Tópicos:
- Introdução
- Funcionamento de um LED
- Tensão de condução em relação à cor do LED
- Métodos de controle
- LEDs multicoloridos
Introdução:
Um LED é um componente semicondutor comumente usado para emitir luz. LED significa: Diodo Emissor de Luz e significa: diodo emissor de luz. Após a sua invenção em 1962, o LED tem sido utilizado principalmente como luz indicadora e para transmissão de sinais. Desde o final da década de 90, a evolução tecnológica tornou possível a produção de LEDs que servem como fonte de luz para o uso diário. Na tecnologia automotiva, os LEDs são frequentemente utilizados como iluminação de instrumentos (painel), iluminação externa (lanternas traseiras) ou iluminação principal (nos faróis) devido às seguintes vantagens em comparação com lâmpadas incandescentes e lâmpadas halógenas:
- baixo consumo de energia: com a mesma intensidade de luz em comparação com outros tipos de lâmpadas, o LED utiliza consideravelmente menos energia. O LED tem uma eficiência muito elevada de até 80%;
- segurança: as lâmpadas incandescentes precisam de aproximadamente 200 ms para aquecer o filamento e emitir luz. Um LED não requer uma fase de aquecimento, o que significa que um LED atinge a sua intensidade de luz mais rapidamente (em menos de 1 milissegundo). Quando um LED é utilizado como luz de freio, a frenagem é percebida mais cedo e influencia positivamente no tempo de parada;
- baixo desenvolvimento de calor: como os LED dificilmente aquecem, os alojamentos das lâmpadas podem ser menores e podem ser usados materiais mais baratos e menos resistentes ao estresse térmico;
- alta vida útil: um LED dura aproximadamente a vida inteira de um carro. Se os LEDs estiverem com defeito, a causa geralmente pode ser encontrada em outro lugar, como uma interrupção no caminho de impressão ou controle incorreto. O brilho de um LED pode diminuir com um certo número de horas de funcionamento.
A imagem abaixo mostra o símbolo do diodo, com texto adicional acima dos lados “ânodo” e “cátodo”. O símbolo de um LED é quase idêntico ao de um diodo, mas foram adicionadas duas setas apontando para cima, que indicam a radiação luminosa. A direção da corrente é, assim como a do diodo, na direção da seta. O curso vertical é a direção inversa. Se a corrente fluir através do LED na direção da seta, ele acenderá. Por outro lado, ficará bloqueado e, portanto, não acenderá.
Funcionamento de um LED:
Assim como um diodo “normal”, o LED consiste em duas camadas semicondutoras:
- a camada negativa (camada n) contém um excesso de elétrons;
- a camada positiva (camada p) tem escassez de elétrons.
A escassez de elétrons na camada p pode ser vista como uma série de lacunas positivas em excesso. Na junção pn (camada de depleção), o excesso de elétrons na camada n preencherá as lacunas na camada p. Nenhuma corrente está fluindo ainda, então a carga na junção np é neutra.
Para que a corrente flua através do diodo, a tensão interna da zona de depleção deve primeiro ser superada. Esta é a chamada tensão de difusão ou tensão limite do diodo. Quando a tensão aumenta, a corrente de elétrons será capaz de fluir da camada n para a camada p. Porém, na camada de depleção, alguns desses elétrons são capturados pelas lacunas. Esses elétrons liberam parte de sua energia na forma de flashes de luz. A luz gerada pode escapar através da fina camada p. A intensidade da luz é determinada pela corrente: quanto mais forte for a corrente, mais intensa será a luz.
O salto dos elétrons de valência da camada negativa para a positiva fornece a luz que o diodo emite.
Tensão do condutor em relação à cor do LED:
Um LED vem em três cores: vermelho, verde e azul. Com estas três cores básicas podem ser obtidas outras cores misturando-as. A composição dos materiais nas camadas n e p determina a quantidade de energia nos elétrons e buracos.
- Os elétrons de baixa energia convertem menos energia em radiação luminosa do que um elétron de alta energia;
- A luz vermelha tem menos energia que a luz azul;
- O vermelho é criado por elétrons de baixa energia e o azul por elétrons de alta energia.
LEDs brancos não podem ser produzidos. Ao adicionar uma camada fluorescente extra a um LED azul, parte da luz azul é convertida em luz amarela. A mistura de luz azul e amarela é percebida pelo olho humano como luz branca. Ao ajustar a proporção de mistura entre esta luz amarela e azul, você pode emitir luz branca quente ou fria.
Na característica vemos a tensão que se acumula na zona de depleção e é, portanto, a tensão de condução do LED da cor relevante. Quando a corrente é enviada através de um LED, ocorre uma queda de tensão quase constante.
Métodos de controle:
Na tecnologia automotiva podemos usar LEDs com uma resistor em série ou em circuitos em série, para que alcancemos a tensão de controle desejada.
LED com resistor em série:
Se conectarmos um LED diretamente ao positivo e ao negativo da bateria, o LED falhará imediatamente. Deveria haver sempre um resistor em série ser colocado em série com o LED.
O valor do resistor em série é determinado por dois fatores: a corrente e a tensão de alimentação. Um LED vermelho acende assim que a tensão operacional de 1,5 volts é atingida e aproximadamente 20 mA flui através dele.
A tensão de alimentação fornecida depende da aplicação. Na indústria automotiva pode ser 5, mas também 12 ou 24 volts. A resistência necessária pode ser determinada usando a Lei de Ohm. Subtraia a tensão operacional da tensão de alimentação e divida pela corrente.
- Com uma tensão de alimentação de 5 volts, um resistor em série de (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohm será necessário para o LED vermelho.
- com tensão de alimentação de 12 volts e LED vermelho: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (resistência um fator maior).
Encontramos principalmente LEDs com resistores em série em iluminação LED adaptada (retrofit). Os tempos rápidos de ligar e desligar e o brilho de um LED podem ser um motivo para substituir as lâmpadas incandescentes por LEDs. Você não precisa fazer isso para obter eficiência energética, pois o resistor em série também causa uma perda de potência que em alguns casos é tão grande quanto a dissipação de potência da lâmpada original.
Conectando LEDs em série:
Ao conectar os LEDs em série, nenhum resistor em série ou um resistor em série com um valor de resistência baixo é necessário. A resistência interna dos próprios LEDs garante que a tensão de alimentação seja distribuída entre os LEDs no circuito em série. Quanto mais LEDs forem colocados em série, menor será o resistor em série. Na figura, seis LEDs estão conectados em série e duas fileiras estão conectadas em paralelo.
Os LEDs conectados em série são encontrados nas unidades de luz traseira ou nas terceiras unidades de luz de freio. Este é um método de controle frequentemente usado na tecnologia automotiva.
Ajustar a intensidade da luz:
Com um microcontrolador podemos controlar o controle de um LED com pulso. Chamamos isso: Modulação de Largura de Pulso (PWM).
O ciclo de trabalho determina o momento em que o LED é ativado. Ao alternar os pulsos liga-desliga entre 3,3 e 0 volts em alta velocidade, o LED acende com brilho menor.
Este método de controle é o mesmo em uma lâmpada com múltiplas funções, como:
- 50% de brilho com luzes acesas;
- Luz 100% brilhante com luz de freio acesa.
Em uma configuração prática com um Arduino, você pode experimentar o controle PWM dos LEDs no Arduino ou LEDs conectados externamente (equipados com resistores em série).
LEDs multicoloridos:
Todas as cores podem ser compostas com as três cores básicas vermelho, verde e azul. Isso pode ser bem aproveitado combinando dois ou três LEDs. Abaixo são mostrados três princípios usados para obter múltiplas cores através de um circuito elétrico.
LED de duas cores:
O diagrama mostra dois LEDs conectados em paralelo, com direções reversa e direta. A direção da corrente determina qual LED acende: verde (superior) ou vermelho (inferior) A polaridade é invertida por um circuito externo ou ECU.
LED tricolor:
Este diagrama também mostra dois LEDs conectados em paralelo. No circuito, uma tensão de alimentação pode ser aplicada a um dos dois LEDs (verde ou vermelho), ou a ambos ao mesmo tempo. Nesse caso, ocorre a mistura de cores e os LED vermelho e verde ficam amarelos.
LED RGB:
Com LEDs RGB, três LEDs, cada um com sua própria cor, ficam alojados em uma caixa. As cores podem ser controladas separadamente. Para controlar o LED RGB, são necessários três controles PWM, que geram uma relação liga/desliga ajustável em cada pino de alimentação. Além das diferentes cores, a intensidade da luz também pode ser ajustada.
Na próxima imagem vemos três LEDs, cada um com sua conexão de Ânodo (A1 a A3) e um Cátodo comum.
