Hogyan működnek a LED-ek? Mi az a nemlineáris feszültség-áram karakterisztika, a nyitófeszültség és a telítési tartomány?

Nézzünk egy gyakorlati megközelítést! Hogyan szembesülhet ezzel a tulajdonsággal egy átlagfelhasználó?

A LED szalagok nyitófeszültsége valójában függ a gyártási technológiától és a típustól, de általában pl. a 12 Voltos fehér fényű LED szalagok nyitófeszültsége néhány tized voltnyi tartományban található az üzemi feszültségük alatt. Fontos megjegyezni, hogy a 12 Voltos LED szalagok sorosan kötött LED-csoportokból állnak, és ez befolyásolja a teljes nyitófeszültséget.

A 12 Voltos LED szalagok általában 3-as LED-csoportokból állnak, tehát minden csoportban három LED található. Ennek megfelelően a nyitófeszültség a csoportonkénti LED-ek összesített nyitófeszültségéből adódik. Ha minden egyes LED-nek például 2,5 V a nyitófeszültsége, akkor a csoportonkénti nyitófeszültség 7,5 Volt (3 LED x 2,5 V). Ezért a 12 Voltos LED szalagok esetében a teljes nyitófeszültség a sorosan kapcsolt csoportok számától függ.

Tehát, ha valaki azt gondolja, hogy a 12 Voltos LED szalag majd fog egy kicsit világítani 6 Volttal, vagy 5 Volttal, az megtapasztalja, hogy nem fog működni.
Ha valaki RGB LED szalagot próbál ki így, az esetleg annyit érzékel, hogy a piros egy kicsit világítani fog. Általában a piros LED-eknek a legkisebb a nyitófeszültsége (a látható fénytartományra tervezett LED-ek közül).
RGB LED szalagnál, ha túl hosszú szakaszt táplálunk meg, aminek következtében a bekötési ponttól távolodva egyre nagyobb a feszültségesés, a különböző színek nyitófeszültségének különbözősége miatt, ha az RGB LED szalagot fehérre állítjuk, a hosszú szalag túlvége felé az tapasztalhatjuk, hogy a fehér fény tónusa fokozatosan megváltozik.

A 24 Voltos LED szalagok esetében ugyanez a logika érvényes, csak itt a csoportonkénti LED-ek összesített nyitófeszültsége magasabb, mivel a 24 Voltos szalagok csoportonként több LED-et (általában 6 LED-et) tartalmaznak. Emiatt 15 Volt körüli nyitófeszültségre számíthatunk.

Ez azt jelenti, hogy aki úgy gondolja, hogy majd a 24 Voltos LED szalagnak elég lesz a 12 Volt is – tévedni fog. Nem fog világítani.

Még egy érdekesség amivel az 5 Voltos DRGB LED szalag felhasználók találkozhatnak, ha szakszerűtlenül telepítik a LED-szalagjukat:

Ha az 5 Voltos DRGB LED-szalagot fehérre állítjuk, az eredendően hidegfehér, de akár már 1 méter távolságra (egy erős méterenkénti 16 Wattos szalag esetében) már melegfehér lesz, majd tovább narancssárgára vált, és a 2. méter végére már vörös fényű lesz.

A LED-eket különböző méretben és hatásfokkal gyártják, és a jobb hatásfokú LED-ek ugyanakkora munkaponti áram esetén nagyobb intenzitású fényt bocsátanak ki.

A LED-ek nemlineáris feszültség-áram karakterisztikája részletesebben

A LED-ek, akárcsak a diódafélék többsége, nemlineáris feszültség-áram karakterisztikával rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy a LED-en átfolyó áram nem arányosan növekszik a feszültséggel.

A karakterisztika három fő tartományra osztható:

1. Előfeszítő tartomány:

Ebben a tartományban a feszültség kisebb, mint a küszöbfeszültség (kb. 1,8-3,5V a LED típusától függően).
Az áram igen kicsi.
A LED nem világít.

2. Vezetési tartomány:

Ebben a tartományban a feszültség meghaladja a küszöbfeszültséget.
Az áram exponenciálisan növekszik a feszültség növekedéséhez képest.
A LED elkezd világítani.
A fényerősség a feszültséggel fokozatosan növekszik.

3. Telítési tartomány:

Ebben a tartományban a feszültség tovább emelkedik, de az áram nem növekszik, vagy csak kis mértékben növekszik.
A LED teljes fényerősséggel világít.
A további feszültségnövelés hőmérséklet-emelkedéshez és a LED megrongálódásához vezethet.

A nemlineáris karakterisztika következményei:

A LED-ek állandó áramforrást igényelnek a stabil fényerősség és az élettartam biztosításához.
A LED-es meghajtó áramköröknek áramkorlátozó funkcióval kell rendelkezniük a LED védelme érdekében.
A LED-ek nem használhatók közvetlenül AC áramforráson.

A nemlineáris karakterisztika grafikus ábrázolása:

A kép a lednique.com oldaláról származik

A képen vízszintesen a feszültséget, függőlegesen az áramot olvashatjuk le, különböző színű LED-ek esetében.

Fontos megjegyezni:

A LED-ek nemlineáris karakterisztikája gyártónként és típusonként eltérő lehet.
A pontos karakterisztika a LED adatlapján található.

LED szalag világítás fantáziarajz

Felmerül a kérdés: Ha a LED-ek állandó áramforrást igényelnek a stabil fényerősség és az élettartam biztosításához, akkor a PWM jel használata a LED-ek fényerősségének szabályozására nem befolyásolja károsan a LED várható élettartamát?

A PWM jel egy változó szélességű impulzusjel, amelynek átlagteljesítménye tükrözi a kívánt fényerősséget. A LED-ek gyorsan reagálnak a fényerősség változásaira, ezért a PWM jel magas frekvenciája nem befolyásolja a LED működését. Ugyanis a LED körültekintően tervezett meghajtásának kapcsolgatása nem okoz problémát a LED-nek. Azaz a PWM vezérlés nem a tápellátás változását, azaz az áram, vagy a feszültség változtatását jelenti, hanem ez olyan, mintha a változatlan tápellátást folyamatosan ki-be kapcsolgatnánk. A LED pedig jól viseli a kapcsolgatást.

Tehát, mi az a PWM fényerőszabályozás?
A PWM a Pulse Width Modulation rövidítése. Ez a módszer az elektromos áram impulzusszélességének változtatásával szabályozza a LED-ek fényerejét.
Hogyan működik?
A PWM jel a LED-eket rövid pillanatokra be- és kikapcsolgatja. A fényerőt a bekapcsolt idő (ON) és a kikapcsolt idő (OFF) arányának változtatásával szabályozza egy adott frekvencián belül. Ezek a frekvenciák gyártónként változóak lehetnek, sőt egyes gyártók esetében állíthatjuk a frekvencia nagyságát, hogy például az alacsony fényerőre állítás miatt az érzékeny szeműeket, vagy a kamerákat ne zavarja a villódzás. Például, ha a jel váltakozása olyan arányú, hogy a felkapcsolás hosszabb a lekapcsolás rövidebb idejű, a LED fényereje magasabb lesz, míg fordítva értelemszerűen gyengébb fényű lesz. A LED-eknek nincs izzási tehetetlenségük, így gyorsan reagálnak.

Fontos azonban megjegyezni, hogy a PWM vezérlésnek meg kell felelnie a LED specifikációinak. A túl alacsony frekvencia villogást okozhat a LED-ben, a túl magas frekvencia pedig hőmérséklet-emelkedéshez vezethet. Ezenkívül a PWM jel minősége is fontos. A zajos PWM jel ingadozást okozhat a LED fényerősségében.

A LED-ek fényerősségének szabályozására szolgáló PWM vezérlések különböző típusúak lehetnek.

A leggyakoribbak a konstans áramú PWM vezérlők. Ezek a vezérlők állandó áramot biztosítanak a LED-nek, a PWM jel impulzushosszának változtatásával szabályozzák a fényerősséget. Ez a típusú vezérlés ideális a LED-ek fényerősségének szabályozására, mert biztosítja a stabil fényerősséget és az élettartamot.
=> Ezt nevezzük dimmelhető LED-meghajtónak, vagy dimmelhető áramgenerátoros tápegységnek.
Léteznek konstans feszültségű PWM vezérlők is. Ezek a vezérlők állandó feszültséget biztosítanak a LED-nek, a PWM jel impulzushosszának változtatásával szabályozzák a fényerősséget. Ebben az esetben a LED-ek áramfelvételét, áramkorlátozó ellenállásokkal állatják be (Ilyen ellenállásokat főképp a LED szalagokon könnyű észrevenni). Az ilyen a típusú vezérlést kevésbé ideálisnak tartják, hiszen az áramkorlátozó ellenállásokank is van fogyasztása, ami alapvetően rontja a LED-ek elméleti hatásfokát.
=> Ezek jellemzően a LED szalag dimmerek, de ugyanezen az elven működnek a CCT, RGB, RGBW, RGBCCT LED szalag vezérlők is – csak csupán nem egy színcsatornát, hanem 2-5 színcsatornát kezelnek a szín, vagy színhőmérsékleti, illetve fényáram igényünknek megfelelően.

LED lámpák fantáziarajz

Összefoglalva:

A LED-ek állandó áramerősséget igényelnek a stabil fényerősség és az élettartam biztosításához.
A PWM jel használata a LED-ek fényerősségének szabályozására nem befolyásolja károsan a LED várható élettartamát, ha megfelelően van megtervezve és kivitelezve a PWM vezérlés.
A konstans áramú PWM vezérlők ideálisak a LED-ek fényerősségének szabályozására, mert biztosítják a stabil fényerősséget és az élettartamot, de ezt csak áramgenerátoros tápellátás igényű fényforrásokhoz használhatjuk.
Kizárólag a gyártó által megadott paraméterű tápegységekkel működtest a LED fényforrásokat. Nem mindegy, hogy a LED tápellátás igénye állandó áram-, vagy állandó feszültségigényű. Ha áramgenerátoros meghajtást igényel a LED, akkor kizárólag a megadott áramerősséget biztosító tápegységet használj, se több, se kevesebb nem megfelelő és a táp feszültségtartományába mindenképp essen bele a LED feszültségigénye.
Ha konstans feszültséget biztosító tápellátást igénylő LED-lámpád van, akkor csakis a lámpa által meghatározott stabilizált tápellását biztosító ugyanazon feszültséget kibocsájtó tápegységet használj, valamint legalább a várható maximális áramigényt biztosítani tudó tápot. Ha a tápegység gyártója jelölte, hogy 100%-os terhelés mellett is tartósan üzemeltethető, akkor elégséges a hogy a tápegység csak pont akkora áram leadására képes mint a LED maximális áramfelvétele. Ha ez nincs jelölve, akkor úgy tekintsd, hogy a tápegység maximum 80%-ig terhelhető tartós üzemben, tehát a LED-lámpa maximális árama, a tápegység maximális kimenő áramerősségének maximum 80%-ával lehet csak egyenlő.