يتم حل قضايا خفض استهلاك الكهرباء ليس فقط على مستوى الدولة. هذه المشكلة مناسبة أيضًا للمستهلكين العاديين. في هذا الصدد، لم يتم البدء في تقديم مصادر إضاءة قوية فحسب، بل اقتصادية أيضًا على نطاق واسع في الشقق والمكاتب والمؤسسات الأخرى. من بينها، أصبحت مصابيح LED منتشرة بشكل متزايد. يسمح تصميم ومبدأ تشغيل مصباح LED باستخدامه بمقبس قياسي ومتصل بشبكة كهربائية 220 فولت.من أجل اتخاذ القرار الصحيح، تحتاج إلى معرفة المزايا والميزات الرئيسية لمصادر الإضاءة الحديثة.
مبدأ تشغيل مصابيح LED
يستخدم تشغيل مصابيح LED عمليات فيزيائية أكثر تعقيدًا بكثير من تلك المستخدمة في المصابيح المتوهجة التقليدية ذات الخيوط المعدنية. وجوهر الظاهرة هو ظهور تدفق ضوئي عند نقطة تلامس مادتين مصنوعتين من مادتين مختلفتين، بعد مرور تيار كهربائي من خلالهما.
المفارقة الرئيسية هي أن كل مادة من المواد المستخدمة ليست موصلة للتيار الكهربائي. وهي تنتمي إلى فئة أشباه الموصلات وهي قادرة على تمرير التيار في اتجاه واحد فقط، بشرط أن تكون متصلة ببعضها البعض. في أحدهما، يجب بالضرورة أن تسود الشحنات السالبة - الإلكترونات، وفي الآخر - الأيونات ذات الشحنة الموجبة.
بالإضافة إلى حركة التيار الكهربائي، تحدث عمليات أخرى في أشباه الموصلات. عند الانتقال من حالة إلى أخرى، يتم إطلاق الطاقة الحرارية. من خلال التجارب، كان من الممكن العثور على مجموعات من المواد التي ظهر فيها الإشعاع الضوئي، إلى جانب إطلاق الطاقة. في الإلكترونيات، بدأ تسمية جميع الأجهزة التي تمر بالتيار في اتجاه واحد فقط، وبدأت تسمى تلك التي لديها القدرة على انبعاث الضوء بمصابيح LED.
في البداية، كان انبعاث الفوتونات من مركبات أشباه الموصلات يغطي فقط جزءًا ضيقًا من الطيف. يمكنهم فقط إصدار الضوء الأحمر أو الأصفر أو الأخضر، مع شدة إضاءة منخفضة للغاية. لذلك، لفترة طويلة، تم استخدام مصابيح LED فقط كمصابيح مؤشر. حتى الآن، تم الحصول على المواد التي مكنت مركباتها من توسيع نطاق الإشعاع الضوئي بشكل كبير وتغطية الطيف بأكمله تقريبًا. ومع ذلك، فإن بعض الأطوال الموجية تسود دائمًا في التوهج. ولذلك، تنقسم مصابيح LED إلى مصادر الضوء البارد - الضوء الأزرق والدافئ - الأحمر أو الأصفر بشكل رئيسي.
جهاز مصادر الضوء LED
لا يختلف مظهر مصابيح LED عمليا عن مصادر الإضاءة التقليدية ذات الخيوط المعدنية. وهي مجهزة بخيط يسمح باستخدامها مع الخراطيش التقليدية ودون إجراء تغييرات على المعدات الكهربائية للمباني. ومع ذلك، تختلف مصابيح LED بشكل كبير في بنيتها الداخلية المعقدة.
وهي تشتمل على قاعدة اتصال، ومبيت يعمل كمبرد، ولوحة طاقة وتحكم، ولوحة مزودة بمصابيح LED وغطاء شفاف. عند التخطيط لاستخدام مصابيح LED في شبكة 220 فولت، يجب أن تتذكر أنها لن تكون قادرة على العمل مع هذا التيار والجهد. من أجل منع احتراق وحدات الإنارة، يتم تركيب لوحات الطاقة والتحكم في مبانيها، مما يقلل الجهد ويصحح التيار.
تصميم مثل هذه اللوحة له تأثير خطير على عمر المصباح. في بعض النماذج، يتم تثبيت المقاوم فقط في المقدمة، وفي بعض الحالات، يستغني المصنعون عديمي الضمير عن ذلك. ونتيجة لذلك، تنتج المصابيح توهجًا ساطعًا للغاية، ولكنها تحترق بسرعة كبيرة بسبب عدم وجود أجهزة تثبيت. ولذلك، فإن المصابيح عالية الجودة مجهزة بالتأكيد بمثبتات، على سبيل المثال، محولات الصابورة. تستخدم دوائر التحكم الأكثر شيوعًا مرشحات مضادة للتعرجات، والتي تتضمن مكثفًا ومقاومًا. تستخدم أغلى النماذج الدوائر الدقيقة في وحدات التحكم والطاقة.
ينبعث كل مصباح LED فردي ضوءًا ضعيفًا إلى حد ما. ولذلك، لتحقيق تأثير الإضاءة المطلوب، يتم تجميع العدد المطلوب من العناصر. ولهذا الغرض، يتم استخدام لوح مصنوع من مادة عازلة مع مسارات موصلة مطبقة. يتم استخدام نفس اللوحات تقريبًا في الأجهزة الإلكترونية الأخرى.
لوحة LED هي أيضًا محول تنحي. ولهذا الغرض، يتم توصيل جميع العناصر على التوالي بدائرة مشتركة، ويتم توزيع جهد التيار الكهربائي بالتساوي فيما بينها. العيب الوحيد المهم في هذه الدائرة هو أن السلسلة بأكملها تنكسر في حالة احتراق مصباح LED واحد على الأقل.
المصباح بأكمله محمي من الرطوبة والغبار والتأثيرات السلبية الأخرى بواسطة غطاء شفاف. تسمح لك بعض خصائص الغطاء بتعزيز التوهج العام. والحقيقة هي أن جانبها الداخلي مغطى بطبقة من الفوسفور، والتي تبدأ في التوهج تحت تأثير الطاقة الكمومية. ولذلك، فإن السطح الخارجي للغطاء يبدو غير لامع. يحتوي الفوسفور على طيف انبعاث أوسع، أعلى عدة مرات من طيف مصابيح LED. ونتيجة لذلك، يصبح الإشعاع مشابهًا لأشعة الشمس الطبيعية. وبدون هذا الطلاء، فإن مصابيح LED تهيج العين، مما يسبب التعب والألم.
من الأفضل دراسة الصفات المفيدة والبنية ومبدأ تشغيل مصابيح LED على المخططات عند جهد شبكة كهربائية يبلغ 220 فولت. في أغلب الأحيان، يتم استخدام هذه المصابيح في الإضاءة الصناعية والشوارع، وفي الظروف المنزلية، يتم استبدال مصادر الإضاءة التقليدية بمصابيح LED تعمل بجهد منخفض، بشكل أساسي 12 فولت. ومع ذلك، فإن قوة المصباح وإخراج الضوء لا يرتبطان بشكل مباشر ببعضهما البعض. يجب أن يؤخذ هذا العامل في الاعتبار عند اختيار مصابيح LED.
في مصابيح LED المصممة لـ 220 فولت، لا يوجد محول في الدائرة. وفي هذا الصدد، تنشأ وفورات إضافية في تشغيل هذه المصابيح. وهذه الميزة تميزها عن مصابيح LED ذات القوى الأخرى. لذلك، فإن اختيار المصابيح لا يعتمد على القوة، بل على درجة الإضاءة التي تنتجها.
مزايا مصابيح LED
حاليًا، يتم إيلاء أهمية كبيرة للتشغيل الاقتصادي والدائم لأجهزة الإضاءة. ولذلك، فإن المصابيح التي تخلق إضاءة ساطعة مع إطلاق الحد الأدنى من الحرارة واستهلاك الطاقة المنخفض تأتي في المقدمة. لديهم حساسية منخفضة للتغيرات في التيار والجهد ويمكنهم تحمل عدد كبير من عمليات التشغيل وإيقاف التشغيل.
تمتلك مصابيح LED كل هذه الصفات بشكل كامل. لديهم العديد من الأصناف التي تختلف في التصميم والخصائص التقنية، مما يسمح لك باختيار الخيار الأنسب. تختلف جميع المصابيح في وجود أو عدم وجود المصابيح، ودرجة السلامة البيئية، والحاجة إلى استخدام المقومات وغيرها من الأجهزة الإضافية.
LED هو مصدر ضوء أشباه الموصلات بسلكين. عند تطبيق تيار مناسب على الأطراف، تكون الإلكترونات قادرة على إعادة الاتحاد مع فتحات الإلكترون داخل الجهاز، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة على شكل فوتونات. ويسمى هذا التأثير بالتألق الكهربائي، ويتم تحديد لون الضوء من خلال فجوة نطاق الطاقة لأشباه الموصلات.
ما هو الصمام
الصمام الثنائي الباعث للضوء هو جهاز إلكتروني ضوئي قادر على انبعاث الضوء عندما يمر التيار الكهربائي من خلاله. الصمام الثنائي الباعث للضوءيمرر التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط وينتج إشعاعًا أحادي اللون أو متعدد الألوان غير متماسك من تحويل الطاقة الكهربائية.
هو عنده عدة مشتقات:
- OLED.
- أموليد.
- مطوية.
نظرًا لكفاءتها المضيئة، تمثل مصابيح LED حاليًا 75% من سوق الإضاءة الداخلية والسيارات. يتم استخدامها في بناء أجهزة التلفاز ذات الشاشات المسطحة، وتحديداً للإضاءة الخلفية لشاشات LCD أو كمصدر للكهرباء. تستخدم كإضاءة رئيسية في تلفزيونات OLED.
أنتجت مصابيح LED الأولى المتاحة تجاريًا الأشعة تحت الحمراء والأحمر والأخضر ثم الأصفر. يتيح خرج LED الأزرق، المرتبط بالتقدم التقني والتركيبي، تغطية نطاق من الطول الموجي يمتد من الأشعة فوق البنفسجية (350 نانومتر) إلى الأشعة تحت الحمراء (2 ألف نانومتر)، مما يلبي العديد من الاحتياجات. تم تجهيز العديد من الأجهزة بمصابيح LED مركبة (ثلاثة في مكون واحد: الأحمر والأخضر والأزرق) لعرض العديد من الألوان.
مصباح LED
مصابيح LED هي منتجات إضاءة للإضاءة المنزلية والصناعية وإضاءة الشوارع، حيث يكون مصدر الضوء عبارة عن مصابيح LED. إنها في الأساس عبارة عن مجموعة من مصابيح LED ودوائر الطاقة لتحويل طاقة التيار الكهربائي إلى تيار مباشر منخفض الجهد.
مصباح LED هو جهاز منفصل ومستقل. غالبًا ما يكون جسمه فرديًا في التصميم ومصممًا خصيصًا لمصادر الإضاءة المختلفة. يتيح العدد الكبير من المصابيح وصغر حجمها إمكانية وضعها في أماكن مختلفة وتجميع اللوحات واستخدامها لإضاءة شاشات العرض وأجهزة التلفزيون.
تتطلب الإضاءة للأغراض العامة الضوء الأبيض. يعتمد مبدأ تشغيل مصباح LED على انبعاث الضوء في نطاق ضيق جدًا من الأطوال الموجية: أي اللون المميز لطاقة مادة أشباه الموصلات المستخدمة في صنع مصابيح LED. لإصدار ضوء أبيض من مصابيح LED، يجب عليك مزج الانبعاثات الصادرة عن مصابيح LED باللون الأحمر والأخضر والأزرق أو استخدام الفوسفور لتحويل أجزاء من الضوء إلى ألوان أخرى.
إحدى الطرق هي RGB (الأحمر والأخضر والأزرق)، وهو استخدام مصفوفات LED متعددة، كل منها ينبعث منها طول موجي مختلف، على مقربة شديدة لإنشاء لون أبيض شامل.
تاريخ إنشاء المصابيح الأولى
يعود تاريخ أول انبعاث للضوء من أشباه الموصلات إلى عام 1907، وقد اكتشفه هنري جوزيف راوند. في عام 1927، قدم أوليغ فلاديميروفيتش لوسيف أول براءة اختراع لما سيُطلق عليه فيما بعد الصمام الثنائي الباعث للضوء.
في عام 1955، اكتشف روبن براونشتاين انبعاث الأشعة تحت الحمراء لزرنيخيد الغاليوم، وهو شبه موصل استخدمه لاحقًا نيك هولونياك جونيور وإس. بيفاكا لإنشاء أول مصباح LED أحمر في عام 1962. لعدة سنوات، اقتصر الباحثون على ألوان معينة، مثل الأحمر (1962)، والأصفر، والأخضر، ولاحقًا الأزرق (1972).
مساهمة العلماء اليابانيين
في التسعينيات، أدى البحث الذي أجراه شوجي ناكامورا وتاكاشي موكاي من نيتشيا في تكنولوجيا أشباه الموصلات InGaN إلى إنشاء مصابيح LED زرقاء عالية السطوع، ثم تم تكييفها مع مصابيح LED البيضاء عن طريق إضافة فوسفور أصفر. وقد أتاح هذا التقدم تطبيقات جديدة رئيسية مثل الإضاءة والإضاءة الخلفية لشاشات التلفزيون وشاشات الكريستال السائل. في 7 أكتوبر 2014، حصل شوجي ناكامورا، إيسامو أكاساكي وهيروشي أمانو على جائزة نوبل في الفيزياء لعملهم على مصابيح LED الزرقاء.
كيف يعمل الجهاز
عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا للأمام، تتحرك الإلكترونات بسرعة عبر الوصلة. إنهم يتحدون باستمرار ويزيلون بعضهم البعض. بعد فترة وجيزة من بدء انتقال الإلكترونات من السيليكون من النوع n إلى السيليكون من النوع p، يتصل الصمام الثنائي بالثقوب ثم يختفي. ولذلك، فهو يجعل الذرة الكاملة أكثر استقرارا ويوفر دفعة صغيرة من الطاقة على شكل فوتون من الضوء.
مبدأ تشكيل موجة الضوء
لفهم كيفية عمل مصابيح LED، عليك أن تتعرف على موادها وخصائصها. LED هو شكل متخصص من تقاطع PN يستخدم اتصال مركب. يجب أن يكون المركب هو مادة أشباه الموصلات المستخدمة للاتصال. والمواد شائعة الاستخدام، بما في ذلك السيليكون والجرمانيوم، هي عناصر بسيطة، والمركب المصنوع من هذه المواد لا ينبعث منه الضوء. أما أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم فهي مركبات، والمركبات من هذه المواد تبعث الضوء.
يتم تصنيف أشباه الموصلات المركبة هذه وفقًا لنطاقات التكافؤ التي تشغلها مكوناتها. زرنيخيد الغاليوم لديه تكافؤ ثلاثة، والزرنيخ لديه تكافؤ خمسة. وهذا ما يسمى المجموعة III-V لأشباه الموصلات. هناك عدد من أشباه الموصلات الأخرى التي تندرج ضمن هذه الفئة المعينة. هناك أشباه الموصلات التي تتكون من مواد المجموعة III-V.
يبعث الصمام الثنائي الباعث للضوء الضوء عندما يكون متحيزًا للأمام. عندما يتم تطبيق الجهد على اتصال لجعله يتحرك للأمام، يتدفق التيار كما هو الحال مع أي اتصال PN. تدخل الثقوب من منطقة النوع p والإلكترونات من منطقة النوع n إلى الوصلة وتتحد معًا مثل الصمام الثنائي العادي للسماح بتدفق التيار. عندما يحدث هذا، يتم إطلاق الطاقة.
لقد وجد أن معظم الضوء يتم الحصول عليه من المنطقة الانتقالية الأقرب إلى منطقة النوع P. تم تصميم الثنائيات بطريقة تجعل هذه المنطقة قريبة قدر الإمكان من سطح الجهاز بحيث يمتص الهيكل الحد الأدنى من الضوء.
لإنتاج الضوء الذي يمكن رؤيته، يجب تحسين الاتصال ويجب أن تكون المواد صحيحة. يطلق زرنيخيد الغاليوم النقي الطاقة في الجزء تحت الأحمر من الطيف. لجلب انبعاث الضوء، تتم إضافة الألومنيوم إلى أشباه الموصلات في الطيف الأحمر المرئي لإنتاج زرنيخيد الغاليوم (AlGaAs). ويمكن أيضًا إضافة الفوسفور لإنتاج الضوء الأحمر. للألوان الأخرى، يتم استخدام مواد مختلفة. على سبيل المثال، ينتج فوسفيد الغاليوم الضوء الأخضر، بينما يستخدم فوسفيد الألومنيوم الكالسيوم لإنتاج الضوء الأصفر والبرتقالي. تعتمد معظم مصابيح LED على أشباه الموصلات الغاليوم.
نظرية الكم
ينجم تدفق التيار في أشباه الموصلات عن تدفق الإلكترونات الحرة في الاتجاه المعاكس. ولذلك، سيكون هناك إعادة التركيب بسبب تدفق ناقلات الشحنة هذه.
تظهر إعادة التركيب أن الإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل تنحدر إلى نطاق التكافؤ. وعندما تقفز من نطاق إلى آخر، فإنها تبعث طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات، وطاقة الفوتون تساوي فجوة الطاقة المحرمة.
المعادلة الرياضية المعروضة:
يُعرف H بثابت بلانك، وسرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي تساوي سرعة الضوء. يرتبط تردد الإشعاع بسرعة الضوء كما يلي: f = c/lect. يُشار إلى α بالطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي، وتصبح المعادلة:
من هذه المعادلة، يمكن للمرء أن يفهم كيفية عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، استنادًا إلى حقيقة أن الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي يتناسب عكسيًا مع فجوة النطاق. بشكل عام، يكون إجمالي انبعاث الموجة الكهرومغناطيسية أثناء إعادة التركيب على شكل إشعاع تحت أحمر. من المستحيل رؤية الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء لأنه يقع خارج النطاق المرئي.
يُطلق على الأشعة تحت الحمراء اسم الحرارة لأن أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم ليست من أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة، ولكنها من النوع الوسيط غير المباشر. لكن في أشباه الموصلات ذات الفجوة المستقيمة، لا يحدث مستوى الطاقة الأقصى لنطاق التكافؤ والحد الأدنى لمستوى الطاقة لنطاق التوصيل في وقت واحد مع الإلكترونات. ولذلك، أثناء إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب، تهاجر الإلكترونات من نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ، وسيتم تغيير زخم نطاق الإلكترون.
المميزات والعيوب
مثل أي جهاز، يحتوي LED أيضًا على عدد من الميزات والمزايا والعيوب الرئيسية.
المزايا الرئيسيةيبدو مثل هذا:
من بين النواقصويمكن ملاحظة ما يلي:
في المصابيح المتوهجة، يأتي الضوء من خيوط التنغستن البيضاء الساخنة، أساسا من الحرارة. مثل الفحم الساخن في فرن يتم تسخينه بواسطة الحركة الحرارية للتيار الكهربائي، عندما تتأرجح الإلكترونات بسرعة وتصطدم بعقد الشبكة البلورية لمعدن موصل، بينما ينبعث منها ضوء مرئي، والذي يمثل، مع ذلك، أقل من 15٪ فقط من إجمالي الطاقة الكهربائية المستهلكة التي تشغل المصباح.
مصابيح LED، على عكس المصابيح المتوهجة، تنبعث الضوء ليس على الإطلاق بسبب الحرارة، ولكن بسبب خصوصية تصميمها، والذي يهدف بشكل أساسي إلى ضمان استخدام الطاقة الحالية خصيصًا لإصدار الضوء، وطول موجة معين. ونتيجة لذلك، فإن كفاءة LED كمصدر للضوء تتجاوز 50%.
يمر التيار هنا، وعند الانتقال يحدث إعادة تركيب للإلكترونات والثقوب مع انبعاث فوتونات (كميات) من الضوء المرئي بتردد معين، وبالتالي بلون معين.
تم تصميم أي LED بشكل أساسي على النحو التالي. أولاً، كما هو مذكور أعلاه، يوجد هنا تقاطع ثقب الإلكترون، يتكون من أشباه الموصلات من النوع p (حاملات التيار الرئيسية هي الثقوب) ونوع n (حاملات التيار الرئيسية هي الإلكترونات) المتلامسة مع بعضها البعض.
عندما يتم تمرير تيار في الاتجاه الأمامي عبر هذا التقاطع، عند نقطة تلامس أشباه الموصلات من نوعين متقابلين، يحدث انتقال للشحنة (تقفز حاملات الشحنة بين مستويات الطاقة) من منطقة ذات نوع واحد من الموصلية إلى منطقة ذات نوع آخر من الموصلية.
في هذه الحالة، تتحد الإلكترونات ذات الشحنة السالبة مع أيونات ذات ثقوب موجبة الشحنة. في هذه اللحظة، تولد فوتونات الضوء، التي يتناسب ترددها مع الفرق في مستويات طاقة الذرات (ارتفاع حاجز الجهد) بين المواد الموجودة على جانبي الانتقال.
من الناحية الهيكلية، تأتي مصابيح LED بأشكال مختلفة. أبسط شكل هو جسم يبلغ قطره خمسة ملليمترات - عدسة. غالبًا ما يمكن العثور على مصابيح LED هذه كأضواء مؤشر على الأجهزة المنزلية المختلفة.الجزء العلوي من مبيت LED له شكل العدسة. يتم تثبيت عاكس مكافئ (عاكس) في الجزء السفلي داخل السكن.
يحتوي العاكس على بلورة تبعث الضوء حيث يمر التيار عبر الوصلة p-n. من الكاثود - إلى الأنود، من العاكس - نحو السلك الرفيع، تتحرك الإلكترونات عبر المكعب - البلورة.
تعتبر بلورة أشباه الموصلات هذه العنصر الرئيسي في LED. هنا يبلغ قياسه 0.3 × 0.3 × 0.25 ملم. يتم توصيل البلورة بالأنود بواسطة وصلة عبور مصنوعة من سلك رفيع. كما أن جسم البوليمر عبارة عن عدسة شفافة تركز الضوء في اتجاه معين، مما يؤدي إلى زاوية انحراف محدودة لشعاع الضوء.
اليوم، تتوفر مصابيح LED بجميع ألوان قوس قزح، من الأشعة فوق البنفسجية والأبيض إلى الأحمر والأشعة تحت الحمراء. الأكثر شيوعًا هي ألوان LED الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والأبيض. ولون التوهج هنا لا يحدده لون الجسم!
يعتمد اللون على الطول الموجي للفوتونات المنبعثة عند الوصلة pn. على سبيل المثال، اللون الأحمر لمصباح LED الأحمر له طول موجي مميز من 610 إلى 760 نانومتر. ويعتمد الطول الموجي بدوره على المادة المستخدمة في إنتاج مصباح LED معين. وبالتالي، للحصول على الألوان من الأحمر إلى الأصفر، يتم استخدام خليط من الألومنيوم والإنديوم والجاليوم والفوسفور.
للحصول على الألوان من الأخضر إلى الأزرق - النيتروجين، الغاليوم، الإنديوم. للحصول على اللون الأبيض، يتم إضافة فوسفور خاص إلى البلورة، والذي يحول اللون الأزرق إلى اللون الأبيض باستخدامه.
LED هو نوع من الصمام الثنائي، وهو جهاز إلكتروني ذو موصلية أحادية للتيار الكهربائي. يستخدم الصمام الثنائي، أو كما يطلق عليه أيضًا الصمام الثنائي المصحح، لتصحيح التيار المتردد، وله خصائصه الفريدة في تغيير المقاومة الكهربائية اعتمادًا على قطبية الجهد المطبق عليه. يمكن بناء تصميم الصمام الثنائي المعدل على أساس أنابيب الراديو الإلكترونية وعلى أساس بلورات أشباه الموصلات.
على عكس الصمام الثنائي المعدل، يتم تصنيع LED فقط على أساس بلورات أشباه الموصلات. يعتمد مبدأ تشغيل كلا الجهازين الإلكترونيين على حقن (انتشار) الإلكترونات والثقوب في المنطقة ص-نالانتقال، أي منطقة الاتصال بين اثنين من أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة من الموصلية. ونعني بالحقن نقل الإلكترونات الزائدة من المنطقة ن-اكتب في المنطقة ص-نوع وكذلك انتقال الثقوب الزائدة من المنطقة ص-اكتب في المنطقة ن-النوع حيث يوجد نقص فيها. ونتيجة للحقن، تتشكل طبقات غير معوضة من الإلكترونات والثقوب في كلتا المنطقتين، بالقرب من حدود الانتقال. على الجانب ن- طبقة انتقالية من الثقوب، وعلى الجانب ص-الطبقة الانتقالية للإلكترونات. تشكل هذه الطبقات ما يسمى بطبقة الحجب، والتي يمنع المجال الكهربائي الداخلي فيها المزيد من الحقن (الشكل 1).
الشكل 1. طبقة الحاجز ص-نانتقال
يظهر توازن معين. عندما يتم تطبيق جهد سلبي على منطقة من البلورة ذات الموصلية ن-النوع والجهد الإيجابي لمنطقة البلورة مع الموصلية ص- النوع، تحت تأثير مجال كهربائي خارجي موجه ضد مجال الحجب، يتم فتح المسار للحاملات الرئيسية من خلاله ص-نانتقال. تصبح الطبقة العازلة أرق وتقل مقاومتها. هناك حركة هائلة للإلكترونات الحرة من ن-المناطق في ص-المساحة والثقوب من ص-المناطق في ن-منطقة. ينشأ تيار كهربائي في الدائرة (الشكل 2).
الشكل 2: التبديل إلى الأمام
إذا تم تطبيق الجهد العكسي، تصبح الطبقة الحاجزة أكثر سمكًا وتزداد المقاومة الكهربائية بشكل ملحوظ. عند تطبيق الجهد العكسي، لا يوجد أي تيار كهربائي (الشكل 3).
الشكل 3. تشغيل في الاتجاه المعاكس
يجب أن نتذكر أن القيمة المسموح بها للجهد العكسي لمصابيح LED، والتي لا يحدث عندها انهيار، أقل بكثير من قيمة الثنائيات المعدل. غالبًا ما تكون هذه القيمة مساوية لقيمة الجهد الأمامي الأقصى. لذلك، عند تضمين مؤشر LED في دائرة كهربائية تعمل بالتيار المتردد، لا ينبغي لأحد أن ينسى قيمة سعة الجهد. بالنسبة للجهد الجيبي بتردد 50 هرتز، تكون قيمة اتساعه أكبر بمقدار 1.41 مرة من القيمة الفعالة. نادرا ما تستخدم مثل هذه الادراج، لأن الغرض من الصمام لا يزال "يتوهج"، وليس "تصويب". عادةً ما يتم تشغيل مؤشر LED بجهد ثابت.
فيديو 1. أشباه الموصلات
عندما تتحرك الإلكترونات الحرة ص-نتنبعث الإلكترونات والثقوب الانتقالية من الفوتونات بسبب انتقالها من مستوى طاقة إلى آخر. لا تنبعث جميع المواد شبه الموصلة الضوء بكفاءة عند حقنها. على سبيل المثال، الثنائيات المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم وكربيد السيليكون لا تنبعث منها الضوء عمليًا. والثنائيات المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم أو كبريتيد الزنك تتمتع بأفضل قدرات انبعاث.
الضوء المنبعث غير متماسك ويقع في نطاق ضيق. في هذا الصدد، كل LED لديه طيف الموجات الخاص به، مع طوله وتردده الخاص، والتي قد تكون أو لا تكون مرئية للعين البشرية. كمثال على استخدام مصابيح LED ذات طيف إشعاع غير مرئي، يمكننا الاستشهاد بمصابيح LED المستخدمة في أجهزة التحكم عن بعد لأي معدات راديو إلكترونية حديثة. من أجل رؤية الإشعاع، خذ جهاز تحكم عن بعد وأي هاتف محمول مزود بكاميرا فيديو وصور. ضع هاتفك في وضع تصوير الفيديو، ووجه عدسة الكاميرا إلى الحافة الأمامية لجهاز التحكم عن بعد واضغط على أي من الأزرار الموجودة على جهاز التحكم عن بعد. وفي الوقت نفسه، سوف ترى توهج LED على شاشة الهاتف.
يعتمد طيف الانبعاث على التركيب الكيميائي لبلورة أشباه الموصلات. كل طيف انبعاث له لونه الخاص. لذلك، يُنظر إلى مصابيح LED التي ينبعث منها الضوء في الطيف المرئي للعين البشرية على أنها متعددة الألوان والأحمر والأخضر والأزرق.
تم اكتشاف توهج الصمام الثنائي ذو الحالة الصلبة لأول مرة بواسطة المجرب البريطاني هنري راوند. في عام 1907، أثناء إجراء بحثه، لاحظ بالصدفة ظهور توهج حول نقطة الاتصال لكاشف الصمام الثنائي العامل. إلا أنه لم يتوصل إلى نتيجة حول التطبيق العملي لهذه الظاهرة.
بعد بضع سنوات، في عام 1922، بدأ أوليغ فلاديميروفيتش لوسيف، أثناء ساعاته الإذاعية الليلية، تمامًا مثل هنري راوند، في ملاحظة التوهج الناشئ لكاشف الكريستال. للحصول على توهج مستقر من البلورة، قام بتطبيق جهد كهربائي من بطارية كلفانية على نقطة الاتصال بكاشف الصمام الثنائي وبالتالي مرر تيارًا كهربائيًا عبرها. كانت هذه المحاولة الأولى للعثور على تطبيق عملي لتشغيل LED.
في عام 1951، بدأ العمل البحثي في الولايات المتحدة الأمريكية حول تطوير "مصابيح أشباه الموصلات"، والتي كان عملها يعتمد على "تأثير لوسيف". في عام 1961، تم اكتشاف تقنية تصنيع مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء وحصلت على براءة اختراع، وكان مؤلفوها روبرت بايارد وغاري بيتمان. وبعد ذلك بعام، في عام 1962، قام نيك هولونياك، الذي كان يعمل في شركة جنرال إلكتريك، بتصنيع أول مصباح LED أحمر في العالم يعمل في نطاق الضوء ووجد بعد ذلك أول تطبيق عملي له. كانت ذات كفاءة منخفضة في استخدام الطاقة، وتستهلك تيارًا مرتفعًا نسبيًا، ولكن في نفس الوقت كان لها توهج خافت. ومع ذلك، فقد تبين أن هذه التكنولوجيا واعدة وتم تطويرها بشكل أكبر.
كانت الخطوة التالية في تطوير تقنية LED هي اختراع LED الأصفر. قام الطالب السابق لنيك هولونياك، جورج كرافورد، في عام 1972، مع اختراع LED الأصفر، بزيادة سطوع المصابيح الحمراء والحمراء البرتقالية بمقدار 10 مرات. في وقت واحد تقريبًا مع هذه الاختراعات، في أوائل السبعينيات، تم إنتاج مصابيح LED الخضراء. لقد وجدوا تطبيقهم في الآلات الحاسبة وساعات اليد والأجهزة الإلكترونية والمؤشرات وإشارات المرور. لم يتم تحقيق زيادة كبيرة في التدفق الضوئي، حتى 1 لومن (Lm)، لمصابيح LED الحمراء والصفراء والخضراء إلا بحلول عام 1990.
في عام 1993، تمكن المهندس الياباني شوجي ناكامورا، الذي يعمل لدى شركة Nichia، من إنتاج أول مصباح LED عالي السطوع ينبعث منه الضوء الأزرق. كان هذا الاختراع بمثابة ثورة في تطوير تقنية LED، حيث تم إنتاج مصابيح LED بثلاثة ألوان أساسية هي الأحمر والأخضر والأزرق. من هذه اللحظة، أصبح من الممكن الحصول على توهج من أي لون، بما في ذلك اللون الأبيض.
في عام 1996، ظهرت أول مصابيح LED بيضاء. وهي تتألف من اثنين من المصابيح - الأزرق والأشعة فوق البنفسجية مع طلاء الفوسفور.
بحلول عام 2011، تم إنشاء تصميمات LED بيضاء توفر مخرجات إضاءة تصل إلى 210 لومن/وات. فكيف حقق العلماء والمهندسون هذا النجاح؟ للقيام بذلك، دعونا نلقي نظرة على الطرق المعروفة حاليًا لإنتاج مصابيح LED البيضاء.
ومن المعروف أن جميع الألوان والظلال تتكون من ثلاثة ألوان أساسية - الأحمر والأخضر والأزرق. الضوء الأبيض ليس استثناء. هناك أربعة خيارات لإنتاج الإشعاع من مصابيح LED البيضاء (الشكل 4).
الشكل 4. الحصول على المصابيح التي ينبعث منها الضوء الأبيض
الخيار الأول هو استخدام ثلاثة مصابيح LED منفصلة في التصميم. ص-نالتحولات التي ينبعث منها الضوء الأحمر والأخضر والأزرق. مع هذا الخيار للجميع ص-نيتطلب الانتقال مصدر الطاقة الخاص به. عن طريق ضبط الجهد على كل منهما ص-نالانتقال، يحققون إنشاء توهج أبيض بظله الخاص (درجة حرارة اللون).
الخيار الثاني - مع هذا الخيار، يستخدم تصميم LED واحدًا ص-نانتقال توهج أزرق، مغلف بفوسفور أصفر أو أصفر-أخضر. يُستخدم هذا الخيار في أغلب الأحيان، نظرًا لأن مؤشر LED يتطلب مصدر طاقة واحدًا للعمل. ومع ذلك، فإن خصائص اللون لهذا LED تكون أقل شأنا من تلك الخاصة بمصابيح LED التي تم الحصول عليها بطرق أخرى.
الخيار الثالث - يتم استخدام واحد هنا أيضًا ص-نانتقال التوهج الأزرق، ولكن مغطى بطبقات من الفوسفور من لونين - الأحمر والأخضر. توفر تصميمات LED المنتجة باستخدام هذه الطريقة خصائص ألوان أفضل.
الخيار الرابع – يعتمد تصميم LED في هذا الخيار على LED فوق بنفسجي مطلي بثلاث طبقات من الفوسفور الأحمر والأخضر والأزرق. إن تصميمات مصابيح LED هذه هي الأقل اقتصاداً، حيث أن تحويل الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة إلى أشعة مرئية طويلة الموجة، في جميع طبقات الفوسفور الثلاث، يكون مصحوبًا بفقدان الطاقة.
لم يتم حتى الآن تحقيق كفاءة الإضاءة لمصابيح LED البيضاء فائقة السطوع البالغة 210 لومن/واط إلا في ظروف المختبر. الحد الأقصى لإخراج الإضاءة من مصابيح LED الساطعة المتاحة للاستخدام العام لا يتجاوز 120 Lm/W. مثل هذه المصابيح غالية الثمن ونادراً ما تستخدم. الجزء الأكبر من مصابيح LED لديه خرج ضوء يتراوح بين 60 - 95 Lm/W.
يعتمد خرج الضوء من LED، مثل أي مصدر ضوء آخر مدعوم بالطاقة الكهربائية، على كمية التيار الذي يمر عبره. كلما زاد التيار، كلما زاد إنتاج الضوء. ولكن مثل أي مصدر ضوئي آخر، فإن معظم الطاقة الموجودة فيه تتحول إلى حرارة. يصاحب تسخين مصابيح LED انخفاض في ناتج الضوء. وفي هذا الصدد، يضطر المصنعون إلى استخدام علب معدنية ضخمة لتبريد البلورة وتبديد الحرارة المتولدة في البيئة. مثل هذه التدابير تجعل من الممكن زيادة كفاءة استخدامه بشكل طفيف.
إذا قارنا كفاءة الطاقة لمصادر الإضاءة المختلفة، يتبين أن مصابيح LED بكفاءة 40 - 45٪ هي الأكثر اقتصادا. على سبيل المثال، تتمتع الكفوف المتوهجة بكفاءة 2 - 5٪، - 15 - 25٪، - 24 - 30٪.
إن وضع تشغيل LED، عندما تكون البلورة عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة، له بلا شك تأثير مفيد على عمر الخدمة. في ظل أوضاع التشغيل هذه، يمكن أن يعمل مصباح LED لمدة تصل إلى 50000 ساعة دون فقدان ناتج الضوء. إذا كان الهدف هو زيادة خرج الضوء عن طريق زيادة التيار، فمن الطبيعي أن يكون لذلك تأثير ضار على عمر الخدمة. أولاً وقبل كل شيء، مع اقتراب نهاية عمر الخدمة، ينخفض ناتج الضوء بشكل ملحوظ. يحدث الهبوط بسلاسة ويصل إلى 70% من القيمة الأولية. ثانيا، يزداد احتمال فشلها الكامل.
تشير هذه الحقيقة إلى أنه عند اختيار وحدات الإنارة والمصابيح عند تطوير مشاريع الإضاءة، من الضروري في كل مرة تقييم أي منها أكثر ربحية من الناحية الاقتصادية.
منذ اكتشاف الصمام الأحمر في عام 1962، لم يتوقف تطوير مصادر الضوء ذات الحالة الصلبة للحظة واحدة. تميز كل عقد بإنجازات علمية وفتح آفاقًا جديدة للعلماء. في عام 1993، عندما تمكن العلماء اليابانيون من الحصول على الضوء الأزرق، ومن ثم الضوء الأبيض، انتقل تطوير مصابيح LED إلى مستوى جديد. واجه الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم مهمة جديدة، كان جوهرها هو استخدام إضاءة LED باعتبارها المهمة الرئيسية.
في الوقت الحاضر، يمكننا استخلاص الاستنتاجات الأولى التي تشير إلى نجاح تطوير إضاءة LED والتحديث المستمر لمصابيح LED. ظهرت المصابيح المزودة بمصابيح LED المصنوعة باستخدام تقنيات COB وCOG وSMD وتقنيات الخيوط على أرفف المتاجر.
كيف يعمل كل نوع من الأنواع المذكورة، وما هي العمليات الفيزيائية التي تجبر بلورة أشباه الموصلات على التوهج؟
ما هو الصمام؟
قبل تحليل الجهاز ومبدأ التشغيل، دعونا نفكر بإيجاز في ماهية مؤشر LED.
LED هو مكون من أشباه الموصلات مزود بفتحة إلكترون تنتج إشعاعًا ضوئيًا عند تمرير تيار كهربائي في الاتجاه الأمامي.
على عكس الخيوط ومصادر ضوء الفلورسنت، يقع الضوء المنبعث من مصابيح LED في نطاق صغير من الطيف. أي أن بلورة الصمام الثنائي الباعث للضوء تبعث لونًا محددًا (في حالة مصابيح LED ذات الطيف المرئي). للحصول على طيف انبعاث محدد، تستخدم مصابيح LED تركيبة كيميائية خاصة من أشباه الموصلات والفوسفور.
الجهاز والتصميم والاختلافات التكنولوجية
هناك العديد من الخصائص التي يمكن من خلالها تصنيف مصابيح LED إلى مجموعات. أحدها هو الاختلاف التكنولوجي والاختلاف الطفيف في الجهاز، والذي يحدث بسبب خصوصيات المعلمات الكهربائية والنطاق المستقبلي لمصابيح LED.
تراجع
كانت حزمة راتنجات الإيبوكسي الأسطوانية ذات الخيوطين هي أول تصميم لبلورة باعثة للضوء. تعمل الأسطوانة الملونة أو الشفافة المستديرة كعدسة، وتشكل شعاعًا موجهًا من الضوء. يتم إدخال الخيوط في فتحات لوحة الدوائر المطبوعة (DIP) ويتم لحامها لإجراء اتصال كهربائي.
توجد البلورة المنبعثة على الكاثود، وهي على شكل علم، وتتصل بالأنود بسلك رفيع جدًا. توجد نماذج تحتوي على بلوراتتين وثلاث بلورات بألوان مختلفة في عبوة واحدة بعدد دبابيس من اثنين إلى أربعة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن بناء شريحة دقيقة داخل العلبة تتحكم في ترتيب توهج البلورات أو ضبط درجة نقاء وميضها. 
تتميز مصابيح LED الموجودة في مبيت DIP بتيار منخفض وتستخدم في الإضاءة وأنظمة العرض والأكاليل.
وفي محاولة لزيادة التدفق الضوئي، ظهر جهاز تناظري مع جهاز محسّن في حزمة DIP بأربعة دبابيس، يُعرف باسم "سمكة البيرانا". ومع ذلك، تم تعويض زيادة الضوء الناتج عن طريق حجم LED والتسخين القوي للكريستال، مما حد من نطاق تطبيق "سمكة البيرانا". ومع ظهور تكنولوجيا SMD، توقف إنتاجها عمليا.
مصلحة الارصاد الجوية
تختلف أجهزة أشباه الموصلات المثبتة على سطح لوحة الدوائر المطبوعة بشكل أساسي عن سابقاتها. أدى ظهورها إلى توسيع إمكانيات تصميم أنظمة الإضاءة، وجعل من الممكن تقليل أبعاد المصباح وأتمتة التثبيت بالكامل. اليوم، يعد SMD LED هو العنصر الأكثر شيوعًا المستخدم لبناء مصادر الضوء بأي تنسيق.
تعتبر قاعدة الهيكل التي تم تركيب البلورة عليها موصلًا جيدًا للحرارة، مما يحسن بشكل كبير إزالة الحرارة من البلورة الباعثة للضوء. في جهاز LED الأبيض، توجد طبقة من الفوسفور بين شبه الموصل والعدسة لضبط درجة حرارة اللون المطلوبة وتحييد الأشعة فوق البنفسجية. في مكونات SMD ذات زاوية إشعاع واسعة، لا توجد عدسة، وLED نفسه له شكل متوازي.
البوليفيين
تعد Chip-On-Board واحدة من أحدث الإنجازات العملية، والتي ستأخذ في المستقبل القريب زمام المبادرة في إنتاج مصابيح LED البيضاء في الإضاءة الاصطناعية. من السمات المميزة لجهاز LED ما يلي: يتم ربط العشرات من البلورات بدون غلاف وركيزة بقاعدة الألومنيوم (الركيزة) من خلال الغراء العازل، ومن ثم يتم تغطية المصفوفة الناتجة بطبقة مشتركة من الفوسفور. والنتيجة هي مصدر ضوء مع توزيع موحد للتدفق الضوئي، مما يزيل ظهور الظلال.
أحد أشكال COB هو Chip-On-Glass (COG)، والذي يتضمن وضع العديد من البلورات الصغيرة على سطح زجاجي. على وجه الخصوص، فهي معروفة على نطاق واسع، حيث يكون العنصر الباعث عبارة عن قضيب زجاجي مزود بمصابيح LED مطلية بالفوسفور.
مبدأ تشغيل الصمام
على الرغم من الميزات التكنولوجية التي تم أخذها في الاعتبار، فإن تشغيل جميع مصابيح LED يعتمد على المبدأ العام لتشغيل العنصر الباعث. يحدث تحويل التيار الكهربائي إلى تدفق ضوئي في البلورة، التي تتكون من أشباه الموصلات ذات أنواع مختلفة من الموصلية. يتم الحصول على مادة ذات موصلية n عن طريق تطعيمها بالإلكترونات، ويتم الحصول على مادة ذات موصلية p عن طريق تطعيمها بالثقوب. وبالتالي، يتم إنشاء ناقلات شحن إضافية ذات اتجاهات متعاكسة في الطبقات المجاورة. 
في اللحظة التي يتم فيها تطبيق الجهد الأمامي، تبدأ حركة الإلكترونات والثقوب إلى الوصلة p-n. تتغلب الجسيمات المشحونة على الحاجز وتبدأ في إعادة الاتحاد، مما يؤدي إلى تدفق تيار كهربائي. تكون عملية إعادة تركيب الثقب والإلكترون في منطقة الوصل pn مصحوبة بإطلاق طاقة على شكل فوتون.
بشكل عام، تنطبق هذه الظاهرة الفيزيائية على جميع الثنائيات شبه الموصلة. لكن في معظم الحالات، يكون الطول الموجي للفوتون خارج نطاق الإشعاع المرئي. لجعل حركة الجسيمات الأولية في حدود 400-700 نانومتر، كان على العلماء إجراء العديد من التجارب مع اختيار العناصر الكيميائية المناسبة. ونتيجة لذلك ظهرت مركبات جديدة: زرنيخيد الغاليوم، وفوسفيد الغاليوم وأشكالها الأكثر تعقيدا، ويتميز كل منها بطوله الموجي الخاص، وبالتالي لون الإشعاع.
بالإضافة إلى الضوء المفيد المنبعث من LED، يتم توليد كمية معينة من الحرارة عند تقاطع p-n، مما يقلل من كفاءة جهاز أشباه الموصلات. ولذلك، فإن تصميم مصابيح LED عالية الطاقة يجب أن يأخذ في الاعتبار إمكانية تنفيذ إزالة الحرارة بشكل فعال.
اقرأ أيضا
تحميل...
