ما هو الصمام الثنائي الباعث للضوء: العمل وتطبيقاته

الصمام الثنائي الباعث للضوء هو مصدر ضوء ثنائي أشباه الموصلات. في عام 1962 ، ابتكر نيك هولونياك فكرة الصمام الثنائي الباعث للضوء ، وكان يعمل في شركة الكهرباء العامة. LED هو نوع خاص من الصمام الثنائي وله خصائص كهربائية مماثلة لصمام تقاطع PN. ومن ثم فإن الصمام يسمح بتدفق التيار في الاتجاه الأمامي ويمنع التيار في الاتجاه العكسي. يحتل LED مساحة صغيرة أقل من 1 ملم^اثنين . تطبيقات LEDs تستخدم لعمل مشاريع كهربائية وإلكترونية مختلفة. في هذه المقالة ، سنناقش مبدأ عمل LED وتطبيقاته.

ما هو الصمام الثنائي الباعث للضوء؟

الصمام الثنائي الباعث للإضاءة هو أ صمام تقاطع p-n . وهو عبارة عن صمام ثنائي مخدر بشكل خاص ويتكون من نوع خاص من أشباه الموصلات. عندما ينبعث الضوء في المنحاز الأمامي ، يطلق عليه الصمام الثنائي الباعث للضوء.

الصمام الثنائي الباعث للضوء

رمز LED

رمز LED مشابه لرمز الصمام الثنائي باستثناء سهمين صغيرين يحددان انبعاث الضوء ، وبالتالي يطلق عليه (الصمام الثنائي الباعث للضوء). يشتمل LED على محطتين هما الأنود (+) والكاثود (-). يظهر رمز LED أدناه.

رمز LED

بناء الصمام

بناء LED بسيط للغاية لأنه مصمم من خلال ترسيب ثلاث طبقات من مواد أشباه الموصلات فوق طبقة سفلية. يتم ترتيب هذه الطبقات الثلاث واحدة تلو الأخرى حيث تكون المنطقة العلوية منطقة من النوع P ، والمنطقة الوسطى نشطة ، وأخيرًا تكون المنطقة السفلية من النوع N. يمكن ملاحظة المناطق الثلاث لمواد أشباه الموصلات في البناء. في البناء ، تشتمل منطقة النوع P على الثقوب التي تشتمل عليها المنطقة من النوع N على انتخابات بينما تشتمل المنطقة النشطة على كل من الثقوب والإلكترونات.

عندما لا يتم تطبيق الجهد على LED ، فلا يوجد تدفق للإلكترونات والثقوب لذا فهي مستقرة. بمجرد تطبيق الجهد ، سوف يتحيز مؤشر LED للأمام ، وبالتالي فإن الإلكترونات في المنطقة N والثقوب من المنطقة P ستنتقل إلى المنطقة النشطة. تُعرف هذه المنطقة أيضًا باسم منطقة النضوب. لأن حاملات الشحنة مثل الثقوب تتضمن شحنة موجبة في حين أن الإلكترونات لها شحنة سالبة لذلك يمكن توليد الضوء من خلال إعادة تركيب شحنة القطبية.

كيف يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء؟

ببساطة ، الصمام الثنائي الباعث للضوء هو الصمام الثنائي. عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا للأمام ، فإن الإلكترونات والثقوب تتحرك بسرعة عبر التقاطع ويتم دمجها باستمرار ، مما يؤدي إلى إزالة بعضها البعض. بعد فترة وجيزة من انتقال الإلكترونات من النوع n إلى السيليكون من النوع p ، فإنها تتحد مع الثقوب ، ثم تختفي. ومن ثم فهو يجعل الذرة كاملة وأكثر استقرارًا ويعطي دفعة صغيرة من الطاقة على شكل حزمة صغيرة أو فوتون من الضوء.

عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء

يوضح الرسم البياني أعلاه كيفية عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء وعملية الرسم التخطيطي خطوة بخطوة.

• من الرسم البياني أعلاه ، يمكننا أن نلاحظ أن السيليكون من النوع N باللون الأحمر بما في ذلك الإلكترونات التي تشير إليها الدوائر السوداء.
• يكون السيليكون من النوع P باللون الأزرق ويحتوي على ثقوب يشار إليها بالدوائر البيضاء.
• يجعل مصدر الطاقة عبر تقاطع pn الصمام الثنائي متحيزًا للأمام ويدفع الإلكترونات من النوع n إلى النوع p. ادفع الثقوب في الاتجاه المعاكس.
• يتم الجمع بين الإلكترون والثقوب عند التقاطع.
• يتم إطلاق الفوتونات عند إعادة تجميع الإلكترونات والثقوب.

تاريخ الصمام الثنائي الباعث للضوء

تم اختراع المصابيح في عام 1927 ولكنها ليست اختراعًا جديدًا. تمت مناقشة مراجعة قصيرة لتاريخ LED أدناه.

• في عام 1927 ، أنشأ أوليج لوسيف (المخترع الروسي) أول LED ونشر بعض النظريات حول بحثه.
• في عام 1952 ، اختبر البروفيسور كورت ليتشوفيك نظريات نظريات الخاسرين وأوضح عن أول مصابيح LED
• في عام 1958 ، اخترع Rubin Braunstein & Egon Loebner أول مؤشر LED أخضر
• في عام 1962 ، تم تطوير مصباح LED أحمر بواسطة Nick Holonyak. لذلك ، تم إنشاء أول LED.
• في عام 1964 ، قامت شركة IBM بتطبيق مصابيح LED على لوحة دوائر كهربائية لأول مرة على جهاز كمبيوتر.
• في عام 1968 ، بدأت HP (Hewlett Packard) في استخدام مصابيح LED في الآلات الحاسبة.
• في عام 1971 ، اخترع جاك بانكوف وإدوارد ميلر مصباح LED أزرق
• في عام 1972 ، اخترع M. George Crawford (مهندس كهربائي) مصباح LED باللون الأصفر.
• في عام 1986 ، اخترع Walden C.Rines & Herbert Maruska من جامعة ستافورد مصباح LED أزرق اللون يحتوي على المغنيسيوم بما في ذلك المعايير المستقبلية.
• في عام 1993 ، قام Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski بتطوير نيتريد الغاليوم بمصابيح LED ذات لون أزرق عالي الجودة.
• قام مهندس كهربائي مثل شوجي ناكامورا بتطوير أول مصباح LED أزرق عالي السطوع من خلال تطورات Amanos & Akaski ، مما أدى بسرعة إلى توسيع مصابيح LED ذات اللون الأبيض.
  في عام 2002 ، تم استخدام مصابيح LED بيضاء اللون للأغراض السكنية حيث يتم شحن حوالي 80 إلى 100 جنيه إسترليني لكل مصباح.
• في عام 2008 ، أصبحت مصابيح LED مشهورة جدًا في المكاتب والمستشفيات والمدارس.
• في عام 2019 ، أصبحت مصابيح LED مصادر الإضاءة الرئيسية
• إن تطوير LED مذهل ، حيث إنه يتراوح من مؤشر صغير لإضاءة المكاتب والمنازل والمدارس والمستشفيات ، إلخ.

دارة الصمام الثنائي الباعث للضوء للتحيز

تحتوي معظم مصابيح LED على تصنيفات جهد من 1 فولت -3 فولت بينما تتراوح التصنيفات الحالية للأمام من 200 مللي أمبير إلى 100 مللي أمبير.

انحياز LED

إذا تم تطبيق الجهد (1V إلى 3V) على LED ، فإنه يعمل بشكل صحيح بسبب تدفق التيار للجهد المطبق سيكون في نطاق التشغيل. وبالمثل ، إذا كان الجهد المطبق على LED مرتفعًا عن جهد التشغيل ، فإن منطقة النضوب داخل الصمام الثنائي الباعث للضوء سوف تنهار بسبب التدفق العالي للتيار. سيؤدي هذا التدفق العالي غير المتوقع للتيار إلى إتلاف الجهاز.

يمكن تجنب ذلك عن طريق توصيل المقاوم في سلسلة بمصدر الجهد ومصباح LED. تتراوح معدلات الجهد الآمن لمصابيح LED من 1 فولت إلى 3 فولت بينما تتراوح التصنيفات الحالية الآمنة من 200 مللي أمبير إلى 100 مللي أمبير.

هنا ، يُعرف المقاوم الذي يتم ترتيبه بين مصدر الجهد و LED باسم المقاوم المحدد الحالي لأن هذا المقاوم يقيد تدفق التيار وإلا قد يدمره مؤشر LED. لذلك يلعب هذا المقاوم دورًا رئيسيًا في حماية LED.

رياضياً ، يمكن كتابة تدفق التيار عبر LED كـ

إذا = Vs - VD / Rs

أين،

'IF' هو إلى الأمام الحالي

'Vs' هو مصدر جهد

'VD' هو انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء

'Rs' هو المقاوم الحالي المحدد

انخفض مقدار الجهد لهزيمة حاجز منطقة النضوب. سيتراوح انخفاض جهد LED من 2 فولت إلى 3 فولت بينما يكون الصمام الثنائي Si أو Ge هو 0.3 وإلا 0.7 فولت.

وبالتالي ، يمكن تشغيل LED باستخدام الجهد العالي بالمقارنة مع الثنائيات Si أو Ge.
تستهلك الثنائيات الباعثة للضوء طاقة أكثر من ثنائيات السيليكون أو الجرمانيوم للعمل.

أنواع الثنائيات الباعثة للضوء

يوجد أنواع مختلفة من الثنائيات الباعثة للضوء الحاضر وبعضها مذكور أدناه.

• زرنيخيد الغاليوم (GaAs) - الأشعة تحت الحمراء
• فوسفيد أرسينيد الغاليوم (GaAsP) - أحمر إلى أحمر برتقالي
• فوسفيد أرسفيد الغاليوم الألومنيوم (AlGaAsP) - أحمر شديد السطوع وبرتقالي-أحمر وبرتقالي وأصفر
• فوسفيد الغاليوم (GaP) - أحمر ، أصفر وأخضر
• فوسفيد الجاليوم الألومنيوم (AlGaP) - أخضر
• نيتريد الغاليوم (GaN) - أخضر ، أخضر زمردي
• نيتريد إنديوم الغاليوم (GaInN) - بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية والأخضر المزرق والأزرق
• كربيد السيليكون (SiC) - أزرق كركيزة
• سيلينيد الزنك (ZnSe) - أزرق
• نيتريد الألومنيوم جاليوم (AlGaN) - فوق بنفسجي

مبدأ عمل LED

يعتمد مبدأ عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء على نظرية الكم. تقول نظرية الكم أنه عندما ينخفض ​​الإلكترون من مستوى الطاقة الأعلى إلى مستوى الطاقة الأدنى ، تنبعث الطاقة من الفوتون. طاقة الفوتون تساوي فجوة الطاقة بين هذين المستويين من الطاقة. إذا كان الصمام الثنائي للوصلة PN متحيزًا للأمام ، فإن التيار يتدفق عبر الصمام الثنائي.

مبدأ عمل LED

تدفق التيار في أشباه الموصلات ناتج عن تدفق الثقوب في الاتجاه المعاكس للتيار وتدفق الإلكترونات في اتجاه التيار. ومن ثم سيكون هناك إعادة تركيب بسبب تدفق حاملات الشحنة هذه.

يشير إعادة التركيب إلى أن الإلكترونات في نطاق التوصيل تقفز إلى أسفل إلى نطاق التكافؤ. عندما تقفز الإلكترونات من نطاق إلى نطاق آخر ، ستصدر الإلكترونات الطاقة الكهرومغناطيسية على شكل فوتونات وتكون طاقة الفوتون مساوية لفجوة الطاقة المحرمة.

على سبيل المثال ، دعونا نفكر في نظرية الكم ، فإن طاقة الفوتون هي نتاج كل من ثابت بلانك وتردد الإشعاع الكهرومغناطيسي. تظهر المعادلة الرياضية

المعادل = hf

حيث يعرف بثابت بلانك ، وتكون سرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي مساوية لسرعة الضوء ، أي ج. يرتبط إشعاع التردد بسرعة الضوء كـ f = c /. يُشار إلى λ على أنه الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي وستصبح المعادلة أعلاه أ

المعادل = هو /

من المعادلة أعلاه ، يمكننا القول أن الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي يتناسب عكسياً مع الفجوة الممنوعة. في السيليكون العام ، أشباه موصلات الجرمانيوم ، تكون فجوة الطاقة المحرمة هذه بين الحالة ونطاقات التكافؤ بحيث يكون إجمالي إشعاع الموجة الكهرومغناطيسية أثناء إعادة التركيب في شكل أشعة تحت الحمراء. لا يمكننا رؤية الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء لأنها خارج نطاقنا المرئي.

يقال إن الأشعة تحت الحمراء بمثابة حرارة لأن أشباه الموصلات السيليكون والجرمانيوم ليست من أشباه الموصلات ذات فجوة مباشرة ، بل هي عبارة عن فجوة غير مباشرة من أشباه الموصلات. ولكن في أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة ، لا يحدث الحد الأقصى لمستوى الطاقة في نطاق التكافؤ ومستوى الطاقة الأدنى لنطاق التوصيل في نفس لحظة الإلكترونات. لذلك ، أثناء إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب ، يتم هجرة الإلكترونات من نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ ، وسيتم تغيير زخم نطاق الإلكترون.

المصابيح البيضاء

يمكن تصنيع مصابيح LED من خلال تقنيتين. في التقنية الأولى ، يتم دمج شرائح LED مثل الأحمر والأخضر والأزرق في حزمة مماثلة لتوليد ضوء أبيض بينما في التقنية الثانية ، يتم استخدام الفسفور. يمكن تلخيص الإسفار داخل الفوسفور داخل الإيبوكسي المحيط ثم سيتم تنشيط LED من خلال طاقة الطول الموجي القصير باستخدام جهاز InGaN LED.

يتم الجمع بين أضواء الألوان المختلفة مثل الأضواء الزرقاء والخضراء والحمراء بكميات متغيرة لإنتاج إحساس بلون مختلف يُعرف باسم الألوان المضافة الأساسية. تمت إضافة شدة الضوء الثلاثة هذه بالتساوي لتوليد الضوء الأبيض.

ولكن ، لتحقيق هذا المزيج من خلال مجموعة من المصابيح الخضراء والزرقاء والحمراء التي تحتاج إلى تصميم كهربائي بصري معقد للتحكم في مزيج ونشر الألوان المختلفة. علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون هذا النهج معقدًا بسبب التغييرات في لون LED.

يعتمد خط إنتاج LED الأبيض بشكل أساسي على شريحة LED واحدة تستخدم طلاء الفوسفور. هذا الطلاء يولد ضوءًا أبيض بمجرد أن يصطدم بالأشعة فوق البنفسجية أو الفوتونات الزرقاء. يتم تطبيق نفس المبدأ أيضًا على المصابيح الفلورية ، حيث يؤدي انبعاث الأشعة فوق البنفسجية من التفريغ الكهربائي داخل الأنبوب إلى وميض الفوسفور باللون الأبيض.

على الرغم من أن عملية LED هذه يمكن أن تولد ألوانًا مختلفة ، يمكن التحكم في الاختلافات عن طريق الغربلة. يتم فحص الأجهزة المستندة إلى LED البيضاء باستخدام أربعة إحداثيات لونية دقيقة مجاورة لمركز مخطط CIE.

يصف مخطط CIE جميع إحداثيات الألوان التي يمكن تحقيقها داخل منحنى حدوة الحصان. تقع الألوان النظيفة فوق القوس ، لكن الطرف الأبيض يقع داخل المركز. يمكن تمثيل لون خرج LED الأبيض من خلال أربع نقاط ممثلة في منتصف الرسم البياني. على الرغم من أن إحداثيات الرسم البياني الأربعة قريبة من اللون الأبيض النظيف ، إلا أن مصابيح LED هذه ليست فعالة عادةً مثل مصدر الضوء الشائع لإضاءة العدسات الملونة.

هذه المصابيح مفيدة بشكل أساسي للعدسات البيضاء الصافية ، والإضاءة الخلفية غير شفافة ،. عندما تستمر هذه التقنية في التقدم ، ستكتسب مصابيح LED البيضاء بالتأكيد سمعة كمصدر للإضاءة ومؤشر.

فعالية مضيئة

يمكن تعريف الفعالية المضيئة لمصابيح LED على أنها التدفق الضوئي الناتج في lm لكل وحدة ويمكن استخدام الطاقة الكهربائية داخل W.. ترتيب الفعالية الداخلية المُقدر لـ Blue color LEDs هو 75 lm / W amber LEDs بها 500 lm / W & red تحتوي المصابيح على 155 لومن / وات. بسبب إعادة الامتصاص الداخلي ، يمكن أن تؤخذ الخسائر في الاعتبار أن ترتيب فعالية الإضاءة تتراوح من 20 إلى 25 لومن / وات لمصابيح LED الخضراء والعنبرية. يُعرف تعريف الفعالية هذا أيضًا باسم الفعالية الخارجية وهو مشابه لتعريف الفعالية المستخدم عادةً لأنواع أخرى من مصادر الضوء مثل LED متعدد الألوان.

الصمام الثنائي الباعث للضوء متعدد الألوان

يُعرف الصمام الثنائي الباعث للضوء الذي ينتج لونًا واحدًا بمجرد اتصاله بالانحياز الأمامي وينتج لونًا بمجرد اتصاله بالتحيز العكسي باسم LED متعدد الألوان.

في الواقع ، تشتمل مصابيح LED هذه على اثنين من تقاطعات PN ويمكن توصيل هذا بالتوازي مع أنود واحد متصل بقطب كاثود آخر.

عادة ما تكون مصابيح LED متعددة الألوان حمراء بمجرد انحيازها في اتجاه واحد والأخضر بمجرد انحيازها في اتجاه آخر. إذا تم تشغيل هذا LED بسرعة كبيرة بين قطبين ، فإن هذا LED سيولد لونًا ثالثًا. سيولد مصباح LED باللون الأخضر أو ​​الأحمر ضوءًا أصفر اللون بمجرد التبديل سريعًا للخلف وللأمام بين الأقطاب المنحازة.

ما هو الفرق بين الصمام الثنائي والصمام الثنائي الباعث للضوء؟

يشمل الاختلاف الرئيسي بين الصمام الثنائي والمصباح LED ما يلي.

I-V خصائص LED

هناك أنواع مختلفة من الثنائيات الباعثة للضوء متوفرة في السوق وهناك خصائص LED مختلفة تشمل الضوء الملون ، أو إشعاع الطول الموجي ، وشدة الضوء. السمة المهمة للـ LED هي اللون. عند بدء استخدام LED ، يوجد اللون الأحمر الوحيد. مع زيادة استخدام LED بمساعدة عملية أشباه الموصلات وإجراء الأبحاث على المعادن الجديدة لمصابيح LED ، تم تشكيل الألوان المختلفة.

I-V خصائص LED

يوضح الرسم البياني التالي المنحنيات التقريبية بين الجهد الأمامي والتيار. يشير كل منحنى في الرسم البياني إلى لون مختلف. يوضح الجدول ملخصًا لخصائص LED.

خصائص LED

ما هما نوعا تكوينات LED؟

التكوينات القياسية لمصابيح LED هي نوعان من البواعث وكذلك COBs

الباعث عبارة عن قالب مفرد يتم تثبيته باتجاه لوحة الدائرة ، ثم بالوعة الحرارة. توفر لوحة الدائرة الكهربائية هذه طاقة كهربائية تجاه الباعث ، مع سحب الحرارة أيضًا.

للمساعدة في تقليل التكلفة بالإضافة إلى تعزيز اتساق الضوء ، قرر المحققون أنه يمكن فصل ركيزة LED ويمكن تركيب القالب الفردي بشكل مفتوح على لوحة الدائرة. لذلك يسمى هذا التصميم COB (مجموعة شرائح على اللوحة).

مزايا وعيوب مصابيح LED

ال مزايا الصمام الثنائي الباعث للضوء تشمل ما يلي.

• تكلفة مصابيح LED أقل وهي صغيرة.
• باستخدام الكهرباء يتم التحكم في LED.
• تختلف شدة LED بمساعدة وحدة التحكم الدقيقة.
• حياة مديدة
• كفاءة الطاقة
• لا فترة إحماء
• وعر، خشن، قاس
• لا تتأثر بدرجات الحرارة الباردة
• اتجاهي
• تجسيد اللون ممتاز
• صديق للبيئة
• يمكن السيطرة عليها

ال مساوئ الصمام الثنائي الباعث للضوء تشمل ما يلي.

• السعر
• حساسية درجة الحرارة
• اعتماد درجات الحرارة
• جودة خفيفة
• قطبية كهربائية
• حساسية الجهد
• تدلي الكفاءة
• التأثير على الحشرات

تطبيقات الصمام الثنائي الباعث للضوء

هناك العديد من تطبيقات LED وبعضها موضح أدناه.

• يستخدم LED كمصباح في المنازل والصناعات
• تستخدم الثنائيات الباعثة للضوء في الدراجات النارية والسيارات
• هذه تستخدم في الهواتف المحمولة لعرض الرسالة
• في إشارات المرور الضوئية ، يتم استخدام مصابيح LED

وهكذا ، يناقش هذا المقال لمحة عامة عن الصمام الثنائي الباعث للضوء مبدأ عمل الدائرة والتطبيق. آمل من خلال قراءة هذا المقال أن تكون قد اكتسبت بعض المعلومات الأساسية والعملية للديود الباعث للضوء. إذا كان لديك أي استفسارات حول هذه المقالة أو حول مشروع الكهرباء للعام الأخير ، فلا تتردد في التعليق في القسم أدناه. هنا سؤال لك، ما هو LED وكيف يعمل؟