дозволяють створювати інтегральні схеми, що містять величезну кількість p-n переходів на одному кристалі; так, в процесорі PENTIUM-IV їх кількість вимірюється десятками мільйонів.

Нас цікавить те, що відбувається після того, як через прямо зміщений p-n перехід пішов струм, а саме момент рекомбінації носіїв електричного заряду - електронів і дірок, коли носії зарядів ,що мають негативний заряд, електрони "знаходять притулок" в позитивно заряджених іонах кристалічної решітки напівпровідника. Така рекомбінація випромінювальна, при цьому у момент зустрічі електрона і дірки виділяється енергія у вигляді випромінювання кванта світла - фотона. У разі безвипромінювальної рекомбінації енергія витрачається на нагрів речовини. У природі існує як мінімум 5 видів випромінювальної рекомбінації носіїв зарядів, зокрема так звана прямозонная рекомбінація. Вперше це явище в далекі 20-і роки досліджував О. В. Лосев, що спостерігав свічення кристалів карборунда (карбід кремнію SIC). Для більшості напівпровідникових діодів це явище - просто "побічний ефект", що не має практичного сенсу. Для світлодіодів же випромінювальна рекомбінація - фізична основа їх роботи.

Але не всякий p-n-переход випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, вірогідність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар повинна бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, із-за яких рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови в тому або іншому ступені противоречат один одному. Реально, щоб дотримати обидві умови, одного p-n переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетероструктури.

Колір світлодіода залежить виключно від ширини забороненої зони, в якій рекомбінують електрони і дірки, тобто від матеріалу напівпровідника, і від легуючих домішок. Чим «синіше» світлодіод, тим вище енергія квантів, а значить, тим більше повинна бути ширина забороненої зони.[13]

Залежності струму від напруги при прямому (синя крива) і зворотному (червона крива) включеннях показані на Рисунку 1.3. Не важко визначити, що кожному значенню напруги відповідає своя величина струму, що протікає через діод. Чим вище напруга, тим вище значення струму (і тим вище яскравість). Для кожного світлодіода існують допустимі значення напруги живлення Umax і Umaxзв (відповідно для прямого і зворотного включень). При подачі напруги зверху цих значень наступає електричний пробій, в результаті якого світлодіод виходить з ладу. Існує і мінімальне значення напруги живлення Umin, при якому спостерігається свічення світлодіода. Діапазон живлячої напруги між Umin і Umax називається «робочою» зоною, оскільки саме тут забезпечується робота світлодіода.



Рисунок 1.3 ВАХ світлодіода

Вдосконалення світлодіодів проходило по двох напрямах - збільшення зовнішнього квантового виходу і розширення спектру випромінювання. Великий внесок в цю роботу радянських учених, зокрема Ж. І. Алферова із співробітниками, ще в 70-і роки тих, що розробили так звані багатопрохідні подвійні гетероструктури, що дозволили значно збільшити зовнішній квантовий вихід за рахунок обмеження активної області рекомбінації. Використовувалися гетероструктури на основі арсенидов галію-алюмінію, при цьому був досягнутий зовнішній квантовий вихід до 15 для червоної частини спектру (світлова віддача до 10 Лм/вт) і більше 30% - для інфрачервоної. Показовий факт присудження Жоресу Івановичеві Алферову Нобелівській премії в 2000 році, коли стали очевидними важливість і величезне значення його робіт для розвитку науки і техніки.[3]

Кристал світлодіода - практично точкове джерело світла, тому корпус може бути дуже мініатюрним. Конструкція корпусу світлодіода повинна забезпечити мінімальні втрати випромінювання при виході в зовнішнє середовище і фокусування світла під заданим кутом. Крім того, повинне бути забезпечений ефективне відведення тепла від кристала. Найпоширеніша конструкція світлодіода - традиційний 5миллиметровый корпус . Звичайно, це не єдиний варіант “упаковки” кристала. Наприклад, для радяскравих світлодіодів, розрахованих на великі струми, потрібний масивний тепловідвід.

Відсутність нитки розжарення завдяки нетепловій природі випромінювання світлодіодів обумовлює фантастичний термін служби. Виробники світлодіодів декларують термін служби до 100 тисяч годинників, або 11 років безперервної роботи, - термін, порівнянний з життєвим циклом багатьох освітлювальних установок. Відсутність скляної колби визначає дуже високу механічну міцність і надійність.

Світлодіод повинен живитися від джерела стабілізованого струму; типове значення струму - 20 мА, робочий діапазон 100-40 мА. Тому для живлення світлодіода від батареї необхідний резистор, що гасить . Знаючи характеристики світлодіода і напругу батареї, за допомогою закону Ома можна легко підрахувати, який опір повинен мати резистор, що гасить.[7]

1.6 Основні параметри та характеристики світлодіодів

У світлодіоді, на відміну від лампи розжарювання або люмінесцентної лампи, електричний струм перетвориться безпосередньо в світлове випромінювання, і теоретично це можна зробити майже без втрат.

Дійсно, світлодіод (при належному тепловідводі) мало нагрівається, що робить його незамінним для деяких застосувань. Далі, світлодіод випромінює у вузькій частині спектру, його колір чистий, що особливо цінують дизайнери, а УФ- і ІЧ-випромінення, як правило, відсутні. Світлодіод механічно готується і виключно надійний, його термін служби може досягати 100 тисяч годин, що майже в 100 разів більше, ніж у лампочки розжарювання, і в 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод - низьковольтний електроприлад, а отже, безпечний.

Основні характеристики світлодіода:

Спектральна характеристика - залежність потужності оптичного випромінення віддовжини хвилі (Рисунок 1.4)



Рисунок 1.4 Залежність потужності оптичного випромінення від довжини хвилі

Оскільки світлодіоди випромінюють не на одній довжині хвилі, а в деякій спектральній смузі, необхідно визначити головний максимум випромінювання (найбільш видимий). Якщо побічний максимум потрапляє в інфрачервону область спектру, то це призводить лише до зниження ККД; колір випромінюваного світла залишається незмінним. Якщо ж побічний максимум потрапляє у видиму частину спектру, то може відбутися значна зміна колірній тональності.

Діаграма направленості світлового випромінювання - залежність потужності оптичного випромінення від кута (Рисунок 1.5)

Рисунок 1.5 Залежність оптичної потужності від кута

Основні параметри світлодіода:

Яскравість світіння L [кд/м²] - це сила світла, витікаючого з одиниці площі джерела. Одиниця її вимірювання -- кандела на квадратний метр (кд/м²). Чим більше струм, тим більше електронів і дірок поступають в зону рекомбінації в одиницю часу, тим яскравіше світитися світлодіод. Але струм не можна збільшувати до безкінечності. Із-за внутрішнього опору напівпровідника і p-n переходу діод перегріється і вийде з ладу. Яскравість світлодіодів дуже добре піддається регулюванню, але не за рахунок зниження напруги живлення -- цього-то якраз робити не можна, -- а так званим методом широко-імпульсної модуляції (ШІМ), для чого необхідний спеціальний блок, що керує (реально він може бути суміщений з блоком живлення і конвертором, а також з контроллером управління кольором RGB-матрицы). Метод ШІМ полягає в тому, що на світлодіод подається не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна складати сотні або тисячі герц, а ширина імпульсів і пауз між ними може змінюватися. Середня яскравість світлодіода стає керованою, в той же час світлодіод не гасне. Невелика зміна колірної температури світлодіода при домінувані незрівняно з аналогічним зсувом для ламп розжарювання.

Пряма напруга (1...6 В). Світлодіод "горітиме" тільки при прямому включенні, як показано на Рисунку 1.6. При зворотному включенні світлодіод "горіти" не буде. Більш того, можливий вихід з ладу світлодіода при малих допустимих значеннях зворотної напруги. Залежності струму від напруги при прямому і зворотному включеннях показані на наступному рисунку. Не важко визначити, що кожному значенню напруги відповідає своя величина струму, що протікає через діод. Чим вище напруга, тим вище значення струму (і тим вище яскравість). Для кожного світлодіода існують допустиме значення напруги живлення Umax (для прямого). При подачі напруги зверху цього значення наступає електричний пробій, в результаті якого світлодіод виходить з ладу. Існує і мінімальне значення напруги живлення Umin, при якому спостерігається свічення світлодіода. Діапазон живлячої напруги між Umin і Umax називається "робочою" зоною, оскільки саме тут забезпечується робота світлодіода.



Рисунок 1.6 Гілка ВАХ при прямому включені світлодіода

Максимально допустима зворотня напруга - це гранично допустима зворотня напруга при якій світлодіод ще залишається в робочому стані і після перевищення якої відбувається електричний пробій (рисунок 1.7, діод виходить з ладу (згорає). При подачі зворотньої напруги світлодіод “світитися” не буде.

Рисунок 1.7 АХ при зворотньому включені світлодіода

Температура. Кажучи про температуру світлодіода, необхідно розрізняти температуру на поверхні кристала і в області p-n-перехода. Від першої залежить термін служби, від другий -- світловий вихід. В цілому з підвищенням температури p-n-перехода яскравість світлодіода падає, тому що зменшується внутрішній квантовий вихід із-за впливу коливань кристалічної решітки. Тому такий важливий хороший тепловідвід. Падіння яскравості з підвищенням температури не однакове у світлодіодів різних кольорів. Воно більше у AlGalnP- і AeGaAs-світлодіодів, тобто у червоних і жовтих, і менше у InGaN, тобто у зелених, синіх і білих.[5]

1.7 Еквівалентні схеми світлодіода

Розглянемо на Рисунку 1.8 еквівалентну схему світлодіода

Рисунок 1.8 еквівалентна схема світлодіода

Джерело струму моделює ВАХ і описується рівнянням , -опір матеріалу напівпровідника (бази), а ємність є сумою бар'єрної і дифузійний складових

де - величина бар'єрної ємності при ; - висота потенційного бар'єра; - параметр; - час життя неосновних носіїв.[1]

1.8 Типові схеми включення світлодіода

Щоб світлодіод нормально працював він повинен мати резистор послідовно підключений у колі для обмеження струму, проходящого через нього, а то він практично митєво згорить. Резистор визначається по формулі: R = (V_S - V_L) / I . Схема підключення світлодіода в коло показана на Рисунку 1.9.Уникайте паралельного включення світлодіодів, але якщо підключаєте кілька діодів паралельно то кожен повинен мати свій резистор.

Рисунок 1.9 Включення світлодіода

Розглянемо послідовне ключення 3 світлодіодів (Рисунок 1.10)

Рисунок 1.10 Послідовне включення світлодіодів

Тепер розглянемо послідовне включення світлодіодів (Рисунок 1.11)

Рисунок 1.11 Послідовне включення світлодіода

На Рисунку 1.12 подана схема ждучого мультивібратора на логічних елементах з МСД [7]

Рисунок 1.12 Ждучий мультивібратор

1.9 Конструкції світлодіодів

В цьому розділі ми розглянемо конструкцію світлодіода. На Рисунку 1.13 зображено структуру світлодіода.

Рисунок 1.13 Структура світлодіода

Основу світлодіода (Light Emitting Diode, або LED) складає штучний напівпровідниковий кристал розміром 0,3 0,3 мм, в якому реалізований p-n-перехі. Колір свічення залежить від матеріалу кристала. Так, червоні і жовті світлодіоди, як правило, виготовляють на основі арсеніду галію, зелені і сині - на галлий-нитридной основі. Посилення свічення добиваються різними способами. У одних випадках до складу кристала вводять спеціальні добавки і присадки, в інших - застосовують багатошарові структури, що дозволяє реалізувати в одному кристалі відразу декілька р-n-переходов, збільшивши тим самим яскравість його свічення.

Кристал "садять" в металеву поліровану чашку (мідну або алюмінієву), яка є відбивачем і "катодом" (-). До самого кристала "приварюють" золоті нить-"анод" (+). Потім всю конструкцію заливають прозорим компаундом, якому надають певну форму (назвемо це колбою). Від неї залежить кут випромінювання світла, що випускається кристалом. Якщо верх колби плоский, світло виходить широким пучком (кут складає 120-130°). Якщо верх опуклий, виходить лінза, що збирає світло у вужчий пучок (кут 8-60°). Чим менше кут випромінювання, тим більше інтенсивний світловий потік дає кристал. Випускаються світлодіоди різних кольорів: червоного, жовтого, зеленого, синього, синьо-зеленого і білого, причому білий з недавніх пір буває декількох відтінків (холодного, теплого, "сонячного" і т. д.). [10]

1.10 Типові промислові вироби

Як приклад типового промислового приладу візьмемо світлодіод АЛ316.

Світлодіод АЛ316 (А,Б) - світлодіод старої маркеровки, виготовляється в пласмасовому корпусі з лінзою. Колір випромінення - червоний. Маркерується кольоровою полоскою на негативномувиводі: АЛ316А - червоний, АЛ316Б - синій. Загальний вигляд і полярність виводів зображено на Рисунку 1.14 [13]



Рисунок 1.14 Загальний вигляд світлодіода АЛ316 (А,Б)

Розглянемо продукт сучасного підприємства Ningbo G-nor Electronics: GNL-10003ET - тип: круглий Ш10 мм, колір випромінення: помаранчевий, лінза: червона, прозора, довжина хвилі: 635 нм, сила світла: 25...60 мкд, пряма напруга: 2.0В, кут огляду: 40. Вигляд світлодіода подано на Рисунку 1.15[2]

Рисунок 1.15 Зображення світлодіода GNL-10003ET

2. Розрахунок трансформатора живлення

Розрахункові дані:

- напруга живлення U_1-2 = 220 (В);

- частота мережі f=50 (Гц);

- напруги вторинних об-моток:

U_11-12 = 20 (В), U_17-18 = 20 (В), U_13-14 = 20 (В), U_19-20 = 20 (В),

U_15-16 = 4 (В), U_21-22 = 4 (В);

- максимальний струм вторинної обмотки

Приймемо U_1-2 = U₁; U_11-12 = U₂; U_17-18 = U₃; U_13-14 = U₄;

U_19-20 = U₅; U_15-16 = U₆; U_21-22 = U₇.

На Рисунку 2.1 зображено схему трасформатора [14]

Рисунок 2.1. Схема трансформатора

2.1 Вибір магнітопроводу трансформатора

Визначаємо сумарну потужність вторинних обмоток для трансформатора:

, (2.1)

де - максимально-допустима сумарна потужність.



З таблиць значень типових промислових магнітопроводів вибираємо найближчий по потужності магнітопровід типу ШЛ20х16 з орієнтовною потужністю магнітного осердя 26 Вт. Його параметри: маса магнітопровода m_c=0,295 кг, середня довжина магнітної силової лінії l_с=13,16 см, активна проща перерізу магнітопровода S_c=2,8 см².

По графіку А.1 (додаток А) вибираємо значення магнітної індукції :

Визначаємо ЕРС в одному витку :

, (2.2)

.

За графіком А.2 (додаток А) визначаємо очікуване падіння напруги в обмотках:

для первинної обмотки ;

для вторинних обмоток . [9]

2.2 Знаходження струму первинної обмотки

По графіку А.3 (додаток А) знайдемо питомі втрати в магнітопроводі:

.

Знайдемо втрати в магнітопроводі:

, (2.3)

.

Знайдемо ККД трансформатора:

, (2.4)

Знайдемо струм первинної обмотки :[9]

, (2.5)

2.3 Розрахунок обмоток трансформатора

Знаходимо кількість витків обмоток:



Знаходимо коефіцієнти трансформації: [14]

Знайдемо активну складову струму холостого ходу:

(2.6)

З графіка А.4 (додаток А) знайдемо питому намагнічуючу потужність:

Знайдемо реактивну складову струму холостого ходу

(2.7)

Струм холостого ходу, виражений в процентах від номінального, буде:

(2.8)

Струм холостого ходу дорівнює:

(2.9)

Реактивний опір первинної обмотки:

(2.10)

звідки:

(2.11)

Магнітна проникність магнітопроводу з графіка А.5 (додаток А):

Кількість витків первинної обмотки:

(2.12)

По графіку А.6 (додаток А) знайдемо густину струму в обмотках:[14]

Обчислюємо діаметр дроту по міді для кожної обмотки:

 (2.13)

Оскільки через вторинні обмотки протікає однаковий струм, то:

(2.14)

По таблиці А.2 (додаток А) вибираємо дроти типу ПЕВ-2 найближчого діаметру:

Знайдемо кількість витків в шарі обмоток:

в шарі первинної обмотки:

(2.15)

де - коефіцієнт нещільності упаковки дроту і дорівнює 0,9;

в шарі вторинних обмоток:

(2.16)

Обчислимо число шарів кожної обмотки:

Вибираємо товщину ізоляційних матеріалів:[9]

Товщина гільзи:

Міжшарова ізоляція для всіх обмоток - папір електроізоляційний обмотувальний КТН . Зовнішня і міжобмотувальна ізоляція - по два шари електрокартону ЭВ . [9]

Знайдемо товщину кожної обмотки котушки:

Знайдемо товщину котушки:

(2.17)

Перевіряємо зазор між котушкою і магнітопроводом:

(2.18)

Мотаємо обмотки на одній котушці в наступній послідовності:

спочатку 11 шарів первинної обмотки, потім обмотки 2, 3, 4, 5, 6, 7 мотаємо підряд одним проводом, з відводом від потрібного нам витка.[9]

Відстань від каркасу гільзи до середини кожної обмотки:

 (2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Зовнішній периметр гільзи:

(2.26)

Довжина середнього витка кожної обмотки:

Знайдемо довжини проводів обмоток:

Опір обмоток при температурі 20єC:

(2.27)

де - питомий опір мідного проводу при температурі 20єC;

Знайдемо опір обмоток при температурі 125єС:



Обчислимо падіння напруги на обмотках:[14]

2.4 Ескіз отриманого трансформатора

Рисунок 2.2 Ескіз отриманого трансформатора

- 1.5 мм.

H - 56 мм.

h - 40 мм.

D - 64 мм.

а - 16 мм.

с - 16 мм.

а\2 - 8 мм.

Висновки

Наведемо порівняльну таблицю технічних параметрів розрахованого компонента та альтернативного серійного промислового компонента.

Електричні параметри
Параметр	Розрахований компонент	Промисловий компонент
Потужність, ВА	8,976	9
Струм первинної обмотки, А	0,044	0,061
Падіння напруги в обмотках, %
Для первинної	15,99	12
Для вторинних	20,201	16
Габаритні параметри
Тип магнітопроводу	ШЛ16х20	ШЛМ20х16

Причини розбіжностей, що виникли у результаті розрахунку.

При розрахунку сумарної потужності вторинних обмоток виникли розбіжності внаслідок того, що обчислення не є точними (кількість знаків після коми). Ці розбіжності у потужності не вагомі, оскільки отриманий результат практично співпадає з потужністю вторинних обмоток для промислового компонента.

Отримали струм первинної обмотки , а струм первинної обмотки для серійного компонента складає . Ці розбіжності викликані втратами потужності в трансформаторі, а саме: втрати в сталі магнітопроводу, втрати на вихрові струми тощо.

Неспівпадіння параметрів зумовлене тим, що промисловий трансформатор розробляється універсальним для напруги живлення 220В і 127В, у нашому випадку трансформатор розраховувався тільки для напруги живлення 220В. Похибка велика через неточність визначення певних величин по графікам та по причині недосконалості методу розрахунку.

Перелік посилань

1.Bergh A.A. Dean. Light-Emitting diodes. / A.A Bergh, P.J. Dean. - О.: Clarendon Press, 1976 , -686 p

2. Нефедов А.В. Отечественые полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: справочник/ А.В. Нефедов, В.И. Гордеева. - М.: Радио и связь, 1990, 402 с.

3. Crouch C.L. New method of determining illumination required for tasks./ C.L. Crouch. - І.: Enging., 53, 416-422 (1958).

4. Peters G.A. These three criteria for readable panel markings./ G.A. Peters, B.B. Adams. - К.: Product Enging., 30 (21), 55-57 (1959).

5.Thornton P.R. The. physics of electroluminescent devices./ P.R. Thornton.

6. Phillips J.C. Dielectric definition of electronegativity, Phus./ J.C. Phillips. - R: Lett., 20, 550 (1968).

7.Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем./ Б.С. Гершунский. - К.: Вища школа,1983.- 240 c.

8. Трещук Р.М. Справочник радиолюбителя./ Р.М. Трещук. - К.: Наукова думка, 1988.

9.Кризе С.Н. Расчет маломощных силовых трансформаторов./ С.Н. Кризе. - М.:Энергоатомиздат,1950.

10.Нанавати Р.П. Введение в полупроводниковую электронику./Р.П. Нанавати; [Пер. с англ. / Под ред. Я.А. Федотова]. - Г.: Связь, 1965. - 456 с.

11.Красилов А.В. Методы расчета транзисторов./ А.В. Красилов, А.Ф. Трутко. - Г.: Энергия, 1964.

12.Дулин В.Н. Электронные приборы: учебник для вузов./ В.Н. Дулин, Н. А. Демин, Г.Г. Шишкина. - Энергоатомиздат, 1989 г.

13. Батушев В.А. Электронные приборы: учебник для вузов./ В.А. Батушев. - М.: Энергоатомиздат, 1987г.

14.Методичні вказівки до виконання курсової роботи.

Додаток

Таблиця А.1. Типові броньові магнітопроводи

[Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.-К.:Вища школа,1983]

Рисунок А.1. Залежність амплітуди магнітної індукції від потужності трансформатора

[Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.-К.:Вища школа,1983.]



Рисунок А.2. Залежність процентного падіння напруженя в первинній і вторинній обмотках від потужності трансформатора

[Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.-К.:Вища школа,1983.]

Рисунок А.3. Експериментальна крива залежності питомих втрат в сталі від магнітної індукції

[Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.-К.:Вища школа,1983.]

Рисунок А.4. Графік для визначення питомої намагнічувальної потужності для сталі

[Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.-К.:Вища школа,1983.]



Рисунок А.5. Магнітна проникність магнітопровода

[Методичні вказівки до виконання курсової роботи]

Рисунок А.6. Залежність густини струму в обмотках від сумарної потужності вторинних обмоток

Таблиця А.2. Типи проводів

Размещено на Allbest.ru

...