LED製品

科目：

はじめに
LEDの動作
LEDの色と伝導電圧の関係
制御方法
マルチカラーLED

導入：
LED は、光を発するために一般的に使用される半導体コンポーネントです。 LEDはLight Emitting Diodeの略で、発光ダイオードという意味です。 1962 年の発明以来、LED は主に表示灯や信号伝達に使用されてきました。 90年代後半以降の技術開発により、日常使用の光源としてLEDを製造できるようになりました。自動車技術では、白熱灯やハロゲンランプと比較して次のような利点があるため、LED は計器照明 (ダッシュボード)、屋外照明 (テールライト)、または主照明 (ヘッドライト) として頻繁に使用されます。

低エネルギー消費: 他のタイプのランプと比較して同じ光強度でも、LED は使用するエネルギーが大幅に少なくなります。 LED は最大 80% という非常に高い効率を持っています。
安全性: 白熱灯はフィラメントを加熱して発光するまでに約 200 ミリ秒かかります。 LED はウォームアップ段階を必要としません。つまり、LED はより早く (1 ミリ秒未満で) 光の強度に達します。 LED をブレーキライトとして使用すると、ブレーキがかかっていることに早く気づき、停止時間にプラスの影響を与えます。
低発熱: LED はほとんど発熱しないため、ランプハウジングを小さくすることができ、熱応力に弱い安価な材料を使用できます。
長寿命: LED は車の寿命のほぼ全体にわたって持続します。 LED に欠陥があることが判明した場合、その原因は印刷経路の破損や制御の誤りなど、他の場所にあることがよくあります。 LED の明るさは、一定の燃焼時間数が経過すると低下することがあります。

下の画像はダイオードのシンボルを示し、「アノード」側と「カソード」側の上に追加のテキストが表示されます。 LED の記号はダイオードの記号とほぼ同じですが、光の放射を示す XNUMX つの上向き矢印が追加されています。電流の方向はダイオードと同様に矢印の方向です。上下ストロークは逆方向となります。 LEDに矢印の方向に電流を流すと点灯します。逆にブロックすると点灯しません。

LED の動作:
「通常の」ダイオードと同様に、LED は XNUMX つの半導体層で構成されています。

負の層 (n 層) には過剰な電子が含まれています。
プラス層（p層）では電子が不足しています。

p層内の電子の不足は、過剰な正孔の数として見られます。 p-n 接合 (空乏層) では、n 層の余剰電子が p 層のギャップを埋めます。まだ電流は流れていないため、np 接合の電荷は中性です。

ダイオードに電流が流れるためには、まず空乏領域の内部電圧を克服する必要があります。これは、いわゆるダイオードの拡散電圧またはしきい値電圧です。電圧が増加すると、電子電流がn層からp層に流れることができます。しかし、空乏層では、これらの電子の一部が正孔に捕獲されます。これらの電子は、そのエネルギーの一部をフラッシュの形で放出します。生成された光は、薄い p 層を通って逃げることができます。光の強度は電流によって決まります。電流が強いほど、光の強度も高くなります。

価電子がマイナス層からプラス層に飛び移ることで、ダイオードが発する光が得られます。

LEDの色と導体電圧の関係:
LEDには赤、緑、青のXNUMX色があります。これら XNUMX つの基本色を混合すると、他の色が得られます。 n 層と p 層の材料の組成によって、電子と正孔のエネルギー量が決まります。

低エネルギー電子は、高エネルギー電子よりも少ないエネルギーを光放射に変換します。
赤色光は青色光よりエネルギーが小さいです。
赤は低エネルギーの電子によって生成され、青は高エネルギーの電子によって生成されます。

白色LEDは製造できません。青色 LED に追加の蛍光層を追加することにより、青色光の一部が黄色光に変換されます。青色光と黄色光の混合物は、人間の目には白色光として認識されます。この黄色と青色の光の混合比を調整することで、温白色光や冷白色光を放射することができます。

この特性では、空乏ゾーンに蓄積される電圧、つまり関連するカラー LED の伝導電圧がわかります。 LED に電流が流れると、ほぼ一定の電圧降下が発生します。

制御方法:
自動車技術では、LED を使用できます。直列抵抗または直列回路で接続して、必要な制御電圧を実現します。

直列抵抗を備えた LED:
バッテリーのプラスとマイナスに直接LEDを接続すると、すぐにLEDが故障してしまいます。常に XNUMX つあるはずです直列抵抗 LEDと直列に配置してください。

直列抵抗の値は、電流と電源電圧という 1,5 つの要素によって決まります。動作電圧が 20 ボルトに達するとすぐに赤色 LED が点灯し、約 XNUMX mA が流れます。

供給される電源電圧はアプリケーションによって異なります。自動車業界では、これは 5 ボルトである場合もありますが、12 ボルトまたは 24 ボルトである場合もあります。必要な抵抗はオームの法則を使用して決定できます。電源電圧から動作電圧を減算し、電流で割ります。

供給電圧が 5 ボルトの場合、赤色 LED には (5 - 1,5) / 0,02 = 175 オームの直列抵抗が必要になります。
電源電圧が 12 ボルトで赤色 LED の場合: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 オーム (抵抗は XNUMX 倍大きい)。

後付けの LED 照明 (レトロフィット) では、主に直列抵抗を備えた LED に遭遇します。 LED のオン/オフ時間の速さと明るさは、白熱灯を LED に置き換える理由になる可能性があります。直列抵抗は場合によっては元のランプの電力消費と同じくらい大きな電力損失も引き起こすため、エネルギー効率を高めるためにこれを行う必要はありません。

LEDを直列に接続する:
LED を直列に接続することにより、直列抵抗が不要になるか、抵抗値の低い直列抵抗が必要なくなります。 LED 自体の内部抵抗により、直列回路内の LED 間で電源電圧が確実に分配されます。より多くの LED を直列に配置すると、直列抵抗を小さくできます。図では、XNUMX 個の LED が直列に接続され、XNUMX 列が並列に接続されています。

直列に接続された LED は、リアライトユニットまたは XNUMX 番目のブレーキライトユニットに見られます。これは自動車技術で頻繁に使用される制御方法です。

光の強さを調整します:
マイクロコントローラーを使用すると、LED の制御をパルスで制御できます。これを次のように呼びます。パルス幅変調（PWM）.
デューティサイクルによって、LED がアクティブになる時間が決まります。 3,3ボルトと0ボルトの間でon-offパルスを高速に繰り返すことで、LEDは低輝度で点灯します。

この制御方法は、次のような複数の機能を備えた電球でも同じです。

ライトがオンの場合は 50% の明るさ。
ブレーキライトがオンの場合は 100% の明るい光。

Arduino を使用した実際のセットアップでは、Arduino 上の LED または外部接続された LED (直列抵抗を備えた) の PWM 制御を実験できます。

マルチカラー LED:
すべての色は、赤、緑、青の XNUMX つの基本色で構成できます。 XNUMX個、XNUMX個のLEDを組み合わせて活用できます。以下に、電気回路を通じて複数の色を得るために使用される XNUMX つの原理を示します。

XNUMX色LED:
この図は、逆方向と順方向で並列接続された XNUMX つの LED を示しています。電流の方向によって LED が緑 (上) または赤 (下) に点灯するかが決まり、極性は外部回路または ECU によって反転されます。

トリコロールLED:
この図には、並列接続された XNUMX つの LED も示されています。回路では、電源電圧を XNUMX つの LED (緑または赤) の XNUMX つ、または両方に同時に適用できます。その場合、混色が発生し、赤と緑のLEDが黄色に変わります。

RGB LED:
RGB LED では、それぞれ独自の色を持つ XNUMX つの LED が XNUMX つのハウジングに収容されています。色は個別に制御できます。 RGB LED を制御するには、各電源ピンで調整可能なオン/オフ比を生成する XNUMX つの PWM 制御が必要です。色の違いに加えて、光の強さも調整できます。

次の画像では、それぞれ独自のアノード接続 (A1 ～ A3) と共通のカソードを備えた XNUMX つの LED が表示されます。