ال ای دی چیست؟معرفی جدول ولتاژ ال ای دی

ال ای دی (LED)

دیودهای ساطع کننده نور(Light Emitting Diode) یا به انحصار LED امروزه کاربرد وسیع تری نسبت انواع دیگر دیودهای نیمه هادی دارند و در موارد زیادی مانند تلویزیون و نمایشگرها استفاده می شود.که پهنای باند نسبتا باریکی از نورهای مرئی با طول موج های رنگی مختلف، یا نورهای نامرئی (infra-red) جهت کنترل از راه دور و لیزر جهت انتقال از خود ساطع می کنند.

از لحاظ ویژگی های الکتریکی اساسا ال ای دی بسیار شبیه به دیودها اتصال PN است. این به این معنی است که ال ای دی جریان مستقیم را از خود عبور داده و از عبور جریان مخالف جلوگیری می کند.

ال ای دی از یک لایه نازک نیمه هادی ساخته شده است که هنگامی که در بایاس مستقیم قرار میگیرد یک نور رنگی با طول موج خاص منتشر میکند و با توجه به نوع جنس نیمه هادی و غلظت نا خالصی نور ساطع شده از آن متفاوت می باشد. بنابراین وقتی دیود در بایاس مستقیم است الکترونها با حفره ها ترکیب می شوند که باند ظرفیت (لایه والانس)، برای منتشر کردن نور انرژی کافی برای تولید فوتون را به دست می آورد.

ساخت  ال ای دی بسیار متفاوت تر از ساخت دیگر دیودهاست. اتصال PN نوع ال ای دی توسط یک نیم کره شفاف از جنس پلاستیک سخت جهت محافظت در مقابل لرزش و شوک احاطه شده است.

در کمال تعجب بدنه و پوشش ال ای دی در سطح بالای گنبدی شکل خود مانند یک لنز عمل کرده و نور ساطع شده از اتصال PN را متمرکز می کند و این امر باعث درخشنده بودن ال ای دی از جهت بالا می باشد.

با این حال بدنه ی همه ال ای دی ها به شکل گنبد ساخته نشده اند و ال ای دی هایی به شکل مستطیل و استوانه نیز ساخته می شود .

پایه منفی یا کاتد پایه ی کوتاه تر است که با بریدگی یا سطح صاف بر روی بدنه مشخص شده است و پایه مثبت یا آند پایه ی بلندتر است .

بر خلاف لامپ های رشته ای که مقدار زیادی از انرژی را به گرما تبدیل و هدر می دهند ال ای دی ها بسیار کم مصرف، با دوام و طول عمر بیشتری از به لامپ های معمولی دارند.

رنگ های ال ای دی

برخلاف دیودهای معمولی که از ترکیبات نیمه هادی ژرمانیم ساخته شده است در ساخت ال ای دی از ترکیب های متفاوتی مانند آرسنید گالیوم (GaAs) فسفید گالیوم (GaP) فسفید آرسنید گالیوم (GaAsP) کاربید سیلیکون (Sic) و یا نیترید ایندیوم گالوم (GaInN) استفاده شده است. ترکیبات مختلف نورهای رنگی متفاوتی ساطع می کنند.

به این ترتیب رنگ نور ساطع شده از ال ای دی توسط ترکیبات مورد استفاده در پیوند PN تعیین می گردد و رنگ پوشش پلاستیکی ال ای دی تاثیری در آن ندارد. ال ای دی به رنگ های مختلفی موجود است اما رنگ های قرمز، نارنجی، زرد و سبز رنگ های معمول آن هستند و بیشتر در تابلوها و نمایشگرهای مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا ال ای دی هایی با رنگ های آبی  و سفید در دسترس قرار گرفته که با توجه به هزینه های ترکیب مختلف مواد جهت ساخت پیوند PN گران تر می باشند. با توجه به جدول بالا در می یابیم که با ترکیب گالیم (Ga) با عدد اتمی 31 به عنوان پیوند P و آرسنید (As) با عدد اتمی 33 به عنوان پیوند N ساختار کریستالی آرسنید گالیوم (GaAs) ایجاد می شود.

مشکل استفاده از ترکیب آرسنید گالیوم این به عنوان نیمه هادی این است که موقعی که در بایاس مستقیم قرار میگیرد در محل پیوند PN امواج مادون قرمز زیادی (850 نانومتر تا 940 نانومتر) ساطع می شوند.این مقدار نور مادون قرمز جهت استفاده در کنترل از راه دور تلویریون کاربرد دارد اما برای استفاده از آن به عنوان نشانگر نوری مناسب نیست. اما با اضافه کردن نا خالصی P با عدد اتمی 15 طول موج نور ساطع شده به مقدار کمتر از 680 نانومتر کاهش یافته و در بازه نور مرئی قرمز قابل دید انسان قرار می گیرد.

اصلاحات و تغییرات بعدی در روند ناخالصی سازی پیوند PN باعث ایجاد طیف رنگی وسیعی می شود.

با ترکیب انواع نیمه هادی ها و فلزات با یکدیگر انواع ال ای دی زیر قابل تولید است :

Gallium Arsenide (GaAs) – مادون قرمز

Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) – قرمز و نارنجی

Aluminium Gallium Arsenide Phosphide (AlGaAsP) – قرمز پررنگ،قرمز-نارنجی،زرد

Gallium Phosphide (GaP) – قرمز،زرد و سبز

Aluminium Gallium Phosphide (AlGaP) – سبز

Gallium Nitride (GaN) – سبز ،سبز زمردی

Gallium Indium Nitride (GaInN) – ماورای بنفش،سبز مایل به آبی و آبی

Silicon Carbide (SiC) – انواع رنج آبی

Zinc Selenide (ZnSe) – آبی

فرابنفش – (Aluminium Gallium Nitride (AlGaN

مانند دیودهای معمولی ال ای دی نیز به جریان و ولتاژ وابسته است که این امر بر اساس ترکیبات پیوند PN تعیین می گردد. ال ای دی به ولتاژی بین 1.2 تا 3.6 ولت و جریان عبور بین 10 تا 30 میلی آمپر نیاز دارد. بازه معمول آن بین 12 تا 20 میلی آمپر می باشد. ولتاژ و جریان مورد استفاده بیشتر به نوع ترکیبات پیوند PN مربوط می باشد اما آستانه ولتاژ مورد نیاز برای تولید نور قرمز 1.2 ولت و برای تولید نور آبی 3.6 ولت می باشد. منحنی ولتاژ-جریان ال ای دی با رنگ های مختلف به شرح زیر است.

ال ای دی برای ساطع کردن نور از خود نیاز به یک جریان عبوری دارد و شدت نور ساطع شده وابستگی مستقیم به جریان عبوری از آن دارد.

در اتصال یک ال ای دی به منبع تغذیه باید توجه داشت با اتصال یک مقاومت سری با آن می توان در مقابل جریان بیش از حد عبوری از آن محافظت کرد. هرگز ال ای دی را به طور مستقیم به باطری با منبع تغذیه متصل نکنید این امر باعث عبور جریان زیاد از آن شده و باعث سوخت ال ای دی می شود.

جهت آموزش تست ال ای دی (LED) کلیک کنید.

در جدول بالا مشاهده می کنیم که ولتاژ مصرفی ال ای دی به مواد ترکیب PN بستگی دارد، و ولتاژ مصرفی، دقیقا به یک جریان عبوری مربوط می شود. این جریان به طور معمول 20 میلی آمپر است.در اغلب موارد ال ای دی توسط یک مقاومت سری به یک منبع DC متصل می شود. وجود مقاومت باعث ایجاد محدودیت و قرار دادن جریان در یک بازه مجاز می شود. به عنوان مثال برای یک ال ای دی ساده 5 میلی آمپر و یک ال ای دی با روشنایی بالا 30 میلی آمپر می باشد.

مقدار مقاومت سری با LED

مقدار مقاومت سری (Rs) با استفاده از قانون اهم قابل محاسب است. با دانستن جریان عبوری (If) و مقدار ولتاژ منبع (Vs) و ولتاژ دو سر ال ای دی (Vf) مقدار مقاومت مورد نیاز محاسبه می گردد :

مثال 1 :

یک ال ای دی نارنجی رنگ با افت ولتاژ 2 ولت به یک منبع تغذیه جریان مستقیم 5 ولتی متصل شده است با استفاده از مدار بالا مقدار مقاومت قابل استفاده جهت محدود کردن جریان عبوری در حر 10 میلی آمپر را محاسبه کنید. همچنین جریان عبوری از ال ای دی را با استفاده از یک مقاوت 100 اهمی سری با آن محاسبه کنید.

مقدار مقاومت مورد نیاز جریان عبوری 10 میلی آمپر :

مقدار جریان عبوری با مقاومت 100 اهمی :

باید توجه داشت که در محاسبه اول مقدار مقاومت مورد نیاز 300 اهم محاسبه شد با این حال این مقاومت جز مقاومت های استاندارد نبوده و باید مقدار استاندارد مقاومت بیشتر از 300 اهم در نظر گرفته شود که 330 اهم می باشد با این توضیح مقدار جدید محاسبه شده جریان عبوری 9.1 میلی آمپر می باشد.

اتصال ال ای دی ها به طور سری

ما می توانیم جهت استفاه از نور بیشتر ال ای دی ها را به صورت سری به هم متصل کنیم. همانند مقاومت های سری جریان عبوری از ال ای دی های سری یکسان است جهت عبور جریان یکسان از ال ای دی ها بهتر است نوع و رنگ ال ای دی ها یکسان انتخاب شوند.

اگر چه سری بودن ال ای دی ها باعث شده است که جریان یکسانی از آن ها عبور کند اما افت ولتاژ دو سر ال ای دی های سری برای محاسبه مقاوت لازم است. اگر فرض کنیم که افت ولتاژ هر ال دی 1.2 ولت باشد افت ولتاژ کلی برابر است با :

ولت 3.6 = 1.2 × 3

اگر فرض کنیم ال ای دی های بالا به یک منبع 5 ولت با جریان 10 میلی آمپر متصل شده باشند. مقدار ولتاژ دو سر مدار و مقدار مقاومت مورد نیاز به این صورت محاسبه می شود :

مدار راه انداز ال ای دی

تا اینجا ما در مورد ال ای دی اطلاعاتی بدست آوردیم. حال نیاز به تغیبر حالت ال ای دی و خاموش و روشن کردن آن داریم. خروجی گیت های دیجیتال TTL و CMOS با توجه به مقدار جریان برای راه اندازی ال ای دی مناسب است.

در هر صورت جریان راه اندازی ال ای دی باید توسط یک مقاومت محدود کننده به یک جریان مجاز تبدیل شود. در زیر مثال هایی از راه اندازی ال ای دی توسط آی سی های TTL و CMOS آورده شده است.

اگر راه اندازی تعداد زیادی ال ای دی مورد نیاز باشد، به طور مثال آرایه هایی از ال ای دی یا جریان عبوری برای آی سی ها زیاد باشد یا بخواهیم از اجزای دیگری به جای آی سی استفاده کنیم. در مثال زیر راه های جایگزینی با استفاده از ترانزیستورهای PNP و NPN آورده شده است. بازهم مقاومت Rs جهت محدود کردن جریان مورد نیاز است.

کنترل روشنایی ال ای دی توسط جریان عبوری از آن کار ساده ای نیست. جریان عبور بیشتری باعث درخشندگی بیشتر ال ای دی و همچنین تولید گرمای بیشتر نیز می شود. ال ای دی ها با نور مشخص و جریان های 10 تا 20 میلی آمپر طراحی و ساخته شده است.

در زمانی که ذخیره سازی توان اهمیت پیدا می کند، جریان کمتر امکان پذیر است. با این حال کاهش جریان به زیر 5 میلی آمپر باعث کاهش نور  و حتی خاموشی ال ای دی می شود. راه بهتر کنترل روشنایی ال ای دی استفاده از مدولاسیون عرض پالس یا PMW می باشد. در این حالت بسته به نور مورد نیاز با توجه به فرکانس های مختلف می توان بارها و بارها ال ای دی روشن خاموش شود.

شدت نور ال ای دی با استفاده از مدولاسیون PMW

هنگامی که نور زیادی مورد نیاز است عرض پالس مدوله شده جریان با چرخه نسبتا کوتاه اجازه می دهد که نور خروجی به طور قابل توجهی افزایش یابد در حالی که سطح جریان ال ای دی و مقدار اتلاف جریان در حد مجاز است.این روشن خاموش شدن و چشمک زدن تاثیری بر روی چشم انسان نداشته و فرکانس به حدی بالاست که نور به صورت مداوم دیده می شود. بنابراین در فرکانس 100 هرتز نور تولید شده درخشان تر از نور مداوم است.

ال ای دی های چند رنگ

LED ها در طیف گسترده ای از اشکال، رنگ ها و اندازه های مختلف با شدت نور خروجی های مختلف در دسترس هستند، رایج ترین (و ارزان ترین) نوع آن ال ای دی قرمز رنگ آرسنید گالیم فسفید (GaAsP) پنج ملی متری می باشد.

ال ای دی ها در قالب بسته بندی به شکل حروف و اعداد موجود است. معمول ترین نوع آن نمایشگرهای 7 قسمتی می باشد. امروزه صفحات رنگی و تلویزیون هایی وجود دارد که دارای تعداد زیادی ال ای دی های چند رنگ که توسط آی سی های مخصوص راه اندازی می شوند.

بیشتر ال ای دی ها برای تولید یک نور رنگی ساخته شده اند با این حال ال ای دی هایی وجود دارد که چندین رنگ از خود تولید می کنند در واقع این ال ای دی ها ترکیب چند ال ای دی در یک بسته بندی می باشد.

ال ای دی های دو رنگ :

ال ای دی های دو رنگ از ترکیب دو ال ای دی به صورت موازی و برعکس هم دیگر در یک بسته بندی ساخته شده اند. ال ای دی های دو رنگ می توانند هر یک از رنگ های خود به عنوان مثال رنگ قرمز در عبور جریان از یک سو و رنگ سبز در عبور جریان از سوی دیگر را از خود تولید کنند. این نوع آرایش دوجهته برای نشان دادن قطبیت بسیار مفید است به عنوان مثال برای نشان دادن اتصال صحیح باتری یا منبع تغذیه کاربرد دارد. همچنین تولید یک رنگ ترکیبی از هر دو رنگ، زمانی که دستگاه به یک جریان AC با فرکانس کم متصل شده باشد.

ال ای دی های سه رنگ :

محبوب ترین نوع ال ای دی سه رنگ ال ای دی های است که ترکیبی از یک ال ای دی قرمز و یک ال ای سبز که پایه های کاتد آن ها به یکدیگر متصل و در یک بسته بندی با سه پایه قرار دارد می باشد.این نوع ال ای دی به این خاطر ال ای دی سه رنگ نام گذاری شدند که می توانند با روشن بودن یک از ال ای دی ها نور سبز یا قرمز تولید کنند.

این نوع ال ای دی می توانند با ترکیب رنگ های قرمز و سبز با نسبت های مختلف رنگ های دیگر را نیز تولید کنند. در جدول زیر ترکیب رنگ ها و رنگ های تولیدی نمایش داده شده است.

نمایشگرهای ال ای دی

با ترکیب ال ی دی های تک رنگ، چند رنگ و چندین رنگ در یک بسته بندی می توان نمایشگرهایی مانند تابلوها، علائم و نمایشگرهای 7 قسمتی یا سون سگمنت را تولید کرد.

نمایشگرهای 7 قسمتی ال ای ای دی راهکار مناسبی جهت نمایش داده های دیجیتال در قالب اعداد و حروف الفبا هستند. این نمایشگرها از 7 ال ای دی مجزا در یک بسته بندی به صورت نمایشگر ساخته شده است.

به  منظور تولید اعداد یا حروف نیاز یه روشن کردن ترکیبی ال الی دی های مورد نیاز بر روی نمایشگر می باشد. نمایشگرهای 7 قسمتی دارای 8 پایه ورودی به ازای هر ال ای دی و یکی به خاطر اتصالات داخلی می باشد.

سون سگمنت کاتد مشترک (CCD) :

در نمایشگرهای کاتد مشترک معمول تمامی اتصالات کاتد به هم متصل می باشند و هر ال ای دی با سیگنال منطقی 1 روشن می شوند.

سون سگمنت آند مشترک (CAD) :

در نمایشگرهای آند مشترک معمول تمامی اتصالات آند به هم متصل می باشند و هر ال ای دی با سیگنال منطقی 0 روشن می شوند.