Subiecte:
- introducere
- Funcționarea unui LED
- Tensiunea de conducere în raport cu culoarea LED-ului
- Metode de control
- LED-uri multicolore
Introducere:
Un LED este o componentă semiconductoare utilizată în mod obișnuit pentru a emite lumină. LED înseamnă: Light Emitting Diode și înseamnă: Light Emitting Diode. După invenția sa din 1962, LED-ul a fost folosit în principal ca indicator luminos și pentru transmiterea semnalului. De la sfârșitul anilor 90, evoluțiile tehnologice au făcut posibilă producerea de LED-uri care servesc drept sursă de lumină pentru utilizarea de zi cu zi. În tehnologia auto, LED-urile sunt frecvent utilizate ca iluminare a instrumentelor (planșa de bord), iluminare exterioară (faruri spate) sau iluminare principală (în faruri) datorită următoarelor avantaje în comparație cu lămpile cu incandescență și cu halogen:
- consum redus de energie: cu aceeași intensitate luminoasă în comparație cu alte tipuri de lămpi, LED-ul consumă mult mai puțină energie. LED-ul are o eficienta foarte mare de pana la 80%;
- siguranță: lămpile incandescente au nevoie de aproximativ 200 ms pentru a încălzi filamentul și a emite lumină. Un LED nu necesită o fază de încălzire, ceea ce înseamnă că un LED își atinge intensitatea luminii mai repede (în mai puțin de 1 milisecundă). Când un LED este folosit ca lumină de frână, frânarea este observată mai devreme și are o influență pozitivă asupra timpului de oprire;
- dezvoltare scăzută a căldurii: deoarece LED-urile se încălzesc cu greu, carcasele lămpilor pot fi făcute mai mici și pot fi utilizate materiale mai ieftine, care sunt mai puțin rezistente la stres termic;
- durată de viață mare: un LED durează aproximativ toată viața unei mașini. Dacă se dovedește că LED-urile sunt defecte, cauza poate fi adesea găsită în altă parte, cum ar fi o întrerupere a căii de imprimare sau un control incorect. Luminozitatea unui LED poate scădea cu un anumit număr de ore de ardere.
Imaginea de mai jos arată simbolul diodei, cu text suplimentar deasupra părților „anod” și „catod”. Simbolul unui LED este aproape identic cu cel al unei diode, dar au fost adăugate două săgeți îndreptate în sus, care indică radiația luminoasă. Direcția curentului este, la fel ca în cazul diodei, în direcția săgeții. Cursa verticală este direcția inversă. Dacă curentul trece prin LED în direcția săgeții, acesta se va aprinde. În schimb, acesta va fi blocat și, prin urmare, nu se va aprinde.
Funcționarea unui LED:
La fel ca o diodă „normală”, LED-ul este format din două straturi semiconductoare:
- stratul negativ (n-stratul) conține un exces de electroni;
- stratul pozitiv (stratul p) are un deficit de electroni.
Lipsa de electroni în stratul p poate fi văzută ca un număr de găuri pozitive în exces. În joncțiunea p-n (stratul de epuizare), surplusul de electroni din stratul n va umple golurile din stratul p. Încă nu circulă curent, astfel încât sarcina din joncțiunea np este neutră.
Pentru ca curentul să circule prin diodă, trebuie mai întâi depășită tensiunea internă a zonei de epuizare. Aceasta este așa-numita tensiune de difuzie sau tensiune de prag a diodei. Când tensiunea este crescută, curentul de electroni va putea curge din stratul n în stratul p. Cu toate acestea, în stratul de epuizare, unii dintre acești electroni sunt capturați de găuri. Acești electroni eliberează o parte din energia lor sub formă de fulgere de lumină. Lumina generată poate scăpa prin stratul p subțire. Intensitatea luminii este determinată de curent: cu cât curentul este mai puternic, cu atât lumina este mai intensă.
Saltul electronilor de valență de la stratul negativ la cel pozitiv furnizează lumina pe care o emite dioda.
Tensiunea conductorului în raport cu culoarea LED-ului:
Un LED vine în trei culori: roșu, verde și albastru. Cu aceste trei culori de bază se pot obține alte culori prin amestecarea lor. Compoziția materialelor din straturile n și p determină cantitatea de energie din electroni și găuri.
- Electronii cu energie scăzută convertesc mai puțină energie în radiații luminoase decât un electron cu energie înaltă;
- Lumina roșie are mai puțină energie decât lumina albastră;
- Roșu este creat de electroni cu energie scăzută, iar albastru de electroni cu energie înaltă.
LED-urile albe nu pot fi produse. Prin adăugarea unui strat fluorescent suplimentar la un LED albastru, o parte din lumina albastră este transformată în lumină galbenă. Amestecul de lumină albastră și galbenă este perceput de ochiul uman ca lumină albă. Reglând raportul de amestec între această lumină galbenă și albastră, puteți emite lumină albă caldă sau rece.
În caracteristică vedem tensiunea care se acumulează în zona de epuizare și, prin urmare, este tensiunea de conducere a LED-ului de culoare relevant. Când curentul este trimis printr-un LED, există o cădere de tensiune aproape constantă.
Metode de control:
În tehnologia auto putem folosi LED-uri cu a rezistență în serie sau în circuite în serie, astfel încât să atingem tensiunea de control dorită.
LED cu rezistență în serie:
Dacă ar fi să conectăm un LED direct la plusul și minusul bateriei, LED-ul s-ar defecta imediat. Ar trebui să existe întotdeauna unul rezistență în serie fi plasat în serie cu LED-ul.
Valoarea rezistorului seriei este determinată de doi factori: curentul și tensiunea de alimentare. Un LED roșu se aprinde imediat ce este atinsă tensiunea de funcționare de 1,5 volți și trece aproximativ 20 mA prin el.
Tensiunea de alimentare furnizată depinde de aplicație. În industria auto aceasta poate fi 5, dar și 12 sau 24 volți. Rezistența necesară poate fi determinată folosind legea lui Ohm. Scădeți tensiunea de funcționare din tensiunea de alimentare și împărțiți-o la curent.
- Cu o tensiune de alimentare de 5 volți, va fi necesar un rezistor în serie de (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohmi pentru LED-ul roșu.
- cu o tensiune de alimentare de 12 volți și un LED roșu: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (o rezistență cu un factor mai mare).
Întâlnim în principal LED-uri cu rezistențe în serie în iluminarea cu LED-uri modernizată (retrofit). Timpii rapidi de aprindere și oprire și luminozitatea unui LED pot fi un motiv pentru a înlocui lămpile incandescente cu LED-uri. Nu trebuie să o faceți pentru eficiență energetică, deoarece rezistența în serie provoacă și o pierdere de putere care în unele cazuri este la fel de mare ca și puterea disipată a lămpii originale.
Conectarea LED-urilor în serie:
Prin conectarea LED-urilor în serie, nu este necesar nici un rezistor în serie sau un rezistor în serie cu o valoare scăzută a rezistenței. Rezistența internă a LED-urilor în sine asigură distribuirea tensiunii de alimentare între LED-urile din circuitul serie. Cu cât sunt plasate mai multe LED-uri în serie, cu atât rezistența în serie poate fi mai mică. În figură, șase LED-uri sunt conectate în serie și două rânduri sunt conectate în paralel.
LED-urile conectate în serie se găsesc în unitățile de lumini din spate sau a treia unități de lumini de frână. Aceasta este o metodă de control folosită frecvent în tehnologia auto.
Reglați intensitatea luminii:
Cu un microcontroler putem controla controlul unui LED cu un impuls. Numim asta: Modulația lățimii pulsului (PWM).
Ciclul de lucru determină momentul la care LED-ul este activat. Prin alternarea impulsurilor de pornire-oprire între 3,3 și 0 volți la viteză mare, LED-ul se aprinde la o luminozitate mai mică.
Această metodă de control este aceeași pe un bec cu funcții multiple, cum ar fi:
- 50% luminozitate cu luminile aprinse;
- 100% lumină puternică cu lumină de frână aprinsă.
Într-o configurație practică cu un Arduino, puteți experimenta cu controlul PWM al LED-urilor de pe Arduino sau LED-urilor conectate extern (echipate cu rezistențe în serie).
LED-uri multicolore:
Toate culorile pot fi compuse cu cele trei culori de bază roșu, verde și albastru. Acest lucru poate fi valorificat prin combinarea a două sau trei LED-uri. Mai jos sunt prezentate trei principii utilizate pentru a obține mai multe culori printr-un circuit electric.
LED bicolor:
Diagrama prezintă două LED-uri conectate în paralel, cu direcțiile invers și înainte. Direcția curentului determină ce LED se aprinde: verde (sus) sau roșu (jos).Polaritatea este inversată de un circuit extern sau ECU.
LED tricolor:
Această diagramă arată și două LED-uri conectate în paralel. În circuit, o tensiune de alimentare poate fi aplicată unuia dintre cele două LED-uri (verde sau roșu), sau ambelor în același timp. În acest caz, are loc amestecarea culorilor, iar LED-ul roșu și verde devin galbene.
LED RGB:
Cu LED-urile RGB, trei LED-uri, fiecare cu propria culoare, sunt găzduite într-o singură carcasă. Culorile pot fi controlate separat. Pentru a controla LED-ul RGB, sunt necesare trei comenzi PWM, care generează un raport de pornire/oprire reglabil pe fiecare pin de alimentare. Pe lângă diferitele culori, se poate regla și intensitatea luminii.
În imaginea următoare vedem trei LED-uri, fiecare cu propria conexiune anod (A1 la A3) și un catod comun.
