بسیاری از نیمه هادی ها از سیلیکون ناخالص ساخته می شوند. در محل اتصال دو ماده سازنده N و P جهت ایجاد هدایت، بایستی ماده P مثبت تر از ماده N باشد. هدایت زمانی شروع می شود که اختلاف پتانسیل حدودا 0.7 بین دو ماده ایجاد شود. دیود ساطع کننده نور ( LED ) هم از ترکیب دو ماده N و P ساخته می شود اما سیلیکون سد انرژی کافی برای این کار را ندارد . نخستین LED های ساخته شده از گالیم آرسناید بودند که نور نامرئی با طول موج 905 نانو متر تولید کردند. علت این امر اختلاف سطح انرژی باند هدایت با باند کمترین انرژی در گالیم آرسناید می باشد.
هنگامی که ولتاژ به دو سر LED اعمال می شود الکترونها انرژی لازم جهت پرش به باند هدایت را پیدا میکنند. هنگامی که الکترون انرژی خود را از دست می دهد و به باند انرژی کم سقوط میکند یک فوتون ( که به صورت نور پدیدار میشود ) از آن ساطع میگردد.
رابطه ولتاژ و جریان LED به صورت
است.
در رابطه ی فوق If جریان ال ای دی، IS جریان اشباع معکوس ال ای دی ، e بار الکتریکی ، K ثابت بولتزمن ، T دمای مطلق اتصال است. مشاهده میشود که رابطه شبیه رابطه دیود های معمول است.
وجود تفاوت بین دمای دو LED یکسان، منجر به ایجاد تفاوت در افت ولتاژ مستقیم آنها خواهد شد. هنگامی که دمای نقطه اتصال افزایش مییابد ، مسیر برای عبور الکترون ها از تراز انرژی هموارتر میشود. به طور تقریبی افت ولتاژ به میزان 2 میلی ولت به ازای هر یک درجه سانتی گراد افزایش دما را میتوان مشاهده کرد. این پدیده برای راه اندازی LED ها یک مشکل جدی ایجاد میکند . در حالتی که دو LED موازی، از یک منبع تغذیه میشوند، اختلاف دما موجب اختلاف ولتاژ میشود و نتیجتا جریان ما بین دو شاخه از LED ها بطور یکسان تقسیم نمیشود. افزایش جریان یکی از LED ها افزایش دمای بیشتر را برای آن در بر خواهد داشت و در صورت عدم دفع حرارت به میزان کافی باعث خرابی LED میشود. نمودار زیر نشانگر منحنی ولتاژ-جریان یک LED و نحوه تاثیر پذیری آن از تغییرات دما میباشد.
نمودار ولتاژ و جریان تحت تاثیر دما
نتایج تحقیق ارائه شده در مرجع بیانگر تاثیر افزایش دما بر شار نوری ساطع شده از LED میباشد. این تحقیق بیان می کند که افزایش دما باعث افزایش جریان مستقیم دیود و افزایش شار نوری میشود . اما این افزایش شار به معنی افزایش بهره نوری نیست بلکه باعث افت مقدار لومن بر وات LED می شود. علت این امر رشد نکردن متناسب و خطی جریان و شار نوری در دماهای مختلف می باشد . نمودار زیر در راستای شفاف تر شدن این تحقیق ارائه شده است.
نمودارشار نوری و جریان تحت تاثیر دما
مسائل فوق باعث می شود تا برای راه اندازی LED ها از یک منبع تغذیه جریان ثابت استفاده گردد. در تعریف LED ها از آنها به عنوان بارهای ولتاژ ثابت یاد میشود . اما این عمل در واقعیت اتفاق نمی افتد. زیرا نیمه هادی ها هدایت کننده های ایده آلی نیستند و دارای مقاومت مسیر سری (ESR) می باشند . این بدان معنی است که با افزایش جریان ، افت ولتاژی بیشتری بوجود خواهدآمد.
تحقیقی یک LED را معادل مداری یک دیود زنر ایده آل سری شده با یک مقاومت و یا به عبارتی یک دیود زنر غیر ایده آل دانسته است. همچنین در این مرجع توصیه شدهاست که به دلیل عملکرد مشابه و قیمت کمتر دیود زنر نسبت به LED ها در تست اولیه منابع تغذیه طراحی و ساخته شده برای LED ها از دیود های زنر استفاده شود و در صورت حصول نتیجه مثبت تست اصلی با LED ها انجام شود.
منابع
[1] Wang, Yijie, J. Marcos Alonso, and Xinbo Ruan. “A review of LED drivers and related technologies.” IEEE Transactions on Industrial Electronics 64, no. 7 (2017): 5754-5765.[2] Li, Yan-Cun. “A novel control scheme of quasi-resonant valley-switching for high-power-factor AC-to-DC LED drivers.” IEEE Transactions on Industrial Electronics 62, no. 8 (2015): 4787-4794.
[3] Loo, K. H., Wai-Keung Lun, Siew-Chong Tan, Y. M. Lai, and K. Tse Chi. “On driving techniques for LEDs: Toward a generalized methodology.” IEEE transactions on power electronics 24, no. 12 (2009): 2967-2976.