أساسيات الصمام الثنائي الباعث للضوء Light Emitting Diode LED
يعتبر الصمام الثنائي الباعث للضوء أو LED ببساطة أحد أكثر مصادر الضوء شيوعًا في الوقت الحالي. سواء كانت المصابيح الأمامية لسيارتك (أو المصابيح النهارية) أو مصابيح غرفة المعيشة في منزلك ، فإن تطبيقات LED لا تعد ولا تحصى.
على عكس المصابيح الخيطية القديمة (تقريبًا) ، تحتاج مصابيح LED (والمصابيح الفلورية) إلى دائرة خاصة لجعلها تعمل. يطلق عليهم ببساطة كسائقي LED (أو صابورة في حالة المصابيح الفلورية).
نظرًا لأن مصابيح LED أمر لا مفر منه في حياتنا ، فمن المستحسن للأشخاص المهتمين (المهندسين ومصممي السائقين وما إلى ذلك) التعرف على أساسيات الصمام الثنائي الباعث للضوء. تتكون هذه المقالة كدليل موجز لفهم LED ، والذي يتضمن مقدمة موجزة ، والرمز الكهربائي للـ LED ، والأنواع ، والبناء ، والخصائص ، وبرامج تشغيل LED وغيرها.
ملاحظة: هناك نسخة أبسط من هذه المقالة "LED - Light Emitting Diode" ، والتي تعطي نظرة عامة على LED بطريقة أبسط دون الخوض في التفاصيل الفنية.
الخطوط العريضة
- مقدمة
- أنواع المصابيح
- بناء الصمام
- الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLED)
- ألوان الصمام الثنائي الباعث للضوء
- نمط الإشعاع
- الخصائص العامة لمصادر الضوء
- محرك الأقراص الحالي مقابل إخراج الضوء
- كفاءة ذرية
- سرعة التحويل
- الطول الموجي الطيفي
- العرض الطيفي
- خصائص LED I-V
- حساب مقاومة سلسلة LED
- الصمام الثنائي الباعث للضوء متعدد الألوان
- الثنائيات ثنائية اللون الباعثة للضوء
- الصمام الثنائي الباعث للضوء الملون ثلاثي
- دوائر سائق LED
- يقود الصمام باستخدام الترانزستور
- التحكم في شدة ضوء LED باستخدام PWM
- يعرض LED
- مزايا وعيوب وتطبيقات LED
- مزايا
- سلبيات
- التطبيقات
مقدمة
أهم مصدرين لانبعاث ضوء أشباه الموصلات يستخدمان على نطاق واسع في مختلف التطبيقات هما الصمامات الثنائية الليزرية ومصابيح LED. يعتمد التشغيل الأساسي لثنائيات الليزر على الانبعاث المُحفَّز ، بينما يعتمد الصمام الثنائي الباعث للضوء على الانبعاث التلقائي.
الثنائيات الباعثة للضوء هي المصدر الأكثر شيوعًا للضوء المتاح في المكونات الإلكترونية. على سبيل المثال ، يتم استخدامها على نطاق واسع لعرض الوقت والعديد من أنواع البيانات الأخرى على الشاشات في أجهزة عرض معينة. المصابيح هي أجهزة أشباه الموصلات البصرية ، والتي تحول التيار الكهربائي بسهولة إلى إضاءة (أو ضوء). عادة ما تكون مساحة LED أقل بكثير ويمكن استخدام العديد من المكونات الضوئية المتكاملة في تصميم نمط الإشعاع الخاص بها. تتميز بميزة رئيسية تتمثل في انخفاض تكلفة التصنيع وتوفر عمرًا أطول من الصمام الثنائي لليزر.
يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء من عنصرين رئيسيين من أشباه الموصلات. وهي عبارة عن ثقوب موجبة الشحنة من النوع P وإلكترونات سالبة الشحنة من النوع N.
رموز LED
عندما يكون الجانب P الموجب من الصمام الثنائي متصلاً بمصدر الطاقة والجانب N على الأرض ، يُقال إن الاتصال في انحياز أمامي ، مما يسمح للتيار الكهربائي بالتدفق عبر الصمام الثنائي. تتحد ناقلات الشحنة ذات الأغلبية والأقلية من الجانب P والجانب N مع بعضها البعض وتحييد ناقلات الشحن في طبقة النضوب عند تقاطع PN.
تؤدي هجرة الإلكترونات والثقوب بدورها إلى إطلاق قدر من الفوتونات ، والتي تطلق الطاقة في شكل ضوء أحادي اللون بطول موجة ثابت عادةً بالنانومتر ، والذي يشبه لون LED. عادةً ما يكون الطيف اللوني لانبعاث LED ضيقًا للغاية.
بشكل عام ، يمكن تحديده كمجموعة معينة من الأطوال الموجية في الطيف الكهرومغناطيسي. يعد اختيار انبعاث اللون من LED محدودًا إلى حد ما نظرًا لطبيعة أشباه الموصلات المستخدمة في التصنيع. ألوان LED المتاحة بشكل عام هي الأحمر والأخضر والأزرق والأصفر والعنبر والأبيض.
يمكن دمج الضوء من الألوان الأحمر والأزرق والأخضر بسهولة لإنتاج ضوء أبيض مع سطوع محدود. يبلغ جهد العمل للألوان الأحمر والأخضر والعنبر والأصفر حوالي 1.8 فولت. يمكن تحديد النطاق الفعلي لجهد العمل للديود الباعث للضوء من خلال جهد الانهيار لمادة أشباه الموصلات التي تدخل في بناء LED. يتم تحديد لون الضوء المنبعث في LED بواسطة مواد أشباه الموصلات التي تشكل تقاطع PN للديود.
يرجع ذلك إلى الاختلافات في بنية نطاق فجوة الطاقة لمواد أشباه الموصلات وبالتالي يتم إصدار عدد مختلف من الفوتونات بترددات مختلفة. ومع ذلك ، فإن الطول الموجي للضوء يعتمد على فجوة النطاق لمواد أشباه الموصلات عند التقاطع وتعتمد شدة الضوء على كمية الطاقة أو الطاقة المطبقة من خلال الصمام الثنائي. يمكن الحفاظ على الطول الموجي الناتج باستخدام أشباه الموصلات المركبة ، بحيث يمكن ملاحظة اللون المطلوب ، مما يوفر الإخراج ضمن النطاق المرئي.
يمكن إنتاج الضوء والتحكم فيه بالوسائل الإلكترونية بعدة طرق. في الثنائيات الباعثة للضوء ، يتم إنتاج الضوء من خلال مفهوم التلألؤ الكهربائي وهو عملية الحالة الصلبة. في ظل ظروف معينة لإنتاج الضوء ، يمكن أن تنتج إجراءات الحالة الصلبة ضوءًا متماسكًا ، كما هو الحال في ثنائيات الليزر.
أنواع المصابيح
انبعاث الضوء يمكن تصنيف ثنائيات ting على نطاق واسع على أنها فئتان رئيسيتان من مصابيح LED. هم انهم
المصابيح المرئية
مصابيح LED غير مرئية
تُستخدم مصابيح LED المرئية بشكل أساسي للمفاتيح والشاشات الضوئية ولأغراض الإضاءة دون استخدام أي مستشعرات للصور. تُستخدم مصابيح LED غير المرئية في التطبيقات بما في ذلك المفاتيح الضوئية والتحليل والاتصالات البصرية وما إلى ذلك ، باستخدام مستشعرات الصور.
فعالية
يتم تحديد تصنيف الثنائيات الباعثة للضوء من حيث فعاليتها في الإضاءة. يتم تعريفه على أنه نسبة التدفق الضوئي إلى طاقة الإدخال الكهربائية المقدمة إلى الصمام الثنائي ويمكن التعبير عنها في لومن لكل واط. يمثل التدفق الضوئي استجابة العين لأطوال موجية مختلفة من الضوء.
اللون
الطول الموجي (ميل بحري)
الكفاءة النموذجية (LM / W)
الكفاءة النموذجية (وزن / وزن)
أحمر
620 - 645
72
0.39
لون أخضر
520 - 550
93
0.15
أزرق
460 - 490
37
0.35
ازرق سماوي
490 - 520
75
0.26
برتقالة حمراء
610 - 620
98
0.29
البناء الصمام
يختلف هيكل وبناء الصمامات الثنائية الباعثة للضوء كثيرًا عن تلك الموجودة في الصمام الثنائي إشارة أشباه الموصلات العادية. سوف ينبعث الضوء من LED عندما يكون تقاطع PN متحيزًا للأمام. تقاطع PN مغطى بهيكل نصف كروي صلب وشفاف من البلاستيك الإيبوكسي يحمي LED من الاضطرابات الجوية والاهتزازات والصدمات الحرارية. يتم تشكيل تقاطع PN باستخدام مواد فجوة النطاق الأدنى مثل زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد الغاليوم ، نيتريد إنديوم الغاليوم ، نيتريد غاليوم الألومنيوم ، كربيد السيليكون إلخ.
في الواقع ، لا يصدر تقاطع LED قدرًا كبيرًا من الضوء بحيث يتم بناء جسم راتنجات الإيبوكسي بطريقة تنعكس فيها فوتونات الضوء المنبعثة من التقاطع بعيدًا عن قاعدة الركيزة المحيطة ويتم تركيزها من خلال الجزء العلوي المقبب من LED ، والتي تعمل بحد ذاتها كعدسة تركز على كمية أكبر من الضوء.
هذا هو السبب في أن الضوء المنبعث يبدو أكثر سطوعًا في الجزء العلوي من LED.
هيكل الصمام الثنائي الباعث للضوء
عادة ، الثنائيات الباعثة للضوء التي تنبعث منها ضوء أحمر اللون مبنية على ركيزة زرنيخيد الغاليوم والثنائيات التي تنبعث منها أضواء ملونة باللون الأخضر / الأصفر / البرتقالي تكون وهمية على ركيزة فوسفيد الغاليوم. بالنسبة لانبعاث اللون الأحمر ، فإن طبقة النوع N مخدرة بـ Tellurium (Te) والطبقة من النوع P مخدرة بالزنك. يتم تشكيل طبقات التلامس باستخدام الألومنيوم على الجانب P وقصدير الألومنيوم على الجانب N على التوالي.
تم تصميم مصابيح LED للتأكد من أن معظم عمليات إعادة تركيب حاملات الشحن تتم على سطح تقاطع PN بالطرق التالية.
عن طريق زيادة تركيز المنشطات الركيزة ، تتحرك الإلكترونات حاملات شحنة الأقلية الإضافية إلى الجزء العلوي من الهيكل ، وتعيد توحيد وتنبعث الضوء على سطح LED.
عن طريق زيادة طول انتشار حاملات الشحنة ، أي L = √ Dτ ، حيث D هي معامل الانتشار و هي فترة حياة حامل الشحنة. عندما تزيد عن القيمة الحرجة ستكون هناك فرصة لإعادة امتصاص الفوتونات المحررة في الجهاز.
عندما يتم توصيل الصمام الثنائي في انحياز أمامي ، تكتسب حاملات الشحنة كمية كافية من الطاقة للتغلب على الحاجز المحتمل الموجود عند تقاطع PN. عندما يتم تطبيق التحيز الأمامي ، يتم حقن ناقلات الشحنة الأقلية على كل من النوع P و N عبر التقاطع وإعادة الاتحاد مع ناقلات الأغلبية. قد يكون إعادة تركيب ناقلات شحن الأغلبية والأقلية إما إشعاعيًا أو غير مشع. ينبعث من إعادة التركيب الإشعاعي الضوء ، كما ينتج عن إعادة التركيب غير الإشعاعي حرارة.
الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLED)
في الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ، تكون مادة أشباه الموصلات المركبة المستخدمة في تصميم LED عضوية بطبيعتها. تكون مادة أشباه الموصلات العضوية موصلة للكهرباء في جزء ما أو الجزيء بأكمله بسبب الإلكترون المترافق ؛ نتيجة لذلك هو شبه موصل عضوي. قد تكون المادة في الطور البلوري أو الجزيئات البوليمرية. تتميز بالهيكل الرقيق ، التكلفة الأقل ، الجهد المنخفض للقيادة ، نمط الإشعاع الممتاز ، الإشعاع العالي ، التباين الأقصى والشدة.
ألوان الصمام الثنائي الباعث للضوء
على عكس أشباه الموصلات العادية ، وصمامات الإشارة الثنائية التي تُستخدم لتبديل الدوائر والمعدلات ودوائر إلكترونيات الطاقة المصنوعة إما من السيليكون أو الجرمانيوم من مواد أشباه الموصلات ، يتم تصنيع الثنائيات الباعثة للضوء من مواد أشباه الموصلات المركبة مثل غاليوم أرسينيد ، جاليوم أرسينيد فوسفيد ، سيليكون يتم خلط كل من الكربيد ونتريد الغاليوم إنديوم معًا بنسب مختلفة لإنتاج طول موجي مميز فريد من نوعه.
تبعث مركبات أشباه الموصلات المختلفة الضوء في مناطق محددة من طيف الضوء المرئي ، وبالتالي تنتج مستويات شدة مختلفة من الضوء. سيحدد اختيار مادة أشباه الموصلات المستخدمة في تصنيع LED الطول الموجي لانبعاثات الفوتون واللون الناتج للضوء المنبعث.
نمط الإشعاع
يتم تعريفه على أنه زاوية انبعاث الضوء فيما يتعلق بالصور المنبعث يمكن حساب قيمة المقاومة للمقاوم المتسلسل باستخدام الصيغة أدناه. عادةً ما يعتبر التيار الأمامي لمصباح LED عادي 20 مللي أمبير.
دائرة المقاومة سلسلة LED
الصمام الثنائي الباعث للضوء متعدد الألوان
هناك عدد كبير من مصابيح LED متوفرة في السوق بأشكال وأحجام مختلفة وألوان مختلفة وكثافة مختلفة لإخراج الضوء. الغاليوم زرنيخيد فوسفيد أحمر اللون ليد بقطر 5 مم هو أكثر استخدامات LED وهو رخيص جدًا في الإنتاج. يتم تصنيع الثنائيات الباعثة للضوء مع انبعاث ألوان متعددة في الوقت الحاضر وهي متوفرة في العديد من الحزم ، معظمها من اثنين إلى ثلاثة مصابيح LED داخل عبوة واحدة.
الثنائيات ثنائية اللون الباعثة للضوء
اثنين من ألوان ضوء LED باستخدام دائرة واحدة
الثنائيات ثنائية اللون الباعثة للضوء هي نوع من مصابيح LED مشابهة لمصابيح LED أحادية اللون فقط مع شريحة LED إضافية واحدة مرفقة في العبوة. قد تحتوي المصابيح ثنائية اللون إما على اثنين أو ثلاثة خيوط للتوصيل ؛ ذلك يعتمد على الطريقة المستخدمة. بشكل عام ، يتم توصيل خيوط LED في تركيبة متوازية معكوسة. يتم توصيل أنود أحد مصابيح LED بالكاثود الخاص بمؤشر LED آخر والعكس صحيح. عندما يتم توفير العرض لأي من الأنود ، سوف يتوهج مؤشر LED واحد فقط. يمكننا أيضًا تشغيل كلا المصباحين في نفس الوقت من خلال التبديل الديناميكي بسرعة عالية.
الصمام النائي الباعث للضوء الملون ثلاثي
عادةً ما يكون لثلاثة مؤشرات LED رئيسية كاثود مشترك حيث يتم توصيل شريحتا LED الأخريين داخليًا. يجب تشغيل إما واحد أو اثنين من مصابيح LED ، فمن الضروري توصيل الكاثود المشترك بالأرض. المقاومات المحددة الحالية متصلة بكل من الأنودات للتحكم في التيار بشكل فردي.
أساسيات الصمام الثنائي الباعث للضوء RGB LED
لإضاءة LED أحادية اللون أو ثنائية اللون ، من الضروري توصيل مصدر الطاقة بأي من الأنودات بشكل فردي أو في نفس الوقت. تتكون هذه المصابيح ثلاثية الألوان من رقائق LED أحادية اللون وخضراء متصلة بنفس القطب السالب. يولد هذا النوع من الثنائيات ظلالًا إضافية من الألوان الأساسية عن طريق تشغيل مصباحي LED بنسب مختلفة من التيار الأمامي.
دوائر سائق LED
يمكن استخدام الدوائر المتكاملة إما الدوائر التوافقية أو الدوائر المتسلسلة لقيادة الثنائيات الباعثة للضوء. يمكن تشغيل أو إيقاف تشغيل الثنائيات الباعثة للضوء باستخدام دوائر متكاملة. يمكن استخدام مراحل الإخراج للبوابات المنطقية TTL أو CMOS لتشغيل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء كمفاتيح في وضعي التكوين. إنها وسائط المصدر والمغسلة للتكوين.
يمكن أن يكون تيار الخرج الذي توفره الدوائر المتكاملة في تكوين وضع الحوض حوالي 50 مللي أمبير وفي تكوين وضع المصدر يمكن أن يكون التيار الأمامي حوالي 30 مللي أمبير. ومع ذلك ، يجب أن يكون التيار الذي يحركه الصمام الثنائي الباعث للضوء محدودًا بواسطة المقاوم المتصل في سلسلة.
دوائر LED
يقود الصمام باستخدام الترانزستور
بدلاً من استخدام الدوائر المتكاملة ، يمكن تشغيل مصابيح LED باستخدام مكونات منفصلة مثل الترانزستورات ثنائية القطب PNP و NPN. يمكن استخدام المكونات المنفصلة في قيادة أكثر من LED كما هو الحال في هياكل مصفوفة LED الكبيرة.
يستخدم عدد أقل من التطبيقات مؤشر LED واحد فقط في عملها. تُستخدم ترانزستورات الوصلة لتوجيه التيار عبر الثنائيات المتعددة الباعثة للضوء بطريقة تجعل التيار الأمامي الذي يحركه LED حوالي 10 - 20 مللي أمبير. إذا تم استخدام ترانزستور NPN في قيادة LED ، فإن المقاوم المتسلسل يعمل كمصدر حالي. إذا تم استخدام ترانزستور PNP في قيادة مصابيح LED ، فإن المقاوم المتسلسل يعمل كمغسلة للتيار.
ترانزستورات قيادة المصابيح
تطبيقات مثل مجموعة الإضاءة الخلفية للشاشة أو أضواء الشوارع أو كبديل لمصباح الفلورسنت أو المصباح المتوهج ، تتطلب معظم التطبيقات أكثر من LED. بشكل عام ، يؤدي تشغيل عدد من مصابيح LED الفردية بالتوازي إلى مشاركة تيار غير منتظم بين مصابيح LED ؛ حتى مع ذلك ، يتم تصنيف جميع مصابيح LED لنفس انخفاض الجهد الأمامي.
إذا فشل LED الفردي في قيادة مصابيح LED المتسلسلة ، يمكن التغلب عليها من خلال توفير ثنائيات Zener المتوازية أو مقومات التحكم بالسيليكون (SCR) عبر كل LED فردي في السلسلة. تعد SCRs هي الخيار الذكي لأنها تبدد طاقة أقل إذا كان عليها القيام بها حول مؤشر LED الفاشل.
في حالة الجمع المتوازي ، يكون تضمين محرك منفصل لكل سلسلة أكثر تكلفة من استخدام عدد قليل من برامج التشغيل ذات سعة الإخراج المناسبة.
التحكم في شدة ضوء LED باستخدام PWM
يتم التحكم في شدة الضوء المنبعث من LED بواسطة التيار المتدفق من خلاله. نظرًا لتغير التيار عبره ، يمكن التحكم في سطوع الضوء. إذا تم السماح بمرور كمية كبيرة من التيار عبر الصمام الثنائي ، فإن ضوء LED يضيء بشكل أفضل من المعتاد.
إذا تجاوز التيار قيمته القصوى ، تزداد شدة الضوء بشكل أكبر وتتسبب في تبديد الصمام للحرارة. تم تعيين الحد الحالي للأمام لتصميم LED الذي يتراوح من 10 إلى 40 مللي أمبير. عندما يكون التيار المطلوب أقل بكثير ، فقد تكون هناك فرص لإيقاف تشغيل LED.
في مثل هذه الحالات للتحكم في سطوع الضوء والتيار المطلوب بواسطة LED ، وهي عملية تعرف باسم pulيتم استخدام تعديل العرض se لتشغيل وإيقاف تشغيل LED بشكل متكرر اعتمادًا على شدة الضوء المطلوبة. تعمل أجهزة التحكم الخطية على تبديد الطاقة الزائدة على شكل حرارة ، ونتيجة لذلك لتوفير الكمية المطلوبة من الطاقة ، يتم استخدام محركات PWM لأنها لا توفر الطاقة على الإطلاق.
بادئ ذي بدء ، من أجل حقن نبضات PWM في دوائر LED ، يلزم أولاً استخدام مذبذب PWM. هناك أعداد مختلفة من مولدات PWM.
التحكم في شدة ضوء LED باستخدام PWM
يعرض LED
يتم الجمع بين لون واحد وثنائي اللون ومتعدد الألوان والعديد من الثنائيات الأخرى الباعثة للضوء كحزمة واحدة. يمكن استخدامها كإضاءة خلفية وشرائط ورسوم بيانية شريطية. أحد المتطلبات الأساسية لأجهزة العرض الرقمية هو العرض الرقمي المرئي. يظهر المثال الشائع لهذه الحزمة الفردية من عدة مصابيح LED في سبع شاشات عرض.
شاشة من سبعة أجزاء ، كما يوحي الاسم ، تتكون من سبعة مصابيح LED داخل حزمة العرض الفردية. يمكن استخدامه لعرض المعلومات.
قد تكون معلومات العرض في شكل بيانات رقمية من أرقام وحروف وأحرف وأيضًا أحرف أبجدية رقمية. عادةً ما تحتوي شاشة العرض ذات الأجزاء السبعة على ثماني مجموعات من توصيلات الإدخال ، واحدة لكل LED والأخرى هي نقطة اتصال مشتركة لجميع مصابيح LED الداخلية.
إذا كانت كاثودات جميع مصابيح LED متصلة ببعضها البعض ومن خلال تطبيق إشارة منطقية عالية ، فسيتم إضاءة الأجزاء الفردية. بنفس الطريقة إذا كانت الأنودات الخاصة بجميع مصابيح LED متصلة ببعضها البعض وبتطبيق إشارة LOW المنطقية ، فإن الأجزاء الفردية تضيء.
عرض الأجزاء السبعة الأنود المشترك
مزايا وعيوب وتطبيقات LED
مزايا
حجم رقاقة صغير وتكلفة منخفضة
حياة مديدة
كفاءة عالية في استخدام الطاقة
درجة حرارة منخفضة
المرونة في التصميم
ألوان متعددة
صديقة للبيئة
سرعة تحويل عالية
شدة إضاءة عالية
مصممة لتركيز ضوءها في اتجاه معين
أقل تضررا من الأضرار
إشعاع أقل للحرارة
أكثر مقاومة للصدمات والاهتزازات الحرارية
لا وجود للأشعة فوق البنفسجية
سلبيات
الاعتماد على درجة الحرارة المحيطة لقدرة الخرج المشعة والطول الموجي للـ LED.
الحساسية للأضرار الناتجة عن الجهد الزائد و / أو التيار الزائد.
تتحقق الكفاءة الكلية النظرية فقط في ظروف التبريد أو النبضات الخاصة.
التطبيقات
في المركبات ذات المحركات وأضواء الدراجات
مؤشرات وعلامات وإشارات إشارات المرور الضوئية
في لوحات عرض البيانات
في التطبيقات والألعاب الطبية
تطبيقات غير مرئية
في المصابيح الكهربائية وغيرها الكثير
وحدة التحكم عن بعد.
تعليقات
إرسال تعليق