Onderwerpen:
- Inleiding
- Werking van een LED
- Geleidingsspanning in relatie met de kleur van de LED
- Aanstuurmethoden
- LED’s met meerdere kleuren
Inleiding:
Een LED is een veelgebruikt halfgeleidercomponent om licht af te geven. LED staat voor: Light Emitting Diode en betekent: licht uitstralende diode. Na de uitvinding in 1962 is de LED voornamelijk gebruikt als indicatorlampje en voor signaaloverdracht. De technologische ontwikkelingen hebben het sinds eind jaren ’90 mogelijk gemaakt om LED’s te produceren die als lichtbron voor het dagelijks gebruik dienen. In de autotechniek worden LED’s veelvuldig als instrumentenverlichting (dashboard), buitenverlichting (achterlichten) of hoofdverlichting (in de koplampen) gebruikt door de volgende voordelen t.o.v. gloeilampen en halogeenlampen:
- laag energieverbruik: bij gelijke lichtsterkte t.o.v. andere type lampen gebruikt de LED aanzienlijk minder energie. De LED heeft een zeer hoog rendement van wel 80%;
- veiligheid: gloeilampen hebben ongeveer 200 ms nodig om de gloeidraad op temperatuur te brengen en licht uit te stralen. Een LED heeft geen opwarmingsfase nodig, wat betekent dat een LED sneller (in minder dan 1 milliseconde) zijn lichtsterkte bereikt. Wanneer een LED wordt gebruikt als remlicht, wordt het afremmen eerder opgemerkt en heeft dit een positieve invloed op de stoptijd;
- geringe warmteontwikkeling: doordat LED’s nauwelijks warm worden, kunnen lampbehuizingen kleiner worden uitgevoerd en kunnen goedkopere materialen worden gebruikt die minder goed bestand zijn tegen thermische belasting;
- hoge levensduur: een LED gaat ongeveer een heel autoleven mee. Als blijkt dat LED’s defect zijn, is de oorzaak vaak elders te zoeken, zoals een breuk in de printbaan of een foutieve aansturing. De helderheid van een LED kan met een bepaald aantal branduren wel lager worden.
De afbeelding hiernaast toont het symbool van de diode, met aanvullend de tekst boven de “anode” en “kathode” zijden. Het symbool van een LED is nagenoeg identiek aan dat van een diode, maar hierbij zijn er twee naar bovengerichte pijlen toegevoegd, welke de lichtstraling aanduiden. De stroomrichting is, net als bij de diode, in de pijlrichting. De verticale streel is de sperrichting. Als de stroom in pijlrichting (van links naar rechts) door de LED stroomt, zal hij branden. Andersom (van rechts naar links) zal hij sperren en dus niet gaan branden.
Werking van een LED:
Net als bij een “normale” diode, bestaat de LED uit twee halfgeleidende lagen:
- de negatieve laag (n-laag) bevat een elektronenoverschot;
- de positieve laag (p-laag) heeft een tekort aan elektronen.
Het tekort aan elektronen in de p-laag kan worden gezien als een aantal teveel aan positieve gaten. In de pn-overgang (depletion-laag) zal het overschot aan elektronen in de n-laag de gaten in de p-laag opvullen. Er vloeit nog geen stroom, dus de lading in de np-overgang neutraal.
Om de stroom door de diode te laten vloeien, moet eerst de interne spanning van de depletion-zone worden overwonnen. Dit is de zogenaamde diffusiespanning of drempelspanning van de diode. Wanneer de spanning wordt opgevoerd, zal de elektronenstroom vanuit de n-laag naar de p-laag kunnen stromen. In de depletion-laag wordt een deel van deze elektronen echter opgevangen door de gaten. Deze elektronen geven een deel van hun energie daarbij af onder de vorm van lichtflitsen. Het gegenereerde licht kan ontsnappen via de dunne p-laag. De lichtintensiteit wordt bepaald door de stroomsterkte: hoe sterker de stroom, hoe intenser het licht.
Het overspringen van de valentie-elektronen van de negatieve naar de positieve laag zorgt voor het licht dat de diode uitstraalt.
Geleidingsspaning in relatie met de kleur van de LED:
Een LED vinden we in drie kleuren: rood, groen en blauw. Met deze drie basiskleuren kunnen andere kleuren worden verkregen door deze te mengen. De samenstelling van materialen van de n- en p-lagen zijn bepalend voor de hoeveelheid energie in de elektronen en gaten.
- Laag-energetische elektronen zetten minder energie om in lichtstraling dan een hoog-energetisch elektron;
- Rood licht heeft minder energie dan blauw licht;
- Rood ontstaat door laag- en blauw door hoog energetische elektronen.
Witte LED’s kunnen niet worden geproduceerd. Door een extra fluorescerende laag aan een blauwe LED toe te voegen, wordt een deel van het blauwe licht omgezet in geel licht. Het mengsel van blauw en geel licht wordt door het menselijk oog ervaren als wit licht. Door de mengverhouding tussen dit gele en blauwe licht aan te passen, kan men warm of koud wit licht laten uitstralen.
In de karakteristiek zien we de spanning die in de depletion-zone wordt opgebouwd en daarmee de geleidingsspanning van de desbetreffende kleur LED is. Als er stroom door een LED wordt gestuurd, ontstaat er een vrijwel constante spanningsval.
Aanstuurmethoden:
In de autotechniek kunnen we LED’s met een voorschakelweerstand of in serieschakelingen aansturen, zodat we de gewenste aanstuurspanning bereiken.
LED met voorschakelweerstand:
Als we een LED direct met de plus en min van de accu zouden verbinden, zou de LED direct defect gaan. Er moet altijd een voorschakelweerstand in serie met de LED worden geplaatst.
De waarde van de voorschakelweerstand wordt bepaald door twee factoren: de stroom en voedingsspanning. Een rode LED geeft licht zodra er de werkspanning van 1,5 volt is bereikt en er ca. 20 mA doorheen stroomt.
De toegevoerde voedingsspanning is afhankelijk van de toepassing. Dit kan in de automotive 5, maar ook 12 of 24 volt zijn. Met de Wet van Ohm kan de benodigde weerstand worden bepaald. Trek de werkspanning van de voedingsspanning af en deel deze door de stroom.
- bij een voedingsspanning van 5 volt zal bij rode LED een voorschakelweerstand nodig zijn van (5 – 1,5) / 0,02 = 175 ohm.
- bij een voedingsspanning van 12 volt en een rode LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (een weerstand van één factor hoger).
De LED’s met voorschakelweerstand komen we voornamelijk tegen bij achteraf ingebouwde LED-verlichting (retrofit). De snelle in- en uitschakeltijden en de helderheid van een LED kunnen een reden zijn om gloeilampen door LED’s te vervangen. Voor de energiezuinigheid hoef je het niet te doen, aangezien de voorschakelweerstand tevens zorgt voor een vermogensverlies dat in sommige gevallen net zo groot is als de vermogensdissipatie van de oorspronkelijke lamp.
LED’s in serie schakelen:
Door de LED’s in serie te schakelen is er geen, of een voorschakelweerstand met een lage weerstandswaarde nodig. De interne weerstand van de LED’s zelf zorgen dat de voedingsspanning wordt verdeeld over de LED’s in de serieschakeling. Hoe meer LED’s er in serie zijn geplaatst, hoe kleiner de voorschakelweerstand kan worden uitgevoerd. In de afbeelding zijn zes LED’s in serie geschakeld en twee rijen parallel geschakeld.
De in serie geschakelde LED’s komen we tegen in achterlichtunits of derde remlichtunits. Dit is een veel toegepaste aanstuurmethode in de autotechniek.
Lichtintensiteit aanpassen:
Met een microcontroller kunnen we de aansturing van een LED met een puls regelen. Dit noemen we: Pulse Width Modulation (PWM).
De duty cycle bepaalt de tijd waarop de LED wordt aangestuurd. Door de aan-uitpulsen tussen 3,3 en 0 volt met een hoge snelheid te laten wisselen, gaat de LED op een lagere felheid branden.
Deze aanstuurmethode is hetzelfde op een gloeilamp met meerde functies, denk aan:
- 50% fel branden met verlichting ingeschakeld;
- 100% fel branden met remlicht ingeschakeld.
In een practicumopstelling met een Arduino kan men met de PWM-regeling van de LED’s op de Arduino of extern aangesloten LED’s (voorzien van voorschakelweerstanden) experimenteren.
LED’s met meerdere kleuren:
Met de drie basiskleuren rood, groen en blauw kunnen alle kleuren worden samengesteld. Hier kan handig gebruik van worden gemaakt door twee of drie LED’s met elkaar te combineren. Hieronder worden drie principes weergegeven die worden gebruikt om door middel van een elektrische schakeling meerdere kleuren te verkrijgen.
Tweekleuren LED:
In het schema staan twee parallel geschakelde LED’s, waarbij de sper- en doorlaatrichtingen zijn omgedraaid. De stroomrichting bepaalt welke LED er brandt: groen (boven) of rood (onder), De polariteit wordt door een externe schakeling of ECU omgedraaid.
Driekleuren LED:
Ook in dit schema staan twee parallelgeschakelde LED’s. In de schakeling kan op één van de twee LED’s een voedingsspanning worden gezet (groen of rood), of beide tegelijk. In dat geval ontstaat er kleurmenging en kleuren de rode en groene LED geel.
RGB-LED:
Met RGB-LED’s worden drie LED’s met alledrie hun eigen kleur ondergebracht in één behuizing. De kleuren zijn afzonderlijk van elkaar aan te sturen. Om de RGB-LED aan te sturen zijn er drie PWM-aansturingen nodig, die op iedere voedingspin een instelbare aan/uit-verhouding genereren. Naast de verschillende kleuren, kan daarmee ook de lichtintensiteit worden ingesteld.
In de volgende afbeelding zien we drie LED’s met elk hun eigen Anode-aansluiting (A1 t/m A3) en een gezamenlijke Kathode.
