ساخت مدار رقص نور به ساده ترین روش ممکن

در مطالب قبلی یاد گرفتیم چگونه می‌توانیم در ساده‌ترین حالت ممکن، یک مدار چشمک زن بسازیم. در این مطلب از مجله فرادرس ساخت مدار رقص نور را توضیح می‌دهیم. مراحل ساخت مدار رقص نور ساده‌ای که برای این مطلب در نظر گرفته‌ایم، شامل اتصال چهار مقاومت و دو خازن به دو ترانزیستور است که در نهایت با اتصال یک باتری و LEDها مدار بسته می‌شود. در ادامه پس از توضیح این مراحل و چگونگی عملکرد مداری که ساخته‌ایم، به‌صورت مختصر به مراحل ساخت مدار رقص نور با پخش موسیقی و با کمک گرفتن از برد «آردوینو» (Arduino) نیز اشاره خواهیم کرد.

ساخت مدار رقص نور

مراحل ساخت مدار رقص نور به ساد‌ه‌ترین شکل ممکن به‌صورت زیر است:

1. مرحله اول: اتصال مقاومت‌های ‎100 Ωو خازن‌ها
2. مرحله دوم: اتصال ترانزیستورها
3. مرحله سوم: اتصال مقاومت‌های ‎47 kΩ
4. مرحله چهارم: اتصال باتری و LEDها

در بخش‌های بعدی ساخت این مدار را مرحله به مرحله کاملا توضیح می‌دهیم. تصویر مدار ساده‌ای که برای توضیح در این مطلب در نظر گرفته‌ایم، به شکل بالا است. همچنین قطعات الکترونیکی مورد نیاز برای ساخت این مدار رقص نور عبارت‌اند از:

• شش عدد LED با سه رنگ سبز و سه رنگ قرمز
• دو عدد ترانزیستور شماره BC547
• دو عدد مقاومت یا رزیستور دارای نوارهای رنگی قهوه‌ای - سیاه - قهوه‌ای و با مقدار مقاومت ‎100 Ω
• دو عدد مقاومت یا رزیستور دارای نوارهای رنگی زرد - بنفش - نارنجی و با مقدار مقاومت ‎47 kΩ
• دو عدد خازن با ظرفیت ‎10 μF و ولتاژ کار ‎50 V
• لوازم موردنیاز برای لحیم‌کاری مثل سیم یا آهن
• استریپ برد یا برد سوراخ‌دار
• باتری ‎9 V

دقت کنید چون از استریپ برد برای ساخت مدار خود استفاده می‌کنیم، لازم است با ابزارهای لحیم‌کاری و شیوه انجام آن آشنایی مختصری داشته باشید. چنین مدارهایی با روش‌های پیچیده‌تری مانند استفاده از برد آردوینو نیز قابل ساختن‌اند. اما در این مطلب هدف ما این است که ساده‌ترین روش ساخت مدار رقص نور را بیان کنیم. بنابراین فقط اشاره کوچکی به نحوه ساخت مدار با آردینو خواهیم داشت.

مرحله اول: اتصال مقاومت‌های ‎100 Ωو خازن‌ها

اولین مرحله ساخت مدار رقص نور این است که طبق شکل‌‌ زیر، مقاومت‌های ‎100 Ω را با فاصله از هم روی برد قرار دهیم. سپس یک سر R₁ را به پایه مثبت خازن C₂ و یک سر R₂ را به پایه مثبت C₁ متصل می‌کنیم. اگر دقت کنید، در مسیر R₁ تا C₂ و همین‌طور R₂ تا C₁ یک نقطه پر رنگ قرار گرفته است که نشان‌دهنده ایجاد شاخه جدید برای مرحله بعد است.

همچنین تمام اتصالاتی که در این مدار داریم، به‌صورت لحیم‌کاری بسته می‌شود. مقاومت‌های ‎100 Ω جزء پرکاربردترین اجزای الکترونیکی محسوب می‌شوند که در طراحی، مونتاژ، ساخت یا تعمیرات دستگاه‌های الکترونیکی بکار می‌روند. معمولا برای این مقاومت نوع 1/4 یا ‎0.25 W بیشترین کاربرد را دارد که به‌راحتی و با هزینه کم تهیه می‌شود.

مقدار مقاومت رزیستورها روی آن‌ها درج نمی‌شود، بلکه با کمک گرفتن از نوارهای رنگی چاپ شده روی مقاومت می‌توان مقدار مقاومت را محاسبه کرد. اگر علاقه دارید با نحوه محاسبه مقاومت از روی نوارهای رنگی آن آشنا شوید، مطالعه مطلب «محاسبه مقاومت از روی رنگ — به زبان ساده» در مجله فرادرس را به شما پییشنهاد می‌کنیم.

مرحله دوم: اتصال ترانزیستورها

در مرحله دوم از ساخت مدار رقص نور خود، طبق شکل زیر ترانزیستورهای T₁ و T₂ را هم به مدار اضافه می‌کنیم. پیش از اینکه به ادامه این بخش بپردازیم، اگر علاقه‌مند هستید با مبانی مهندسی برق و الکترونیک آشنا شوید، پیشنهاد می‌کنیم فیلم آموزشی آموزش مبانی مهندسی برق فرادرس را که لینک آن در ادامه برای شما قرار داده شده است، مشاهده کنید.

در ادامه برای قرار دادن ترانزیستورهای گفته شده در مدار لازم است کلکتور T₁ به R₁ و کلکتور T₂ به R_2‌ متصل شود. دقت کنید همان سری از R₁ و R₂ که در بخش قبل به خازن‌ها متصل شد، در این بخش با شاخه دیگری از نقطه پررنگ به کلکتور ترانزیستورها هم متصل می‌شود.

پس هنوز تکلیف بیس و امیتر دو ترانزیستور در مدار مشخص نیست. اگر با مفاهیم بیس، کلکتور و امیتر در ترانزیستور آشنا نیستید، در بخش‌های پایانی این مطلب به‌طور مختصر این موارد را توضیح داده‌ایم. اگر شماره ترانزیستوری که در این مدار استفاده شده است یعنی BC547 را جستجو کنیم، خیلی راحت می‌توانیم به دیتا‌شیت آن دسترسی داشته باشیم. این ترانزیستور از نوع NPN است و معمولا در مواردی که به توان بالایی نیاز نیست، استفاده می‌شود.

مرحله سوم: اتصال مقاومت‌های ‎47 kΩ

هنوز ساخت مدار رقص نور کامل نشده است. با اضافه کردن دو مقاومت R₃ و R₄ با مقادیر ‎،47 kΩ تقریبا اجزای اصلی مدار را در مکان مناسب خود قرار داده‌ایم. این دو مقاومت طبق شکل زیر در مدار قرار می‌گیرند، به این صورت که یک سر مقاومت R₃ به بیس ترانزیستور T₁ و یک سر مقاومت R₄ به بیس ترانزیستور T₂ متصل می‌شود.

به نقطه پررنگی که در مسیر T₁ و R₃ و در مسیر T₂ و R₄ وجود دارد، دقت کنید. این نقطه محل اتصال سیمی است که از سر دیگر خازن C₁ و خازن C₂ خارج می‌شود. شکل زیر تصویری از مدار را در این مرحله نشان می‌دهد. مشاهده می‌کنید که مقاومت‌های ردیف بالا به کلکتور ترانزیستورها و مقاومت‌های ردیف پایین به بیس دو ترانزیستور وصل شده‌اند.

مرحله چهارم: اتصال باتری و LEDها

در آخرین مرحله از ساخت مدار رقص نور، مطابق شکل زیر باتری ‎9 V و شش LED خود را در مدار قرار می‌دهیم تا مدار بسته شود. پایانه منفی باتری توسط یک سیم دو شاخه به دو امیتر دو ترانزیستور T₁ و T₂ وصل می‌شود. پایانه مثبت باتری هم در دو شاخه، با عبور از سر دیگر دو مقاومت R₃ و R₄ از هر سمت به سه LED متصل می‌شود.

در نهایت سر دیگر هر سه LED که به شکل سری به هم وصل شده‌اند، به هر یک از دو مقاومت R₁ و R₂ متصل شده و مدار بسته می‌شود. بنابراین ساخت مدار رقص نور به پایان رسید. شکل زیر تصویری از پشت مدار بسته شده است.

یادگیری ساخت مدار رقص نور با فرادرس

پیش از اینکه یادگیری ساخت مدار رقص نور را شروع کنیم، پیشنهاد می‌کنیم اگر دانش‌آموز هستید و تمایل دارید اطلاعات پایه خود را در مورد مباحث مربوط به مهندسی برق و الکترونیک قوی کنید، فیلم‌های آموزشی زیر از مجموعه فرادرس را مشاهده کنید:

1. فیلم آموزش علوم هشتم بخش فیزیک فرادرس
2. فیلم آموزش فیزیک یازدهم فرادرس
3. فیلم آموزش فیزیک یازدهم مرور و حل تمرین فرادرس

ساخت مدار رقص نور با پخش موسیقی

پس از اینکه در بخش‌های گذشته یاد گرفتیم ساخت مدار رقص نور چگونه است و چنین مداری با چه ابزارهایی ساخته می‌شود، در این بخش دو مدار رقص نور دیگر را بررسی می‌کنیم که با پخش موسیقی تنظیم شد‌ه‌اند. در واقع عمده کاربرد مدارهای رقص نور در فضاهایی مانند جشن‌ها و دیسکوها است. همان‌طور که احتمالا دیده باشید، در این فضاها روشن - خاموش شدن نورها بر اساس پخش موسیقی تنظیم می‌شود، به این صورت که نورها بر اساس اندازه و حجم بیت‌های موسیقی در حال پخش روشن - خاموش می‌شوند.

پس از توضیح مدار اول، خواهید دید که ساخت مدار دوم با استفاده از «آردوینو اونو» (Arduino UNO) انجام شده است. اما ابتدا به فرآیند ساخت مدار رقص نور اول که در آن برای تنظیم مدار با پخش موسیقی فقط ترانزیستور BC547 بکار رفته است، می‌پردازیم.

مثال اول ساخت مدار رقص نور با پخش موسیقی

در شکل زیر، تصویر نهایی این مدار را مشاهده می‌کنید که برای ساخت آن به وسایل زیر نیاز داریم:

• یک عدد «میکروفون کاندنسر» (Condenser Mic)
• پنج عدد ترانزیستور BC547
• دو عدد مقاومت‌ ‎       10 kΩ
• چهار عدد مقاومت‌ ‎       1 kΩ
• یک عدد مقاومت‌ ‎       1 MΩ
• یک عدد خازن سرامیکی با ظرفیت ‎100 nF
• چهار عدد LED
• یک عدد باتری ‎   9 V
• مقداری سیم
• برد بورد

در شکل زیر می‌توانید نقشه این مدار مشاهده کنید. در این مدار میکروفون کاندنسر سیگنال‌های الکتریکی را دریافت می‌کند و به سطوح مختلفی از ولتاژ تبدیل می‌کند. این سیگنال‌های ولتاژ ‌به‌عنوان منبع تغذیه برای مقاومت R₂ و خازن C₁ محسوب می‌شوند و نویزها را از صدا حذف می‌کنند. سپس یک ترانزیستور NPN با شماره BC547 داریم که جهت تقویت سیگنال استفاده شده است و آن را با Q₁ نشان داده‌ایم.

در مرحله بعدی این سیگنال‌های موسیقی وارد آرایه‌ای از چهار ترانزیستور می‌شوند. در این آرایه، تمام ترانزیستورها عملکرد تقویت‌کنندگی دارند و موجب روشنایی LEDها بر اساس الگوی پخش موسیقی خواهند شد. برای اضافه کردن LEDهای بیشتر، می‌توانیم از ترانزیستورهای بیشتری نیز استفاده کنیم. همچنین قابلیت دیگری که در این بخش وجود دارد تنظیم حساسیت میکروفون با تغییر مقادیر R₂ و C₁ و استفاده از فرمول فیلتر RC به‌صورت زیر است:

$$F=\frac{1}{2\pi RC}$$

در این رابطه F «فرکانس کات آف یا فرکانس قطع» (Cut off Frequency) است و به این معنا است که فیلتر فقط فرکانس‌های بالاتر از این مقدار را مجاز می‌داند. بنابراین بر اساس رابطه بالا، هر چه مقدار RC بیشتر باشد، فرکانس قطع کمتر است و حساسیت میکروفون بیشتر است.  حساسیت بالاتر میکروفون به این معنا است که این وسیله قادر است صداهای با حجم پایین‌تر را هم بگیرد. در نتیجه LEDها با پخش موسیقی زیر و بم هم روشن خواهند شد.

نکته مهم دیگر این است که باید دقت کنیم میکروفون در مدار به شکل صحیحی و بر اساس قطبیت درست آن بسته شود، به این صورت که آن ترمینال دارای سه خط لحیم‌کاری، همان ترمینال منفی میکروفون است. همچنین همان‌طور که اشاره شد، ترانزیستور BC547 در این مدار نقش تقویت‌کننده دارد. ترانزیستور NPN زمانی نقش کلید یا سوئیچ باز را دارد که هیچ ولتاژی به بیس آن اعمال نشود. اما اگر ولتاژی به بیس این نوع ترانزیستور وارد شود، مثل یک کلید بسته در مدار عمل می‌کند.

مثال دوم ساخت مدار رقص نور با پخش موسیقی

حالا می‌رویم سراغ ساخت مدار رقص نور با آردوینو اونو. لوازم موردنیاز برای ساخت این نوع مدار رقص نور عبارت‌اند از:

• ده عدد مقاومت ‎4.7 Ω
• پنج عدد مقاومت ‎220 Ω
• یک عدد مقاومت ‎330 Ω
• ده عدد «کلید یا سوئیچ تاکت» (Tact Switches)
• 28 عدد پایه نگهدارنده آی سی
• سیم
• لوازم لحیم‌کاری
• هفت عدد LED با رنگ‌های مختلف
• یک عدد «بلندگو» (Speaker) با مشخصات ‎8 Ω و ‎0.5 W
• یک عدد «نوسان‌ساز یا اسیلاتور کریستالی» (Crystal Oscillator) با فرکانس ‎16 MHz
• دو عدد خازن سرامیکی با ظرفیت ‎22 pF
• برد الکترونیکی با ابعاد ‎4×6 cm و ‎2×8 cm
• کابل برق USB

برد آردوینو اونو به‌عنوان یکی از پرکاربردترین سخت‌افزارهای آردوینو، شامل یک میکروکنترلر Atmega328p است. پس از اینکه لوازم موردنیاز را جمع‌آوری کردید، در اولین مرحله لازم است کد موردنظر برای ساخت این مدار را در چیپ Atmega بارگذاری کنید. مرحله بعدی لحیم‌کاری اجزا روی برد است.

پس از آن نوبت نصب IC در مدار است. همچنین یک پاور بانک با قدرت ‎ 5 Vرا به‌عنوان منبع و توسط کابل USB به مدار متصل می‌کنیم. شکل نهایی مدار به صورت زیر خواهد شد. همزمان با پخش موسیقی از اسپیکر، LEDها با رنگ‌های مختلف شروع به چشمک زدن می‌کنند و رقص نور ایجاد می‌شود. در واقع این مدار باید طوری برنامه‌ریزی شود که با فشردن هر کدام از کلیدهای پایین تصویر، یک موسیقی پخش شود و رقص نور آن توسط LEDها اجرا شود. تنظیم این مدار بر این اساس است که ده موسیقی مختلف امکان پخش داشته باشند و به همین علت نیز ده کلید در مدار قرار داده شده است.

اصول عملکرد مدار رقص نور

برای اینکه ببینیم ساخت مدار رقص نور بر چه اساسی است، بهتر است با نحوه عملکرد مداری که ساخت آن را توضیح دادیم، آشنا شویم. مدار رقص نور بر اثر شارژ و دشارژ شدن (تخلیه) دو خازن کار می‌کند. بار دیگر تصویر نقشه مدار موردنظر را مرور می‌کنیم که در آن نقاط پررنگ، محل اتصال سیم‌ها است. در این مدار شش عدد LED در نظر گرفته شده است که شماره D₁ تا D₃ به‌ترتیب رنگ‌های قرمز، سبز و قرمز دارند و در سمت چپ مدار طبق شکل بالا قرار می‌گیرند. در سمت راست مدار، سه LED با شماره‌های D₄ تا D₆ را داریم که به‌ترتیب رنگ‌های سبز، قرمز و سبز دارند.

کمی پایین‌تر، دو مقاومت R₁ و R₂ با مقدار مقاومت ‎100 Ω و دو خازن C₁ و C₂ با ظرفیت ‎10 μF را داریم. هنگام اتصال قطعات روی برد باید دقت کنیم که قطبیت خازن‌ها رعایت شود، در غیر این صورت خازن آسیب خواهد دید. بعد از آن دو ترانزیستور T₁ و T₂ و در نهایت، دو مقاومت R₃ و R₄ را با مقدار ‎47 kΩ را خواهیم داشت که به باتری 9 ولتی متصل شده‌اند.

اصول عملکرد این مدار به این صورت است که جریان از پایانه مثبت باتری از داخل اولین مجموعه LEDها یعنی D₁ تا D₃ عبور می‌کند و از طریق مقاومت شماره یک یا R₁، به کلکتور ترانزیستور شماره یک یا T₁ می‌رسد. کار مهمی که R₁ انجام می‌دهد این است که جریان عبوری از LED‌های 1 تا 3 را محدود می‌کند تا به این وسیله از آسیب آن‌ها جلوگیری کند.

اگر به مدار دقیق‌تر نگاه کنید، متوجه خواهید شد که جریان عبوری از R₁، موجب شارژ شدن خازن شماره دو یا C₂ خواهد شد. سپس این خازن از طریق بیس ترانزیستور شماره دو یا T₂ و R₄ تخلیه می‌شود. در واقع سیمی که خازن C₂ را به ترانزیستور T₂ متصل کرده است، طبق شکل به بیس آن وصل شده است، در حالی که کلکتور T₂ به مقاومت R₂ متصل است. با شارژ دوباره خازن C₂، مجددا این چرخه تکرار می‌شود. پس یاد گرفتیم که چگونه جریان بیس برای ترانزیستور شماره دو فراهم شد. در نتیجه مجموعه دوم از LED‌ها یعنی D₄ تا D₆ نیز با عبور جریان از ترانزیستور شماره یک یا T₁ روشن می‌شوند.

ساخت مدار رقص نور با ‎555 Timer IC و ‎4017 IC

مدارهای رقص نور معمولا با هدف تزئین محیط ساخته می‌شوند و الگوهای مختلفی برای ساخت این مدارها وجود دارد. در این بخش، ساخت مدار رقص نور را طبق الگویی پیش می‌بریم که در آن شش LED به‌‌صورت رفت و برگشتی روشن می‌شوند. برای ساخت چنین مداری از دو قطعه الکترونیکی به نام ‎555 timer IC و ‎4017 IC استفاده می‌کنیم. «آی سی» (IC) تایمر 555 یا ‎555 timer IC یکی از پرکاربردترین ICها محسوب می‌شود که دارای 8 پین یا پایه است و از دو مقایسه‌گر و یک فلیپ - فلاپ SR ساخته می‌شود.

شکل بالا پین‌های آی سی تایمر 555 را نشان می‌دهد که به‌ترتیب شماره‌ها شامل زمین، ترایگر، خروجی، تنظیم مجدد، ولتاژ کنترل، آستانه، تخلیه و قدرت یا V_cc است. آی سی 4017 دارای ‍16 پایه یا پین است که مطابق شکل زیر قرار گرفته‌اند و هر پین کاربری خاص خود را دارد. برای مثال پین شماره 14 ورودی پالس ساعت است. این قطعه در واقع یک تراشه شمارنده عدد ده است که در 10 پین (Q₀ تا Q₉) خروجی تولید می‌کند. نحوه ایجاد این خروجی به این شکل است که یکی پس از دیگری در 10 پین خروجی تولید می‌کند.

سپس همان‌طور که اشاره کردیم، خروجی نهایی توسط پالس ساعت در پین 14 کنترل می‌شود. در واقع خروجی اولیه در پین سوم یا Q₀، بالاست و با هر پالس ساعت، خروجی به پین بعدی می‌رود، به این شکل که یک پالس ساعت Q₀ را کاهش و Q₁ را افزایش می‌دهد و پالس ساعت بعدی، Q₁ را کم و Q₂ را زیاد می‌کند و .... این روند پس از Q₉، مجددا از Q₀ شروع می‌شود و باعث می‌شود روشن - خاموش شدن پشت سر هم را برای تمام 10 پین خروجی داشته باشیم.

در جدول بالا عملکرد هر پین مشخص شده است. همچنین تصویری از مدار نهایی ساخته شده با این دو نوع آی سی را مشاهده می‌کنید.

حالا می‌رویم سراغ ساخت مدار رقص نور با استفاده از این دو نوع آی سی. وسایلی که برای این مدار نیاز داریم شامل موارد زیر هستند:

• آی سی DC4017
• آی سی تایمر 555
• دو عدد مقاومت ‎1 kΩ
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎10 μF
• یک عدد مقاومت متغیر ‎10 kΩ
• هشت عدد دیود ترجیحا از نوع 1N4148
• شش عدد LED
• یک باتری ‎      9 V

برای شروع، شش عدد LED را به پین‌های خروجی Q₀ تا Q₅ آی سی 4017 وصل می‌کنیم. از این شش عدد LED، چهار LED میانی را به خروجی‌های Q₆ تا Q₉ نیز متصل می‌کنیم. در شکل زیر می‌توانید نحوه اتصال در مدار را مشاهده کنید. بنابراین چهار LED میانی به دو خروجی متصل شده‌اند. همچنین از دیودها برای اتصال این LEDهای میانی استفاده شده است، به این علت که از ایجاد جریان معکوس جلوگیری شود.

 

بنابراین با این نوع اتصال، انتظار داریم ابتدا LEDهای یک تا شش روشن شوند. سپس LED‌های پنج تا دو به‌صورت معکوس روشن شوند و مجددا LEDهای یک تا شش و به همین ترتیب این روند تکرار شود. در ادامه برای اینکه پالس ساعت را به پین 14 اعمال کنیم، لازم است از یک آی سی تایمر 555 در مد پایدار استفاده شود. خروجی نوسانی تولید شده در پین شماره 3 از آی سی تایمر 555، در پین شماره 14 آی سی 4017 بکار می‌رود، به گونه‌ای که خروجی با هر پالس ساعت قابلیت ارتقا دارد. در شکل زیر این اتصال را مشاهده می‌کنید.

می‌توانیم سرعت LED‌ها را در فرآیند رقص نور با استفاده از یک پتانسیومتر که با نماد RV1 در مدار مشخص است، کنترل کنیم. به این شکل که پس از ساخت مدار رقص نور، با چرخش دستگیره پتانسیومتر فرکانس نوسان تایمر 555 تغییر خواهد کرد و در نتیجه نرخ پالس ساعت هم عوض خواهد شد. در نهایت با اتصال سایر اجزای مدار مانند باتری، مقاومت‌ها و خازن طبق شکل زیر، ساخت مدار رقص نور با آی سی تایمر 555 و آی سی 4017 کامل می‌شود.

LED چیست؟

در بخش‌های آخر این مطلب، برای اینکه درک عمیق‌تری نسبت به نحوه ساخت مدار رقص نور به‌دست آوریم، بهتر است با اصول برخی قطعات مثل دیودهای نورگسیل یا LED‌ها آشنا شویم. LED‌ها بخش بزرگی از دنیای مدرن امروز را تشکیل می‌دهند و معمولا به عنوان عامل هشدار‌دهنده یا جلب‌توجه‌کننده در وسایل ارتباطی اپتیکی استفاده می‌شوند.

ساخت این قطعات کوچک و ساده بر اساس تشکیل یک پیوندگاه p-n است. با عبور جریان، این قطعات می‌توانند فوتون نور تابش کنند و به این صورت، علامت هشدار یا جلب توجه موردنیاز را فراهم خواهند کرد. LED‌ها از دو بخش آند و کاتد تشکیل شده‌اند و با قرار گرفتن در معرض اختلاف پتانسیل و عبور جریان، نور گسیل می‌کنند.

تاریخچه LED‌ها به سال ۱۹۰۷ برمی‌گردد، زمانی که «جوزف هنری» (Joseph Henry) خاصیت «تابش الکترولومینساس»‌ (Electro-luminescence) از «کریبد سیلیکون» (Silicon Carbide) را مشاهده کرد. اولین LED در سال ۱۹۶۲ ساخته شد. این ابزار برپایه «گالیوم آرسنید فسفید» یا GaAsP بود. به این ترتیب اولین LED در دهه ۱۹۶۰ وارد بازار شد. با معرفی ترکیب نیمه‌هادی دیگری به نام «گالیوم آلومینیوم آرسنید» یا GaAlAs، دیودهای نورگسیل وارد مرحله جدیدی شدند. همچنین LED‌های آبی و سفید در سال ۱۹۹۰ بازار شدند که بر پایه «ایندیوم گالیوم نیترید» یا InGaN بودند.

ویژگی‌های LED

با توجه به مزیت‌هایی که یک LED نسبت به یک لامپ حبابی دارد، کاربرد این وسایل به‌سرعت گسترش پیدا کرده است. از جمله این مزایا می‌توان به ابعاد کوچک‌تر LEDها اشاره کرد که همین نکته باعث می‌شود بتوانیم تعداد خیلی زیادی از این ابزارها را در ماتریس‌های وسیع‌تری در کنار هم قرار دهیم. همچنین شدت نوری که از یک LED خارج می‌شود، به جریان عبوری از آن بستگی دارد. بنابراین می‌توانیم روی شدت نور تابشی از یک LED کنترل داشته باشیم.

به‌علاوه نوری که از یک LED تابیده می‌شود، در رنگ‌های مختلفی است مثل زرد، سبز، قرمز و آبی. نکته مثبت دیگر این است که LEDها از نظر اقتصادی نیز بسیار مناسب هستند. اما اگر بخواهیم یک LED را ایده‌آل بنامیم، شرایط زیر را باید داشته باشد:

• یک LED ایده‌آل در پوششی از پلاستیک یا رزین قرار داده می‌شود تا در مقابل شوک‌های مکانیکی آسیب نبیند.
• برخلاف لامپ‌های حبابی، در یک LED ایده‌آل گرما تولید نمی‌شود و توان اتلافی در قالب گرما برای این قطعه عملا ناچیز است.
• یک LED‌ ایده‌آل به جریان و ولتاژ خیلی کمی نیاز دارند (جریانی در حدود ‎20 mA و ولتاژی برابر با ‎1.8 V)، بنابراین چنین ابزاری برای مدارهایی که با باتری کار می‌کنند ایده‌آل محسوب می‌شود.

داخل یک LED چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

داخل یک LED دو پایانه یا ترمینال قرار دارند که توسط یک چیپ کوچک ساخته شده از ترکیبات گالیومی، به هم متصل شده‌اند. این ماده قابلیت این را دارد که خاصیت تابش فوتونی از خود نشان دهد، زمانی که پیوندگاه p-n در بایاس مستقیم باشد. برای اینکه رنگ‌های مختلفی توسط LED تابش شوند، می‌توانیم ماده پایه آن را با عناصر دیگری «ناخالص‌سازی یا داپ» (Doping) کنیم.

اتفاق مهمی که در داخل LED رخ می‌دهد، «بازترکیب» (Recombination) حامل‌های بار الکتریکی است. اگر به شکل بالا دقت کنید، الکترون از ماده نیمه‌رسانای نوع n و حفره از ماده نیمه‌رسانای نوع p با هم ترکیب می‌شوند که حاصل این بازترکیب، ایجاد گرما و نور است. بنابراین نور از محل پیوندگاه یا محل اتصال این دونوع نیمه‌رسانا تابش یا گسیل خواهد شد.

مشخصات فیزیکی LED

«روشنایی» (Brightness) مهم‌ترین وجه یک LED است. حساسیت چشم انسان به نور در محدوده طول‌موج‌های ناحیه زرد تا سبز طیف مرئی است (نزدیک ‎550 nm). به همین دلیل است که یک LED سبز از یک LED قرمز روشن‌تر به‌نظر می‌رسد، علی‌رغم اینکه از هر دو جریان یکسانی عبور کند. مهم‌ترین فاکتورهای یک LED که در عملکرد آن موثر هستند، عبارت‌اند از:

• «شار نوری» (Luminous Flux)
• «شدت نوری» (Luminous Intensity)
• «بازدهی نوری» (Luminous Efficacy)

شار نوری میزان انرژی نوری را که از LED تابش شده است، نشان می‌دهد. اندازه‌گیری این کمیت با واحدی به نام «لومن» (Lumen) که با lm نشان داده می‌شود یا با واحد میلی لومن (mlm) انجام می‌شود. یک لومن برابر است با شدت نوری اندازه یک «کندلا» (Candela)، زمانی که نوری به سطحی از یک کره فرضی با منبع نوری در مرکز و زاویه یک استرادیان بتابد. واحد شدت نور، کندلا است که با cd نشان داده می‌شود.

همچنین میلی کندلا (mcd) هم واحد رایج دیگر شدت نور محسوب می‌شود. روشنایی یک LED کاملا با شدت نور آن مرتبط است. نسبت نور تابش شده به توان ورودی یک LED برابر است با بازدهی نوری آن. واحد اندازه‌گیری بازدهی برابر است با لومن بر وات یا lm/W. علاوه‌بر موارد بالا، جریان و ولتاژ مستقیم و سرعت پاسخ‌دهی عواملی هستند که روی روشنایی و عملکرد LED اثر می‌گذارند.

تکمیل یادگیری ساخت مدار رقص نور با فرادرس

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس، چنانچه علاقه‌مند هستید در زمینه الکترونیک و مدارهای الکتریکی اطلاعات خود را کامل کنید و به تسلط نسبی در این مباحث دست پیدا کنید، می‌توانید فیلم‌های آموزشی زیر از مجموعه فرادرس را مشاهده کنید:

1. فیلم آموزش مبانی مهندسی برق فرادرس
2. فیلم آموزش الکترونیک ۱ فرادرس
3. فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ فرادرس
4. فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۲ فرادرس
5. فیلم آموزش رایگان پل دیودی چیست؟ انواع و عملکرد فرادرس (رایگان)
6. فیلم آموزش الکترونیک کاربردی، طراحی و پیاده‌ سازی مدارات فرادرس
7. فیلم آموزش عیب یابی مدارات الکترونیکی فرادرس
8. فیلم آموزش مبانی تعمیر چراغ های LED فرادرس
9. فیلم آموزش حفاظت و رله با نکات کاربردی فرادرس

ترانزیستور چیست؟

در آخرین بخش از این مطلب، در مورد ویژگی‌ها و خصوصیات قطعه مهمی به نام ترانزیستور صحبت می‌کنیم. ترانزیستور یکی از انوع قطعات نیمه‌رسانا است که برای هدایت جریان الکتریکی یا عایق کردن آن بکار می‌رود. در واقع ترانزیستور به‌واسطه ماهیت نیمه‌رسانا بودن، یا رسانای جریان است یا در مقابل جریان عایق است. همین مسئله باعث شده است که ترانزیستورها به‌عنوان «کلید» (Switch) یا «تقویت‌کننده» (Amplifier) در مدار استفاده شوند.

اگر از ترانزیستور به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده شود، عملکرد آن دریافت جریان ورودی کوچک و تبدیل این جریان به یک جریان خروجی با مقدار خیلی بیشتر است. اما اگر به‌عنوان کلید در مدار قرار گرفته باشد، دارای دو حالت روشن یا خاموش است تا بتواند عبور سیگنال‌های الکتریکی از سایر قطعات الکتریکی را کنترل کند.

یک ترانزیستور شامل سه لایه نیمه‌رسانا است که هر کدام یک جریان را می‌توانند حمل کنند. هر کدام از این سه لایه نشان‌دهنده یک «پایه یا ترمینال» (Lead or Terminal) ترانزیستور است. با توجه به نوع مدار، هر ترمینال یا پایه ترانزیستور به یک بخش از مدار خارجی متصل خواهد شد. سه پایه ترانزیستور عبارت‌اند از:

• «بیس یا پایه» (Base) که با B نشان داده می‌شود و پایه‌ای است که از طریق آن ترانزیستور فعال می‌شود.
• «کلکتور» (Collector) که با C نشان داده می‌شود و پایه مثبت ترانزیستور نامیده می‌شود.
• «امیتر» (Emitter) که با E نشان داده می‌شود و پایه منفی ترانزیستور نامیده می‌شود.

انواع ترانزیستور

ترانزیستورها در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند، ترانزیستورهای اثر میدان (FET) و ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT). معمولا در مدارهای ساده‌ای مانند مدار رقص نور یا مدار چشمک زن از ترانزیستورهای BJT استفاده می‌شود. به همین علت در این بخش فقط این نوع ترانزیستورها را توضیح می‌دهیم. این نوع ترانزیستورها از سه پایه به شرحی که در بالا گفتیم، ساخته می‌شوند.

سازوکار تقویت جریان توسط این نوع ترانزیستورها با به‌ هم پیوستن هر سه لایه و تبدیل سه لایه به یک لایه امکان‌پذیر است. در ترانزیستورها هم مانند سایر ابزارهای نیمه‌رسانا دو نوع حامل جریان الکتریکی داریم: الکترون‌ها و حفره‌ها. بر این اساس، ترانزیستورهای BJT به دو گروه NPN و PNP تقسیم می‌شوند. در یک ترانزیستور NPN تعداد حفره‌ها نسبت به تعداد الکترون‌ها بیشتر است، در حالی که در ترانزیستور PNP الکترون‌ها حامل‌های اکثریت محسوب می‌شوند.

تفاوت مهم ساختار دو ترانزیستور NPN و PNP در این است که در نوع PNP لایه شامل ماده نیمه‌رسانای نوع n بین دو لایه ساخته شده از نیمه‌رسانای نوع p ساندویچ می‌شود (شکل پایین). اما در ترانزیستور NPN لایه نوع p بین دو لایه از نوع n قرار می‌گیرد.