LED(Light emitting diode, 발광다이오드)

 

LED(Light emitting diode, 발광다이오드)

LED는 P-N접합 다이오드의 일종으로 일정한 전류를 인가하면 한쪽방향으로만 전류를 흘리며 전기에너지를 빛 에너지로 바꾸어 주며 정해진 파장의 빛(적색, 녹색, 청색)을 발광하는 반도체소자이다.

                                     그림1 LED 구조도

위의 그림1에서 보듯이 LED가 빛을 내는 원리는 N영역의 전자가 일정하게 공급되는 전류에 의하여 잉여분의 양자를 지닌 P영역으로 이동하게 되고 P와 N이 만나는 접합점(P-N Junction)에서 전자와 정공이 결합하게 된 후 생기는 에너지가 곧 LED에 의하여 방출되는 빛 에너지이다. 이때 발광하는 빛의 파장에 따라 빛의 색(COLOR)이 결정된다.

 

 

 

LED 연결과 저항 산출법 daehodae1 2005.01.12 23:03	조회 12,770

요즘에 자동차등 여러 분야에 DYE로 LED를 많이 이용하고 있으나 LED를 연결할때 LED의 전압과 전원전압 보호용 저항의 관계를 정확하게 알고 있는분이 많지 않으실줄 압니다.
여기서는 그것에 대하여 직접 저항을 산출하여 DYE 할수있는 방법을 논 합니다.

LED가 점등되는 전압과 전류는 각 제조사와 색.일반LED.고휘도LED.
직경￠ 등에 따라 다르나 직경 5mm일반 LED의 경우 전압은 1개당 1.5V 전류는 약15~20mA 직경3mm LED는 전압은 같고 전류는 10~15mA면 되는데전류가 적을수록 빛은 어둡고 전류가 클수록 밝아 집니다만 그 정도에는 한계가 있어서 어느 정도 이상의 전류 에서도 빛의 밝기가 더 이상 밝아지지는 않고 제한치 이상의 전류를 초과하게 되면 LED가 파손 됩니다.

그리고 LED 는 전압만 정확히 맞춰서 전원에 연결해도 점등은 되나LED의 전압과 전원전압을 정확하게 맞출 수가 없고 온도에 의해서도 LED 의 동작 전압이 약간씩 변화하고 LED의 내부 저항이 낮기 때문에 적정전압을 조금 이라도 초과하는 전압이 걸리게 되면
과 전류가 흘러서 LED가 파손 되므로 그냥 연결은 하지 않고 과 전류 방지용 저항을 반드시 연결해야 합니다.

LED에 저항을 연결할 때 저항의 산출을 어떤 식으로 하는가를 예를 들어 봅니다.

가령 일반 LED로 서 전압 1.5V 전류 20mA LED 1개에 9V의 전원을 쓰고자 하면
전원 전압에서 LED 의 전압을 빼고 난 나머지 전압 9V - 1.5V = 7.5V 이므로
7.5V 에서 20mA 의 전류가 흐르는 저항을 직렬연결 해 주어야 하는데
이 저항의 수치를 알려면 이것은 오옴 의 법칙을 이용하여 간단하게 산출 할 수가 있습니다.

오옴의법칙
전류.I=E/R
저항.R=E/I
전압.E=IR

전류 I .A
저항 R .Ω
전압 E .V 의 기호와 수치로 표시 합니다.

이것의 세가지로 전류와 전압 저항에 관한 모든 것을 계산할 수 있습니다.

7.5V 에서 20mA 의 전류가 흐르는 저항의 산출은 저항 R = E/I 로
전압 E 가 7.5V
전류 I 가 20mA 로 0.02A
7.5 / 0.02 = 375Ω 이 됩니다.

즉 9V 전압의 전지로 직경 5mm의 전압 1.5V 전류20mA 인 LED 1개를 켤때
375Ω 의 저항을 직렬로 연결하면 20mA 의 전류가 흐르게되고
저항의 소비전력은 7.5V * 0.02 = 0.15W 가 되므로
소비전력 1/4W 의 저항으로 족합니다.

가령 9V 의 전원으로 직경 5mm 1.5V 20mA LED 를 10개를 연결 하고자 할때6개를 직렬연결 하면 정확히 9V가 되나 전지의 전압이 조금 떨어지게 되면LED 의 요구 전압에 미달 되므로 점등이 안되기 때문에 LED 복수 개를 직렬로 하여 합한 전압은 항상 전원 전압의 70%~80% 로 사용 하고 해당하는 저항을 연결 하는것이 저항 에서의 전력 손실을
최소화 하게되고 가장 효율적으로 사용할수 있는 것 이나 부득이 할 때는 그 이하, 전원 전압의 50%~70% 로 사용해도 소 전력의 전원 창치가 아닌 자동차와 같은 것 에서는 LED의 소비 전력이 크다고 볼수 없으므로 별다른 문제는 되지 않습니다.

결론은 저항의 수치를 맞춰 주면 되는데 LED 5개를 직렬 연결하여 7.5V로 할 때 전류는 직렬연결 에서는 동일하게 20mA 를 맞춰 주면 되기 때문에 저항은 LED 5개를 합한 전압 7.5V를 뺀 전지 잔여전압 1.5V에서 20mA 의 것으로 5Ω 1/4W 의 저항을 연결하면 됩니다.

계산은 그러하나 실제로 적용할 시 저항의 수치를 정확하게 맞출 필요는 없고 근사치 약 20% 안에 들어오면 LED가 점등 되는데 별 문제는 없습니다.

전압이 다른 전원과 LED 의 직경.고휘도 LED 등 전류가 다른 것을 연결 할 때도 위의 계산법을 쓰면 됩니다.

고휘도 LED의 연결 예를 들어 봅니다.

고휘도 5￠LED가 점등되는 전압은 메이커에 따라 약간씩은 다르나
직경 5mm LED의 경우 전압은 1개당 3.1V~3.5V 전류는 약 30mA 가 됩니다.
고휘도 LED 6개를 쓰고자 할 때 LED 6개를 직렬로 연결하면 LED의 요구 전압이 21V 가 되므로 24V 전원에 100Ω의 저항을 연결하면 30mA의 전류로 켜지게 되고

12V 전원을 쓰려면 LED 3개 직렬로 전압이 10.5V가 되므로 50Ω의 저항을 연결하면 30mA의 전류로 잘 켜지게 됩니다.

 

 

 

 

LED 하트 만들기, 자동차및 오토바이에 LED 장착, 조명용 LED등 많은 질문들이 올라옵니다.

답변 내용및 질문 내용들을 보았을때 잘못 알고있는 부품들이 많아서 이렇게 글을 작성합니다.

 

1.일반 3파이, 5파이 플라스틱 패키지 LED 구동 방법

우리가 기본적으로 알고있는 LED의 상식은 전류제한 저항을 달아서 LED는 동작시킵니다

이때 전류제한 저항은 (전원전압-LED동작전압)/동작전류= 저항값

이게 일반적인 계산 방식입니다.

이 계산 방식은 LED 하트 만들고 전원LED와 같은 표시용으로만 사용하도록 하십시요.

 

2. LED는 W가 높을 수록 밝다.

보통 파워 LED 등급을 표시할때 1W, 3W, 5W 10W등 W로 표시는 합니다.

하지만 절대로 1W 3W 5W 10W이건 절대적인 밝기의 기준이 아닙니다.

여기서 말하는 W는 LED의 동작전원(Vop)*동작 전류(Iop)입니다.

 

3.LED는 반 영구적으로 사용할수있다.

네 사용할수 있습니다. 5만시간 까지도 사용할수있습니다.

단,LED의 온도가 25도일때입니다.

LED에서 가장 중요한 온도에 대해서 서술하도록 하겠습니다.

[일반적으로 LED는 열이 많이 난다. 그래서 방열판을 사용해야한다.]

좋은 말입니다. 이 말은 모두가 알고있는 사실입니다.

그럼 여기서 제가 질문을 하겠습니다.

열이 나는데 얼마만큼 나는거냐? 그 열이 몇도냐? 그래 방열판을 사용하긴하는데 얼마민한 크기로 할거냐? 그래서 필요한 온도가 몇도인데?

LED는 온도에 따라서 밝기(이하 루멘으로 표기) 변합니다. 점점 흐려지죠. 이게 바로 온도 때문입니다.

온도조건을 어떻게 마춰주냐에 따라서 루멘값은 다르기 마련입니다.

 

4.적색 LED읜 동작전압은 2V이다.(색상에 따라서 동작전압은 다릅니다.)

2V는 맞습니다 하지만 온도가 25도일때입니다.

LED 데이타쉬트를 보면 Vop해서 Min1.8V Tpy.2V Max 2.2V 이런식으로 동작전압 사항이 나와있습니다.

이말은 무슨뜻이냐 같은 제품이라도 최소 1.8V에서 2.2V의 동작 전압을 가지고있는 제품이 나오는데 분포도가 2V가 비교적 많다는 뜻입니다. 이때 옆에 컨디션을 보면 Tj=25도, I=30mA(전류값은 임의 설정)라는 조건일때입니다. 온도가 변하면 동작전압도 변하기 마련입니다. Tj가 25도일때 2V라면 70도에는 2.2V 150도에서는 2.4V가 변한다 했을때 전류값이 같으면 LED에서 소모되는 전력은 온도가 높을수록 소모되는 전력이 높다는 말입니다. 즉 효율이 떨어진다는 말이죠.

 

5.LED는 열이 많이 나기 때문에 방열판으로 온도를 Top(오퍼래이팅 온도)점 이하로 낮춰주면 된다.

네 맞습니다.LED에서 발생되는 열을 방열판으로 온도를 낮춰주면 LED의 루멘값 및 효율이 올라갑니다.

단, 방열판과 LED 칩사이의 온도저항이 0일 경우입니다.

위에서 말한 Tj에서 j는 정션입니다. 즉 LED칩 내부의 온도를 말하는것입니다.

방열판의 온도가 70도 일경우 Tj는 그 이상입니다. 그 값을 알기위해서는 방열판과 측정점과의 온도저항, PCB의 온도저항, PCB와 방열반에 발라는 방열컴파운드의 온도저항 Tj점과 Ts(쏠더 템퍼러쳐)의 온도저항 주변온도 LED출력 W등 여러변수를 가지고 Tj점을 예상할 수 가있습니다.

오스람 LED의 경우 Tj온도가 최대 175도입니다. Tj에 따른 사용시간이 25도(Ts)일때 5만시간 85도(Ts)일때 3만시간 175도일때 200시간입니다.

 

6.싸고 밝고 수명이 긴 LED좀 추천해 주세요.

이건 모순입니다.

싸면 쌀수록 루멘값이 낮고, 비싼 LED일수록 루멘은 높습니다.

그렇다면 기준을 어떻게 잡냐?

데이타쉬트를 보고 잡을수가 있습니다.

저가형 LED는 동작전압 동작 전류 이게 다이니다.

그나마 비싼건 이외에 동작온도, 보관온도, 발산각 정도 대부분이 데이타쉬트 10장을 안넘습니다.

정말 좋은 LED는 온도변화에 따른 Vop, 루멘, 파장 변화률 전류에 다른 온도 변화률, 파장 그래프, 칩 내부 온도저항 패키지 정보등 20-30장 이나 됩니다.

이게 무슨차이냐? 같은 LED지만 얼마나 정밀하고 수명이 길고 밝은 LED를 만들수 있느냐? 없으냐의 차이입니다.

제조사에서 이런 데이타를 뽑기 위해서는 그만큼 비싼 장비가 있어야겠고 그렇게되면 제품가격은 비쌀수밖에 없는 것입니다.