Emner:
- introduksjon
- Drift av en LED
- Ledningsspenning i forhold til fargen på LED
- Kontrollmetoder
- Flerfargede lysdioder
Forord:
En LED er en ofte brukt halvlederkomponent for å avgi lys. LED står for: Light Emitting Diode og betyr: light-emitting diode. Etter oppfinnelsen i 1962 har LED hovedsakelig blitt brukt som indikatorlys og for signaloverføring. Siden slutten av 90-tallet har den teknologiske utviklingen gjort det mulig å produsere lysdioder som fungerer som en lyskilde for daglig bruk. I bilteknologi brukes LED ofte som instrumentbelysning (dashbord), utvendig belysning (baklys) eller hovedbelysning (i frontlysene) på grunn av følgende fordeler sammenlignet med glødelamper og halogenlamper:
- lavt energiforbruk: med samme lysintensitet sammenlignet med andre typer lamper, bruker LED betraktelig mindre energi. LED-en har en meget høy effektivitet på opptil 80 %;
- sikkerhet: glødelamper trenger ca. 200 ms for å varme opp glødetråden og sende ut lys. En LED krever ikke en oppvarmingsfase, noe som betyr at en LED når sin lysintensitet raskere (på mindre enn 1 millisekund). Når en LED brukes som bremselys, merkes bremsing tidligere og har en positiv innvirkning på stopptiden;
- lav varmeutvikling: fordi lysdioder nesten ikke varmes opp, kan lampehus gjøres mindre og det kan brukes billigere materialer som er mindre motstandsdyktige mot termisk stress;
- høy levetid: en LED varer omtrent en hel bils levetid. Hvis det viser seg at lysdioder er defekte, kan årsaken ofte finnes andre steder, for eksempel brudd i utskriftsbanen eller feil styring. Lysstyrken til en LED kan reduseres med et visst antall brennetimer.
Bildet nedenfor viser symbolet til dioden, med tilleggstekst over "anode" og "katode" sidene. Symbolet til en LED er nesten identisk med en diode, men det er lagt til to oppoverpekende piler som indikerer lysstrålingen. Strømretningen er, akkurat som med dioden, i pilens retning. Det vertikale slaget er motsatt retning. Hvis strømmen går gjennom lysdioden i pilens retning, vil den lyse. Motsatt vil den blokkeres og vil derfor ikke lyse opp.
Drift av en LED:
Akkurat som en "vanlig" diode består LED-en av to halvledende lag:
- det negative laget (n-laget) inneholder et overskudd av elektroner;
- det positive laget (p-laget) har mangel på elektroner.
Mangelen på elektroner i p-laget kan sees på som en rekke overflødige positive hull. I p-n-krysset (deplesjonslaget) vil overskuddet av elektroner i n-laget fylle hullene i p-laget. Ingen strøm flyter ennå, så ladningen i np-krysset er nøytral.
For at strømmen skal flyte gjennom dioden, må den interne spenningen til utarmingssonen først overvinnes. Dette er den såkalte diffusjonsspenningen eller terskelspenningen til dioden. Når spenningen økes vil elektronstrømmen kunne flyte fra n-laget til p-laget. Men i uttømmingslaget blir noen av disse elektronene fanget opp av hullene. Disse elektronene frigjør deler av energien sin i form av lysglimt. Det genererte lyset kan slippe ut gjennom det tynne p-laget. Lysintensiteten bestemmes av strømmen: jo sterkere strømmen er, desto mer intens er lyset.
Spranget av valenselektronene fra det negative til det positive laget gir lyset som dioden sender ut.
Lederspenning i forhold til fargen på LED:
En LED kommer i tre farger: rød, grønn og blå. Med disse tre grunnfargene kan andre farger oppnås ved å blande dem. Sammensetningen av materialer i n- og p-lagene bestemmer mengden energi i elektronene og hullene.
- Lavenergielektroner omdanner mindre energi til lysstråling enn et høyenergielektron;
- Rødt lys har mindre energi enn blått lys;
- Rødt er skapt av lavenergielektroner og blått av høyenergielektroner.
Hvite lysdioder kan ikke produseres. Ved å legge til et ekstra fluorescerende lag til en blå LED, omdannes en del av det blå lyset til gult lys. Blandingen av blått og gult lys oppfattes av det menneskelige øyet som hvitt lys. Ved å justere blandingsforholdet mellom dette gule og blå lyset kan du sende ut varmt eller kaldt hvitt lys.
I karakteristikken ser vi spenningen som bygges opp i utarmingssonen og er derfor ledningsspenningen til den aktuelle farge-LED. Når strøm sendes gjennom en LED, er det et nesten konstant spenningsfall.
Kontrollmetoder:
I bilteknologi kan vi bruke lysdioder med en seriemotstand eller i seriekretser, slik at vi oppnår ønsket styrespenning.
LED med seriemotstand:
Hvis vi skulle koblet en LED direkte til pluss og minus på batteriet, ville LED umiddelbart svikte. Det skal alltid være en seriemotstand plasseres i serie med LED.
Verdien av seriemotstanden bestemmes av to faktorer: strømmen og forsyningsspenningen. En rød LED lyser så snart driftsspenningen på 1,5 volt er nådd og ca. 20 mA strømmer gjennom den.
Den tilførte forsyningsspenningen avhenger av applikasjonen. I bilindustrien kan dette være 5, men også 12 eller 24 volt. Den nødvendige motstanden kan bestemmes ved hjelp av Ohms lov. Trekk driftsspenningen fra forsyningsspenningen og del den på strømmen.
- Med en forsyningsspenning på 5 volt vil det kreves en seriemotstand på (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohm for den røde LED-en.
- med en forsyningsspenning på 12 volt og en rød LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (en motstand på én faktor høyere).
Vi møter hovedsakelig LED med seriemotstander i ettermontert LED-belysning (ettermontering). De raske av og på-tidene og lysstyrken til en LED kan være en grunn til å bytte ut glødelamper med LED. Du trenger ikke å gjøre det for energieffektivitet, da seriemotstanden også forårsaker et effekttap som i noen tilfeller er like stort som effekttapet til den originale lampen.
Koble lysdioder i serie:
Ved å seriekoble lysdiodene kreves det ingen seriemotstand eller seriemotstand med lav motstandsverdi. Den interne motstanden til selve LED-ene sørger for at forsyningsspenningen fordeles mellom LED-ene i seriekretsen. Jo flere lysdioder som er plassert i serie, jo mindre kan seriemotstanden gjøres. I figuren er seks lysdioder koblet i serie og to rader er koblet parallelt.
Lysdiodene koblet i serie finnes i baklysenheter eller tredje bremselysenheter. Dette er en ofte brukt kontrollmetode innen bilteknologi.
Juster lysintensiteten:
Med en mikrokontroller kan vi styre styringen av en LED med en puls. Vi kaller dette: Pulsbreddemodulering (PWM).
Driftssyklusen bestemmer tidspunktet da lysdioden aktiveres. Ved å veksle på-av-pulsene mellom 3,3 og 0 volt ved høy hastighet, lyser LED-en med lavere lysstyrke.
Denne kontrollmetoden er den samme på en lyspære med flere funksjoner, for eksempel:
- 50 % lysstyrke med lys slått på;
- 100 % sterkt lys med bremselys på.
I et praktisk oppsett med en Arduino kan du eksperimentere med PWM-styringen av lysdiodene på Arduinoen eller eksternt tilkoblede lysdioder (utstyrt med seriemotstander).
Flerfargede lysdioder:
Alle farger kan komponeres med de tre grunnfargene rød, grønn og blå. Dette kan utnyttes godt ved å kombinere to eller tre lysdioder. Nedenfor vises tre prinsipper som brukes for å oppnå flere farger gjennom en elektrisk krets.
To-farget LED:
Diagrammet viser to lysdioder koblet parallelt, med retning bakover og fremover. Strømretningen avgjør hvilken LED som lyser: grønn (øverst) eller rød (bunn) Polariteten reverseres av en ekstern krets eller ECU.
Trefarget LED:
Dette diagrammet viser også to lysdioder koblet parallelt. I kretsen kan en forsyningsspenning påføres en av de to lysdiodene (grønn eller rød), eller begge samtidig. I så fall oppstår fargeblanding og den røde og grønne LED-en blir gul.
RGB LED:
Med RGB-lysdioder er tre lysdioder, hver med sin egen farge, plassert i ett hus. Fargene kan styres separat. For å kontrollere RGB LED kreves det tre PWM-kontroller, som genererer et justerbart på/av-forhold på hver strømpinne. I tillegg til de forskjellige fargene kan også lysintensiteten justeres.
På det neste bildet ser vi tre lysdioder, hver med sin egen anodetilkobling (A1 til A3) og en felles katode.
