LED

emner:

introduktion
Betjening af en LED
Ledningsspænding i forhold til lysdiodens farve
Kontrolmetoder
Flerfarvede LED'er

Forord:
En LED er en almindeligt anvendt halvlederkomponent til at udsende lys. LED står for: Light Emitting Diode og betyder: light-emitting diode. Efter opfindelsen i 1962 er LED'en hovedsageligt blevet brugt som indikatorlys og til signaltransmission. Siden slutningen af 90'erne har den teknologiske udvikling gjort det muligt at producere LED'er, der fungerer som lyskilde til hverdagsbrug. Inden for bilteknologi bruges LED'er ofte som instrumentbelysning (dashboard), udvendig belysning (baglygter) eller hovedbelysning (i forlygterne) på grund af følgende fordele sammenlignet med glødelamper og halogenlamper:

lavt energiforbrug: med samme lysintensitet sammenlignet med andre typer lamper, bruger LED'en betydeligt mindre energi. LED'en har en meget høj effektivitet på op til 80%;
sikkerhed: glødelamper har brug for ca. 200 ms for at opvarme glødetråden og udsende lys. En LED kræver ikke en opvarmningsfase, hvilket betyder, at en LED når sin lysintensitet hurtigere (på mindre end 1 millisekund). Når en LED bruges som bremselys, bemærkes bremsning tidligere og har en positiv indflydelse på standsningstiden;
lav varmeudvikling: fordi lysdioder næsten ikke opvarmes, kan lampehuse gøres mindre, og der kan bruges billigere materialer, der er mindre modstandsdygtige over for termisk stress;
høj levetid: en LED holder cirka en hel bils levetid. Hvis det viser sig, at lysdioder er defekte, kan årsagen ofte findes andre steder, såsom et brud på printbanen eller forkert styring. Lysstyrken på en LED kan falde med et vist antal brændetimer.

Billedet nedenfor viser diodens symbol med yderligere tekst over "anode" og "katode" siderne. Symbolet for en LED er næsten identisk med en diodes symbol, men der er tilføjet to opadgående pile, som angiver lysudstrålingen. Strømretningen er, ligesom med dioden, i pilens retning. Det lodrette slag er den modsatte retning. Hvis strømmen løber gennem LED'en i pilens retning, vil den lyse. Omvendt vil den være blokeret og vil derfor ikke lyse op.

Betjening af en LED:
Ligesom en "normal" diode består LED'en af to halvledende lag:

det negative lag (n-lag) indeholder et overskud af elektroner;
det positive lag (p-laget) har mangel på elektroner.

Manglen på elektroner i p-laget kan ses som en række overskydende positive huller. I p-n-overgangen (depletionslaget) vil overskuddet af elektroner i n-laget udfylde hullerne i p-laget. Der løber endnu ingen strøm, så ladningen i np-krydset er neutral.

For at strøm kan løbe gennem dioden, skal den interne spænding i udtømningszonen først overvindes. Dette er den såkaldte diffusionsspænding eller tærskelspænding for dioden. Når spændingen øges, vil elektronstrømmen kunne løbe fra n-laget til p-laget. Men i udtømningslaget er nogle af disse elektroner fanget af hullerne. Disse elektroner frigiver en del af deres energi i form af lysglimt. Det genererede lys kan slippe ud gennem det tynde p-lag. Lysintensiteten bestemmes af strømmen: Jo stærkere strømmen er, jo mere intens lyset.

Valenselektronernes spring fra det negative til det positive lag giver det lys, som dioden udsender.

Lederspænding i forhold til lysdiodens farve:
En LED kommer i tre farver: rød, grøn og blå. Med disse tre grundfarver kan andre farver opnås ved at blande dem. Sammensætningen af materialer i n- og p-lagene bestemmer mængden af energi i elektronerne og hullerne.

Lavenergielektroner omdanner mindre energi til lysstråling end en højenergielektron;
Rødt lys har mindre energi end blåt lys;
Rød er skabt af lavenergielektroner og blå af højenergielektroner.

Hvide LED'er kan ikke produceres. Ved at tilføje et ekstra fluorescerende lag til en blå LED, omdannes en del af det blå lys til gult lys. Blandingen af blåt og gult lys opfattes af det menneskelige øje som hvidt lys. Ved at justere blandingsforholdet mellem dette gule og blå lys, kan du udsende varmt eller koldt hvidt lys.

I karakteristikken ser vi den spænding, der opbygges i udtømningszonen og derfor er ledningsspændingen for den relevante farve-LED. Når der sendes strøm gennem en LED, er der et næsten konstant spændingsfald.

Kontrolmetoder:
Inden for bilteknologi kan vi bruge LED'er med en serie modstand eller i seriekredsløb, så vi opnår den ønskede styrespænding.

LED med seriemodstand:
Hvis vi skulle tilslutte en LED direkte til plus og minus på batteriet, ville LED'en straks svigte. Der skal altid være en serie modstand placeres i serie med LED'en.

Værdien af seriemodstanden bestemmes af to faktorer: strømmen og forsyningsspændingen. En rød LED lyser, så snart driftsspændingen på 1,5 volt er nået, og der strømmer ca. 20 mA igennem den.

Den leverede forsyningsspænding afhænger af applikationen. I bilindustrien kan dette være 5, men også 12 eller 24 volt. Den nødvendige modstand kan bestemmes ved hjælp af Ohms lov. Træk driftsspændingen fra forsyningsspændingen og divider den med strømmen.

Ved en forsyningsspænding på 5 volt kræves en seriemodstand på (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohm til den røde LED.
med en forsyningsspænding på 12 volt og en rød LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (en modstand på en faktor højere).

Vi møder hovedsageligt LED'er med seriemodstande i eftermonteret LED-belysning (retrofit). De hurtige tænd- og sluktider og lysstyrken på en LED kan være en grund til at udskifte glødelamper med LED. Du behøver ikke gøre det for energieffektiviteten, da seriemodstanden også forårsager et effekttab, der i nogle tilfælde er lige så stort som effekttabet på den originale lampe.

Tilslutning af lysdioder i serie:
Ved at seriekoble LED'erne kræves der ingen seriemodstand eller seriemodstand med lav modstandsværdi. LED'ernes interne modstand sikrer, at forsyningsspændingen fordeles mellem LED'erne i seriekredsløbet. Jo flere lysdioder der er placeret i serie, jo mindre kan seriemodstanden laves. På figuren er seks lysdioder forbundet i serie, og to rækker er forbundet parallelt.

De serieforbundne LED'er findes i baglygteenheder eller tredje bremselysenheder. Dette er en hyppigt anvendt kontrolmetode inden for bilteknologi.

Juster lysintensiteten:
Med en mikrocontroller kan vi styre styringen af en LED med en puls. Vi kalder dette: Pulsbredde-modulation (PWM).
Driftscyklussen bestemmer det tidspunkt, hvor lysdioden aktiveres. Ved at skifte tænd-sluk-impulserne mellem 3,3 og 0 volt ved høj hastighed, lyser LED'en ved en lavere lysstyrke.

Denne kontrolmetode er den samme på en pære med flere funktioner, såsom:

50 % lysstyrke med tændt lys;
100% skarpt lys med bremselys tændt.

I et praktisk setup med en Arduino kan du eksperimentere med PWM-styringen af LED'erne på Arduino'en eller eksternt tilsluttede LED'er (udstyret med seriemodstande).

Flerfarvede LED'er:
Alle farver kan sammensættes med de tre grundfarver rød, grøn og blå. Dette kan udnyttes godt ved at kombinere to eller tre lysdioder. Nedenfor er vist tre principper, der bruges til at opnå flere farver gennem et elektrisk kredsløb.

To-farvet LED:
Diagrammet viser to lysdioder forbundet parallelt med den modsatte og fremadrettede retning. Strømretningen bestemmer hvilken LED der lyser: grøn (øverst) eller rød (nederst) Polariteten vendes af et eksternt kredsløb eller ECU.

Trefarvet LED:
Dette diagram viser også to LED'er forbundet parallelt. I kredsløbet kan en forsyningsspænding påføres en af de to LED'er (grøn eller rød), eller begge på samme tid. I så fald forekommer farveblanding, og den røde og grønne LED bliver gul.

RGB LED:
Med RGB LED'er er tre LED'er, hver med deres egen farve, anbragt i et hus. Farverne kan styres separat. For at styre RGB-LED'en kræves der tre PWM-kontroller, som genererer et justerbart tænd/sluk-forhold på hver strømben. Udover de forskellige farver kan lysintensiteten også justeres.

På det næste billede ser vi tre lysdioder, hver med deres egen anodeforbindelse (A1 til A3) og en fælles katode.

Relaterede sider: