ما هو الصمام الثنائي الباعث للضوء: عمله وتطبيقاته
LED هو مصدر ضوء أشباه الموصلات مع اثنين من الخيوط. تم اختراع الصمام الثنائي الباعث للضوء في عام 1962 على يد نيك هولونياك عندما كان يعمل لدى شركة جنرال إلكتريك. LED هو نوع فريد من الصمام الثنائي ذو خصائص كهربائية مماثلة لتلك الموجودة في الصمام الثنائي PN. ومن ثم، يسمح مصباح LED بتدفق الكهرباء في اتجاه واحد بينما يمنعه في الاتجاه الآخر. أقل من 1 مم 2 هو كل ما يشغله مؤشر LED. يتم استخدام مصابيح LED في مجموعة متنوعة من المشاريع الكهربائية والإلكترونية. سيتم تغطية تشغيل LED واستخداماته في هذه المقالة.
الصمام الثنائي الباعث للضوء: ما هو؟
يعمل صمام الوصلة الثنائية -n بمثابة الصمام الثنائي الباعث للضوء-. إنه شكل فريد من أشكال أشباه الموصلات والصمام الثنائي المخدر بشكل خاص. الصمام الثنائي الباعث للضوء- هو جهاز يبعث الضوء عندما يكون متحيزًا للأمام.
هناك سهمان صغيران يشيران إلى انبعاث الضوء ويميزان رمز LED عن رمز الصمام الثنائي، ولهذا السبب يطلق عليه اسم LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء). يحتوي LED على محطتين: الكاثود (-)، والأنود (+). (-).
رمز LED بناء رمز LED
يعد إنشاء مصابيح LED أمرًا بسيطًا إلى حد ما لأنه تم تصميمه من خلال ترسيب ثلاث طبقات من مواد أشباه الموصلات فوق الركيزة. يتم وضع هذه الطبقات الثلاث واحدة فوق الأخرى، حيث تكون الطبقة العليا طبقة من النوع P-، والطبقة الوسطى عبارة عن طبقة نشطة، والطبقة السفلية عبارة عن طبقة من النوع N-. يسمح الهيكل للمرء برؤية المناطق الثلاث لمواد أشباه الموصلات. في البنية، توجد ثقوب في منطقة النوع P-، وتوجد الانتخابات في منطقة النوع N-، وكل من الثقوب والإلكترونات موجودة في المنطقة النشطة.
يكون مؤشر LED ثابتًا لأنه لا يوجد تدفق للإلكترونات أو الثقوب عند عدم توفير الجهد. يصبح مؤشر LED متحيزًا للأمام بمجرد توفير الجهد، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات الموجودة في المنطقة N- والثقوب الموجودة في المنطقة P- إلى المنطقة النشطة. منطقة النضوب هي اسم آخر لهذه المنطقة. يمكن إنتاج الضوء من خلال إعادة تركيب الشحنات القطبية حيث أن حاملات الشحنة، مثل الثقوب، لها شحنة موجبة بينما الإلكترونات لها شحنة سالبة.
ما هي عملية الصمام الثنائي الباعث للضوء؟
نشير عادةً إلى الصمام الثنائي الباعث للضوء-بالصمام الثنائي. تتدفق الإلكترونات والثقوب بسرعة عبر الوصلة عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا للأمام، وهي تتحد باستمرار وتدفع بعضها البعض بعيدًا عن الطريق. فهو يتحد مع الثقوب تمامًا كما تتحول الإلكترونات من النوع n- إلى النوع p- من السيليكون، ثم تختفي.
قام أوليغ لوسيف، وهو مخترع روسي، بتطوير أول مصباح LED في عام 1927 ونشر جزءًا من الأسس النظرية لأبحاثه.
اختبر البروفيسور كورت ليشوفيك فرضيات الخاسرين في عام 1952 وقدم شرحًا لمصابيح LED الأولى.
تم إنشاء أول مصباح LED أخضر في عام 1958 بواسطة روبن براونشتاين وإيجون لوبنر.
ابتكر نيكولاس هولونياك مصباح LED أحمر في عام 1962. وهكذا تم تصنيع أول مصباح LED.
أول جهاز كمبيوتر يستخدم مصابيح LED على لوحة الدوائر كان طراز IBM من عام 1964.
أدخلت شركة Hewlett Packard (HP) مصابيح LED في الآلات الحاسبة في عام 1968.
تم إنشاء مصباح LED أزرق على يد جاك بانكوف وإدوارد ميلر في عام 1971.
ابتكر المهندس الكهربائي إم. جورج كروفورد مصباح LED الأصفر في عام 1972.
تم إنشاء مصباح LED أزرق يحتوي على المغنيسيوم والمعايير المستقبلية في عام 1986 بواسطة Walden C. Rhines وHerbert Maruska من جامعة ستافورد.
ابتكر هيروشي أمانو والفيزيائي إيسامو أكاسكي نيتريد الغاليوم مع مصابيح LED زرقاء ممتازة في عام 1993.
ابتكر شوجي ناكامورا، وهو مهندس كهربائي، أول مصباح LED أزرق ذو سطوع عالٍ من خلال تطورات Amanos & Akaski، مما أدى إلى تسريع تطوير مصابيح LED ذات اللون الأبيض.
تم استخدام مصابيح LED ذات اللون الأبيض بتكلفة تتراوح بين 80 جنيهًا إسترلينيًا و 100 جنيه إسترليني لكل لمبة للأغراض السكنية في عام 2002.
اكتسبت مصابيح LED شعبية كبيرة في الشركات والمستشفيات والمدارس في عام 2008.
مصادر الضوء الرئيسية في عام 2019 هي مصابيح LED؛ يعد هذا إنجازًا رائعًا حيث يمكن الآن استخدام مصابيح LED لإضاءة مجموعة متنوعة من المواقع، بما في ذلك المنازل والمكاتب والمستشفيات والمدارس.
دائرة الصمام الثنائي الباعث للضوء
تتمتع غالبية مصابيح LED بمواصفات جهد تتراوح بين 1 و3 فولت، في حين تتراوح معدلات التيار الأمامي بين 200 و100 مللي أمبير.
انحياز LED
يعمل مؤشر LED بشكل صحيح إذا تم تطبيق جهد يتراوح بين 1 و 3 فولت عليه لأن تدفق التيار يشير إلى أن الجهد يقع ضمن نطاق التشغيل. وبالمثل، إذا كان لمصباح LED جهدًا أعلى من جهد التشغيل الخاص به، فإن تدفق التيار العالي سوف يتسبب في فشل منطقة الاستنفاد. سيؤدي هذا التدفق العالي غير المتوقع للتيار إلى تعطل الأداة.
من خلال توصيل المقاوم على التوالي مع مصدر الجهد ومصباح LED، يمكن منع ذلك. تتراوح مستويات التيار الآمن لمصابيح LED من 200 مللي أمبير إلى 100 مللي أمبير، بينما تتراوح معدلات الجهد الآمن لمصابيح LED من 1 فولت إلى 3 فولت.
هنا، يسمى المقاوم الذي يتم وضعه بين مصدر الجهد وLED باسم المقاوم المحدد للتيار لأن هذا المقاوم ينظم تدفق التيار وإلا فإن LED قد يقتله. لذلك، هذه المقاومة ضرورية لحماية LED.
معادلة التدفق الرياضي للتيار عبر LED هي
إذا كان=مقابل – VD/Rs
أين،
"إذا" التيار للأمام
مصدر الجهد "مقابل"
يُشار إلى انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء-بالرمز "VD".
Rs هو المقاوم الذي يحد من تدفق التيار.
انخفاض الجهد المطلوب لاختراق حاجز منطقة النضوب. عندما يكون انخفاض جهد الصمام الثنائي Si أو Ge 0.3 فولت أو أقل، فإن انخفاض جهد LED سيكون بين 2 و3 فولت.
على النقيض من الثنائيات Si أو Ge، يمكن تشغيل LED بجهد عالي.
بالمقارنة مع الثنائيات السيليكونية أو الجرمانيوم، تتطلب الثنائيات الباعثة للضوء-طاقة أكبر لتشغيلها.
أنواع-الصمام الثنائي الباعث للضوء
تتوفر الثنائيات الباعثة للضوء-بأنواع مختلفة، بعضها مذكور أدناه.
الأشعة تحت الحمراء-زرنيخيد الغاليوم (GaAs) والأحمر إلى الأشعة تحت الحمراء-الأحمر، البرتقالي فوسفيد زرنيخيد الغاليوم (GaAsP)
مصابيح LED عالية السطوع باللون الأحمر والبرتقالي-والأحمر والبرتقالي والأصفر مصنوعة من فوسفور زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (AlGaAsP)
فوسفات الغاليوم الأحمر والأصفر والأخضر (GaP)
الأخضر هو لون فوسفيد الغاليوم الألومنيوم (AlGaP)، والأخضر الزمردي هو لون نيتريد الغاليوم (GaN)، والأزرق هو لون نيتريد الغاليوم الإنديوم (GaInN).
كركيزة، كربيد السيليكون (SiC) باللون الأزرق
سيلينيد الزنك الأزرق (ZnSe) ونيتريد الألومنيوم الغاليوم فوق البنفسجي (AlGaN)
مبدأ تشغيل الصمام
تعمل نظرية الكم كأساس -لتشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء. وفقًا لنظرية الكم، يطلق الفوتون طاقة عندما ينحدر الإلكترون من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل. فرق الطاقة بين مستويي الطاقة هذين يساوي طاقة الفوتون. عند الوصول إلى حالة الانحياز الأمامي لصمام الوصلة الثنائي PN-، يمر التيار عبر الصمام الثنائي.
مبدأ تشغيل الصمام
إن تدفق الثقوب في الاتجاه المعاكس للتيار وتدفق الإلكترونات في اتجاه التيار هما ما يتسببان في تدفق التيار في أشباه الموصلات. وبالتالي، ستحدث إعادة التركيب نتيجة لحركة حاملات الشحنة هذه.
تقفز إلكترونات نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ، وفقًا لإعادة التركيب. تنطلق الطاقة الكهرومغناطيسية من الإلكترونات على شكل فوتونات عندما تنتقل من نطاق إلى نطاق آخر، وطاقة الفوتون تساوي فجوة الطاقة المحرمة.
خذ نظرية الكم كمثال. ووفقا لهذه النظرية، فإن طاقة الفوتون تساوي مجموع تردده وثابت بلانك. يتم عرض الصيغة الرياضية.
مكافئ=تردد عالي
حيث يشار إليه بثابت بلانك، وسرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي، المشار إليه بالرمز c، تساوي سرعة الضوء. كما af= ج/، العلاقة بين تردد الإشعاع وسرعة الضوء. المعادلة السابقة سوف تنتج كطول موجي للإشعاع الكهرومغناطيسي حيث
المعادلة=هو / α
يتناسب الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي عكسيا مع الفجوة المحظورة وفقا للمعادلة أعلاه. بشكل عام، فإن حالة ونطاقات التكافؤ لأشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم تجعل الإشعاع الكامل للموجات الكهرومغناطيسية أثناء إعادة التركيب يأخذ شكل الأشعة تحت الحمراء. الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء غير مرئية بالنسبة لنا لأنها تقع خارج نطاق الضوء المرئي.
نظرًا لأن أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة غير مباشرة وليست أشباه موصلات ذات فجوة مباشرة، غالبًا ما يشار إلى الأشعة تحت الحمراء بالحرارة. ومع ذلك، لا يوجد أعلى مستوى طاقة لنطاق التكافؤ وأدنى مستوى طاقة لنطاق التوصيل عندما تكون الإلكترونات موجودة في أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة. ونتيجة لذلك، فإن زخم نطاق الإلكترون سيختلف أثناء إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب أو هجرة الإلكترونات من نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ.
المصابيح الساطعة
هناك طريقتان يمكن استخدامهما لإنتاج مصابيح LED. في الطريقة الأولى، يتم دمج شرائح LED الحمراء والخضراء والزرقاء في حزمة واحدة لإنتاج الضوء الأبيض، بينما يتم استخدام الفوسفور في الطريقة الثانية. يمكن تلخيص الإيبوكسي المحيط بفلورة الفوسفور، وسيقوم جهاز InGaN LED بعد ذلك بتنشيط LED باستخدام إشعاع الطول الموجي القصير-.
لإنشاء أحاسيس لونية متعددة، تُعرف باسم الألوان المضافة الأساسية، يتم دمج أضواء ملونة مختلفة، مثل الأضواء الزرقاء والخضراء والحمراء، بكميات متفاوتة. يتم إنشاء الضوء الأبيض من خلال الجمع بين شدة الضوء الثلاث هذه بالتساوي.
ومع ذلك، لتحقيق هذا الدمج باستخدام مجموعة من مصابيح LED باللون الأخضر والأزرق والأحمر، يلزم وجود بنية كهربائية -بصرية تتسم بالتحدي لإدارة مجموعة الألوان المختلفة ونشرها. علاوة على ذلك، قد تكون هذه الطريقة صعبة بسبب الاختلافات في لون LED.
تعمل شريحة LED واحدة مع طلاء الفوسفور على تشغيل غالبية خط إنتاج LED الأبيض. عندما يتعرض هذا الطلاء للأشعة فوق البنفسجية بدلا من الفوتونات الزرقاء، يتم إنتاج الضوء الأبيض. تنطبق نفس النظرية أيضًا على مصابيح الفلورسنت؛ سوف ينبعث تفريغ كهربائي داخل الأنبوب من الأشعة فوق البنفسجية، مما يتسبب في وميض الفوسفور باللون الأبيض.
على الرغم من أن تقنية LED هذه يمكن أن تنتج ألوانًا متنوعة، إلا أنه يمكن تنظيم الفروق عن طريق الفحص. باستخدام أربعة إحداثيات لونية دقيقة قريبة من مركز مخطط CIE، يتم عرض الأجهزة التي تعتمد على LED الأبيض-.
يتم عرض جميع إحداثيات الألوان التي يمكن تحقيقها داخل منحنى حدوة الحصان في مخطط CIE. تتوزع ألوان القوس النظيفة، لكن النقطة البيضاء تقع في المنتصف. يمكن استخدام النقاط الأربع الموضحة في منتصف الرسم البياني لتمثيل لون إخراج LED الأبيض. إحداثيات الرسم البياني الأربعة بيضاء نقية تقريبًا، لكن مصابيح LED هذه عادةً لا تعمل بشكل جيد كمصدر ضوء قياسي لإضاءة العدسات الملونة.
تعد مصابيح LED هذه مفيدة جدًا للعدسات البيضاء والشفافة ذات الإضاءة الخلفية غير الشفافة. مما لا شك فيه أن مصابيح LED البيضاء ستصبح أكثر شعبية كمصدر للإضاءة ومؤشر طالما استمرت هذه التكنولوجيا في التطور.
فعالية رائعة
يتم قياس التدفق الضوئي المنتج لكل وحدة من مصابيح LED بوحدة lm، بينما يتم قياس استهلاك الطاقة الكهربائية بوحدة W. تحتوي مصابيح LED الحمراء على 155 lm/W، وتحتوي مصابيح LED الكهرمانية على 500 lm/W، وتتمتع مصابيح LED الزرقاء بترتيب كفاءة داخلي مقدر يبلغ 75 lm/W. يمكن اعتبار الخسائر بسبب إعادة الاستيعاب الداخلي-؛ تتراوح فعالية الإضاءة لمصابيح LED الخضراء والصفراء بين 20 و25 لومن/وات. مفهوم الفعالية هذا، المعروف أيضًا باسم الكفاءة الخارجية، يمكن مقارنته بمفهوم الفعالية المستخدم عادةً لأنواع أخرى من مصادر الضوء، مثل مصابيح LED متعددة الألوان.
مصدر ضوء ديود في العديد من الألوان
مصابيح LED متعددة الألوان هي -ثنائيات باعثة للضوء والتي، عند توصيلها بانحياز أمامي، تنشئ لونًا واحدًا، وعند توصيلها بانحياز عكسي، تنتج لونًا آخر.
تحتوي مصابيح LED هذه في الواقع على وصلتين PN-، ومن الممكن توصيلهما بالتوازي عن طريق توصيل كاثود أحدهما بأنود الآخر.
عند انحيازها في اتجاه واحد، تكون مصابيح LED متعددة الألوان حمراء عادةً، وعندما تكون منحازة في الاتجاه المعاكس، فإنها تكون خضراء. سينتج مصباح LED هذا لونًا ثالثًا إذا تم تشغيله بسرعة كبيرة بين قطبين. نظرًا لأنه يتم التبديل بسرعة بين الأقطاب المتحيزة، فإن مصباح LED الأخضر أو الأحمر سوف ينتج ضوءًا أصفر اللون.
ما هما الإعدادان المختلفان لمصابيح LED؟
اثنان من الباعثات و COBs المتشابهة هما إعدادات LED الأساسية.
الباعث عبارة عن قالب واحد متصل بالمشتت الحراري قبل وضعه على لوحة الدائرة. تعمل لوحة الدائرة هذه على سحب الحرارة بعيدًا عن الباعث مع توفير الطاقة الكهربائية في نفس الوقت.
وجد المحققون أنه يمكن إزالة ركيزة LED ويمكن وضع القالب الفردي بحرية على لوحة الدائرة، مما يساعد على تقليل التكاليف وتحسين تجانس الضوء. ومن ثم، يُعرف هذا التصميم باسم COB (شريحة-على مصفوفة اللوحة-).
فوائد وعيوب مصابيح LED
فيما يلي بعض فوائد الثنائيات-الباعثة للضوء.
مصابيح LED صغيرة الحجم ولها سعر أقل.
يتم التحكم في الكهرباء عن طريق استخدام مصابيح LED.
بمساعدة المعالج الدقيق، يمكن أن تختلف شدة LED.
وقتا طويلا
فعالة فيما يتعلق بالطاقة
لا يوجد إحماء قبل-المباراة
وعرة
لا تتأثر بدرجات الحرارة الباردة
تجسيد اللون الاتجاهي العظيم
يمكن السيطرة عليها وصديقة للبيئة
فيما يلي بعض عيوب تقنية LED.
سعر
حساسية لدرجة الحرارة
حساسية درجة الحرارة
القطبية الكهربائية وجودة الإضاءة
الحساسية الكهربائية
الكفاءة تنخفض
النتيجة للحشرات
يستخدم للثنائيات الباعثة للضوء
هناك العديد من الاستخدامات لمصابيح LED، بعضها موضح أدناه.
في كل من المنازل والشركات، يتم استخدام مصابيح LED كمصابيح.
تُستخدم الثنائيات الباعثة للضوء-في السيارات والدراجات النارية.
يتم عرض الرسالة باستخدام هذه في الهواتف المحمولة.
تستخدم المصابيح في إشارات المرور الضوئية.
ونتيجة لذلك، تقدم هذه المقالة نظرة عامة على تطبيق ونظرية عمل دوائر الصمام الثنائي الباعث للضوء-. أتمنى أن تكون قد تعلمت بعض الحقائق الأساسية والعملية حول الصمام الثنائي الباعث للضوء-من خلال قراءة هذه المقالة.
لمزيد من المعلومات، يرجى الانتباه إلىالموقع الرسمي لشركة بينوي
