Hallo en welkom bij onze tutorial waar we een kijkje nemen naar alles wat met LED te maken heeft. Allereerst, wat is een LED? LED staat voor Light Emitting Diode en is een elektronische component die gebruikt wordt om elektrische energie om te zetten in lichtenergie. Dit proces wordt elektroluminescentie genoemd. LED-technologie is overal om ons heen, indicatoren op consumentenelektronica, remlichten voor auto’s, TV-schermen, bijna elk elektronisch product maakt op de een of andere manier gebruik van LED’s. Het wijdverbreide gebruik van LED-technologie is te danken aan de energie-efficiëntie, de compacte vorm, de robuustheid en het gebruiksgemak in vergelijking met traditionele vormen van verlichting. Nu we weten dat ze nuttig zijn, hoe werken ze eigenlijk?
In dit artikel gebruiken we de basiselektronicatheorie en -termen, dus als je niet bekend bent met de wet van Ohm, spanning, stroom en dergelijke termen, lees dan eerst even onze Crash Course Analoge Elektronica.
Werkingsprincipe van LED’s
Een LED, zoals de naam al aangeeft, is een speciaal type diode, een die elektromagnetische energie (licht) uitzendt als hij wordt geactiveerd. We zullen niet direct ingaan op de fysica achter halfgeleidertechnologie, maar een diode bestaat uit een P-N junctie. Een P-N junctie bestaat uit twee halfgeleidende materialen, waarvan het ene zodanig is bewerkt (“gedopeerd”) dat het een groot aantal elektronen bevat (N voor negatief, want elektronen zijn negatief geladen deeltjes), en het andere zodanig is gedopeerd dat het minder elektronen bevat, of “gaten” waar de elektronen ontbreken (P voor positief, want de afwezigheid van elektronen creëert een positieve lading). Wanneer een stroom door deze verbinding loopt, springen elektronen van de N-zijde naar de P-zijde om de gaten op te vullen terwijl elektronen door de stroomkring bewegen en wanneer de elektronen deze opening overschrijden, wordt energie afgegeven (in het geval van LED’s, lichtenergie). De natuurkunde op een lager niveau is iets ingewikkelder dan dat, maar het volstaat te zeggen dat je de golflengte van de uitgezonden energie kunt regelen (de golflengte komt overeen met een kleur zichtbaar licht) door de constructie van de LED en de materialen die worden gebruikt om de P-N junctie te maken, te wijzigen.
Door gebruiker:S-kei – File:PnJunction-LED-E.PNG, CC BY-SA 2.5
Over kleuren gesproken, LED’s zijn verkrijgbaar in een grote verscheidenheid aan kleuren, vormen, maten en intensiteiten (helderheid), maar iets dat mensen vaak in verwarring brengt, is waarom Blauwe LED’s meestal duurder zijn dan andere kleuren LED. Dat komt omdat kleuren zoals rode, groene en infrarode LED’s al bijna een halve eeuw bestaan, terwijl blauwe LED’s pas een decennium of twee bestaan, omdat ze een ander materiaal en proces voor de constructie vereisen (galliumnitride GaN). Tegenwoordig kun je echter bijna elke kleur LED krijgen, inclusief LED’s met een niet-zichtbaar spectrum zoals infrarood (zoals gebruikt in afstandsbedieningen) en ultraviolet.
Bouw van een LED
Een LED is een vrij eenvoudig apparaat, het bestaat uit een epoxybehuizing (doorzichtig of gekleurd) met de halfgeleiderdiode in het midden die aan twee draden is bevestigd. De twee draden van een diode staan bekend als de anode en de kathode. De anode van de LED is de positieve pool en de kathode is de negatieve pool. Bij standaard doorlopende-gaats-LED’s heeft de behuizing aan één kant een afgeplatte rand, de ader aan deze kant is de kathode en is gewoonlijk ook de kortere ader. LED’s zijn, net als dioden, gepolariseerde apparaten, wat betekent dat ze slechts in één richting stroom toelaten. Als je een LED verkeerd in je schakeling plaatst, gaat hij niet kapot, maar gaat hij gewoon niet branden.
Door Inductiveload – Eigen werk van uploader, getekend in Solid Edge en Inkscape.., Publiek domein
Dat is leuk om te weten en zo, maar hoe ga je LED’s eigenlijk gebruiken? Laten we eens kijken.
LED’s gebruiken
Er zijn veel verschillende soorten LED’s voor verschillende toepassingen, waaronder auto- en huisverlichting, maar vandaag gaan we ons specifiek richten op de standaard LED-types die in elektronica worden gebruikt. Deze LED’s zijn verkrijgbaar in verschillende vormen zoals 10mm-3mm door-gat pakketten, en SMD-pakketten, maar het principe is hetzelfde. Bij het gebruik van LED’s zijn er 2 belangrijke kenmerken waarmee rekening moet worden gehouden om ze goed te laten werken. Aangezien LED’s slechts een speciaal type diode zijn, zijn veel van de hier besproken principes ook van toepassing op diodes.
Door Afrank99 – Eigen werk, CC BY-SA 2.0
Voorwaartse spanning:
Om een LED licht te laten uitstralen, moet er een bepaalde spanning over de LED worden gezet. Dit staat bekend als de ‘voorwaartse spanning’, of anders gezegd, de LED veroorzaakt een verlies van een vaste spanning over de LED, en dit is nodig om licht te produceren. Voor de meeste LED’s ligt dit tussen 1,7V-3,3V, afhankelijk van de kleur van het uitgestraalde licht (een Blauwe LED heeft een hogere voorwaartse spanning nodig dan een Rode LED).
Voorwaartse stroom:
Zoals bij een elektronische component is een LED een belasting op een stroomkring en wanneer een stroomkring is voltooid, vloeit er stroom. De voorwaartse stroom van een LED verwijst naar de hoeveelheid stroom die de LED zal verbruiken wanneer deze op de beoogde helderheid werkt. Voor de meeste LED’s ligt dit tussen 15mA-20mA en het is belangrijk om hier rekening mee te houden omdat een LED die te veel stroom trekt, zijn levensduur drastisch zal verkorten (een blauwe LED die rechtstreeks op een 12V-voeding wordt aangesloten zonder enige stroombegrenzing, zal binnen enkele seconden worden vernietigd). Vanwege de extreem lage stroomopname ten opzichte van de helderheid, vervangen LED’s op bijna elk gebied traditionele vormen van verlichting vanwege hun efficiëntie.
LED’s beschermen met een stroombegrenzende weerstand:
Dus de voorwaartse stroom en spanning zijn belangrijk, dus hoe zorgen we ervoor dat onze LED’s veilig en efficiënt van stroom worden voorzien? Aangezien de meeste voedingen groter zullen zijn dan de voorwaartse spanning en een kabel zullen hebben die meer dan de voorwaartse stroom kan leveren, moeten we een extra belasting op onze schakeling creëren, dus gebruiken we een weerstand.
Als je onze spoedcursus analoge elektronica hebt gelezen, heb je een redelijk idee van hoe weerstanden werken, maar laten we het snel samenvatten. Het is de taak van een weerstand om (je raadt het al) de stroom van elektronen (stroom) tegen te houden, en elke resistieve belasting zal een spanningsval over de weerstand veroorzaken. We kunnen dus een weerstand gebruiken om de stroom naar onze LED te beperken en het berekenen van de vereiste weerstand is een eenvoudige kwestie van de wet van Ohms toe te passen: V=IR (Spanning = Stroom x Weerstand).
Laten we de volgende karakteristieken nemen van een typische rode LED met een voorwaartse spanning van 1,8V en een voorwaartse stroom van 20mA. Voor de simulatie gebruiken we een voeding van 9V.
We gebruiken de wet van Ohms om de weerstandswaarde te vinden die we nodig hebben, dus we veranderen de formule in R=V/I, we hoeven alleen maar de spanningsval over de weerstand te vinden en de stroom om ons de weerstand te geven. Als er 1,8 V over de LED valt, valt er nog eens 7,2 V over de rest van het circuit (onze weerstand), dus V=7,8. Aangezien we de stroom door de schakeling willen beperken tot 20mA, is I=0,02 (Ampère). Dus nu kunnen we 7.2 delen door 0.02 om ons te geven: 360. Daarom hebben we een stroombegrenzende weerstand van 360 Ohm nodig.
En dat is alles, nu kun je de weerstandswaarde berekenen die nodig is om een willekeurige LED aan te sturen. Probeer een ander probleem op te lossen met V=IR, waarbij de LED een voorwaartse spanning van 2,2 V heeft, een voorwaartse stroom van 18 mA, en de voeding een 12V-voeding is, en plaats je antwoorden in de reacties hieronder!
De helderheid regelen
Als je de helderheid van een LED wilt aanpassen, kun je de stroombegrenzende weerstand verhogen om de stroom naar de LED te verlagen en de helderheid te verminderen, maar zorg ervoor dat je niet onder de berekende weerstandswaarde komt. Dit is prima om de helderheid permanent vast te zetten, maar in tegenstelling tot gloeilampen (traditionele stijl gloeilampen met een gloeidraad) kun je de helderheid niet aanpassen door alleen de spanning naar de LED te veranderen. U zult een vreemde reactie krijgen en het zal geen mooie vloeiende verandering zijn. Om de helderheid van een LED te regelen gebruik je PWM.
PWM wordt uitgebreider besproken in onze andere tutorials, maar het concept is vrij eenvoudig. Je zet de LED aan en uit sneller dan het menselijk oog kan waarnemen als individuele flitsen, en de verhouding van aan/uit tijd in een bepaalde frequentie wordt door het menselijk oog waargenomen als een toename/afname in helderheid. Voor meer gedetailleerde info over hoe PWM werkt, bekijk deze DAC voor Raspberry Pi tutorial.
Meerdere LEDS gebruiken: Series vs. Parallel
Een LED gebruiken is prima, maar hoe zit het als we meer dan een LED op een voeding willen aansluiten en ze allemaal willen laten oplichten? Je zou denken dat we ze gewoon achter elkaar kunnen aansluiten met een weerstand aan het eind, dit staat bekend als in serie schakelen. Maar als we dit zouden doen, heeft elke LED een spanningsval, wat betekent dat elke opeenvolgende LED steeds minder spanning beschikbaar heeft, wat betekent dat de LED’s steeds zwakker worden naarmate je verder in het circuit gaat. Wat we moeten doen is ze parallel schakelen zoals op de afbeelding:
Op deze manier zit elke LED in zijn eigen lus van de schakeling, en krijgt geen enkele LED meer stroom dan een andere. Maar wees gewaarschuwd, stel dat je een weerstand van 360 Ohm nodig hebt voor een enkele LED, zoals hierboven getoond, dan kun je niet een enkele weerstand van 360 Ohm voor alle LED’s gebruiken, omdat die waarde is ontworpen om de stroom te beperken tot slechts 20mA, maar als je meerdere LED’s parallel hebt aangesloten, loopt de stroomafname voor hen op, dus moeten we opnieuw berekenen voor een stroomafname van alle LED’s samen.
RGB en digitale LED’s
Hoe spannend en opwindend een LED met één kleur ook is, een groot voordeel van LED’s is dat je door hun kleine formaat meerdere LED’s in één verpakking kunt combineren tot een RGB (Rood Blauw Groen) LED die dankzij additief licht kleuren over het zichtbare spectrum creëert. Het gebruik van deze LED’s is eenvoudig: ze hebben een gemeenschappelijke ader (kathode of anode) en een afzonderlijke ader voor elke kleur, waarmee u elk kleurkanaal afzonderlijk kunt aansturen. Deze zijn geweldig, maar stel je voor dat je er een heleboel zou gebruiken en het aantal pennen dat nodig zou zijn om ze te bedienen. De laatste jaren hebben we de ontwikkeling gezien van digitaal adresseerbare LED’s die een RGB-LED plus een piepkleine controllerchip in een standaardverpakking stoppen en waarmee je enorme stroken kunt aansturen met een enkele microcontrollerpen! Voor meer info over dit soort LED’s, zie onze NeoPixels met Particle tutorial.