Tárgyak:
- bevezetés
- LED működése
- Vezetési feszültség a LED színéhez viszonyítva
- Ellenőrzési módszerek
- Többszínű LED-ek
Bevezetés:
A LED egy gyakran használt félvezető alkatrész, amely fényt bocsát ki. A LED jelentése: Light Emitting Diode, jelentése: fénykibocsátó dióda. 1962-es feltalálása után a LED-et főként jelzőfényként és jelátvitelre használták. Az 90-es évek vége óta a technológiai fejlődés lehetővé tette olyan LED-ek gyártását, amelyek fényforrásként szolgálnak a mindennapi használatra. Az autóiparban a LED-eket gyakran használják műszervilágításként (műszerfal), külső világításként (hátsó lámpák) vagy fő világításként (a fényszórókban), a következő előnyök miatt az izzólámpákhoz és halogénlámpákhoz képest:
- alacsony energiafogyasztás: más típusú lámpákhoz képest azonos fényintenzitás mellett a LED lényegesen kevesebb energiát fogyaszt. A LED hatásfoka nagyon magas, akár 80% is lehet;
- biztonság: az izzólámpáknak körülbelül 200 ms-ra van szükségük az izzószál felmelegítéséhez és a fény kibocsátásához. A LED-ekhez nincs szükség bemelegítési fázisra, ami azt jelenti, hogy a LED gyorsabban (kevesebb, mint 1 ezredmásodperc alatt) éri el a fényintenzitást. Ha LED-et használnak féklámpaként, a fékezést korábban észleli, és pozitívan befolyásolja a megállási időt;
- alacsony hőfejlődés: mivel a LED-ek alig melegszenek fel, a lámpaházak kisebbre tehetők, és olcsóbb, a hőterhelésnek kevésbé ellenálló anyagok használhatók;
- hosszú élettartam: egy LED körülbelül egy egész autó élettartamát kibírja. Ha kiderül, hogy a LED-ek hibásak, az ok gyakran máshol kereshető, például a nyomtatási útvonal megszakadásában vagy a hibás vezérlésben. A LED fényereje bizonyos számú égési órával csökkenhet.
Az alábbi képen a dióda szimbóluma látható, az „anód” és a „katód” oldala fölött további szöveggel. A LED szimbóluma szinte teljesen megegyezik a diódáéval, de két felfelé mutató nyíl került hozzá, amelyek a fénysugárzást jelzik. Az áram iránya, akárcsak a diódánál, a nyíl irányában van. A függőleges löket fordított irány. Ha az áram átfolyik a LED-en a nyíl irányába, akkor világít. Ellenkező esetben blokkolva lesz, ezért nem fog világítani.
A LED működése:
Csakúgy, mint egy „normál” dióda, a LED két félvezető rétegből áll:
- a negatív réteg (n-réteg) elektronfelesleget tartalmaz;
- a pozitív rétegben (p réteg) elektronhiány van.
A p-réteg elektronhiánya több pozitív lyuknak tekinthető. A p-n átmenetben (kimerülési réteg) az n-rétegben lévő elektrontöbblet kitölti a p-réteg hézagait. Áram még nem folyik, így a töltés az np átmenetben semleges.
Ahhoz, hogy áram folyjon át a diódán, először a kimerülési zóna belső feszültségét kell legyőzni. Ez a dióda úgynevezett diffúziós feszültsége vagy küszöbfeszültsége. A feszültség növelésével az elektronáram képes lesz az n-rétegből a p-rétegbe áramolni. A kimerülési rétegben azonban ezen elektronok egy részét a lyukak befogják. Ezek az elektronok energiájuk egy részét fényvillanások formájában szabadítják fel. A keletkezett fény a vékony p-rétegen keresztül távozhat. A fény intenzitását az áram határozza meg: minél erősebb az áram, annál intenzívebb a fény.
A vegyértékelektronok ugrása a negatívról a pozitív rétegre biztosítja a dióda által kibocsátott fényt.
A vezető feszültsége a LED színéhez viszonyítva:
A LED három színben kapható: piros, zöld és kék. Ezzel a három alapszínnel más színek is előállíthatók keverésükkel. Az n és p rétegben lévő anyagok összetétele határozza meg az elektronok és lyukak energia mennyiségét.
- Az alacsony energiájú elektronok kevesebb energiát alakítanak át fénysugárzássá, mint a nagy energiájú elektronok;
- A vörös fénynek kevesebb az energiája, mint a kéknek;
- A vöröset alacsony energiájú elektronok hozzák létre, a kéket pedig a nagy energiájú elektronok.
Fehér LED-eket nem lehet előállítani. Egy extra fluoreszkáló réteg hozzáadásával a kék LED-hez a kék fény egy része sárga fénnyé alakul. A kék és sárga fény keverékét az emberi szem fehér fényként érzékeli. A sárga és kék fény keverési arányának beállításával meleg vagy hideg fehér fényt bocsáthat ki.
A karakterisztikában azt a feszültséget látjuk, amely a kimerülési zónában felhalmozódik, és ezért a megfelelő színű LED vezetési feszültsége. Amikor az áramot egy LED-en keresztül továbbítják, szinte állandó feszültségesés van.
Ellenőrzési módszerek:
Az autótechnikában használhatunk LED-eket a soros ellenállás vagy soros áramkörökben, hogy elérjük a kívánt vezérlőfeszültséget.
LED soros ellenállással:
Ha közvetlenül csatlakoztatnánk egy LED-et az akkumulátor plusz és mínusz pontjához, a LED azonnal meghibásodna. Mindig legyen egy soros ellenállás sorba kell helyezni a LED-del.
A soros ellenállás értékét két tényező határozza meg: az áramerősség és a tápfeszültség. Egy piros LED világít, amint eléri az 1,5 V üzemi feszültséget, és körülbelül 20 mA áramlik át rajta.
A mellékelt tápfeszültség az alkalmazástól függ. Az autóiparban ez lehet 5, de 12 vagy 24 volt is. A szükséges ellenállás az Ohm-törvény segítségével határozható meg. Vonja ki az üzemi feszültséget a tápfeszültségből, és ossza el az áramerősséggel.
- 5 voltos tápfeszültség esetén (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohm soros ellenállásra lesz szükség a piros LED-hez.
- 12 V tápfeszültséggel és piros LED-del: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (egy tényezővel nagyobb ellenállás).
Soros ellenállású LED-ekkel elsősorban az utólagos LED-es világításban (utólagosan) találkozunk. A LED-ek gyors be- és kikapcsolási ideje, valamint fényereje indok lehet az izzólámpák LED-ekre való cseréjére. Az energiahatékonyság érdekében nem kell tennie, hiszen a soros ellenállás is olyan teljesítményveszteséget okoz, amely bizonyos esetekben akkora, mint az eredeti lámpa teljesítményvesztesége.
LED-ek soros csatlakoztatása:
A LED-ek sorba kapcsolásával nincs szükség soros ellenállásra vagy kis ellenállásértékű soros ellenállásra. Maguk a LED-ek belső ellenállása biztosítják a tápfeszültség elosztását a soros áramkörben lévő LED-ek között. Minél több LED kerül sorba, annál kisebb a soros ellenállás. Az ábrán hat LED sorosan, két sor pedig párhuzamosan van kapcsolva.
A sorba kapcsolt LED-ek a hátsó lámpaegységekben vagy a harmadik féklámpaegységekben találhatók. Ez egy gyakran használt szabályozási módszer az autóiparban.
A fényerősség beállítása:
Mikrokontrollerrel egy LED vezérlését tudjuk impulzussal vezérelni. Ezt hívjuk: Pulzusszélesség moduláció (PWM).
A munkaciklus határozza meg azt az időt, amikor a LED aktiválódik. A be-ki impulzusok 3,3 és 0 volt között nagy sebességgel váltakozva, a LED kisebb fényerővel világít.
Ez a vezérlési mód ugyanaz a több funkciós izzónál is, mint például:
- 50%-os fényerő bekapcsolt világítás mellett;
- 100%-ban erős fény bekapcsolt féklámpával.
Egy Arduino-val egy praktikus beállításban kísérletezhet az Arduino LED-jeinek PWM-vezérlésével vagy a külsőleg csatlakoztatott (soros ellenállásokkal felszerelt) LED-ekkel.
Többszínű LED-ek:
Minden szín összeállítható a három alapszínnel: piros, zöld és kék. Ez jól használható két vagy három LED kombinálásával. Az alábbiakban három alapelvet mutatunk be, amelyek segítségével több színt lehet elérni egy elektromos áramkörön keresztül.
Kétszínű LED:
Az ábra két párhuzamosan kapcsolt LED-et mutat hátra és előre. Az áram iránya határozza meg, hogy melyik LED világít: zölden (fent) vagy pirosan (alul) A polaritást külső áramkör vagy ECU váltja fel.
Háromszínű LED:
Ezen a diagramon két párhuzamosan kapcsolt LED is látható. Az áramkörben a két LED (zöld vagy piros) egyikére, vagy mindkettőre egyidejűleg tápfeszültség kapcsolható. Ebben az esetben színkeveredés következik be, és a piros és zöld LED sárgára vált.
RGB LED:
Az RGB LED-ekkel három, mindegyik saját színû LED található egy házban. A színek külön szabályozhatók. Az RGB LED vezérléséhez három PWM vezérlőre van szükség, amelyek állítható be/ki arányt generálnak minden egyes táptüskén. A különböző színek mellett a fényerősség is állítható.
A következő képen három LED-et látunk, mindegyik saját anódcsatlakozással (A1-től A3-ig) és egy közös katóddal.
