Sähköoppia mopoilijalle – leditekniikkaa

Ledeistä on nykyisyyden ja tulevaisuudenkin tekniikkana ihan hyödyllistä ja hauskaa vähän mopoilijankin opiskella.

Yleistä

Led (Light Emitting Diode) eli hohtodiodi on puolijohdekomponentti, joka säteilee valoa, kun sen läpi kulkee päästösuuntainen virta. Ledi toimii siis vain oikein päin kytkettynä ja tasajännitteellä. Postiviiviseen napaan (anodille, jalallisissa ledeissä pidempi jalka) on kytkettävä plus ja negatiiviseen (katodi) miinus. Ledejä voidaan käyttää joko suoraan tasajännitteellä virtaa rajoittavan etuvastuksen kanssa tai tasajännitepulsseja antavalla ohjaimella. Etuvastus kuluttaa osan tehosta, jolloin ledistä ei saada maksimaalista hyötyä valotehossa.

Tavallisen halkaisijaltaan 5 millimetrin ledin nimellisvirta on tyypillisesti 20 mA ja sen kynnysjännite on n. 1,7–3,7 V riippuen ledin väristä. Ledien kynnysjännite siis vaihtelee. Tämä kynnysjännitteen vaihtelu eri värien kohdalla johtuu ledin sisällä olevien puolijohteiden eroista. Sarjavastusta laskettaessa tarvitaan tieto käytettävästä käyttöjännitteestä. Ensiksi lasketaan jännite, joka on jäätävä vastuksen yli, vähentämällä ledin kynnysjännite käyttöjännitteestä. Sopiva vastus saadaan Ohmin lain avulla kaavasta: R = U/I, jossa R = vastus ohmeissa, U = edellä laskettu jännite volteissa, ja I = virta ampeereissa. Käytettäessä lediä täydellä teholla virta on yleensä 20 mA. Lediä voidaan himmentää kasvattamalla vastusta. Käytettäessä korkeita jännitteitä tulee varmistaa myös vastuksen tehonkesto ja sähköturvallisuus.

Ledi vs. hehkulamppu

Ledit ovat valonlähteinä hehkulamppuun verrattuna erittäin pienikokoisia ja mekaanisesti kestäviä. Niissä ei ole helposti rikki menevää lasikuorta eikä hehkulankaa. Ledit ovat myös oikein asennettuna pitkäikäisiä. Valkoisilla ledeillä sininen valo muutetaan loisteaineen avulla osittain valkoisemmaksi. Ledien suhteellisen hyvä suuntaavuus tekee niistä houkuttelevia ajoneuvo- ja sisustuskäytössä.
Suuria niin kutsuttuja teholedejä voidaan ajaa jopa ampeerien suuruisilla virroilla. Parhaimpien valkoisten, kirkkaiden ledien hyötysuhde on loisteputkien luokkaa ja hehkulamppuihin verrattuna moninkertainen. Ledit luokitellaan huoltoa tarvitsemattomiksi ja niiden vaihtoväli on tyypillisesti yli 10 000 tuntiaja nykyään jopa 100 000 tuntia. Kestoikä määritellään tyypillisesti ajaksi, jonka kuluttua valoteho on pudonnut 70 prosenttiin alkuperäisestä tasosta. Ledin rikkoontuminen siten, että siitä ei tule valoa, on erittäin harvinaista, ja silloinkin se on yleensä vioittunut jonkin ulkopuolisen voiman vaikutuksesta.

Ledien syttymis- ja sammumisajat ovat kymmenien nanosekuntien pituisia, joten niillä voidaan helposti lähettää tietoa moduloimalla valoa. Näin tehdään esimerkiksi infrapunakaukosäätimissä. Pienitehoisten ledien valmistaminen on halpaa, koska raaka-aineena on lähinnä muovia ja puolijohteita.

Ledit soveltuvat hyvin akkukäyttöisiin sovelluksiin. Nykyisin Ledivaloja on saatavilla lähes kaikilla tyypillisillä valaisinkannoilla, mikä tekee niistä houkuttelevia vaihtoehtoja ajoneuvoihin. Ajoneuvokäytössä on hyvä tietää, että ledillä valoteho on riippuvainen ympäristön lämpötilasta, eli pakkasessa ledin valo on kirkkaampi, kuin huoneenlämpötilassa.

Ledin vakiovirtaohjaus

Ledin ohjaukseen on syytä rakentaa vakiovirtaohjaus, erityisesti mopoissa, sillä niissä syöttöjännitteen ei voi olettaa olevan kovin vakio. Ei ole siis suositeltavaa käyttää pelkästään vastusta sarjassa ledin ja virtalähteen välissä, sillä vastus mitoitetaan tietylle syöttöjännitteelle ja sen vaihdellessa ledin läpi speksattu virran maksimiarvo voi ylittyä. Parempi ratkaisu on käyttää jänniteregulaattoria tasaamaan syöttöjännite. Tässäkin on yksi huono puoli: ledien kynnysjännite vaihtelee ja tällöinkään virta ei ole mitoituksen mukainen.

Seuraavan kuvan kytkennässä tätä ongelmaa ei ole, sillä ledin läpi kulkee aina samasuuruinen virta riippumatta virtalähteen jännitteestä. Lisäksi tämä kytkentä sallii kytkeä useita ledejä sarjaan mitä ei voi suositella käytettäessä pelkkää vastusta virranrajoittimena, ledien kynnysjännitteiden vaihtelun takia.

Ledin ohjauskytkentä_LM317_1

Ledin ohjauskytkentä käyttäen LM317 piiriä

Käsitteitä ledeihin liittyen

Katso myös artikkeli ”Sähköoppia mopoilijalle

Teho, sähköteho [W]

Perinteisissä lampuissa teho on ollut valintakriteeri, joka on aina helpotanut lampun valintaa. Lampun ottama sähköteho on samalla myös maanläheisesti kertonut, paljonko lamppu tuottaa valoa. Oikeasti tämä lukema kertoo vain sen, kuinka paljon sähkötehoa lamppu kuluttaa palaessaan. Kakki se teho, jota ei lampusta saada valona, muuttuu lämmöksi. Suurin osa perinteisten lamppujen kuluttamasta sähkötehosta käytetäänkin ympäröivän ilman lämmittämiseen. Siksi kannattaa valita lamppu, joka tuottaa mahdollsiimman paljon valotehoa mahdollisimman pienellä sähköenergian määrällä (ks kohta valotehokkuus). Tehon suurre (tunnus) on P (Power) ja yksikkö Watti [W].

Valovirta [lm]

Valovirta ilmaisee kuinka paljon valoa valonlähde antaa. Valovirran lukema annetaan yleensä lampuille, joilla ei varsinaisesti ole omaa heijastinta (ks. valovoima). Valovirran yksikkö on lumen (lm).

Ledivalojen (kuten monien muidenkin valolähteiden) valovirran määrä (luminous flux, F) ilmaistaan lumeneina (lm). Valovirta määritellään lyhennettynä seuraavasti: 1 lumen on se valomäärä, jonka pinta-alaltaan 1/60 cm˛ oleva puhdas platinapinta tuottaa, kun se on lämpötilaltaan juuri sulamispisteessä (noin 1770 astetta Celsiusta). Esimerkiksi 40 W hehkulampun valontuotto (valovirran määrä, luminous flux) on non 400-500 lm ja 40 W loisteputken noin 2300 lm.

Valokeilan avautumiskulma [astetta]

Valolähteen valon keilan leveyttä eli avautumsikulmaa käytetän ilmaisemaan miten leveällä (tai kapealla) heijastimella tai linssillä varustettu lamppu antaa valoa. Avautumsikulma annetaan asteina. Yleisvalaistuksessa tulee käyttää mahdollsiimman leveää keilaa (25 asteesta ylöspäin) ja esim. kapeissa kohdevaloissa (esim. taskulampuissa, lukuvaloissa) mahdollisimman kapeaa keilaa (alle 10 astetta). Avautumsikulma ilmoittaa kulman, jossa valovoima (cd) on vähintään puolet maksimiarvostaan. Niinpä avautumiskulman reunalla onkin puolet vähemmän valovoimaa kuin keilan keskellä.

Elinikä [h]

Lampun elinikä kertoo lampun keskimääräisen paloajan testiolosuhteissa. Keskimääräinen elinikä on aika, jonka aikana puolet testiin laitetuista lampuista on palanut. Hehkulampuilla tämä aika on noin 500 – 2000 tuntia (20 – 83 päivää) ja halogeenilampuillakin vain 4000 tuntia (167 päivää). Ledilampuilla tämä on jopa 100.000 tuntia (4167 päivää). Lamput testataan ns. vanhennustestissä.

Lampun testissä saama elinikä ei kuitenkaan kerro koko totuutta. Lamppu joutuu käyttöolosuhteissa erillaisiin ympäristöolosuhteisiin, kuten alttiiksi tärinälle, se joutuu siis myös mekaanisesti koville. Lisäksi perinteisten lamppujen (halogeenit, hehkulamput ja jopa loisteputket) hehkulanka joutuu kovalle mekaaniselle rasitykselle, koska hehkulanka lämpenee nopeasti sytytettäessä (jolloin lanka venyy) ja se jäähtyy, kun lamppu sammutetaan (hehkulanka lyhenee). Tämä jatkuva lämpeneminen ja jäähtyminen on yksi yleisimmistä syistä, miksi lamppu palaa. Ledivalo on puolijohde eikä sen sisällä ole hehkulankaa. Ledivalo on lähes immuuni tälläisille mekaanisille rasituksille, kuten tärinälle.

Ledin eliniän kannalta sen ohjaimelle asetetaan suuret vaatimukset. Mikäli lediä ohjataan oikein, saavutetaan ledin täysi etu. Huonolla ohjaimella ledin elinikä on jopa huomattavasti huonompi kuin hekulampulla, jopa vain joitakin tunteja.

Värilämpötila [K]

Värilämpötila kertoo lähinnä sen, onko valolähteen valon väri lämmintä vai kylmää. Värilämpötila ilmoitetaan Kelvineeinä (K), mutta sitä ei pidä sekoittaa normaaliin lämpötilaan. Korkea lukema kertoo valon olevan kylmää (valkoinen valo sinertää), aivan kuten kuulaana talvipäivänä. Matala arvo taas kertoo valon olevan lämmintä (valkoinen valo kellertää), aivan kuten kesällä auringon paisteessa. Eurooppalaiset ovat mieltyneet keinotekoisen valolähteen lämpimään valoon (esim. hehkulamppu), värilämpötila noin 3000 K, kun taas valokuvaajat ja Aasialaiset pitävät huomattavasti kylmemmästä luvusta, yli 5000 K (=päivänvalo). Ohessa on joitakin värilämpötilan värejä. Huomaa, että ledivalo on lähinnä päivänvaloa:

10000 K Kylmän sinertävä (talvipäivä)
5000 K Päivänvalo (kirkkaat LED valot, loisteputket)
4000 K Neutraali valkoinen
3000 K Lämmin valkoinen (Halogeenit. erikois LED valot)
2700 K ”Kodikas” (hehkulamput)
2000 K Melkein keltainen

Rakentaisinko itse?

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –

DISCLAIMER: Sivusto kertoo tekniikan lisäksi itse tehtyjen ja nettikaupasta ostettujen ledien kokeiluista oppimismielessä. Kaikki ledipolttimot eivät ole tyyppihyväksyttyjä liikenteeseen, varsinkaan itse tehdyt kytkennät, eikä hyväksymättömiä saa tieliikenteessä käyttää.

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –

Päätimme rakentaa piiriä LM317 käyttäen aikaisemman kuvan mukaisen koekytkennän ja asentaa sen mopoon testimielessä.

Koekytkentä rakennettiin seuraavan linkin takana olevien ohjeiden mukaan reikälevylle. Kytkentään laitettiin 5 lediä. Pöytäkokeessa oli käytettävissä 9V paristo, josta riitti kynnysjännitettä kolmelle ledille, jotka paloivat kirkkaasti. Tämä saattaisi riittää takavaloksi PV:n 6V sähköjärjestelmässä. Kun kytkettiin yksi ledi kolmesta pois, kaksi lediä paloi jo niin kirkkaasti, että se saattaisi riittää jarruvaloksi.

Koekytkentä valmiina

Koekytkentä valmiina

Kolmen ledin koe 9V neppariparistolla

Kolmen ledin koe 9V neppariparistolla

Kokeiluversio leikattiin levystä irti ja siihen liitettiin vanhan putkipolttimon päädyt, jotta saatiin se kätevästi PV:n takavaloon alkuperäisen polttimon paikalle.

Koekäyttö osoitti että ledivalo ”sykkii” magneeton tuottaman vaihtojännitteen luonnollisen vaihtelun mukana. Ledi on valodiodi, joka johtaa sähköä vain toiseen suuntaan ja vaatisi siis tasasuuntauksen. Myös hehkulankaan perustuva polttimovalokin sykkii, tosin huomattavasti vähemmän silmin havaittavasti, sillä hehkulangan sammumisessa on pieni viive.

 

 

 

 

 

– – – –

Lähteet:

Mainokset