مبادئ الحصول على المصابيح الخضراء. مبدأ تشغيل LED: مشرق ، فائق السطوع ، أبيض ، SMD

منذ اكتشاف LED الأحمر (1962) ، لم يتوقف تطوير مصادر الضوء ذات الحالة الصلبة للحظة. تميز كل عقد بالإنجازات العلمية وفتح آفاق جديدة للعلماء. في عام 1993 ، عندما نجح العلماء اليابانيون في الحصول على الضوء الأزرق ثم الضوء الأبيض ، انتقل تطوير مصابيح LED إلى مستوى جديد. واجه الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم مهمة جديدة ، كان جوهرها هو الاستخدام الإنارة بالصمام المضيءباعتباره العنصر الرئيسي.

في عصرنا ، يمكن استخلاص الاستنتاجات الأولى ، مما يشير إلى نجاح تطوير إضاءة LED والتحديث المستمر لمصباح LED. ظهرت تركيبات الإضاءة بمصابيح LED المصنوعة باستخدام تقنية COB و COG و SMD والفتيل على أرفف المتاجر.

كيف هو كل الأنواع المدرجة، وما هي العمليات الفيزيائية التي تجبر بلورة أشباه الموصلات على التوهج؟

الجهاز والتصميم والاختلافات التكنولوجية

هناك العديد من العلامات التي يمكن من خلالها تصنيف مصابيح LED إلى مجموعات. أحدها هو الاختلاف التكنولوجي والاختلاف الطفيف في الجهاز ، والذي ينتج عن خصوصية المعلمات الكهربائية والنطاق المستقبلي للـ LED.

تراجع

كانت الحزمة الأسطوانية من راتنجات الايبوكسي مع اثنين من الخيوط هي أول بناء لبلور ينبعث منه الضوء. تعمل الأسطوانة الدائرية الملونة أو الشفافة كعدسة ، وتشكل شعاعًا موجهًا من الضوء. يتم إدخال الخيوط في الثقوب لوحة الدوائر المطبوعة(DIP) ولحام توفير الاتصال الكهربائي.

يقع البلور الباعث على القطب السالب ، الذي له شكل علم ، ومتصل بالقطب الموجب باستخدام أنحف سلك. توجد نماذج بها بلورات ثنائية وثلاث بلورات مختلفة الألوان في عبوة واحدة مع عدد دبابيس من اثنين إلى أربعة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إدخال رقاقة صغيرة داخل العلبة ، والتي تتحكم في ترتيب توهج البلورات أو تحدد درجة نقاء وميضها. مصابيح LED في حزمة DIP منخفضة التيار ، وتستخدم في الإضاءة الخلفية وأنظمة الإشارة والأكاليل.

في محاولة لزيادة التدفق الضوئي ، ظهر نظير بجهاز محسّن في حزمة DIP بأربعة دبابيس ، تُعرف باسم "سمكة البيرانا". ومع ذلك ، تم تسوية ناتج الضوء المتزايد بواسطة حجم LED والتدفئة القوية للبلور ، مما حد من نطاق "سمكة البيرانا". ومع ظهور تقنية SMD ، توقف إنتاجها عمليًا.

smd

تختلف أجهزة أشباه الموصلات المثبتة على السطح اختلافًا جوهريًا عن سابقاتها. أدى مظهرهم إلى توسيع إمكانيات تصميم أنظمة الإضاءة ، وجعل من الممكن تقليل أبعاد المصباح وأتمتة التثبيت بالكامل. اليوم ، يعد SMD LED هو المكون الأكثر طلبًا المستخدم لبناء مصادر الضوء من أي تنسيق.

تعد قاعدة العلبة ، التي يتم توصيل البلورة عليها ، موصلًا جيدًا للحرارة ، مما أدى إلى تحسن كبير في إزالة الحرارة من البلورة الباعثة للضوء. في جهاز LEDs البيضاء ، توجد طبقة فوسفورية بين أشباه الموصلات والعدسة لضبط درجة حرارة اللون المطلوبة وتحييد الأشعة فوق البنفسجية. في مكونات SMD بزاوية انبعاث واسعة ، لا توجد عدسة ، ولدى LED نفسه شكل متوازي السطوح.

البوليفيين

تعد Chip-On-Board واحدة من أحدث الإنجازات العملية ، والتي ستأخذ زمام المبادرة في إنتاج مصابيح LED البيضاء في الإضاءة الاصطناعية في المستقبل القريب. السمة المميزة لجهاز LED هي كما يلي: عشرات البلورات بدون غلاف وركيزة متصلة بقاعدة من الألومنيوم (ركيزة) من خلال غراء عازل ، ثم يتم تغطية المصفوفة الناتجة بطبقة مشتركة من الفوسفور. والنتيجة هي مصدر ضوء بتوزيع منتظم. تدفق مضيئةلمنع الظلال من الظهور.

أحد أشكال COB هو Chip-On-Glass (COG) ، والذي يتضمن وضع العديد من البلورات الصغيرة على سطح زجاجي. على وجه الخصوص ، من المعروف على نطاق واسع ، حيث يعمل قضيب زجاجي مع مصابيح LED مطلية بالفوسفور كعنصر مشع.

مبدأ تشغيل الصمام

على الرغم من الميزات التكنولوجية المدروسة ، فإن تشغيل جميع مصابيح LED يعتمد على المبدأ العامعمل العنصر المشع. يحدث تحويل التيار الكهربائي إلى تدفق ضوئي في بلورة تتكون من أشباه موصلات ذات نوع مختلفالتوصيل. يتم الحصول على مادة ذات الموصلية n عن طريق تعاطيها بالإلكترونات ، والمادة ذات الموصلية p - مع الثقوب. وبالتالي ، يتم إنشاء حاملات شحنة إضافية من الاتجاه المعاكس في الطبقات المجاورة.

في اللحظة التي يتم فيها تطبيق الجهد الأمامي ، تبدأ حركة الإلكترونات والثقوب إلى الوصلة pn. تتغلب الجسيمات المشحونة على الحاجز وتبدأ في إعادة الاتحاد ، مما ينتج عنه كهرباء. تترافق عملية إعادة تركيب ثقب وإلكترون في منطقة تقاطع p-n مع إطلاق طاقة على شكل فوتون.

بشكل عام ، هذه الظاهرة الفيزيائية قابلة للتطبيق على جميع الثنائيات شبه الموصلة. لكن في معظم الحالات ، يكون الطول الموجي للفوتون خارج نطاق الإشعاع المرئي. لتحريك جسيم أولي في حدود 400-700 نانومتر ، كان على العلماء إجراء العديد من التجارب مع اختيار الجسيمات المناسبة العناصر الكيميائية. نتيجة لذلك ، ظهرت مركبات جديدة: زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد الغاليوم وأشكالها الأكثر تعقيدًا ، كل منها يتميز بطول موجته ، ومن ثم لون الإشعاع.

بالإضافة إلى الضوء المفيد المنبعث من LED ، يتم إطلاق قدر معين من الحرارة عند تقاطع p-n ، مما يقلل من كفاءة جهاز أشباه الموصلات. لذلك ، في التصميم مصابيح LED قويةيجب النظر في إمكانية تبديد الحرارة بكفاءة.

جهاز LED

مثل أي شبه موصل ، LED هو مركب من بلورة أشباه الموصلات نوع p(مخدر بمادة ثلاثية التكافؤ - على سبيل المثال في) مع بلورة أشباه الموصلات ن نوع(مخدر بمادة خماسية التكافؤ - مثل As) ، والتي تتشكل ص-نانتقال.

كريستال نوع pلها خاصية التوصيل "الثقب" - حاملات الشحنة في مثل هذه البلورات عبارة عن مقاطع موجبة الشحنة من الروابط التساهمية للبلورة ، والتي تفتقر إلى الإلكترونات (الشكل 1).

الشكل 1. الموصلية الفتحة لأشباه الموصلات

كريستال ن نوعالموصلية الإلكترونية - حاملات الشحنة في هذه البلورات عبارة عن إلكترونات سالبة الشحنة (الشكل 2).

الشكل 2. الموصلية الإلكترونية لأشباه الموصلات

عند توصيل الكريستال نوع pمع الكريستال ن نوعفي منطقة الاتصال بهم ص-ن الانتقال، والتي لها خاصية الطبقة الحاجزة (الشكل 3).
في منطقة اتصال اثنين من أشباه الموصلات ن-نوع و صمن النوع ، تحدث عملية الانتشار: ثقوب من ص-مناطق الذهاب إلى ن-المنطقة ، والإلكترونات ، على العكس من ذلك ، من ن-مناطق في ص-منطقة. نتيجة لذلك ، في ن-منطقة في منطقة الطبقة الحاجزة ، ينخفض تركيز الإلكترونات ، ويصاحب ذلك ظهور طبقة موجبة الشحنة. في ص- المنطقة ، لوحظ انخفاض في تركيز الثقوب وتظهر طبقة سالبة الشحنة. وهكذا ، في منطقة التلامس لأشباه الموصلات ، تتشكل طبقة كهربائية مزدوجة ، يمنع مجالها عملية انتشار الإلكترونات والثقوب تجاه بعضها البعض (الشكل 3).

الشكل 3. حجب تقاطع الطبقة p - n

في حالة الاتصال ن–ص-الانتقال إلى مصدر تيار خارجي بحيث يتصل قطبه الموجب ص-منطقة ، وسالبة مع ن- المنطقة ، ثم سينخفض مؤشر شدة المجال الكهربائي في طبقة الحجب ويسهل انتقال الموجات الحاملة الحالية الرئيسية عبر طبقة التلامس. نتيجة لذلك ، ثقوب ص- مناطق وإلكترونات من ن- ستتحرك المناطق تجاه بعضها البعض ، معبرًا ن–ص-الانتقال الذي سيؤدي إلى خلق تيار في الاتجاه الأمامي (الشكل 4).

الشكل 4. تطبيق الجهد على تقاطع p – n

أيضًا ، عند نقطة التلامس بين اثنين من أشباه الموصلات (تقاطع p - n) ، عندما يتم تطبيق الكهرباء ، تتحد الإلكترونات مع الثقوب ، ويتم إطلاق الطاقة على شكل فوتونات ضوئية (الشكل 5).

الشكل 5. إطلاق الطاقة في شكل فوتونات ضوئية

على عكس الصمام الثنائي العادي ، يحتوي LED على منطقة تلامس كبيرة عند نقطة اتصال اثنين من أشباه الموصلات. نتيجة لذلك ، تكون منطقة إعادة التركيب أكبر ، وبالتالي يكون التوهج أكثر كثافة. ومع ذلك ، ليس كل تقاطع pn قادر على إطلاق الطاقة في شكل فوتونات في طيف الضوء المرئي. هذا يعتمد على فجوة النطاق ، طاقة التغلب التي يجب أن تتناسب مع طاقة كمية من طيف الضوء المرئي.

لون ضوء LED

يعتمد طيف انبعاث الألوان لمصابيح LED فقط على فجوة النطاق في الوصلة p-n. هنا يحدث إعادة تركيب الإلكترونات و "الثقوب" ، مع إطلاق فوتونات الضوء. وبالتالي ، يعتمد لون ضوء LED فيزيائيًا على مادة أشباه الموصلات وعلى مشتقاته. كلما كان ضوء LED أكثر زرقة ، زادت طاقة الكوانتا للتغلب على فجوة النطاق في الوصلة p-n ، مما يعني أنه يجب أن تكون فجوة النطاق أكبر. ويترتب على ذلك أنه من خلال تغيير فجوة النطاق لتقاطع p-n ، من الممكن الحصول على وهج من أي لون من ألوان قوس قزح. ومن أجل الحصول على اللون الأبيض ، تحتاج إلى الجمع بين الألوان الناتجة.

طرق الحصول على المصابيح البيضاء

يتم استخدام ثلاث طرق شائعة للحصول على توهج LED أبيض:
1) مزج الألوان المتوهجة حسب تقنية RGB (الشكل 6). تتكون الطريقة من حقيقة أن مصابيح LED ذات اللون الأحمر والأزرق والأخضر موضوعة بكثافة على ركيزة واحدة ، ويتم خلط إشعاعها بفضل نظام بصري ، مثل العدسة البلاستيكية. والنتيجة هي الضوء الأبيض.

الشكل 6. تقنية تصنيع RGB LED

2) استنادًا إلى ثلاثة مصابيح LED تنبعث منها ضوء فوق بنفسجي. بعد ذلك ، يتم وضع طبقة من الفوسفور الأزرق والأخضر والأحمر على سطح كل من مصابيح LED. وهكذا يبدأ الفوسفور في التوهج بثلاثة ألوان ، وعندما يختلط هذا الوهج بالعدسة ، يتم الحصول على لون أبيض.
3) يؤخذ ضوء LED أزرق كأساس ، ويتم تطبيق الفوسفور الأخضر والأحمر (ربما الأصفر والأخضر) على سطحه. وبالتالي ، يتم الحصول على توهج أبيض أو قريب من الأبيض.

الشكل 7. تكنولوجيا تصنيع المصابيح مع طلاء الفوسفور

كل طريقة للحصول على توهج أبيض لها مزاياها وعيوبها.
لذلك ، تتيح لك تقنية RGB ، بالإضافة إلى كل شيء ، تغيير لون ودرجة حرارة توهج مصابيح LED من خلال تغيير القوة الحالية لكل منها. بالإضافة إلى ذلك ، يتيح لك الوضع المركّز لثلاثة مصابيح LED في المصفوفة الحصول على تدفق ضوئي إجمالي عالي وطاقة ضوئية. ومع ذلك ، لا يمكن لهذا النظام أن يضمن توحيد توهج بقعة الضوء بأكملها ، لأن التوهج في وسط النظام سيكون أكثر سطوعًا من الحواف. هذا يرجع إلى ظاهرة انحراف النظام البصري.
صنع مصابيح LED باستخدام الفوسفور أرخص بكثير من تقنية RGB. ومع ذلك ، فإن عيب هذا النظام هو الشيخوخة السريعة للفوسفور (أسرع بكثير من شريحة LED) وصعوبة تطبيق الفوسفور بشكل موحد على سطح رقاقة LED.

الخصائص الكهربائية لمصابيح LED

LED هو جهاز أشباه الموصلات ذات الجهد المنخفض لاستهلاك الطاقة. يتراوح نطاق الطاقة لمصابيح LED التقليدية من 2 إلى 4 فولت مع استهلاك حالي يصل إلى 50 مللي أمبير. يتم تشغيل مصابيح LED المخصصة لغرف الإضاءة بنفس الجهد ، لكن الاستهلاك الحالي لهذه الأجهزة أعلى بكثير ، ويمكن أن يصل إلى عدة أمبير. في بعض الأحيان ، يتم توصيل وحدات LED ، التي تتكون من مصابيح LED فردية ، في سلسلة ، مما يزيد من إجمالي جهد الإمداد.
ولكن بالإضافة إلى حقيقة أن جهد إمداد مصابيح LED منخفض ، يجب أيضًا أن يكون مستقرًا. هذا يرجع إلى حقيقة أن جهد إمداد LED يعتمد بشكل كبير على الاستهلاك الحالي (الشكل 8). مع زيادة طفيفة في الجهد ، يزداد الاستهلاك الحالي عدة مرات ، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز وفشله. لذلك ، لتثبيت جهد إمداد LED ، يتم استخدام المحولات أو المحركات (مصممة لتثبيت التيار).

الشكل 8. خاصية فولت أمبير لمصابيح LED

ضبط سطوع المصابيح

غالبًا ما تكون هناك حاجة لتغيير سطوع LED. لا ينبغي أبدًا تنفيذ هذا الإجراء عن طريق خفض جهد إمداد LED. يتم ذلك باستخدام تقنية تعديل عرض النبضة (Pulse Width Modulation (PWM)). تتمثل هذه الطريقة في تصنيع جهاز عبارة عن مولد تيار معدل النبضة بتردد إشارة خرج من مئات إلى آلاف هرتز ، مع القدرة على تغيير عرض النبضات والتوقف بينها. وبالتالي ، باستخدام هذا الجهاز ، يصبح متوسط سطوع LED بالطاقة قابلاً للتحكم ، بينما لا ينطفئ مؤشر LED.

عمر خدمة LED

تعتمد مدة خدمة مصابيح LED بشكل أساسي على طريقة عملها. إذا كان هذا الصمام الثنائي من نوع مؤشر الطاقة المنخفضة ، فإن مدة خدمته طويلة جدًا. هذا يرجع إلى حقيقة أن التيار المتدفق من خلاله صغير ولا يسخن تقاطع pn المقترن جسديًا. تم تصميم مصابيح LED القوية لعمر خدمة يتراوح من 20 إلى 50 ألف ساعة. نظرًا لتيارات الإمداد الكبيرة ، يكون تقاطع p-n ساخنًا جدًا ، ويتم فك الشبكة الذرية للبلورات ، مما يؤدي إلى تدمير سلامة التقاطع p-n. وبالتالي ، فإن شيخوخة مصابيح LED في النتيجة النهائية يتم التعبير عنها في انخفاض سطوعها. لذلك ، إذا انخفض سطوع LED بنسبة 30٪ من سطوعه الأصلي ، فيجب استبداله.

تقدم أجهزة الإضاءة المزودة بمصابيح LED في السنوات الأخيرة مسيرة منتصرة. على رفوف المتاجر مجموعة كبيرة من الصينيين مشاعل LED، بسعر لا يزيد كثيرًا عن تكلفة البطاريات المضمنة فيها ، والتي تتألق بشكل أكثر إشراقًا وأطول من نظيراتها مع وجود مصابيح بداخلها. بسبب ما كان LED في مثل هذا الموقف الرابح؟

بالنسبة لأولئك الذين ليسوا على دراية: LED هو جهاز أشباه الموصلات يتم فيه تحويل التيار الكهربائي مباشرة إلى إشعاع ضوئي. الصمام الثنائي - أي أنه قادر على تمرير التيار في اتجاه واحد فقط (انظر المقالة كيف يعمل الصمام الثنائي) بالمناسبة ، في اللغة الإنجليزية ، يُطلق على LED الصمام الثنائي الباعث للضوء ، أو LED.

يتكون LED من بلورة شبه موصلة على ركيزة غير موصلة ، ومبيت به أسلاك توصيل ونظام بصري. لتحسين المتانة ، تمتلئ المساحة بين العدسة الكريستالية والبلاستيكية بالسيليكون الشفاف. تعمل قاعدة الألمنيوم على إزالة الحرارة الزائدة. والتي يجب أن أقول أنها لا تبرز على الإطلاق عدد كبير من.

ينشأ التوهج في بلورة أشباه الموصلات من إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب في منطقة تقاطع pn. تتشكل منطقة الوصل pn عن طريق ملامسة اثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من الموصلية. للقيام بذلك ، فإن طبقات التلامس القريبة من بلورة أشباه الموصلات مخدرة بشوائب مختلفة: من جهة ، متقبل ، من جهة أخرى ، مانح.

لكي ينبعث الضوء من الوصلة p-n ، يجب أن تكون فجوة النطاق في المنطقة النشطة من LED قريبة من طاقة كمات الضوء المرئي. ثانيًا ، يجب أن تحتوي بلورة أشباه الموصلات على عيوب قليلة بسبب حدوث إعادة التركيب بدون إشعاع. لتلبية كلا الشرطين ، غالبًا لا يكفي تقاطع pn في بلورة ، ويضطر المصنعون إلى تصنيع هياكل أشباه موصلات متعددة الطبقات ، تسمى الهياكل غير المتجانسة.

من الواضح أنه كلما مر التيار أكثر من خلال مؤشر LED ، زاد سطوعه ، لأنه كلما زاد أكثر حداثة، كلما زاد عدد الإلكترونات والثقوب التي تدخل منطقة إعادة التركيب لكل وحدة زمنية. ومع ذلك ، نظرًا للمقاومة الداخلية لأشباه الموصلات وتقاطع p-n ، فإن الصمام الثنائي يسخن ويمكن أن يحترق عند التيار العالي - ستذوب أسلاك الرصاص أو تحترق أشباه الموصلات نفسها.

على عكس المصابيح المتوهجة ، يتم تحويل التيار الكهربائي في مصابيح LED مباشرة إلى إشعاع ضوئي ، مع قدر ضئيل من فقدان الحرارة. نتيجة لذلك ، تعد مصابيح LED عدة أوامر من حيث الحجم أكثر اقتصادا ولا غنى عنها في تلك الأجهزة حيث يكون التسخين غير مقبول. ميزة LED هي الانبعاث في جزء ضيق من الطيف. لهذا وقع في حب المصممين لتصنيع الإعلانات المضيئة والديكور الداخلي. الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء ، كقاعدة عامة ، غائبة في المصابيح. يتمتع LED بقوة ميكانيكية عالية وموثوقية. يصل عمر LED إلى 100000 ساعة ، وهو ما يقرب من 100 مرة من عمر اللمبة المتوهجة ، و 5 إلى 10 مرات من عمر اللمبة المتوهجة مصباح الفلورسنت. أخيرًا ، يعد LED جهازًا كهربائيًا منخفض الجهد ، وبالتالي فهو آمن.

العيب الوحيد لهذه التكنولوجيا هو ارتفاع تكلفتها. في الوقت الحالي ، يكون سعر اللومن المنبعث من LED أعلى 100 مرة من اللومن المنبعث من المصباح المتوهج. ومع ذلك ، يتوقع المصنعون انخفاضًا في هذا المؤشر في السنوات القادمة بمقدار 10 مرات.

تم تطوير مصابيح LED القائمة على الفوسفيد وزرنيخيد الغاليوم المنبعث في المناطق الصفراء والخضراء والصفراء والحمراء من الطيف في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. تم استخدامها في مصابيح المؤشرات ولوحات التسجيل ، لوحات القيادةالسيارات والطائرات وشاشات الإعلانات وأنظمة تصور المعلومات المختلفة. من حيث خرج الضوء ، تفوقت مصابيح LED على المصابيح المتوهجة التقليدية. من حيث المتانة والموثوقية والسلامة ، فقد تفوقوا عليها أيضًا. لفترة طويلة لم تكن هناك مصابيح LED باللون الأزرق والأزرق والأخضر والأبيض. يعتمد لون LED على فجوة النطاق التي تتجمع فيها الإلكترونات والثقوب ، أي على مادة أشباه الموصلات والمشتقات. LED "الأكثر زرقة" ، كلما زادت الطاقة الكمومية ، وبالتالي ، يجب أن تكون فجوة النطاق أكبر.

تمكنت الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق من صنعها على أساس أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة - كربيد السيليكون ، ومركبات عناصر المجموعات الثانية والرابعة أو النيتريد العناصر الثالثمجموعات. ومع ذلك ، تبين أن مصابيح LED القائمة على SiC ذات كفاءة منخفضة للغاية وعائد كمي منخفض من الإشعاع (أي عدد الفوتونات المنبعثة لكل زوج معاد تجميعه). تتمتع مصابيح LED المستندة إلى الحلول الصلبة لسيلينيد الزنك ZnSe بإنتاج كمي أعلى ، لكنها ترتفع درجة حرارتها بسبب مقاومة كبيرةوكانت قصيرة العمر. تم تصنيع أول صمام ثنائي باعث للضوء الأزرق على أساس أفلام نيتريد الغاليوم على طبقة من الياقوت الأزرق (!).

العائد الكمي هو عدد الكميات الضوئية المنبعثة لكل زوج من الثقوب الإلكترونية المعاد تجميعها. يميز بين العائد الكمومي الداخلي والخارجي. يقع الجزء الداخلي في تقاطع p-n نفسه ، أما الخارجي فهو للجهاز ككل (بعد كل شيء ، يمكن أن يضيع الضوء "على طول الطريق" - ممتصًا ومتناثرًا). يصل العائد الكمومي الداخلي للبلورات الجيدة مع تبديد جيد للحرارة إلى ما يقرب من 100٪ ، وسجل كفاءة الكم الخارجية لمصابيح LED الحمراء هو 55٪ وللأزرق - 35٪. تعد كفاءة الكم الخارجية إحدى خصائص الأداء الرئيسية لمصباح LED.

الضوء الابيضومن المصابيح يمكن الحصول عليها بعدة طرق. الأول هو مزج الألوان باستخدام تقنية RGB. يتم وضع مصابيح LED باللون الأحمر والأزرق والأخضر بكثافة على مصفوفة واحدة ، يتم خلط إشعاعها باستخدام نظام بصري ، مثل العدسة. والنتيجة هي الضوء الأبيض. الطريقة الثانية هي أن يتم تطبيق ثلاثة فوسفورات على سطح LED ينبعث منها في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (يوجد أيضًا مثل هذا) ، ينبعث منها ، على التوالي ، الضوء الأزرق والأخضر والأحمر. على أساس مبدأ مصباح الفلورسنت. الطريقة الثالثة هي عندما يتم تطبيق الفوسفور الأصفر والأخضر أو الأخضر والأحمر على مصباح LED أزرق. في هذه الحالة ، يتم خلط إشعاعين أو ثلاثة ، مما يؤدي إلى تكوين ضوء أبيض أو قريب من الضوء الأبيض.

كل أسلوب له مزاياه وعيوبه. تسمح تقنية RGB ، من حيث المبدأ ، ليس فقط بالحصول على اللون الأبيض ، ولكن أيضًا للتنقل عبر مخطط الألوان عندما يتغير التيار من خلال مصابيح LED مختلفة. يتضح أنه مجمع إضاءة كامل ، يمكن التحكم فيه يدويًا أو من خلال برنامج. يتم استخدام هذه التأثيرات على نطاق واسع من قبل مصممي ومصنعي أكاليل شجرة عيد الميلاد والأجهزة المماثلة. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر عدد كبير من مصابيح LED في المصفوفة تدفقًا ضوئيًا إجماليًا عاليًا وشدة إضاءة محورية كبيرة. عيب النظام هو اللون غير المتكافئ في وسط بقعة الضوء وعلى طول الحواف. بالإضافة إلى ذلك ، بسبب الإزالة غير المتساوية للحرارة من حواف المصفوفة ومن وسطها ، تسخن مصابيح LED بشكل مختلف ، وبالتالي يتغير لونها أثناء التقادم بطرق مختلفة - درجة حرارة اللون الإجمالية واللون "يطفو" أثناء التشغيل. هذه الظاهرة غير السارة يصعب تعويضها ومكلفتها. تعد مصابيح LED البيضاء التي تحتوي على الفوسفور أرخص بكثير من مصفوفات RGB LED (من حيث وحدة التدفق الضوئي) ، وتتيح لك الحصول على لون أبيض جيد. عيوبها: أولاً ، لديها ناتج ضوئي أقل من مصفوفات RGB بسبب تحويل الضوء في طبقة الفوسفور ؛ ثانيًا ، من الصعب جدًا التحكم بدقة في توحيد ترسب الفوسفور في العملية التكنولوجية ، وبالتالي درجة حرارة اللون ؛ وأخيرًا ، ثالثًا ، يتقادم الفوسفور أيضًا ، وأسرع من LED نفسه.

تنتج الصناعة كلاً من مصابيح LED مع مصفوفات الفوسفور و RGB - لها تطبيقات مختلفة. يستخدم مصباح LED التقليدي للإشارة من 2 إلى 4 فولت الجهد المستمرفي التيار يصل إلى 50 مللي أمبير. يستمد LED المستخدم للإضاءة نفس الجهد ، لكن التيار أعلى - من بضع مئات مللي أمبير إلى 1 أمبير في المشروع. في وحدة LED ، يمكن توصيل مصابيح LED الفردية في سلسلة ويكون الجهد الإجمالي أعلى (عادةً 12 أو 24 فولت).

عند توصيل مؤشر LED ، يجب مراعاة القطبية ، وإلا فقد يفشل الجهاز. عادة ما يكون جهد الانهيار أكثر من 5 فولت لمصباح LED واحد. يتميز سطوع LED بالتدفق الضوئي وشدة الإضاءة المحورية ، فضلاً عن نمط الاتجاهية. تنبعث مصابيح LED الحالية ذات التصميمات المختلفة زاوية صلبةمن 4 إلى 140 درجة. اللون ، كالعادة ، يتم تحديده بواسطة إحداثيات اللونية و درجة حرارة اللونوكذلك الطول الموجي للإشعاع.

لا يتم تنظيم سطوع مصابيح LED عن طريق تقليل جهد الإمداد ، ولكن من خلال ما يسمى بطريقة تعديل عرض النبض (PWM). هذا يتطلب وحدة تحكم خاصة. تتكون طريقة PWM من حقيقة أنه لا يتم توفير تيار ثابت ، ولكن يتم توفير تيار معدل النبضة إلى LED ، ويجب أن يكون تردد الإشارة مئات أو آلاف هرتز ، ويمكن أن يتغير عرض النبضات والتوقفات بينهما. يصبح متوسط سطوع LED قابلاً للتحكم بينما لا ينطفئ LED.

تعتبر مصابيح LED متينة للغاية ، ومع ذلك ، فإن عمر مصابيح LED عالية الطاقة أقصر من عمر المصابيح منخفضة الطاقة. ومع ذلك ، فهي حاليًا من 20 إلى 50 ألف ساعة. يتم التعبير عن الشيخوخة بشكل أساسي في انخفاض السطوع وتغير في اللون.

طيف انبعاث LED قريب من أحادي اللون ، وهو اختلاف جوهري عن طيف الشمس أو المصباح المتوهج. لم يتم إجراء دراسات جادة حول تأثير مثل هذه الإضاءة على الرؤية.

LED هو نوع من الصمام الثنائي ، وهو جهاز إلكتروني يقوم بتوصيل التيار الكهربائي في اتجاه واحد. الصمام الثنائي ، أو كما يطلق عليه أيضًا الصمام الثنائي المعدل ، له خصائصه الفريدة للتغيير المقاومة الكهربائيةاعتمادًا على قطبية الجهد المطبق عليه ، يتم استخدامها للتصحيح التيار المتناوب. يمكن بناء تصميم الصمام الثنائي المعدل على أساس الأنابيب الإلكترونية وعلى أساس بلورات أشباه الموصلات.

على عكس الصمام الثنائي المعدل ، فإن LED مصنوع فقط على أساس بلورات أشباه الموصلات. يعتمد مبدأ تشغيل كلا الجهازين الإلكترونيين على حقن (انتشار) الإلكترونات والثقوب في المنطقة ص-نالانتقال ، أي منطقة التلامس لاثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من الموصلية. عن طريق الحقن يعني انتقال الإلكترونات الزائدة من المنطقة ن-نوع المنطقة ص-نوع وكذلك انتقال الثقوب الزائدة من المنطقة ص-نوع المنطقة ن-نوع حيث يوجد نقص. نتيجة للحقن ، في كلتا المنطقتين ، بالقرب من حدود الانتقال ، تتشكل طبقات غير معوضة من الإلكترونات والثقوب. على الجانب ن- طبقة انتقالية من الثقوب وعلى الجانب ص- طبقة انتقالية للإلكترونات. تشكل هذه الطبقات ما يسمى بالطبقة الحاجزة ، الطبقة الداخلية الحقل الكهربائيمما يمنع المزيد من الحقن (الشكل 1).

الشكل 1. حجب الطبقة ص-نانتقال

هناك توازن معين. عندما يتم تطبيق جهد سلبي على منطقة البلورة ذات الموصلية ن- النوع والجهد الموجب لمنطقة الكريستال مع التوصيل ص- النوع ، تحت تأثير مجال كهربائي خارجي موجه ضد مجال الحجب ، يتم فتح مسار للحوامل الرئيسية من خلال ص-نانتقال. تصبح الطبقة الحاجزة أرق وتقل مقاومتها. هناك حركة ضخمة للإلكترونات الحرة من ن-مناطق في ص-منطقة وثقوب بها ص-مناطق في ن-منطقة. يظهر تيار كهربائي في الدائرة (الشكل 2).

الشكل 2. التبديل إلى الأمام

إذا تم تطبيق جهد عكسي ، فإن الطبقة الحاجزة تصبح أكثر سمكًا وتزداد المقاومة الكهربائية بشكل كبير. لا يوجد عملياً أي تيار كهربائي عند تطبيق الجهد العكسي (الشكل 3).

الشكل 3. التبديل في الاتجاه المعاكس

يجب أن نتذكر أن القيمة المسموح بها للجهد العكسي لمصابيح LED ، حيث لا يحدث انهيارها ، أقل بكثير من ثنائيات المعدل. غالبًا ما تكون هذه القيمة مساوية للحد الأقصى لقيمة الجهد الأمامي. لذلك ، قم بتشغيل LED في دائرة كهربائيةالتيار المتردد ، لا ينبغي لأحد أن ينسى قيمة اتساع الجهد. بالنسبة للجهد الجيبي بتردد 50 هرتز ، تكون قيمة اتساعه أكبر بـ 1.41 مرة من القيمة الحالية. نادرًا ما يتم استخدام هذه التضمينات ، لأن الغرض من LED هو "التألق" وليس "التسوية". عادةً ما يتم تشغيل مؤشر LED بجهد ثابت.

فيديو 1. أشباه الموصلات

عندما تتحرك الإلكترونات الحرة ص-نتصدر الإلكترونات والثقوب الانتقالية فوتونات بسبب انتقالها من مستوى طاقة إلى آخر. لا تصدر جميع مواد أشباه الموصلات الضوء بكفاءة عند حقنها. على سبيل المثال ، لا تصدر الثنائيات المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم وكربيد السيليكون ضوءًا عمليًا. والثنائيات المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم أو كبريتيد الزنك لها أفضل انبعاث.

الضوء المنبعث غير متماسك ويقع في نطاق ضيق. في هذا الصدد ، كل LED له طيفه الخاص من الموجات ، مع طوله وتردده ، والتي قد تكون أو لا تكون مرئية للعين البشرية. كمثال على استخدام مصابيح LED مع طيف إشعاع غير مرئي ، يمكننا الاستشهاد بمصابيح LED المستخدمة في وحدات التحكم. جهاز التحكمأي معدات إلكترونية لاسلكية حديثة. من أجل رؤية الإشعاع ، خذ جهاز التحكم عن بعد وأي هاتف محمولوجود كاميرا صور فيديو. ضع هاتفك في وضع الفيديو ، ووجه عدسة الكاميرا إلى الحافة الأمامية لجهاز التحكم عن بُعد ، واضغط على أي زر في جهاز التحكم عن بُعد. في الوقت نفسه ، ستلاحظ توهج LED على شاشة الهاتف.

يعتمد طيف الانبعاث على التركيب الكيميائيالكريستال أشباه الموصلات. كل طيف إشعاعي له لونه الخاص. لذلك ، يُنظر إلى المصابيح التي ينبعث منها الضوء في الطيف المرئي للعين البشرية على أنها متعددة الألوان والأحمر والأخضر والأزرق.

تم اكتشاف وهج الصمام الثنائي الصلب لأول مرة من قبل المجرب البريطاني هنري راوند. في عام 1907 ، أثناء إجراء عمل بحثيلاحظ بالصدفة أن توهج ظهر حول نقطة التلامس لكاشف الصمام الثنائي العامل. ومع ذلك ، لم يتوصل إلى استنتاج حول التطبيق العملي لهذه الظاهرة.

بعد بضع سنوات ، في عام 1922 ، بدأ أوليغ فلاديميروفيتش لوسيف ، أثناء ساعات الراديو الليلية ، تمامًا مثل هنري راوند ، بملاحظة الوهج الناشئ لكاشف الكريستال. للحصول على توهج ثابت من البلورة ، قام بتطبيق الجهد من بطارية كلفانية إلى نقطة التلامس الخاصة بكاشف الصمام الثنائي ، وبالتالي مرر تيارًا كهربائيًا من خلاله. كانت هذه أول محاولة للعثور على تطبيق عملي لتشغيل LED.

في عام 1951 ، بدأ العمل البحثي في الولايات المتحدة حول تطوير "مصابيح أشباه الموصلات" ، والتي استند تشغيلها إلى "تأثير لوسيف". في عام 1961 ، تم اكتشاف تقنية LED بالأشعة تحت الحمراء وحصل على براءة اختراع بواسطة روبرت بايارد وجاري بيتمان. بعد مرور عام ، في عام 1962 ، قام نيك هولونياك ، الذي كان يعمل في شركة جنرال إلكتريك ، بتصنيع أول مصباح LED أحمر في العالم يعمل في نطاق الإضاءة ووجد لاحقًا أول تطبيق عملي. كانت ذات كفاءة منخفضة في استخدام الطاقة ، وتستهلك تيارًا كبيرًا نسبيًا ، ولكن في نفس الوقت كان لها وهج خافت. ومع ذلك ، تبين أن التكنولوجيا واعدة وتم تطويرها بشكل أكبر.

كانت الخطوة التالية في تطوير تقنية LED هي اختراع المصباح الأصفر. قام الطالب السابق لنيك هولونياك ، جورج كرافورد ، في عام 1972 ، جنبًا إلى جنب مع اختراع LED الأصفر ، بزيادة سطوع مصابيح LED باللونين الأحمر والبرتقالي بمقدار 10 مرات. في وقت واحد تقريبًا مع هذه الاختراعات ، في أوائل السبعينيات ، تم الحصول على مصابيح LED خضراء. وجدوا تطبيقاتهم في الآلات الحاسبة والساعات والأجهزة الإلكترونية ومؤشرات الضوء وإشارات المرور. لا يمكن تحقيق زيادة كبيرة في التدفق الضوئي ، حتى 1 لومن (lm) ، ومصابيح LED حمراء وصفراء وخضراء إلا بحلول عام 1990.

في عام 1993 ، تمكن المهندس الياباني في شركة Nichia ، شوجي ناكامورا ، من الحصول على أول مصباح LED عالي السطوع ينبعث من لون ازرق. كان هذا الاختراع ثورة في تطوير تقنية LED ، حيث تم الحصول على مصابيح LED بثلاثة ألوان أساسية ، الأحمر والأخضر والأزرق. من تلك اللحظة فصاعدًا ، كان من الممكن الحصول على وهج من أي لون ، بما في ذلك اللون الأبيض.

في عام 1996 ، ظهرت أول مصابيح LED بيضاء. كانت تتألف من اثنين من مصابيح LED - الأزرق والأشعة فوق البنفسجية مع طلاء الفوسفور.

بحلول عام 2011 ، تم بناء تصميمات لمصابيح LED البيضاء ، والتي وفرت ناتجًا ضوئيًا يصل إلى 210 لومن / وات. كيف حقق العلماء والمهندسون هذا النجاح؟ للقيام بذلك ، ضع في اعتبارك الطرق المعروفة حاليًا للحصول على مصابيح LED بيضاء.

من المعروف أن جميع الألوان والظلال تتكون من ثلاثة ألوان أساسية - الأحمر والأخضر والأزرق. الضوء الأبيض ليس استثناء. هناك أربعة خيارات للحصول على الإشعاع باستخدام مصابيح LED بيضاء (الشكل 4).

الشكل 4. الحصول على مصابيح LED ينبعث منها ضوء أبيض

الخيار الأول هو استخدام ثلاثة مصابيح LED منفصلة في تصميم LED. ص-نالتحولات التي ينبعث منها الضوء الأحمر والأخضر والأزرق. مع هذا الخيار لكل ص-نيتطلب الانتقال مزود الطاقة الخاص به. عن طريق ضبط الجهد على كل منهما ص-نتحقيق توهج أبيض مع الظل الخاص به (درجة حرارة اللون).

الخيار الثاني - مع هذا الخيار ، يتم استخدام مؤشر LED واحد في التصميم ص-نتوهج أزرق مغطى بفوسفور أصفر أو أصفر مخضر. غالبًا ما يستخدم هذا الخيار ، نظرًا لأن مصدر طاقة واحد مطلوب لتشغيل LED. ومع ذلك ، فإن خصائص لون هذا LED أدنى من خصائص مصابيح LED التي تم الحصول عليها بواسطة طرق أخرى.

الخيار الثالث - يتم استخدام واحد هنا أيضًا ص-نانتقال توهج أزرق ، لكنه مغطى بطبقات من الفوسفور من لونين - أحمر وأخضر. تسمح تصميمات LED التي تنتجها هذه الطريقة بالحصول على خصائص لونية أفضل.

الخيار الرابع - يعتمد تصميم LED في هذا الخيار على مصباح LED فوق بنفسجي مطلي بثلاث طبقات من الفوسفور الأحمر والأخضر والأزرق. تعتبر تصميمات مصابيح LED هذه هي الأكثر غير اقتصادية ، حيث أن تحويل الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة إلى أشعة مرئية طويلة الموجة ، في الطبقات الثلاث للفوسفور ، يكون مصحوبًا بفقدان الطاقة.

تزيد قيمة الخرج الضوئي المصابيح الساطعةاللون الأبيض عند 210 لومن / وات تم تحقيقه حتى الآن فقط في ظروف معملية. لا يتجاوز خرج الضوء الأقصى لمصابيح LED الساطعة المتاحة للاستخدام العام 120 لومن / وات. هذه المصابيح باهظة الثمن ونادراً ما تستخدم. يحتوي الجزء الأكبر من مصابيح LED على ناتج ضوئي يتراوح بين 60 و 95 لومن / وات.

ناتج ضوء LED ، وكذلك أي مصدر ضوء آخر يعمل تحت تأثير طاقة كهربائيةيعتمد على مقدار التيار الذي يمر عبره. كلما زاد التيار ، زاد خرج الضوء. ولكن مثل أي مصدر آخر للضوء ، معظميتم تحويل الطاقة إلى حرارة. يصاحب تسخين المصابيح انخفاض في ناتج الضوء. في هذا الصدد ، يضطر المصنعون إلى استخدام علب معدنية ضخمة لتبريد البلورة وتبديد الحرارة المتولدة فيها بيئة. تسمح هذه التدابير بزيادة كفاءة استخدامه بشكل طفيف.

إذا قارنا كفاءة الطاقة لمصادر الإضاءة المختلفة ، فقد اتضح أن مصابيح LED بكفاءة 40-45٪ هي الأكثر اقتصادا. على سبيل المثال ، الأقدام المتوهجة لها كفاءة تساوي 2-5٪ ، - 15-25٪ ، - 24-30٪.

لا شك أن وضع التشغيل لمصباح LED ، عندما تكون درجة حرارة البلورة قريبة من درجة حرارة الغرفة ، يكون لها تأثير إيجابي على عمر خدمتها. في أوضاع التشغيل هذه ، يمكن لمصباح LED العمل حتى 50000 ساعة دون فقد ناتج الضوء. إذا كان الهدف هو زيادة ناتج الضوء عن طريق زيادة التيار ، فإن هذا بحد ذاته يؤثر سلبًا على عمر الخدمة. بادئ ذي بدء ، في نهاية عمر الخدمة ، ينخفض ناتج الضوء بشكل كبير. يحدث السقوط بسلاسة ويصل إلى 70٪ من القيمة الأولية. ثانياً ، يزيد احتمال فشلها الكامل.

تشير هذه الحقيقة إلى أنه عند اختيار التركيبات والمصابيح عند تطوير مشاريع الإضاءة ، من الضروري تقييم كل مرة أي منها أكثر ربحية من وجهة نظر اقتصادية.