معرفی دیود ساطع کننده نور (LED) و ساختار و اصول کاری آن - بخش سوم

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

بخش اول مقاله را می‌توانید در معرفی دیود ساطع‌ کننده نور (LED) و ساختار و اصول کاری آن - بخش دوم مشاهده نمایید.

نماد دیود ساطع کننده نور (LED)

نماد LED شبیه دیود معمولی اتصال p-n است با این تفاوت که حاوی فلش‌هایی است که به سمت دیود نشان می‌دهد که نشان می‌دهد نور از دیود ساطع می‌شود.

ال‌ای دی‌ها در رنگ‌های مختلف موجود هستند. رایج‌ترین رنگ LED‌ها نارنجی، زرد، سبز و قرمز است.
نماد شماتیک LED نشان دهنده رنگ نور نیست. نماد شماتیک برای همه رنگ‌های LED یکسان است. از این رو نمی‌توان رنگ LED را با دیدن نماد آن تشخیص داد.

ساخت LED

یکی از روش‌هایی که برای ساخت LED استفاده می‌شود، قرار دادن سه لایه نیمه هادی بر روی بستر است. سه لایه نیمه هادی که بر روی زیرلایه قرار گرفته اند عبارتند از: نیمه هادی نوع n، نیمه هادی نوع p و ناحیه فعال. منطقه فعال در بین لایه‌های نیمه هادی نوع n و نوع p وجود دارد.

هنگامی که LED بایاس رو به جلو است، الکترون‌های آزاد از نیمه هادی‌های نوع n و حفره‌های نیمه هادی‌های نوع p به سمت ناحیه فعال رانده می‌شوند.

هنگامی که الکترون‌های آزاد از سمت n و حفره‌های سمت p با حامل‌های بار مخالف (الکترون‌های آزاد با سوراخ یا حفره‌هایی با الکترون‌های آزاد) دوباره ترکیب می‌شوند، نور نامرئی یا مرئی ساطع می‌شود.

در LED، بیشتر حامل‌های شارژ در ناحیه فعال دوباره ترکیب می‌شوند. بنابراین، بیشتر نور از ناحیه فعال ساطع می‌شود. منطقه فعال نیز به عنوان منطقه تخلیه نامیده می‌شود.

بایاسینگ LED

درجه بندی ولتاژ پیشروی ایمن اکثر ال‌ای دی‌ها از ۱ ولت تا ۳ ولت و نرخ‌های جریان فوروارد از ۲۰۰ میلی آمپر تا ۱۰۰ میلی آمپر است.

اگر ولتاژ اعمال شده به LED بین ۱ تا ۳ ولت باشد، LED کاملاً کار می‌کند، زیرا جریان جریان برای ولتاژ اعمال شده در محدوده عملیاتی است. اما اگر ولتاژ اعمال شده به LED به مقدار بیشتر از ۳ ولت افزایش یابد. منطقه تخلیه در LED خراب می‌شود و جریان الکتریکی ناگهان افزایش می‌یابد. این افزایش ناگهانی جریان ممکن است دستگاه را از بین ببرد.

برای جلوگیری از این، باید یک مقاومت (Rs) را به صورت سری با LED قرار دهیم. مقاومت (Rs) باید بین منبع ولتاژ (Vs) و LED قرار گیرد.

مقاومتی که بین LED و منبع ولتاژ قرار می‌گیرد، مقاومت محدود کننده جریان نامیده می‌شود. این مقاومت جریان اضافی را محدود می‌کند که ممکن است LED را از بین ببرد. بنابراین، مقاومت محدود کننده جریان از LED در برابر آسیب محافظت می‌کند.

جریان عبوری از LED به صورت ریاضی نوشته می‌شود

جایی که،
IF = جریان مستقیم
VS = ولتاژ منبع یا ولتاژ منبع تغذیه
VD = افت ولتاژ در LED
RS = مقاومت یا مقاومت محدود کننده جریان

افت ولتاژ مقدار ولتاژی است که برای غلبه بر سد منطقه تخلیه (که منجر به جریان الکتریکی می‌شود) تلف می‌شود.

افت ولتاژ LED ۲ تا ۳ ولت است در حالی که دیود سیلیکون یا ژرمانیوم ۰.۳ یا ۰.۷ ولت است.

بنابراین، برای کار با LED باید ولتاژ بیشتری نسبت به دیود‌های سیلیکونی یا ژرمانیوم اعمال کنیم.

دیود‌های ساطع کننده نور نسبت به دیود‌های سیلیکونی یا ژرمانیومی انرژی بیشتری مصرف می‌کنند.

مشخصات خروجی LED

مقدار نور خروجی ساطع شده توسط LED با مقدار جریان انتقالی که از LED می‌گذرد نسبت مستقیم دارد. هرچه جریان رو به جلو بیشتر باشد، نور خروجی ساطع شده بیشتر است. نمودار جریان ارسال در مقابل نور خروجی در شکل نشان داده شده است.

ال‌ ای دی‌های مرئی و ال‌ ای دی‌های نامرئی

ال‌ای دی‌ها عمدتاً به دو نوع ال‌ای دی مرئی و ال‌ای دی نامرئی طبقه بندی می‌شوند.

ال‌ای دی قابل مشاهده نوعی ال‌ای دی است که نور مرئی ساطع می‌کند. این LED‌ها عمدتاً برای نمایش یا روشنایی استفاده می‌شوند که در آن LED‌ها به صورت جداگانه و بدون حسگر نور استفاده می‌شوند.

ال‌ای دی نامرئی نوعی ال‌ای دی است که نور نامرئی (نور مادون قرمز) ساطع می‌کند. این LED‌ها عمدتاً با حسگر‌های نوری مانند فوتودیود‌ها استفاده می‌شوند.

چه چیزی رنگ LED را تعیین می‌کند؟

مواد مورد استفاده برای ساخت LED رنگ آن را تعیین می‌کند. به عبارت دیگر، طول موج یا رنگ نور ساطع شده به شکاف ممنوعه یا شکاف انرژی ماده بستگی دارد.

مواد مختلف رنگ‌های متفاوتی از نور ساطع می‌کنند.

ال‌ ای دی‌های آرسنید گالیم نور قرمز و مادون قرمز ساطع می‌کنند.

ال‌ ای دی‌های نیترید گالیم نور آبی روشن ساطع می‌کنند.

ال‌ ای دی‌های گارنت آلومینیوم ایتریوم نور سفید ساطع می‌کنند.

ال‌ ای دی‌های فسفید گالیم نور قرمز، زرد و سبز ساطع می‌کنند.

ال‌ ای‌ دی‌های ال‌ای‌دی نیترید گالیوم آلومینیومی نور فرابنفش ساطع می‌کنند.

ال‌ ای دی‌های آلومینیوم فسفید گالیم نور سبز ساطع می‌کنند.

مزایای LED

۱. روشنایی نور ساطع شده توسط LED به جریان عبوری از LED بستگی دارد. از این رو، روشنایی LED را می‌توان به راحتی با تغییر جریان کنترل کرد. این امر امکان استفاده از نمایشگر‌های LED را در شرایط مختلف نور محیطی ممکن می‌سازد.
۲. دیود‌های ساطع کننده نور انرژی کمی مصرف می‌کنند.
۳. LED‌ها بسیار ارزان هستند و به راحتی در دسترس هستند.
۴. ال‌ای دی‌ها وزن کمی دارند.
۵. اندازه کوچکتر.
۶. ال‌ای دی‌ها طول عمر بیشتری دارند.
۷. LED‌ها بسیار سریع عمل می‌کنند. آن‌ها را می‌توان در زمان بسیار کمی روشن و خاموش کرد.
۸. LED‌ها حاوی مواد سمی مانند جیوه نیستند که در لامپ‌های فلورسنت استفاده می‌شود.
۹. ال‌ای دی‌ها می‌توانند رنگ‌های مختلف نور ساطع کنند.

معایب LED

۱. ال‌ ای دی‌ها نسبت به دیود‌های پیوند p-n معمولی به قدرت بیشتری برای کار نیاز دارند.
۲. راندمان نورانی LED‌ها کم است.

کاربرد‌های LED

کاربرد‌های مختلف ال‌ ای دی‌ها به شرح زیر است:

۱. سیستم‌های دزدگیر
۲. ماشین حساب
۳. تلفن‌های تصویری
۴. علائم راهنمایی و رانندگی
۵. کامپیوتر‌های دیجیتال
۶. مولتی متر
۷. ریزپردازنده‌ها
۸. ساعت‌های دیجیتال
۹. لامپ‌های حرارتی خودرو
۱۰. فلاش دوربین
۱۱. نورپردازی هوانوردی