Предмети:
- Вступ
- Робота світлодіода
- Напруга провідності по відношенню до кольору світлодіода
- Методи контролю
- Багатоколірні світлодіоди
Вступ:
Світлодіод — це напівпровідниковий компонент, який зазвичай використовується для випромінювання світла. Світлодіод означає: Light Emitting Diode і означає: світловипромінюючий діод. Після винаходу в 1962 році світлодіод в основному використовувався як світловий індикатор і для передачі сигналу. З кінця 90-х років технологічний розвиток зробив можливим виробництво світлодіодів, які служать джерелом світла для щоденного використання. В автомобільній техніці світлодіоди часто використовуються як приладове освітлення (панель приладів), зовнішнє освітлення (задні ліхтарі) або основне освітлення (у фарах) через такі переваги порівняно з лампами розжарювання та галогенними лампами:
- низьке енергоспоживання: при однаковій інтенсивності світла порівняно з іншими типами ламп, світлодіод споживає значно менше енергії. Світлодіод має дуже високий ККД до 80%;
- Безпека: лампам розжарювання потрібно приблизно 200 мс, щоб нагріти нитку розжарювання та випромінювати світло. Світлодіод не вимагає фази розігріву, що означає, що світлодіод досягає своєї інтенсивності світла швидше (менш ніж за 1 мілісекунду). Коли світлодіод використовується як стоп-сигнал, гальмування помічається раніше і позитивно впливає на час зупинки;
- низьке виділення тепла: оскільки світлодіоди майже не нагріваються, корпуси ламп можна зробити меншими та використовувати дешевші матеріали, менш стійкі до термічної напруги;
- високий термін служби: світлодіод служить приблизно весь термін служби автомобіля. Якщо виявилося, що світлодіоди несправні, причину часто можна знайти в іншому місці, наприклад, розрив шляху друку або неправильне керування. Яскравість світлодіода може зменшуватися з певною кількістю годин горіння.
На зображенні нижче показано символ діода з додатковим текстом над сторонами «анод» і «катод». Символ світлодіода майже ідентичний символу діода, але додано дві спрямовані вгору стрілки, які вказують на світлове випромінювання. Напрямок струму, як і у діода, в напрямку стрілки. Вертикальний штрих — зворотний напрямок. Якщо струм протікає через світлодіод у напрямку стрілки, він засвітиться. І навпаки, він буде заблокований і тому не світитиметься.
Робота світлодіода:
Як і «звичайний» діод, світлодіод складається з двох напівпровідникових шарів:
- негативний шар (n-шар) містить надлишок електронів;
- позитивний шар (p-шар) має дефіцит електронів.
Дефіцит електронів у p-шарі можна розглядати як кількість надлишкових позитивних дірок. У p-n-переході (збідненому шарі) надлишок електронів у n-шарі заповнить прогалини в p-шарі. Струм ще не тече, тому заряд у np-переході нейтральний.
Щоб через діод пройшов струм, спочатку необхідно подолати внутрішню напругу зони збіднення. Це так звана напруга дифузії або порогова напруга діода. Коли напруга збільшується, електронний струм зможе текти від n-шару до p-шару. Однак у виснаженому шарі деякі з цих електронів захоплюються дірками. Ці електрони виділяють частину своєї енергії у вигляді спалахів світла. Генероване світло може виходити через тонкий p-шар. Сила світла визначається струмом: чим сильніший струм, тим інтенсивніше світло.
Перехід валентних електронів з негативного шару на позитивний забезпечує світло, яке випромінює діод.
Напруга провідника по відношенню до кольору світлодіода:
Світлодіод буває трьох кольорів: червоний, зелений і синій. З цих трьох основних кольорів можна отримати інші кольори, змішуючи їх. Склад матеріалів у шарах n і p визначає кількість енергії в електронах і дірках.
- Електрони низької енергії перетворюють менше енергії у світлове випромінювання, ніж електрон високої енергії;
- Червоне світло має менше енергії, ніж синє світло;
- Червоний колір створюється електронами низької енергії, а синій – електронами високої енергії.
Білі світлодіоди не виробляються. Додавши до синього світлодіода додатковий флуоресцентний шар, частина синього світла перетворюється на жовте. Суміш синього і жовтого світла сприймається людським оком як біле світло. Регулюючи співвідношення між цим жовтим і синім світлом, ви можете випромінювати тепле або холодне біле світло.
У характеристиці ми бачимо напругу, яка накопичується в зоні виснаження, і тому є напругою провідності світлодіода відповідного кольору. Коли струм пропускається через світлодіод, відбувається майже постійне падіння напруги.
Методи контролю:
В автомобільній техніці ми можемо використовувати світлодіоди з a послідовний резистор або в послідовних ланцюгах, щоб досягти бажаної керуючої напруги.
Світлодіод з послідовним резистором:
Якби ми підключили світлодіод безпосередньо до плюса та мінуса батареї, світлодіод одразу б вийшов з ладу. Завжди має бути один послідовний резистор бути розміщені послідовно зі світлодіодом.
Номінал послідовного резистора визначається двома факторами: струмом і напругою живлення. Червоний світлодіод загоряється, як тільки досягається робоча напруга 1,5 В, і через нього протікає приблизно 20 мА.
Напруга живлення залежить від застосування. В автомобільній промисловості це може бути 5, а також 12 або 24 вольта. Необхідний опір можна визначити за допомогою закону Ома. Від напруги живлення відніміть робочу напругу і розділіть на силу струму.
- При напрузі живлення 5 вольт для червоного світлодіода знадобиться послідовний резистор (5 - 1,5) / 0,02 = 175 Ом.
- з напругою живлення 12 вольт і червоним світлодіодом: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 Ом (опір на один фактор більше).
Ми в основному зустрічаємо світлодіоди з послідовними резисторами в модифікованому світлодіодному освітленні (модернізація). Швидкий час увімкнення та вимкнення та яскравість світлодіода можуть стати приводом для заміни ламп розжарювання на світлодіоди. Ви не повинні робити це для енергоефективності, оскільки послідовний резистор також спричиняє втрати потужності, які в деяких випадках такі ж великі, як розсіювана потужність оригінальної лампи.
Послідовне підключення світлодіодів:
При послідовному з’єднанні світлодіодів послідовний резистор або резистор із низьким опором не потрібен. Внутрішній опір самих світлодіодів забезпечує розподіл напруги живлення між світлодіодами в послідовному ланцюзі. Чим більше світлодіодів розміщено послідовно, тим менший резистор можна зробити. На малюнку шість світлодіодів з’єднані послідовно, а два ряди – паралельно.
Світлодіоди, з’єднані послідовно, знаходяться в блоках задніх ліхтарів або третіх стоп-сигналів. Це часто використовуваний метод керування в автомобільній техніці.
Відрегулюйте інтенсивність світла:
За допомогою мікроконтролера ми можемо контролювати світлодіод за допомогою імпульсу. Ми називаємо це: Модуляція ширини імпульсу (ШІМ).
Робочий цикл визначає час, коли світлодіод активується. Завдяки високій швидкості чергування імпульсів увімкнення та вимкнення від 3,3 до 0 вольт світлодіод світиться з меншою яскравістю.
Цей метод керування такий самий для лампочки з кількома функціями, як-от:
- 50% яскравості з увімкненим світлом;
- 100% яскраве світло з увімкненим стоп-сигналом.
У практичній установці з Arduino ви можете експериментувати з ШІМ-контролем світлодіодів на Arduino або зовнішніх підключених світлодіодів (оснащених послідовними резисторами).
Багатоколірні світлодіоди:
Усі кольори можна скласти з трьох основних кольорів: червоного, зеленого та синього. Це можна добре використати, поєднавши два або три світлодіоди. Нижче наведено три принципи, які використовуються для отримання кількох кольорів через електричне коло.
Двоколірний світлодіод:
На схемі показано два паралельно з'єднаних світлодіода зі зворотним і прямим напрямками. Напрямок струму визначає, який світлодіод горить: зелений (верхній) чи червоний (нижній).Полярність змінюється зовнішньою схемою або ECU.
Триколірний світлодіод:
На схемі також показано два паралельно підключених світлодіода. У схемі напруга живлення може бути подана на один з двох світлодіодів (зелений або червоний) або на обидва одночасно. У цьому випадку відбувається змішування кольорів, і червоний і зелений світлодіод стає жовтим.
RGB LED:
У світлодіодах RGB три світлодіоди, кожен зі своїм кольором, розміщені в одному корпусі. Кольори можна контролювати окремо. Щоб керувати світлодіодом RGB, потрібні три регулятори ШІМ, які генерують регульований коефіцієнт увімкнення/вимкнення на кожному контакті живлення. Окрім різних кольорів, інтенсивність світла також можна регулювати.
На наступному зображенні ми бачимо три світлодіоди, кожен зі своїм анодом (A1 до A3) і загальним катодом.
