همه چیز درباره LED
انواع ال ای دی (LED)

معرفی :

LEDها همه جا هستند. داخل تلفن همراهمون ، ماشینمون و حتی خانه‌هامون. هر زمانی که یک لامپ الکتریکی روشن میشه به احتمال زیاد یک LED در پشت آن روشن شده است. LEDها تنوع زیادی در اندازه، شکل و رنگ دارند ولی همه‌ی آن‌ها برای یک کار تولید شده‌اند. فرقی نمیکنه کجا از آن‌ها استفاده بشه، همیشه باعث بهتر شدن پروژه‌ها میشن حتی در پروژه‌های عجیب و خاص.

ابتدا بیایید ببینیم دقیقا این LED که همه درباره آن حرف می‌زنند چیست؟!

LEDها در واقع نوعی از دیودها هستند که انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند.

LED مخفف Light Emitting Diode به معنای «دیود نشر دهنده نور» است و در شکل زیر شباهت بین نماد LED و دیود را می‌بینید.

 

LEDها شبیه لامپ‌های رشته بسیار کوچک هستند. ولی LEDها انرژی کمتری مصرف می‌کنند . همینطور بازده انرژی بیشتر دارند و برعکس لامپ‌های رشته‌ای تمایلی به گرم شدن ندارند به همین دلیل LEDها برای استفاده در تلفن‌های همراه و وسایل با انرژی پایین، عالی و ایده‌آل هستند. البته به این معنی نیست که آنها در محصولات با توان بالا استفاده نمی‌شوند. LEDهای با توان بالا را می‌توان در وسایل نورپردازی، چراغ‌های روشنایی و حتی چراغ‌های ماشین‌ها دید.

 

چگونه از LEDها استفاده کنیم :

  • قطب ها

در الکترونیک قطبیت نشان می‌دهند که یک جز مدار متقارن است یا نه !

LEDها ، فرای دیودها، تنها اجازه می‌دهند که جریان از یک سو حرکت کند و وقتی که جریانی نباشد، نوری هم نیست. و البته خوشحال می‌شوید بدانید که برعکس قرار دادن LED باعث سوختن آن نمی‌شود و با این کار LED فقط کار نمی‌کند.

 

به سمت مثبت LED، آند گفته می‌شود که با پایه بلندتر نشان داده می‌شود. به سمت منفی LED، کاتد گفته می شود که با پایه کوتاه‌تر نشان داده شده است. جریان از سمت آند به کاتد حرکت می‌کند و برعکس جریان نمی‌کند. یک LED برعکس می‌تواند عملکرد کل مدار را مختل و خراب کند چون جریان را عبور نمی‌دهد. پس اگر قرار دادن یک LED باعث قطع شدن مدار شد، نترسید و فقط LED را برعکس کنید.

  • جریان بیشتر نور بیشتر

روشنایی یک LED رابطه مستقیمی با میزان جریانی که از آن می‌گذرد، دارد. این نشان دهنده دو چیز است. اول آنکه LEDهای بسیار روشن خیلی سریع باتری را خالی می‌کنند که دلیلش این است که روشنایی بیشتر یعنی مصرف بیشتر از انرژی است. مورد دوم این است که شما می‌توانید با استفاده از جریان، میزان روشنایی را کنترل کنید.

 

  • قدرت بسیار زیاد

زمانی که یک LED را مستقیم به منبع جریان وصل کنید، LED سعی می‌کند بیشترین توانی را که می‌تواند از منبع جریان بکشد که این باعث می‌شود LED خودش را نابود کند و بسوزد. به همین دلیل محدود کردن و کنترل کردن جریانی که از LED عبور می‌کند، اهمیت دارد. برای این کار از مقاومت‌ها استفاده می‌کنیم. مقاومت‌ها جریان عبوری از مدار را محدود می‌کنند و از LEDها در برابر جریان کشی بالا محافظت می‌کنند. برای بدست آوردن بهترین اندازه مقاومت، باید کمی محاسبه ریاضی انجام دهیم.

LEDها بدون ریاضی:

قبل از اینکه بخواهیم درباره دیتاشیت و محاسبات ریاضی صحبت کنیم بیایید LEDها را خیلی ساده بررسی کنیم. برای آنکه یک مدار ساده با LEDها بسازیم یه سک باتری، مقاومت و البته یک LED نیاز داریم. از باتری به عنواع منبع انرژی استفاده می‌کنیم چون هم در دسترس هستند و هم اینکه نمی‌توانند مقدار خطرناکی جریان تولید کنند.

نمونه زیر نمونه‌ای ساده از یک مدار LED است و فقط کافی است باتری ومقاومت و LED را در یک راستا به شکل زیر به هم وصل کنید.

 

یک مقاومت خوب برای اکثر LEDها مقاومت ۳۳۰ اهم (نارنجی – نارنجی – قهوه ای) است. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید بخش آخر را مطالعه کنید ولی اینجا بخش بدون ریاضی است پس فقط مقاومت را در مدار قرار بدید و ببینید چه اتفاقی می افتد!

 

 

آزمایش و خطا :

نکته جالب درباره مقاومت‌ها این است که آن‌ها انرژی اضافی را به شکل حرارت درمی‌آوردند پس اگر مقاومتی دارید که خیلی گرم می‌شود بهتر است آن را با یک مقاومت کوچک‌تر عوض کنید و این را هم در نظر بگیرید که مقاومت کوچکتر خطر و ریسک سوختن LED را بالا می‌برد. اگر تعدادی مقاومت و LED دارید شروع به بازی با آن‌ها کنید و ببینید چه اتفاقی می‌افتد، بعد نتایج خود را با چارت زیر مقایسه کنید.

 

استفاده از باتری سکه ای :

یکی دیگر از راه‌های روشن کردن یک LED این است که آن را خیلی راحت به یک باتری سکه‌ای وصل کنید. چون که باتری‌های سکه‌ای نمی‌توانند جریان کافی برای آسیب زدن به  LED را تولید کنند، می‌توانید LED را مستقیم به باتری وصل کنید.

حالا فقط کافی است باتری را بین دو پایه LED قرار دهید فقط دقت کنید که پایه بلندتر LED را به سمت مثبت باتری که معمولا با علامت + مشخص شده است وصل کنید و LED را در جای خود محکم کنید.

 

البته که اگر نتوانستید بهترین نتیجه را بگیرید همیشه می‌توانید با آزمون و خطا به نتایج دلخواه خود برسید. همچینین می‌توانید دست به محاسبه بزنید و بهترین مقدار مقاومت مورد نیاز را محاسبه کنید اما قبل از آن باید بهترین مقدار جریان را محاسبه کنید و به دست بیاورید. برای این کار بهتر است به دیتاشیت مراجعه کنید.

 

 

اطلاعات بیشتر :

بهتر است که LEDها را همین طور داخل مدار قرار ندهیم و درباره آن‌ها مطالعه کنیم و بهترین منبع مطالعه دیتاشیت آن LED است. برای مثال ما در اینجا دیتاشیت LED پایه ۵mm را بررسی کرده‌ایم.

جریان LED :

اولین چیزی که در دیتاشیت به چشم می‌خورد جدول زیر است اما خب یعنی چی ؟!

 

سطر اول جدول درباره این می‌گوید که LED شما چقدر می‌تواند جریان از خود عبور بدهد بدون اینکه مشکلی برای آن پیش بیاید. در این مورد، شما می‌توانید جریان ۲۰mA یا کمتر را با آن بدهید و مشخص است که روشن‌ترین و درخشان‌ترین حالت آن در ۲۰mA است.

سطر دوم درباره تحمل LED صحبت می‌کند به این معنی که LED می‌تواند تا جریان ۳۰mA را برای مدت کوتاهی بدون اینکه بسوزد از خود عبور بدهد. در ردیف سوم هم مقدار جریان پیشنهادی شرکت سازنده را می‌بینید که اعداد خوبی برای محاسبه مقدار مقاومت مورد نیاز هستند.

بقیه ردیف‌ها اهمیت چندانی برای این مقاله ندارند ولی به صورت خلاصه درباره توان LED و دمای آن در جریان‌های مختلف صحبت می‌کنند.

مهمترین موارد برای سالم نگه داشتن LEDها دامنه پیشنهادی ولتاژ و جریان آن‌ها است.

 

ولتاژ LED :

یکی دیگر از جدول‌های مورد نیاز دیتاشیت جدول زیر است.

 

جدول مفید کوچولو! ردیف اول درباره ولتاژ مورد نیاز LED صحبت می‌کند. این عدد در هنگام استفاده از LEDها بسیار کاربرد دارد مخصوصا زمانی که با بیشتر از یک LED سروکار داشته باشید که به یک منبع تغذیه وصل شده باشند چون مجموع ولتاژ مورد نیاز LEDها نباید از ولتاژ ورودی بیشتر باشد.

طول موج LED :

ردیف دوم جدول بالا درباره طول موج نور پخش شده از LED می‌گوید. طول موج را می‌توان روش دقیقی برای توضیح اینکه نور چه رنگی است استفاده کرد. این سطر دارای دو مقدار بیشترین و کمترین است که درمورد لامپ اعداد ۶۲۰ تا ۶۲۵ نشان دهنده ابتدای طیف رنگ قرمز(۶۲۰ تا ۷۵۰) است.

روشنایی LED :

آخرین ردیف هم درباره شدت روشنایی LEDها است که با واحد میلی کاندلا اندازه گرفته می‌شود و نشان می‌دهد که یک LED چقدر روشن است که درمورد لامپ ما ۲۰۰ میلی کاندلا است که به این معنی که می‌تواند باعث توجه شود ولی آنقدر زیاد نیست که مثل چراغ روشن باشد.

 

زاویه دید (تابش) :

 

مورد بعدی در دیتاشیت این شکل پنکه مانند است که نشان دهنده زاویه دید LED است.

LEDهای مختلف از لنزها و انعکاس‌دهنده‌های گوناگونی استفاده می‌کنند که می‌توانند نور را در یک نقطه جمع و یا نور را پخش کنند. برای مثال بعضی چراغ‌های روشنایی فوتون‌ها در هر جهت پخش می‌کنند و بعضی آنقدر مستقیم این کار را انجام می‌دهند که اگر از روبه رو به آن‌ها نگاه نکنیم نمی‌توانیم متوجه روشن بودن آن‌ها شویم. برای خواندن نمودار تصور کنید در زیر آن ایستاده اید. حال پره‌ها نشان‌دهنده زاویه دید است و خط‌های دایره‌ای نشان‌دهنده شدت روشنایی هستند. این LED از زاویه دید تنگی برخوردار است به طوری که در شدت ۱۰۰ درصد دایره ۰ درجه را قطع می‌کند که نشانده دهنده نور مستقیم است. برای بدست آوردن دید ۵۰ درصدی باید شدت نور را ۵۰ درصد کاهش دهیم که برای این LED زاویه دید ۵۰ درصدی در حدود ۲۰ درجه است.

 

ابعاد :

 

و در آخر طراحی مکانیکی. تصویر فوق شامل همه اندازه‌هایی که ممکن است شما به آن‌ها نیاز پیدا کنید، است. نکته جالب در مورد LEDها که شاید متوجه آن شده باشید وجود بخش کوچکی در زیر آن است که معمولا بزرگتر از قسمت بالایی آن است. برای اندازه LEDها را در جایی قرار دهید حتما به ابعاد آن نیاز پیدا خواهید کرد.

 

انواع LED ها :

حالا که با مفاهیم پایه LEDها آشنا شدید وقت آن رسیده است که با انواع LEDها آشنا شوید.

شاید بعضی از LEDها را دیده باشید و حتی با آن‌ها کار کرده باشید ولی بعید می‌دانم با همه‌ی آن‌ها آشنایی داشته باشید.

 

نمای نزدیک از Super Bright 5mm LED
نمای نزدیک از Super Bright 5mm LED

 

RGB LED :

LEDهای RGB (Red – Green – Blue یا قرمز – سبز – زرد) در واقع سه LED هستند در داخل یکی! ولی به این معنی نیست که فقط می‌توانند سه رنگ درست کنند. چون قرمز، سبز و آبی رنگ‌های اصلی هستند و با کنترل آن‌ها می توانید هر رنگی در رنگین کمان را بسازید.

بیشتر RGB LED ها دارای چهار پایه هستند: یکی برای هر رنگ و یک پایه مشترک. معمولا پایه مشترک آند و باقی کاتد هستند.

 

 

LEDهای مدار مشترک (Integrated Ciruits):

Cycling LED:

برخی از LEDها باهوش‌تر از بقیشون هستند! برای مثال cycling LED ها.

داخل این LEDها یک IC است که به LED اجازه می‌دهد چشمک بزند بدون هیچ کنترلی از خارج. در زیر یک نمای نزدیک از این نوع LEDها را می‌بینید.

 

خیلی ساده روشنش کن و تماشا کن. این LEDها برای جاهایی که یک مقدار اکت بیشتر می‌خواهند ولی اتاقی برای کنترل آن ندارند، مناسب است. حتی RGB LEDهای وجود دارند که بین هزاران رنگ تغییر میکنند.

 

Addressable LED:

نوعی دیگر از LEDها که می‌توانند به صورت جداگانه کنترل شوند. از تراشه‌های مختلفی برای کنترل LEDهای مجزا که کنار هم قرار گرفته شده‌اند استفاده می‌شود مثل WS2812 ، APA102 ، UCS1903

در تصویر زیر قطعه بزرگ مربع مانند یک IC از نوع WS2812 است .

 

Built-In Resistor:

یک LED جادویی. این LED داخل خود یک مدار کوچک محدود کننده مقاومتی دارد. اگر در تصویر زیر با دقت مشاهده کنید، قطعه مشکی رنگ، یک IC محدود کننده است که برای محدود کردن مجریان LED در آنجا قرار گرفته است.

 

بنابراین با خیال راحت بدون ترس از سوختن LED آن را منبع تغذیه وصل کنید .

 

 

SMD LED:

LEDهای SMD بیشتر یک نوع خاص از LEDها نیستند بلکه بیشتر شبیه یک پکیج هستند. وسایل الکترونیکی روز به روز کوچکتر می‌شوند. وسایل SMD که مخفف Surface Mount Device در واقع مدل کوچک شده نسخه‌های اصلی خودشان هستند .

در تصویر زیر یک نگاه نزدیک به WS2812B addressable LED که در یک پکیچ کوچک شده ۵۰۵۰ جمع شده داریم.

 

SMD LED ها در اندازه‌های مختلفی از خیلی بزرگ تا کوچکتر از یک دانه برنج، درست می‌شوند. SMDها پایه‌های بسیار کوچکی دارند که باعث می‌شود کار کردن با آن‌ها بسیار سخت باشد.

 

SMDها کار را برای آنکه بتوان تعداد زیادی LED را در یک ماشین و یا برد قرار داد آسان کرده است البته که واضح است کار لحیم این قطعات با ماشین آلات پیشرفته انجام می‌شود نه با دست!

High Power:

High-Power LEDها از کارخانه‌هایی مثل Luxeon و CREE به شکل دیوانه واری روشن هستند. این‌ها از پرنورترین لامپ‌ها هم پرنورتر هستند!

به طور کلی، به LEDهای که بیشتر از ۱W انرژی مصرف می‌کنند High-Power LED می‌گویند. این‌ها LED هایی هستند که از آن‌ها می‌توان به عنواع وسایل روشنایی استفاده کرد. قرار گذاشتن تعدادی از آن‌ها کنار هم می‌تواند در وسایل روشنایی و یا چراغ جلوی ماشین‌ها استفاده کرد.

این LEDها با توجه توان بالایی که برای تولید نور دارند بسیار داغ می‌شوند که برای جلوگیری از این کار از هیتسینگ‌ها استفاده می‌شود. هیتسینگ‌ها به طور کلی از قطعه‌ای فلزی که رسانای گرما است تشکیل شده‌اند که وظیفه آن انتقال بیشتر گرما تلف شده به هوای اطراف و خنک کردن قطعه است.

در عکس زیر نمونه استفاده از هیتسینگ را می‌بینید

 

High-Power LED ها می‌توانند گرمای اتلافی زیادی تولید کنند که اگر نتوان آن را خنک کرد، نه تنها می‌تواند به خود آن‌ها آسیب بزند بلکه می‌تواند باعث آسیب رسیدن به قطعات اطراف نیز بشود. با همه این حرف‌ها باز هم این LEDها از لامپ‌های رشته‌ای به صرفه تر هستند. برای کنترل بیشتر روی دما LED ها می‌توان از جریان استفاده کرد.

Special LED:

LEDهایی وجود دارند که نوری با طول موج خاصی از خود پخش می‌کنند و گاهی هم آن نور در منطقه مرئی قرار ندارد. برای مثال شما احتمالا LEDهای مادون قرمز (infrared) را هر روز می‌بینید. از آن‌ها در کنترل تلویزیون‌ها برای فرستان اطلاعات با استفاده از نور نامرئی استفاده می‌شود. شکل ظاهری آن‌ها معمولا شبیه LEDهای معمولی است بنابراین نمی‌توان آن‌ها را از روی ظاهر با LEDهای معمولی تشخیص داد.

 

در آن سوی طیف نوری شما همچنین می‌توانید LEDهای فرابنفش (ultraciolet) را داشته باشید. از آن‌ها برای ضدعفونی کردن سطح زمین هم استفاده می‌شود چون بسیاری از باکتری‌ها در برابر نور فرابنفش حساس هستند.

همچنین از آن‌ها برای تشخیص تقلبی بودن مواردی مثل اسکناس، کارت اعتباری، مدارک و … استفاده می‌شود. لطفا هنگام استفاده از این نوع LEDها مراقب چشمان خود باشید.

 

بررسی دقیق تر :

اگه پس از مطالعه مطالب بالا باز هم به دنبال مطالب بیشتر هستید، نگران نباشید ما باز هم برای شما مطلب داریم.

ما تا اینجا به این جمله که LEDها نوعی از دیودها هستند راضی شدیم ولی بگذارید مقداری دقیق‌تر بررسی کنیم :

چیزی که ما از آن به عنوان LED نام می‌بریم یک LED و بسته بندی با هم است ولی خود LED به تنهایی چیپ بسیار کوچکی متشکل از مواد نیمه هادی است که به همراه یکسری ناخالصی تونایی عبور جریان از خود را دارد. زمانی که جریان به یک نیمه هادی می‌رسد از یک طرف آن به مرز طرف دیگر پرش می‌کند و در این فرآیند انرژی تولید می‌شود. در بیشتر دیود ها این انرژی به شکل گرما تولید می‌شود ولی در LEDها این انرژی به شکل نور ظاهر می‌شود.

طول موج نور و رنگ LED به نوع نیمه هادی‌ای که دیود را می‌سازد بستگی دارد. بخاطر اینکه ساختار انرژی نیمه هادی‌ها با هم متفاوت است،  فوتون‌ها را با فرکانس‌های مختلفی آزاد می‌کنند.

در پایین می‌توانید یک جدول از LEDهای معمولی بر اساس طول موج و نیمه هادی‌ها را مشاهده کنید :

 

درحالی که طول موج نور به شکاف باند نیمه هادی بستگی دارد، شدت آن به میزان توان منتقل شده از طریق دیود بستگی دارد.

ما مقداری درباره شدت نور در بخش‌های قبلی صحبت کردیم ولی در این بخش می‌خواهیم بیشتر درباره شدت نور صحبت کنیم و کمی روشنایی اعداد را بررسی می‌کنیم !

به واحد اندازه‌گیری شدت نور کاندلا می‌گویند. در بخش‌های قبل درباره شدت روشنایی یک LED ساده صحبت کردیم و دیدیم که شدت روشنایی آن‌ها در محدوده میلی کاندلا است. نکته جالب درباره این واحد اندازه گیری این است که در واقع برای اندازه گیری مقدار انرژی نور است ولی در واقعیت روشنایی را می‌سنجد. این واحد از گرفتن قدرت ساطع شده در یک جهت خاص و وزن آن در عدد متوسط عملکرد درخشندگی نور حاصل می‌شود. چشم انسان نسبت به بعضی از طول موج‌های نور حساس‌تر از بقیه است و عملکرد درخشندگی نور یک مدل استاندارد براساس این حساسیت است.

شدت نور LEDها می‌تواند محدوده‌ای بین ده‌ها تا ده‌ها هزار میلی کاندلا را شامل شود. شدت نور لامپ تلوزیون‌ها چیزی در حدود ۱۰۰ کاندلا است با این حال شدت نور یک چراغ خوب باید در حدود ۲۰۰۰۰ mcd است. نگاه کردن مستقیم به هر چیزی درخشنده‌تر و روشن‌تر از چند هزار میلی کاندلا می‌تواند آسیب رسان باشد.

محاسبه ولتاژ عبوری :

اگر یادتان باشد زمانی که درباره دیتاشیت صحبت می‌کردیم به ولتاژ عبوری اشاراتی داشتیم ولی گفتیم که مجموع ولتاژ LEDها نمی‌تواند از ولتاژ ورودی بیشتر باشد. دلیل این موضوع این است که قطعات موجود در مدار، ولتاژ را بین خود تقسیم می‌کنند و مقدار ولتاژ هر بخش همان مقداری است که در دسترس آن‌ها است. به این فرآیند قانون کیرشهوف می‌گویند. بنابراین اگر شما ولتاژ ورودی ۵ ولت داشته باشید و بخواهید از LEDهای با ولتاژ ۲.۴ ولت استفاده کنید آن وقت بیشتر از دوتا از این LEDها نمی‌توانید بطور همزمان در مدار قرار دهید.

قانون کیرشهوف همچنین درباره بدست آوردن ولتاژ قطعات دیگر از روی باقی قطعات نیز حرف‌هایی برای گفتن دارد. برای مثال در همان مثال قبل که ما یک ولتاژ ورودی ۵ ولتی داشتیم و دوتا LED 2.4ولتی نیز قرار دارند. حال ما برای اینکه جریان را محدود کنیم میخواهیم از مقاومت استفاده کنیم .درسته؟ چطور می‌توان ولتاژ عبوری از مقاومت را بدست آورد؟

 

۵ (System Voltage) = 2.4 (LED 1) + 2.4 (LED 2) + Resistor

۵ = ۴.۸ + Resistor

Resistor = 5 – ۴.۸

Resistor = 0.2

پس ولتاژ عبوری از مقاومت ۰.۲ ولت است. محاسبات مربوط به تقسیم ولتاژ همیشه ساده نیست اما این مثال به شما اهمیت موضوع تقسیم ولتاژ را نشان می‌دهد. شما همچنین می‌توانید از عدد ولتاژ به دست آمده از قانون کیرشهوف استفاده کنید و با توجه به قانون اُهم جریان گذرنده از قطعات را محاسبه کنید.

محاسبه مقاومت محدود کننده جریان :

اگر می‌خواهید دقیقا درباره اندازه گیری مقاومت محدود کننده جریان سری با LED مطالعه کنید به مقالات تخصصی درباره این موضوع مراجعه کنید و در اینجا فقط به فرمول زیر اشاره کردیم.