ال ای دی (LED) چیست؟ معرفی انواع ال ای دی - بایاس

«دیود نور افشان» (Light Emitting Diode) یا LED، نوع خاصی از دیودها است که مشخصات الکتریکی بسیار مشابهی با یک دیود پیوند PN دارد. به این 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 نیمه‌ رسانا با ناخالصی تقریباً زیاد ساخته شده‌ و بسته به ماده نیمه‌ رسانا و مقدار ناخالصی، وقتی بایاس مستقیم شود، یک نور رنگی با طول موج طیفی مشخص ساطع می‌کند.

 

 

 

وقتی دیود بایاس مستقیم شود، الکترون‌ های باند هدایت نیمه‌ رسانا با حفره‌ های باند ظرفیت باز ترکیب می‌شون و انرژی کافی را برای فوتون‌ های 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. وقتی LED بایاس مستقیم است، انرژی الکتریکی را به انرژی نوری تبدیل می‌کند. ساختار یک LED نسبت به یک دیودعادی بسیار متفاوت است.

 

پیوند PN  یک LED از یک رزین اپوکسی پلاستیکی (Plastic Epoxy Resin) شفاف و سخت پوشیده شده است که پوسته یا بدنه‌ ای به شکل یک نیم‌ کره را تشکیل می‌دهد و از لرزش و شوک LED محافظت می‌کند. LED در واقع نور زیادی را منتشر نمی‌کند. بدنه رزین اپوکسی LED به صورتی ساخته می‌شود که فوتون‌های نور منتشر شده از آن، به سمت بالا متمرکز شده و مانند یک لنز متمرکز می‌شوند. به همین دلیلاست که نور خروجی بالای LED درخشان به نظر می‌رسد. پوسته اپوکسی همه LEDها به شکل نیم‌کره نیست.

 

بعضی از LED‌ ها، ساختار مستطیلی یا استوانه‌ای دارند و سطح صاف بالایی آن‌ها مسطح است و یا به صورت نواری هستند. اما همه LED‌ ها دو پایه دارند که در قسمت زیرین آن‌ها تعبیه شده است. تقریباً در همه LED های مدرن، کاتد یا ترمینال منفی، با یک نقطه مسطح یا غیرمسطح مشخص می‌شود یا پایه آن کوتاه‌ تر از پایه آند است.

 

 

 

برخلاف لامپ‌ های معمولی رشته‌ ای که هنگام روشن بودن مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند، نور تولیدی LED ها «سرد» است. به همین دلیل، بازده آن‌ ها نسبت به لامپ‌ های معمولی بیشتر است. ال‌ ای‌ دی‌ ها به دلیل اینکه قطعات حالت جامدی هستند، بسیار کوچک و بادوام بوده و به همین دلیل، طول عمر بیشتری دارند.

 

 اجزای اصلی یک لامپ ال ای دی شامل قسمت‌ های زیر است:

دیفیوزر

ماژول ال ای دی

بدنه خنک کننده

درایور ال ای دی

نگهدارنده لامپ

سر پیچ

 

 توسعه تجاری اولیه

اولین ال ای‌ دی‌ های تجاری با طول موج مرئی معمولاً به عنوان جایگزین لامپ‌ های رشته‌ای و لامپ‌ های نئون و در نمایشگرهای هفت بخشی، ابتدا در تجهیزات گران‌ قیمت مانند تجهیزات آزمایشگاهی و الکترونیکی و سپس در وسایل خانگی مانند ماشین حساب، تلویزیون، رادیو، تلفن و همچنین ساعت استفاده شدند. تا سال ۱۹۶۸، ال‌ ای‌ دی‌ های مرئی و مادون قرمز به میزان ۲۰۰ دلار در هر واحد قیمت داشتند که بسیار گران بودند و از این رو کاربرد عملی کمی داشتند.

 

شرکت هیولت پاکاردبین سال‌های ۱۹۶۲ تا ۱۹۶۸ در hp associates و آزمایشگاه‌ های اچ‌ پی، توسط یک تیم تحقیقاتی با رهبری هاوارد بوردون، جرالد پیگینی و محمد عطاالله، به تحقیق و توسعه در مورد ال‌ ای‌ دی‌ های عملی مشغول بود.در طی این دوره، عطاالله پروژه تحقیقاتی علم مواد در مورد دستگاه‌ هایی بر مبنای گالیم آرسنید، گالیم آرسنید فسفیدو ایندیم آرسنیدرا در اچ‌ پی آغاز کرد و آنها در زمینه تولید اولین محصولات ال‌ ای‌ دی قابل استفاده با شرکت مونسانتو همکاری کردند. اولین محصولات قابل استفاده ال‌ ای‌ دی، نمایشگر ال‌ ای‌ دی اچ‌ پی و چراغ نشانگر ال‌ ای‌ دی مونسانتو بودند که هر دو در سال ۱۹۶۸ راه اندازی شدند.

 

 

 

مونسانتو اولین سازمانی بود که با تولید انبوه ال‌ ای‌ دی‌ های با نور مرئی، با استفاده از فسفید آرسنید گالیمدر سال ۱۹۶۸، ال‌ ای‌ دی‌ های قرمز مناسب برای نشانگرها تولید کرد. مونسانتو پیش از این پیشنهاد کرده بود که گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP) را برای اچ‌ پی تأمین کند، اما اچ‌پی تصمیم گرفت گالیوم آرسنید فسفیدرا خود تولید کند. در فوریه ۱۹۶۹، اچ‌ پی نشانگر عددی مدل ۵۰۸۲ ۷۰۰۰ را معرفی کرد، که اولین دستگاه ال‌ ای‌ دی با فناوری مدار مجتمع(مدار ال‌ئی‌دییکپارچه) بود.

 

این دستگاه اولین نمایشگر ال‌ ای‌ دی هوشمند بود و انقلابی در فناوری نمایشگرهای دیجیتال به وجود آورد و جایگزین لامپ نیکسی شد و مبنایی برای نمایشگرهای ال‌ ای‌ دی جدید گردید. عطاالله اچ‌ پی را ترک کرد و در سال ۱۹۶۹ به فرچایلد سمیکانداکتر پیوست. وی از زمان آغاز به کارش در ماه مه ۱۹۶۹ تا نوامبر ۱۹۷۱معاون رئیس و مدیر کل بخش میکروموج و الکترونیک نوری بود. عطاالله کار خود را در زمینه ال‌ ای‌ دی‌ ها ادامه داد و در سال ۱۹۷۱ پیشنهاد داد که آنها می‌توانند برای چراغ‌های نشانگر (لامپ سیگنال) و خواننده‌های نوری استفاده شوند.

 

ال‌ ای‌ دی‌ های اولیه قرمز فقط برای استفاده به عنوان نشانگر مناسب بودند، زیرا نور خروجی آنها برای روشن کردن یک اتاق کافی نبود. بازخوانی در ماشین حساب‌ ها آنقدر کم بود که روی هر رقم عدسی‌ های پلاستیکی ساخته می‌شد تا خوانایی بیشتری داشته باشد. بعداً رنگ‌ های دیگر به‌طور گسترده در دسترس قرار گرفتند و در وسایل و تجهیزات ظاهر شدند.

ال‌ ای‌ دی آبی

اولین ال‌ ای‌ دی آبی- بنفش با استفاده از نیترید گالیمبا آلایش منیزیم در دانشگاه استنفورد در سال ۱۹۷۲ توسط هرب ماروسکا و والی راینز، دانشجویان دکترای علوم و مهندسی مواد ساخته شد. در اواخر دهه ۱۹۸۰، موفقیت‌های کلیدی کسب شده در رشد برآرایی GaN و آلایش نوع-پی،باعث آغاز عصر جدیدی از دستگاه‌های نوری-الکترونیکی مبتنی بر نیترید گالیم شد. با استفاده از این پایه، تئودور موستاکاس در دانشگاه بوستون روشی را برای تولید ال‌ ای‌ دی‌ های آبی با روشنایی بالا با استفاده از یک فرایند دو مرحله ای جدید در سال ۱۹۹۱ ثبت اختراع کرد.

 

دو سال بعد، یعنی در سال ۱۹۹۳، شوجی ناکامورا از شرکت نیچیابا استفاده از فرایندی برای رشد گالیم نیترید، ال‌ ای‌ دی‌ های آبی با روشنایی بالا را اختراع کرد. به موازات آن، ایسامو  آکازاکیو هیروشی آمانودر شهر ناگویاژاپن در حال توسعه رسوب GaN در بسترهای یاقوت کبودو نمایش آلایش نوع-پی از GaN بودند. این پیشرفت جدید، انقلابی در روشنایی ال‌ ای‌ دی ایجاد کرد و منابع نور آبی پرقدرت را عملی ساخت و منجر به توسعه فناوری‌ هایی مانند بلو-ریشد.

 

ناکامورا به خاطر اختراع خود جایزه فناوری هزاره ۲۰۰۶ را دریافت کرد. در سال ۲۰۱۴ ایسامو آکاساکی، هیروشی آمانوو شوجی ناکاموراسه دانشمند ژاپنی، به دلیل کارهایی که در اوایل دهه ۱۹۹۰ در ساخت گالیم نیتریدبا کیفیت و ساخت ال‌ ای‌دی آبی انجام داده بودند موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شدند. در سال ۲۰۱۵، دادگاه ایالات متحده حکم داد که سه شرکت حق ثبت اختراع قبلی موستاکاس را نقض کرده‌اند و به آنها دستور پرداخت هزینه‌های صدور مجوز به ارزش حداقل ۱۳ میلیون دلار را داده‌است.

 

 

 

در سال ۲۰۰۱و ۲۰۰۲،فرایندهایی برای رشد ال‌ ای‌ دی‌ های پایه نیترید گالیمروی سیلیسیم با موفقیت نشان داده شد. در ژانویه ۲۰۱۲، اوسرامال‌   InGaN با قدرت بالا که روی لایه‌های سیلیسیمی تولید می‌شوند را برای استفاده تجاری رونمایی کردو ال‌ ای‌ دی‌ های نیترید گالیمبر روی سیلیسیم در شرکت Plessey Semiconductors در حال تولید هستند. در سال ۲۰۱۷، برخی از تولیدکنندگان از SiC به عنوان بستر تولید ال‌ ای‌ دی استفاده می‌کنند، اما استفاده از یاقوت کبود متداول‌ تر است، خصوصیات آن به گالیم نیترید شباهت بسیار دارد، و نیاز به الگودهی به ویفر یاقوت کبود را کاهش می‌دهد (ویفرهای طرح دار با نام اِپی ویفر شناخته می‌شوند) سامسونگ، دانشگاه کمبریجو توشیبادر حال تحقیق درباره ینیترید گالیمدر مورد ال‌ ای‌دی‌های سیلیسیمی هستند.

 

توشیبا احتمالاً به دلیل بازده پایین، تحقیقات را متوقف کرده‌است. بعضی از آنها برآراییرا انتخاب می‌کنند، که برای سیلیسیم دشوار است، در حالی که برخی دیگر، مانند دانشگاه کمبریج، به منظور کاهش عدم تطابق شبکه و نسبت‌ های مختلف انبساط حرارتی، برای جلوگیری از ترک چیپ ال‌ ای‌ دی در دماهای بالا (برای مثال در هنگام تولید)، کاهش تولید گرما و افزایش بهره درخشندگی، از ساختار چندلایه استفاده می‌کنند. برآرایی (یا یاقوت کبود الگودار) را می‌توان توسط طرح ‌نگاری نقش-نانو انجام داد. نیترید گالیم اغلب با استفاده از برآرایی بخار فلز-آلی (MOCVD) رسوب داده می‌شود و از Lift-off استفاده می‌شود.

 

 

 ال‌ ای‌ دی‌ های سفید و پیشرفت چشمگیر در زمینه روشنایی

با اینکه می‌توان با استفاده از ال‌ ای‌ دی‌ های قرمز، سبز و آبی جداگانه، نور سفید ایجاد کرد، اما نتیجه، یک نمایش رنگ ضعیف است، فقط سه باند باریک از طول موج نور ساطع می‌شود. کشف ال‌ ای‌ دی آبی پرقدرت بلافاصله منجر به کشف ال‌ ای‌ دی سفید شد. اولین ال‌ ای‌ دی‌ های سفید تولید شده، گران و ناکارآمد بودند. با این حال، خروجی نور ال‌ ای‌ دی‌ ها به‌طور تصاعدی افزایش یافته‌ است.

 

نتایج جدیدترین تحقیق و توسعه توسط تولیدکنندگان ژاپنی  مانند پاناسونیک و نیچیا و تولیدکنندگان کره‌ای و چینی مانند سامسونگ، کینگسون و دیگران منتشر شده‌ است. این روند در افزایش تولید به افتخار دکتر رولند هایتز، قانون هایتز نامیده شده‌است. شدت نور و راندمان ال‌ ای‌ دی‌ های آبی و نزدیک به ماوراء بنفش افزایش یافت و قیمت آنها کاهش پیدا کرد. این امر منجر به استفاده از ال‌ ای‌ دی‌ های پرقدرت برای روشنایی محیط و جایگزینی آنها با لامپ‌های رشته‌ای و مهتابی گردید.

 

 

 

در سال ۲۰۱۴ ال‌ ای‌ دی‌ های سفید آزمایشی برای تولید ۳۰۳ لومنبر هر وات برق (وات/لومن) به نمایش گذاشته شد. بعضی از آنها می‌توانند تا ۱۰۰۰۰۰ ساعت دوام بیاورند.با این وجود در سال ۲۰۱۸، ال‌ ای‌ دی‌ های موجود در بازار تا ۲۲۳ لومن بر وات بهره‌ وری  دارند. رکورد قبلی ۱۳۵ لومن بر وات توسط نیچیا در سال ۲۰۱۰ به دست آمد. در مقایسه با لامپ‌ های رشته‌ای، این یک افزایش چشمگیر در بازده الکتریکی است، و با اینکه خرید ال‌ ای‌ دی گران‌ تر است، هزینه کلی آن به‌ طور قابل توجهی ارزان‌ تر از لامپ‌ های رشته‌ ای است.

کاربردهای نور ال ای دی

دیودهای نورافشان مصارف متفاوتی در نورپردا زی شهری، علائم عبور و مرور و چراغ‌ های امروزی خودرو دارند. همچنین اندازه ی بسیار کوچک آن‌ ها باعث شده ‌است تا در نمایشگرهای گرافیکی نسل جدید بکار روند. سرعت بسیار بالای آن‌ ها در خاموش و روشن شدن کاربردهای ویژه‌ ای در فناوری مخابرات برای آن‌ها به ارمغان آورده‌است. با توجه به اینکه ال‌ ای‌ دی‌ ها می‌توانند نورهای رنگی مختلفی تولید کنند، در نورپردازی‌ های تزئینی کاربر دارند.

 

این لامپ‌ها نور مخرب ماورای بنفش تولید نمی‌کنند و به همین سبب در موزه‌ ها برای روشنایی اشیاء قیمتی به کار می‌روند. به علت توان مصرفی پایی نشان می‌توان از آن‌ ها در روشنایی اضطراری استفاده کرد. در چراغ‌ های راهنمایی و رانندگی، طول عمر، ضریب اطمینان روشنایی، درخشندگی بالا و دید در روز اهمیت زیادی دارند و به همین علت ال‌ ای‌ دی‌ ها برای این منظور بسیار مناسبند.

 

بسیاری از شرکت‌های معتبر خودروسازی، در چراغ راهنما، خطر و برخی چراغ‌های داخلی خودروهایشان از لامپ ال‌ ای‌ دی استفاده می‌کنند.

 

ال ای دی RGB

LED های RGB (قرمز-سبز-آبی) در واقع سه LED در یک LED هستند! اما به این معنا نیست که فقط می تواند سه رنگ ایجاد کند. از آنجا که قرمز ، سبز و آبی ترکیب اصلی رنگ ها هستند، می توانید شدت هر یک را کنترل کنید تا هر رنگی ایجاد شود. اکثر LED های RGB دارای چهار پایه هستند: یکی برای هر رنگ و یک پایه مشترک. در بعضی، پین مشترک آند و در برخی دیگر ، کاتد است. LED های دارای IC بعضی از LED ها هوشمند تر از بقیه هستند.

 

به عنوان مثال led را در نظر بگیرید که با وصل شدن به منبع تغذیه، خود به خود رنگشان تغییر می کند یا چشمک میزند. در داخل این LED ها ، در واقع یک مدار IC وجود دارد که اجازه می دهد تا LED بدون هیچ کنترل کننده خارجی (مانند میکروکنترلر ها) چشمک بزنند. فقط کافیست این ال ای دی ها را روشن کنید و از تماشای آن لذت ببرید. این ال ای دی ها برای پروژه های مفید هستند در آن از میکروکنترلر ها استفاده نمی کنید اما نیاز به جذابیت بیشتر دارید. حتی LED های چشمک زن RGB نیز وجود دارد که هزاران رنگ را به صورت چرخشی نشان می دهد.

 

 

 

 LED های آدرس پذیر

یک نوع دیگر از ال ای دی ها ، ال ای دی های آدرس پذیر هستند که میتوان به طور مثال 100 ال ای دی را به صورت جداگانه فقط با چند سیم کنترل کرد. روش های مختلفی برای کنترل جداگانه هر LED در یک رشته با تعداد زیادی LED وجود دارد (مثل WS2812 ، APA102 ، UCS1903).

LED با مقاومت داخلی

LED هایی نیز وجود دارند که شامل یک مقاومت محدودکننده جریان هستند.

 

 ال ای دی SMD

LED های SMD چندان خاص نیستد اما نوعی LED سطحی هستند. با کوچک شدن وسایل الکترونیکی، تولیدکنندگان متوجه شده اند که چگونه اجزای بیشتری را در فضای کوچکتر جمع کنند. قطعات SMD (نصب سطحی) نسخه های کوچکی از نمونه های استاندارد خود هستند. LED های SMD در اندازه های مختلفی وجود دارند ، از نسبتاً بزرگ تا کوچکتر از یک دانه برنج! از آنجا که آن ها بسیار کوچک هستند و به جای پایه ها دارای لنت ها (لایه های سطحی) هستند ، کار با آن ها به آسانی امکان پذیر نیست، اما اگر کمبود فضا دارید برای شما  بسیار مناسب است.

 

 

 

 LED توان بالا

LED های توان بالا بسیار روشن هستند. به طور کلی اگر LED یک وات یا بیشتر برق مصرف کنند از نوع توان بالا محسوب می شود. این نوع ال ای دی ها در چراغ قوه ها، چراغ های اتومبیل و … استفاده میشوند. ال ای دی های توان بالا برق زیادی مصرف می کنند که این باعث داغ شدن آن ها می شود بنابراین به هیت سینک احتیاج دارند. هیت سینک قطعه فلز رسانا با سطح زیاد است که وظیفه آن انتقال گرمای اتلاف شده به هوای اطراف است.

 

ال ای دی های با توان بالا می توانند با ایجاد گرمای زیادی به خود آسیب برسانند. LED های توان بالا با وجود ایجاد  گرما، در مقایسه با لامپ های معمولی بسیار کارآمد تر هستند. برای کنترل گرما، می توانید از یک درایور LED جریان ثابت استفاده کنید.

 

 LED های خاص

LED هایی وجود دارند که نور خارج از طیف مرئی را ساطع می کنند. به عنوان مثال شما احتمالاً هر روز از LED های مادون قرمز استفاده می کنید. ال ای دی های مادون قرمز در مواردی مانند کنترل تلویزیون برای ارسال اطلاعات کوچک به شکل نور نامرئی استفاده می شوند. این ها ممکن است مانند LED های استاندارد به نظر برسند بنابراین تشخیص آن ها از LED های  معمولی کار سختی خواهد بود.

 

همچنین ال ای دی های ماورا بنفش نیز نوع خاصی محسوب میشوند. نور ال ای دی های ماورا بنفش باعث نمایان شدن مواد خاصی می شود. آنها همچنین برای ضد عفونی سطوح استفاده می شوند ، زیرا بسیاری از باکتری ها به اشعه ماورا بنفش حساس هستند. همچنین ممکن است از آن ها برای تشخیص تقلبی بودن (پول، قبض ، کارت اعتباری ، اسناد)، سولاریوم و … استفاده شود.

رنگ ال ای دی‌

ب رخلاف دیودهای سیگنال که برای آشکارسازی یا یکسوسازی توان از مواد نیمه‌ رسانای ژرمانیوم یا سیلیکون ساخته می‌شوند، ال‌  ای‌ دی‌ ها از ترکیبات نیمه‌ رسانا ها، مانند گالیوم آرسنید (GaAs)، گالیوم فسفید (GaP)، گالیوم آرسنید فسفید (GaAsP)، سیلیکون کاربید (SiC) یا گالیوم ایندیم نیترید (GaInN) با نسبت‌ های مختلف ساخته می‌شوند تا طول‌ موج‌ های مختلف رنگ‌ها را تولید کنند.

 

 

 

ترکیبات LED های مختلف، نور را در ناحیه‌های مشخصی از طیف نور مرئی انتشار می‌دهند و به همین دلیل، سطوح چگالی مختلفی تولید می‌کنند. انتخاب دقیق ماده نیمه‌ رسانا، طول موج کلی انتشار نور فوتون‌ها و در نتیجه نور رنگ ساطع‌ شده را تعیین می‌کند. رنگ واقعی یک LED، با طول موج نور منتشر شده آن تعیین می‌شود. طول موج ، با ترکیب نیمه‌ رسانای به کار رفته در پیوند PN طی فرایند ساخت مشخص خواهد شد.

 

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 رنگ خروجی‌ اش قبل از روشن شدن، به صورت بصری مشخص باشد. ال‌ ای‌ دی‌ ها در رنگ‌های مختلفی در دسترس هستند که متداول‌ترین آن‌ها قرمز، کهربایی، زرد و سبز است. این رنگ‌ ها کاربرد گسترده‌ ای در شاخص‌ های بصری و تابلوهای روان دارند.

 

ال ای دی‌ های آبی و سفید در بازار موجود هستند که به دلیل ترکیبی بودن از دو یا چند رنگ دیگر و تزریق اتم‌ های نیتروژن در ساختار بلوری ماده نیمه‌رسانا طی افزودن ناخالصی، هزینه بالاتری نسبت به رنگ‌های طبیعی دیگر دارند. 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 850تا 940نانومتر) 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

 

گالیومفسفید _ (GaP) قرمز، زرد و سبز

 

آلومینیوم گالیوم فسفید _ (AlGaP) سبز

 

نیتریدگالیوم _ (GaN) سبز، سبز زمردی

 

نیتریدگالیوم ایندیوم _ (GaInN) تقریباً فرابنفش، سبز مایل به آبی و آبی

 

کاربیدسیلیسیوم _ (SiC) آبی به عنوان زیرلایه

 

سلنید روی (ZnSe) _ آبی

 

نیتریدگالیوم آلومینیوم (AlGaN) _ فرابنفش

 

مشابه دیودهای پیوند PN عادی، ال‌ ای‌ دی‌ ها قطعاتی وابسته به جریان هستند و بسته به رنگ نور و بایاس جریان مستقیم، ولتاژ مستقیم VF دارند. اغلب LED های 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 نیمه‌ رسانای 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 1.2ولت 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 20میلی‌آمپر، به نقطه VFهدایت اولیه وابسته است. از آن‌جایی که LED در اصل یک دیود 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.

 

 

 

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 نیمه‌ رسانا تعیین می‌شود.

 

افت ولتاژ به ازای مقدار مشخصی جریان هدایت مستقیم بیان می‌شود که به صورت معمول   20میلی‌آمپر است. LED ها با یک منبع ولتاژ DC کوچک و یک مقاومت سری RS برای محدود کردن جریان مستقیم (از 5میلی‌آمپر برای LED های عادی تا30 میلی‌آمپر برای LED هایی که خروجی نوری زیادی دارند) کار می‌‌کنند.

 

 ال ای دی های چند رنگ

ال ای دی‌ ها در شکل‌ها، رنگ‌ها و اندازه‌ های مختلفی با نور خروجی متفاوت در دسترس هستند که متداول‌ ترین (و ارزان‌ترین) آن‌ها، LED آرسنید گالیوم فسفید (GaAsP) است. بسته‌هایی از LED ها وجود دارد که که با قرارگیری آن‌ ها در کنار یکدیگر، می‌توان اعداد و حروف مختلف را نمایش داد. متداول‌ ترین نمونه از این نوع پیکربندی‌ ها، «نمایشگر سون سگمنت» ‌ (Seven Segment Display) است.

 

 

 

امروزه، نمایش‌گرهای LED صفحه تخت تمام رنگی، دستگاه‌ های الکتریکی و الکترونیکی روزمره مانند تلفن همراه و تلویزیون‌ها از LED های چند رنگ تشکیل شده‌اند و با ICها کنترل می‌شوند. اغلب LED ها فقط یک خروجی نور رنگی دارند؛ در حالی که LED های چند رنگ می‌توانند رنگ‌های مختلفی را تولید کنند. اکثر این LED های 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 LED ها، 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 باتری‌ ها 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.

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.

نمایشگرهای LED

مشابه LED های تک رنگ یا چند رنگ، می‌توان LED های 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. برایپ تولید اعداد یا کاراکترهای مورد نیاز از 0تا 9 و A تا F، باید LED های 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 LED ها به یکدیگر متصل است و سگمنت‌ها یا همان LED ها با اعمال سیگنال HIGH یا منطق 1روشن می‌شوند.

·نمایشگر آند مشترک (CAD): در این نمایشگر، همه آندهای LED ها به یکدیگر متصل است و سگمنت‌ها یا همان LED ها با اعمال سیگنال LOW یا منطق 0 روشن می‌شوند.

 

یک کاربرد مفید دیگر از LED ها، کوپلینگ نوری یا اپتوکوپلینگ (Opto-Coupling) است. اپتوکوپلر یا اپتوایزولاتور (ایزوله‌ کننده نوری)، یک قطعه الکترونیکی واحد است که از ترکیب LED با یک فتودیودیا یک فتوترانزیستور و یا یک فتوتریاک برای ایجاد یک مسیر سیگنال نوری بین ورودی و خروجی به منظور ایجاد ایزوله‌ سازی بین دو مدار ساخته می‌شود.

 

 

 

اپتوایزولاتور، متشکل از یک بدنه پلاستیکی مقاوم در برابر نور است که معمولاً ولتاژ شکست بین ورودی (فتودیود) و مدار خروجی (فتوترانزیستور) آن تا 5000ولت است. جداسازی الکتریکی بین دو مدار، به ویژه وقتی مفید است که سیگنال یک مدار ولتاژ پایین مانند یک کامپیوتر یا میکروکنترلر تغذیه شده از باتری، برای کنترل مدار خارجی با ولتاژی که به طور بالقوه خطرناک است، به کار می‌رود.

دو جزء به کار رفته در اپتوایزولاتورها (یک ترنسمیتر یا فرستنده نوری، مانند LED گالیوم آرسنید مادون قرمز و یک گیرنده نوری مانند فتوترانزیستور)با یکدیگر ارتباط نوری دارند و از نور برای فرستادن سیگنال و یا اطلاعات بین ورودی و خروجی استفاده می‌کنند. به این ترتیب، می‌توان اطلاعات بین مدارها را بدون اتصال الکتریکی یا پتانسیل زمین مشترک بین دو مدار ارسال کرد. اپتوایزولاتورها، قطعاتی دیجیتال یا سوئیچینگ هستند که سیگنال‌های کنترلON-OFF یا
داده‌های دیجیتال را انتقال می‌دهند. سیگنال‌های آنالوگ را نیز می‌توان با مدولاسیون فرکانس یا مدولاسیون پهنای پالس منتقل کرد.

 

 مزایا و معایب لامپ های LED

مزایا: یکی از مزایای مهم این لامپ ها طول عمر طولانی آن هاست که در مقایسه با سایر لامپ ها قابل قیاس نیست.

 

بازدهی بالا 

 

طول عمر لامپ های LED با افزایش تعداد روشن و خاموش شدن آن کاهش نمی یابد. دیگر لامپ LED را می توان به هر میزان روشن و خاموش کرد؛ بدون آن که از طول عمر آن کاسته شود.

 

عدم وجود پرتو های فرابنفش و مادون قرمز در نور لامپ های LED

 

محدوده رنگ استثنایی.

 

قابلیت اطمینان بالا

 

.روشنایی فوری: زمانی که ولتاژ مناسب به آن می رسد تا زمانی که یک LED روشن می شود، بسیار کوتاه تر از سایر لامپ هاست.

 

 

معایب:
با گذشت زمان LED ها دچار افت شدت نور می گردند.

 

شدت زیاد نور در لامپ های LED باعث آزار حس بینایی انسان می شود.

 

نور لامپ های LED در تمام جهت ها منتشر نمی شود.

 

 هزینه های بالا

 

قرار گرفتن در معرض LED ها می تواند خطر ابتلا به آب مروارید را افزایش دهد.در لپ تاپ هایی با صفحه نمایش LED، چراغ های LED در تمام صفحه پخش شده اند وکمتر باعث ناراحتی بینایی می شوند.رنگ های LED بستگی به رنگ کریستال تشکیل دهنده شان دارد.

 

 

 

چگونه جلوی نور ساطع شونده به هنگام خاموش بودن لامپ LED را بگیریم؟

 

گاهی LED ها حتی هنگام خاموش بودن دارای نور کمی می باشند کهوجود این نور به دلیل جریان باقی مانده در LED است.

1)لامپ را با لامپ های گازی و رشته ای جایگزین کنیم.

2)سیم کشی یا دیود ها را تنظیم کنیم.

3)برای جا به جایی ولتاژ اصافی از یک CFL (نوعی لامپ فلورسنت فشرده) استفاده کنیم.

4)با تولید کننده لامپ LED صحبت کنیم.