ديودهاي نوراني كه به آنها ديودها نيز گفته مي شود و در دنياي الكترونيك به اين نام شناخته مي شوند كابرد زيادي دارند. آنها براي اهداف گوناگون در لوازم و تجهيزات مختلف بكار گرفته مي شوند. آنها براي پالسهاي ساعت ديجيتال digital clocks ، انتقال اطلاعات و سيگنالها از كنترلهاي راه دور و روشن كردن فضاي ساعت استفاده مي شوند. آنها را بصورت مجموعه اي (به تعداد زياد) مي توان در برخي تلويزيونها (jumbo TV) و چراغهاي راهنمايي رانندگي يافت. اصولاً LED ها، لامپهايي هستند كه براحتي در مدار الكترونيكي قابل نصب هستند. برخلاف لامپهاي متداول ديگر داراي رشته هاي نازك و مارپيچ نيستند. آنها در حين كار توليد گرماي زياد نمي كنند. اين ديودها بر اثر عبور الكترونها از ماده نيمه هادي نورافشاني مي كنند، انواع كنوني آن به اندازه يك ترانزيستور استاندارد است.
در اين مقاله اصول ساده عملكرد اين ديود توضيح داده مي شود و برخي اصول مربوط به نورافشاني و فرآيند ايجاد شده در حين روشن شدن آن تشريح شده اند.
يك ديود چيست؟
ديود ساده ترين نوع يك قطعه نيمه هادي است. در بيان متداول، نيمه هادي، ماده اي است كه توانايي عبور جريانهاي گوناگون را دارد. اكثر نيمه هاديها داراي خاصيت هدايت ضعيف هستند و اين ويژگي بدليل وجود ناخالصي در آنها ايجاد شده است. فرآيند افزودن ناخالصي به ماده را doping مي نامند. در مورد LED ها، داده هاي نوعاً آلومينيم، گاليم و آرشيك است. تمام آنها داراي مقاديري ناخالصي بوده، محدوده و فضاي اتمي آنها در كنار هم قرار دارند و هيچ الكترون آزادي براي عبور جريان الكتريكي از آنها جدا نمي شود. در اينگونه مواد، توازن و تعادل اتمي بر هم خورده و سبب جابجايي الكترونها يا حفره ها مي شوند. اين امر سبب مي شود كه خاصيت هدايت آنها افزايش پيدا كند. يك نيمه هادي با الكترونهاي اضافي (بيشتر)، داده نوع N ناميده مي شود و داراي ذرات با بار حتمي زياد است. در ماده نوع N الكترونهاي آزاد بصورت بار منفي آزادانه به طرف فضاي مثبت حركت مي كنند. يك نيمه هادي با حفره هاي زياد، نيمه هادي نوع P ناميده مي شود. در اين ماده ذرات داراي بار مثبت زيادي هستند. الكترونها در اين حالت مي توانند از يك حفره به حفره ديگر پرش كنند و سبب شود كه فضاي منفي به طرف فضاي مثبت كشيده و جذب آن شود. در نتيجه بنظر مي رسد كه حفره ها در حال حركت هستند. يك ديود داراي بخشي از ماده N و بخشي ماده P است كه در دو انتهاي آن دو الكترود وجود دارد. اين آرايش توانايي هدايت جريان تنها در يك جهت را دارد. وقتي هيچ ولتاژي اعمال نشود الكترونها و حفره ها در ناحيه اتصال دو نيمه هادي تجمع مي كنند اين ناحيه بنام ناحيه تهي ناميده مي شود. در اين ناحيه قطعه بصورت عايق عمل مي كند و حفره ها (تا حد امكان) نگهداشته مي شوند و هيچ الكترون آزادي قادر به گذر از اين ناحيه نيست. براي كوچك كردن و عبور از اين ناحيه الكترونها و حفره ها بايد در جهت مخالف يكديگر از اين ناحيه عبور كنند و وارد مواد نوع N و P شوند. براي اين منظور پايه منفي ديود بايد به ولتاژ منفي و پايه مثبت به ولتاژ مثبت متصل شود. در اين حالت الكترونها يكديگر را رانده و از فضاي تهي عبور مي كنند، از طرفي ديگر حفره ها به طرف نيمه هادي N كشيده مي شوند. اگر اختلاف ولتاژ به اندازه كافي زياد باشد تا الكترونها بتوانند از ناحيه تهيه گذر كنند، حفره ها نيز از آن طرف قادر به انتقال خواهند بود. در اين حالت ناحيه تهي به حداقل رسيده و الكترونها آزادانه در ديود حركت مي كنند. اگر بخواهيد الكترونها را به جهت مخالف هدايت كنيد، كافي است جهت اتصال به باطري را برعكس كنيد. در اين حالت الكترونها جذب قطب مثبت باطري مي شوند. و سبب مي شود هيچ جرياني از ديود عبور نكند. در اين حالت ناحيه تهي بزرگ مي شود. بر هم كنشي بين الكترونها و حفره ها در LED سبب توليد نور مي شود. در بخش بعد اين مطلب را دقيقاً توضيح مي دهيم.
چگونه يك ديود مي تواند نور توليد كند؟
نور نوعي انرژي است كه از اتم ساطع مي شود. نور داراي قطعات (بسته هاي) كوچك انرژي است كه بدون وزن است. اين ذرات را فوتون مي نامند و واحدهاي پايه اي نور محسوب مي شود. فوتونها در اثر حركت الكترونها آزاد مي شوند. در يك اتم، الكترونها به دور اربيتالهاي هسته در حال چرخش هستند. الكترونهاي اربيتالهاي مختلف داراي انرژي گوناگون هستند. به بيان كلي مي توان گفت الكترونها داراي انرژي بيشتر در اربيتالهاي دورتر از هسته حركت مي كنند. براي پرش يك الكترون از اربيتال پائين تر به اربيتال بالاتر، انرژي دريافت مي شود و بصورت برعكس از انتقال به اربيتال پائين تر، انرژي آزاد مي شود. انرژي آزاد شده بصورت فوتون ساطع مي شود. انرژي بيشتر سبب آزاد شدن فوتون با انرژي بالاتر است كه مشخصه آن فركانس بالاتر آن است. چنانكه در بخش گذشته ديديد، الكترونها آزاد از فضاي ديود عبور كرده تا بتوانند خود را به داخل حفره بياندازند. اين حالت شامل كاهش و افت ناحيه هدايت به اربيتال پائين تر مي شود، بنابراين سبب مي شود، الكترونها، انرژي را بصورت فوتونها آزاد كنند. اين امر در تمام ديودهاي نوراني رخ مي دهد اما به نسبت تركيب مواد در آن وابسته است. بعنوان مثال ديود سيليكون استاندارد به گونه اي قرار گرفته است كه الكترونها در فاصله كوتاهي دچار افت و سقوط مي شوند. در نتيجه فركانس نور ساطع شده بوسيله فوتونها با چشم انسان قابل مشاهده است. اين به معني آن است كه اين فركانس در طيف نوراني قابل رؤيت قرار دارد. البته در برخي ديودها اين نور قابل رؤيت نيست كه كاربردهايي نظير كنترلهاي راه دور دارند. ديودهاي با نور قابل رؤيت (VLED) بصورت پالسهاي ساعت روشن مي شوند، خصوصيت نوري و شدت آن به جنس مواد ديود نيز وابسته است. علاوه بر آن اندازه فاصله هوايي در فركانس فوتون تأثيرگذار است و در حقيقت رنگ نور را تعيين مي كند. زماني كه ديودها نور ساطع مي كنند، اكثراً در حالت حداكثر راندمان نيستند، در ديودهاي معمولي، در انتهاي ديود گرما و حرارت ايجاد مي شود. اين ديودها به گونه اي طراحي مي شوند كه بتوانند فوتونهاي زيادي را ساطع كنند. علاوه بر آن از يك حباب پلاستيكي براي هدايت نور در جهت مورد نظر استفاده شده است. چنانكه ديده مي شود مقاديري از نور بدليل شكل كروي حباب، به اطراف پراكنده مي شود. ديودها در مقايسه با لامپهاي رشته اي از مزاياي گوناگوني برخوردار هستند. آنها بدون داشتن رشته فلزي مارپيچ، از طول عمر بيشتر برخوردارند. علاوه بر آن پوشش پلاستيكي لامپ قابليت تنوع را ايجاد مي كند. آنها براي استفاده در الكترونيك پيشرفته امروزي كاملاً مناسب هستند. اما مزيت اصلي، در راندمان آنهاست. در لامپهاي رشته اي متداول بخش اعظم انرژي به حرارت تبديل مي شود، و اتلاف انرژي بسيار زياد است اين لامپها بيشتر نقش گرمكن (heater) را ايفا مي كنند. آنها براي ساطع كردن نور كافي مقادير بسيار زياد انرژي را تلف مي كنند. LED ها اساساً حرارت كمي دارند. بيشترين ميزان مصرف انرژي الكتريكي را به نور تبديل مي كنند. اين امر از نظر كاربرد مورد تقاضا قابل توجه و ارزشمند است. اخيراً ديودهايي ساخته شده كه با وجود قيمت بسيار زياد آنها، اما قابليت نوري آنها بسيار جالب توجه است و اين بدليل استفاده از ماده نيمه هادي پيشرفته در آنهاست. در اين مواد از نظر ايجاد ناحيه تهي بين دو نيمه هادي اصلاحاتي صورت گرفته است. و سبب شده راندمان نوري آن بشدت افزايش يابد. اين ديودها از ديودهاي عادي گرانتر هستند. اما در درازمدت هزينه مصرف باطري كمتري دارند. آنها در تكنولوژي آينده نقش اصلي را ايفا مي كنند.
4-3 يك مدار يكسوساز نيم موج:
يكي از مهمترين كاربردهاي ديود در مدارات يكسوساز است. در زير بوسيله برنامه Spice رفتار كي مدار يكسوساز را نشان داده ايم. يك مدار يكسوساز نيم موج در شكل 16-3 نشان داده شده است. اين مدار داراي يك ترانسفورماتور با نسبت 14:l يك ديود D1 بنام 1N4148 و بار مقاومتي است. مقاومت منبع و در مسير AC مي باشد. اين ترانسفورماتور، كاهنده بوده و ولتاژ حداكثر 120V rms را به 12V حداكثر (Peak) تبديل مي كند. در نرم افزار Spice ترانسفورماتور ايده آل فرض شده است. اما در عمل هيچ گاه چنين حالتي رخ نمي دهد. در Spice امكان تعيين ميزان كوپلينگ (Coupling) سيم پيچ ها با ضريب k وجود دارد كه مي توان آن را براي مقادير كمتر از 1 تعيين كرد. بعنوان مثال 2 سيم پيچ LP و LS مي توانند داراي خاصيت تزويج 0.999 باشند. در اين حالت، ترانسفورماتور بسيار عالي ساخته شده است. نسبت تبديل در ترانسفورماتورها را مي توان با گرفتن ريشه دوم از نسبت اندوكتانس اوليه به ثانويه بدست آورد و داريم:
براي توضيح چنين ترانسفورماتوري به Spice براي هر القاگر (سلف) بايد ضرايب و مقادير مربوطه ارائه شود. همين طور ميزان تزويج (كوپلينگ) را با ضريب k تعيين مي كنيم. اگر بيش از 2 القاءگر در مسير وجود دارند از همان ضريب واحد k براي همه آنها استفاده مي شود. نامهاي انتخاب شده بايد با اطلاعات Spice تطابق داشته باشند. مقدار k مي تواند بين 0 تا 1 باشد. ما هميشه (در كاربردهاي عادي) k را k=0.999 در نظر مي گيريم. به جهت نقطه در طرح ارائه شده توجه كنيد. نقطه نشان دهنده طرف مثبت (در القاءگر) است. اگر N سيم پيچ جفت شده داشته باشيم براي ضريب كوپلينگ داريم N(N+1)/2 در ترانسفورماتور ارائه شده در شكل 17-3 ، اطلاعات بصورت زير هستند:
با استفاده از مدار نشان داده شده در شكل 16-3 مي توان عملكرد مدار را بوسيله Spice مشاهده كرد. فرض مي كنيم اندوكتانس اوليه 1 تا 10m و در ثانويه 51WH باشد. بدين صورت يك ترانسفورماتور با نسبت تبديل 14:1 در اختيار داريم. در ادامه دانشجو بايد بداند كه هيچ مسير DC در ثانويه تا زمين وجود ندارد، بنابراين Spice قادر به تحليل اين مدار نخواهد بود. براي ساده شدن مطلب يك مقاومت تا زمين قرار مي گيرد، كه مقدار آن بسيار بزرگ است. اين مقاومت بايد بقدري بزرگ باشد كه در عملكرد مدار اثر منفي بر جاي نگذارد. چنانكه در شكل 18-3 ديده مي شود يك مقاومت بين پايه 4 تا زمين قرار گرفته است. يك منبع ولتاژ با ديود بصورت سري قرار گرفته است. اين امر امكان مشاهده جريان عبوري از ديود را فراهم مي كند. شكل 19-3 تحليل گذرا از محاسبه ولتاژ اعمال شده به مقاومت بار را نشان مي دهد ولتاژ در طرف اوليه و ثانويه ترانسفورماتور ديده مي شود. در مدل Spice ، از ديود 1N4148 استفاده شده است.
نتايج بدست آمده از اين تحليل در شكل 20-3 نشان داده شده است. نمودار بالا شكل موج ولتاژ AC را در طرف اوليه ترانسفورماتور نشان مي دهد. در اين شكل، ولتاژ براي يك زمان گذرا و كوتاه مدت ترسيم شده است. نمودارهاي زير شكل موجهاي ولتاژ و جريان بار را نشان مي دهند كه مربوط به طرف ثانويه ترانسفورماتور است. چنانكه ديده مي شود در يك نيم دوره جريان و ولتاژ قطع شده و شكل موجها بصورت نيم موج بدست آمده اند. نكته مهم در طراحي مدارات يكسوساز قابليت كنترل جريان در آنهاست و مطلب ديگر، حداكثر ولتاژ معكوس اعمالي بر تجهيزات (PIV) كه بايد در اين شرايط ديود تحمل اين ولتاژ را داشته باشد. در شكل 22-3 جريان و ولتاژ ديود در حالت هدايت نشان داده شده است. حداكثر ولتاژ معكوس در اين مدار (كه بر ديود اعمال مي شود) 12V است. در اين سطح ولتاژ شكست در ديود ايجاد نخواهد شد زيرا ولتاژ شكست ديود 1N4148 بر اساس برگه هاي اطلاعاتي حدود 100V است. حداكثر جريان عبوري از اين ديود در مدار 11MA است كه براساس برگه هاي اطلاعاتي مقدار مجاز آن 100MA است، بنابراين ديود براي طرح مورد نظرها كاملاً مناسب است.
