انتخاب LED صحیح

با توجه به پیشرفت تکنولوژی LED ها امروزه روز از تنوع بسیار گسترده ای برخوردار هستند و طبیعی است زمانی که ما برای پروژه ای نیازمند استفاده از یک نوع LED هستیم این قطعه را به درستی انتخاب کنیم. در این مقاله سعی داریم تا چندین جنبه ی مختلف انتخاب صحیح یک LED را بررسی کنیم.

از آنجایی که فاکتور های بسیار زیادی در انتخاب یک LED میتواند نقش داشته باشد باید این قضیه را به صورت همزمان از چندین جبهه ی مختلف بررسی کنیم تا به نتیجه ی مناسبی برسیم، اما قبل از اینکه بخواهیم به نکات پیچیده انتخاب LED بپردازیم، چندین سوال ساده میتواند به ما کمک کند تا در راستای صحیح انتخاب LED مناسب قدم برداریم.

اولین و مهم ترین سوالی که در رابطه با انتخاب صحیح یک LED وجود دارد کاربرد آن است. مشخصا LED ها برای کاربردهای مختلفی ارائه می شوند که استفاده کردن از هر کدام در جایگاه دیگری می‌تواند منجر به نتایج نامطلوب شود. مطمئن هستیم همه ی شما لامپ های روشنایی که با LED های DIP مونتاژ شده اند را دیده اید. این لامپ ها نه تنها از نور مناسبی نسبت به سایر لامپ های LED SMD  برخوردار نیستند، پروسه ی مونتاژ پیچیده تری دارند و طول عمر پایین تری نیز دارند. لذا در زمان انتخاب یک LED اولین و مهم ترین فاکتوری که برای ما وجود دارد انتخاب نوع صحیح آن است. به صورت کلی از نظر کاربرد و استفاده چندین مدل مختلف LED وجود دارد که شامل موارد روشنایی، اعلام وضعیت (Status)، موارد نمایشی و کاربرد های خاص میشوند.

LED های مناسب استفاده روشنایی

همه ی شما با موارد روشنایی آشنایی دارید و به احتمال زیاد حتی در زمان خواندن این مقاله در محیط شما یک یا چندین لامپ LED روشنایی محیط را برای شما فراهم کنند. با توجه به اهمیت انرژی الکتریکی مخصوصا در کشورهایی که برق در آن ها گران است، LED هایی که برای کاربرد روشنایی استفاده میشوند باید دارای بازده بالایی باشند و بتوانند نور مناسبی را از خودشان منتشر کنند.به همین دلیل LED های مناسب روشنایی محیط هرچقدر که انرژی کمتری را هدر بدهند، نور بیشتری را تولید کنند و اندازه کوچکتری را داشته باشند مطلوب تر هستند. بنابر دلایلی که ذکر شد معمولا برای مقاصد روشنایی از LED ها SMD توان بالا یا COB استفاده میشود.

LED های مناسب اعلام وضعیت

مصداق بارز LED های اعلام وضعیت چراغ های مودم یا چراغ کوچک (معمولا) قرمز رنگ تلویزیون هست که همه شما با آن آشنایی دارید. این نوع LED ها باید دارای نور کافی اما نه بیش از حد باشند تا در زمانی که از آن ها استفاده میشود از دید کافی برخوردار باشند اما مزاحمتی برای محیط ایجاد نکنند لذا برای این کاربرد از LED هایی با نور متوسط استفاده میشود. معمولا با توجه به سادگی فرایند مونتاژ LED های SMD های وات پایین پکیج های رایج استفاده میشود.

LED های مناسب کاربرد های نمایشی و موارد خاص

از جمله مثال های LED های کاربرد نمایشی میتوان به تابلوهای روان و برای LED های کاربرد خاص نیز به بکلایت نمایشگر ها اشاره کرد. انتخاب این LED ها معمولا وابسته به کابرد خاص همان LED هستند و در هر مورد متفاوت خواهند بود. 

انتخاب نوع و پکیج مناسب LED

بعد از مشخص شدن کاربرد LED مد نظرمان ویژگی مهم بعدی نوع پایه و پکیج LED است. همانطور که در بالاتر با هم صحبت کردیم معمولا نوع کاربرد یک LED نوع DIP یا SMD بودن یک LED را تحمیل می کند و بجز در موارد خاص ما کنترلی روی فاکتور نخواهیم داشت اما در زمینه پکیج LED معمولا دست ما باز هست تا بسته به طراحی که انجام میدیم پکیج مد نظر خودمان را انتخاب کنیم.

از فاکتور های مهم و اساسی در انتخاب پکیج مناسب LED  های مختلف میتواند به فضای مجاز در طراحی و توانایی دفع حرارتی مناسب LED اشاره کرد. به صورت کلی در طراحی هایی که نیازمند LED های توان بالا هستند مثل موارد روشنایی، فاکتور اصلی و مهم انتخاب پکیج LED مناسب در وهله اول توانایی دفع حرارت مناسب و در وهله دوم اندازه آن است. به عبارت ساده تر اگر ما نیازمند LED توان بالا برای موارد روشنایی هستیم هرچه  توانایی دفع حرارتی یک LED بهتر باشد و پکیج کوچتری داشته باشد LED مناسب تری است. برای همین دلیل است که LED ها SMD  پکیج های 2835، 3030 و 3020 از محبوبیت بالایی برای موارد روشنایی برخودار هستند. در صورتی که در طراحی ما فضای کافی برای استفاده از LED های بزرگتر وجود دارد میتوانیم از پکیج هایی مثل 5730 یا 5050 استفاده کنیم.

در مواردی که ما نیازمند دفع حرارتی نیستیم مانند موارد اعلام وضعیت معمولا دست ما برای پکیج باز است و میتوانیم از پکیج های رایجی مانند 0603، 0805 یا 1206 استفاده کنیم.

بعد از مشخص شدن کاربرد و نوع پایه یا پکیج LED مورد نیاز ما نوبت به بررسی فاکتورهای مهم دیگری میشود که میتوانند به ما کمک کنند نتایج مطلوبی بگیریم. در زیر به تعدادی از این موارد مهم میپردازیم.

ولتاژ و جریان کاری LED (توان LED)

از جمله موارد کاملا واضح و بدیهی مرتبط با LED ها ولتاژ و جریان کاری آن هاست. همانطور که هم میدانید LED ها قطعاتی هستند که برحسب جریان ثابت کار میکنند یعنی زمانی که میخواهیم یک LED را راه اندازی کنیم حتما باید منبع تغذیه ای که دارای توانایی ارائه جریان ثابت به مقدار مشخصِ مدنظر ما ارائه کند. اگر ما یک LED را به بدون محدود کردن جریان آن به منبع تغذیه ای متصل کنیم بدون شک خواهد سوخت. حال این محدود کردن جریان هم میتواند به صورت ساده توسط یک مقاومت انجام شود و هم میتواند توسط مدار های پیشرفته درایور LED ها انجام شود.

تا به اینجا یادگرفتیم برای راه اندازی LED ها نیازمند منبع تغذیه ای خواهیم بود که توانایی ارائه ولتاژ کافی و جریان ثابت به اندازه نیاز LED ما داشته باشد. منبع تغذیه ای که ما برای راه اندازی یک LED استفاده می کنیم باید همواره ولتاژی بالاتر از ولتاژ LED ما و جریان ثابتی کمتر از بیشینه جریان LED ما داشته باشد. برای راحت تر شدن تشخیص اینکه این منبع تغذیه صرفا برای LED ها در نظر گرفته شده است عنوان درایور را برای این نوع منبع تغذیه جریان ثابت در نظر گرفته اند.

کاملا طبیعی هست در زمان انتخاب LED مناسب ولتاژ و جریان کاری آن اهمیت زیادی دارد. برای مثال اگر برای LED اعلام وضعیت یک برد دارای ولتاژ تغذیه 5 ولت از LED ای با ولتاژ کاری 18 ولت  استفاده کنیم توانایی راه اندازی آن را نخواهیم داشت.

برعکس این قضیه نیز کاملا صادق است اگر ولتاژ تغذیه ما ولتاژ بالایی باشد و ما از LED هایی با ولتاژ کاری پایین تر استفاده کنیم فشار زیادی را به درایور LED وارد خواهیم کرد و تلفات بیشتری در مدار خواهیم داشت. (البته این قضیه بیشتر در درایور های خطی است و در درایور های سوئیچینگ که بازده بالایی دارند صدق نمی کند.)

در مورد LED های اعلام وضعیت یا سایر موارد مشابهی که صرفا با ولتاژهای پایین لاجیک مدار راه اندازی می شوند تنها نیازمند استفاده از مقاومت صحیح سری شده با LED هستیم که محاسبه آن بسیار ساده و راحت است.

اگر فرض را بر این بگیریم که B سورس ولتاژی مدار ما و R مقاومت مربوط به LED نام گذاری شده با عنوان D در مدار بالا باشد به راحتی میتوانیم با فرمول پایین مقدار مقاومت مربوط به LED را محاسبه کنیم.

R = (V_SUPPLY – V_LED) / I

در فرمول بالا R مقدار مقاومت مورد نیاز برحسب اهم، V_SUPPLY ولتاژ تغذیه برحسب ولت، و ولتاژ LED برحسب ولت و I مقدار جریان LED برحسب آمپر است.

برای مثال اگر بخواهیم LED قرمز پکیج 0805 با کد کالا 2081004018 را که با ولتاژ حدودی 2 ولت کار میکند را با جریان معقول 5 میلی آمپر و میکروکنترلر STM32F103RET6 با کد کالا 2091003008 که دارای ولتاژ تغذیه و خروجی های ولتاژ تغذیه 3.3 ولت است راه اندازی کنیم طبق فرمول نیازمند مقاومتی با مقدار اهمی 260 اهم خواهیم بود:

R = (3.3 – 2) / 0.005 -> R = 1.3 / 0.005 -> R = 260

جدول زیر لیستی از LED های رایج و مقدار ولتاژ هر کدام را نمایش میدهد:

رنگ LED	کمینه ولتاژ	بیشینه ولتاژ
قرمز	1.8	2.3
زرد	1.8	2.3
نارنجی	1.8	2.3
آبی	3.2	3.4
سبز	3.2	3.4
سفید	3.2	3.4
سفید آفتابی	3.2	3.4
صورتی	3.2	3.4
مادون قرمز	3.2	3.4

در مورد LED های توان بالا برای اینکه بتوانیم LED با ولتاژ و جریان کاری مناسب مدار مد نظرمان پیدا کنیم نیازمند در نظر گرفتن چندین مورد مهم و اساسی هستیم. مهم ترین مواردی که باید به آن توجه کنیم ولتاژ/جریان درایور و فضای کافی روی برد است.  

از آنجایی که درک مثال عملی در زبان عامیانه راحت تر هست فرض رو بر این بگیرید که میخواهیم برای خودمان یک لامپ LED  با توان 9 وات درست کنیم. طبیعی هست که ما نیازمند یک درایور مناسب هستیم تا بتواند LED های ما رو روشن کند، برای این منظور آیسی خطی RM9003A با کد کالا 2101016009 را انتخاب میکنیم و طبق دیتاشیت این آیسی شماتیک مدارمون را کامل میکنیم.

این مدار علاوه بر خود آیسی درایور نیازمند چند LED، یک فیوز، یک پل دیود و یک مقاومت جهت تنظیم کردن جریان درایور نیز هست. در مورد LED ها بعدا مفصل حرف خواهیم زد. برای فیوز از فیوز 2 آمپر SMD پکیج 2410 با کد کالا 2190001195، برای پل دیود از پل دیود MB6S با کد کالا 2041004009 استفاده میکنیم و مقاومت را نیز بعد انجام محاسبات از سایت انتخاب خواهیم کرد.

انجام محاسبات این لامپ LED نیز بسیار ساده و راحت است. ولتاژ برق شهری ما در ایران معادل نامی 220 ولت AC در نظر گرفته میشود که باتوجه به این که در مدار های LED  بعد از پل دیود از خازن تصویه استفاده نمیشود ولتاژ  DC این مدار هم معادل 220 ولت در نظر گرفته میشود. طبق تعریف خود ما این لامپ 9 وات است و توان نامی 9 وات دارد. در ابتدا میتوانیم با فرمول توان الکترونیکی جریان عبوری مدار را محاسبه کنیم و سپس با استفاده از فرمول دیتاشیت مقاومت جریان درایور را هم محسابه کنیم.

توان الکتریکی = ولتاژ x جریان

W = V x I – > I = W / V

I = 9w / 220v

I = 0.0409A ≈ 41mA

لذا جریان عبوری از مدار ما معادل 41 میلی آمپر خواهد بود.

I_LED = 0.6V / R_SENSE

R_SENSE = 0.6V / 0.041A

R_SENSE = 14.6 Ω

مقاومت سنس مدار در محسابات ما 14.6 اهم بدست آماده اما با توجه به که مقاومتی با چنین مقدار اهمی نداریم از یک مقاومت جایگذین با مقدار اهمی 15 اهم 0805 با کد کالا 2011006166 بجای این مقدار استفاده خواهیم کرد. با توجه به تغییر مقاومت سنس  این لامپ اگر محاسابات را مجدد انجام دهیم توان این لامپ روی برق شهری 220 ولت معادل 8.8 وات خواهد شد.

حال نوبت به انتخاب LED صحیح برای این لامپ رسیده است، برای اینکه بتوانیم LED مناسب این لامپ را انتخاب کنیم در بالاتر یادگرفتیم که باید از LED های SMD توان بالا مختص روشنایی استفاده کنیم. همچنین با توجه به اینکه از درایور خطی استفاده میکنیم میدانیم باید سعی کنیم که بیشتر ولتاژی که در مدار وجود دارد توسط LED ها مصرف شود تا میزان کمی از انرژی الکتریکی ما توسط درایور خطی ما در مدار تلف شود. به صورت معقول برای ولتاژ ورودی 220 ولت DC جمع ولتاژی سری LED بین 190 تا 210 ولت مناسب است. لذا با صرف نظر از هر مدل LED ای که انتخاب میکنیم، جمع ولتاژی LED  ها باید بین 190 تا 210 ولت باشد.

برای مثال اگر از LED های 3 ولت 0.2 وات استفاده کنیم نیازمند 66 LED خواهیم بود که ممکن است روی مدار به اندازه 66 LED فضای کافی وجود نداشته باشد.

200V / 3V ≈ 66

66 x 0.2W = 13.2W

استفاده از 66 LED دارای توان 0.2 وات به صورت بیشینه به ما 13.2 وات توان خواهد داد که این مقدار از سطح مورد نیاز ما بیشتر است و مناسب کار ما هست.

اما اگر از LED های 18 ولت 1وات استفاده کنیم تنها نیازمند 11 LED خواهیم بود که فضای کمتری را روی برد اشغال خواهند کرد.

200V / 18V ≈ 11

11 x 1W = 11W

استفاده از 11 LED دارای توان 1 وات به صورت بیشینه به ما 11 وات توان خواهد داد که این مقدار نیز از سطح مورد نیاز ما بیشتر است و مناسب کار ما هست.

همین محاسبات را برای ولتاژ های دیگری LED ها مانند 6 ولت، 9 ولت و 12 ولت نیز میتوان انجام داد. توجه بفرمایید ولتاژ LED ها صرفا مضاربی از عدد 3 هستند و به ازای هر 3 ولت یک چیپ LED بیشتر داخل پکیج وجود دارد. برای مثال داخل LED ای که ولتاژ نامی 18 ولت دارد 6 چیپ LED سه ولت وجود دارد.

همچنین جریان LED ها باید در نظر گرفته شود. LED های 3 ولت 0.2 وات دارای جریان بیشینه 60 میلی آمپر و LED های 18 ولت 1 وات دارای جریان بیشینه 50 میلی آمپر هستند که هر دو مورد با توجه به جریان 40 میلی آمپری مدار ما قابل استفاده هستند.ما تا به اینجای کار تعداد LED مد نظرمان را پیدا کردیم اما چه فاکتور های دیگری در این زمینه برای ما دارای اهمیت است؟

دمای رنگ (کلوین)

طبیعی است رنگ LED باید برای ما دارای اهمیت باشد. هر چند که این امر در رابطه با لامپ های LED کاملا سلیقه است اما باز هم باید در نظر گرفته شود. برای مثال اگر این پروژه مربوط به مشتری است طبق نیاز مشتری ساخته شود. دمای رنگ LED های روشنایی با درجه کلوین یا اصطلاحات رایجی مانند آفتابی، مهتابی و طبیعی(نچرال) مشخص میشود.

میزان شدت نور (لومن)

همانطور که در بالاتر مطرح شد، با توجه به کاربرد یک LED میزان نوردهی آن میتواند بسیار مهم باشد لذا در زمان انتخاب LED مناسب برای یک پروژه باید به میزان نوردهی LED دقت کنیم. این انتخاب میتواند برحسب کاربرد مد نظر ما یا به صورت حدودی ویا به صورت خیلی دقیق باشد. در هر صورت باید توجه کنیم میزان نور LED انتخاب شده مناسب پروژه ما باشد تا نتیجه کار ما مناسب باشد.

شاخص بازدهی رنگ (CRI)

CRI یا شاخص بازدهی رنگ مشخص می کند نور یک LED چقدر در مقایسه با نور خورشید میتواند طبیعی به نظر برسد. یا به عبارت دیگر اجسام زیر نور این لامپ LED چقدر میتوانند طبیعی به نظر برسند.

بعد از بررسی دسته بندی LED های فروشگاه از اونجایی که عاشق رنگ طبیعی هستیم LED پکیج  2835 دارای توان 1 وات با کد کالا 2081020044 انتخاب میکنیم و به این ترتیب مدار ما تکمیل خواهد شد. حالا میتونیم شماتیک این مدار رو در نرم افزار های طراحی مدار مثل التیوم دیزاینر بکشیم و نهایتا از روی شماتیک مدار لامپ مدار نظرمون رو درست کنیم.

طبیعی هست با توجه به خطی بودن لامپی که طراحی کردیم از مدار الومینیومی برای دفع بهتر حرارتی استفاده کنیم و بعد از مونتاژ برد مدار را با استفاده از ابزارهای اندازه گیری مانند مولتی متر دیجیتال و پاورمتر راستی آزمایی کنیم تا از صحت عملکرد لامپی که ساختیم مطمئن شویم.

راستی آیا میدانستید یکی از روش های کسب درآمد در الکترونیک طراحی و ساخت لامپ های LED است؟

خلاصه فاکتورهای مهم انتخاب LED صحیح:

• مهم ترین مشخصه: کاربرد LED
• انتخاب نوع و پکیج مناسب LED
• ولتاژ و جریان کاری LED (توان LED)
• دمای رنگ (کلوین)
• میزان شدت نور (لومن)
• شاخص بازدهی رنگ (CRI)

به نظر شما چه عوامل دیگری در انتخاب LED صحیح موثر است؟ خوشحال میشیم نظرتون رو برای ما در بخش نظرات ثبت کنید تا ما هم با فاکتور های مهم انتخاب LED از دیدگاه شما آشنا شویم…