ما هو LED؟

ما هو LED؟

تعريف LED

الدايود الباعث للضوء (LED) هو جهاز شبه موصل يصدر ضوءًا عند مرور تيار كهربائي عبره. تستخدم التقنيات القديمة للـ LED مركبات الفوسفيد الأرسيني الغاليوم (GaAsP)، والفوسفيد الغاليوم (GaP)، والأرسينيد الغاليوم الألمنيوم (AlGaAs). يتم إنتاج الضوء المرئي من خلال تأثير الإشعاع الكهربائي، الذي يحدث عندما يمر التيار المباشر عبر بلورة مشوهة تحتوي على مفصل PN.

تتضمن عملية التشويه إضافة عناصر من العمود الثالث والخامس في الجدول الدوري. عندما يتم تنشيطها بتيار موجب (IF)، يصدر المفصل PN ضوءًا بطول موجي يحدده فجوة الطاقة في المنطقة النشطة (Eg).

عمل الدايود الباعث للضوء (LED)

عند تطبيق التيار الموجب IF عبر مفصل PN للدايود، يتم حقن حاملات الشحنة الصغيرة (الإلكترونات) في منطقة P والحاملات الصغيرة المقابلة في منطقة N. يحدث إصدار الفوتونات بسبب إعادة التركيب بين الإلكترونات والحفر في منطقة P.

تحولات طاقة الإلكترون عبر فجوة الطاقة، التي تسمى بإعادة التركيب الإشعاعية، تنتج فوتونات (أي ضوء)، بينما تحولات الطاقة الجانبية، التي تسمى بإعادة التركيب غير الإشعاعية، تنتج فونونات (أي حرارة). تظهر كفاءة الإضاءة للـ LED النموذجية AlInGaP و InGaN لطول موجي قممي مختلف في الجدول أدناه.

تتأثر كفاءة LED بالضوء المنتج في المفصل وخسائر إعادة الامتصاص عند خروج الضوء من البلورة. نظرًا للمؤشر الانكساري العالي لمعظم المواد شبه الموصلة، يعكس الكثير من الضوء مرة أخرى إلى البلورة، مما يقلل من شدته قبل أن يستطيع الهروب. يتم التعبير عن الكفاءة بمصطلح هذه الطاقة المرئية النهائية القابلة للقياس وتسمى الكفاءة الخارجية.

تم ملاحظة ظاهرة الإشعاع الكهربائي في عام 1923 في المفاصل الطبيعية، لكن كان من غير العملي استخدامه في ذلك الوقت بسبب كفاءته المنخفضة في تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء. ولكن اليوم، ارتفعت الكفاءة بشكل كبير ويتم استخدام LEDs ليس فقط في الإشارات والمصابيح المؤشرية والأشارات والإعلانات، ولكن أيضًا في تطبيقات الإضاءة الداخلية وإضاءة الطرق.

لون LED

يعبر عن لون جهاز LED من حيث الطول الموجي السائد المنبعث، λd (بالميليمتر). تنتج LEDs AlInGaP الألوان الأحمر (626 إلى 630 نانومتر)، الأحمر البرتقالي (615 إلى 621 نانومتر)، البرتقالي (605 نانومتر)، والذهبي (590 إلى 592 نانومتر). تنتج LEDs InGaN الألوان الأخضر (525 نانومتر)، الأخضر الزاهي (498 إلى 505 نانومتر)، والأزرق (470 نانومتر). تعتمد اللون والتوتر الأمامي لـ LEDs AlInGaP على درجة حرارة مفصل PN للـ LED.

مع زيادة درجة حرارة مفصل PN للـ LED، تنخفض الشدة الضوئية، ينتقل الطول الموجي السائد نحو الأطوال الموجية الأطول، وتتراجع التوتر الأمامي. تتغير شدة الإضاءة لـ LEDs InGaN مع درجة الحرارة المحيطة بشكل صغير (حوالي 10٪) من − 20 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية. ومع ذلك، يختلف الطول الموجي السائد لـ LEDs InGaN مع تيار تشغيل LED؛ مع زيادة تيار تشغيل LED، يتحرك الطول الموجي السائد نحو الأطوال الموجية الأقصر.

إذا كنت تبحث عن استخدام LEDs ملونة لمشروع إلكتروني، فإن أفضل مجموعات Arduino الأساسية تشمل مجموعة متنوعة من LEDs الملونة.

التخفيف

يمكن تخفيف LEDs لتوفير 10٪ من الإخراج الضوئي المحدد عن طريق تقليل التيار التشغيلي. يتم عادةً تخفيف LEDs باستخدام تقنيات تعديل العرض النبضي.

الموثوقية

درجة الحرارة القصوى للمفصل (TJMAX) مهمة جداً لاستمرارية LED. تجاوز هذه الحرارة عادةً يضر الجهاز المحاط. يتم قياس عمر LED بواسطة متوسط الوقت بين الفشل (MTBF)، والذي يتم حسابه عن طريق اختبار العديد من LEDs بتيار قياسي ودرجة حرارة حتى يفشل نصفها.

LEDs البيضاء

يتم تصنيع LEDs البيضاء حالياً باستخدام طريقةين: في الطريقة الأولى يتم دمج رقائق LED الحمراء والخضراء والأزرق في نفس الحزمة لإنتاج الضوء الأبيض؛ في الطريقة الثانية يتم استخدام الفسفور. يتم تنشيط الفلوريسنس في الفسفور الذي يتم تغليفه في الإبوكسي المحيط برقاقة LED بواسطة الطاقة ذات الطول الموجي القصير من جهاز LED InGaN.

كفاءة الإضاءة

تعتبر كفاءة الإضاءة لـ LED هي نسبة التدفق الضوئي المنبعث (باللمبات) لكل وحدة من الطاقة الكهربائية المستهلكة (بواط). تبلغ كفاءة LEDs الزرقاء حوالي 75 لمبة/واط؛ LEDs الحمراء، حوالي 155 لمبة/واط؛ وLEDs الذهبية، حوالي 500 لمبة/واط. مع الأخذ في الاعتبار الخسائر بسبب إعادة الامتصاص الداخلية، تكون كفاءة الإضاءة حوالي 20 إلى 25 لمبة/واط لـ LEDs الذهبية والخضراء. يعتبر هذا التعريف لكفاءة الإضاءة كفاءة خارجية وهو مماثل للتعريف الذي يستخدم عادةً لأنواع أخرى من مصادر الضوء.