LED - Fénykibocsátó Dióda

Az Egyszerű elektronika témák közt sokminden megtalálható. A cikkben az alacsony fogyasztású LED-ek, (vagy a betűszót lefordítva:) fénykibocsátó diódák kerülnek terítékre.
Itt van egy nagyon szép ábra egy szabványos, kis fogyasztású LED-ről:

Sematikus rajzként a LED ugyanúgy kerül ábrázolásra, mint egy dióda : nyílként jelenik meg, és a kijövő fény külön van feltüntetve a rajzon. Itt van például a két LED-es villogó rajza, két nyomógombbal:

Ha csak egyetlen LED-et kell csatlakoztatni, akkor az a legegyszerűbb:

A LED-et reprezentáló, rajzolt nyílnak pozitív saroktól a negatív felé kell mutatnia, hogy működjön. Hiszen a LED is egy dióda: ez azt jelenti, hogy az ellentétes irányban az áramot „blokkolja” (nem folyik az áram, így nem is történik semmi). A rajzot megnézve látszik, hogy a LED bekötése sorosan történt egy ellenállással – azaz a sorba kapcsolás miatt nem számít a sorrendjük. Az áramnak ígyis-úgyis egyetlen útja van csak. Az egyetlen kikötés, hogy a LED pozitív és negatív oldala megfelelően legyen bekötve.

De akkor mit keres ott az az ellenállás?

Nos, a LED-ek (mint minden dióda) nagyon különösen viselkednek a feszültség és áram tekintetében. Ábrázolva az átfolyó áramot a rákapcsolt feszültség függvényében:

De mit is látunk a görbén?

egy bizonyos feszültség alatt semmi sem történik, azaz nem folyik áram
ha nem folyik áram, akkor az ellenállás mint ha ott sem lenne (U = I x R, azaz 0 x bármi még mindig 0!)
egy bizonyos küszöb felett a LED el kezd vezetni és áram folyik át rajta – és megindul a fény kibocsátása is. Ennek a küszöbértéke a működési grafikonról leolvasható.
a LED csak a küszöb felett bocsát ki fényt
a LED fényerejét a rajta keresztül folyó áram erőssége határozza meg – de a LED-ek is csak bizonyos mennyiségű áram átbocsátásáig képesek működni: a túl nagy áram illetve a keletkező hő miatt a szerkezete megsérül.

A víz-analógia szerint a LED olyan, mint egy gát, amely nem engedi át a vizet, amíg el nem ér egy bizonyos szintet a víz magassága. Amint ez megtörténik, minden rohamosan megváltozik:

A vezetési küszöb a LED típusától függ: piros LED -ek esetén 1,4V körül, kék LED-ekkel inkább 3V a működési limit.
Ezért nem csatlakoztatható a LED közvetlenül az áramforráshoz.
Gondolkozz el róla. A LED viselkedése a következőképpen ábrázolható:

Más szóval: ha a feszültség túl alacsony, semmi sem fog történni. És ha túl magas, akkor a diódán átfolyó áram hatalmas lesz (és elpusztítja a LED-et, azaz önmagát). Megoldás lehet, hogy a LED meghajtófeszültségét beállítjuk és azon a fix feszültségen használjuk. Csakhogy a gyártási szórásból adódóan van kb. 20% fényerősség-szórás a LED-ek fényerősségében, és a félvezető hőmérséklete is befolyásolja a görbét. A működés során meg nem igazán van mód arra, hogy folyamatosan állítgatni lehessen a működési feszültséget. De sok esetben nem is szabályozható a rendelkezésre álló feszültség – például egy akkumulátor esetén.

Hogyan lehet ezt a problémát mégis megoldani?

Nos, itt jön be a képbe az emlegetett ellenállás. Ops: ez egy nagyon jó példa az ellenállások egyik nagy felhasználási területére: az áramkorlátozásra. És itt jön képbe az Ohm törvény, azaz U = I x R

De mit is mond ki az Ohm törvény? Minél több áram folyik keresztül az ellenálláson, annál nagyobb feszültség mérhető rajta. Vagy egy ezzel egyenértékű kijelentés: minél nagyobb az ellenállásra kapcsolt feszültség, annál több áram folyik keresztül rajta. Fontos! Az eszközre jutó feszültséget szabályozzuk és ennek következménye az átfolyó áram!

A fenti LED-es áramkörben az ellenálláson mindig a bemeneti feszültség csökkentve a LED-en eső feszültséggel (küszöbfeszültség) lesz mérhető (feltétel: ha a bemeneti feszültség magasabb, mint a LED nyitófeszültsége!). A a beépített ellenállás miatt feszültségnek az áramra gyakorolt hatása ebben az LED-ből plusz ellenállásból álló áramkörben az alábbi módon változik:

Az eredeti LED-grafikon függőleges „ága” kevésbé meredekké változott a beépített soros ellenállás miatt. Ahogy többletfeszültség jut az ellenállásra, fokozatosan nő az átfolyó áram is. Ez a hatás teljesen lineáris: következménye, hogy az 1,7V-os küszöbfeszültségű LED fényesebben világít 4,9V-os tápegységgel, mint a 3,3V-os tápegységgel. Nos, ennyit az elméleti ábrákról…De most már pontosan ki is lehet számítani, hogy mekkora ellenállásra van szükség…

Az előtét-ellenállás

Tegyük fel például, hogy 3,3V-os tápegységgel szeretnénk meghajtani egy LED-et, és LED adatlapjából a görbesereg segítségével vagy a tapasztalataink alapján 10 mA (0,01A) áramot akarunk átfolyni rajta (a normál LED-ek esetén 5…20mA áramerősséggel lehet számolni). És a kérdés: mekkora értékű ellenállásra van szükségünk?

A LED nyitófeszültsége 1,7V (korábban már megállapítottuk), így a 3.3V betáp esetén az ellenálláson 1.6V lesz mérhető, ha azon 10 mA áram folyik át. Minthogy az ellenállás és a LED sorosan kapcsolódik egymáshoz az áramkörben – azonos az áram erőssége mindenütt. Mint a víz analógia esetén: ami befolyik, az a túloldalt ki is kell, hogy folyjon.

Az ellenállás értéke így a már megismert Ohm törvényből:
U = I x R írható így is: R = E / U formátumra is (ugyanaz a törvény, eltérő használat)

tehát R = 1,6V / 0,010A = 160 Ω. Azaz az előtét-ellenállásnak a vázolt esetben 160 Ω-nak kell lennie.

Vegyünk elő egy LED-et, és kössünk vele sorba 160 Ω értékű ellenállást: a LED nagyszerűen működik a 3.3V-os tápegységgel. Azonban a 150 Ω-os ellenállás könnyebben beszerezhető – az áramkör ezzel is jól fog működni, mivel az ezzel korlátozott áram erőssége majdnem azonos (10,7mA).

De mi a helyzet akkor, ha nincs 150 Ω-os ellenállásunk sem, csak 1 kΩ-os van hirtelen a fiókban? Nem okoz ez sem problémát, a LED-en keresztül átfolyó áram ekkor kisebb lesz: I = U/R, azaz 1,6V / 1000Ω = 1,6 mA. Ez a kis áramerősség általában még elég ahhoz, hogy a LED világítson (bár nem annyira fényesen, mint az előző esetben (150Ω esetén).