ولتاژ آستانه: کلید روشنایی دنیای مدرن
مأموریت غیرقابل مذاکره: چرا LEDها به یک ولتاژ ورودی مشخص نیاز دارند؟
حتماً برایتان پیش آمده که با دو باتری تقریباً خالی، یک LED را روشن کنید و با ناامیدی ببینید که خبری از نور نیست، اما با اضافه کردن باتری سوم، ناگهان چراغ روشن میشود. این پدیده دقیقاً به مفهوم ولتاژ آستانه مربوط میشود. دیود نورگسیل برخلاف یک لامپ رشتهای ساده که با هر ولتاژ کوچکی کمی نور میدهد، یک موجود "همه یا هیچ" است . تا زمانی که ولتاژ دو سرش به یک مقدار مشخص نرسد، عملاً هیچ جریانی از آن عبور نمیکند و در نتیجه نوری تولید نمیشود .
برای درک بهتر، بیایید نگاهی به داخل یک LED بیندازیم. قلب تپنده یک LED از دو نوع ماده نیمهرسانا ساخته شده است: یکی از این مواد دارای الکترونهای آزاد و اضافی است (نوع N) و دیگری دارای جای خالی برای الکترونها یا "حفره" است (نوع P) . این دو ماده در کنار هم یک سد انرژی به نام "شکاف انرژی" یا "گاف انرژی" (Energy Gap) ایجاد میکنند. الکترونها برای عبور از این سد و رفتن به سمت حفرهها نیاز به دریافت انرژی دارند. این انرژی دقیقاً توسط ولتاژی که به LED اعمال میکنیم، تأمین میشود. تا وقتی که انرژی الکترونها (همان ولتاژ) به اندازه کافی نباشد، نمیتوانند از این سد عبور کنند .
جهان رنگی LEDها: چراغ قرمز زودتر از بقیه روشن میشود؟
حتماً متوجه شدهاید که LEDهای آبی و سفید معمولاً به ولتاژ بیشتری نسبت به LEDهای قرمز نیاز دارند تا روشن شوند. این تفاوت به دلیل ماهیت مواد سازنده و رابطه مستقیم رنگ نور با انرژی مورد نیاز برای تولید آن است. در دنیای کوانتومی، انرژی و رنگ نور با هم رابطه مستقیم دارند. نور آبی انرژی بیشتری نسبت به نور قرمز دارد و برای تولید آن، الکترونها باید از شکاف انرژی بزرگتری عبور کنند. بنابراین، LED آبی برای غلبه بر این شکاف بزرگتر، به ولتاژ آستانه بالاتری نیاز دارد . این رابطه زیبا توسط فرمول پلانک توضیح داده میشود که در بخش بعدی آن را خواهیم دید.
| رنگ نور LED | محدوده تقریبی ولتاژ آستانه (ولت) | جنس نیمهرسانای معمول |
|---|---|---|
| قرمز | 1.8 - 2.2 | گالیم آرسناید (GaAs) |
| زرد | 2.0 - 2.4 | گالیم آرسناید فسفاید (GaAsP) |
| سبز | 2.2 - 3.5 | گالیم فسفاید (GaP) |
| آبی | 3.0 - 3.6 | گالیم نیتراید (GaN) |
| سفید | 3.0 - 3.6 | معمولاً LED آبی با فسفر |
ریاضیات روشنایی: فرمول پلانک در خدمت نور
شاید جالب باشد بدانید که با اندازهگیری ولتاژ آستانه یک LED میتوان به ثابت بزرگ دنیای فیزیک، یعنی "ثابت پلانک"[۲]، نزدیک شد! رابطه بین ولتاژ آستانه ($V_0$) و انرژی فوتون ساطع شده ($E$) بسیار مستقیم است. انرژی یک فوتون با فرکانس آن ($f$) نسبت مستقیم دارد و حاصل ضرب این دو در ثابت پلانک ($h$) است. از طرف دیگر، انرژی که یک الکترون با عبور از اختلاف پتانسیل $V_0$ به دست میآورد برابر است با بار الکترون ($e$) ضربدر این ولتاژ. در آستانه روشن شدن LED، این دو انرژی با هم برابر میشوند .
$eV_0 = E_g \approx hf$
در این معادلات، $E_g$ همان شکاف انرژی نیمهرسانا، $c$ سرعت نور و $\lambda$ طول موج نور تولیدی است.
این معادلات نشان میدهند که چرا با دیدن رنگ یک LED میتوانیم ولتاژ آستانه آن را تقریب بزنیم. هرچه طول موج نور کوتاهتر باشد (مثلاً آبی در مقابل قرمز)، فرکانس و در نتیجه انرژی فوتون بیشتر است، پس شکاف انرژی نیمهرسانا بزرگتر بوده و به ولتاژ آستانه بالاتری نیاز دارد.
آزمایش ساده در خانه: چگونه ولتاژ آستانه را اندازهگیری کنیم؟
برای اندازهگیری ولتاژ آستانه یک LED، نیازی به آزمایشگاه مجهز ندارید. با یک مدار بسیار ساده و یک مولتیمتر[۳] میتوانید این کار را انجام دهید. کافی است LED مورد نظر را به صورت سری با یک مقاومت محافظ (مثلاً 330 اهم) به یک منبع تغذیه متغیر وصل کنید. سپس ولتاژ دو سر LED را با مولتیمتر اندازه بگیرید. ولتاژ منبع را به آرامی از صفر افزایش دهید. در لحظهای که LED شروع به نوردهی میکند، ولتاژ نشان داده شده بر روی مولتیمتر، همان ولتاژ آستانه است .
اگر منبع تغذیه متغیر ندارید، میتوانید از چند باتری و یک پتانسیومتر[۴] استفاده کنید. این آزمایش ساده، درک عمیقتری از مفهوم "آستانه" به شما میدهد.
مثال عینی: ریموت کنترل تلویزیون و چراغ قوه
به LED موجود در ریموت کنترل تلویزیون فکر کنید. این LED فروسرخ است و ولتاژ آستانه نسبتاً پایینی دارد (حدود 1.5 ولت). دو باتری قلمی (3 ولت) به راحتی این ولتاژ را تأمین کرده و LED را روشن میکنند، هرچند نور آن برای چشم ما نامرئی است. حالا تصور کنید که باتریها ضعیف شدهاند و ولتاژ هر کدام به 1.2 ولت رسیده است. ولتاژ سری آنها 2.4 ولت میشود. اگر LED آستانهاش 1.5 ولت باشد، باز هم روشن میشود. اما اگر LED آبی با آستانه 3 ولت را به همان دو باتری وصل کنیم، هرگز روشن نخواهد شد. این مثال نشان میدهد که انتخاب LED مناسب با منبع تغذیه چقدر اهمیت دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
❓ آیا میتوان یک LED را مستقیماً به باتری وصل کرد؟
پاسخ: خیر! اگرچه LED برای روشن شدن به ولتاژ آستانه نیاز دارد، اما پس از عبور از این آستانه، مقاومت آن بسیار کم میشود و جریان میتواند به شدت افزایش یابد و LED را بسوزاند. همیشه باید از یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED استفاده کرد .
❓ چرا LED من با ولتاژ صحیح هم نور بسیار کمی دارد؟
پاسخ: ممکن است LED شما به درستی بسته نشده باشد. پایه بلندتر معمولاً آند (مثبت) و پایه کوتاهتر کاتد (منفی) است. اتصال معکوس باعث عبور نکردن جریان و روشن نشدن LED میشود . همچنین ممکن است منبع تغذیه شما نتواند جریان کافی (حدود 10-20 میلیآمپر) تأمین کند.
❓ آیا ولتاژ آستانه با دما تغییر میکند؟
پاسخ: بله. با افزایش دما، شکاف انرژی نیمهرساناها کمی کاهش مییابد. در نتیجه، ولتاژ آستانه LED با افزایش دما، مقدار کمی کاهش پیدا میکند . این پدیده در طراحی مدارهای دقیق باید در نظر گرفته شود.
پاورقیها
[۱]ولتاژ آستانه (Threshold Voltage): حداقل ولتاژی که باید به یک دیود یا LED اعمال شود تا شروع به هدایت جریان الکتریکی کند.
[۲]ثابت پلانک (Planck's Constant): یک ثابت بنیادی در فیزیک کوانتوم است که رابطه بین انرژی یک فوتون و فرکانس آن را بیان میکند. مقدار آن تقریباً $6.626 \times 10^{-34}$ ژول-ثانیه است.
[۳]مولتیمتر (Multimeter): دستگاهی برای اندازهگیری چندین کمیت الکتریکی مانند ولتاژ، جریان و مقاومت.
[۴]پتانسیومتر (Potentiometer): یک مقاومت متغیر که با تغییر وضعیت آن (مثلاً با چرخاندن یک ولوم) میتوان مقاومت و در نتیجه ولتاژ یا جریان مدار را تنظیم کرد.
