آموزش الکترونیکالکترونیک

LED چیست؟ آموزش ال ای دی (دیود ساطع کننده نور)

LED ها در اطراف ما هستند : در تلفن ها، اتومبیل ها و حتی خانه های ما. هر زمان که یک وسیله الکترونیکی روشن می شود، به احتمال زیاد یک LED در آن قرار دارد. LED ها از نظر اندازه ، شکل و رنگ بسیار متنوع هستند. LED ها باعث جذاب تر شدن مدار میشوند.

LED ها نوع خاصی از دیود ها هستند که انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کنند. در واقع ، LED مخفف “دیود ساطع کننده نور” است. و این در شباهت بین دیود و نماد شماتیک LED منعکس می شود:

نماد شماتیک LED در مدار

به طور خلاصه، LED ها مانند لامپ های کوچک هستند. با این وجود، برای روشن کردن LED به انرژی کمتری نیاز داریم. آن ها همچنین دارای انرژی زیادی هستند، بنابراین مانند لامپ های معمولی تمایل به گرم شدن ندارند (مگر اینکه واقعاً برق را به داخل آن ها برسانید). این امر آن ها را برای دستگاه های تلفن همراه و دیگر کاربرد های کم مصرف ایده آل می کند. با این حال، LED های توان بالا هم وجود دارند مثل نور افکن ها و حتی چراغ های جلویی خودرو ها.

اگر تمایل به قرار دادن LED بر روی همه چیز دارید، پس باما همراه باشید به شما نشان خواهیم داد که چگونه این کار را انجام دهید.

برای یادگیری کامل آردوینو (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط با اندروید، ساخت ربات) ، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

همچنین اگر میخواهید الکترونیک را با فیلم های آموزشی یاد بگیرید، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

پیشنهاد میشود قبل از خواندن این مطلب، مقالات زیر را بخوانید :

چگونه از LED ها استفاده کنیم؟

اگر به این نتیجه رسیدید که باید LED ها را در مدار های خود استفاده کنید، با ما همراه باشید.

چگونه از LED ها استفاده کنیم؟

بیایید در ابتدا چند موضوع را یاد آوری کنیم :

قطبیت

در الکترونیک، قطبیت نشان می دهد که یک قطعه مدار متقارن است یا نه. LED ها مانند دیود هستند و فقط اجازه می دهند جریان در یک جهت جریان یابد. و وقتی هیچ جریانی وجود نداشته باشد ، نوری نیز وجود نخواهد داشت. یعنی شما نمی توانید LED را وارونه وصل کنید. چرا که اینگونه کار نخواهد کرد.

سمت مثبت LED “آند” نامیده می شود و با پایه بلندتر مشخص می شود. سمت دیگر و منفی LED “کاتد” نامیده می شود. جریان از آند به کاتد جریان دارد و هرگز جهت مخالف ندارد. یک LED معکوس می تواند با مسدود کردن جریان جاری شده، مانع از عملکرد صحیح یک مدار کامل شود.

جریان و نور به یکدیگر مرتبط هستند

روشنایی یک LED مستقیماً به میزان جریان آن بستگی دارد. این به معنی دو چیز است. اولین مورد این است که LED های فوق العاده روشن باتری را با سرعت بیشتری تخلیه می کنند، زیرا برای روشنایی بیشتر از انرژی اضافی استفاده می شود. مورد دوم این است که شما می توانید با کنترل میزان جریان ، روشنایی یک LED را کنترل کنید.

توان بیش از حد !

اگر یک LED را مستقیم به منبع تغذیه متصل کنید، تا حدی توان الکتریکی را کنترل میکند و در صورت دریافت ولتاژ بالا، توان الکتریکی بالا میرود و در نتیجه LED میسوزد و از بین میرود.

به همین دلیل ما از مقاومت ها استفاده میکنیم. مقاومت ها جریان الکترون ها را در مدار محدود میکنند و از LED ها در برابر عبور جریان زیاد محافظت میکنند. برای تعیین بهترین مقدار مقاومت برای استفاده ، کمی ریاضیات لازم است.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

آموزش راه اندازی LED

قبل از اینکه در مورد نحوه خواندن دیتاشیت صحبت کنیم، بیایید برخی از مدار های راه اندازی LED را بررسی کنیم.

برای راه اندازی LED به یک باتری و یک مقاومت نیاز خواهید داشت. ما از یک باتری بعنوان منبع تغذیه استفاده میکنیم. الگوی اصلی مدار LED بسیار ساده است، کافی است باتری، مقاومت و LED خود را به صورت سری وصل کنید. مانند تصویر زیر:

مدار اصلیLED

مقدار مقاومت مناسب برای اکثر LED ها 330 اهم ( نارنجی – قهوه ای) است. بنابراین، در مدار بالا از یک مقاومت 330 اهم استفاده کنید. مقاومت ها انرژی اضافی را به گرما تبدیل می کنند، بنابراین اگر مقاومت شما داغ می شود باید از مقاومت با مقدار بالاتری استفاده کنید.

مطلب پیشنهادی:  آموزش کامل مدار تشخیص گذر از صفر (آشکارساز عبور از 0)

روشن کردن LED با باتری سکه ای

راه دیگر برای روشن کردن LED این است که آن را به یک باتری سکه ای وصل کنید. جریان خروجی باتری سکه ای به LED آسیب نمی رساند پس می توانید آن را مستقیما به پایه های LED متصل کنید. پایه بلند LED باید در سمت “+” باتری قرار بگیرد.

LED با باتری سکه ای

 

 

انواع LED

حالا وقت آن است که با انواع ال ای دی ها آشنا شوید. در اینقسمت مرسوم ترین انواع ال ای دی ها را مورد بررسی قرار میدهیم. ممکن است نوع یک ال ای دی فقط چند کاراکتر باشد.

LED فوق العاده روشن 5 میلی متر
LED فوق العاده روشن 5 میلی متر از نزدیک

ال ای دی RGB

LED های RGB (قرمز-سبز-آبی) در واقع سه LED در یک LED هستند! اما این بدان 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 RGB
LED RGBکاتد شفاف مشترک

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 میکند 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. در اینجا یک نمای نزدیک از IC (تراشه بزرگ و مربع سیاه) وجود دارد که رنگ ها را کنترل می کند.

LED با حرکت چرخشی
ic کنترل کننده رنگ ال ای دی

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 نمیکنید 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 آدرس پذیر
LED آدرس پذیر WS2812 PTH از نزدیک

LED با مقاومت داخلی

LED هایی نیز وجود دارند که شامل یک مقاومت محدودکننده جریان هستند. اگر به تصویر زیر دقت کنید، یک آی سی کوچک (مربع سیاه) داخل ال ای دی قرار دارد تا جریان این نوع LED ها را محدود کند.

LED با مقاومت
مشاهده LED با مقاومت داخلی ساخته شده از نزدیک

بنابراین LED با مقاومت داخلی را به منبع تغذیه خود متصل کنید و آن را روشن کنید! ما این نوع LED ها را در 3.3 ولت ، 5 ولت و 9 ولت آزمایش کرده ایم.

LED با مقاومت داخلی
LED فوق العاده سبز روشن ساخته شده با مقاومت داخلی

توجه: دیتاشیت LED های دارای مقاومت داخلی نشان می دهد که ولتاژ مستقیم توصیه شده حدود 5 ولت است. با منبع تغذیه 5 ولت، جریان مصرفی حدود 18 میلی آمپر می شود.با باتری 9 ولت، جریان حدود 30 میلی آمپر می شود. این احتمالاً بالاترین ولتاژ ورودی است. استفاده از این ولتاژ می تواند عمر LED را کاهش دهد. با منبع تغذیه 16 ولت، LED تحت آزمایش از بین می رود.

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. تصویر زیر یک LED آدرس پذیر WS2812B در نوع SMD را نشان میدهد.

LED آدرس پذیر WS2812B
LED آدرس پذیر WS2812B در بسته 5050

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.

WS2812B در نوع SMD 5050
WS2812B در نوع SMD 5050

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.

مطلب پیشنهادی:  آموزش و معادلات مدار خازن ها : بستن موازی، سری و AC
LED RGB باتوان بالا
LED RGB باتوان بالا
سطح پشتی آلومینیومی LED RGB
سطح پشتی آلومینیومی به عنوان هیت سینک عمل میکند.

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.

LED IR
LED IR

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. لطفا هنگام استفاده از این LED ها از محافظ چشم استفاده کنید.

LED اشعه ماورا بنفش
LED اشعه ماورا بنفش در حال بررسی اصل بودن اسکناس

برای یافتن مقدار مقاومت مطلوب باید جریان بهینه برای LED را پیدا کنید. برای این منظور به دیتاشیت مراجعه کنید. هرگونه LED را به مدار های خود وصل نکنید. ابتدا آنها را بشناسید. بهترین راه خواندن دیتاشیت LED می باشد. در پایین، دیتاشیت یک LED را بررسی میکنیم.

جریان مصرفی LED

به جدول زیر دقت کنید.

جدول مصرف جریان LED

ردیف اول جدول نشان می دهد که LED چه میزان جریان را تحمل کند. میزان جریانی که led میتواند تحمل کند 20 میلی آمپر است، بنابراین با دریافت 20 میلی آمپر ال ای دی در روشن ترین حالت خود قرار میگیرد. نهایت جریانی که LED می تواند تحمل کند 30 میلی آمپر است و با جریان بیشتر از30میلی آمپر LED می سوزد. این دیتاشیت دامنه جریان پیشنهادی 18-16 میلی آمپر را نیز نشان می دهد که برای انجام محاسبات مقاومت مورد نیاز استفاده می شود.

بقیه ردیف های جدول از اهمیت کمتری برخوردار هستند. ولتاژ معکوس (Reverse Voltage) یک خاصیت در دیود ها است که در اکثر موارد نباید نگران آن باشید. اتلاف انرژی (Power Dissipation) حداکثر توانی است که LED میتواند از آن استفاده کند و با توان بالا تر آسیب میبیند. تا زمانی که LED میزان ولتاژ و جریان پیشنهادی را داشته باشد به خوبی کار می کند.

ولتاژ کار LED

جدول مربوط به ولتاژ کار LED در زیر قرار داده شده است :

ولتاژ LED

این یک جدول کوچک مفید است! ردیف اول به ما می گوید افت ولتاژ مستقیم در LED چقدر خواهد بود. ولتاژ مستقیم اصطلاحی است که هنگام کار با LED ها بسیار زیاد استفاده می شود. این عدد به شما کمک می کند تا تصمیم بگیرید که مدار شما برای تأمین LED به چه ولتاژی نیاز دارد. اگر بیشتر از یک LED به یک منبع تغذیه متصل کرده باشید، این اعداد واقعاً مهم هستند زیرا مجموع ولتاژ مستقیم تمام LED های اضافه شده نمی توانند از ولتاژ منبع تغذیه بیشتر شود. بعداً عمیق تر درمورد این بخش آموزش صحبت خواهیم کرد.

طول موج نور LED : ردیف دوم جدول طول موج نور را به ما می گوید. طول موج رنگ LED را مشخص می کند.این عدد مقادیر مختلفی دارد که جدول حداقل و حداکثر مقدار آن را به ما می دهد. در این LED طور موج نور 620 تا 625 نانومتر است. باز هم، ما در بخشی دیگر عمیق تر و با جزئیات بیشتر از طول موج بحث خواهیم کرد.

روشنایی LED : ردیف آخر جدول میزان شدت نور LED را نشان می دهد. واحد mcd یا میلی کاندلا ، یک واحد استاندارد برای اندازه گیری شدت یک منبع نور است. این LED حداکثر شدت 200 میلی کاندلا دارد، با این شدت روشنایی، ال ای دی کاملا روشن نیست اما مناسب است.

زاویه دید LED

زاویه دید LED

در مرحله بعدی ، این نمودار بالا را داریم که زاویه دید LED را نشان می دهد. سبک های مختلف LED ها از لنز ها و بازتابنده ها استفاده می کنند تا یا بیشتر نور را در یک مکان متمرکز کنند و یا آن را تا حد ممکن گسترش دهند. برخی از LED ها مانند نورافکن ها هستند که فوتون ها (ذرات نور) را از هر جهت خارج می کنند. آن ها آنقدر جهت دار هستند که نمی توانید تشخیص دهید که روشن هستند مگر اینکه مستقیم به آن ها نگاه کنید. برای خواندن نمودار ، تصور کنید که LED در زیر آن به صورت عمودی ایستاده است. محدوده آبی موجود در نمودار زاویه دید را نشان می دهد. خطوط دایره ای شدت نور را با درصد حداکثر شدت نشان می دهند. این LED دارای زاویه دید بسیار کوچک است. می بینید که نگاه مستقیم به پایین در LED در روشن ترین حالت قرار دارد، زیرا در 0 درجه خطوط آبی با بیرونی ترین دایره تلاقی می کنند. برای به دست آوردن زاویه دید 50٪ ، زاویه ای که در آن نور نصف شدت نور است ، دایره 50٪ اطراف نمودار را دنبال کنید تا زمانی که خط آبی را قطع کند.

مطلب پیشنهادی:  موتور براشلس چیست؟ آشنایی کامل با موتور BLDC

ابعاد یک LED

ابعاد

طراحی مکانیکی یک ال ای دی را در تصویر بالا مشاهده میکنید. این تصویر شامل تمام اطلاعاتی است که برای نصب ال ای دی در یک محفظه نیاز دارید. برای نصب، کافیست یک سوراخ به اندازه سر ال ای دی در محفظه ایجاد کنید و لبه پایینی ال ای دی باعث میشود ال ای دی شما در سر جای خود ثابت بماند و به بیرون نیوفتد.بررسی عمیق LED

چیزی که ما به آن ال ای دی می گوییم در واقع ال ای دی و بسته بندی آن با هم است اما در حقیقت ال ای دی بسیار کوچک است. این تراشه یک نیمه هادی است که با ناخالصی های مختلف ساخته شده و مرزی را برای حامل های بار ایجاد می کند. وقتی جریان به نیمه رسانا میرسد، انرژی آزاد میشود. در بیشتر دیود ها این آزاد شدن انرژی به شکل گرما ظاهر میشود اما در ال ای دی ها این انرژی  به صورت نور آزاد میشود.

طول موج نور و در نتیجه رنگ به نوع ماده نیمه هادی استفاده شده برای ساخت دیود بستگی دارد. دلیل آن این است که ساختار باند انرژی نیمه هادی ها بین مواد متفاوت است، بنابراین فوتون ها با فرکانس های مختلف ساطع می شوند. جدول زیر نیمه هاد ی متداول برای ساخت ال ای دی بر اساس فرکانس آورده شده است :

جدول نیمه هادی LED
جدول خلاصه شده مواد نیمه هادی بر اساس رنگ

در حالی که طول موج نور به شکاف باند نیمه هادی بستگی دارد، شدت آن بستگی به مقدار نیرویی دارد که از طریق دیود رانده می شود. ما در بخش قبلی کمی درباره شدت نور صحبت کردیم. اما چیزی بیشتر از این است که روشنایی را فقط با یک عدد نشان دهید.

واحد اندازه گیری شدت نور ، کندل نامیده می شود ، وقتی از شدت نور یک LED صحبت می کنید، معمولاً در محدوده میلی کاندلا هستید. نکته جالب در مورد این واحد این است که این واحد در واقع اندازه گیری میزان انرژی نور نیست، بلکه یک اندازه گیری واقعی “روشنایی” است. این واحد با گرفتن توان ساطع شده در یک جهت خاص و توزیع آن عدد توسط عملکرد درخشندگی نور حاصل می شود. چشم انسان نسبت به برخی از طول موج های نور نسبت به بقیه حساس تر است و عملکرد درخشندگی یک مدل استاندارد است که این حساسیت را حساب می کند.

شدت نور LED ها می تواند از ده ها تا ده ها هزار میلی کاندلا باشد. چراغ روشنایی تلویزیون شما احتمالاً حدود 100 میلی کاندلا است، در حالی که یک چراغ قوه خوب ممکن است دارای 20000 میلی کاندلا باشد. نگاه کردن مستقیم به هر چیزی که روشن تر از چند هزار میلی کاندلا باشد می تواند دردناک باشد.

افت ولتاژ مستقیم LED

به یاد دارید وقتی ما در حال مشاهده دیتاشیت بودیم و من اشاره کردم که مجموع ولتاژ مستقیم از تمام LED ها نمی تواند از ولتاژ منبع بیشتر شود، دلیل این امر این است که هر قطعه در مدار باید ولتاژ را تقسیم کند و مقدار ولتاژی که هر قطعه استفاده می کند همیشه باید کمتر از منبع ولتاژ باشد. این قانون ولتاژ کیرشهف نامیده می شود. بنابراین اگر منبع تغذیه 5 ولت دارید و هر یک از LED های شما افت ولتاژ 2.4 ولت دارند، نمی توانید همزمان بیش از دو LED را وصل کنید.

قوانین کیرشهف زمانی مفید است که بخواهید ولتاژ یک قطعه را بر اساس ولتاژ مستقیم سایر قطعات تخمین بزنید. بعنوان مثال یک منبع تغذیه 5 ولت و دو LED (با افت ولتاژ هر کدام 2.4 ولت) وجود دارد. همچنین ما میخواهیم یک مقاومت محدود کننده جریان نیز داشته باشیم. با معادلات زیر میتوانیم ولتاژ آن مقاومت را پیدا کنیم.

(ولتاژ سیستم) = (LED 1) + (LED 2) + مقاومت

5 = 2.4 + 2.4 + مقاومت

5 = 4.8 + مقاومت

مقاومت = 5 – 4.8

مقاومت = 0.2

بنابراین ، مقاومت 0.2V ولت است.

در این مقاله سعی شد تا تمامی توضیحات برای تسلط بر مبحث LED ها گفته شود. ممنونم که تا اینجای مطلب را خواندید. پیشنهاد میکنم بعد از خواندن این مطلب، مقاله خازن ها را بخوانید.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *