Teemad:
- Sissejuhatus
- LED-i töö
- Juhtivuspinge LED-i värvi suhtes
- Kontrollimeetodid
- Mitmevärvilised LED-id
Eessõna:
LED on valguse kiirgamiseks tavaliselt kasutatav pooljuhtkomponent. LED tähistab: Light Emitting Diode ja tähendab: valgust kiirgavat dioodi. Pärast selle leiutamist 1962. aastal on LED-i kasutatud peamiselt indikaatortulena ja signaali edastamiseks. Alates 90. aastate lõpust on tehnoloogia areng võimaldanud toota LED-e, mis toimivad igapäevaseks valgusallikaks. Autotehnoloogias kasutatakse LED-e sageli instrumendivalgustusena (armatuurlaud), välisvalgustusena (tagatuled) või põhivalgustusena (esituledes), kuna hõõglampide ja halogeenlampidega võrreldes on järgmised eelised:
- madal energiatarve: sama valgustugevusega võrreldes teist tüüpi lampidega kasutab LED tunduvalt vähem energiat. LED-il on väga kõrge kasutegur kuni 80%;
- ohutus: hõõglambid vajavad hõõgniidi soojendamiseks ja valguse kiirgamiseks ligikaudu 200 ms. LED ei vaja soojendusfaasi, mis tähendab, et LED saavutab oma valgustugevuse kiiremini (vähem kui 1 millisekundiga). Piduritulena LED-i kasutamisel märgatakse pidurdamist varem ja sellel on positiivne mõju peatumisajale;
- madal soojusareng: kuna LED-id peaaegu ei kuumene, saab lampide korpuseid muuta väiksemaks ja kasutada odavamaid materjale, mis on vähem vastupidavad termilisele pingele;
- pikk kasutusiga: LED kestab ligikaudu terve auto eluea. Kui selgub, et LED-id on defektsed, võib põhjus sageli peituda mujal, näiteks prinditee katkestuses või vales juhtimises. Valgusdioodi heledus võib teatud arvu põlemistundidega väheneda.
Alloleval pildil on dioodi sümbol koos lisatekstiga "anoodi" ja "katoodi" külgede kohal. LED-i sümbol on peaaegu identne dioodi omaga, kuid lisatud on kaks ülespoole suunatud noolt, mis näitavad valguskiirgust. Voolu suund on nagu dioodilgi noole suunas. Vertikaalne löök on vastupidine. Kui vool läbib LED-i noole suunas, süttib see. Vastupidi, see blokeeritakse ja seetõttu ei sütti.
LED-i töö:
Nii nagu "tavaline" diood, koosneb LED kahest pooljuhtkihist:
- negatiivne kiht (n-kiht) sisaldab liigselt elektrone;
- positiivses kihis (p-kihis) on elektronide puudus.
Elektronide puudust p-kihis võib vaadelda kui positiivseid auke. P-n-siirdes (kurnatuskihis) täidab n-kihi elektronide ülejääk p-kihis olevad tühimikud. Vool veel ei voola, seega on np-siirde laeng neutraalne.
Selleks, et vool läbi dioodi voolaks, tuleb esmalt ületada tühjenemistsooni sisepinge. See on dioodi nn difusioonipinge või lävipinge. Kui pinget suurendatakse, saab elektroni vool n-kihist p-kihti voolata. Kuid ammendumiskihis püüavad mõned neist elektronidest augud kinni. Need elektronid vabastavad osa oma energiast valgussähvatuste kujul. Tekkiv valgus pääseb läbi õhukese p-kihi. Valguse intensiivsus määratakse voolu järgi: mida tugevam on vool, seda intensiivsem on valgus.
Valentselektronide hüppamine negatiivsest kihist positiivsesse annab valguse, mida diood kiirgab.
Juhi pinge LED-i värvi suhtes:
LED on kolmes värvitoonis: punane, roheline ja sinine. Nende kolme põhivärviga saab neid segades saada teisi värve. Materjalide koostis n ja p kihtides määrab energia hulga elektronides ja aukudes.
- Madala energiaga elektronid muudavad vähem energiat valguskiirguseks kui suure energiaga elektron;
- Punasel valgusel on vähem energiat kui sinisel valgusel;
- Punase loovad madala energiaga elektronid ja sinise suure energiaga elektronid.
Valgeid LED-e ei saa toota. Lisades sinisele LED-ile täiendava fluorestseeruva kihi, muudetakse osa sinisest valgusest kollaseks. Sinise ja kollase valguse segu tajub inimsilm valge valgusena. Reguleerides kollase ja sinise valguse segusuhet, saate kiirata sooja või külma valget valgust.
Karakteristikus näeme pinget, mis tekib tühjenemistsoonis ja on seega vastava värvi LED-i juhtivuspinge. Kui vool saadetakse läbi LED-i, on pinge peaaegu pidev.
Kontrollimeetodid:
Autotehnikas saame kasutada LED-e, millel on a seeria takisti või jadaahelates, nii et saavutame soovitud juhtpinge.
LED seeriatakistiga:
Kui me ühendaksime LED-i otse aku pluss- ja miinuspoolega, siis LED kohe ebaõnnestuks. Alati peaks üks olema seeria takisti asetada LED-iga järjestikku.
Jadatakisti väärtuse määravad kaks tegurit: vool ja toitepinge. Punane LED süttib kohe, kui tööpinge 1,5 volti on saavutatud ja sellest voolab läbi umbes 20 mA.
Tarnitav toitepinge sõltub rakendusest. Autotööstuses võib see olla 5, aga ka 12 või 24 volti. Nõutava takistuse saab määrata Ohmi seaduse abil. Lahutage toitepingest tööpinge ja jagage see vooluga.
- 5-voldise toitepinge korral on punase LED-i jaoks vaja jadatakistit (5–1,5) / 0,02 = 175 oomi.
- toitepingega 12 volti ja punase valgusdioodiga: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 oomi (takistus on ühe teguri võrra suurem).
Peamiselt kohtame seeriatakistitega LED-e tagantjärele paigaldatud LED-valgustuses (retrofit). LED-i kiired sisse- ja väljalülitumisajad ning heledus võivad olla põhjuseks, miks hõõglambid LED-lampidega asendada. Energiatõhususe huvides ei pea seda tegema, kuna jadatakisti põhjustab ka võimsuskadu, mis mõnel juhul on sama suur kui originaallambi võimsuse hajumine.
LED-ide ühendamine järjestikku:
LED-ide järjestikku ühendamisel ei ole vaja jadatakistit või madala takistuse väärtusega jadatakistit. Valgusdioodide endi sisetakistus tagab toitepinge jaotuse jadaahelas olevate LED-ide vahel. Mida rohkem LED-e järjestikku asetatakse, seda väiksemaks saab jadatakisti teha. Joonisel on kuus LED-i ühendatud järjestikku ja kaks rida paralleelselt.
Järjestikku ühendatud LED-id asuvad tagatulede või kolmandate piduritulede üksustes. See on autotehnoloogias sageli kasutatav juhtimismeetod.
Reguleerige valguse intensiivsust:
Mikrokontrolleriga saame juhtida LED-i juhtimist impulsiga. Me nimetame seda: Impulsi laiuse modulatsioon (PWM).
Töötsükkel määrab aja, millal LED aktiveerub. Vaheldudes sisse-välja impulsse 3,3 ja 0 volti vahel suurel kiirusel, süttib LED madalama heledusega.
See juhtimismeetod on sama mitme funktsiooniga lambipirni puhul, näiteks:
- 50% heledus sisselülitatud tuledega;
- 100% ere valgus koos sisse lülitatud pidurituliga.
Praktilises Arduino seadistuses saate katsetada Arduino LED-ide PWM-juhtimist või väliselt ühendatud LED-e (mis on varustatud jadatakistitega).
Mitmevärvilised LED-id:
Kõiki värve saab kombineerida kolme põhivärviga: punane, roheline ja sinine. Seda saab kasutada kahe või kolme LED-i kombineerimisel. Allpool on näidatud kolm põhimõtet, mida kasutatakse elektriahela kaudu mitme värvi saamiseks.
Kahevärviline LED:
Diagramm näitab kahte paralleelselt ühendatud LED-i vastupidise ja edasisuunalise suunaga. Voolu suund määrab, milline LED põleb: roheline (ülemine) või punane (alumine) Polaarsust vahetab väline vooluahel või ECU.
Kolmevärviline LED:
See diagramm näitab ka kahte paralleelselt ühendatud LED-i. Vooluahelas saab toitepinge rakendada ühele kahest LED-ist (roheline või punane) või mõlemale korraga. Sel juhul toimub värvide segunemine ning punane ja roheline LED muutuvad kollaseks.
RGB LED:
RGB LED-ide puhul on ühes korpuses kolm erinevat värvi LED-i. Värve saab eraldi reguleerida. RGB LED-i juhtimiseks on vaja kolme PWM-juhtelementi, mis genereerivad reguleeritava sisse- ja väljalülitussuhte igal toitetihvtil. Lisaks erinevatele värvidele saab reguleerida ka valgustugevust.
Järgmisel pildil näeme kolme LED-i, millest igaühel on oma anoodühendus (A1 kuni A3) ja ühine katood.
