آشنایی با دیود ساطع کننده نور ال ای دی (LED)

LED مخفف Light-Emitting Diode است. LED یک دیود پیوند PN است که عمدتا به عنوان منبع نور استفاده می شود.

ال ای دی از نظر کارایی، توان مصرفی کم، اندازه جمع و جور بودن، برد طولانی تر و توانایی حفظ کیفیت برای مدت زمان طولانی تری نسبت به چراغ های رشته ای معمولی ارجحیت دارد. LED دارای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی مختلف از چراغ های جلو خودرو، فلاش دوربین، روشنایی هوانوردی، علائم راهنمایی و رانندگی، و دستگاه های پزشکی ارائه می شود.

مقدمه ای بر LED (دیود ساطع کننده نور)

LED یک دیود پیوند PN است که عمدتا به عنوان جایگزینی برای چراغ های رشته ای استفاده می شود. این بر اساس اثر الکترولومینسانس است - فرآیندی که در آن یک دیود جریان الکتریکی را هنگامی که الکترون ها در نیمه هادی های LED تغییر حالت می دهند، به نور تبدیل می کند.

پیوند PN چیزی نیست جز ترکیبی از مواد نیمه هادی نوع N و P. مواد تشکیل دهنده دیود نورانی با سایر دیودهای معمولی یکسان نیست، زیرا با یک بسته شفاف ارائه می شود که به نور مادون قرمز و مرئی اجازه می دهد از محل پیوند عبور کند.

LED شامل دو پایه به نام های آند و کاتد است. پایه مثبت دارای پایه طولانی تری است و پایه منفی پایه کوتاه تر است.

LED تحت یک شرط کار می کند: ترمینال آند باید در ولتاژ بالاتری نسبت به ترمینال کاتد قرار گیرد زیرا جریان از آند به کاتد (مثبت به منفی) جریان می یابد. اگر پایه های مربوطه به ترتیب معکوس متصل شوند، LED هدایت نمی کند.

LED ها که به عنوان دیودهای ساطع کننده مادون قرمز نیز شناخته می شوند، در طیف وسیعی از کاربردها بسیار مفید هستند. متخصصان همیشه به دنبال جایگزینی مناسب برای لامپ های معمولی بودند که ارزان و کارآمدتر باشد. اولین آزمایش در مورد الکترولومینسانس در سال 1907 انجام شد و سپس تعدادی آزمایش بعداً انجام شد که منجر به توسعه نور مرئی شد.

روشنایی هر LED به مقدار جریان کشیده شده توسط آن بستگی دارد - هر چه بیشتر جریان کشیده شود، روشنایی بیشتری خواهد داشت.

آستانه ای برای جریانی که هر LED می تواند تحمل کند تعیین شده است، افزایش این جریان از مقدار نامی آن باعث سوختن LED می شود.

در ابتدا، LED ها با نور کم شدت مادون قرمز عرضه شدند که در کاربردهای کنترل از راه دور بکار گرفته شدند. در آن زمان، نور قرمز عمدتاً در LED استفاده می شد، اما در سال 2002 کارشناسان موفق شدند نور سفید را به نیمه هادی LED اضافه کنند.

LED تحت آزمایش‌ها و آزمایش‌های متعددی قرار گرفت و طی سال‌ها تکامل یافت، با این حال، LED‌های اخیر با طول‌موج‌های متفاوتی از طول موج‌های فرابنفش، مرئی تا مادون قرمز عرضه می‌شوند که نوری با روشنایی بالا تولید می‌کنند.

اصول کار LED

LED عمدتاً از چهار بخش به نام‌های قالب، بستر، فسفر و لنز تشکیل شده است. دای یک ماده نیمه هادی حاوی نیترید گالیم (GaN) است که وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می کند، نور آبی ساطع می کند. به منظور ادغام آسان LED، یک یا دو قالب در ترکیب با زیرلایه استفاده می شود که انرژی کافی برای روشن شدن LED تولید می کند.

در کاربردهای نورپردازی عمومی که در آن رنگ مورد نظر با استفاده از فسفر تولید می شود، نور سفید عمدتاً بر آبی ترجیح داده می شود.

نور آبی که از قالب ساطع می شود، پس از برخورد با ذرات فسفر، نور سفید تولید می کند.

توجه به این نکته مهم است که فسفر را می توان به هر دو صورت برای مواد قالب استفاده کرد: مستقیم یا لایه لایه با مواد لنز که نور را استخراج یا هدایت می کند و عمدتاً با سیلیکون یا شیشه همراه است.

LED اغلب نور تک رنگی از قرمز تا آبی و بنفش تولید می کند.

LED های سنتی با استفاده از مواد نیمه هادی غیر آلی از جمله آلومینیوم، گالیم، سیلیکون، ایندیم و روی تشکیل می شوند که رنگ متفاوتی را بر اساس نوع ماده مورد استفاده تولید می کنند: فسفید گالیم آلومینیوم رنگ سبز تولید می کند، در حالی که نیترید گالیم آلومینیوم و آرسنید گالیم آلومینیوم فرابنفش و نور قرمز را تولید می کنند.

LED ها همچنین با توجه به ولتاژ مورد نیاز برای روشن کردن آنها  رتبه بندی می شوند مثلاً LED های قرمز دارای حداکثر ولتاژ حدود 2.2 ولت هستند، ، در حالی که LED های آبی و LED های سفید به ترتیب دارای ولتاژ 3.4 ولت و 3.6 ولت هستند.

محدودیت های دما

LED هرگز نمی تواند نیازهای مصرف برق یک کاربر معمولی را برآورده کند، با این حال، استفاده از این قطعه کوچک در یک محیط دما و فشار بالا می تواند آن را بسیار آسیب پذیر کند. با در نظر گرفتن این نکته، برخی از LED ها یک هیت سینک را در رابط خود تعبیه می کنند که از گرم شدن بیش از حد آنها جلوگیری می کند و آنها را به انتخاب مناسب در شرایطی که دمای بالا یک نگرانی اصلی است تبدیل می کند.

دمای بسیار بالا می تواند باعث شود که سینک گرما از کار بیفتد و LED شما را در حالت توقف کامل قرار دهد. قبل از اینکه بخواهید از LED برای پروژه مربوطه خود استفاده کنید، مطمئن شوید که درجه بندی دما با LED مورد استفاده شما مطابقت دارد.

انواع ال ای دی

LED ها در انواع مختلفی موجود هستند. برخی بر اساس ماهیت کاربردهایشان بر سایرین ترجیح داده می شوند. در زیر به برخی از انواع اصلی LED ها اشاره می شود.

ال ای دی های با قدرت بالا

ال‌ای‌دی‌ها در صورتی به ال‌ای‌دی‌های با قدرت بالا معروفند که توان آنها بیشتر یا مساوی 1 وات باشد. آنها عمدتا برای تولید روشنایی استفاده می شوند. توان ورودی مورد نیاز برای این ال ای دی ها بسیار زیاد است و آنها را مستعد دفع گرما می کند.

هیت سینک برای خنک نگه داشتن این LED ها و جلوگیری از سوختن آنها لازم است. چراغ قوه ها، نورافکن ها و چراغ های جلو اتومبیل از کاربردهای اصلی LED های پرتوان هستند.

LED های RGB

این LED ها به طور گسترده در بسیاری از برنامه های کامپیوتری استفاده می شود و با قابلیت تولید سه نور، همانطور که از نامش پیداست، قرمز، آبی و سبز است. رنگ این چراغ ها با استفاده از PWM (مدولاسیون عرض پالس) کنترل می شود. هم چرخه وظیفه PWM و هم فرکانس مورد استفاده برای تولید سیگنال در ثانیه، برای کنترل هر سه رنگ مفید هستند.

ال ای دیSMD

ال ای دیSMD  مخفف Surface Mount Device LED یعنی الی ای دی با قابلیت نصب بر روی سطح است. در بسته بندی مخصوص با قابلیت نصب بر روی سطح PCB عرضه می شود. به راحتی می توان آن را بر اساس ابعاد فیزیکی دسته بندی کرد. 

ال ای دی Thru-hole

ال ای دی Thru-hole دارای دو ترمینال است که در سوراخ های برد مدار چاپی تعبیه شده است. آنها در بسته بندی ها و شکل های مختلف موجود هستند. متداول ترین رنگ هایی که با آن ها عرضه می شود سفید، قرمز، آبی و سبز است.

چرا LED؟

ال ای دی 75درصد انرژی کمتری نسبت به لامپ های رشته ای معمولی مصرف می کند بدون اینکه در تولید روشنایی با شدت برابر شکست بخورد.

در مقایسه با نور هالوژن معمولی هزینه بیشتری دارد، اما به دلیل کیفیت بالا، طول عمر بیشتر و مصرف انرژی کمتر، در دراز مدت مقرون به صرفه است.

برخی از ساعت های دیجیتال با استفاده از رابط LED توسعه یافته اند. و از نمایشگر 7 قسمتی استفاده می کنند. در صنایع خودروسازی، پنل های LCD، انتقال داده فیبر نوری و دستگاه های کنترل از راه دور استفاده می شوند. ضمن اشاره به مزایای محض ال ای دی ها، نمی توان ارزش آنها را در تبلیغات نادیده گرفت. آنها عمدتاً برای جذب بازدیدکنندگان استفاده می شوند - هنگامی که در بنر تبلیغاتی قرار می گیرند و درخت تزئین شده با تعدادی چراغ مادون قرمز به جلب توجه فوری مشتریان کمک می کنند.