Předměty:
- Úvod
- Provoz LED
- Vodivé napětí ve vztahu k barvě LED
- Kontrolní metody
- Vícebarevné LED diody
Předmluva:
LED je běžně používaná polovodičová součástka k vyzařování světla. LED je zkratka pro: Light Emitting Diode a znamená: light-emitting diode. Po svém vynálezu v roce 1962 se LED dioda používala hlavně jako kontrolka a pro přenos signálu. Od konce 90. let umožnil technologický vývoj vyrábět LED diody, které slouží jako zdroj světla pro každodenní použití. V automobilové technice se LED diody často používají jako osvětlení přístrojů (přístrojová deska), vnější osvětlení (zadní světla) nebo hlavní osvětlení (ve světlometech) díky následujícím výhodám ve srovnání s žárovkami a halogenovými žárovkami:
- nízká spotřeba energie: při stejné intenzitě světla ve srovnání s jinými typy žárovek spotřebuje LED podstatně méně energie. LED má velmi vysokou účinnost až 80 %;
- bezpečnost: žárovky potřebují k zahřátí vlákna a vyzařování světla přibližně 200 ms. LED nevyžaduje zahřívací fázi, což znamená, že LED dosáhne své intenzity světla rychleji (za méně než 1 milisekundu). Při použití LED jako brzdového světla je brzdění zaznamenáno dříve a má pozitivní vliv na dobu zastavení;
- nízký vývin tepla: protože LED diody se téměř nezahřívají, lze pouzdra žárovek zmenšit a použít levnější materiály, které jsou méně odolné vůči tepelnému namáhání;
- vysoká životnost: LED vydrží přibližně celý život auta. Pokud se ukáže, že LED diody jsou vadné, příčinu lze často hledat jinde, například přerušení tiskové dráhy nebo nesprávné ovládání. Jas LED se může snížit s určitým počtem hodin svícení.
Obrázek níže ukazuje symbol diody s dodatečným textem nad stranami „anoda“ a „katoda“. Symbol LED je téměř totožný se symbolem diody, ale byly přidány dvě nahoru směřující šipky, které indikují světelné záření. Směr proudu je stejně jako u diody ve směru šipky. Vertikální zdvih je opačný směr. Pokud proud protéká LED diodou ve směru šipky, rozsvítí se. Naopak bude zablokován a nebude tedy svítit.
Provoz LED:
Stejně jako „normální“ dioda se LED skládá ze dvou polovodičových vrstev:
- negativní vrstva (n-vrstva) obsahuje přebytek elektronů;
- kladná vrstva (p vrstva) má nedostatek elektronů.
Nedostatek elektronů v p-vrstvě může být viděn jako množství přebytečných kladných děr. V p-n přechodu (ochuzená vrstva) přebytek elektronů v n-vrstvě vyplní mezery v p-vrstvě. Zatím neteče žádný proud, takže náboj v np přechodu je neutrální.
Aby diodou procházel proud, musí být nejprve překonáno vnitřní napětí zóny vyčerpání. Jedná se o tzv. difúzní napětí neboli prahové napětí diody. Když se napětí zvýší, proud elektronů bude moci téci z n-vrstvy do p-vrstvy. Ve vrstvě vyčerpání jsou však některé z těchto elektronů zachyceny otvory. Tyto elektrony uvolňují část své energie ve formě záblesků světla. Vytvořené světlo může unikat přes tenkou p-vrstvu. Intenzitu světla určuje proud: čím silnější proud, tím intenzivnější světlo.
Přeskakování valenčních elektronů z negativní do pozitivní vrstvy poskytuje světlo, které dioda vyzařuje.
Napětí vodiče ve vztahu k barvě LED:
LED se dodává ve třech barvách: červená, zelená a modrá. S těmito třemi základními barvami lze jejich smícháním získat další barvy. Složení materiálů ve vrstvách n a p určuje množství energie v elektronech a dírách.
- Nízkoenergetické elektrony přeměňují méně energie na světelné záření než vysokoenergetický elektron;
- Červené světlo má méně energie než modré světlo;
- Červená je tvořena elektrony s nízkou energií a modrá elektrony s vysokou energií.
Bílé LED diody nelze vyrobit. Přidáním další fluorescenční vrstvy k modré LED se část modrého světla přemění na žluté světlo. Směs modrého a žlutého světla vnímá lidské oko jako bílé světlo. Úpravou směšovacího poměru mezi tímto žlutým a modrým světlem můžete vyzařovat teplé nebo studené bílé světlo.
V charakteristice vidíme napětí, které vzniká v zóně vyčerpání a je tedy vodivým napětím příslušné barevné LED. Když je proud posílán přes LED, dochází k téměř konstantnímu poklesu napětí.
Způsoby ovládání:
V automobilové technice můžeme použít LED s a sériový odpor nebo v sériových obvodech, tak abychom dosáhli požadovaného řídicího napětí.
LED se sériovým rezistorem:
Pokud bychom připojili LED přímo na plus a mínus baterie, LED by okamžitě selhala. Vždy by měl být jeden sériový odpor být umístěn v sérii s LED.
Hodnota sériového rezistoru je určena dvěma faktory: proudem a napájecím napětím. Červená LED se rozsvítí, jakmile je dosaženo provozního napětí 1,5 V a protéká jí přibližně 20 mA.
Dodávané napájecí napětí závisí na aplikaci. V automobilovém průmyslu to může být 5, ale také 12 nebo 24 voltů. Požadovaný odpor lze určit pomocí Ohmova zákona. Odečtěte provozní napětí od napájecího napětí a vydělte ho proudem.
- Při napájecím napětí 5 voltů bude pro červenou LED zapotřebí sériový rezistor (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohmů.
- s napájecím napětím 12 voltů a červenou LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohmů (odpor o jeden faktor vyšší).
S LED se sériovými odpory se setkáváme především v dodatečně montovaném LED osvětlení (retrofit). Rychlé časy zapnutí a vypnutí a jas LED mohou být důvodem k výměně žárovek za LED. Nemusíte to dělat kvůli energetické účinnosti, protože sériový rezistor také způsobuje ztrátu výkonu, která je v některých případech stejně velká jako ztráta energie původní lampy.
Zapojení LED do série:
Zapojením LED do série není potřeba žádný sériový rezistor nebo sériový rezistor s nízkou hodnotou odporu. Vnitřní odpor samotných LED zajišťuje rozdělení napájecího napětí mezi LED v sériovém obvodu. Čím více LED je umístěno v sérii, tím menší sériový rezistor může být vyroben. Na obrázku je šest LED zapojeno do série a dvě řady jsou zapojeny paralelně.
LED zapojené do série se nacházejí v jednotkách zadních světel nebo třetích jednotek brzdových světel. Jedná se o často používaný způsob řízení v automobilové technice.
Nastavení intenzity světla:
Pomocí mikrokontroléru můžeme pulzně ovládat ovládání LED. Říkáme tomu: Pulzní šířková modulace (PWM).
Pracovní cyklus určuje dobu, kdy se LED aktivuje. Střídáním impulzů zapnutí a vypnutí mezi 3,3 a 0 volty při vysoké rychlosti se LED rozsvítí s nižším jasem.
Tento způsob ovládání je stejný u žárovky s více funkcemi, jako jsou:
- 50% jas se zapnutými světly;
- 100% jasné světlo se zapnutým brzdovým světlem.
V praktickém nastavení s Arduinem můžete experimentovat s PWM řízením LED na Arduinu nebo externě připojených LED (vybavených sériovými odpory).
Vícebarevné LED diody:
Všechny barvy lze skládat ze tří základních barev červené, zelené a modré. Toho lze dobře využít kombinací dvou nebo tří LED. Níže jsou uvedeny tři principy používané k získání více barev prostřednictvím elektrického obvodu.
Dvoubarevná LED dioda:
Diagram ukazuje dvě LED diody zapojené paralelně se směrem vzad a vpřed. Směr proudu určuje, která LED se rozsvítí: zelená (nahoře) nebo červená (dole).Polarita je převrácena externím obvodem nebo ECU.
Tříbarevná LED:
Toto schéma také ukazuje dvě LED zapojené paralelně. V obvodu může být napájecí napětí přivedeno na jednu ze dvou LED (zelená nebo červená), nebo na obě současně. V takovém případě dojde k míchání barev a červená a zelená LED se změní na žlutou.
RGB LED:
U RGB LED jsou tři LED diody, každá s vlastní barvou, umístěny v jednom pouzdře. Barvy lze ovládat samostatně. Pro ovládání RGB LED jsou zapotřebí tři PWM ovladače, které generují nastavitelný poměr zapnutí/vypnutí na každém napájecím pinu. Kromě různých barev lze nastavit i intenzitu světla.
Na dalším obrázku vidíme tři LED, každá s vlastním připojením anody (A1 až A3) a společnou katodou.
