Soggetti:
- Introduzione
- Funzionamento di un LED
- Tensione di conduzione in relazione al colore del LED
- Metodi di controllo
- LED multicolori
Introduzione:
Un LED è un componente semiconduttore comunemente utilizzato per emettere luce. LED sta per: Diodo ad emissione luminosa e significa: diodo ad emissione luminosa. Dopo la sua invenzione nel 1962, il LED è stato utilizzato principalmente come indicatore luminoso e per la trasmissione del segnale. Dalla fine degli anni '90, gli sviluppi tecnologici hanno reso possibile la produzione di LED che fungono da sorgente luminosa per l'uso quotidiano. Nella tecnologia automobilistica i LED vengono spesso utilizzati come illuminazione strumenti (cruscotto), illuminazione esterna (fanali posteriori) o illuminazione principale (nei fari) per i seguenti vantaggi rispetto alle lampade a incandescenza e alle lampade alogene:
- basso consumo energetico: a parità di intensità luminosa rispetto ad altri tipi di lampade, il LED consuma notevolmente meno energia. Il LED ha un'efficienza molto elevata fino all'80%;
- sicurezza: le lampade a incandescenza necessitano di circa 200 ms per riscaldare il filamento ed emettere luce. Un LED non necessita di una fase di riscaldamento, ciò significa che un LED raggiunge la sua intensità luminosa più velocemente (in meno di 1 millisecondo). Quando un LED viene utilizzato come luce di stop, la frenata viene notata prima e ha un'influenza positiva sul tempo di arresto;
- basso sviluppo di calore: poiché i LED si scaldano difficilmente, è possibile realizzare corpi lampada più piccoli e utilizzare materiali più economici e meno resistenti allo stress termico;
- elevata durata: un LED dura circa la vita di un'intera automobile. Se si scopre che i LED sono difettosi, spesso la causa è da ricercare altrove, ad esempio in un'interruzione del percorso di stampa o in un controllo errato. La luminosità di un LED può diminuire con un certo numero di ore di funzionamento.
L'immagine sotto mostra il simbolo del diodo, con testo aggiuntivo sopra i lati "anodo" e "catodo". Il simbolo di un LED è quasi identico a quello di un diodo, ma sono state aggiunte due frecce rivolte verso l'alto, che indicano la radiazione luminosa. La direzione della corrente è, proprio come nel caso del diodo, nella direzione della freccia. Il tratto verticale è la direzione opposta. Se la corrente scorre attraverso il LED nella direzione della freccia, si accenderà. Viceversa risulterà bloccato e quindi non si accenderà.
Funzionamento di un LED:
Proprio come un diodo “normale”, il LED è costituito da due strati semiconduttori:
- lo strato negativo (strato n) contiene un eccesso di elettroni;
- lo strato positivo (strato p) ha una carenza di elettroni.
La carenza di elettroni nello strato p può essere vista come un numero di lacune positive in eccesso. Nella giunzione pn (strato di svuotamento), il surplus di elettroni nello strato n riempirà le lacune nello strato p. Non scorre ancora corrente, quindi la carica nella giunzione np è neutra.
Affinché la corrente possa fluire attraverso il diodo, è necessario prima superare la tensione interna della zona di svuotamento. Questa è la cosiddetta tensione di diffusione o tensione di soglia del diodo. Quando la tensione aumenta, la corrente elettronica sarà in grado di fluire dallo strato n allo strato p. Tuttavia, nello strato di svuotamento, alcuni di questi elettroni vengono catturati dalle lacune. Questi elettroni rilasciano parte della loro energia sotto forma di lampi di luce. La luce generata può fuoriuscire attraverso il sottile strato P. L'intensità della luce è determinata dalla corrente: più forte è la corrente, più intensa è la luce.
Il salto degli elettroni di valenza dallo strato negativo a quello positivo fornisce la luce emessa dal diodo.
Tensione del conduttore in relazione al colore del LED:
Un LED è disponibile in tre colori: rosso, verde e blu. Con questi tre colori base si possono ottenere altri colori mescolandoli. La composizione dei materiali negli strati n e p determina la quantità di energia negli elettroni e nelle lacune.
- Gli elettroni a bassa energia convertono meno energia in radiazione luminosa rispetto a un elettrone ad alta energia;
- La luce rossa ha meno energia della luce blu;
- Il rosso è creato da elettroni a bassa energia e il blu da elettroni ad alta energia.
Non è possibile produrre LED bianchi. Aggiungendo uno strato fluorescente extra a un LED blu, parte della luce blu viene convertita in luce gialla. La miscela di luce blu e gialla viene percepita dall'occhio umano come luce bianca. Regolando il rapporto di miscelazione tra questa luce gialla e blu, puoi emettere luce bianca calda o fredda.
Nella caratteristica vediamo la tensione che si accumula nella zona di esaurimento ed è quindi la tensione di conduzione del relativo LED colorato. Quando la corrente viene inviata attraverso un LED, si verifica una caduta di tensione quasi costante.
Metodi di controllo:
Nella tecnologia automobilistica possiamo utilizzare LED con a resistore in serie o in circuiti in serie, in modo da ottenere la tensione di controllo desiderata.
LED con resistenza in serie:
Se collegassimo un LED direttamente al polo positivo e negativo della batteria, il LED si guasterà immediatamente. Dovrebbe essercene sempre uno resistore in serie essere messo in serie al LED.
Il valore del resistore in serie è determinato da due fattori: la corrente e la tensione di alimentazione. Non appena viene raggiunta la tensione operativa di 1,5 volt, un LED rosso si accende e attraverso di esso fluiscono circa 20 mA.
La tensione di alimentazione fornita dipende dall'applicazione. Nell'industria automobilistica possono essere 5, ma anche 12 o 24 volt. La resistenza richiesta può essere determinata utilizzando la legge di Ohm. Sottrarre la tensione operativa dalla tensione di alimentazione e dividerla per la corrente.
- Con una tensione di alimentazione di 5 volt per il LED rosso sarà necessaria una resistenza in serie di (5 - 1,5) / 0,02 = 175 Ohm.
- con una tensione di alimentazione di 12 volt e un LED rosso: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (una resistenza di un fattore superiore).
I LED con resistori in serie li incontriamo principalmente nell'illuminazione a LED retrofittata (retrofit). I rapidi tempi di accensione e spegnimento e la luminosità di un LED possono essere un motivo per sostituire le lampade a incandescenza con i LED. Non è necessario farlo per l'efficienza energetica, poiché anche il resistore in serie provoca una perdita di potenza che in alcuni casi è pari alla dissipazione di potenza della lampada originale.
Collegamento dei LED in serie:
Collegando i LED in serie, non è necessario alcun resistore in serie o un resistore in serie con un valore di resistenza basso. La resistenza interna dei LED stessi garantisce che la tensione di alimentazione sia distribuita tra i LED nel circuito in serie. Maggiore è il numero di LED messi in serie, minore sarà la resistenza in serie. Nella figura sei LED sono collegati in serie e due file sono collegate in parallelo.
I LED collegati in serie si trovano nei gruppi ottici posteriori o nei gruppi luci del terzo stop. Questo è un metodo di controllo utilizzato frequentemente nella tecnologia automobilistica.
Regola l'intensità della luce:
Con un microcontrollore possiamo controllare il controllo di un LED con un impulso. Lo chiamiamo: Modulazione di larghezza di impulso (PWM).
Il ciclo di lavoro determina il momento in cui il LED viene attivato. Alternando ad alta velocità gli impulsi on-off tra 3,3 e 0 volt, il LED si accende con una luminosità inferiore.
Questo metodo di controllo è lo stesso su una lampadina con molteplici funzioni, come ad esempio:
- Luminosità 50% con luci accese;
- Luce brillante al 100% con luce di stop accesa.
In una configurazione pratica con un Arduino, puoi sperimentare il controllo PWM dei LED sull'Arduino o sui LED collegati esternamente (dotati di resistori in serie).
LED multicolori:
Tutti i colori possono essere composti con i tre colori base rosso, verde e blu. Questo può essere sfruttato al meglio combinando due o tre LED. Di seguito sono mostrati tre principi utilizzati per ottenere più colori attraverso un circuito elettrico.
LED bicolore:
Lo schema mostra due LED collegati in parallelo, con le direzioni avanti e indietro. La direzione della corrente determina quale LED si accende: verde (in alto) o rosso (in basso). La polarità viene invertita da un circuito esterno o da una ECU.
LED tricolore:
Questo schema mostra anche due LED collegati in parallelo. Nel circuito è possibile applicare una tensione di alimentazione ad uno dei due LED (verde o rosso), oppure ad entrambi contemporaneamente. In tal caso, avviene la miscelazione dei colori e i LED rosso e verde diventano gialli.
LED RGB:
Nei LED RGB in un alloggiamento sono alloggiati tre LED, ciascuno con il proprio colore. I colori possono essere controllati separatamente. Per controllare il LED RGB sono necessari tre controlli PWM, che generano un rapporto di accensione/spegnimento regolabile su ciascun pin di alimentazione. Oltre ai diversi colori è possibile regolare anche l'intensità della luce.
Nell'immagine successiva vediamo tre LED, ciascuno con la propria connessione anodica (da A1 a A3) e un catodo comune.
