LED

Μαθήματα:

Εισαγωγή
Λειτουργία LED
Τάση αγωγιμότητας σε σχέση με το χρώμα του LED
Μέθοδοι ελέγχου
Πολύχρωμα LED

Εισαγωγή:
Ένα LED είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο εξάρτημα ημιαγωγού για την εκπομπή φωτός. Το LED σημαίνει: Light Emitting Diode και σημαίνει: δίοδος εκπομπής φωτός. Μετά την εφεύρεση του το 1962, το LED έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως ως ενδεικτική λυχνία και για μετάδοση σήματος. Από τα τέλη της δεκαετίας του 90, οι τεχνολογικές εξελίξεις κατέστησαν δυνατή την παραγωγή LED που χρησιμεύουν ως πηγή φωτός για καθημερινή χρήση. Στην τεχνολογία του αυτοκινήτου, τα LED χρησιμοποιούνται συχνά ως φωτισμός οργάνων (ταμπλό), εξωτερικός φωτισμός (πίσω φώτα) ή κύριος φωτισμός (στους προβολείς) λόγω των ακόλουθων πλεονεκτημάτων σε σύγκριση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως και τους λαμπτήρες αλογόνου:

χαμηλή κατανάλωση ενέργειας: με την ίδια ένταση φωτός σε σύγκριση με άλλους τύπους λαμπτήρων, το LED καταναλώνει πολύ λιγότερη ενέργεια. Το LED έχει πολύ υψηλή απόδοση έως και 80%.
ασφάλεια: οι λαμπτήρες πυρακτώσεως χρειάζονται περίπου 200 ms για να θερμάνουν το νήμα και να εκπέμπουν φως. Ένα LED δεν απαιτεί φάση προθέρμανσης, πράγμα που σημαίνει ότι ένα LED φτάνει πιο γρήγορα την ένταση φωτός του (σε λιγότερο από 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου). Όταν ένα LED χρησιμοποιείται ως φως φρένων, το φρενάρισμα παρατηρείται νωρίτερα και έχει θετική επίδραση στο χρόνο ακινητοποίησης.
χαμηλή ανάπτυξη θερμότητας: επειδή τα LED δεν θερμαίνονται σχεδόν καθόλου, τα περιβλήματα των λαμπτήρων μπορούν να γίνουν μικρότερα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν φθηνότερα υλικά που είναι λιγότερο ανθεκτικά στη θερμική καταπόνηση.
υψηλή διάρκεια ζωής: ένα LED διαρκεί περίπου μια ολόκληρη ζωή αυτοκινήτου. Εάν αποδειχθεί ότι τα LED είναι ελαττωματικά, η αιτία μπορεί συχνά να βρεθεί αλλού, όπως ένα σπάσιμο στη διαδρομή εκτύπωσης ή εσφαλμένος έλεγχος. Η φωτεινότητα ενός LED μπορεί να μειωθεί με έναν ορισμένο αριθμό ωρών καύσης.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει το σύμβολο της διόδου, με πρόσθετο κείμενο πάνω από τις πλευρές "άνοδος" και "κάθοδος". Το σύμβολο ενός LED είναι σχεδόν πανομοιότυπο με αυτό μιας διόδου, αλλά έχουν προστεθεί δύο βέλη που δείχνουν προς τα πάνω, τα οποία δείχνουν την ακτινοβολία φωτός. Η τρέχουσα κατεύθυνση είναι, όπως και με τη δίοδο, προς την κατεύθυνση του βέλους. Η κάθετη διαδρομή είναι η αντίστροφη κατεύθυνση. Εάν το ρεύμα ρέει μέσω του LED προς την κατεύθυνση του βέλους, θα ανάψει. Αντίθετα, θα είναι μπλοκαρισμένο και επομένως δεν θα ανάβει.

Λειτουργία LED:
Ακριβώς όπως μια "κανονική" δίοδος, το LED αποτελείται από δύο ημιαγώγιμα στρώματα:

το αρνητικό στρώμα (n-στιβάδα) περιέχει περίσσεια ηλεκτρονίων.
το θετικό στρώμα (στρώμα p) έχει έλλειψη ηλεκτρονίων.

Η έλλειψη ηλεκτρονίων στη στιβάδα p μπορεί να θεωρηθεί ως ένας αριθμός θετικών οπών. Στη διασταύρωση p-n (στρώμα εξάντλησης), το πλεόνασμα ηλεκτρονίων στη στιβάδα n θα γεμίσει τα κενά στη στιβάδα p. Δεν ρέει ακόμα ρεύμα, επομένως το φορτίο στη διασταύρωση np είναι ουδέτερο.

Για να ρέει ρεύμα μέσα από τη δίοδο, πρέπει πρώτα να ξεπεραστεί η εσωτερική τάση της ζώνης εξάντλησης. Αυτή είναι η λεγόμενη τάση διάχυσης ή τάση κατωφλίου της διόδου. Όταν η τάση αυξάνεται, το ρεύμα ηλεκτρονίων θα μπορεί να ρέει από τη στιβάδα n στη στιβάδα p. Ωστόσο, στο στρώμα εξάντλησης, μερικά από αυτά τα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται από τις οπές. Αυτά τα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν μέρος της ενέργειάς τους με τη μορφή λάμψεων φωτός. Το παραγόμενο φως μπορεί να διαφύγει μέσω του λεπτού στρώματος p. Η ένταση του φωτός καθορίζεται από το ρεύμα: όσο ισχυρότερο είναι το ρεύμα, τόσο πιο έντονο το φως.

Το άλμα των ηλεκτρονίων σθένους από το αρνητικό στο θετικό στρώμα παρέχει το φως που εκπέμπει η δίοδος.

Τάση αγωγού σε σχέση με το χρώμα του LED:
Ένα LED διατίθεται σε τρία χρώματα: κόκκινο, πράσινο και μπλε. Με αυτά τα τρία βασικά χρώματα μπορούν να ληφθούν άλλα χρώματα με την ανάμειξή τους. Η σύνθεση των υλικών στις στιβάδες n και p καθορίζει την ποσότητα ενέργειας στα ηλεκτρόνια και τις οπές.

Τα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας μετατρέπουν λιγότερη ενέργεια σε ακτινοβολία φωτός από ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας.
Το κόκκινο φως έχει λιγότερη ενέργεια από το μπλε φως.
Το κόκκινο δημιουργείται από ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας και το μπλε από ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας.

Δεν μπορούν να παραχθούν λευκά LED. Με την προσθήκη ενός επιπλέον στρώματος φθορισμού σε ένα μπλε LED, μέρος του μπλε φωτός μετατρέπεται σε κίτρινο φως. Το μείγμα μπλε και κίτρινου φωτός γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο μάτι ως λευκό φως. Προσαρμόζοντας την αναλογία ανάμειξης μεταξύ αυτού του κίτρινου και μπλε φωτός, μπορείτε να εκπέμπετε ζεστό ή κρύο λευκό φως.

Στο χαρακτηριστικό βλέπουμε την τάση που συσσωρεύεται στη ζώνη εξάντλησης και επομένως είναι η τάση αγωγιμότητας του σχετικού έγχρωμου LED. Όταν το ρεύμα στέλνεται μέσω ενός LED, υπάρχει σχεδόν σταθερή πτώση τάσης.

Μέθοδοι ελέγχου:
Στην τεχνολογία του αυτοκινήτου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε LED με α αντίσταση σειράς ή σε σειριακά κυκλώματα, ώστε να πετύχουμε την επιθυμητή τάση ελέγχου.

LED με αντίσταση σειράς:
Εάν συνδέαμε ένα LED απευθείας στο συν και το πλην της μπαταρίας, το LED θα σημείωνε αμέσως βλάβη. Πάντα πρέπει να υπάρχει ένα αντίσταση σειράς τοποθετούνται σε σειρά με το LED.

Η τιμή της αντίστασης σειράς καθορίζεται από δύο παράγοντες: το ρεύμα και την τάση τροφοδοσίας. Μια κόκκινη λυχνία LED ανάβει μόλις επιτευχθεί η τάση λειτουργίας του 1,5 βολτ και ρέει μέσα από αυτήν περίπου 20 mA.

Η παρεχόμενη τάση τροφοδοσίας εξαρτάται από την εφαρμογή. Στην αυτοκινητοβιομηχανία αυτό μπορεί να είναι 5, αλλά και 12 ή 24 βολτ. Η απαιτούμενη αντίσταση μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm. Αφαιρέστε την τάση λειτουργίας από την τάση τροφοδοσίας και διαιρέστε την με το ρεύμα.

Με τάση τροφοδοσίας 5 βολτ, θα χρειαστεί μια αντίσταση σειράς (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohm για το κόκκινο LED.
με τάση τροφοδοσίας 12 βολτ και κόκκινο LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (αντίσταση κατά έναν παράγοντα μεγαλύτερη).

Τα LED με αντιστάσεις σειράς συναντάμε κυρίως σε μεταγενέστερο φωτισμό LED (retrofit). Οι γρήγοροι χρόνοι ενεργοποίησης και απενεργοποίησης και η φωτεινότητα ενός LED μπορεί να είναι ένας λόγος για την αντικατάσταση των λαμπτήρων πυρακτώσεως με LED. Δεν χρειάζεται να το κάνετε για εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς η αντίσταση σειράς προκαλεί επίσης απώλεια ισχύος που σε ορισμένες περιπτώσεις είναι τόσο μεγάλη όσο η διαρροή ισχύος της αρχικής λάμπας.

Σύνδεση LED σε σειρά:
Συνδέοντας τα LED σε σειρά, δεν απαιτείται αντίσταση σειράς ή αντίσταση σειράς με χαμηλή τιμή αντίστασης. Η εσωτερική αντίσταση των ίδιων των LED διασφαλίζει ότι η τάση τροφοδοσίας κατανέμεται μεταξύ των LED στο κύκλωμα σειράς. Όσο περισσότερα LED τοποθετούνται σε σειρά, τόσο μικρότερη μπορεί να γίνει η αντίσταση σειράς. Στο σχήμα, έξι LED συνδέονται σε σειρά και δύο σειρές συνδέονται παράλληλα.

Τα LED που συνδέονται σε σειρά βρίσκονται σε μονάδες πίσω φώτων ή σε μονάδες τρίτων φώτων φρένων. Αυτή είναι μια συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος ελέγχου στην τεχνολογία του αυτοκινήτου.

Ρύθμιση της έντασης φωτός:
Με έναν μικροελεγκτή μπορούμε να ελέγξουμε τον έλεγχο ενός LED με παλμό. Το ονομάζουμε αυτό: Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM).
Ο κύκλος λειτουργίας καθορίζει το χρόνο κατά τον οποίο ενεργοποιείται το LED. Εναλλάσσοντας τους παλμούς ενεργοποίησης-απενεργοποίησης μεταξύ 3,3 και 0 βολτ σε υψηλή ταχύτητα, το LED ανάβει με χαμηλότερη φωτεινότητα.

Αυτή η μέθοδος ελέγχου είναι η ίδια σε έναν λαμπτήρα με πολλαπλές λειτουργίες, όπως:

50% φωτεινότητα με αναμμένα φώτα.
100% έντονο φως με αναμμένο φως φρένων.

Σε μια πρακτική εγκατάσταση με ένα Arduino, μπορείτε να πειραματιστείτε με τον έλεγχο PWM των LED στο Arduino ή εξωτερικά συνδεδεμένα LED (εξοπλισμένα με αντιστάσεις σειράς).

Πολύχρωμα LED:
Όλα τα χρώματα μπορούν να συντεθούν με τα τρία βασικά χρώματα κόκκινο, πράσινο και μπλε. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τον συνδυασμό δύο ή τριών LED. Παρακάτω παρουσιάζονται τρεις αρχές που χρησιμοποιούνται για τη λήψη πολλαπλών χρωμάτων μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

LED δύο χρωμάτων:
Το διάγραμμα δείχνει δύο LED συνδεδεμένα παράλληλα, με την αντίστροφη και την εμπρός κατεύθυνση. Η κατεύθυνση του ρεύματος καθορίζει ποια LED ανάβει: πράσινο (πάνω) ή κόκκινο (κάτω) Η πολικότητα αντιστρέφεται από ένα εξωτερικό κύκλωμα ή ECU.

Τρίχρωμο LED:
Αυτό το διάγραμμα δείχνει επίσης δύο LED συνδεδεμένα παράλληλα. Στο κύκλωμα, μια τάση τροφοδοσίας μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα από τα δύο LED (πράσινο ή κόκκινο) ή και στα δύο ταυτόχρονα. Σε αυτήν την περίπτωση, γίνεται ανάμειξη χρωμάτων και το κόκκινο και το πράσινο LED γίνονται κίτρινα.

RGB LED:
Με τα RGB LED, τρία LED, το καθένα με το δικό του χρώμα, βρίσκονται σε ένα περίβλημα. Τα χρώματα μπορούν να ελεγχθούν χωριστά. Για τον έλεγχο του LED RGB, απαιτούνται τρία χειριστήρια PWM, τα οποία δημιουργούν μια ρυθμιζόμενη αναλογία ενεργοποίησης/απενεργοποίησης σε κάθε ακροδέκτη τροφοδοσίας. Εκτός από τα διαφορετικά χρώματα, μπορεί επίσης να ρυθμιστεί η ένταση του φωτός.

Στην επόμενη εικόνα βλέπουμε τρία LED, το καθένα με τη δική του σύνδεση Ανόδου (Α1 έως Α3) και μια κοινή Κάθοδο.

Σχετικές σελίδες: