LED

Aiheet:

esittely
LEDin toiminta
Johtojännite suhteessa LEDin väriin
Valvontamenetelmät
Moniväriset LEDit

Esipuhe:
LED on yleisesti käytetty puolijohdekomponentti, joka lähettää valoa. LED tarkoittaa: Light Emitting Diode ja tarkoittaa: valoa emittoivaa diodia. Vuonna 1962 keksimisen jälkeen LEDiä on käytetty pääasiassa merkkivalona ja signaalin siirtoon. 90-luvun lopulta lähtien teknologian kehitys on mahdollistanut päivittäisen käytön valonlähteenä toimivien LEDien valmistamisen. Autotekniikassa LED-valoja käytetään usein instrumenttivalaistuksena (kojelauta), ulkovalona (takavalot) tai päävalona (ajovaloissa) seuraavien etujen vuoksi hehku- ja halogeenilamppuihin verrattuna:

alhainen energiankulutus: samalla valovoimakkuudella verrattuna muihin lamppuihin LED kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa. LEDillä on erittäin korkea hyötysuhde, jopa 80 %;
turvallisuus: hehkulamput tarvitsevat noin 200 ms hehkulangan lämmittämiseen ja valon lähettämiseen. LED ei vaadi lämmitysvaihetta, mikä tarkoittaa, että LED saavuttaa valovoimansa nopeammin (alle 1 millisekunnissa). Kun LEDiä käytetään jarruvalona, jarrutus havaitaan aikaisemmin ja sillä on positiivinen vaikutus pysähtymisaikaan;
alhainen lämmönkehitys: koska LEDit tuskin kuumenevat, lamppukoteloita voidaan pienentää ja voidaan käyttää halvempia materiaaleja, jotka kestävät vähemmän lämpörasitusta;
pitkä käyttöikä: LED kestää noin koko auton käyttöiän. Jos LED-valot ovat viallisia, syy voi usein löytyä muualta, kuten tulostusradan katkeamisesta tai väärästä ohjauksesta. LEDin kirkkaus voi heikentyä tietyn polttotuntimäärän myötä.

Alla olevassa kuvassa näkyy diodin symboli, lisäteksti "anodi"- ja "katodi"-puolen yläpuolella. LEDin symboli on lähes identtinen diodin kanssa, mutta siihen on lisätty kaksi ylöspäin osoittavaa nuolta, jotka osoittavat valon säteilyä. Virran suunta on, kuten diodilla, nuolen suuntaan. Pystysuuntainen veto on päinvastainen. Jos virta kulkee LEDin läpi nuolen suuntaan, se syttyy. Sitä vastoin se lukittuu eikä siksi syty.

LEDin toiminta:
Aivan kuten "normaali" diodi, LED koostuu kahdesta puolijohtavasta kerroksesta:

negatiivinen kerros (n-kerros) sisältää ylimäärän elektroneja;
positiivisessa kerroksessa (p-kerroksessa) on pula elektroneista.

Elektronien puute p-kerroksessa voidaan nähdä useana ylimääräisenä positiivisena aukkoina. P-n-liitoksessa (tyhjennyskerros) n-kerroksen elektronien ylijäämä täyttää p-kerroksen aukot. Virtaa ei kulje vielä, joten varaus np-liitoksessa on neutraali.

Jotta virta voisi kulkea diodin läpi, tyhjennysalueen sisäinen jännite on ensin voitettava. Tämä on diodin ns. diffuusiojännite tai kynnysjännite. Kun jännitettä nostetaan, elektronivirta voi virrata n-kerroksesta p-kerrokseen. Kuitenkin tyhjennyskerroksessa jotkut näistä elektroneista vangitaan reikiin. Nämä elektronit vapauttavat osan energiastaan valon välähdyksen muodossa. Syntynyt valo pääsee karkaamaan ohuen p-kerroksen läpi. Valon voimakkuus määräytyy virran mukaan: mitä voimakkaampi virta, sitä voimakkaampi valo.

Valenssielektronien hyppy negatiivisesta positiiviseen kerrokseen tuottaa valon, jonka diodi lähettää.

Johtimen jännite suhteessa LEDin väriin:
LED-valoa on kolme väriä: punainen, vihreä ja sininen. Näillä kolmella perusvärillä voidaan saada muita värejä sekoittamalla niitä. Materiaalien koostumus n- ja p-kerroksessa määrittää energian määrän elektroneissa ja reikissä.

Matalaenergiaiset elektronit muuttavat vähemmän energiaa valosäteilyksi kuin korkeaenergiset elektronit;
Punaisella valolla on vähemmän energiaa kuin sinisellä valolla;
Punaisen luovat matalaenergiset elektronit ja sinisen korkeaenergiset elektronit.

Valkoisia LED-valoja ei voida valmistaa. Lisäämällä ylimääräinen fluoresoiva kerros siniseen LEDiin, osa sinisestä valosta muunnetaan keltaiseksi valoksi. Ihmissilmä havaitsee sinisen ja keltaisen valon sekoituksen valkoisena valona. Säätämällä tämän keltaisen ja sinisen valon sekoitussuhdetta voit säteillä lämmintä tai kylmää valkoista valoa.

Ominaisuuksissa näemme jännitteen, joka muodostuu tyhjennysvyöhykkeelle ja on siten asianomaisen värillisen LEDin johtumisjännite. Kun virta lähetetään LEDin läpi, jännite laskee lähes jatkuvasti.

Valvontamenetelmät:
Autotekniikassa voimme käyttää LEDejä, joissa on a sarjan vastus tai sarjapiireissä, jotta saavutamme halutun ohjausjännitteen.

LED sarjavastuksella:
Jos kytkeisimme LEDin suoraan akun plus- ja miinuskohtaan, LED epäonnistuisi välittömästi. Aina pitäisi olla yksi sarjan vastus sijoitetaan sarjaan LEDin kanssa.

Sarjavastuksen arvon määrää kaksi tekijää: virta ja syöttöjännite. Punainen LED syttyy heti kun 1,5 voltin käyttöjännite saavutetaan ja sen läpi virtaa noin 20 mA.

Toimitettu syöttöjännite riippuu sovelluksesta. Autoteollisuudessa tämä voi olla 5, mutta myös 12 tai 24 volttia. Tarvittava resistanssi voidaan määrittää Ohmin lain avulla. Vähennä käyttöjännite syöttöjännitteestä ja jaa se virralla.

5 voltin syöttöjännitteellä tarvitaan sarjavastus (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohmia punaista LEDiä varten.
12 voltin syöttöjännitteellä ja punaisella LEDillä: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohmia (kertoimen verran suurempi resistanssi).

LEDejä, joissa on sarjavastukset, kohtaamme pääasiassa jälkiasennetussa LED-valaistuksessa (retrofit). Ledin nopeat syttymis- ja sammutusajat sekä kirkkaus voivat olla syy hehkulamppujen korvaamiseen LEDeillä. Sinun ei tarvitse tehdä sitä energiatehokkuuden vuoksi, sillä sarjavastus aiheuttaa myös tehohäviön, joka on joissain tapauksissa yhtä suuri kuin alkuperäisen lampun tehohäviö.

LEDien kytkeminen sarjaan:
Kun LEDit kytketään sarjaan, ei tarvita sarjavastusta tai sarjavastusta, jonka resistanssiarvo on pieni. Itse LEDien sisäinen resistanssi varmistaa, että syöttöjännite jakautuu sarjapiirin LEDien kesken. Mitä enemmän LEDejä asetetaan sarjaan, sitä pienempi sarjavastus voidaan tehdä. Kuvassa kuusi LEDiä on kytketty sarjaan ja kaksi riviä rinnan.

Sarjaan kytketyt LEDit löytyvät takavaloyksiköistä tai kolmansista jarruvaloyksiköistä. Tämä on autotekniikassa usein käytetty ohjausmenetelmä.

Säädä valon voimakkuutta:
Mikrokontrollerilla voimme ohjata LEDin ohjausta pulssilla. Kutsumme tätä: Pulssileveyden modulointi (PWM).
Toimintajakso määrittää ajan, jolloin LED-valo aktivoituu. Vaihtelemalla päälle/pois pulsseja 3,3 ja 0 voltin välillä suurella nopeudella LED syttyy pienemmällä kirkkaudella.

Tämä ohjaustapa on sama hehkulampussa, jossa on useita toimintoja, kuten:

50 % kirkkaus valot päällä;
100 % kirkas valo jarruvalolla.

Käytännössä Arduinon kanssa voit kokeilla Arduinon LEDien PWM-ohjausta tai ulkoisesti kytkettyjä LED-valoja (joissa on sarjavastukset).

Moniväriset LEDit:
Kaikki värit voidaan muodostaa kolmella perusvärillä punainen, vihreä ja sininen. Tätä voidaan käyttää hyväksi yhdistämällä kaksi tai kolme LEDiä. Alla on kolme periaatetta, joita käytetään useiden värien saamiseksi sähköpiirin kautta.

Kaksivärinen LED:
Kaavio näyttää kaksi rinnakkain kytkettyä LEDiä taaksepäin ja eteenpäin. Virran suunta määrittää, mikä LED palaa: vihreä (ylhäällä) vai punainen (alhaalla) Napaisuus vaihdetaan ulkoisen piirin tai ECU:n avulla.

Kolmivärinen LED:
Tässä kaaviossa näkyy myös kaksi rinnakkain kytkettyä LEDiä. Piirissä syöttöjännite voidaan syöttää jompaankumpaan kahdesta LEDistä (vihreä tai punainen) tai molempiin samanaikaisesti. Tällöin värit sekoittuvat ja punainen ja vihreä LED muuttuvat keltaisiksi.

RGB-LED:
RGB-LED-valoissa kolme LEDiä, joista kullakin on oma värinsä, on sijoitettu samaan koteloon. Värit voidaan säätää erikseen. RGB-LEDin ohjaamiseen tarvitaan kolme PWM-säädintä, jotka luovat säädettävän päälle/pois-suhteen jokaisessa virtanastassa. Eri värien lisäksi valon voimakkuutta voidaan säätää.

Seuraavassa kuvassa näemme kolme LEDiä, joista jokaisella on oma anodiliitäntä (A1 - A3) ja yhteinen katodi.

Aiheeseen liittyvät sivut: