الثنائيات الباعثة للضوء: تمهيدي
تعمل أشباه الموصلات التي تسمى الثنائيات الباعثة للضوء (LED) على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. تحدد مادة وتكوين أشباه الموصلات لون الضوء الناتج ، وغالبًا ما يتم تصنيف مصابيح LED إلى ثلاثة أطوال موجية: الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء.
المصابيح المتاحة تجارياً ذات قدرة خرج أحادية العنصر لا تقل عن 5 ميغاواط لها نطاق طول موجي من 275 إلى 950 نانومتر. بغض النظر عن الشركة المصنعة ، يتم استخدام عائلة معينة من مواد أشباه الموصلات لكل نطاق للأطوال الموجية. يتم توفير نظرة عامة على أداء LED وإلقاء نظرة سريعة على القطاع في هذه المقالة. سيكون هناك أيضًا نقاش حول أنواع LED المختلفة ، والأطوال الموجية المناسبة ، والمواد المستخدمة في بنائها ، وبعض الاستخدامات للأضواء المعينة.
مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية (مصابيح LED فوق بنفسجية): من 240 إلى 360 نانومتر
يتم استخدام مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية بشكل خاص لتطهير المياه والتطبيقات الطبية / الطبية الحيوية والمعالجة الصناعية. بأطوال موجية قصيرة تصل إلى 280 نانومتر ، تم تحقيق مستويات خرج طاقة أكبر من 100 ميغاواط. نيتريد الغاليوم / نيتريد الغاليوم الألومنيوم (GaN / AlGaN) بأطوال موجية 360 نانومتر أو أطول هي المادة الأكثر استخدامًا لمصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية. تستخدم الأطوال الموجية الأقصر مواد حصرية. يتم إنتاج أطوال موجية أقصر من قبل عدد قليل من المزودين ، ولا تزال تكاليف هذه المصابيح مرتفعة جدًا عند مقارنتها ببقية عروض منتجات LED ، حتى لو كان سوق الأطوال الموجية 360 نانومتر وأطول مستقرًا بسبب انخفاض الأسعار وكثرة إمداد.
تتراوح المصابيح الخضراء من الأشعة فوق البنفسجية القريبة إلى 530 نانومتر
نيتريد الإنديوم الغاليوم (InGaN) هو المادة المستخدمة للسلع في نطاق الطول الموجي هذا. في حين أنه من الممكن تقنيًا إنتاج مصباح LED بطول موجة بأي قيمة بين 395 و 530 نانومتر ، فإن غالبية الموردين الرئيسيين يركزون على توليد مصابيح LED زرقاء (450 إلى 475 نانومتر) للإضاءة البيضاء القائمة على الفوسفور ومصابيح LED الخضراء في 520– نطاق 530 نانومتر لإشارة المرور والإضاءة الخضراء. يعتبر معظم الناس أن التكنولوجيا الكامنة وراء هذه المصابيح متطورة. على مدى السنوات القليلة الماضية ، تباطأت أو توقفت التحسينات في الكفاءة البصرية.
تتراوح المصابيح من الأصفر والأخضر إلى الأحمر: 565 إلى 645 نانومتر
مادة أشباه الموصلات المستخدمة في هذا النطاق من الطول الموجي هي الألومنيوم الإنديوم فوسفيد الغاليوم (AlInGaP). يتم إنتاجه في الغالب بأطوال موجية صفراء (590 نانومتر) وحمراء (625 نانومتر). على الرغم من أنها أقل شيوعًا ، إلا أن اللون الأخضر الليموني (أو 565 نانومتر الأخضر المصفر) والبرتقالي (605 نانومتر) متوفر أيضًا في هذه التقنية.
من الجدير بالملاحظة أن الباعث الأخضر النقي (555 نانومتر) ليس سمة من سمات تقنيات InGaN أو AlInGaP. توجد تقنيات أقدم وأقل فاعلية في هذه المنطقة ذات اللون الأخضر النقي ، لكن لا يُعتقد أنها فعالة أو رائعة. يحدث هذا في الغالب بسبب نقص التمويل لتطوير تقنيات المواد البديلة لهذا النطاق من الطول الموجي بالإضافة إلى نقص الاهتمام التجاري أو الطلب.
من 660 إلى 900 نانومتر: أحمر داكن إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (IRLEDs)
يمكن أن يتخذ بناء الأجهزة في هذا المجال العديد من الأشكال المختلفة ، ولكنها تستخدم دائمًا عناصر زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم (AlGaAs) أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs). العديد من الاستخدامات الطبية (في 660-680 نانومتر) بالإضافة إلى أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء وأضواء الرؤية الليلية هي من بين التطبيقات.
نظرية تشغيل الصمام
يجب تطبيق جهد كهربائي كافٍ لتحرك الإلكترونات عبر منطقة النضوب والاندماج مع ثقب على الجانب الآخر لإنشاء زوج من الثقوب الإلكترونية من أجل أن تنبعث مصابيح LED ، وهي عبارة عن ثنائيات أشباه الموصلات ، الضوء عندما تكون كهربائية يتم تطبيق التيار في الاتجاه الأمامي للجهاز. يؤدي هذا إلى إصدار الإلكترون للفوتون وهو يطلق طاقته في شكل ضوء.
يعتمد الطول الموجي للضوء المنبعث على فجوة النطاق لأشباه الموصلات. تصدر المواد ذات فجوة الحزمة العالية أطوال موجية أقصر لأن الأطوال الموجية الأقصر تحتوي على طاقة أكبر. الفولتية الأكبر ضرورية أيضًا للتوصيل في المواد ذات فجوة الحزمة الأكبر. بينما تحتوي مصابيح LED القريبة من الأشعة تحت الحمراء على جهد أمامي يتراوح من 1.5 إلى 2. 0 فولت ، فإن مصابيح LED ذات الموجة القصيرة UV-blue لها جهد أمامي يبلغ 3.5 فولت.
عوامل التوافر والكفاءة للأطوال الموجية
تعد إمكانات السوق ، وطلب المستهلك ، والأطوال الموجية القياسية للصناعة هي المحددات الرئيسية لما إذا كان طول موجي معينًا قابلاً للتطبيق تجاريًا أم لا. يكون هذا أكثر وضوحًا في نطاقات الطول الموجي 420-460 نانومتر و 480-520 نانومتر و 680-800 نانومتر. لا توجد شركات تصنيع كبيرة الحجم تنتج أجهزة LED لنطاقات الطول الموجي هذه نظرًا لعدم وجود استخدامات كبيرة الحجم لها. ومع ذلك ، من الممكن تحديد مواقع البائعين الصغار أو المتوسطين الذين يوفرون السلع لملء هذه الأطوال الموجية المحددة على أساس مفصل.
يمكن العثور على منطقة الطول الموجي حيث تكون كل تقنية مادية أكثر فاعلية تقريبًا في وسط كل نطاق. تتضاءل الكفاءة مع ارتفاع مستوى تعاطي أشباه الموصلات أو انخفاضه إلى ما دون المستوى المثالي. لهذا السبب ، ينتج مصباح LED الأزرق ضوءًا أكثر بكثير من مصباح LED الأخضر أو بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية ، وينتج الكهرمان ضوءًا أكثر من مصباح LED باللون الأصفر والأخضر ، وينتج بالقرب من الأشعة تحت الحمراء ضوءًا أكثر من 660 نانومتر. دائمًا ما يكون التصميم لمنتصف النطاق بدلاً من الحواف خيارًا أفضل. بالإضافة إلى ذلك ، من الأسهل الحصول على سلع لا تتجاوز حدود تكنولوجيا المواد.
إمداد المصابيح بالتيار والجهد
مصابيح LED هي صمامات ثنائية ويجب تشغيلها في الوضع الحالي على الرغم من أنها من أشباه الموصلات وتتطلب جهدًا كهربيًا أدنى لتعمل. عند استخدام مصابيح LED في وضع التيار المباشر ، هناك طريقتان أساسيتان: استخدام المقاوم المحدد هو الأبسط والأكثر شيوعًا. يعد التبديد الكبير للحرارة والطاقة في المقاوم من عيوب هذه التقنية. يجب أن يكون جهد الإمداد أعلى بكثير من الجهد الأمامي لمصباح LED حتى يظل التيار ثابتًا عبر التغيرات في درجات الحرارة ومن جهاز إلى آخر.
يتم تقديم مشغلات LED التجارية الجاهزة من قبل مجموعة متنوعة من الموردين. للتحكم في السطوع ، تعمل عادةً باستخدام مبادئ تعديل عرض النبضة.
تظهر مجموعة مميزة من المشكلات عند نبض مصابيح LED في وضع التيار العالي و / أو الجهد العالي للصفائف المتصلة في سلسلة ومتوازية. ليس من العملي لمصمم مبتدئ إنشاء محرك نبضي يتم التحكم فيه حاليًا يمكنه توفير 5 أ و 20 فولت. تنتج بعض الشركات أدوات متخصصة لمصابيح LED التي تنبض.
المصابيح في التطبيقات التي يمكن للناس رؤيتها
يكون اللون الدقيق أكثر أهمية في المواقف التي يتم فيها عرض مصابيح LED أو استخدامها بشكل مباشر كمصابيح أكثر من الناتج الدقيق في اللومن أو الشموع. يقوم الدماغ بإجراء تعديلات ممتازة على أي اختلافات في شدة الضوء بينما تكون العين البشرية غير مبالية بها نسبيًا. على سبيل المثال ، لن يلاحظ الشخص العادي الذي يشاهد شاشة فيديو LED في مبنى ما انخفاضًا بنسبة 20 في المائة في الكثافة حيث يتم عرض أجزاء من الشاشة من 10 درجات إلى 20 درجة خارج المحور مقارنة بالجزء الموجود مباشرة على المحور لأن هذا تغيير تدريجي لا يُنظر إليه أثناء تحركه نحو حافة الرؤية. في المقابل ، ستلاحظ العين البشرية تباينًا في اللون وتجده مزعجًا إذا كان لمصابيح LED في منطقة ما اختلاف في الطول الموجي بمقدار 10 نانومتر عن تلك الموجودة في المناطق الأخرى.
يتم إنشاء معظم مصابيح LED البيضاء المستخدمة اليوم عن طريق غرس الفوسفور المرئي ذي الطول الموجي الأطول بمصباح LED أزرق. يُقاس التشابه الطيفي لأشعة الشمس بمؤشر تجسيد اللون (CRI). غالبية مصابيح LED المستخدمة في الإضاءة العامة في الوقت الحاضر لديها CRI أفضل من 80 ، مع اعتبار 100 معادلة لأشعة الشمس. أصبحت مصابيح LED البيضاء هي المنتج الأكثر رواجًا لمعظم تطبيقات الإضاءة بسبب تطورات CRI وتحسين الكفاءة البصرية.
فوائد واستخدامات LED
بالمقارنة مع المصابيح المفلترة ، تتمتع مصابيح LED بالعديد من الفوائد للتطبيقات أحادية اللون حيث يتم تحديد أطياف الطول الموجي بدقة أكبر. يمكن أن يكون توفير الطاقة من استخدام المصباح المتوهج المفلتر لتطبيقات الإضاءة العامة أعلى بمقدار 100 مرة. تستفيد التطبيقات مثل إشارات المرور والأضواء المعمارية بشكل كبير من هذا. يمكن للوحة شمسية صغيرة أن تشغل بسهولة لافتات LED للطرق السريعة المحمولة منخفضة الطاقة بدلاً من مولد كبير ، وهي فائدة واضحة.
بشكل عام ، تعد مصابيح LED أقل تكلفة ويمكن الاعتماد عليها ويمكن تشغيلها بواسطة إلكترونيات أرخص من الليزر. يتم الآن تصنيف مصابيح LED بشكل منفصل من قبل كل من الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي. لحسن الحظ ، على عكس الليزر وثنائيات الليزر ، لا تأتي مصابيح LED مع نفس مشكلات سلامة العين أو التحذيرات. من ناحية أخرى ، من المستحيل إنشاء بقع كثيفة بصريًا وصغيرة جدًا ومتوازنة للغاية باستخدام مصابيح LED. هناك حاجة دائمًا إلى الليزر تقريبًا في التطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية بشكل استثنائي في منطقة مضغوطة.
اليوم ، تُستخدم مصابيح LED في مجموعة واسعة من القطاعات والتطبيقات (الجدول 1). هذه الأجهزة اقتصادية للغاية وجذابة لكل من الأسواق الاستهلاكية والصناعية بفضل موثوقيتها الكبيرة وكفاءتها العالية وتكلفة النظام الإجمالية المنخفضة مقارنةً بأجهزة الليزر والمصابيح. تم إنشاء كل تقنية و / أو لون LED فريد لتلبية احتياجات استخدام معين.
