دیودهای نورانی چگونه کار می کنند؟
دیودهای نورانی که به آنها دیودها نیز گفته می شود و در دنیای الکترونیک به این نام شناخته می شوند کابرد زیادی دارند. آنها برای اهداف گوناگون در لوازم و تجهیزات مختلف بکار گرفته می شوند. آنها برای پالسهای ساعت دیجیتال digital clocks ، انتقال اطلاعات و سیگنالها از کنترلهای راه دور و روشن کردن فضای ساعت استفاده می شوند. آنها را بصورت مجموعه ای (به تعداد زیاد) می توان در برخی تلویزیونها (jumbo TV) و چراغهای راهنمایی رانندگی یافت. اصولاً LED ها، لامپهایی هستند که براحتی در مدار الکترونیکی قابل نصب هستند. برخلاف لامپهای متداول دیگر دارای رشته های نازک و مارپیچ نیستند. آنها در حین کار تولید گرمای زیاد نمی کنند. این دیودها بر اثر عبور الکترونها از ماده نیمه هادی نورافشانی می کنند، انواع کنونی آن به اندازه یک ترانزیستور استاندارد است.
در این مقاله اصول ساده عملکرد این دیود توضیح داده می شود و برخی اصول مربوط به نورافشانی و فرآیند ایجاد شده در حین روشن شدن آن تشریح شده اند.
یک دیود چیست؟
دیود ساده ترین نوع یک قطعه نیمه هادی است. در بیان متداول، نیمه هادی، ماده ای است که توانایی عبور جریانهای گوناگون را دارد. اکثر نیمه هادیها دارای خاصیت هدایت ضعیف هستند و این ویژگی بدلیل وجود ناخالصی در آنها ایجاد شده است. فرآیند افزودن ناخالصی به ماده را doping می نامند. در مورد LED ها، داده های نوعاً آلومینیم، گالیم و آرشیک است. تمام آنها دارای مقادیری ناخالصی بوده، محدوده و فضای اتمی آنها در کنار هم قرار دارند و هیچ الکترون آزادی برای عبور جریان الکتریکی از آنها جدا نمی شود. در اینگونه مواد، توازن و تعادل اتمی بر هم خورده و سبب جابجایی الکترونها یا حفره ها می شوند. این امر سبب می شود که خاصیت هدایت آنها افزایش پیدا کند. یک نیمه هادی با الکترونهای اضافی (بیشتر)، داده نوع N نامیده می شود و دارای ذرات با بار حتمی زیاد است. در ماده نوع N الکترونهای آزاد بصورت بار منفی آزادانه به طرف فضای مثبت حرکت می کنند. یک نیمه هادی با حفره های زیاد، نیمه هادی نوع P نامیده می شود. در این ماده ذرات دارای بار مثبت زیادی هستند. الکترونها در این حالت می توانند از یک حفره به حفره دیگر پرش کنند و سبب شود که فضای منفی به طرف فضای مثبت کشیده و جذب آن شود. در نتیجه بنظر می رسد که حفره ها در حال حرکت هستند. یک دیود دارای بخشی از ماده N و بخشی ماده P است که در دو انتهای آن دو الکترود وجود دارد. این آرایش توانایی هدایت جریان تنها در یک جهت را دارد. وقتی هیچ ولتاژی اعمال نشود الکترونها و حفره ها در ناحیه اتصال دو نیمه هادی تجمع می کنند این ناحیه بنام ناحیه تهی نامیده می شود. در این ناحیه قطعه بصورت عایق عمل می کند و حفره ها (تا حد امکان) نگهداشته می شوند و هیچ الکترون آزادی قادر به گذر از این ناحیه نیست. برای کوچک کردن و عبور از این ناحیه الکترونها و حفره ها باید در جهت مخالف یکدیگر از این ناحیه عبور کنند و وارد مواد نوع N و P شوند. برای این منظور پایه منفی دیود باید به ولتاژ منفی و پایه مثبت به ولتاژ مثبت متصل شود. در این حالت الکترونها یکدیگر را رانده و از فضای تهی عبور می کنند، از طرفی دیگر حفره ها به طرف نیمه هادی N کشیده می شوند. اگر اختلاف ولتاژ به اندازه کافی زیاد باشد تا الکترونها بتوانند از ناحیه تهیه گذر کنند، حفره ها نیز از آن طرف قادر به انتقال خواهند بود. در این حالت ناحیه تهی به حداقل رسیده و الکترونها آزادانه در دیود حرکت می کنند. اگر بخواهید الکترونها را به جهت مخالف هدایت کنید، کافی است جهت اتصال به باطری را برعکس کنید. در این حالت الکترونها جذب قطب مثبت باطری می شوند. و سبب می شود هیچ جریانی از دیود عبور نکند. در این حالت ناحیه تهی بزرگ می شود. بر هم کنشی بین الکترونها و حفره ها در LED سبب تولید نور می شود. در بخش بعد این مطلب را دقیقاً توضیح می دهیم.
چگونه یک دیود می تواند نور تولید کند؟
نور نوعی انرژی است که از اتم ساطع می شود. نور دارای قطعات (بسته های) کوچک انرژی است که بدون وزن است. این ذرات را فوتون می نامند و واحدهای پایه ای نور محسوب می شود. فوتونها در اثر حرکت الکترونها آزاد می شوند. در یک اتم، الکترونها به دور اربیتالهای هسته در حال چرخش هستند. الکترونهای اربیتالهای مختلف دارای انرژی گوناگون هستند. به بیان کلی می توان گفت الکترونها دارای انرژی بیشتر در اربیتالهای دورتر از هسته حرکت می کنند. برای پرش یک الکترون از اربیتال پائین تر به اربیتال بالاتر، انرژی دریافت می شود و بصورت برعکس از انتقال به اربیتال پائین تر، انرژی آزاد می شود. انرژی آزاد شده بصورت فوتون ساطع می شود. انرژی بیشتر سبب آزاد شدن فوتون با انرژی بالاتر است که مشخصه آن فرکانس بالاتر آن است. چنانکه در بخش گذشته دیدید، الکترونها آزاد از فضای دیود عبور کرده تا بتوانند خود را به داخل حفره بیاندازند. این حالت شامل کاهش و افت ناحیه هدایت به اربیتال پائین تر می شود، بنابراین سبب می شود، الکترونها، انرژی را بصورت فوتونها آزاد کنند. این امر در تمام دیودهای نورانی رخ می دهد اما به نسبت ترکیب مواد در آن وابسته است. بعنوان مثال دیود سیلیکون استاندارد به گونه ای قرار گرفته است که الکترونها در فاصله کوتاهی دچار افت و سقوط می شوند. در نتیجه فرکانس نور ساطع شده بوسیله فوتونها با چشم انسان قابل مشاهده است. این به معنی آن است که این فرکانس در طیف نورانی قابل رویت قرار دارد. البته در برخی دیودها این نور قابل رویت نیست که کاربردهایی نظیر کنترلهای راه دور دارند. دیودهای با نور قابل رویت (VLED) بصورت پالسهای ساعت روشن می شوند، خصوصیت نوری و شدت آن به جنس مواد دیود نیز وابسته است. علاوه بر آن اندازه فاصله هوایی در فرکانس فوتون تاثیرگذار است و در حقیقت رنگ نور را تعیین می کند. زمانی که دیودها نور ساطع می کنند، اکثراً در حالت حداکثر راندمان نیستند، در دیودهای معمولی، در انتهای دیود گرما و حرارت ایجاد می شود. این دیودها به گونه ای طراحی می شوند که بتوانند فوتونهای زیادی را ساطع کنند. علاوه بر آن از یک حباب پلاستیکی برای هدایت نور در جهت مورد نظر استفاده شده است. چنانکه دیده می شود مقادیری از نور بدلیل شکل کروی حباب، به اطراف پراکنده می شود. دیودها در مقایسه با لامپهای رشته ای از مزایای گوناگونی برخوردار هستند. آنها بدون داشتن رشته فلزی مارپیچ، از طول عمر بیشتر برخوردارند. علاوه بر آن پوشش پلاستیکی لامپ قابلیت تنوع را ایجاد می کند. آنها برای استفاده در الکترونیک پیشرفته امروزی کاملاً مناسب هستند. اما مزیت اصلی، در راندمان آنهاست. در لامپهای رشته ای متداول بخش اعظم انرژی به حرارت تبدیل می شود، و اتلاف انرژی بسیار زیاد است این لامپها بیشتر نقش گرمکن (heater) را ایفا می کنند. آنها برای ساطع کردن نور کافی مقادیر بسیار زیاد انرژی را تلف می کنند. LED ها اساساً حرارت کمی دارند. بیشترین میزان مصرف انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کنند. این امر از نظر کاربرد مورد تقاضا قابل توجه و ارزشمند است. اخیراً دیودهایی ساخته شده که با وجود قیمت بسیار زیاد آنها، اما قابلیت نوری آنها بسیار جالب توجه است و این بدلیل استفاده از ماده نیمه هادی پیشرفته در آنهاست. در این مواد از نظر ایجاد ناحیه تهی بین دو نیمه هادی اصلاحاتی صورت گرفته است. و سبب شده راندمان نوری آن بشدت افزایش یابد. این دیودها از دیودهای عادی گرانتر هستند. اما در درازمدت هزینه مصرف باطری کمتری دارند. آنها در تکنولوژی آینده نقش اصلی را ایفا می کنند.
4-3 یک مدار یکسوساز نیم موج:
یکی از مهمترین کاربردهای دیود در مدارات یکسوساز است. در زیر بوسیله برنامه Spice رفتار کی مدار یکسوساز را نشان داده ایم. یک مدار یکسوساز نیم موج در شکل 16-3 نشان داده شده است. این مدار دارای یک ترانسفورماتور با نسبت 14:l یک دیود D1 بنام 1N4148 و بار مقاومتی است. مقاومت منبع و در مسیر AC می باشد. این ترانسفورماتور، کاهنده بوده و ولتاژ حداکثر 120V rms را به 12V حداکثر (Peak) تبدیل می کند. در نرم افزار Spice ترانسفورماتور ایده آل فرض شده است. اما در عمل هیچ گاه چنین حالتی رخ نمی دهد. در Spice امکان تعیین میزان کوپلینگ (Coupling) سیم پیچ ها با ضریب k وجود دارد که می توان آن را برای مقادیر کمتر از 1 تعیین کرد. بعنوان مثال 2 سیم پیچ LP و LS می توانند دارای خاصیت تزویج 0.999 باشند. در این حالت، ترانسفورماتور بسیار عالی ساخته شده است. نسبت تبدیل در ترانسفورماتورها را می توان با گرفتن ریشه دوم از نسبت اندوکتانس اولیه به ثانویه بدست آورد و داریم:
برای توضیح چنین ترانسفورماتوری به Spice برای هر القاگر (سلف) باید ضرایب و مقادیر مربوطه ارائه شود. همین طور میزان تزویج (کوپلینگ) را با ضریب k تعیین می کنیم. اگر بیش از 2 القاءگر در مسیر وجود دارند از همان ضریب واحد k برای همه آنها استفاده می شود. نامهای انتخاب شده باید با اطلاعات Spice تطابق داشته باشند. مقدار k می تواند بین 0 تا 1 باشد. ما همیشه (در کاربردهای عادی) k را k=0.999 در نظر می گیریم. به جهت نقطه در طرح ارائه شده توجه کنید. نقطه نشان دهنده طرف مثبت (در القاءگر) است. اگر N سیم پیچ جفت شده داشته باشیم برای ضریب کوپلینگ داریم N(N+1)/2 در ترانسفورماتور ارائه شده در شکل 17-3 ، اطلاعات بصورت زیر هستند:
با استفاده از مدار نشان داده شده در شکل 16-3 می توان عملکرد مدار را بوسیله Spice مشاهده کرد. فرض می کنیم اندوکتانس اولیه 1 تا 10m و در ثانویه 51WH باشد. بدین صورت یک ترانسفورماتور با نسبت تبدیل 14:1 در اختیار داریم. در ادامه دانشجو باید بداند که هیچ مسیر DC در ثانویه تا زمین وجود ندارد، بنابراین Spice قادر به تحلیل این مدار نخواهد بود. برای ساده شدن مطلب یک مقاومت تا زمین قرار می گیرد، که مقدار آن بسیار بزرگ است. این مقاومت باید بقدری بزرگ باشد که در عملکرد مدار اثر منفی بر جای نگذارد. چنانکه در شکل 18-3 دیده می شود یک مقاومت بین پایه 4 تا زمین قرار گرفته است. یک منبع ولتاژ با دیود بصورت سری قرار گرفته است. این امر امکان مشاهده جریان عبوری از دیود را فراهم می کند. شکل 19-3 تحلیل گذرا از محاسبه ولتاژ اعمال شده به مقاومت بار را نشان می دهد ولتاژ در طرف اولیه و ثانویه ترانسفورماتور دیده می شود. در مدل Spice ، از دیود 1N4148 استفاده شده است.
نتایج بدست آمده از این تحلیل در شکل 20-3 نشان داده شده است. نمودار بالا شکل موج ولتاژ AC را در طرف اولیه ترانسفورماتور نشان می دهد. در این شکل، ولتاژ برای یک زمان گذرا و کوتاه مدت ترسیم شده است. نمودارهای زیر شکل موجهای ولتاژ و جریان بار را نشان می دهند که مربوط به طرف ثانویه ترانسفورماتور است. چنانکه دیده می شود در یک نیم دوره جریان و ولتاژ قطع شده و شکل موجها بصورت نیم موج بدست آمده اند. نکته مهم در طراحی مدارات یکسوساز قابلیت کنترل جریان در آنهاست و مطلب دیگر، حداکثر ولتاژ معکوس اعمالی بر تجهیزات (PIV) که باید در این شرایط دیود تحمل این ولتاژ را داشته باشد. در شکل 22-3 جریان و ولتاژ دیود در حالت هدایت نشان داده شده است. حداکثر ولتاژ معکوس در این مدار (که بر دیود اعمال می شود) 12V است. در این سطح ولتاژ شکست در دیود ایجاد نخواهد شد زیرا ولتاژ شکست دیود 1N4148 بر اساس برگه های اطلاعاتی حدود 100V است. حداکثر جریان عبوری از این دیود در مدار 11MA است که براساس برگه های اطلاعاتی مقدار مجاز آن 100MA است، بنابراین دیود برای طرح مورد نظرها کاملاً مناسب است.