فاعل، موضوع:
- مقدمه
- عملکرد یک LED
- ولتاژ رسانایی نسبت به رنگ LED
- روش های کنترل
- ال ای دی های چند رنگ
معرفی:
LED یک جزء نیمه هادی است که معمولاً برای انتشار نور استفاده می شود. LED مخفف: Light Emitting Diode و به معنای: دیود ساطع نور است. پس از اختراع آن در سال 1962، LED عمدتا به عنوان چراغ نشانگر و برای انتقال سیگنال مورد استفاده قرار گرفت. از اواخر دهه 90، پیشرفت های تکنولوژیکی امکان تولید LED هایی را فراهم کرده است که به عنوان منبع نور برای استفاده روزمره عمل می کنند. در تکنولوژی خودرو، LED ها به دلیل مزایای زیر در مقایسه با لامپ های رشته ای و لامپ های هالوژن، اغلب به عنوان روشنایی ابزار (داشبورد)، روشنایی بیرونی (چراغ عقب) یا روشنایی اصلی (در چراغ های جلو) استفاده می شوند:
- مصرف انرژی کم: با شدت نور یکسان در مقایسه با سایر انواع لامپ ها، LED انرژی بسیار کمتری مصرف می کند. LED دارای راندمان بسیار بالایی تا 80٪ است.
- ایمنی: لامپ های رشته ای به حدود 200 میلی ثانیه نیاز دارند تا رشته را گرم کنند و نور ساطع کنند. یک LED نیازی به فاز گرم کردن ندارد، به این معنی که یک LED سریعتر به شدت نور خود می رسد (در کمتر از 1 میلی ثانیه). هنگامی که یک LED به عنوان چراغ ترمز استفاده می شود، ترمز زودتر متوجه می شود و تأثیر مثبتی بر زمان توقف دارد.
- توسعه حرارت کم: از آنجایی که LED ها به سختی گرم می شوند، محفظه های لامپ را می توان کوچکتر کرد و می توان از مواد ارزانتری استفاده کرد که در برابر تنش حرارتی مقاومت کمتری دارند.
- طول عمر بالا: یک LED تقریبا تمام عمر ماشین را دوام می آورد. اگر مشخص شود که LED ها معیوب هستند، علت را اغلب می توان در جای دیگری جستجو کرد، مانند شکستن مسیر چاپ یا کنترل نادرست. روشنایی یک LED می تواند با تعداد مشخصی از ساعات سوزاندن کاهش یابد.
تصویر زیر نماد دیود را با متن اضافی در بالای دو طرف "آند" و "کاتد" نشان می دهد. نماد یک LED تقریباً با نماد یک دیود یکسان است، اما دو فلش رو به بالا اضافه شده است که تابش نور را نشان می دهد. جهت جریان، درست مانند دیود، در جهت فلش است. سکته مغزی عمودی جهت معکوس است. اگر جریان از طریق LED در جهت فلش بگذرد، روشن می شود. برعکس، مسدود می شود و بنابراین روشن نمی شود.
عملکرد یک LED:
درست مانند یک دیود معمولی، LED از دو لایه نیمه هادی تشکیل شده است:
- لایه منفی (لایه n) حاوی مقدار زیادی الکترون است.
- لایه مثبت (لایه p) کمبود الکترون دارد.
کمبود الکترون در لایه p را می توان به عنوان تعدادی حفره مثبت اضافی مشاهده کرد. در پیوند p-n (لایه تخلیه)، الکترون های اضافی در لایه n شکاف های لایه p را پر می کند. هنوز هیچ جریانی در جریان نیست، بنابراین بار در اتصال np خنثی است.
برای اینکه جریان از دیود عبور کند، ابتدا باید بر ولتاژ داخلی منطقه تخلیه غلبه کرد. این به اصطلاح ولتاژ انتشار یا ولتاژ آستانه دیود است. هنگامی که ولتاژ افزایش می یابد، جریان الکترونی می تواند از لایه n به لایه p جریان یابد. با این حال، در لایه تخلیه، برخی از این الکترون ها توسط سوراخ ها گرفته می شوند. این الکترون ها بخشی از انرژی خود را به صورت فلاش های نور آزاد می کنند. نور تولید شده می تواند از لایه نازک p فرار کند. شدت نور توسط جریان تعیین می شود: هر چه جریان قوی تر باشد، شدت نور بیشتر می شود.
پرش الکترون های ظرفیت از لایه منفی به لایه مثبت نوری را که دیود ساطع می کند فراهم می کند.
ولتاژ هادی نسبت به رنگ LED:
یک LED در سه رنگ قرمز، سبز و آبی عرضه می شود. با این سه رنگ اصلی می توان رنگ های دیگری را با مخلوط کردن آنها به دست آورد. ترکیب مواد در لایه های n و p میزان انرژی الکترون ها و حفره ها را تعیین می کند.
- الکترون های کم انرژی نسبت به الکترون های پرانرژی انرژی کمتری را به تابش نور تبدیل می کنند.
- نور قرمز انرژی کمتری نسبت به نور آبی دارد.
- رنگ قرمز توسط الکترون های کم انرژی و آبی توسط الکترون های پرانرژی ایجاد می شود.
LED های سفید قابل تولید نیستند. با افزودن یک لایه فلورسنت اضافی به یک LED آبی، بخشی از نور آبی به نور زرد تبدیل می شود. مخلوط نور آبی و زرد توسط چشم انسان به عنوان نور سفید درک می شود. با تنظیم نسبت اختلاط بین این نور زرد و آبی، می توانید نور سفید گرم یا سرد ساطع کنید.
در مشخصه ما ولتاژی را می بینیم که در ناحیه تخلیه ایجاد می شود و بنابراین ولتاژ هدایت LED رنگی مربوطه است. هنگامی که جریان از طریق یک LED ارسال می شود، یک افت ولتاژ تقریبا ثابت وجود دارد.
روش های کنترل:
در تکنولوژی خودرو می توانیم از ال ای دی ها با ال مقاومت سری یا در مدارهای سری، به طوری که به ولتاژ کنترل مورد نظر دست یابیم.
LED با مقاومت سری:
اگر بخواهیم یک LED را مستقیماً به مثبت و منفی باتری وصل کنیم، LED بلافاصله از کار می افتد. همیشه باید یکی باشد مقاومت سری به صورت سری با LED قرار گیرد.
مقدار مقاومت سری توسط دو عامل تعیین می شود: جریان و ولتاژ تغذیه. یک LED قرمز به محض رسیدن به ولتاژ کاری 1,5 ولت روشن می شود و تقریباً 20 میلی آمپر از آن عبور می کند.
ولتاژ تغذیه عرضه شده به کاربرد بستگی دارد. در صنعت خودرو این می تواند 5، اما همچنین 12 یا 24 ولت باشد. مقاومت مورد نیاز را می توان با استفاده از قانون اهم تعیین کرد. ولتاژ کار را از ولتاژ تغذیه کم کرده و بر جریان تقسیم کنید.
- با ولتاژ تغذیه 5 ولت، یک مقاومت سری (5 - 1,5) / 0,02 = 175 اهم برای LED قرمز مورد نیاز است.
- با ولتاژ تغذیه 12 ولت و LED قرمز: (12 - 1,5) / 0,02 = 525 اهم (مقاومت یک فاکتور بالاتر).
ما عمدتاً با ال ای دی های با مقاومت های سری در روشنایی ال ای دی مقاوم سازی شده (بهسازی) مواجه می شویم. زمان روشن و خاموش شدن سریع و روشنایی یک LED می تواند دلیلی برای جایگزینی لامپ های رشته ای با LED باشد. برای صرفه جویی در مصرف انرژی لازم نیست این کار را انجام دهید، زیرا مقاومت سری نیز باعث افت توان می شود که در برخی موارد به اندازه اتلاف برق لامپ اصلی است.
اتصال LED ها به صورت سری:
با اتصال سری ال ای دی ها به هیچ مقاومت سری یا مقاومت سری با مقدار مقاومت کم نیاز نیست. مقاومت داخلی LED ها تضمین می کند که ولتاژ تغذیه بین LED های مدار سری توزیع می شود. هرچه تعداد ال ای دی ها به صورت سری بیشتری قرار گیرند، مقاومت سری کوچکتر می توان ساخت. در شکل شش LED به صورت سری و دو ردیف به صورت موازی به هم متصل شده اند.
LED های متصل به صورت سری در واحدهای چراغ عقب یا واحدهای چراغ ترمز سوم یافت می شوند. این یک روش کنترلی است که اغلب در فناوری خودرو استفاده می شود.
تنظیم شدت نور:
با یک میکروکنترلر می توانیم کنترل یک LED را با یک پالس کنترل کنیم. ما به این می گوییم: پالس عرض مدولاسیون (PWM).
چرخه وظیفه زمان فعال شدن LED را تعیین می کند. با تعویض پالس های روشن و خاموش بین 3,3 و 0 ولت با سرعت بالا، LED با روشنایی کمتر روشن می شود.
این روش کنترل در یک لامپ با عملکردهای متعدد مانند:
- روشنایی 50٪ با چراغ های روشن؛
- نور 100% روشن با چراغ ترمز روشن.
در یک راه‌اندازی عملی با آردوینو، می‌توانید کنترل PWM LEDهای روی آردوینو یا LEDهای متصل خارجی (مجهز به مقاومت‌های سری) را آزمایش کنید.
ال ای دی های چند رنگ:
همه رنگ ها را می توان با سه رنگ اصلی قرمز، سبز و آبی ترکیب کرد. این می تواند با ترکیب دو یا سه LED به خوبی مورد استفاده قرار گیرد. در زیر سه اصل مورد استفاده برای به دست آوردن چندین رنگ از طریق یک مدار الکتریکی نشان داده شده است.
ال ای دی دو رنگ:
این نمودار دو LED را به صورت موازی با جهت معکوس و رو به جلو نشان می دهد. جهت جریان تعیین می کند که کدام LED روشن شود: سبز (بالا) یا قرمز (پایین). قطبیت توسط یک مدار خارجی یا ECU معکوس می شود.
ال ای دی سه رنگ:
این نمودار همچنین دو LED متصل به موازات را نشان می دهد. در مدار، یک ولتاژ تغذیه می تواند به یکی از دو LED (سبز یا قرمز)، یا هر دو به طور همزمان اعمال شود. در آن صورت، ترکیب رنگ رخ می دهد و LED قرمز و سبز زرد می شود.
RGB LED:
با LED های RGB، سه LED، هر کدام با رنگ خاص خود، در یک محفظه قرار می گیرند. رنگ ها را می توان به طور جداگانه کنترل کرد. برای کنترل RGB LED، سه کنترل PWM مورد نیاز است که یک نسبت روشن/خاموش قابل تنظیم در هر پایه پاور ایجاد می کند. علاوه بر رنگ های مختلف، شدت نور نیز قابل تنظیم است.
در تصویر بعدی سه LED را می بینیم که هر کدام دارای اتصال آند خاص خود (A1 تا A3) و یک کاتد مشترک هستند.
