ساختار دیود نوری چگونه است؟

آن‌ها در زیرمجموعه گروه نیمه‌ هادی‌ها هستند و تفاوتی که با دیودهای دیگر دارند این است که پس از گذشتن جریان از آن‌ها از طریق پیوند p-n اتفاق می‌افتد مقداری انرژی تولید می‌شود که به صورت نور در می‌آید. ساختار دیود از دو نیمه هادی تشکیل شده است که در یک نیمه ناخالصی نوع منفی اضافه می‌کنیم که با آن نیمه هادی n می‌گوییم و در نیمه دیگر ناخالصی مثبت اضافه می‌کنیم که با آن نیمه‌هادی نوع  p می‌گوییم بین این دو نیمه هادی را ناحیه پیوندp-n می‌نامیم که جریان از یک ناحیه به ناحیه دیگر حرکت می‌کنم، الکترون‌ها از ناحیه n حفره‌های ناحیه p را پر می‌کنند و انرژی خود را به‌ صورت تولید فوتون از دست می‌دهند هر چه انرژی از دست رفته بیشتر باشد فرکانس فوتون ساطع شده نیز بیشتر است و تغییر رنگ رخ می‌دهدکه باید این فرکانس در طیف قابل مشاهده انسان باشد در غیر این‌ صورت دیده نمی‌شود مانند نور ماورای بنفش.

نوری که در LED نوری که تولید می‌شود بستگی به مواد استفاده شده و جریان عبوری در آن دارد. LED را از مواد نیمه رسانایی می‌سازند تا نوری که از آن می‌درخشد قابل رویت باشد و حتی می‌توان طوری آن را ساخت که فرکانس تولید قابل‌ کنترل و درنتیجه LED دارای چند رنگ مختلف باشد دیودهای نوری تک رنگ دارای دو پایه به نام‌های کاتد و آند، ولی اگر در فاز دورنگ و سه‌ رنگ برود از یک پایه کاتد مشترک و به‌ازای هر رنگ یک پایه آند به آن اضافه می‌شود یعنی LED های دورنگ دو پایه آند و یک پایه کاتد دارد.

در سال ۱۹۶۲ اولین مدل LED با نور قرمز که دارای ترکیب آلومینیوم و گالیم و آرسفاید بود وارد بازار شد که در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شد و بعد از آن نورهای سبز، آبی‌، زرد‌، نارنجی و سفید در دهه هفتاد میلادی تولید شد.

اثر گذاری نور LED های سفید تا ۷۰ لومن بر وات و رنگ‌های دیگر تا ۵۰ لومن بر وات می‌رسد. پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است تا۱۵۰ لومن بر وات هم برسد. نسل‌های اولیه این دیود نوری به نام led کلاهی و اوال معروف شدند. تفاوت این دو مدل در شکل ظاهری آن‌ها است که کلاهی به‌ صورت لنز گرد و شفاف ولی اوال به‌ صورت بیضی و اغلب خود رنگ هستند.

ساختار تشکیل دهنده led

1) پایه مثبت آند

۲) پایه منفی کاتد

۳) سیم باریک طلا که نمونه صنعتی آن از آلیاژ طلا و مس تشکیل شده است.

۴) چیپ ال ای دی که نور در آن با گذر عبور جریان ساطع می‌شود.

۵) حفره صیقلی بازتاب بهتر نور که مانع از هدر رفتن نور می‌شود.

۶) لنز که اغلب از جنس اپلکسی است و برای هدایت بهتر نور استفاده می‌شود.

نسل بعد از ال ای دی‌های کلاهی به نام ال‌ای‌دی پاور بوجود آمد و به خاطر این‌که جریان بیشتری از آن عبور می‌کند توان بیشتری بوجود می‌آمد و درنتیجه نور بیشتری ایجاد می‌شد توان ال‌ای دی‌ها بیشتر از نیم وات را دارد.

معایب دیودهای led

معایب دیودهای عبارتند از:

1. وابستگی به درجه حرارت
2. حساسیت به ولتاژ
3. زاویه نور تابشی خواص

در ادامه هر یک از مواد فوق را بررسی خواهیم کرد.

1) وابستگی به درجه حرارت

یکی از مشکلات اساسی فعلی تابلو ال ای دی در اصفهان این است که عملکرد آن‌ها یعنی بهره‌ی نوری و طول عمر آن‌ها نسبت به درجه حرارت تغییر می‌کند افزایش درجه حرارت باعث کاهش شار نوری دیودهای نوری شده و تا ۲۰ درصد مقدار نامی می‌شود و برعکس کاهش درجه حرارت باعث افزایش شار نوری تا ۲۰۰ درصد مقدار نام می‌شود.

به خاطر همین در محیط‌های خنک مانند سردخانه و یخچال از راندمان بالاتری بهره‌مند هستند استفاده از هیت سینک و رادیاتور خنک کننده و فن گزینه‌های مناسبی برای افزایش طول عمر led‌ها است.

2) حساسیت به ولتاژ

عملکرد دیود نوری و حتی رنگ آن‌ها ارتباط بسیار مستقیم با ولتاژ دارد و با تغییر آن دیودها خراب می‌شوند.

3) زاویه نور تابشی خواص

از آنجایی که دیود نورانی در زاویه خاص نور می‌تاباند نمی‌توان از آن برای جایی که تمام فضا احتیاج به نور دارد استفاده کرد.

تقسیم‌بندی ال ای دی

ال ای دی را بسته به روش پیاده‌سازی چیپ‌ها به سه دسته کلی تقسیم می‌کنند.

1. DIP
2. SMD
3. COB

در ادامه هر یک از موارد فوق را توضیح خواهیم داد.

1) مدل DIP

تکنولوژی DIP سری اول دیودهای نوری بود که به تولید انبوه رسید و در بسیاری از لوازم الکترونیکی و خانگی استفاده می‌شد و هر روز هم استفاده می‌شود‌. آن‌ها در دست خود دارای تنوع‌های مختلف هستند یه مدل از LED دارای یک لنز پلاستیکی کپسول مانند تشکیل شده که چیپ در داخل آن است و دارای دو پایه اتصال کاتد و آند است.
این پوشش لنز اکثراً از جنس اپوکسی هست و باعث متمرکز شدن نور LED شده و پوشش بیرونی لنز دارای یک لبه صاف است که پایه کاتد را نشان می‌دهد. طول عمر این مدل LED کمتر از SMD‌ و COB است اما به دلیل درخشندگی بیشتر و هزینه کمتر هر روز در اکثر تابلوها و تجهیزات الکترونیکی استفاده زیادی می‌شود اما در صنعت نورپردازی با پدید آمدن نسل SMD و COB دیگر استفاده خاصی ندارد.

چون نسبت بین دو نسل نور خروجی و بازدهی کمتر و افت شار نوری را دارد. دلیل افت نور در این مدل LED به خاطر روکش پلاستیکی در چیپ LED است که مانع از خروج گرمای تولید شده توسط چیپ به بیرون و افزایش دما می‌شود که در مدت زمان زیاد نور LED یا همان شار نوری را کاهش می‌دهد‌. مدل DIP شار نوری ۳ تا ۴ لومن را دارد‌.

2) مدل SMD

این نسل از LED برخلاف مدل کلاهی که تک چیپ بودن دارایی ۲ یا۳ چیپ داخل یک پکیج هستند و دیگر به جای پایه‌های بلند از دو، چهار یا شش نقطه اتصال بر روی برد استفاده می‌کنند‌ که در تابلو چلنیوم در اصفهان کاربرد دارد. در این مدل به دلیل شار نوری بالا و بازدهی نوری خوب از استقبال بالای در صنعت نورپردازی برخوردار شده یکی از دلایل محبوبیت آن این است که می‌‌توان با ترکیب چیپ‌های قرمز، سبز و آبی در یک پکیج SMD استفاده کرد و با استفاده از کنترل و تنظیم سطح خروجی‌، رنگ‌های مختلفی را بوجود آورد و در صنعت نورپردازی از آن استفاده زیادی کرد. از لحاظ سایز کوچک‌تر از نوع DIP هستند که کاربرد آن‌ها را گسترده‌تر می‌کند و دارای ویژگی‌های تهویه حرارت بهتر خروجی نور بالا و افزایش طول عمر و کیفیت بهتر است.

3) مدل COB

این مدل ال ای دی تقریباً مشابه مدل SMD است با این تفاوت که تعداد جیب‌های استفاده‌ شده در COB بیشتر از SMD است و به صورت یک صفحه‌ای دیسک مانند روشن می‌شود‌. دارای ساختار مداری متفاوتی هم هست تعداد چیپ‌های استفاده‌ شده در COB، تعداد ۹ عدد به بالا است و تفاوت اصلی این دو نسل این است که در SMD به ازای هر جیب یک مدار جداگانه وجود دارد ولی در COB با وجود چیپ‌های زیادتر یک مدار واحد و دارای دو نقطه اتصال بر روی بورد است به خاطر همین یک ضعف برای COB به شمار می‌آید و آن عدم تغییر رنگ برای این مدل LED است.

در واقع مدل COB به‌خاطر مداری واحد و توان خروجی بالا می‌توانند نور بسیار عالی را پدید آورند و در صنعت نورپردازی تک رنگ کارایی زیاد دارد اما در صنعت نور پردازی با مدل تغییر رنگ جایگاهی ندارد.