ال ای دی (LED) چیست؟ – به زبان ساده

ال‌ ای‌ دی‌ از یک لایه بسیار نازک از ماده نیمه‌رسانا با ناخالصی تقریباً زیاد ساخته شده‌ و بسته به ماده نیمه‌رسانا و مقدار ناخالصی، وقتی بایاس مستقیم شود، یک نور رنگی با طول موج طیفی مشخص ساطع می‌کند.

جالب است بدانید که LED در واقع نور زیادی را منتشر نمی‌کند. بدنه رزین اپوکسی LED به گونه‌ای ساخته می‌شود که فوتون‌های نور منتشر شده از آن، به سمت بالا متمرکز شده و مانند یک لنز متمرکز می‌شوند. به همین دلیل است که نور خروجی بالای LED درخشان به نظر می‌رسد.

با این حال، پوسته اپوکسی همه LEDها به شکل نیم‌کره نیست. برخی از LED‌ها، ساختار مستطیلی یا استوانه‌ای دارند و سطح صاف بالایی آن‌ها مسطح است و یا به صورت نواری هستند. اما می‌توان گفت که همه LED‌ها دو پایه دارند که در قسمت زیرین آن‌ها تعبیه شده است.

همچنین، تقریباً در همه LEDهای مدرن، کاتد یا ترمینال منفی، با یک نقطه مسطح یا غیرمسطح مشخص می‌شود یا پایه آن کوتاه‌تر از پایه آند است.

برخلاف لامپ‌های معمولی رشته‌ای که هنگام روشن بودن مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند، نور تولیدی LEDها «سرد» است. به همین دلیل، بازده آن‌ها نسبت به لامپ‌های معمولی بیشتر است. ال‌ ای‌ دی‌ها به دلیل اینکه قطعات حالت جامدی هستند، بسیار کوچک و بادوام بوده و به همین دلیل، طول عمر بیشتری نیز دارند.

رنگ ال ای دی‌

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک 1 در فرادرس

کلیک کنید

ترکیبات LEDهای مختلف، نور را در ناحیه‌های مشخصی از طیف نور مرئی انتشار می‌دهند و به همین دلیل، سطوح چگالی مختلفی تولید می‌کنند. انتخاب دقیق ماده نیمه‌رسانا، طول موج کلی انتشار نور فوتون‌ها و در نتیجه نور رنگ ساطع‌ شده را تعیین می‌کند.

جدول زیر، مشخصه‌های LEDها را نشان می‌دهد.

بنابراین، رنگ واقعی یک LED، با طول موج نور منتشر شده آن تعیین می‌شود. طول موج نیز، با ترکیب نیمه‌رسانای به کار رفته در پیوند PN طی فرایند ساخت مشخص خواهد شد.

در نتیجه می‌توان گفت که رنگ نور یک LED، با رنگ بدنه پلاستیکی آن مشخص نمی‌شود. البته گاهی پوشش LED اندکی رنگ می‌شود تا نور خروجی را اندکی افزایش دهد و همچنین، رنگ خروجی‌اش قبل از روشن شدن، به صورت بصری مشخص باشد.

ال‌ ای‌ دی‌ها در رنگ‌های مختلفی در دسترس هستند که متداول‌ترین آن‌ها قرمز، کهربایی، زرد و سبز است. این رنگ‌ها کاربرد گسترده‌ای در شاخص‌های بصری و تابلوهای روان دارند. ال ای دی‌های آبی و سفید نیز در بازار موجود هستند که به دلیل ترکیبی بودن از دو یا چند رنگ دیگر و تزریق اتم‌های نیتروژن در ساختار بلوری ماده نیمه‌رسانا طی افزودن ناخالصی، هزینه بالاتری نسبت به رنگ‌های طبیعی دیگر دارند.

همان‌طور که از جدول بالا مشخص است، ناخالصی اصلی نوع P در LEDها، گالیوم (Ga با عدد اتمی $$31$$) و ناخالصی اصلی نوع N، آرسنیک (As با عدد اتمی $$33$$) است. این‌ها ساختار بلور گالیوم آرسنید (GaAs) را تشکیل می‌دهند.

مشکل استفاده از گالیوم آرسنید به عنوان ترکیب نیمه‌رسانا این است که با عبور جریان، مقدار زیادی تابش فروسرخ با روشنایی کم (حدود $$850$$ تا $$940$$ نانومتر) را از طریق پیوندش تولید می‌کند.

با ترکیبات مختلف فلزها و گازها می‌توان انواع LEDهای زیر را تولید کرد:

• گالیوم آرسنید (GaAs) - فروسرخ
• گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP) - قرمز تا مادون قرمز، نارنجی
• آلومینیوم گالیوم آرسنید فسفید (AlGaAsP) - قرمز روشن، نارنجی-قرمز، نارنجی و زرد
• گالیوم فسفید (GaP) - قرمز، زرد و سبز
• آلومینیوم گالیوم فسفید (AlGaP) - سبز
• نیترید گالیوم (GaN) - سبز، سبز زمردی
• نیترید گالیوم ایندیوم (GaInN) - تقریباً فرابنفش، سبز مایل به آبی و آبی
• کاربید سیلیسیوم (SiC) - آبی به عنوان زیرلایه
• سلنید روی (ZnSe) - آبی
• نیترید گالیوم آلومینیوم (AlGaN) - فرابنفش

مشابه دیودهای پیوند PN عادی، ال‌ ای‌ دی‌ها قطعاتی وابسته به جریان هستند و بسته به رنگ نور و بایاس جریان مستقیم، ولتاژ مستقیم $$V _ F$$ دارند. اغلب LEDهای متداول، به یک ولتاژ مستقیم تقریباً بین $$1.2$$ تا $$3.6$$ ولت با جریان $$10$$ تا $$30$$ میلی‌آمپر نیاز دارند.

هر دو ولتاژ مستقیم و جریان مستقیم، به ماده نیمه‌رسانای به کار رفته در LED بستگی دارد؛ اما نقطه‌ای که هدایت از آن‌جا آغاز می‌شود و نور شروع به تابش می‌کند، برای یک LED قرمز استاندارد حدود $$1.2$$ ولت و برای یک LED آبی حدود $$3.6$$ ولت است.

البته مقدار دقیق افت ولتاژ، به دلیل مواد ناخالصی و طول‌ موج‌های مختلف، به سازنده بستگی دارد. افت ولتاژ LED در یک جریان مشخص، مثلاً $$20$$ میلی‌آمپر، به نقطه $$V_F$$ هدایت اولیه وابسته است. از آن‌جایی که LED در اصل یک دیود است، می‌توان برای هر رنگ، منحنی مشخصه جریان بر حسب ولتاژ‌ آن را رسم کرد. مثالی از این منحنی‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.

از آن‌جایی که LED یک قطعه وابسته به جریان است و شدت نور خروجی، با جریان مستقیم گذرنده از آن نسبت مستقیم دارد، قبل از آنکه نوری تولید شود، باید جریان از آن بگذرد.

همچنین، از آن‌جایی که LED باید در شرایط بایاس مستقیم به منبع متصل شود، برای محدود کردن جریان گذرنده از آن و محافظت در برابر جریان‌های زیاد، از یک مقاومت سری استفاده می‌کنیم. هیچ‌‌گاه نباید یک LED را مستقیماً به باتری یا منبع تغذیه متصل کرد؛ زیرا جریان زیادی از آن عبور می‌کند و آسیب خواهد دید.

به دلیل آنکه LED باید در شرایط بایاس مستقیم به یک منبع متصل شود، در دو سر پیوند PN، افت ولتاژ خواهد داشت که مقدار آن با توجه به ماده نیمه‌رسانا تعیین می‌شود. افت ولتاژ به ازای مقدار مشخصی جریان هدایت مستقیم بیان می‌شود که به صورت معمول $$20$$ میلی‌آمپر است.

مقاومت سری LED

فیلم آموزش حل‌تمرین الکترونیک ۱ در فرادرس

کلیک کنید

شکل زیر، این موضوع را نشان می‌دهد.

مثال ۱

یک LED کهربایی با ولتاژ مستقیم $$2$$ ولت را در نظر بگیرید که به یک منبع تغذیه $$0.5$$ ولتی متصل می‌شود. با استفاده از مدار شکل بالا، مقدار مقاومت سری مورد نیاز را به گونه‌ای به دست آورید که جریان مستقیم گذرنده از آن کمتر از $$10$$ میلی‌آمپر باشد. همچنین، جریان گذرنده از دیود را در حالتی محاسبه کنید که به جای مقدار مقاومت سری محاسبه شده، مقاومتی به اندازه $$100$$ اهم با آن سری شود.

$$\large R _ S = \frac { V _ S - V _ f } { I _ F } = \frac { 5 - 2 } { 1 0 \times 1 0 ^ { - 3 } } = 3 0 0 \, \Omega$$

جریان به ازای مقاومت $$100$$ اهمی نیز برابر است با:

$$\large I _ F = \frac { V _ S - V _ f } { R _ S } = \frac { 5 - 2 } { 1 0 0 } = 3 0 \, \mathrm {m A}$$

اتصال LEDها به یکدیگر

برای افزایش روشنایی‌ یا شدت نور، می‌توان LEDها را با یکدیگر سری کرد. مشابه سری شدن مقاومت‌ها، جریان گذرنده از LEDهای سری نیز با هم برابر است. شکل زیر، LEDهای سری را نشان می‌دهد.

همچنین اگر فرض کنیم سه LED با یک منبع $$5$$ ولتی تغذیه می‌شوند و جریان مستقیم $$10$$ میلی‌آمپر از آن‌ها می‌گذرد، آن‌گاه افت ولتاژ مقاومت $$R_S$$ و مقدار مقاومت، برابر است با:

$$\large V_ {LED} = 3 \times 1 . 2 = 3.6 \, \mathrm {V}$$

$$\large R_S = V_S - V_ \mathrm {LED} = 5 - 3.6 = 1.4 \, \mathrm {V}$$

$$\large R _ S = \frac {1.4 } { 10 \times 10 ^ { - 3 } } = 140 \, \Omega$$

مشابه مثالی که قبلاً بیان کردیم، مقاومت $$140$$ اهمی در دسته مقاومت‌های استاندارد $$E 12$$ وجود ندارد. به همین دلیل، نزدیکترین مقدار بزرگتر از آن، یعنی $$150$$ اهم را انتخاب می‌کنیم.

مدارهای درایور یا راه‌انداز LED

اکنون فرض کنید می‌خواهیم یک LED را با کلیدزنی (سوئیچینگ) روشن و خاموش کنیم. طبقات خروجی هر دو گیت منطقی TTL و CMOS را می‌توان به عنوان منبع یا مصرف کننده جریان به آند یا کاتد LED وصل کرد. جریان خروجی درایو مدارهای مجتمع (ICها) در پیکربندی مصرف کننده به $$50$$ میلی‌آمپر می‌رسد. برای پیکربندی منبع، این مقدار تقریباً $$30$$ میلی‌آمپر است.

در هر حالت، باید جریان LED را با استفاده از یک مقاومت سری، در یک مقدار ایمن محدود کرد. در ادامه، مثال‌هایی از درایو LED را با استفاده از ICها بیان می‌کنیم. البته ایده مشابه ICها را می‌توان به هر نوع مدار مجتمع چه ترکیبی و چه ترتیبی تعمیم داد.

شکل‌های زیر، مدار درایور IC را نشان می‌دهند.

اگر لازم باشد بیش از یک LED را همزمان راه‌اندازی کنیم، باید به جای ICها از قطعات گسسته استفاده کنیم. بنابراین، یک راه برای راه‌اندازی چند LED، استفاده از ترانزیستورهای NPN یا PNP به عنوان سوئیچ است. مانند قبل، یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان به کار می‌رود.

روشنایی یک LED را نمی‌توان به سادگی با تغییر جریان گذرنده از آن کنترل کرد. اگر اجازه دهیم جریان بیشتری از یک LED بگذرد، نور خروجی آن بیشتر می‌شود؛ اما در مقابل، سبب تلفات گرمایی بیشتری خواهد شد. ال‌ ای‌ دی‌ها برای تولید مقادیر مشخصی روشنایی طراحی می‌شوند و جریان مستقیمی از $$10$$ تا $$20$$ میلی‌آمپر را مصرف می‌کنند.

وقتی خروجی‌های نور بالاتری نیاز باشد، با یک جریان مدوله شده پهنای پالس با چرخه وظیفه (نسبت روشن-خاموش) نسبتاً زیاد، جریان دیود و در نتیجه شدت نور خروجی، زیاد خواهد بود.

خاموش و روشن شدن متوالی کلید، بر نور خروجی که به چشم ما می‌رسد، تأثیری ندارد؛ زیرا فرکانس پالس به اندازه کافی زیاد است. به دلیل این فرکانس بالا، پالس پیوسته به نظر می‌رسد و فاصله بین خاموش و روشن شدن‌ها را می‌پوشاند. در واقع، پالس‌هایی با فرکانس $$100$$ کیلوهرتز و بالاتر از آن، درخشان‌تر از نوری با همان شدت میانگین به نظر می‌رسند.

ال ای دی های چند رنگ

ال ای دی‌ها در شکل‌ها، رنگ‌ها و اندازه‌های مختلفی با نور خروجی متفاوت در دسترس هستند که متداول‌ترین (و ارزان‌ترین) آن‌ها، LED آرسنید گالیوم فسفید (GaAsP) است.

همچنین، بسته‌هایی از LEDها وجود دارد که که با قرارگیری آن‌ها در کنار یکدیگر، می‌توان اعداد و حروف مختلف را نمایش داد. متداول‌ترین نمونه از این نوع پیکربندی‌ها، «نمایشگر سون سگمنت» (Seven Segment Display) است.

امروزه، نمایش‌گرهای LED صفحه تخت تمام رنگی، دستگاه‌های الکتریکی و الکترونیکی روزمره مانند تلفن همراه و تلویزیون‌ها از LEDهای چند رنگ تشکیل شده‌اند و با ICها کنترل می‌شوند.

اغلب LEDها فقط یک خروجی نور رنگی دارند؛ در حالی که LEDهای چند رنگ می‌توانند رنگ‌های مختلفی را تولید کنند. اکثر این LEDهای چند رنگ، در حقیقت دو یا سه LED هستند که در یک بسته تعبیه شده‌اند.

LED دو رنگ

یک LED دو رنگ، از دو تراشه LED متصل به هم تشکیل شده که موازی و معکوس یکدیگر هستند. این LEDها، یکی از سه رنگ مختلف را تولید می‌کنند. برای مثال، وقتی جریان، از یک جهت خاص از دیود می‌گذرد، رنگ قرمز تولید می‌کند و هنگامی که بایاس و در نتیجه جهت جریان دیود برعکس شود، منجر به تولید نور سبز خواهد شد.

این نوع LED را می‌توان برای تعیین پلاریته، مثلاً اتصال صحیح باتری‌ها و منابع تغذیه به کار برد. همچنین،‌ اگر این نوع LED به یک منبع AC فرکانس پایین ولتاژ ضعیف وصل شود (همراه با یک مقاومت)، ترکیب دو رنگ تولید می‌شود. شکل زیر، یک LED دو رنگ و مدهای کاری آن را نشان می‌دهد.

LED سه رنگ

متداول‌ترین LEDهای سه رنگ، از ترکیب یک LED قرمز و یک LED سبز در یک بسته تشکیل می‌شوند که کاتد آن‌ها مشترک بوده و به هم متصل است. بنابراین، کل مجموعه دو دیود، سه پایه دارد. ال ای دی‌های سه رنگ می‌توانند با روشن کردن یک LED‌ در هر لحظه، رنگ سبز یا قرمز تولید کنند. این LEDها، یک رنگ دیگر را نیز تولید می‌کنند که نارنجی یا زرد است. این رنگ‌ها با روشن کردن هر دو رنگ دیگر (قرمز و سبز) با نسبت‌های مختلفی از جریان مستقیم دو دیود به وجود می‌آیند. جدول زیر، چهار رنگ حاصل از ترکیب جریان‌های مختلف دو دیود را نشان می‌دهد.

نمایشگرهای LED

مشابه LEDهای تک رنگ یا چند رنگ، می‌توان LEDهای زیادی را با هم ترکیب کرده و نمایشگرهایی از قبیل نمودارهای میله‌ای، نوارها، آرایه‌ها و سون سگمنت‌ها ساخت.

یک سون سگمنت، نمایشگری بسیار متداول است که با استفاده از آن می‌توان اطلاعات یا داده‌های دیجیتال را به فرم اعداد، حروف یا حرف-عدد نشان داد. همان‌گونه که از نام سون سگمنت مشخص است، این قطعه از هفت LED مجزا تشکیل می‌شود.

برای تولید اعداد یا کاراکترهای مورد نیاز از $$0$$ تا $$9$$ و $$A$$ تا $$F$$، باید LEDهای متناظر با آن‌ها را در سون سگمنت روشن کرد. یک سون سگمنت استاندارد، معمولاً‌ هشت اتصال ورودی دارد: هفت تا برای دیودها و یکی به عنوان ترمینال مشترک همه دیودها.

دو نوع نمایشگر وجود دارد:

• نمایشگر کاتد مشترک (CCD): در این نمایشگر، همه کاتدهای LEDها به یکدیگر متصل است و سگمنت‌ها یا همان LEDها با اعمال سیگنال HIGH یا منطق $$1$$ روشن می‌شوند.
• نمایشگر آند مشترک (CAD): در این نمایشگر، همه آندهای LEDها به یکدیگر متصل است و سگمنت‌ها یا همان LEDها با اعمال سیگنال LOW یا منطق $$0$$ روشن می‌شوند.

شکل زیر، یک نمایشگر LED سون سگمنت را نشان می‌دهد.

اپتوکوپلر (Opto-coupler)

اپتوایزولاتور، متشکل از یک بدنه پلاستیکی مقاوم در برابر نور است که معمولاً ولتاژ شکست بین ورودی (فتودیود) و مدار خروجی (فتوترانزیستور) آن تا $$5000$$ ولت است. جداسازی الکتریکی بین دو مدار، به ویژه وقتی مفید است که سیگنال یک مدار ولتاژ پایین مانند یک کامپیوتر یا میکروکنترلر تغذیه شده از باتری، برای کنترل مدار خارجی با ولتاژی که به طور بالقوه خطرناک است، به کار می‌رود.

دو جزء به کار رفته در اپتوایزولاتورها (یک ترنسمیتر یا فرستنده نوری، مانند LED گالیوم آرسنید مادون قرمز و یک گیرنده نوری مانند فتوترانزیستور) با یکدیگر ارتباط نوری دارند و از نور برای فرستادن سیگنال و یا اطلاعات بین ورودی و خروجی استفاده می‌کنند. به این ترتیب، می‌توان اطلاعات بین مدارها را بدون اتصال الکتریکی یا پتانسیل زمین مشترک بین دو مدار ارسال کرد.

اپتوایزولاتورها، قطعاتی دیجیتال یا سوئیچینگ هستند که سیگنال‌های کنترل ON-OFF یا داده‌های دیجیتال را انتقال می‌دهند. سیگنال‌های آنالوگ را نیز می‌توان با مدولاسیون فرکانس یا مدولاسیون پهنای پالس منتقل کرد.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• ماسفت (MOSFET) — به زبان ساده
• بایاس ترانزیستور (Transistor Biasing) — از صفر تا صد

^^