LED

Kako radi LED-ica: kako je okrenuti, zašto treba otpornik i kako ga izračunati, napon za svaku boju, svjetlina i PWM, više LED-ica i RGB LED-ica.

Elektronika Info
LED-ice raznih boja, od kojih neke svijetle, i jedna prozirna RGB LED-ica s četiri nožice

Što je LED-ica?

LED-ica je dioda koja svijetli. Ime dolazi od engleskog light-emitting diode, dioda koja daje svjetlo. Kao i svaka dioda, struju propušta samo u jednom smjeru, od anode prema katodi, i svijetli samo dok ta struja teče.

LED-ice su u semaforima, svjetiljkama, zaslonima i na svakoj pločici koju koristimo: i Arduino i micro:bit imaju svoje. Troše malo struje, malo se griju i traju desetke tisuća sati. Boja svjetla ovisi o materijalu od kojeg je LED-ica napravljena, a ne o boji plastike oko nje.

Kako je okrenuti?

LED-ica ima dvije nožice, a važno je koja je koja:

  • dulja nožica je anoda (A), plus,
  • kraća nožica je katoda (K), minus. Na toj strani je i ravni rub na donjem obodu LED-ice, a unutra veći komadić metala.
LED-ica od 5 mm: dulja nožica s lijeve strane je anoda A, plus, a kraća s desne strane katoda K, minus, na strani većeg komadića metala unutra. Pokraj nje je simbol LED-ice: dioda sa zrakama svjetla, od anode A prema katodi K

Ako LED-icu okreneš obrnuto, ne svijetli, ali se obično ne pokvari. Okreni je i probaj ponovno. Pazi samo da obrnuto okrenuta ne dobije više od oko 5 V, koliko obično izdrži.

Zašto LED-ica treba otpornik?

LED-ica sama ne ograničava struju. Graf pokazuje struju kroz crvenu, zelenu i plavu LED-icu dok napon na njima raste:

Struja kroz crvenu, zelenu i plavu LED-icu u ovisnosti o naponu: dok je napon malen, struja je nula, a zatim naglo raste. Struju od 20 mA crvena ima na 1,8 V, zelena na 2,1 V, a plava na 3 V

Dok je napon malen, kroz LED-icu ne teče struja i ona ne svijetli. Kad napon dosegne napon vođenja, za crvenu oko 1,8 V, struja naglo raste. Već malo više napona daje mnogo više struje. Spojena izravno na 5 V, LED-ica bi povukla mnogo više struje nego što smije i pregorjela bi, a s njom možda i pin Arduina. Zato je uvijek spajamo preko otpornika, koji ograničava struju (zabluda 13).

Strujni krug s izvorom od 5 V, otpornikom od 220 Ω i crvenom LED-icom: na otporniku je 3,2 V, na LED-ici 1,8 V, a krugom teče 14,5 mA
U krugu na slici napon izvora dijeli se na dva dijela: na LED-ici ostane njezin napon vođenja, 1,8 V, a ostatak, 3,2 V, je na otporniku. Iz tog ostatka i struje koju želimo izračunamo otpornik:
\[ R = \frac{U - U_F}{I} = \frac{5\ \text{V} - 1{,}8\ \text{V}}{0{,}015\ \text{A}} \approx 213\ \Omega \rightarrow 220\ \Omega \]
213 Ω nije vrijednost koja se prodaje, pa uzimamo prvu veću, 220 Ω. Struja je tada (5 V − 1,8 V) / 220 Ω ≈ 14,5 mA. Otpornik možeš izračunati i kalkulatorom otpornika za LED. Svejedno je je li otpornik ispred ili iza LED-ice (zabluda 14).

Boje i napon

Svaka boja ima svoj napon vođenja. Plavoj i bijeloj treba gotovo dvostruko više napona nego crvenoj, pa uz isti otpornik kroz njih teče manja struja:

BojaNapon vođenja (pri 20 mA)Otpornik na 5 V za oko 15 mA
crvenaoko 1,8 V220 Ω
narančasta i žutaoko 2,0 V220 Ω
zelenaoko 2,1 V220 Ω
plava i bijelaoko 3,0 V150 Ω

Za plavu: (5 V − 3 V) / 0,015 A ≈ 133 Ω, pa uzimamo prvu veću vrijednost, 150 Ω. Točan napon piše u tehničkoj dokumentaciji (datasheetu) LED-ice.

Svjetlina i PWM

Što kroz LED-icu teče veća struja, to jače svijetli. Arduino joj ne može lagano mijenjati struju, ali je može vrlo brzo paliti i gasiti. To se zove PWM. Na grafu je napon na pinu kad je LED-ica upaljena četvrtinu, pola i tri četvrtine vremena:

Napon na pinu Arduina tijekom 4 ms pri PWM-u od 25, 50 i 75 %: pin se pali na 5 V i gasi na 0 V oko 490 puta u sekundi, a upaljen je četvrtinu, pola i tri četvrtine vremena. Pokraj svakog grafa LED-ica svijetli sve jače
Pin se pali i gasi oko 490 puta u sekundi, prebrzo da bi oko to primijetilo. Oko vidi prosjek, pa nam se čini da LED-ica svijetli slabije ili jače. Kako se to radi u programu, objašnjava lekcija Djelilo napona, Arduino i PWM, a zašto to nije pravi analogni napon, zabluda 11.

Ne gledaj izravno u jaku LED-icu

Male LED-ice s radionice nisu opasne za oči, ali jake LED-ice iz svjetiljki, osobito plave i bijele, mogu zaslijepiti i oštetiti oko. Ne gledaj izravno u njih i ne usmjeravaj ih nikome u oči.

LED-ica na Arduino radionici

Od ovog mjesta stranica je za Arduino radionicu.

Koliko LED-ica smije jedan pin?

Pin Arduina Uno smije dati oko 20 mA (apsolutni maksimum je 40 mA), a svi pinovi zajedno najviše oko 200 mA. Jedna LED-ica s otpornikom od 220 Ω troši oko 15 mA, pa na jedan pin spajamo jednu LED-icu. Za više LED-ica ili jače svjetlo trebaš tranzistor, pogledaj stranicu Tranzistor.

Više LED-ica

  • Paralelno svaka LED-ica treba svoj otpornik. Dvije LED-ice na zajedničkom otporniku ne dijele struju jednako, pa jedna svijetli jače od druge, a može i pregorjeti (zabluda 15).
  • Serijski kroz sve LED-ice teče ista struja, a naponi vođenja se zbrajaju. Dvije crvene LED-ice na bateriji od 9 V trebaju (9 V − 2 · 1,8 V) / 0,015 A = 360 Ω, pa uzimamo 390 Ω. Na 5 V tako možeš spojiti najviše dvije crvene LED-ice, a dvije plave ne možeš, jer trebaju 6 V.

RGB LED-ica

RGB LED-ica u jednom kućištu ima tri LED-ice: crvenu (R), zelenu (G) i plavu (B). Miješanjem njihovih svjetlina dobiješ gotovo svaku boju: crvena i zelena daju žutu, a sve tri bijelu. Ima četiri nožice. Najdulja je zajednička: katoda kod LED-ica sa zajedničkom katodom ili anoda kod onih sa zajedničkom anodom.

RGB LED-ica sa zajedničkom katodom: četiri nožice R, K, G i B, od kojih je K najdulja. Pokraj nje shema: pinovi D9, D10 i D11 preko otpornika od 220 Ω spojeni su na crvenu, zelenu i plavu LED-icu, a njihove katode zajedno na masu
Svaka boja treba svoj otpornik i svoj PWM pin. Kod zajedničke anode zajednička nožica ide na 5 V, a boja svijetli kad je njezin pin LOW, pa je u programu sve obrnuto.

LED trake i adresabilne LED-ice

Neke LED-ice, kao WS2812 (prodaju se i pod imenom NeoPixel), u sebi imaju mali čip. Sve su spojene jednom podatkovnom žicom, a svaka zna svoju boju. Tako se jednim pinom upravlja trakom od stotinu LED-ica. Ali pazi na struju: jedna takva LED-ica na punoj bijeloj troši do 60 mA, pa traka od 100 LED-ica treba do 6 A. Takva traka ne smije se napajati iz Arduina, nego iz vlastitog napajanja, uz zajednički GND.

Što smo naučili?

  • LED-ica je dioda koja svijetli. Dulja nožica je anoda (plus), a kraća katoda (minus), na strani ravnog ruba.
  • LED-ica sama ne ograničava struju, pa je uvijek spajamo preko otpornika: R = (U − UF) / I, zaokruženo na prvu veću vrijednost.
  • Svaka boja ima svoj napon vođenja: crvena oko 1,8 V, a plava i bijela oko 3 V.
  • Arduino mijenja svjetlinu LED-ice PWM-om: brzo je pali i gasi, a oko vidi prosjek.
  • Paralelne LED-ice trebaju svaka svoj otpornik. Pin Arduina smije dati oko 20 mA.

Mali kviz

1. Kako znaš koja je nožica LED-ice plus?
Plus je anoda, dulja nožica. Minus, katoda, je kraća nožica, na strani ravnog ruba na obodu.
2. Zašto LED-icu ne spajamo izravno na 5 V?
Iznad napona vođenja struja kroz LED-icu naglo raste, a ona je sama ne ograničava. Na 5 V bi kroz nju potekla prevelika struja i pregorjela bi. Otpornik ograničava struju.
3. Izračunaj otpornik za zelenu LED-icu (2,1 V) na 5 V i struju od 15 mA.
R = (5 V − 2,1 V) / 0,015 A ≈ 193 Ω. Uzimamo prvu veću vrijednost iz niza E12, 220 Ω.
4. Plava i crvena LED-ica imaju isti otpornik od 220 Ω na 5 V. Kroz koju teče veća struja i zašto?
Kroz crvenu. Plava ima veći napon vođenja (oko 3 V), pa na otporniku ostane manje napona i kroz nju teče manja struja: oko 9 mA, a kroz crvenu oko 14,5 mA.
5. Zašto LED-ica na PWM-u od 25 % izgleda tamnija, iako se pali na punih 5 V?
Upaljena je samo četvrtinu vremena. Pali se i gasi oko 490 puta u sekundi, prebrzo za oko, pa oko vidi prosjek, četvrtinu pune svjetline.
6. Smiješ li tri LED-ice spojiti paralelno na jedan otpornik?
Ne smiješ. Svaka paralelna LED-ica treba svoj otpornik, jer na zajedničkom struja ne bi bila jednako podijeljena.