الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) هي أشباه موصلات فعالة تولد الضوء من خلال عملية تعرف باسم التلألؤ الكهربائي. إنها أصغر حجما وأطول أمدا وأكثر موثوقية من المصابيح المتوهجة أو الفلورسنت. مع التطبيقات في الإضاءة وشاشات العرض والمجالات المتخصصة ، توفر مصابيح LED أداء عاليا وتوفيرا في الطاقة. توفر هذه المقالة معلومات حول كيفية عمل مصابيح LED وخصائصها وعمرها وأنواعها المتقدمة.
ج 1. نظرة عامة على LED
ج 2. انبعاث الضوء في أشباه الموصلات
ج 3. الخصائص الكهربائية LED
ج 4. إخراج مضيء LED وفعاليته
ج 5. لون LED وجودة التقديم
ج 6. صيانة LED مدى الحياة والتجويف
ج 7. إدارة LED الحرارية
ج 8. طرق قيادة LED
ج 9. تغليف LED والبصريات
ج 10. أنواع LED المتخصصة
ج 11. استنتاج
ج 12. الأسئلة المتكررة [FAQ]
نظرة عامة على LED
الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) هو جهاز أشباه الموصلات يولد الضوء عندما يتدفق التيار عبره في الاتجاه الأمامي. على عكس المصابيح المتوهجة ، التي تتوهج عن طريق تسخين خيوط ، أو مصابيح الفلورسنت التي تعتمد على إثارة الغاز ، تعمل مصابيح LED من خلال التلألؤ الكهربائي ، وهو الانبعاث المباشر للفوتونات حيث تتحد الإلكترونات مع الثقوب داخل أشباه الموصلات. هذه العملية تجعلها أكثر كفاءة وموثوقية من التقنيات القديمة. تبرز مصابيح LED نظرا لتصميمها المدمج وعمر الخدمة الطويل والمتانة ضد الصدمات والاهتزازات والحد الأدنى من استهلاك الطاقة.
انبعاث الضوء في أشباه الموصلات
تشرح هذه الصورة عملية انبعاث الضوء في أشباه الموصلات ، وهو مبدأ العمل وراء مصابيح LED. عندما يتم إثارة أشباه الموصلات إما عن طريق التيار الكهربائي أو الحقن البصري ، تنتقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، مما يخلق فصلا بين الإلكترونات والثقوب. يسمى هذا الفرق في الطاقة فجوة النطاق (على سبيل المثال).
بمجرد الإثارة ، يعيد الإلكترون الموجود في نطاق التوصيل في النهاية توحيد مع ثقب في نطاق التكافؤ. خلال عملية إعادة التركيب هذه ، يتم إطلاق الطاقة المفقودة على شكل فوتون. تتوافق طاقة الفوتون المنبعث تماما مع فجوة النطاق للمادة ، مما يعني أن الطول الموجي (أو اللون) للضوء يعتمد على فجوة نطاق أشباه الموصلات.
الخصائص الكهربائية LED
| لون LED | الجهد الأمامي (Vf) | التيار الأمامي (مللي أمبير) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| أحمر | 1.6 – 2.0 فولت | 5 – 20 مللي أمبير | أقل Vf ، كفاءة عالية |
| أخضر | 2.0 – 2.4 فولت | 5 – 20 مللي أمبير | Vf أعلى قليلا |
| أزرق | 2.8 – 3.3 فولت | 5 – 20 مللي أمبير | يتطلب المزيد من الجهد |
| أبيض | 2.8 – 3.5 فولت | 10 – 30 مللي أمبير | مصنوع من طلاء LED + فوسفور أزرق |
إخراج مضيئة LED وفعاليتها
| مصدر الضوء | الفعالية (لومن لكل واط) | ملاحظات |
|---|---|---|
| لمبة متوهجة | \~10-15 لومن / واط | تضيع معظم الطاقة كحرارة |
| مصباح الهالوجين | \~15-25 لومن / واط | أفضل قليلا من المتوهجة |
| أنبوب الفلورسنت | \~50-100 لومن / واط | يتطلب الصابورة ، يحتوي على الزئبق |
| الفلورسنت المدمج (CFL) | \~60-90 لومن / واط | عامل الشكل الصغير، يتم التخلص التدريجي |
| LED حديث | 120-200 لومن/واط | متوفر في إضاءة المستهلك |
| نماذج LED المتطورة | 250-300+ لومن / واط | تم اختباره في المختبر ، وإظهار الإمكانات المستقبلية |
لون LED وجودة التقديم
درجة حرارة اللون المترابطة (CCT)
• أبيض دافئ (2700 كلفن - 3500 كلفن): ينتج توهجا مصفرا ، وهو الأفضل لغرف المعيشة والمطاعم والأماكن الداخلية المريحة.
• أبيض محايد (4000 كلفن - 4500 كلفن): متوازن ومريح ، وغالبا ما يستخدم في المكاتب والفصول الدراسية ومساحات البيع بالتجزئة.
• أبيض بارد (5000 كلفن - 6500 كلفن): ضوء نقي يشبه ضوء النهار المزرق ، ممتاز للإضاءة الخارجية وورش العمل والبيئات الثقيلة.
مؤشر تجسيد اللون (CRI)
• CRI ≥ 80: مناسب للإضاءة المنزلية والتجارية.
• CRI ≥ 90: مطلوب في المناطق التي تتطلب حكما دقيقا على الألوان ، مثل استوديوهات الفن والمرافق الطبية ومتاجر التجزئة الراقية.
صيانة عمر LED والتجويف
معيار L70
يتم قياس عمر LED وفقا لمعيار L70. تمثل هذه القيمة عدد ساعات التشغيل حتى ينخفض ناتج ضوء LED إلى 70٪ من سطوعها الأصلي. في هذه المرحلة ، لا يزال مؤشر LED يعمل ولكنه لم يعد يوفر جودة الإضاءة المقصودة. يضمن L70 طريقة متسقة لمقارنة أداء LED عبر الشركات المصنعة.
عمر LED
• مصابيح LED للمستهلكين: 25,000 - 50,000 ساعة من الاستخدام.
• مصابيح LED الصناعية: 50,000 - 100,000+ ساعة ، مصممة لظروف أكثر قسوة ودورات عمل أعلى.
الإدارة الحرارية LED
درجة حرارة التقاطع (Tj)
درجة حرارة الوصلة هي درجة الحرارة الداخلية عند النقطة التي يتم فيها توليد الضوء داخل شريحة LED. يحدد المصنعون نطاق تشغيل آمن أقل من 125 درجة مئوية. إذا تم تجاوز هذه القيمة ، يتم تقليل سطوع LED وكفاءته وعمره. يضمن الحفاظ على انخفاض Tj أن LED يمكن أن يلبي أدائه المقدر.
المسار الحراري من التقاطع إلى المحيط
يجب أن تنتقل الحرارة المنتجة داخل LED من التقاطع إلى الهواء المحيط. يسمى هذا المسار بالمسار من التقاطع إلى المحيط. يقيس المصممون فعاليتها باستخدام المقاومة الحرارية (RθJA) ، معبرا عنها بدرجة مئوية / غرب. تعني المقاومة الحرارية المنخفضة نقل الحرارة بشكل أكثر كفاءة ، مما يحافظ على برودة LED وأكثر استقرارا.
طرق التبريد
• أحواض الحرارة - تمتص زعانف الألومنيوم الحرارة وتنشرها بعيدا عن LED.
• الفتحات الحرارية - الثقوب الصغيرة المطلية في ثنائي الفينيل متعدد الكلور توصل الحرارة من وسادة LED إلى الطبقات النحاسية.
• مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات القلب المعدني (MCPCBs) - تستخدم هذه الألواح في مصابيح LED عالية الطاقة ، وتحتوي على قاعدة معدنية تنقل الحرارة بكفاءة.
• التبريد النشط - تستخدم المراوح أو أنظمة التبريد السائل في البيئات الصعبة مثل أجهزة العرض أو إضاءة الملاعب أو التركيبات الصناعية.
طرق القيادة LED
محركات التيار المستمر
يحافظ محرك التيار المستمر على استقرار تيار LED حتى عندما يتقلب جهد الإمداد. هذه هي الطريقة الأكثر موثوقية لتشغيل مصابيح LED ، لأنها تمنع الهروب الحراري وتحافظ على إخراج ضوء ثابت. غالبا ما تتضمن برامج التشغيل عالية الجودة حماية ضد الدوائر القصيرة والزيادات المفاجئة وظروف درجة الحرارة الزائدة.
PWM يعتم
يتحكم تعديل عرض النبضة (PWM) في السطوع عن طريق تشغيل مؤشر LED وإيقاف تشغيله بسرعات عالية جدا. من خلال ضبط دورة العمل (نسبة وقت التشغيل إلى وقت الإيقاف )، يتغير السطوع المدرك بسلاسة. نظرا لأن تردد التبديل أعلى من نطاق اكتشاف العين البشرية ، يبدو الضوء ثابتا. يمكن أن تتسبب الأنظمة سيئة التصميم مع PWM منخفض التردد في وميض مرئي ، مما يؤدي إلى إجهاد العين أو قطع أثرية للكاميرا.
تعتيم تناظري
في التعتيم التناظري ، يتم ضبط السطوع عن طريق تغيير سعة التيار المتدفق عبر LED. تتجنب هذه الطريقة مشكلات الوميض ولكن يمكنها تغيير لون LED قليلا ، خاصة عند مستويات السطوع المنخفضة جدا. غالبا ما يتم دمج التعتيم التناظري مع PWM في الأنظمة المتقدمة لتحقيق كل من التحكم السلس في الألوان وتنظيم السطوع بدقة.
التعبئة والتغليف LED والبصريات
مصابيح LED لجهاز التثبيت السطحي (SMD)
مصابيح SMD LED هي النوع الأكثر استخداما في الإضاءة الحديثة. يتم تثبيتها مباشرة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور وتأتي بأحجام قياسية مثل 2835 و 5050. توفر مصابيح SMD LED كفاءة ومرونة جيدة ، مما يجعلها الأفضل لشرائط LED والمصابيح المنزلية وأضواء اللوحة. يسمح حجمها الصغير بسهولة الاندماج في التركيبات الرقيقة وخفيفة الوزن.
مصابيح LED على اللوحة (COB)
تقوم حزم COB بتركيب قوالب LED متعددة مباشرة على ركيزة واحدة ، مما يخلق مصدرا كثيفا للضوء. يوفر هذا التصميم سطوعا أعلى وانخراطا أكثر سلاسة للضوء ووهجا أقل مقارنة بأجهزة SMD الفردية. تم العثور على مصابيح COB LED في الأضواء الكاشفة والأضواء السفلية والمصابيح عالية الطاقة ، حيث تتطلب إضاءة اتجاهية قوية.
مصابيح LED لحزمة مقياس الرقاقة (CSP)
تعمل تقنية CSP على التخلص من العبوات الضخمة ، مما يقلل من LED إلى نفس حجم قالب أشباه الموصلات نفسه. هذا يسمح بتصميمات أصغر وأكثر كفاءة واستقرارا حراريا. تستخدم مصابيح CSP LED على نطاق واسع في المصابيح الأمامية للسيارات والإضاءة الخلفية للهواتف الذكية ولوحات العرض ، حيث يلزم الاكتناز والمتانة.
البصريات والتحكم في الشعاع
الضوء الخام من حزمة LED ليس مناسبا دائما للاستخدام المباشر. لتشكيل الضوء وتوجيهه ، يستخدم المصممون عناصر بصرية مثل العدسات للتركيز أو نشر الضوء. عاكسات لإعادة توجيه زوايا الشعاع والتحكم فيها. ناشرات لإضاءة ناعمة وموحدة.
أنواع LED المتخصصة
مصابيح الأشعة فوق البنفسجية
تنبعث من الأشعة فوق البنفسجية للتعقيم والمعالجة اللاصقة والكشف عن التزييف. بديل آمن ومضغوط لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية الزئبقية.
مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء
إنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي لأجهزة التحكم عن بعد والرؤية الليلية وأنظمة المقاييس الحيوية. فعالة وتستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات والأمن.
OLEDs
تستخدم مصابيح LED العضوية الرفيعة والمرنة في الهواتف الذكية وأجهزة التلفزيون والأجهزة القابلة للارتداء. قدم ألوانا زاهية وتباينا ولكن تتمتع بعمر أقصر.
مصابيح LED صغيرة
توفر شاشات الجيل التالي أداء أكثر إشراقا وكفاءة وأطول أمدا من شاشات OLED. الأفضل للواقع المعزز / الواقع الافتراضي وأجهزة التلفزيون والساعات الذكية.
ثنائيات ليزر
أجهزة أشباه الموصلات التي تخلق حزما متماسكة وعالية الكثافة. تستخدم في الألياف البصرية والماسحات الضوئية والأدوات الطبية ومؤشرات الليزر.
الخلاصة
تطورت مصابيح LED إلى مكونات متعددة الاستخدامات تستخدم في الإضاءة والشاشات والتقنيات المتقدمة. تميزها كفاءتها ومتانتها وإمكانية التحكم عنها عن مصادر الضوء القديمة. تعمل الأشكال المتخصصة مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء و OLEDs ومصابيح LED الدقيقة على توسيع دورها بشكل أكبر. مع التحسينات المستمرة ، تظل مصابيح LED مركزية لمستقبل أنظمة الإضاءة المستدامة وعالية الأداء.
الأسئلة المتداولة [FAQ]
Q1. ما هي المواد التي تصنع منها مصابيح LED؟
تصنع مصابيح LED من أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الغاليوم (GaP) ونتريد الغاليوم (GaN).
س 2. لماذا تحتاج مصابيح LED إلى مقاومات؟
تحد المقاومات من تدفق التيار وتحمي مصابيح LED من الاحتراق.
س 3. كيف تصنع مصابيح LED البيضاء؟
تستخدم مصابيح LED البيضاء شريحة LED زرقاء مع طلاء فوسفوري أصفر لخلق ضوء أبيض.
س 4. لماذا يتغير لون مصابيح LED بمرور الوقت؟
تتغير مصابيح LED اللون بسبب تدهور الحرارة والمواد ، وكذلك تدهور الفوسفور.
س 5. هل يمكن أن تعمل مصابيح LED في البيئات القاسية؟
نعم. مع التصميم المناسب ، يمكن تشغيل مصابيح LED في ظروف شديدة البرودة أو حارة أو رطبة أو مغبرة.
س 6. كيف يتم اختبار عمر LED؟
يتم اختبار مصابيح LED بالإجهاد الحراري والرطوبة والكهرباء لتقدير العمر الافتراضي.