LED: Cara Kerjanya, Cara Menyambungkan, Menghitung, dan Memakainya dengan Aman

Dioda pemancar cahaya (LED) adalah dioda semikonduktor yang mengeluarkan cahaya ketika arus mengalir melaluinya searah maju. LED hemat energi, awet, dan murah, dan dipakai untuk lampu indikator, layar, lampu latar, dan penerangan umum. Berbeda dengan bola lampu, LED harus dialiri arus yang tepat, dan harus dipasang dengan arah yang benar. Artikel ini menjelaskan cara kerja LED, cara membaca simbol dan kakinya, warna dan tegangan majunya, cara menghitung resistor seri, cara menggabungkan beberapa LED, cara meredupkannya, dan cara memakainya dengan aman bersama mikrokontroler.

Yang Anda butuhkan

Anda sebaiknya memahami hukum Ohm dan cara menghitung daya, dari artikel resistor di situs ini. Baterai 9 V atau catu daya USB 5 V, beberapa LED, resistor sekitar 100 Ω sampai 1 kΩ, papan percobaan (breadboard), dan multimeter sudah cukup untuk mencoba setiap contoh. Jangan pernah menyambungkan LED langsung ke baterai atau catu daya tanpa resistor pembatas arus, karena LED akan menarik arus terlalu besar dan rusak dalam hitungan detik.

Ilustrasi

Topik 1: Cara kerja LED

LED adalah dioda, jadi ia hanya membiarkan arus mengalir dengan mudah ke satu arah. Bahan di dalam chip dipilih agar elektron dan lubang bergabung kembali dan melepaskan energi sebagai cahaya. Warnanya bergantung pada celah energi bahan tersebut, itulah sebabnya warna yang berbeda memerlukan tegangan maju yang berbeda.

Maju dan mundur

Ketika anoda (sisi positif) berada pada tegangan lebih tinggi daripada katoda (sisi negatif) sebesar tegangan maju, arus mengalir dan LED menyala. Dengan tegangan terbalik, LED memblokir arus dan tidak menyala. Tegangan terbalik di atas beberapa volt bisa merusak chip, jadi jangan pernah menguji LED dengan catu daya yang terbalik.

Mengapa warnanya berubah

LED merah, oranye, dan kuning memakai bahan seperti aluminium galium arsenida atau aluminium galium indium fosfida. LED hijau, biru, dan putih memakai bahan nitrida, dan LED putih biasanya menggabungkan chip biru dengan lapisan fosfor. Foton berenergi lebih tinggi (biru dan putih) memerlukan tegangan maju yang lebih tinggi.

Efisiensi dan panas

LED mengubah sebagian besar daya listriknya menjadi cahaya, tetapi sebagian tetap menjadi panas. Panas harus keluar dari chip melalui kaki atau heatsink. LED berdaya tinggi tanpa heatsink bisa kehilangan keluaran cahaya dan umur dengan cepat, karena suhu chip-nya naik.

Topik 2: Simbol, kaki, dan polaritas

Simbolnya adalah dioda dengan dua panah kecil yang menjauh darinya, yang menunjukkan bahwa cahaya keluar dari perangkat. Anodanya adalah sisi segitiga dan katodanya adalah garis tegak. Foto menampilkan simbol di atas bagian aslinya, sehingga Anda bisa mencocokkan gambar dengan LED sungguhan.

Dua simbol

Segitiga terbuka dan segitiga terisi dalam foto adalah dua gaya dari simbol yang sama. Segitiga menunjuk ke arah arus maju, dari anoda ke katoda. Panah menunjukkan cahaya yang dipancarkan, dan hanya digambar untuk LED.

Membaca kaki

Pada LED standar 5 mm, kaki yang lebih panjang adalah anoda (positif). Sisi datar pada tepi plastik, dan titik datar pada rangka kaki di dalam, menandai katoda (negatif). Periksa keduanya, karena panjang kaki bisa dipotong menjadi berbeda. Multimeter dalam mode dioda juga menunjukkan kaki mana yang mana.

Memeriksa LED

Atur multimeter ke tes dioda. Probe merah di anoda dan probe hitam di katoda seharusnya menunjukkan tegangan sekitar 1,8 sampai 3,4 V, tergantung warnanya, dan LED seharusnya menyala redup. Jika probe dibalik, seharusnya tidak ada pembacaan dan tidak ada cahaya. Uji hanya dengan sumber yang dibatasi arusnya, karena arus uji multimeter bisa cukup untuk menyalakan LED yang redup.

Topik 3: Warna dan tegangan maju

Setiap warna punya tegangan maju yang khas, yaitu tegangan pada LED ketika ia menghantarkan arus normalnya. Tegangan maju berbeda untuk setiap warna, dan lembar data (datasheet) memberi nilai pasti untuk setiap komponen.

Nilai umum

LED merah sekitar 1,8 sampai 2,2 V, oranye dan kuning sekitar 2,0 sampai 2,2 V, hijau sekitar 2,0 sampai 3,2 V tergantung jenisnya, dan biru serta putih sekitar 2,8 sampai 3,4 V. LED merah muda dan magenta sering dibuat dengan chip biru atau putih ditambah fosfor, sehingga nilainya lebih tinggi. Gunakan lembar data saat Anda memerlukan angka pasti.

Peringkat arus

LED indikator standar dirancang untuk arus maju kontinu sekitar 20 mA, dan banyak yang cukup dengan 10 sampai 15 mA, yang tetap terang. Melewati peringkat maksimum memperpendek umur dan bisa merusak LED. Beberapa LED berdaya tinggi dirancang untuk ratusan miliampere dan memerlukan driver arus konstan, bukan resistor sederhana.

Kecerahan dan arus

Kecerahan bergantung pada arus, bukan langsung pada tegangan. Perubahan kecil pada tegangan maju menyebabkan perubahan arus yang besar, itulah sebabnya LED tidak boleh langsung dialiri dari sumber tegangan. Resistor seri menetapkan arus dan membuat kecerahannya dapat diprediksi.

Topik 4: Menghitung resistor seri

Resistor seri mengambil tegangan yang tidak dipakai LED, dan menetapkan arusnya. Rumusnya adalah R = (V_catu − V_f) ÷ I_f, dan daya resistornya P = (V_catu − V_f) × I_f.

Rumusnya

Ambil tegangan catu, kurangi tegangan maju LED, lalu bagi dengan arus maju yang Anda inginkan. Untuk LED merah dari 5 V pada 20 mA, R = (5 − 2) ÷ 0,02 = 150 Ω. Pilih nilai standar terdekat yang memberi arus lebih kecil, seperti 150 Ω atau 180 Ω.

LED biru dari 9 V

LED biru dengan tegangan maju 3,2 V pada 15 mA dari catu 9 V memerlukan R = (9 − 3,2) ÷ 0,015 = 386,7 Ω. Nilai standar terdekat adalah 390 Ω, yang memberi arus 5,8 ÷ 390 = 14,9 mA. Daya resistornya adalah 5,8 × 0,0149 = 0,086 W, jadi resistor 1/4 W sudah cukup.

LED putih dari 12 V

LED putih pada 3,2 V dan 20 mA dari catu 12 V memerlukan R = (12 − 3,2) ÷ 0,02 = 440 Ω. Pilih 470 Ω, yang memberi 8,8 ÷ 470 = 18,7 mA, dengan aman di bawah peringkat. Selalu periksa daya resistor, karena tegangan catu yang lebih tinggi membuat resistor bekerja lebih keras.

Topik 5: Beberapa LED: seri, paralel, dan resistor terpisah

Ada lebih dari satu cara untuk menyalakan beberapa LED. Setiap susunan memiliki kebutuhan tegangan dan arus yang berbeda, dan susunan yang salah bisa membuat satu LED redup dan yang lain kelebihan beban.

LED dirangkai seri

Tiga LED merah yang dirangkai seri dari 12 V memiliki total tegangan maju sekitar 3 × 2 = 6 V. Resistor mengambil sisanya: R = (12 − 6) ÷ 0,02 = 300 Ω. Arus yang sama mengalir melalui setiap LED, jadi kecerahannya sama. Catu daya harus cukup tinggi untuk total tegangan maju, dan jika satu LED putus (open), seluruh rangkaian akan mati.

LED dirangkai paralel: pakai satu resistor untuk masing-masing

Jangan berbagi satu resistor di antara LED yang dirangkai paralel. Setiap LED memiliki tegangan maju yang sedikit berbeda, dan yang memiliki tegangan terendah menarik sebagian besar arus dan terbakar lebih dulu. Beri setiap LED paralel resistor seri sendiri, dan kecerahannya akan merata.

Mencampur warna

Sebuah rangkaian seri hanya bisa mencampur warna jika total tegangannya memungkinkan. LED merah dan biru yang dirangkai seri memiliki tegangan maju yang berbeda, sehingga arusnya ditetapkan oleh catu dan resistor, dan setiap LED mengalirkan arus yang sama. Periksa total tegangan maju sebelum mencampurnya.

Topik 6: Meredupkan dengan PWM

Cara paling sederhana untuk meredupkan LED adalah menurunkan arusnya, tetapi warnanya bisa bergeser pada arus rendah. Pulse-width modulation (PWM) menyalakan dan mematikan LED dengan cepat, dan mata melihat kecerahan rata-ratanya, yang dikendalikan oleh duty cycle.

Cara kerja PWM

PWM menggerakkan LED dengan gelombang kotak. Pada duty cycle 25 persen, LED menyala selama seperempat setiap periode, dan arus rata-ratanya 25 persen dari arus penuh. Pada arus penuh 20 mA, rata-ratanya 5 mA, dan mata melihat kecerahan sekitar seperempatnya.

Frekuensi

Gunakan frekuensi PWM di atas sekitar 100 sampai 200 Hz, agar kedipannya tidak terlihat. Banyak mikrokontroler menghasilkan PWM beberapa kilohertz, yang cukup cepat. Jangan menggerakkan LED dengan siklus nyala-mati yang panjang dan lambat, karena kedipannya terlihat dan bisa membuat mata lelah.

Meredupkan dengan resistor sebagai gantinya

Resistor variabel atau potensiometer yang diseri bisa meredupkan LED, tetapi membuang daya di resistor dan mengubah arus secara tidak linier. PWM hampir tidak membuang daya dan memberikan peredupan yang lebih merata.

Topik 7: Menggerakkan LED dari mikrokontroler

Pin mikrokontroler bisa menyalakan dan mematikan LED, tetapi pin hanya bisa memasok arus kecil, dan bisa rusak karena kelebihan beban. Periksa lembar data chip Anda untuk arus maksimum per pin dan untuk seluruh chip.

Batas arus pin

Banyak pin mikrokontroler dirancang untuk sekitar 20 mA sumber atau tangkap, dan seluruh chip memiliki batas total yang lebih rendah. Jaga arus LED jauh di bawah maksimum pin, dan jangan pernah melebihi total semua pin sekaligus. Transistor atau driver MOSFET adalah pilihan yang tepat untuk apa pun yang memerlukan arus lebih besar.

Sumber dan tangkap

LED bisa dihubungkan dari pin ke catu (pin menangkap arus ke ground melalui LED) atau dari catu ke pin (pin menyuplai arus). Pemasangan yang umum adalah menangkap arus melalui LED, karena pin biasanya bisa menangkap lebih banyak arus daripada yang bisa disuplainya, dan LED menyala ketika pin berlogika rendah.

Resistor seri untuk pin

Hitung resistor dari tegangan pin. Dari pin 3,3 V dengan LED merah 2 V pada 10 mA, R = (3,3 − 2) ÷ 0,01 = 130 Ω, jadi 150 Ω adalah nilai standar yang aman. Periksa lembar data untuk tingkat tegangan pin, karena sebagian papan bekerja pada 5 V dan yang lain pada 3,3 V.

Topik 8: Memakai LED di rangkaian lain

LED dipakai sebagai indikator, sumber cahaya, dan bagian dari rangkaian sensor. Contoh ini menunjukkan pemakaian umum dan bagaimana aturan yang sama berlaku.

Indikator daya

LED merah dengan resistor 1 kΩ di jalur 5 V menunjukkan bahwa catu daya menyala. Arusnya adalah (5 − 2) ÷ 1.000 = 3 mA, cukup untuk melihat cahayanya dan hampir tidak menarik apa pun dari catu daya.

Berkedip dengan rangkaian RC

Resistor 100 kΩ dan kapasitor 10 µF dalam rangkaian RC memberi τ = 1 detik, seperti pada artikel resistor dan kapasitor. Transistor sederhana atau komparator memakai tegangan pengisian untuk menyalakan dan mematikan LED, sehingga menghasilkan kedipan lambat.

Mendeteksi cahaya

LED bisa berfungsi sebagai sensor cahaya yang lemah, karena LED yang diberi bias terbalik menghasilkan arus kecil ketika cahaya jatuh padanya. Ini adalah demonstrasi sederhana, bukan instrumen yang presisi, tetapi menunjukkan bahwa perangkat pemancar cahaya juga bisa mendeteksi cahaya.

Topik 9: Kesalahan umum dan keselamatan

Sebagian besar kegagalan LED berasal dari resistor yang tidak ada, polaritas yang terbalik, atau tegangan catu yang tidak diperiksa. Beberapa kebiasaan mencegah hampir semuanya.

Selalu pakai pembatas arus

Beberapa volt di atas tegangan maju menghasilkan arus yang sangat besar. LED tanpa resistor pada catu 5 V bisa menarik arus berkali-kali lipat dari peringkatnya, terlalu panas, dan rusak dalam hitungan detik. Resistor tidak opsional.

Periksa polaritas sebelum menyalakan daya

Hubungkan anoda ke sisi positif dan katoda ke sisi negatif. LED yang terbalik biasanya tidak menyala dan jarang terbakar, tetapi tegangan terbalik yang berulang bisa merusaknya. Periksa dengan multimeter sebelum mengaliri rangkaian.

Jaga mata dan panas

Jangan menatap LED yang terang atau berdaya tinggi, dan jangan pernah menatap dioda laser, yang merupakan perangkat berbeda. Pasang LED berdaya tinggi pada heatsink, dan biarkan papan dingin sebelum menyentuh komponennya.

Latihan di papan percobaan

Buat rangkaian kecil, ukur arus dan tegangan, dan bandingkan hasilnya dengan perhitungan Anda. Gunakan catu 5 V atau 9 V, beberapa LED dengan warna berbeda, resistor 150 Ω, 390 Ω, dan 1 kΩ, papan percobaan, dan multimeter.

1. Gunakan tes dioda pada LED merah, hijau, dan biru, dan catat tegangan maju masing-masing.

2. Nyalakan LED merah dari 5 V dengan 150 Ω dan ukur arusnya dengan mengukur tegangan di resistor. Bandingkan dengan 20 mA.

3. Nyalakan LED biru dari 9 V dengan resistor 390 Ω, dan periksa suhu resistor setelah dua menit.

4. Hubungkan tiga LED merah secara seri dari 12 V dengan resistor 300 Ω dan periksa apakah ketiganya memiliki kecerahan yang sama.

5. Hubungkan dua LED secara paralel dengan satu resistor, lalu beri masing-masing resistornya sendiri, dan bandingkan kecerahan kedua LED tersebut.

Langkah berikutnya

Setelah LED, pelajari transistor, yang mengendalikan arus lebih besar dengan sinyal kecil dan merupakan cara umum untuk menggerakkan strip LED dan lampu berdaya tinggi. Lalu pelajari driver arus konstan dan PWM dalam program mikrokontroler. Catat setiap perhitungan, dan periksa lembar data setiap LED dan chip sebelum menyalakan rangkaian.

Ringkasan

LED adalah dioda yang memancarkan cahaya ketika arus mengalir maju. Warnanya menentukan tegangan majunya, dan LED harus selalu memiliki pembatas arus, biasanya resistor seri yang dihitung dengan R = (V_catu − V_f) ÷ I_f. Beberapa LED memerlukan susunan yang hati-hati, PWM memberikan peredupan yang halus, dan pin mikrokontroler harus dijaga di bawah batas arusnya. Periksa polaritas dan lembar data sebelum menyalakan rangkaian apa pun.