مصابيح LED- الجزء2
المصابيح و OLEDs: الأضواء الصغيرة ذات الإمكانات الكبيرة: الثنائيات الباعثة للضوء والثنائيات العضوية الباعثة للضوء
كيف تعمل (LED)
OLEDs – المقدمة وكيفية عملها
المخترعون والتطوير (LED) المخترعون والتطوير (OLED)
مقدمة:
LED هو مصدر للضوء يستخدم أشباه الموصلات والتألق الكهربائي لإنشاء الضوء. هناك نوعان رئيسيان من الثنائيات الباعثة للضوء: LED وOLED. يختلف مصباح LED عن مصباح EL في أنه يستخدم بلورة صغيرة شبه موصلة مع عاكسات وأجزاء أخرى لجعل الضوء أكثر سطوعًا وتركيزه في نقطة واحدة. يشبه OLED إلى حد كبير مصباح EL في التصميم، باستخدام شطيرة مسطحة من المواد. وهو يختلف عن مصباح LED ومصباح EL في أنه يستخدم جزيئات عضوية (كربون) في الطبقة التي ينبعث منها الضوء.
المصابيح
يحظى مصباح LED حاليًا بشعبية كبيرة نظرًا لكفاءته ويعتقد الكثيرون أنها تقنية “جديدة”. إن LED كما نعرفه موجود منذ أكثر من 50 عامًا. إن التطور الأخير لمصابيح LED البيضاء هو ما جعلها محط أنظار الجمهور كبديل لمصادر الضوء الأبيض الأخرى.
الاستخدامات الشائعة: أضواء الإشارة على الأجهزة، المصابيح الصغيرة والكبيرة، إشارات المرور، شاشات الفيديو الكبيرة، اللافتات، إنارة الشوارع (على الرغم من أن هذا لا يزال غير منتشر على نطاق واسع)
مجموعة LED كبيرة مصممة للاستخدام كمصباح للشارع. هناك حاجة إلى مشتت حراري ضخم من الألومنيوم مع مصابيح LED ذات القوة الكهربائية العالية
مزايا:
-مصدر ضوء موفر للطاقة للمسافات القصيرة والمساحات الصغيرة. يتطلب مصباح LED النموذجي 30-60 مللي واط فقط للتشغيل
- متين ومقاوم للصدمات على عكس أنواع المصابيح الزجاجية
- الطبيعة الاتجاهية مفيدة لبعض التطبيقات مثل تقليل التلوث الضوئي الشارد في إنارة الشوارع
سلبيات:
-قد لا يمكن الاعتماد عليه في التطبيقات الخارجية مع وجود اختلافات كبيرة في درجات الحرارة في الصيف/الشتاء، ويتم بذل المزيد من العمل الآن لحل هذه المشكلة
-أشباه الموصلات حساسة للتلف بسبب الحرارة، لذلك يجب استخدام مشتتات حرارية كبيرة للحفاظ على برودة المصفوفات القوية، وفي بعض الأحيان تكون هناك حاجة إلى مروحة. وهذا يزيد من التكلفة، كما تقلل المروحة بشكل كبير من ميزة كفاءة استخدام الطاقة لمصابيح LED، كما أنها عرضة للفشل مما يؤدي إلى فشل الوحدة
- يتشقق لحام لوحة الدائرة والوصلات النحاسية الرفيعة عند ثنيها وتتسبب في خروج أجزاء من المصفوفات
-تخضع المعادن الأرضية النادرة المستخدمة في مصابيح LED لاحتكارات مراقبة الأسعار من قبل بعض الدول
-انخفاض إنتاج التجويف مع مرور الوقت
إحصائيات الصمام
- لومن لكل واط: 28 – 150 (يعتمد على البيئة)
- عمر المصباح: 25,000 – 100,000 ساعة
*CRI (مصابيح LED البيضاء) – 70
*درجة حرارة اللون (مصابيح LED بيضاء) – 2540 – 10,000 كلفن
*متوفر بقدرة 0.01 – 3 وات
أصبحت مصابيح LED البيضاء منتجًا تجاريًا ميسور التكلفة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين
- كيف يعملون
تولد مصابيح LED الضوء عن طريق التألق الكهربائي في مادة شبه موصلة. التألق الكهربائي هو ظاهرة انبعاث ضوء من مادة عند مرور تيار كهربائي أو مجال كهربائي من خلالها – ويحدث هذا عندما يتم إرسال الإلكترونات عبر المادة وملء فجوات الإلكترون. يوجد ثقب الإلكترون حيث تفتقر الذرة إلى الإلكترونات (سالبة الشحنة)، وبالتالي لها شحنة موجبة. يمكن “تخدير” المواد شبه الموصلة مثل الجرمانيوم أو السيليكون لإنشاء عدد من ثقوب الإلكترون والتحكم فيها. التطعيم هو إضافة عناصر أخرى إلى المادة شبه الموصلة لتغيير خصائصها. من خلال تطعيم شبه موصل، يمكنك صنع نوعين منفصلين من أشباه الموصلات في نفس البلورة. ويطلق على الحدود بين النوعين اسم تقاطع p-n. تسمح الوصلة للتيار بالمرور عبرها في اتجاه واحد فقط، ولهذا السبب يتم استخدامها كثنائيات. تصنع مصابيح LED باستخدام وصلات p-n. عندما تمر الإلكترونات عبر إحدى البلورات إلى الأخرى، فإنها تملأ فجوات الإلكترونات. تنبعث منها الفوتونات (الضوء). وهذه أيضًا هي الطريقة التي يعمل بها ليزر أشباه الموصلات.
يقوم الليزر أيضًا بإنتاج الضوء، ولكن من خلال بنية مختلفة. اقرأ المزيد عن أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في الإلكترونيات . لفهم وصلات p-n وأشباه الموصلات بشكل أفضل، ستحتاج إلى استثمار قدر كبير من الوقت في محاضرة، فهي ليست ظاهرة بسيطة وطويلة جدًا لتغطيتها هنا. شاهد محاضرة تعريفية مدتها 59 دقيقة عن الحالة الصلبة (أشباه الموصلات) هنا.
يتم استخدام الفوسفور للمساعدة في تصفية ناتج الضوء من LED. أنها تخلق لونًا “قاسيًا” أكثر نقاءً.
وكان على المهندسين أن يتوصلوا إلى كيفية التحكم في زاوية خروج الضوء من شبه الموصل، وهذا “المخروط الضوئي” ضيق للغاية. لقد اكتشفوا كيفية جعل الضوء ينكسر أو يرتد عن جميع أسطح بلورة أشباه الموصلات لتكثيف ناتج الضوء. هذا هو السبب في أنه من الأفضل رؤية شاشات LED تقليديًا من زاوية واحدة.
أعلاه: ألوان مختلفة من مصابيح LED معروضة في مركز إديسون للتكنولوجيا. تساعد الألسنة المعدنية الموجودة على جانبي كل منها على توزيع الحرارة بعيدًا عن مصباح LED.
تاريخ المصباح الكهربائي الأول
لماذا تم اختراع المصباح الكهربائي؟ أراد إديسون إنشاء مصباح كهربائي يوفر إضاءة متسقة ومتساوية ويمكن للأشخاص العاديين الوصول إليها.
لكن الجدول الزمني للمصباح الكهربائي بدأ قبل ما يقرب من 80 عامًا من حصول إديسون على براءة اختراع خيوط الكربون في عام 1880. وقد اعتمد على الأبحاث الحالية، بما في ذلك خيوط البلاتين للسير همفري ديفي – أول ضوء متوهج على الإطلاق – من عام 1802، والضوء المتوهج طويل الأمد لجيمس ليندسي من عام 1835. .
وكانت الإصدارات الحالية باهظة الثمن للغاية بالنسبة للاستخدام الشخصي أو المنزلي، حتى بالنسبة للأثرياء جدًا. قام إديسون بحل هذه المشكلة من خلال تجربة المواد الخيطية، حيث اخترق خيطًا من الخيزران يدوم 1200 ساعة، وهو أطول مصباح يدوم حتى الآن.
إديسون لم يتوقف عند هذا الحد. لقد اخترع العديد من التقنيات التي جعلت الاستخدام الواسع النطاق للمصابيح الكهربائية أكثر عملية للمجتمع. على سبيل المثال، اخترع القنوات التي تسمح بتوزيع الكهرباء من مولد مركزي.
في حين أن ابتكارات إديسون التكنولوجية كانت مذهلة بالنسبة لوقته، بحلول الخمسينيات من القرن الماضي، كانت المصابيح المتوهجة لا تزال تهدر حوالي 90٪ من طاقتها على شكل حرارة. بدأ الباحثون في البحث عن حلول.
مصابيح الفلورسنت المدمجة
قام كل من توماس إديسون ونيكولا تيسلا بتجربة مصابيح الفلورسنت في تسعينيات القرن التاسع عشر، لكن الإصدارات المبكرة من تكنولوجيا الفلورسنت كانت غير فعالة للغاية بالنسبة للإنتاج التجاري.
في أوائل القرن العشرين، ابتكر بيتر كوبر هيويت ضوء الفلورسنت الذي كان أكثر كفاءة من المصابيح المتوهجة، ولكنه لم يكن مناسبًا للعديد من الاستخدامات بسبب لونه الأزرق والأخضر.
أخيرًا، في عام 1973، اضطر مهندسو الإضاءة بسبب نقص الطاقة إلى إنشاء مصباح فلورسنت عملي للاستخدام على نطاق واسع. قام إدوارد هامر من شركة جنرال إلكتريك بالاعتماد على أبحاث من سيلفانيا لثني أنبوب الفلورسنت إلى شكل حلزوني، مما أدى إلى إنشاء أول ضوء فلورسنت مدمج.
في البداية، كانت هذه المصابيح باهظة الثمن للغاية بحيث لا يمكن استخدامها على نطاق واسع. ولكن بحلول التسعينيات، أصبحت المصابيح الفلورية المتضامة أقل حجماً، وبأسعار معقولة، وأكثر كفاءة. اليوم، أصبحت مصابيح CFL أكثر كفاءة بنسبة 50-75% من المصابيح المتوهجة الحديثة، وتدوم لفترة أطول بحوالي عشر مرات.
تاريخ لمبة LED
اخترع روبرت بيارد وغاري بيتمان مصباح LED بالأشعة تحت الحمراء في عام 1961 أثناء العمل في شركة Texas Instruments. نظرًا لحجمها المجهري، لم يكن لها استخدام يومي عملي.
في العام التالي، في عام 1962، اخترع نيك هولونياك الابن (“أبو الصمام الثنائي الباعث للضوء”) أول مصباح LED ينتج ضوءًا أحمر مرئيًا أثناء عمله في شركة جنرال إلكتريك.
طوال الستينيات، واصل الباحثون والمهندسون تجربة أشباه الموصلات بهدف إنتاج مصابيح LED أكثر كفاءة. أثناء تجربتهم مع ركائز كيميائية مختلفة، بدأ إنتاج مصابيح LED ذات اللون الأحمر والبرتقالي الساطع.
بعد ذلك، في عام 1972، استخدم السيد جورج كرافورد، أثناء عمله في شركة مونسانتو، صمامًا ثنائيًا أحمر وآخر أخضر لإنشاء ضوء أصفر باهت. اخترع كرافورد أيضًا مصباح LED كان أكثر سطوعًا بعشر مرات من مصباح Holonyak. أصبحت شركة مونسانتو أول شركة تنتج مصابيح LED على نطاق واسع.
ابتكار الصمام
واصل العلماء تجربة المواد الأساسية، وإنتاج مصابيح LED ذات اللون الأخضر والبرتقالي والأحمر والبرتقالي والأصفر بحلول أوائل التسعينيات. في عام 1994، اخترع شوجي ناكامورا مصابيح LED الزرقاء فائقة السطوع التي كانت بمثابة الأساس لمصابيح LED التجارية الشائعة اليوم. اقرأ ما هي الأضواء الزرقاء؟ لمعرفة المزيد عن الأضواء الزرقاء.
ثم قام العلماء بإنشاء مصابيح LED بيضاء عن طريق طلاء مصابيح LED الزرقاء بفوسفورات الفلورسنت. وقد أثار هذا الأمر حماس وزارة الطاقة الأمريكية، التي شجعت على مواصلة تطوير مصابيح LED البيضاء للاستخدام التجاري والسكني.
مصابيح LED اليوم: كيف تم تحسين مصابيح LED؟
تعد مصابيح LED (الثنائيات الباعثة للضوء) أكثر خيارات الإضاءة المتاحة كفاءة في استخدام الطاقة. لإنتاج نفس كمية الضوء التي تنتجها لمبة متوهجة بقدرة 60 واط، يستخدم مصباح LED 10 واط فقط. وذلك لأن مصابيح LED تستخدم كل طاقتها تقريبًا كضوء، في حين تطلق المصابيح المتوهجة معظم طاقتها على شكل حرارة.
مثل الإصدارات المبكرة من المصابيح المتوهجة والفلورسنت، كانت ذات يوم باهظة الثمن ومتوفرة بألوان محدودة. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا سريعة التقدم جعلتها متاحة بأسعار يمكن الوصول إليها، وفي نطاق واسع من درجات حرارة الألوان، ومع مؤشرات تجسيد الألوان الممتازة (CRIs).
درجات حرارة اللون LED
كانت مصابيح LED التجارية الأقدم متاحة فقط في الضوء الأزرق والأبيض. اليوم، تتوفر مصابيح LED بدرجات حرارة اللون الذهبي الدافئ (2700 كلفن – 3000 كلفن) بالإضافة إلى اللون الأبيض الناصع المزرق (5000 كلفن).
يعتبر اللون الأبيض الناعم (2700K) مثاليًا للردهات ومساحات الضيوف ومناطق المعيشة السكنية.
يُفضل اللون الأبيض الساطع (4000K) لمساحات العمل، مثل المطابخ والجراجات والمستودعات.
يشجع ضوء النهار (5000 كلفن) على الإنتاجية وهو رائع للقراءة والعمل وأي مساحات تتطلب الانتباه والطاقة العالية.
مؤشر تجسيد اللون
كلما ارتفع مؤشر تجسيد اللون (CRI)، كلما كان ذلك أفضل. يساعد CRI العالي عينك على التمييز بين الألوان. يتم قياس CRI على مقياس من 0 إلى 100، مع درجة مثالية تبلغ 100 تشير إلى ظهور الألوان كما تظهر في ضوء الشمس الطبيعي.
خفيف
تعتبر تصنيفات CRI التي تبلغ ثمانين أو أعلى مقبولة لمعظم التطبيقات.
تعتبر المصابيح ذات تصنيفات CRI التي تبلغ تسعين أو أعلى عالية، وهي مثالية للمواقف التي تكون فيها دقة الألوان أمرًا بالغ الأهمية.
أضواء LED مخصصة من TCP
بفضل أكثر من عقدين من الخبرة في الإضاءة، تدرك TCP أهمية الجودة عندما يتعلق الأمر بتصميم الإضاءة وتصنيعها وتركيبها. إذا كنت بحاجة إلى مصابيح، فسنقوم بإنشاء حل مخصص عالي الجودة ليناسب احتياجاتك المحددة.
