ال ای دی (LED) چیست؟ — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، درباره دیودها و برخی از انواع آن‌ها، مانند دیود پیوند PN و دیود زنر بحث کردیم. گونه دیگری از دیودها وجود دارند که وقتی جریان از آن‌ها می‌گذرد، پهنای باند نسبتاْ باریکی از نور مرئی را با طول‌ موج‌های رنگی مختلف یا نور مادون قرمز نامرئی برای کنترل از راه دور و یا نور لیزری منتشر می‌کنند. در این آموزش با این نوع دیودها آشنا می‌شویم که «ال ای دی» (LED)‌ نام دارند.

«دیود نور افشان» (Light Emitting Diode) یا LED، نوع خاصی از دیودها است که مشخصات الکتریکی بسیار مشابهی با یک دیود پیوند PN دارد. این بدین معنی است که یک LED، جریان را در جهت مستقیم عبور خواهد داد، اما آن را در جهت معکوس سد خواهد کرد.

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.

وقتی دیود بایاس مستقیم شود، الکترون‌های باند هدایت نیمه‌رسانا با حفره‌های باند ظرفیت بازترکیب می‌شوند و انرژی کافی را برای فوتون‌های مولد نور مونوکروماتیک (تک‌رنگ) مهیا می‌کنند. به دلیل وجود لایه نازک، تعدادی از این فوتون‌ها می‌توانند از پیوند جدا شوند و یک خروجی نورانی رنگی تولید کنند. پس می‌توان گفت که وقتی LED بایاس مستقیم است، انرژی الکتریکی را به انرژی نوری تبدیل می‌کند.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

ساختار یک LED نسبت به یک دیود عادی بسیار متفاوت است. پیوند PN یک LED از یک رزین اپوکسی پلاستیکی (Plastic Epoxy Resin) شفاف و سخت پوشیده شده است که پوسته یا بدنه‌ای به شکل یک نیم‌کره را تشکیل می‌دهد و از لرزش و شوک LED محافظت 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

اما رنگ LEDها چگونه به وجود می‌آید؟ برخلاف دیودهای سیگنال که برای آشکارسازی یا یکسوسازی توان از مواد نیمه‌رسانای ژرمانیوم یا سیلیکون ساخته می‌شوند، ال‌ ای‌ دی‌ها از ترکیبات نیمه‌رساناها، مانند گالیوم آرسنید (GaAs)، گالیوم فسفید (GaP)، گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP)، سیلیکون کاربید (SiC) یا گالیوم ایندیم نیترید (GaInN) با نسبت‌های مختلف ساخته می‌شوند تا طول‌موج‌های مختلف رنگ‌ها را تولید کنند.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم 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.

مقدار نور فروسرخی که ترکیب گالیوم آرسنید تولید می‌کند، برای کنترل از راه دور تلویزیون کافی است، اما اگر بخواهیم از LED به عنوان یک چراغ سیگنال استفاده کنیم، این ترکیب مفید نخواهد بود. با افزودن فسفر (P با عدد اتمی $$15$$)، به عنوان سومین ناخالصی، طول موج کلی نور، به زیر $$680$$ نانومتر کاهش می‌یابد که نور قرمز مرئی را تولید خواهد کرد. تقویت بیشتر پیوند PN، موجب تولید نورهایی با رنگ‌های متنوع خواهد شد.

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.

در اغلب موارد، LEDها با یک منبع ولتاژ DC کوچک و یک مقاومت سری $$R_S$$ برای محدود کردن جریان مستقیم (از $$5$$ میلی‌آمپر برای LEDهای عادی تا $$30$$ میلی‌آمپر برای LEDهایی که خروجی نوری زیادی دارند) کار می‌‌کنند.

مقاومت سری LED

مقدار مقاومت سری $$R_S$$ یک LED را می‌توان با دانستن مقدار جریان $$I_F$$ مورد نیاز، ولتاژ $$V_S$$ منبع و افت ولتاژ‌ مستقیم $$V_F$$، به سادگی با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد.

فیلم آموزش حل تمرین 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.

حل: با توجه به رابطه‌ای که گفته شد، مقاومت مورد نیاز برای محدودسازی جریان $$10$$ میلی‌آمپر به صورت زیر است:‌

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

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

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

همان‌طور که می‌دانیم، مقاومت‌های واقعی در اندازه‌های استانداردی وجود دارند. در بخش اول مثال بالا، مقدار $$300$$‌ اهم را به دست آوردیم. در مقاومت‌های استاندارد $$E 12$$، مقاومتی با اندازه $$300$$ اهم نداریم. به همین دلیل، نزدیکترین مقاومت بزرگتر از این مقدار، یعنی $$330$$ اهم را انتخاب می‌کنیم. اگر محاسبات را برای این مقدار مقاومت انجام دهیم، به جریان $$9.1$$ میلی‌آمپر می‌رسیم که مقدار مناسبی است.

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.

هرچند جریان گذرنده از LEDهای سری با هم برابر است، اما افت ولتاژ سری در سراسر آن‌ها باید در هنگام محاسبه مقاومت محدود کننده $$R_S$$ جریان مورد توجه قرار گیرد. اگر فرض کنیم که ولتاژ هر LED در هنگام روشن شدن، $$1.2$$ ولت باشد، ولتاژ در هر سه LED، برابر با $$3 \times 1.2$$ ولت خواهد بود.

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.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

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.

در موقعیت‌هایی که ذخیره (Saving) انرژی مهم است، جریان کمتر می‌شود. هرچند، کاهش جریان به زیر $$5$$ میلی‌آمپر، ممکن است نور خروجی را قطع کند. یک راه بهتر برای کنترل روشنایی LEDها، استفاده از یک فرایند کنترل به نام «مدولاسیون پهنای پالس» یا PWM است که به صورت مداوم، LED را با توجه به شدت نور مورد نیاز، در فرکانس‌های متغیر، خاموش و روشن می‌کند. شکل زیر کنترل شدت نور LED‌ را با PWM نشان می‌دهد.

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)