المصابيح الملونة: كيف تحصل على الألوان المختلفة؟

الكثير المصابيح الملونة لقد كانوا يرافقوننا في السنوات الأخيرة. في كل مرة تظهر ظلال جديدة من مصابيح LED ، حيث لم يكن الأمر سهلاً في جميع الحالات. على سبيل المثال ، من باب الفضول ، يجب أن تعلم أن مصابيح LED ذات الضوء الأبيض ومصابيح LED ذات الضوء الأزرق كانت من بين آخر المصابيح التي تم طرحها في السوق.

حاليا ، لقد أصبحوا نوع من الصمام الثنائي ضروري للعديد من المجالات. لذلك ، في هذه المقالة سوف تتعلم كل شيئ ترغب بمعرفته على هذه المكونات الإلكترونية الأساسية، ولماذا ينبعث منها الضوء ، ولماذا هذه الألوان ، وأكثر من ذلك بكثير ...

مصادر انبعاث ضوء أشباه الموصلات

كما يجب أن تعلم ، فإن مصدري انبعاث الضوء الذي يمكن أن يأتي من أجهزة أشباه الموصلات هما ثنائيات الليزر وثنائيات LED. بينما يعتمد LED على الانبعاث التلقائي ، يعتمد الليزر على الانبعاث المحفّز. هذا هو الفرق بين الاثنين.

الكثير الثنائيات الباعثة للضوء (الصمام الثنائي الباعث للضوء) هم مصدر الضوء الأكثر شيوعًا بين المعدات الإلكترونية. تُستخدم لإظهار الوقت على الساعات الرقمية ، للإشارة إلى تشغيل البطارية أو شحنها ، إلخ. التطبيقات كثيرة ، والآن انتقلوا أيضًا إلى الإضاءة باستخدام لمبات LED الجديدة لإضاءة جميع أنواع الغرف وحتى للمركبات.

تنتمي أجهزة LED هذه إلى مجموعة أشباه الموصلات البصرية، قادرة على تحويل التيار الكهربائي إلى ضوء. يتميز جهاز الإضاءة هذا بكونه متينًا ، لأنه لا يحترق مثل المصابيح الكهربائية ، كما أنه أكثر كفاءة ، لذا فإن الاستهلاك أقل بكثير من المصابيح التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة تصنيعها منخفضة للغاية ، ولهذا السبب أصبحت شائعة جدًا.

مثل أي جهاز آخر لأشباه الموصلات ، يحتوي LED على العناصر الأساسية الأساسية ، مثل مناطق P بها ثقوب (+) ومناطق N بها إلكترونات (-)، أي ، حاملات الشحنة المعتادة لأي من أشباه الموصلات. وهذا يجعل:

• عندما يكون الجانب P متصلاً بمصدر طاقة والجانب N بالأرض ، يكون الاتصال منحازًا للأمام ، مما يسمح للتيار بالتدفق عبر الصمام الثنائي وينبعث منه الضوء الذي يمكننا جميعًا رؤيته.
• إذا كان الجانب P متصلاً بالأرض وكان الجانب N متصلًا بمصدر الطاقة ، فيُقال أن الاتصال منحازًا عكسيًا ، مما يمنع تدفق التيار. أنت تعلم بالفعل أن الثنائيات تمنع مرور التيار في اتجاه واحد.
• عندما تكون منحازة للأمام ، تتحد حاملات الشحنة ذات الأغلبية P و N-side والأقلية مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تحييد ناقلات الشحنة في طبقة النضوب في تقاطع PN. وبالمقابل ، فإن هجرة الإلكترونات والثقوب هذه تطلق كمية معينة من الفوتونات ، أي أن جزءًا من الطاقة ينبعث على شكل ضوء ، بطول موجي ثابت (أحادي اللون). هذا هو ما يميز لون LED ، لأنه اعتمادًا على الطول الموجي الذي ينبعث منه يمكن أن يكون الأشعة تحت الحمراء ، والأزرق ، والأصفر ، والأخضر ، والأصفر ، والعنبر ، والأبيض ، والأحمر ، والأشعة فوق البنفسجية ، وما إلى ذلك.
• يتم تحديد الطول الموجي المنبعث من الطيف الكهرومغناطيسي ، وبالتالي اللون ، من خلال مواد أشباه الموصلات التي تشكل تقاطع PN للديود. لذلك ، يمكن تنويع مركبات أشباه الموصلات أو اللعب بها لإنشاء ألوان جديدة ضمن النطاق أو النطاق المرئي.

يجب القول أن الألوان الأحمر والأزرق والأخضر (RGB أو الأحمر والأخضر والأزرق) يمكن دمجها بسهولة لتتمكن من ذلك تنتج الضوء الأبيض. من ناحية أخرى ، يجب القول أن جهد العمل لمصابيح LED يختلف أيضًا حسب اللون. على سبيل المثال ، تحتاج الألوان الأحمر والأخضر والعنبر والأصفر إلى حوالي 1.8 فولت لتعمل. وهو أن نطاق جهد العمل للديود الباعث للضوء يمكن تحديده وفقًا لجهد الانهيار لمادة أشباه الموصلات المستخدمة في تصنيع LED.

أنواع LED

يمكن تصنيف مصابيح LED بعدة طرق ، تتمثل إحدى الطرق الرئيسية في القيام بذلك وفقًا لطول الموجة التي تنبعث منها ، مما يترك فئتين:

•  المصابيح المرئية: هي تلك التي تصدر أطوال موجية داخل الطيف المرئي ، أي ما بين 400 نانومتر و 750 نانومتر. هذا النطاق هو ما يمكن للعين البشرية رؤيته ، تمامًا كما في مجال الصوت لا يمكننا سماعه إلا بين 20 هرتز و 20 كيلوهرتز. أقل من 20 هرتز هي الأشعة تحت الصوتية التي لا يمكننا سماعها ، وأكثر من 20 كيلو هرتز هي الموجات فوق الصوتية التي لا يمكننا التقاطها أيضًا. يحدث شيء مشابه في حالة الضوء ، وجود الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة تحت الحمراء عندما تقل عن 400 نانومتر والأشعة فوق البنفسجية عندما تتجاوز 750 نانومتر. كلاهما غير مرئي للعين البشرية.
•  المصابيح غير المرئية: هي تلك الأطوال الموجية التي لا يمكننا رؤيتها ، كما هو الحال مع الصمام الثنائي IR أو الصمام الثنائي للأشعة فوق البنفسجية.

تستخدم مصابيح LED المرئية بشكل أساسي للإضاءة أو الإشارة. تُستخدم مصابيح LED غير المرئية في التطبيقات بما في ذلك المفاتيح الضوئية والاتصالات والتحليل البصري وما إلى ذلك ، باستخدام مستشعرات الصور.

كفاءة

كما تعلم جيدًا ، فإن إضاءة LED كثيرة أكثر كفاءة من التقليدية ، لذلك فهي تستهلك طاقة أقل بكثير. هذا يرجع إلى طبيعة المصابيح. وفي الجدول التالي ، يمكنك رؤية العلاقة بين التدفق الضوئي وطاقة الإدخال الكهربائي التي يتم توفيرها لمصباح LED. وهذا يعني أنه يمكن التعبير عنها في لومن لكل واط (lm / W):

بناء الصمام

المصدر: ResearchGate

La يختلف هيكل وتركيب الثنائيات الباعثة للضوء اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في الصمام الثنائي العادي، مثل زينر ، إلخ. سوف ينبعث الضوء من LED عندما يكون تقاطع PN متحيزًا للأمام. تقاطع PN مغطى براتنج إيبوكسي صلب وقبة نصف كروية بلاستيكية شفافة تحمي الجزء الداخلي من LED من الاضطرابات الجوية والاهتزازات والصدمات الحرارية.

يتم تشكيل تقاطع PN باستخدام المواد المركبات ذات فجوة الحزمة المنخفضة مثل زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد الغاليوم ، نيتريد الغاليوم الإنديوم ، نيتريد الألومنيوم الغاليوم ، كربيد السيليكون ، إلخ. على سبيل المثال ، المصابيح الحمراء مبنية على ركيزة زرنيخيد الغاليوم والأخضر والأصفر والبرتقالي على فوسفيد الغاليوم ، إلخ. في اللون الأحمر ، يتم تخدير الطبقة من النوع N بالتيلوريوم (Te) والطبقة P مخدرة بالزنك (Zn). من ناحية أخرى ، يتم تشكيل طبقات التلامس باستخدام الألومنيوم على الجانب P وقصدير الألومنيوم على الجانب N.

أيضًا ، يجب أن تعلم أن هذه التقاطعات لا تصدر الكثير من الضوء ، لذا فإن قبة راتنجات الايبوكسي تم إنشاؤه بطريقة تجعل فوتونات الضوء المنبعثة من تقاطع PN أفضل انعكاسًا وتركيزًا من خلالها. أي أنها لا تعمل فقط كحامي ، ولكن أيضًا كعدسة مركزة للضوء. هذا هو السبب في أن الضوء المنبعث يبدو أكثر إشراقًا في الجزء العلوي من LED.

تم تصميم المصابيح لضمان أن تتم معظم عمليات إعادة تركيب ناقلات الشحن على سطح تقاطع PN لأسباب واضحة ويتم تحقيق ذلك بهذه الطريقة:

• من خلال زيادة تركيز المنشطات للركيزة ، تنتقل إلكترونات حامل شحنة أقلية إضافية إلى الجزء العلوي من الهيكل ، وتعيد توحيدها ، وتنبعث منها الضوء على سطح LED.
• عن طريق زيادة طول انتشار حاملات الشحنة ، أي L = √ Dτ ، حيث D هو معامل الانتشار و هو عمر حامل الشحنة. عندما يتم زيادتها إلى ما بعد القيمة الحرجة ، ستكون هناك إمكانية لإعادة امتصاص الفوتونات المحررة في الجهاز.

وبالتالي ، عندما يكون الصمام الثنائي متصلاً بالتحيز الأمامي ، ناقلات البضائع يكتسبون طاقة كافية للتغلب على الحاجز المحتمل الحالي عند تقاطع PN. يتم حقن ناقلات الشحنة الأقلية في كل من أشباه الموصلات من النوع P و N عبر التقاطع وإعادة تجميعها مع ناقلات الغالبية. يمكن أن يكون الجمع بين ناقلات الأغلبية والأقلية بطريقتين:

• إشعاعي: عندما ينبعث الضوء أثناء إعادة التركيب.
• لا إشعاعي: أثناء إعادة التركيب لا ينبعث ضوء ، تنتج الحرارة. أي أن جزءًا من الطاقة الكهربائية المطبقة يُفقد في شكل حرارة وليس ضوء. اعتمادًا على النسبة المئوية للطاقة المستخدمة لتوليد الضوء أو الحرارة ، ستكون هذه هي كفاءة LED.

أشباه الموصلات العضوية

لقد اقتحموا السوق مؤخرًا OLED أو الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ، والتي تم استخدامها في شاشات العرض. تتكون هذه الثنائيات العضوية الجديدة من مادة ذات طبيعة عضوية ، أي شبه موصل عضوي ، حيث يُسمح بالتوصيل جزئيًا أو في كل الجزيء العضوي.

قد تكون هذه المواد العضوية في المرحلة البلورية أو في جزيئات بوليمرية. يتميز هذا بهيكل رفيع للغاية ، وتكلفة منخفضة ، ويحتاجون إلى جهد كهربائي منخفض جدًا للعمل ، ولديهم سطوع عالٍ ، وأقصى قدر من التباين والشدة.

ألوان LED

على عكس ثنائيات أشباه الموصلات العادية ، تصدر مصابيح LED هذا الضوء بسبب المركبات التي تستخدمها ، كما ذكرت سابقًا. تصنع ثنائيات أشباه الموصلات العادية من السيليكون أو الجرمانيوم ، لكن الثنائيات الباعثة للضوء بها مجمعات سكنية مثل:

• مركب الزرنيخ
• فوسفيد زرنيخيد الغاليوم
• كربيد السيليسيوم
• نيتريد الغاليوم الإنديوم

يمكن أن ينتج عن خلط هذه المواد طول موجي فريد ومختلف ، من أجل تحقيق اللون المطلوب. تبعث مركبات أشباه الموصلات المختلفة الضوء في مناطق محددة من طيف الضوء المرئي ، وبالتالي تنتج مستويات مختلفة من شدة الضوء. سيحدد اختيار مادة أشباه الموصلات المستخدمة في تصنيع LED الطول الموجي لانبعاثات الفوتون واللون الناتج للضوء المنبعث.

نمط الإشعاع

يُعرَّف مخطط الإشعاع بأنه زاوية انبعاث الضوء بالنسبة للسطح المنبعث. سيتم الحصول على أقصى قدر من الطاقة أو الكثافة أو الطاقة في الاتجاه العمودي على السطح المنبعث. تعتمد زاوية انبعاث الضوء على اللون المنبعث وتتراوح عادة بين حوالي 80 درجة و 110 درجة. هنا جدول مع ألوان ومواد مختلفة:

لا يتم تحديد لون الضوء المنبعث من LED بواسطة لون الجسم من البلاستيك الذي يحيط الصمام. يجب أن يكون هذا واضحا جدا. كما ذكرت سابقًا ، يتم استخدام راتنجات الايبوكسي لتحسين ناتج الضوء ولإشارة إلى اللون عند إيقاف تشغيل مؤشر LED.

متعدد الألوان LED

يوجد في السوق ملف مجموعة واسعة من المصابيح المتاحة، بأشكال وأحجام وألوان مختلفة وكثافة إضاءة ناتجة ، إلخ. ومع ذلك ، لا بد من القول أن الملك بلا منازع بالنسبة لسعره هو الصمام الأحمر فوسفيد زرنيخيد الغاليوم ، بقطر 5 مم. هذا هو الأكثر استخدامًا في العالم ، لذا فهو المنتج الذي يتم تصنيعه بأكبر كمية.

ومع ذلك ، كما رأيت ، يوجد حاليًا العديد من الألوان المختلفة ، ويتم دمج العديد من الألوان لإنتاج ملف متعدد الألوان LED مثل الذي سنراه في هذا القسم ...

ذو لونين

LED ثنائي اللون ، كما يوحي اسمه ، هو LED قادرة على الانبعاث بلونين مختلفين. يتم تحقيق ذلك من خلال الجمع بين اثنين من مصابيح LED الملونة المختلفة في نفس الحزمة. بهذه الطريقة ، يمكنك التغيير من لون إلى آخر. على سبيل المثال ، مثل مصابيح LED التي تراها على بعض الأجهزة للإشارة إلى حالة شحن البطارية التي تتحول إلى اللون الأحمر عند الشحن والأخضر عندما تكون مشحونة بالفعل.

من أجل بناء هذه المصابيح متصلة بالتوازي، مع توصيل أنود أحد مصابيح LED بالكاثود الخاص بمؤشر LED آخر والعكس صحيح. بهذه الطريقة ، عندما يتم توفير الطاقة لأي من الأنودات ، سيضيء مؤشر LED واحد فقط ، وهو الذي يتلقى الطاقة من خلال الأنود الخاص به. إذا تم تشغيل كلا الأنودات في نفس الوقت ، فمن الممكن أيضًا تشغيل كليهما في نفس الوقت باستخدام التبديل الديناميكي.

ساو باولو

لدينا أيضًا مصابيح LED ثلاثية الألوان ، أي هم يمكن أن تنبعث منها ثلاثة ألوان مختلفة بدلا من اثنين. تجمع هذه المصابيح بين ثلاثة مصابيح LED وكاثود مشترك في نفس الحزمة ، ولإضاءة لون أو لونين ، تحتاج إلى توصيل الكاثود بالأرض. والتيار الذي يوفره أنود اللون الذي تريد التحكم فيه أو تشغيله.

وهذا يعني ، بالنسبة لإضاءة LED ذات لون واحد أو لونين ، من الضروري توصيل امدادات الطاقة إلى أي من الأنود بشكل فردي أو في نفس الوقت. غالبًا ما تُستخدم مصابيح LED ثلاثية الألوان هذه في العديد من الأجهزة ، مثل الهواتف المحمولة ، للإشارة إلى الإخطارات ، وما إلى ذلك. أيضًا ، هذا النوع من الصمام الثنائي يولد ظلالًا إضافية من الألوان الأساسية عن طريق تشغيل المصباحين بنسب مختلفة من التيار الأمامي.

ليد رغب

إنه في الأساس نوع من مصابيح LED ثلاثية الألوان ، ويُعرف في هذه الحالة باسم RGB (أحمر أخضر أزرق)، لأنها تنبعث منها تلك الألوان الثلاثة. لقد أصبحت هذه تحظى بشعبية كبيرة في شرائط الزخرفة الملونة ومعدات الألعاب ، كما تعلم. ومع ذلك ، على الرغم من أن لديك الألوان الأساسية ، لا يمكن إنشاء كل الألوان والظلال. تقع بعض الألوان خارج مثلث RGB ، ويصعب الحصول على ألوان مثل الوردي والبني وما إلى ذلك باستخدام RGB.

مزايا وعيوب LED

حان الوقت الآن لمعرفة ما هي أهمها مزايا وعيوب من هذه الثنائيات LED:

ميزة

• حجم صغير
• تكلفة إنتاج منخفضة
• مدة صلاحية طويلة (لن تذوب) *
• كفاءة عالية في استخدام الطاقة / استهلاك منخفض
• درجة حرارة منخفضة / حرارة أقل إشعاعًا
• مرونة التصميم
• يمكنهم إنتاج العديد من الألوان المختلفة ، وحتى الضوء الأبيض.
• سرعة تحويل عالية
• شدة إضاءة عالية
• يمكن تصميمه لتركيز الضوء في اتجاه واحد
• إنها أجهزة شبه موصلة صلبة ، لذا فهي أكثر قوة: أكثر مقاومة للصدمات والاهتزازات الحرارية
• لا وجود للأشعة فوق البنفسجية

عيوب

• الاعتماد على درجة الحرارة المحيطة لقدرة الخرج المشعة والطول الموجي للـ LED.
• الحساسية للتلف بسبب الجهد الزائد و / أو التيار الزائد.
• تتحقق الكفاءة الكلية النظرية فقط في ظل ظروف خاصة من البرودة أو النبضات.

التطبيقات

أخيرًا وليس آخرًا ، من الضروري إظهار ما هي ملفات التطبيقات الممكنة التي تم تصميم مصابيح LED الملونة من أجلها:

• لأضواء السيارة
• اللافتات: مؤشرات ، إشارات ، إشارات مرور
• عرض المعلومات المرئية على لوحات المعلومات
• لشاشات العرض حيث تتكون وحدات البكسل من مصابيح LED
• تطبيقات طبية
• اللعب
• إضاءة
• أجهزة التحكم عن بعد (IR LEDs)
• إلخ