دیود نورافشان (Light Emitting Diode - LED)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود نورافشان (Light Emitting Diode - LED) :
دیود نورافشان یا LED (Light Emitting Diode) یک قطعه نیمه هادی است که با عبور جریان الکتریکی در بایاس مستقیم، نور تولید می کند. این پدیده که الکترولومینسانس (Electroluminescence) نام دارد، نتیجه بازترکیب الکترون ها و حفره ها در ناحیه اتصال دیود و آزاد شدن انرژی به صورت فوتون (نور) است. LEDها انقلابی در صنعت روشنایی و نمایشگرها ایجاد کرده اند.
ماده سازنده LED تأثیر مستقیم بر رنگ (طول موج) نوری دارد که تولید می کند. این ماده معمولا از ترکیبات نیمه هادی مانند گالیوم آرسناید (GaAs) برای مادون قرمز، گالیوم آرسناید فسفاید (GaAsP) برای قرمز و زرد، گالیوم فسفاید (GaP) برای سبز، و نیترید گالیوم (GaN) برای آبی و سفید استفاده می شود. با تغییر ترکیب مواد و ناخالصی ها (Dopants)، می توان طول موج نور را تنظیم کرد.
LEDها در مقایسه با لامپ های رشته ای و فلورسنت مزایای بسیاری دارند: بازده نوری بسیار بالا (تبدیل الکتریسیته به نور با اتلاف حرارتی کم)، عمر طولانی (تا ۵۰,۰۰۰ ساعت یا بیشتر)، ابعاد کوچک، مقاومت در برابر ضربه و لرزش، زمان روشن شدن بسیار سریع (نانوثانیه)، قابلیت کنترل نور و رنگ، و عدم استفاده از مواد مضر مانند جیوه. این مزایا باعث شده LEDها در همه جا از چراغ قوه های کوچک تا نورپردازی شهری و نمایشگرهای غول پیکر استفاده شوند.
مشخصه الکتریکی LED شبیه یک دیود معمولی است، با این تفاوت که ولتاژ آستانه (Forward Voltage - V_F) آن به رنگ (مواد سازنده) بستگی دارد و معمولا بالاتر از دیودهای سیلیکونی است. برای مثال، LED قرمز حدود ۱.۸ ولت، سبز و زرد حدود ۲.۰ تا ۲.۲ ولت، آبی و سفید حدود ۳.۰ تا ۳.۶ ولت ولتاژ آستانه دارند. جریان کاری LEDها معمولا بین ۱ تا ۳۰ میلی آمپر برای LEDهای نشانگر و تا چند آمپر برای LEDهای پرقدرت روشنایی متغیر است.
مهم ترین نکته در راه اندازی LED، محدود کردن جریان عبوری از آن است. از آنجایی که LED یک قطعه جریان محور است و ولتاژ آستانه آن با دما تغییر می کند، اتصال مستقیم به منبع ولتاژ می تواند منجر به عبور جریان بیش از حد و سوختن LED شود. بنابراین همیشه باید از یک مقاومت محدودکننده جریان (Current Limiting Resistor) به صورت سری با LED استفاده کرد. مقدار این مقاومت از رابطه زیر به دست می آید:
\[ R = \frac{V_{supply} - V_F}{I_{LED}} \]LEDها انواع مختلفی دارند: LEDهای نشانگر (Indicator LEDs) با توان پایین و بسته بندی DIP یا SMD، LEDهای پرقدرت (Power LEDs) برای روشنایی که روی هیت سینک نصب می شوند و جریان چند صد میلی آمپر تا چند آمپر دارند، LEDهای SMD بسیار کوچک برای استفاده در نمایشگرها و نوارهای LED، LEDهای RGB که سه رنگ قرمز، سبز و آبی را در یک بسته دارند و با کنترل هر کدام می توان هر رنگی ساخت، LEDهای رشته ای (Filament LEDs) که شبیه لامپ های قدیمی طراحی شده اند و LEDهای ارگانیک (OLED) که در نمایشگرهای تلفن های همراه و تلویزیون ها استفاده می شوند.
در LEDهای پرقدرت، مدیریت حرارتی بسیار حیاتی است. بخش عمده ای از توان ورودی به LED به گرما تبدیل می شود. اگر این گرما به درستی دفع نشود، دمای اتصال (Junction Temperature) افزایش یافته و باعث کاهش شدید عمر و بازده نوری LED می شود. بنابراین LEDهای پرقدرت باید بر روی هیت سینک مناسب نصب شوند و از خمیر حرارتی برای انتقال بهتر حرارت استفاده شود.
یکی از پدیده های مهم در LEDها، افت بازده با افزایش جریان (Efficiency Droop) است. در جریان های بالا، بازده نوری LED کاهش می یابد. این پدیده در LEDهای آبی و سفید بیشتر مشاهده می شود و یکی از چالش های اصلی در طراحی LEDهای پرقدرت برای روشنایی است. تحقیقات زیادی برای کاهش این اثر و بهبود بازده LEDها در جریان های بالا انجام شده است.
کاربردهای LED بسیار گسترده است: از چراغ های نشانگر ساده در دستگاه های الکترونیکی، صفحه نمایش های هفت بخشی (Seven-Segment Displays) و ماتریسی، نور پس زمینه صفحه نمایش های LCD (Backlighting)، چراغ های راهنمایی و رانندگی، چراغ های خودرو (روشنایی، ترمز، راهنما)، نورپردازی داخلی و خارجی ساختمان ها، چراغ های خیابانی، نورپردازی صحنه و تئاتر، چراغ های رشد گیاه در گلخانه ها (با طیف نوری مناسب برای فتوسنتز)، و حتی در مخابرات نوری (فیبر نوری) با LEDهای فروسرخ.
LEDهای هوشمند (Smart LEDs) یا LEDهای آدرس پذیر (Addressable LEDs) مانند سری WS2812 (Neopixel) تحول بزرگی در نورپردازی تزئینی ایجاد کرده اند. این LEDها یک تراشه کنترل کننده کوچک در داخل خود دارند که با یک سیم سیگنال دیجیتال می توان هر LED را به طور مجزا از نظر رنگ و شدت نور کنترل کرد. از این LEDها در ساخت نوارهای LED رنگی، نمایشگرهای ماتریسی و پروژه های هنری و تزئینی استفاده می شود.
یکی از زمینه های نوظهور، LEDهای فرابنفش (UV LEDs) هستند. این LEDها نور با طول موج کوتاه (زیر ۴۰۰ نانومتر) تولید می کنند و کاربردهایی مانند تصفیه آب و هوا (با خاصیت میکروب کشی UV-C)، خشک کردن جوهر و چسب ها، و تشخیص اسکناس های تقلبی دارند. LEDهای عمیق فرابنفش (Deep UV LEDs) هنوز با چالش بازده پایین و عمر کوتاه مواجه هستند، اما پیشرفت های سریعی در این زمینه در حال انجام است.
در نهایت، LEDها به دلیل مزایای بی نظیر خود به تدریج جایگزین سایر منابع نوری شده اند و پیش بینی می شود در آینده نزدیک تقریبا تمام روشنایی مصنوعی توسط LEDها تأمین شود. با پیشرفت در مواد نیمه هادی و فناوری ساخت، LEDها همچنان در حال بهبود بازده، کاهش هزینه و گسترش کاربردهای خود هستند. از نمایشگرهای MicroLED با کیفیت بی نظیر گرفته تا نورپردازی هوشمند و اینترنت اشیا، LEDها نقشی کلیدی در آینده فناوری ایفا خواهند کرد.
