Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Działanie diody LED
- Napięcie przewodzenia w zależności od koloru diody LED
- Metody kontroli
- Wielokolorowe diody LED
Przedmowa:
Dioda LED jest powszechnie stosowanym elementem półprzewodnikowym emitującym światło. LED oznacza: diodę emitującą światło i oznacza: diodę emitującą światło. Po wynalezieniu w 1962 roku dioda LED była używana głównie jako lampka kontrolna i do transmisji sygnału. Od końca lat 90-tych rozwój technologii umożliwił produkcję diod LED, które służą jako źródło światła do codziennego użytku. W technice samochodowej diody LED są często stosowane jako oświetlenie przyrządów (deska rozdzielcza), oświetlenie zewnętrzne (lampy tylne) lub oświetlenie główne (w reflektorach) ze względu na następujące zalety w porównaniu do żarówek i lamp halogenowych:
- niskie zużycie energii: przy tej samej intensywności światła w porównaniu do innych typów lamp, dioda LED zużywa znacznie mniej energii. Dioda LED charakteryzuje się bardzo wysoką wydajnością sięgającą 80%;
- bezpieczeństwo: żarówki potrzebują około 200 ms, aby nagrzać żarnik i wyemitować światło. Dioda LED nie wymaga fazy nagrzewania, co oznacza, że dioda LED osiąga intensywność światła szybciej (w czasie krótszym niż 1 milisekunda). W przypadku zastosowania diody LED jako światła hamowania, hamowanie jest zauważalne wcześniej i ma pozytywny wpływ na czas zatrzymania;
- niski poziom wydzielania ciepła: ponieważ diody LED prawie się nie nagrzewają, obudowy lamp można zmniejszać i stosować tańsze materiały, które są mniej odporne na naprężenia termiczne;
- wysoka żywotność: dioda LED wystarcza na mniej więcej cały okres użytkowania samochodu. Jeśli okaże się, że diody LED są uszkodzone, przyczynę często można znaleźć gdzie indziej, np. przerwę w ścieżce druku lub nieprawidłowe sterowanie. Jasność diody LED może się zmniejszać wraz z określoną liczbą godzin świecenia.
Poniższy obrazek przedstawia symbol diody, z dodatkowym tekstem nad stronami „anoda” i „katoda”. Symbol diody LED jest prawie identyczny jak diody, ale dodano dwie strzałki skierowane w górę, które wskazują promieniowanie świetlne. Kierunek prądu jest, podobnie jak w przypadku diody, zgodny ze strzałką. Skok pionowy jest kierunkiem odwrotnym. Jeżeli prąd przepływa przez diodę LED w kierunku wskazanym przez strzałkę, dioda zaświeci się. I odwrotnie, zostanie zablokowany i dlatego nie będzie się świecić.
Działanie diody LED:
Podobnie jak „normalna” dioda, dioda LED składa się z dwóch warstw półprzewodnikowych:
- warstwa ujemna (warstwa n) zawiera nadmiar elektronów;
- warstwa dodatnia (warstwa p) ma niedobór elektronów.
Niedobór elektronów w warstwie p można postrzegać jako liczbę nadmiarowych dziur dodatnich. W złączu p-n (warstwa zubożona) nadwyżka elektronów w warstwie n wypełni luki w warstwie p. Żaden prąd jeszcze nie płynie, więc ładunek na złączu np jest neutralny.
Aby prąd mógł przepłynąć przez diodę, należy najpierw pokonać wewnętrzne napięcie strefy zubożenia. Jest to tak zwane napięcie dyfuzyjne lub napięcie progowe diody. Gdy napięcie wzrośnie, prąd elektronowy będzie mógł przepływać z warstwy n do warstwy p. Jednak w warstwie zubożonej część tych elektronów jest wychwytywana przez dziury. Elektrony te uwalniają część swojej energii w postaci błysków światła. Wytworzone światło może uciec przez cienką warstwę p. Natężenie światła zależy od prądu: im silniejszy prąd, tym intensywniejsze światło.
Przeskakiwanie elektronów walencyjnych z warstwy ujemnej do dodatniej zapewnia światło emitowane przez diodę.
Napięcie przewodu w zależności od koloru diody LED:
Dioda LED występuje w trzech kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim. Dzięki tym trzem podstawowym kolorom można uzyskać inne kolory poprzez ich zmieszanie. Skład materiałów w warstwach n i p określa ilość energii w elektronach i dziurach.
- Elektrony o niskiej energii przekształcają mniej energii w promieniowanie świetlne niż elektron o wysokiej energii;
- Czerwone światło ma mniej energii niż światło niebieskie;
- Czerwony jest tworzony przez elektrony o niskiej energii, a niebieski przez elektrony o wysokiej energii.
Nie można produkować białych diod LED. Dodanie dodatkowej warstwy fluorescencyjnej do niebieskiej diody LED powoduje zamianę części światła niebieskiego na światło żółte. Mieszanka światła niebieskiego i żółtego jest postrzegana przez ludzkie oko jako światło białe. Dostosowując stosunek mieszania żółtego i niebieskiego światła, możesz emitować ciepłe lub zimne białe światło.
Na charakterystyce widzimy napięcie, które narasta w strefie wyczerpania i dlatego jest napięciem przewodzenia odpowiedniej kolorowej diody LED. Kiedy prąd przepływa przez diodę LED, następuje prawie stały spadek napięcia.
Metody kontroli:
W technice samochodowej możemy zastosować diody LED o średnicy ok rezystor szeregowy lub w obwodach szeregowych, dzięki czemu uzyskamy pożądane napięcie sterujące.
Dioda LED z rezystorem szeregowym:
Gdybyśmy podłączyli diodę LED bezpośrednio do plusa i minusa akumulatora, dioda LED natychmiast przestałaby działać. Zawsze powinien być jeden rezystor szeregowy należy połączyć szeregowo z diodą LED.
Wartość rezystora szeregowego zależy od dwóch czynników: prądu i napięcia zasilania. Czerwona dioda LED zapala się, gdy zostanie osiągnięte napięcie robocze 1,5 V i przepływa przez nią około 20 mA.
Dostarczone napięcie zasilania zależy od zastosowania. W przemyśle motoryzacyjnym może to być napięcie 5, ale także 12 lub 24 woltów. Wymaganą rezystancję można określić za pomocą prawa Ohma. Odejmij napięcie robocze od napięcia zasilania i podziel je przez prąd.
- Przy napięciu zasilania 5 woltów dla czerwonej diody LED wymagany będzie rezystor szeregowy (5 - 1,5) / 0,02 = 175 omów.
- przy napięciu zasilania 12 V i czerwonej diodzie LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 omów (rezystancja o jeden współczynnik większa).
Diody LED z rezystorami szeregowymi spotykamy głównie w oświetleniu LED typu retrofit (retrofit). Krótki czas włączania i wyłączania oraz jasność diody LED mogą być powodem do zastąpienia żarówek diodami LED. Nie musisz tego robić ze względu na efektywność energetyczną, ponieważ rezystor szeregowy powoduje również stratę mocy, która w niektórych przypadkach jest tak duża, jak rozpraszanie mocy oryginalnej lampy.
Łączenie diod LED szeregowo:
Łącząc diody LED szeregowo, nie jest wymagany żaden rezystor szeregowy lub rezystor szeregowy o niskiej wartości rezystancji. Wewnętrzna rezystancja samych diod LED zapewnia rozkład napięcia zasilania pomiędzy diodami LED w obwodzie szeregowym. Im więcej diod LED jest połączonych szeregowo, tym mniejszy można zastosować rezystor szeregowy. Na rysunku sześć diod LED jest połączonych szeregowo, a dwa rzędy są połączone równolegle.
Diody LED połączone szeregowo znajdują się w zespołach świateł tylnych lub trzecich światłach hamowania. Jest to często stosowana metoda sterowania w technice motoryzacyjnej.
Dostosuj intensywność światła:
Za pomocą mikrokontrolera możemy sterować sterowaniem diodą LED za pomocą impulsu. Nazywamy to: Modulacja szerokości impulsu (PWM).
Cykl pracy określa czas, w którym dioda LED jest aktywowana. Zmieniając impulsy włączania i wyłączania w zakresie od 3,3 do 0 V przy dużej prędkości, dioda LED świeci z niższą jasnością.
Ta metoda sterowania jest taka sama w przypadku żarówki z wieloma funkcjami, takimi jak:
- 50% jasności przy włączonych światłach;
- 100% jasne światło z włączonym światłem stopu.
W praktycznej konfiguracji z Arduino możesz eksperymentować ze sterowaniem PWM diod LED w Arduino lub podłączonych zewnętrznie diod LED (wyposażonych w rezystory szeregowe).
Wielokolorowe diody LED:
Wszystkie kolory można komponować z trzech podstawowych kolorów: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Można to dobrze wykorzystać, łącząc dwie lub trzy diody LED. Poniżej pokazane są trzy zasady stosowane w celu uzyskania wielu kolorów za pomocą obwodu elektrycznego.
Dwukolorowa dioda LED:
Schemat przedstawia dwie diody LED połączone równolegle, z kierunkiem do tyłu i do przodu. Kierunek prądu określa, która dioda LED się zaświeci: zielona (na górze) lub czerwona (na dole).Polaryzacja jest odwracana przez obwód zewnętrzny lub ECU.
Trójkolorowa dioda LED:
Ten schemat pokazuje również dwie diody LED połączone równolegle. W obwodzie napięcie zasilania może być przyłożone do jednej z dwóch diod LED (zielonej lub czerwonej) lub do obu jednocześnie. W takim przypadku następuje mieszanie kolorów i czerwona i zielona dioda LED zmieniają kolor na żółty.
Dioda RGB:
W przypadku diod RGB trzy diody LED, każda w innym kolorze, są umieszczone w jednej obudowie. Kolory można kontrolować oddzielnie. Do sterowania diodą LED RGB wymagane są trzy elementy sterujące PWM, które generują regulowany współczynnik włączenia/wyłączenia na każdym pinie zasilania. Oprócz różnych kolorów można również regulować intensywność światła.
Na następnym obrazie widzimy trzy diody LED, każda z własnym połączeniem anodowym (A1 do A3) i wspólną katodą.
