LUXURY LED BICYCLE Brighten your beam and banish burnt-out bulb blues

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ LUXURY LED BICYCLE Brighten your beam and banish burnt-out bulb blues Εισηγητές: 1) Νικαλαϊδης Αθανάσιος ΑΕΜ ) Χούτας Λάζαρος ΑΕΜ 4966 Επιβλέπoν καθηγητής: Πασχαλέρης Βασίλειος ΣΕΡΡΕΣ 2012

2 Ευχαριστούμε 1) Τον ηλεκτρονικό Μανώλη Δεσποτάκη για την βοήθεια της κατασκευής του κυκλώματος. 2) Τον καθηγητή μου Βασίλειο Πασχαλέρη για την βοήθεια του σε όλη τη διάρκεια της εργασίας καθώς και της συμβουλές του για την παρουσίαση και την δομή της. 3) Τις οικογένειες μας για την συμπαράσταση 4) Την εξαιρετική Κυριακή Ξανθοπούλου που μας πρόσφερε την ηρεμία και τη γαλήνη κατά την προετοιμασία της πτυχιακής. Νικολαϊδης Αθανάσιος Το αφιερώνω στην μητέρα μου και στις δύο γυναίκες της ζωής. Την πρώτη που με οδήγησε στο ΤEI Mηχανολογίας και την δεύτερη που με κράτησε σε αυτήν την σχολή για την πρόοδο μου σαν άνθρωπο. Χούτας Λάζαρος Το αφιερώνω στην Μητέρα μου και την αδερφή μου ΠΕΡΙΛΗΨΗ ~ 2 ~

3 Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας με τίτλο «Luxury LED Bicycle Light» αποτέλεσε η κατασκευή ενός κυκλώματος που συμβάλλει στον φωτισμό LED το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί σε ποδήλατο. Για την κατασκευή αυτή χρησιμοποιήθηκε πρότυπο σχέδιο ακολουθώντας τις απαραίτητες οδηγίες σύμφωνα με τον κατασκευαστή, χρησιμοποιώντας πλάκα τύπου Βακελίτη, αντιστάσεις, πυκνωτές, μπαταρία, δυναμό και τέλος LED. Το Luxury LED Bicycle Light προσαρμόστηκε κατάλληλα σε ποδήλατο για τον καλύτερο φωτισμό του. Με αυτόν τον τρόπο ο ποδηλάτης έχει καλύτερη ορατότητα και γίνετε εύκολα αντιληπτός στο οδόστρωμα κατά την διάρκεια της οδήγησης. Αν και καταναλώνει την μπαταρία γρηγορότερα, είναι πιο σημαντικό για την ορατότητα του ποδηλάτου. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου θα πρέπει ανάμεσα σε διαφορετικές ρυθμίσεις να ενεργοποιηθούν τα Led φώτα του ποδηλάτου. Τα χαμηλής ισχύος LED φώτα κάνουν αντιληπτό το ποδήλατο και τον αναβάτη ή ως στήριγμα έκτακτης ανάγκης αποτελούν την κυρίαρχη επιλογή για τον οπίσθιο φωτισμό. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ~ 3 ~

4 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Βασικές αρχές των LEDs Χαρακτηριστικά των LEDs Οπτικές ιδιότητες των LEDs Μελετώντας μία χαρακτηριστική Λυχνίες LED LENSER Ποτενσιόμετρο Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές Δίοδοι ΖΕΝΕΡ (ZENER) BRIDGE RECTIFIER Εξομάλυνση εξόδου ΥΛΙΚΑ & ΜΕΘΟΔΟΣ Το κύκλωμα Κατασκευή και δοκιμές ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ~ 4 ~

5 Led φώτα ποδηλάτου δεν είναι μια πολυτέλεια, αλλά μια αναγκαιότητα για κάθε χρήστη ποδηλάτου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι των LED φώτων για το ποδήλατο που μπορεί κανείς να επιλέξει ανάλογα με τις ανάγκες, αλλά και ανάλογα με τις δυνατότητες του προϋπολογισμού του. Το καλό είναι ότι όλα αυτά τα φώτα έχουν κοινά βασικά χαρακτηριστικά που διασφαλίζουν την ασφάλειά όταν χρησιμοποιείτε το ποδήλατο στο δρόμο μέσω της βελτιωμένης ορατότητας. Υπάρχουν Led φώτα τόσο για το εμπρός όσο και για το πίσω μέρος του ποδηλάτου. Αυτό είναι απαραίτητο καθώς θα συμβάλει στη διασφάλιση της ορατότητα. Με την χρήση των LED φώτων αυξάνεται η ασφάλειά του αναβάτη το βράδυ όταν τα φώτα είναι ορατά από όλους τους άλλους χρήστες του οδικού δικτύου και έτσι μειώνονται οι πιθανότητες ατυχήματος λόγω της κακής ορατότητας. Σε πολλές χώρες, τα LED λάμψεων είναι ο κανόνας για τα πίσω φώτα. Σε κάποιες όμως, όπως η Γερμανία φώτα που αναβοσβήνουν απαγορεύονται νομικά. Στο Ηνωμένο Βασίλειο από τον Οκτώβριο του 2005, όταν αναβοσβήνει ένα LED (μπροστά και πίσω) είναι νόμιμο υπό την προϋπόθεση ότι τα φώτα είναι σύμφωνα με τις απαιτήσεις των ισχυόντων κανονισμών οχήματα οδικού φωτισμού. 1.1 Βασικές αρχές των LEDs Τα LEDs (light-emitting diode) ή αλλιώς ΔΕΦ (δίοδοι εκπομπής φωτός) είναι δίοδοι ημιαγωγοί οι οποίοι όταν δεχτούν μια τάση φωτοβολούν, πιο συγκεκριμένα φωτοβολεί η ένωση PN. Η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation, ενίσχυση φωτός με προσομοίωση εκπομπή ακτινοβολίας), σαν ημιαγωγά υλικά χρησιμοποιούνται οι ενώσεις GaAs, InSb, PbTe, PbS κλπ. Υψηλής φωτεινότητας πηγές στην περιοχή του οράτιου δίνουν οι ενώσεις: GaAs-1xPx (κόκκινο) InGa1-xPx (κόκκινο) GaP ( κόκκινο, κίτρινο, πράσινο) GaN (μπλε, πράσινο, κίτρινο) Τα Laser παράγουν μονοχρωματικό φως (δηλαδή φως με συγκεκριμένο μήκος ~ 5 ~

6 κύματος-χρώμα) το οποίο διαδίδεται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, σχηματίζοντας στενές δέσμες. Αν ένα άτομο δεχτεί ενέργεια, είτε με μορφή ακτινοβολίας ή με οποιοδήποτε άλλο τρόπο, τότε είναι δυνατό, ηλεκτρόνιο του ατόμου να πάρει ενέργεια και να μεταπηδήσει σε μεγαλύτερη στάθμη ενέργειας. Επειδή το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να παραμείνει στη νέα του θέση, επανέρχεται στη προηγούμενη και αποβάλλει το περίσσευμα της ενέργειάς του με την μορφή ενός φωτονίου, δηλαδή με ακτινοβολία. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται διέγερση του ατόμου. Σε μία ένωση ΡΝ εφαρμόζουμε τάση, στα όριά της, τότε τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τον κρύσταλλο Ν στον Ρ με αυξημένη ενέργεια, ενώ οπές από τον κρύσταλλό Ρ μεταφέρονται στον Ν. Οι φορείς αυτοί φτάνοντας στους άλλους κρυστάλλους επανασυνδέονται αφήνοντας το περίσσευμα της ενέργειας με την μορφή φωτονίων. Η ακτινοβολία αυτή και μάλιστα το μήκος κύματος των φωτονίων, εξαρτάται από το είδος του κρυστάλλου και την κατασκευή της ένωσης ΡΝ. Η επανασύνδεση των φορέων γίνεται μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας. Έτσι λοιπόν η ένωση ΡΝ εκπέμπει ακτινοβολία μετά από κατάλληλη πόλωση. Συνεχής ακτινοβολία θα προκύψει μετά από πόλωση που θα δίνει την κατάλληλη ενέργεια διέγερσης και επανασύνδεσης. Η κβαντική άντληση, δηλαδή η διαρκής επαναφορά των αποδιεγερμένων ηλεκτρονίων στην ζώνη αγωγιμότητας της ένωσης ΡΝ, γίνεται από την πηγή πόλωσης της διόδου. Η τάση αυτή είναι μεγαλύτερη από την τάση της ζώνης φραγμού. Έτσι τροφοδοτείται με ηλεκτρόνια η ζώνη αγωγιμότητας και συνεχώς αναπληρώνονται οι απώλειες των ηλεκτρονίων, λόγω των ακτινοβοληθεισών πτώσεων, συντηρουμένης έτσι της απαιτούμενης μεταφοράς των φορτίων. Στο σχήμα 1.1 φαίνεται η δομή μιας διόδου LED και το σύμβολό της. Στο πλάι του πλαστικού περιβλήματος το οποίο μπορεί να έχει διάφορες μορφές, υπάρχει και ένα επίπεδο που δηλώνει την κάθοδο. ~ 6 ~

7 Σχήμα 1.1 Σε άλλες διόδους όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2 η κάθοδος είναι αυτή με το μικρότερο μήκος στην οποία συνδέεται ο αρνητικός πόλος (-) της πηγής πόλωσης. Απαιτεί μικρή ισχύ λειτουργίας άρα μπορεί να συνεργαστεί με τα περισσότερα ψηφιακά κυκλώματα. Ένας λαμπτήρας LED μπορεί να διαρκέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα έως και ώρες λειτουργίας. Μεγάλη ανάστροφη τάση μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή του LED. Ένα LED μπορεί να αντέξει από 3 μέχρι 11V ανάστροφης τάσης. Έτσι μια δίοδος συνδεδεμένη παράλληλα, όπως στο σχήμα 1.2, το προστατεύει καθώς αυτή γίνεται αγώγιμή μόλις η ανάστροφη τάση ξεπεράσει τα 0,6V. Σχήμα 1.2 ~ 7 ~

8 1.2 Χαρακτηριστικά των LEDs 1) Το πρώτο χαρακτηριστικό είναι το χρώμα. Το χρώμα των LEDs καθορίζεται από το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από τον κατασκευαστή τους. Παλαιότερα φωτοβολούσαν στις αποχρώσεις του κόκκινου, πράσινου, πορτοκαλί, κίτρινου, μπλε, υπέρυθρου και υπεριώδους. 2) Ηλεκτρικό χαρακτηριστικό. Ειδικότερα αναφέρονται η τάση πόλωσης και το ρεύμα της ένωσης ΡΝ. Η τάση κυμαίνεται από 1,5 μέχρι 3 V και το ρεύμα περίπου 20mA, μεγέθη όμως που εξαρτώνται από τον τύπο και το χρώμα της LED. Επίσης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ανάστροφη τάση που αντέχει η LED. 3) Θερμοκρασία. Πιο συγκεκριμένα τα όρια λειτουργίας και η θερμοκρασία κατά την κόλληση ενός LED στο κύκλωμα. 4) Η ισχύς που καταναλώνει κάθε LED.Αυτή εξαρτάται από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο μικραίνει η κατανάλωση. 5) Επικάλυψη των LEDs. Τα LEDs καλύπτονται είτε με διαφανή υλικά είτε με υλικά στο χρώμα της ακτινοβολίας. Ιδιαίτερης σημασίας είναι η επικάλυψη, καθώς από αυτήν καθορίζεται η ένταση του φωτισμού της LED. Όσο αυξάνει το ρεύμα τόσο περισσότερο φωτοβολεί η δίοδος. Το φως όμως μιας LED μπορεί να αυξηθεί όταν ελαττώσουμε την θερμοκρασία της επαφής της. Τα LEDs χρησιμοποιούνται σήμερα πάρα πολύ, με κύρια χρήση σε μονάδες απεικόνισης ή στοιχεία ένδειξης σε ηλεκτρονικά ρολόγια, φορητούς υπολογιστές, μετρητές, ηλεκτρονικά όργανα μέτρησης, σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών, σε τηλερυθμιστές, σε κυκλώματα ελέγχου σαν ένδειξη παροχής ισχύος κλπ. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του, αυτό που θα αξιοποιηθεί στην εν λόγω εργασία, είναι η λειτουργία παλμών. Αυξανόμενης της τάσης, αυξάνεται η ισχύς και ως εκ τούτου η θερμοκρασία του LED. Αυτό επιφέρει την μείωση της απόδοσης μεσοπρόθεσμα και ενδεχόμενος και την καταστροφή του. Για την αποφυγή λοιπόν της καταστροφής του LED, αντί να τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα, τροφοδοτείται με σύντομους παλμούς. Για παράδειγμα ένα LED που τροφοδοτείται για ένα τέταρτο της μονάδας χρόνου, ανέχεται πρακτικά και χωρίς απώλειες, το τετραπλάσιο ρεύμα (πχ 80mA αντί για 20mA) ~ 8 ~

9 για αυτό το διάστημα. Το LED αποδέχεται αυτή τη λειτουργία γιατί η συνολική πλέον απώλεια στην μονάδα του χρόνου δεν είναι υψηλή. Ακόμη σε αυτήν τη λειτουργία, αν η συχνότητα είναι πάνω από 24 κύκλους το δευτερόλεπτο (24Ηz), τότε το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται το LED διαρκώς αναμμένο. Στο σχήμα 1.3 είναι τοποθετημένο ένα LED σε ένα κύκλωμα με τάση τροφοδοσίας 5V και μία αντίσταση. Η αντίσταση τοποθετείται πριν το LED έτσι ώστε να λειτουργεί ορθά πολωμένο. Αν πολωθεί ανάστροφα, δεν ρέει καθόλου ρεύμα και συνεπώς δεν ανάβει, διαφορετικά διατρέχει τον κίνδυνο να καταστραφεί. Στην ορθή φορά πόλωσης η δίοδος δέχεται τάση από 1,2V μέχρι 2,8V, ανάλογα με το χρώμα του φωτός και τον τύπο του LED. Αυτή η τάση αγωγιμότητας είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από αυτή των διόδων που λειτουργούν ως ανορθωτές. Το χρώμα του φωτός εξαρτάται από το υλικό του ημιαγωγού και από την κατεργασία του και όχι από το χρώμα του πλαστικού που καλύπτει τον ημιαγωγό. Σχήμα 1.3 Επειδή κάθε LED έχει διαφορετική τάση αγωγιμότητας, δεν μπορεί να τροφοδοτηθούν όλα τα LEDs με σταθερή τάση τροφοδοσίας. Μια μικρή διαφορά μεταξύ της τάσης τροφοδοσίας και της τάσης αγωγιμότητας οδηγεί το LED είτε να λειτουργεί πλήρως, δηλαδή με τάση τροφοδοσίας μεγαλύτερη από την τάση αγωγιμότητας, είτε να μην φωτοβολεί καθόλου επειδή η τάση τροφοδοσίας είναι μικρότερη από την τάση αγωγιμότητας. Στο σχήμα 1.3 παρατηρούμε την τάση αγωγιμότητας του κάθε LED σε συνάρτηση με το ημιαγωγό υλικό και το χρώμα φωτός που αποδίδει. Για αυτό επιλέγεται η τάση τροφοδοσίας να είναι μεγαλύτερη και την διαφορά της τάσης την λαμβάνει μια αντίσταση. Η αντίσταση καθορίζει επίσης το ρεύμα, το οποίο περνάει μέσα από το LED. Από αυτό το ρεύμα εξαρτάται κ η φωτεινότητα που δίνει το LED. Όπως για παράδειγμα ~ 9 ~

10 το LED στο σχήμα 1.3, πρέπει να λειτουργήσει στα 5V με 20mA. Τα 20mA είναι μια καλή μέση τιμή για ενδεικτικούς λαμπτήρες LEDs με την οποία ανάβουν σε ικανοποιητικό βαθμό. Επομένως χρησιμοποιώντας ένα κόκκινο LED, η τάση αγωγιμότητας βρίσκεται περίπου στα 1,6V, δηλαδή η διαφορά μεταξύ της τάσης τροφοδοσίας και των 1,6V πέφτουν επάνω στην αντίσταση (5V- 1,6V = 3,4 V). Αυτή η πτώση της τάσης στην αντίσταση μας δίνει το επιθυμητό ρεύμα του λαμπτήρα των 20mA. Η τιμή της απαραίτητης αντίστασης υπολογίζεται από τον νόμο του Ohm ακόλουθα: 3,4V/ 20mA = 3,4V / 20* 0,001 Α= 170 Ω. Στο κύκλωμα δίνονται 180Ω, η πλησιέστερη τυπική τιμή. Με αυτόν τον τρόπο υλοποιούνται κυκλώματα των λαμπτήρων LED. Το ρεύμα του LED καθορίζεται μερικώς από την αντίσταση καθώς η τάση αγωγιμότητας καθορίζει την τάση πάνω στην αντίσταση και το ρεύμα στο κύκλωμα. Οι διαφορετικές τάσεις και τα ρεύματα των LEDs με διαφορετικά χρώματα θα εξακριβωθούν παρακάτω. Στο κύκλωμα του σχήματος 1.4 είναι συνδεδεμένο με το LED μόνο ένα αμπερόμετρο σε σειρά και ένα βολτόμετρο παράλληλα. Συνδέονται διαδοχικά στο κύκλωμα ένα κόκκινο, ένα κίτρινο, και ένα πράσινο LED. Και ταυτόχρονα συμπεραίνουμε, ότι όσο πιο μικρό γίνετε το ρεύμα που περνάει από τον λαμπτήρα, τόσο πιο μεγάλη είναι η τάση αγωγιμότητας. Την διαφορά στην φωτεινότητα δεν μπορούμε να την αποδώσουμε στα διαφορετικά ρεύματα, διότι πρώτον τα διαφορετικά υλικά κατασκευής παρουσιάζουν ένα διαφορετικό αποτέλεσμα φωτός και δεύτερον το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται τα ποικίλα χρώματα φωτός διαφορετικά όσον αφορά την ένταση τους. Κατά την υλοποίηση των κυκλωμάτων των LED είναι μερικά σημεία που πρέπει να προσέξουμε. Τα LEDς μπορούν να συνδεθούν σε σειρά, όχι όμως παράλληλα. Σε μια σύνδεση σε σειρά όλα τα LEDς διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα και αθροίζονται οι τάσεις αγωγιμότητας. Αυτή η σύνδεση δεν συμβαίνει όταν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε LEDς με σκοπό να φωτίσουν. Τα αποτελέσματα του φωτός από ένα μόνο LED εκτός από τα ειδικά, τα επονομαζόμενα και LEDs μεγάλης ευαισθησίας δεν είναι ικανοποιητικά. Όλα τα LEDs έχουν την ίδια φορά κατεύθυνσης στη σε σειρά σύνδεση, όπως στο σχήμα 1.4 που δείχνει ένα απλό κύκλωμα σε σύνδεση σε σειρά. Οι μεν τάσεις αγωγιμότητας αθροίζονται και το δε ρεύμα που διαρρέει όλα τα LEDς είναι ίδιο. Επίσης μπορούν να συνδεθούν στην σειρά και LEDs διαφορετικών χρωμάτων. Μετράμε την ~ 10 ~

11 τάση πάνω σε κάθε LED ξεχωριστά, καθώς και επάνω σε όλη την σειρά σύνδεσης, η οποία είναι το άθροισμά των επιμέρους τάσεων. Σχήμα 1.4 Για την υλοποίηση μιας σύνδεσης σε σειρά χρησιμοποιούμε τον προηγούμενο τύπο, όμως τοποθετούμε στην θέση της τάσης αγωγιμότητας του κάθε LED ξεχωριστά, το άθροισμα των τάσεων αγωγιμότητας όλων των LEDs. Για παράδειγμα χρειάζεται να συνδέσουμε στη σειρά 8 LEDs κίτρινου χρώματος, με μια υποθετική τάση αγωγιμότητας των 2,4V αποδίδεται μια τάση των 8 x 2,4V = 19,2V στα σε σειρά συνδεδεμένα LEDs. Όταν είναι διαθέσιμη μια πηγή συνεχούς τάσης 24V, η αντίσταση λαμβάνει τα 4,8V. Θέλουμε παραδείγματος χάρη να ρυθμίσουμε το ρεύμα του LED στα 30mA, υπολογίζουμε την απαιτούμενη αντίσταση. Ο λαμπτήρας LED με την μικρότερη τάση αγωγιμότητας προσλαμβάνει το μεγαλύτερο ρεύμα, ανάβει πιο έντονα, λειτουργεί πλήρως όταν η αντίσταση έχει επιλεχθεί για τα μεγαλύτερα ρεύματα του LED. Τα άλλα LEDs τραβούν λιγότερο ρεύμα. Μπορούμε αυτά τα συμπεράσματα στη συνέχεια να τα κατανοήσουμε με μεγαλύτερη σαφήνεια όταν στο κύκλωμα του σχήματος 1.5 τοποθετούμε τρία LEDs διαφορετικού χρώματος παράλληλα αντί σε σειρά. Η τάση της πηγής μειώνεται στα 4,5V. Ανάβει μόνο το κόκκινο LED, του οποίου η τάση αγωγιμότητας είναι σημαντικά μικρότερη από των άλλων LED. Απομακρύνουμε το κόκκινο LED, τότε ανάβει το πράσινο και το κίτρινο με την ίδια πιθανώς υψηλή ένταση φωτός, είναι όμως δυνατό να ~ 11 ~

12 παρατηρήσουμε διαφορά στην φωτεινότητα, η οποία αποδίδεται στα ρεύματα διαφορετικής έντασης του LED. Ουσιαστικό ρόλο διαδραματίζει ο τύπος του κάθε LED. Σχήμα 1.5 Μπορούμε να κάνουμε πολλές συνδέσεις σε σειρά σχήμα 1.6, συμπεριλαμβανομένων και των αντιστάσεων που μας ελευθερώνουν εντελώς από τα προβλήματα της παράλληλης σύνδεσης. Για παράδειγμα μας προσφέρουν σαν εναλλακτική λύση, οχτώ LEDs σε σειρά όταν δεν διαθέτουμε 24V για τροφοδοσία, δηλαδή δύο σειρές παράλληλες από τέσσερα LEDs σε σειρά η κάθε μία και μία αντίσταση στα 12V. Σχήμα 1.6 ~ 12 ~

13 Τα LEDs έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, μεγαλύτερη από μια λάμπα ηλεκτρικού ρεύματος. Χρησιμοποιώντας το LED με το 40% του μέγιστου ρεύματος του, η διάρκεια ζωής του ανέρχεται σε έως και ώρες, δηλαδή αντέχει μέχρι και 114 χρόνια, μετά όμως η απόδοση του πέφτει στο μισό. Η διάρκεια ζωής του LED εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ρεύμα λειτουργίας: όσο πιο μεγάλο είναι το ρεύμα λειτουργίας, τόσο πιο μεγάλη η απόδοση η οποία θερμαίνει το LED και τόσο πιο γρήγορα καταστρέφεται. Στο διάγραμμα στο σχήμα 1.7 απεικονίζεται η μείωση της απόδοσης του φωτός ενός επιβαρημένου LED. Όταν λειτουργεί με χαμηλή απόδοση η καμπύλη βυθίζεται πιο αργά, οπότε ρυθμίζουμε το ρεύμα που διέρχεται από το LED ώστε να έχουμε καλύτερη φωτεινότητα και την επιθυμητή διάρκεια ζωής. Διαφορετικά μπορεί να λειτουργεί στην επονομαζόμενη λειτουργία παλμών. Στην περίπτωση αυτή ο λαμπτήρας δεν λειτουργεί με σταθερό συνεχές ρεύμα αλλά με σύντομους παλμούς ρεύματος. Σχήμα 1.7 Στο σχήμα 1.8 φαίνεται ότι το κύκλωμα παραμένει ίδιο, όμως η αντίσταση είναι αρκετά μικρότερη. Η τάση τροφοδοσίας εδώ (5V) πέφτει πάνω στο LED μόνο για το ένα ~ 13 ~

14 τέταρτο του χρόνου και για αυτό επιτρέπεται στο ρεύμα να ανέρθει στο τετραπλάσιο του κανονικού, π.χ. στα 80mA αντί των 20mA. Επειδή η συνολική απώλεια θερμότητας δεν είναι υψηλή, το LED αποδέχεται αυτήν τη λειτουργία πρακτικά χωρίς απώλειες. Αν η συχνότητα των παλμών είναι αρκετά υψηλή, δηλαδή περισσότερο από 24Hz το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται το φως του LED συνεχώς αναμμένο. Σχήμα Οπτικές ιδιότητες των LEDs Τα LEDs συνήθως υπάρχουν μόνο σε κόκκινο, κίτρινο, πράσινο χρώμα, καθώς και στο εγγύς υπέρυθρο. Τα μπλε LEDs μπορούν να κατασκευαστούν υπό συνθήκες εργαστηρίου, μια σύνθετη διαδικασία. Οι λαμπτήρες LED όπως και οι ημιαγωγοί των διόδων αποτελούνται από την PN επαφή, η οποία βασίζεται στην ένωση του γάλλιου με φώσφορο, αρσενικό και άλλων υλικών από την πέμπτη ομάδα του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων. Το χρώμα του φωτός εξαρτάται από την αναλογία αυτών των υλικών και από τις προσμίξεις τους, δηλαδή από τη μέθοδο για να πετύχουμε τις ιδιότητές της επαφής. Τα κόκκινα και τα κίτρινα LED στηρίζονται στο γάλλιο, αρσενικό και φώσφορο, τα πράσινα στο γάλλιο και το φώσφορο, τα υπέρυθρα περισσότερο στο γάλλιο και το αρσενικό. Ο παρακάτω πίνακας 1.1 παραθέτει την αντιστοιχία μερικών υλικών και των χρωμάτων του φωτός. ~ 14 ~

15 Πίνακας 1.1 ΥΛΙΚΟ ΜΉΚΗ ΚΎΜΑΤΟΣ nm ΧΡΩΜΑ ΙΣΧΎΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ μw ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ % GaAs:Si 950 IR 400 4,00 GaAs:Zn 900 IR 50 0,50 GaP 690 ΚΟΚΚΙΝΟ 180 1,00 GaAsP 660 ΚΟΚΚΙΝΟ 15 0,10 GaP 590 ΚΙΤΡΙΝΟ 4 0,02 GaP 565 ΠΡΑΣΙΝΟ 8 0,04 Στην οπτικοηλεκτρονική το χρώμα του φωτός δημιουργείται σύμφωνα με τεχνολογικά και φυσιολογικά κριτήρια. Το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο στο πράσινο φως γιατί είναι περισσότερο αντιληπτό όταν έχει την ίδια ένταση με το κόκκινο και το κίτρινο χρώμα. Στο σχήμα 1.9 βλέπουμε την ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού στο χρώμα. Σχήμα 1.9 ~ 15 ~

16 Στο σχήμα 1.9 απεικονίζεται η κατανομή της έντασης φωτός διαφορετικών LEDs σε συνάρτηση με το μήκος κύματος, δηλαδή ποιο χρώμα είναι δυνατόν να παράγει το κάθε LED. Τα παραγόμενα μήκη κύματος του φωτός είναι χαρακτηριστικά για κάθε χρώμα: Το κόκκινο χρώμα έχει μήκη κύματος nm Το κίτρινο και το πράσινο φως τα μεσαία nm Το μπλε και το βιολετί φως τα μικρά nm Τα μήκη κύματος του υπέρυθρου > 750nm Παρατηρούμε στο σχήμα 1.9 ότι η καμπύλη του πράσινου LED τέμνει το σημείο της καμπύλης που αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού. Το κίτρινο και ακόμα περισσότερο το κόκκινο φως είναι ασθενέστερα καθώς βρίσκονται στο περιθώριο της καμπύλης που αναφέρεται στην ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού. Στην πράξη αντισταθμίζεται μερικώς αυτή η έντονη διαφορά. Το κόκκινο LED παρουσιάζει ένα σημαντικό βαθμό λειτουργίας που σημαίνει ότι ακτινοβολεί σε ίδια τάση τροφοδοσίας με μεγαλύτερη ένταση. Ο πίνακας 1.1 δείχνει ότι τα υπέρυθρα LEDs λειτουργούν πιο αποτελεσματικά, παρόλο που στο ανθρώπινο μάτι το υπέρυθρο φως είναι αόρατο. Τα IR είναι περισσότερο κατάλληλα για τηλεκατεύθυνση. Εξάλλου η ένταση του φωτός ενός LED είναι ανάλογη με το ρεύμα, όταν το ρεύμα διπλασιάζεται αντίστοιχα διπλασιάζεται και η ένταση του φωτός κ.ο.κ. Αυτή η γραμμική συνάρτηση κάνει δυνατή την αναλογική μετάδοση του φωτός. Εν τέλει διακρίνουμε τα LEDs με το κυλινδρικό, το ημισφαιροειδή στρογγυλεμένο περίβλημα από διαφανές ή σκούρο πλαστικό, τα οποία έχουν μία χαρακτηριστική ευρεία ακτινοβολία. Το περίβλημα σε παραβολικό σχήμα παράγει μια στενή δέσμη ακτινών, για κατευθυνόμενες δέσμες φωτός συνδέουμε έναν φακό στην μετωπική επιφάνεια των περιβλημάτων σχήμα ~ 16 ~

17 Σχήμα Μελετώντας μία χαρακτηριστική Για να γνωρίσουμε ακριβώς την συμπεριφορά ενός LED ως προς το ρεύμα και την τάση, τότε πρέπει να σχεδιάσουμε την γραφική του παράσταση. Αυτό είναι δυνατό με ένα κύκλωμα όπως φαίνεται στο σχήμα 1.11 Χρειαζόμαστε δύο όργανα μέτρησης για να καταγράψουμε την τάση και το ρεύμα. Χρησιμοποιούμε το βολτόμετρο παράλληλα συνδεδεμένο στο LED. Όταν έχουμε μόνο ένα όργανο πρέπει να το συνδέουμε κατάλληλα ώστε να παίρνουμε και τάση και ρεύμα. Αντί για μπαταρία και ποτενσιόμετρο μπορούμε να συνδέσουμε ένα τροφοδοτικό και μία αντίσταση των 100Ω. Ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο ή το τροφοδοτικό έτσι ώστε να δώσουμε τυχαίες τιμές στο ρεύμα των LED όπως 5mA, 10mA, 20mA, 50mA και παίρνουμε την αντίστοιχη ένδειξη για κάθε τάση. ~ 17 ~

18 Σχήμα 1.11 Τις λαμβανόμενες τιμές τις μεταφέρουμε σε ένα διάγραμμα και τις συνδέουμε σε καμπύλη. Έχουμε μεταφέρει μια σειρά από μετρούμενες τιμές για LEDs διαφορετικών χρωμάτων, των οποίων τα δεδομένα δεν είναι κατ ανάγκη τα ίδια. Με τις τιμές μέτρησης του κυκλώματος αποδεικνύεται ότι το ρεύμα και η ένταση του φωτός της διόδου εκπομπής φωτός είναι ανάλογα. Σχήμα 1.12 ~ 18 ~

19 1.5 Λυχνίες LED LENSER Οι φακοί LED LENSER ηγούνται της τεχνολογίας φακών LED χρησιμοποιώντας καινοτομικές τεχνολογίες οπτοηλεκτρονικής και μοναδικό σχεδιασμό σε όλα τα προϊόντα, παρέχοντας υψηλή ποιότητα και προδιαγραφές που απαιτούνται κατά τη συχνή επαγγελματική χρήση σε δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Λυχνίες LED, οι ηλεκτρονικές πηγές φωτός που βασίζονται στους ημιαγωγούς (π.χ. γάλλιο, πυρίτιο ή αρσενικό) για να έχουμε υψηλή φωτεινή απόδοση θα πρέπει να καλύπτουν ορισμένες απαιτήσεις. Μια από αυτές είναι η διαδικασία που ονομάζεται MBE (μοριακή επιταξία ακτινών) και μπορεί να περιγραφεί ως η αναπαραγωγή των κρυστάλλων. Οι ημιαγωγοί ενώνουν διάφορους πόλους (άνοδος και κάθοδος) και αργότερα αποτελούν ένα ελαφρύ τσιπ. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός είναι μια στερεά μικροδομή και εντελώς ανθεκτική. Θα αντέξει περισσότερο από τους συμβατικούς λαμπτήρες, λάμπες με λιγότερη ενέργεια. Τα LEDs δεν περιέχουν επιβλαβή αέρια τροφοδότησης και εκπέμπουν χωρίς υπεριώδες φως. Για κυκλικές διαδικασίες, όπως η περιστροφή, ταλαντώσεις, ή τα κύματα η συχνότητα ορίζεται ως ο αριθμός των κύκλων στην μονάδα του χρόνου. Στην φυσική της εφαρμοσμένης μηχανικής, όπως η οπτική, ακουστική και το ραδιόφωνο η συχνότητα συνήθως συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα f. Στο διεθνές σύστημα μονάδων (S.I) η μονάδα της συχνότητας είναι το hertz (Hz), το όνομα του από τον Γερμανό φυσικό Heinrich Hertz: 1Hz σημαίνει ότι ένα γεγονός επαναλαμβάνεται μια φορά ανά δευτερόλεπτο. Μια παραδοσιακή μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται με περιστρεφόμενες μηχανικές συσκευές ανά λεπτό, (RPM) στροφές ανά λεπτό. 60 στροφές ανά λεπτό ισούται με 1 Hz. Η περίοδος, που συνήθως συμβολίζεται με Τα, είναι το μήκος του χρόνου που απαιτείται από έναν κύκλο και είναι ανάστροφο της ταχύτητας. Τ = 1 /f Οπότε όσο μικρότερη είναι η συχνότητα τόσο μεγαλύτερη είναι η χρονική περίοδος. Τα LED LENSER είναι ταχύτερα από μια λάμπα. Ενώ μια απλή λάμπα θερμαίνεται με πολύ αργό ρυθμό, συγκριτικά ο φωτισμός LED έχει κάνει ήδη τον κύκλο της γης. Το φωτιστικό είναι μια λάμπα με γυαλί και ηλεκτρικά θερμαινόμενο νήμα. Δεδομένου ότι το νήμα θα πρέπει να θερμαίνεται περίπου 0,2 δευτερόλεπτα πριν αρχίσει η λάμπα να εκπέμπει φως στην πραγματικότητα. Τα LED γενικά είναι ταχύτερα αφού ~ 19 ~

20 έχουν μικρότερη συχνότητα συνεπώς η διαφορά ανέρχεται σε περίπου 0,2 δευτερόλεπτα. Αυτό βέβαια δεν φαίνεται πολύ, ωστόσο ενώ η λάμπα ζεσταίνεται το φως των LED LENSER έχει ήδη καλύψει μια απόσταση που είναι ίση με μια τροχιά γύρω από την γη. Αυτό δεν είναι σημαντικό για κοινές καθημερινές ανάγκες, είναι όμως για επαγγελματίες όπως αστυνομικούς και στρατιωτικούς καθώς προσφέρει σημαντικό πλεονέκτημα στην δουλειά τους. Τα πιο σημαντικά όσον αφορά τα βασικά light technology Φωτεινή ροή σε lumen (lm): η φωτεινή ροή είναι ο πιο χαρακτηριστικός όρος για την απόδοση μια λάμπας. Είναι το ποσό ενέργειας του φωτός που εκπέμπεται από τη φωτεινή πηγή. Φωτισμός σε Lux: είναι η ένταση που προέρχεται από το φως με την οποία η επιφάνεια του είναι αναμμένη. Φωτεινή ένταση σε Candela: Εξαρτάται από τη φωτεινή ροή και από τη γωνία δέσμης του φωτός 1.6 Ποτενσιόμετρο Το ποτενσιόμετρο είναι αναλογικό ηλεκτρονικό εξάρτημα, που χρησιμοποιείται στα κυκλώματα ως μεταβλητή αντίσταση. Αποτελείται από αγώγιμη πλάκα σχήματος Ω, πάνω στην οποία γυρίζει, με τη βοήθεια ενός στροφέα, μια επαφή. Ανάλογα με την απόσταση της επαφής από την είσοδο του ρεύματος στο ποτενσιόμετρο μεταβάλλεται και η αντίσταση. Το ποτενσιόμετρο χρησιμοποιείται συνήθως σε ηχητικές διατάξεις για τον έλεγχο της έντασης του ήχου, του τόνου κλπ ενός ηχητικού σήματος εξόδου. Στις σύγχρονες συσκευές μερικές φορές αντί για μηχανικά ποτενσιόμετρα χρησιμοποιούνται ψηφιακά ηλεκτρονικά. ~ 20 ~

21 Εικόνα Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αλουμινίου αποτελούνται από τυλιγμένες εναλλάξ μεταλλικές λωρίδες, μια από αλουμίνιο για την άνοδο και μια από χαλκό για την κάθοδο. Οι λωρίδες είναι διάσπαρτες μ' έναν πορώδη ιστό, πού εμβαπτίζεται σ' έναν ηλεκτρολύτη και περιτυλίσσονται σ' ένα κυλινδρικό πηνίο. Το αρχικά διαμορφωμένο φύλλο αλουμινίου χαράσσεται με οξύ, για να δημιουργηθούν πόροι στην επιφάνεια του φύλλου. Η κατεργασία αυτή αυξάνει μέχρι και 50 φορές παραπάνω την ωφέλιμη επιφάνεια. Οι λωρίδες αλουμινίου συγκολλούνται επάνω στα φύλλα, πού αποτελούν την ηλεκτρική επαφή, ενώ ο αριθμός των λωρίδων εξαρτάται από το μήκος του φύλλου, πού χρησιμοποιείται. Το φύλλο της καθόδου (κατασκευασμένο από χαλκό) χαράσσεται κατά τον ίδιο τρόπο και επικαλύπτεται προσθέτοντας ένα πολύ λεπτό στρώμα οξειδίου, πού αυξάνει σημαντικά τη χωρητικότητα του. Αν τα δύο φύλλα συνδεθούν σε σειρά στη συνολική χωρητικότητα θα επικρατεί τελικά ή χωρητικότητα της ανόδου. Κατασκευάζονται επίσης πυκνωτές τανταλίου με τη μορφή φύλλου, οι όποιοι είτε έχουν χαραχθεί με οξύ, είτε όχι. Μέχρι σήμερα τη μεγαλύτερη ζήτηση έχουν οι στερεοί πυκνωτές τανταλίου (το ταντάλιο είναι ένα μεταλλικό, χημικό στοιχείο, πολύ ανθεκτικό στη διάβρωση, καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού). Το ταντάλιο με τη μορφή σκόνης λιώνεται σε φούρνο και παίρνουμε ένα πορώδες σώμα πού διαμορφώνεται κυλινδρικά ή ως δίσκος. Το πορώδες σώμα στην περίπτωση αυτή αποτελεί την άνοδο του ηλεκτρολύτη. Το διηλεκτρικό στρώμα του οξειδίου του τανταλίου σχηματίζεται με ανοδική οξείδωση. Το ηλεκτρόδιο της καθόδου μπορεί να είναι είτε υγρός είτε στερεός ηλεκτρολύτης. Ο στερεός ηλεκτρολύτης παρασκευάζεται με εμβάπτιση της πορώδους ανόδου, πού σχηματίσθηκε σε νιτρικό μαγγάνιο. Ακολουθεί χημική διάσπαση του νιτρικού μαγγανίου με θέρμανση της ανόδου σε φούρνο και σχηματισμός στερεού στρώματος οξειδίου του μαγγανίου. Ή διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται αρκετές φορές, για να πάρουμε ικανοποιητικά παχύ στρώμα, ώστε να παρουσιάζει χαμηλή αντίσταση. Βυθίζοντας τελικά το οξείδιο του μαγγανίου σε συγκολλητικό λουτρό, σχηματίζεται επαφή, πού προσκολλάται στο μεταλλικό περίβλημα του πυκνωτή. Το στρώμα οξειδίου στους πυκνωτές τανταλίου είναι πολύ σταθερό και δεν φθείρεται μετά από μεγάλες χρονικές περιόδους ακινησίας. Έτσι, ή ιδιότητα του αυτή κάνει τους πυκνωτές ιδανικούς για ~ 21 ~

22 στρατιωτικές και τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, όπου βασική απαίτηση είναι ή αξιοπιστία. 1.8 Δίοδοι ΖΕΝΕΡ (ZENER) Η δίοδος Ζένερ (Zener) είναι μια δίοδος που μπορεί να λειτουργεί στην περιοχή κατάρρευσης, δηλαδή στην περιοχή τάσης στην οποία οι λοιπές δίοδοι κινδυνεύουν να καταστραφούν. Γι αυτό το λόγο ονομάζεται και δίοδος κατάρρευσης. Είναι το βασικότερο εξάρτημα των σταθεροποιητών τάσης που κρατούν την τάση στο φορτίο του κυκλώματος σταθερή ανεξάρτητα από μεταβολές στην τάση της γραμμής και στην αντίσταση του φορτίου. Είναι κάτι σαν ασφάλεια τάσης. Πρακτικά σε ένα κύκλωμα απεικονίζεται ως εξής: Μεταβάλλοντας τη στάθμη προσμίξεων των διόδων πυριτίου, στην πράξη μπορούμε να έχουμε τέτοιες διόδους με τάσεις κατάρρευσης από 2 έως 200 V οι οποίες έχουν δυνατότητα λειτουργίας και στις 3 περιοχές ορθής διαρροής και κατάρρευσης. Η δίοδος Ζένερ στην ορθή περιοχή αρχίζει να άγει γύρω στα 0,7 V σαν μια απλή δίοδος. Στην περιοχή διαρροής ανάμεσα στο 0 και την κατάρρευση έχει ένα μόνο ανάστροφο ρεύμα. Ακολουθεί η χαρακτηριστική της διόδου Ζένερ. Σχήμα 1.13 Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης μιας διόδου Ζένερ με δυναμικό κατάρρευσης 17 V. Χρησιμοποιείται διαφορετική κλίμακα για την τάση ορθής πόλωσης (θετική) σε σχέση με αυτή της ανάστροφης πόλωσης (αρνητική). Στην κατάρρευση έχει μια πολύ ~ 22 ~

23 απότομη καμπή που συνοδεύεται από μία σχεδόν κατακόρυφη αύξηση του ρεύματος. Ακόμα η τάση στην περιοχή κατάρρευσης είναι σχεδόν σταθερή και περίπου ίση με Uz. Η τιμή αυτή συνήθως καθορίζεται από τα φυλλάδια προδιαγραφών της διόδου σε ένα ρεύμα δοκιμής. Η δίοδος λειτουργεί, όσο το ανάστροφο ρεύμα είναι μικρότερο του Ι zmax. Αν το ρεύμα γίνει μεγαλύτερο από το I zmax, η δίοδος θα καταστραφεί. Η αντίσταση που παρουσιάζει η δίοδος Ζένερ στην περιοχή κατάρρευσης είναι πολύ μικρή, με αποτέλεσμα μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος να δημιουργεί μόνο μια μικρή αύξηση της τάσης, που αντιστοιχεί σε λίγα δέκατα του βολτ. Στο κύκλωμα χρησιμοποιείται πάντοτε μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος Rs η οποία συνδέεται πάντα σε σειρά με την δίοδο με σκοπό την προστασία της διόδου. Στο κύκλωμα η τάση στα άκρα της αντίστασης είναι: Vr = Vin Vz και το ρεύμα μέσα από την αντίσταση και την δίοδο Ζένερ είναι: Ι= (Vin Vz) / Rs. 1.9 BRIDGE RECTIFIER Μια γέφυρα δίοδος είναι μια ρύθμιση των τεσσάρων (ή περισσοτέρων) διόδων σε ένα κύκλωμα γέφυρας, ρύθμιση που παρέχει την ίδια πολικότητα της εξόδου με την πολικότητα των εισόδων. Όταν χρησιμοποιείται στην πιο κοινή εφαρμογή της, για τη μετατροπή ενός εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) εισόδου σε συνεχές ρεύμα (DC) εξόδου, είναι γνωστή ως γέφυρα ανορθωτής. Μια γέφυρα ανόρθωσης παρέχει διόρθωση πλήρους κύματος από δύο καλωδίων εισόδου AC, με αποτέλεσμα χαμηλότερο κόστος και βάρος σε σύγκριση με έναν ανορθωτή με είσοδο τριών καλωδίων από ένα μετασχηματιστή με κέντρο - δευτερεύουσας περιέλιξης. Το βασικό χαρακτηριστικό μιας γέφυρας διόδου είναι ότι η πολικότητα της εξόδου είναι η ίδια ανεξάρτητα από την πολικότητα στην είσοδο. Το κύκλωμα διόδου γέφυρας είναι επίσης γνωστή ως Graetz κύκλωμα από τον εφευρέτη της, τον φυσικό Leo Graetz. Σύμφωνα με το συμβατικό μοντέλο της τρέχουσας ροής που καθορίστηκε αρχικά από τον Benjamin Franklin, εξακολουθεί να εφαρμόζεται από τους περισσότερους μηχανικούς σήμερα, το ρεύμα θεωρείται ότι ρέει μέσω ηλεκτρικών αγωγών από το θετικό στον αρνητικό πόλο. Στην πραγματικότητα, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε αγωγό, σχεδόν πάντα, ρέουν από τον αρνητικό στον θετικό πόλο. Στη συντριπτική πλειονότητα των εφαρμογών, ωστόσο, η πραγματική κατεύθυνση της ροής του ρεύματος δεν έχει σημασία. Ως εκ τούτου, κατά τη συζήτηση που ακολουθεί, το συμβατικό μοντέλο ~ 23 ~