دیود و LED

دیود (Diode) قطعه‌ای نیمه‌رساناست که جریان را فقط در یک جهت عبور می‌دهد؛ مثل شیر یک‌طرفهٔ لوله‌کشی. LED شکل خاصی از دیود است که هنگام عبور جریان رو به جلو نور تولید می‌کند.

این درس پایانی بخش مبانی است و همهٔ آموخته‌های قبلی — ولتاژ، جریان، مقاومت — را در یک محاسبهٔ واقعی کنار هم می‌گذارد.

دیود: شیر یک‌طرفهٔ جریان

دیود دو پایه دارد: آند (Anode) و کاتد (Cathode). اگر ولتاژ مثبت به آند داده شود و اختلاف ولتاژ از آستانه‌ای بگذرد، دیود رسانا می‌شود؛ به این آستانه «ولتاژ رو به جلو» (Forward Voltage) می‌گویند. برای دیودهای سیلیکونی معمولی مانند 1N4007 این آستانه حدود ۰٫۷ ولت است. اگر جهت ولتاژ برعکس شود، دیود عملاً جریان را قطع می‌کند.

همین رفتار ساده کاربردهای جدی دارد: محافظت از مدار در برابر اتصال معکوس باتری و یک‌سوسازی برق متناوب.

LED: دیودی که نور می‌دهد

LED (Light Emitting Diode) از نیمه‌رساناهای خاصی ساخته می‌شود که در عبور جریان رو به جلو نور گسیل می‌کنند. ولتاژ رو به جلوی آن به رنگ نور بستگی دارد:

تشخیص پایه‌ها روی LED استاندارد سرهم‌بندی آسان است:

محاسبهٔ مقاومت سری

LED پس از روشن‌شدن خودش جریان را محدود نمی‌کند؛ اگر مستقیم به ۵ ولت وصل شود، تا سوختن جریان می‌کشد. راه‌حل، مقاومت سری است که باقیماندهٔ ولتاژ را تحمل می‌کند:

$R = \frac{V_s - V_f}{I}$

برای LED قرمز با ولتاژ رو به جلوی ۲ ولت روی منبع ۵ ولت و جریان هدف ۲۰ میلی‌آمپر:

$R = \frac{5 - 2}{0.02} = 150$

یعنی ۱۵۰ اهم. نزدیک‌ترین مقدار استاندارد رایج، ۲۲۰ اهم است؛ جریان واقعی حدود ۱۳٫۶ میلی‌آمپر می‌شود که نور کافی می‌دهد و حاشیهٔ امن بزرگی دارد. به همین دلیل ۲۲۰ اهم انتخاب پیش‌فرض در تقریباً همهٔ آموزش‌های آردوینو است.

کاربرد دیود در محافظت

دیودهای یکسوسازی مانند 1N4007 در سری با تغذیه قرار می‌گیرند تا اگر باتری جابه‌جا وصل شد، جریان اصلاً عبور نکند و مدار سالم بماند. بهای این محافظت، افت حدود ۰٫۷ ولت روی دیود است که در منبع ۵ ولت چشمگیر است ولی در مدارهای ۹ و ۱۲ ولتی کاملاً قابل قبول.

تمرین‌ها

# کد خود را اینجا بنویسید

Vs = 5.0   # ولتاژ منبع
Vf = 3.0   # ولتاژ رو به جلوی LED آبی
I = 0.015  # جریان هدف: ۱۵ میلی‌آمپر
R_needed = (Vs - Vf) / I
print(round(R_needed, 1))
print(round((Vs - Vf) / 150 * 1000, 2))  # جریان با ۱۵۰ اهم به میلی‌آمپر

::: :::

خلاصه

• دیود جریان را فقط در جهت آند به کاتد عبور می‌دهد؛ آستانهٔ رسایش «ولتاژ رو به جلو» است (سیلیکونی معمولی: حدود ۰٫۷ ولت).
• LED دیودی نورانی است؛ ولتاژ رو به جلوی آن به رنگ بستگی دارد: قرمز حدود ۲ ولت و آبی و سفید حدود ۳ ولت.
• مقاومت سری از فرمول $R = \frac{V_s - V_f}{I}$ حساب می‌شود؛ روی منبع ۵ ولت، ۲۲۰ اهم انتخاب رایج و امن است.
• پایهٔ بلند LED آند و پایهٔ کوتاه (سمت لبهٔ تخت بدنه) کاتد است.
• دیودهای یکسوسازی مانند 1N4007 مدار را در برابر اتصال معکوس محافظت می‌کنند.

با این چهار درس، زبان مدارهای DC را کامل یاد گرفته‌اید؛ در فناوری آردوینو همین قطعه‌ها را به میکروکنترلر وصل می‌کنید و اولین برنامه‌های سخت‌افزاری خود را می‌نویسید.