أجزاء من مصباح LED تقليدي. تعمل الأسطح السفلية المسطحة للسندان والعمود المضمنة داخل الإيبوكسي كمثبتات، لمنع سحب الموصلات بالقوة عن طريق الإجهاد الميكانيكي أو الاهتزاز.صورة مقرّبة لمصباح LED مع زيادة الجهد الكهربائي وخفضه لإظهار تفاصيل عملية تشغيلهصورة مقرّبة لمصباح LED مثبت على السطحمصباح LED مُعدّل على شكل لمبة مزود بمشتت حراري من الألومنيوم ، وقبة لتوزيع الضوء ، وقاعدة لولبية E27 ، ويعمل بمصدر طاقة مدمج على جهد التيار الكهربائي الرئيسي.
ظهرت مصابيح LED الأولى كمكونات إلكترونية عملية في عام 1962، وكانت تُصدر ضوءًا بالأشعة تحت الحمراء منخفض الشدة . [ 7 ] تُستخدم مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء في دوائر التحكم عن بُعد ، مثل تلك المستخدمة في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. أما مصابيح LED الأولى التي تُصدر ضوءًا مرئيًا فكانت منخفضة الشدة ومقتصرة على اللون الأحمر.
تتميز مصابيح LED بالعديد من المزايا مقارنةً بمصادر الإضاءة المتوهجة ، بما في ذلك انخفاض استهلاك الطاقة ، وتقليل الحرارة المهدرة ، وعمر أطول ، ومتانة أكبر، وحجم أصغر، وسرعة تشغيل أعلى. في المقابل، تشمل عيوب مصابيح LED محدودية الجهد الكهربائي، حيث تقتصر عادةً على التيار المستمر (وليس التيار المتردد )، وعدم القدرة على توفير إضاءة ثابتة من مصدر تيار مستمر أو متردد نابض، بالإضافة إلى انخفاض درجة حرارة التشغيل والتخزين القصوى.
تم ابتكار مصباح LED من كربيد السيليكون بواسطة المخترع السوفيتي أوليغ لوسيف في عام 1927. [ 10 ]
لم تصبح مصابيح LED ذات جدوى تجارية متاحة إلا بعد أن حصل مهندسو شركة تكساس إنسترومنتس على براءة اختراع لانبعاث الأشعة تحت الحمراء القريبة بكفاءة من ثنائي يعتمد على زرنيخيد الغاليوم في عام 1962. [ 11 ] كانت مصابيح LED التجارية باهظة الثمن للغاية ولم تشهد أي استخدام عملي حتى طورتها شركتا مونسانتو وهيوليت -باكارد إلى الحد الذي أصبحت فيه تكلفة الوحدة أقل من خمسة سنتات في سبعينيات القرن الماضي. [ 12 ]
في الصمام الثنائي الباعث للضوء، ينتج عن إعادة اتحاد الإلكترونات والفجوات الإلكترونية في أشباه الموصلات ضوء (أشعة تحت الحمراء، أو مرئية، أو فوق بنفسجية)، وهي عملية تُسمى التألق الكهربائي . يعتمد طول موجة الضوء على فجوة نطاق الطاقة لأشباه الموصلات المستخدمة. ونظرًا لأن هذه المواد تتميز بمعامل انكسار عالٍ ، فإن خصائص تصميم الأجهزة، مثل الطلاءات البصرية الخاصة وشكل الرقاقة، ضرورية لانبعاث الضوء بكفاءة. [ 15 ]
على عكس الليزر ، فإن الضوء المنبعث من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ليس متماسكًا طيفيًا ولا مكانيًا، ولا حتى أحادي اللون بدرجة عالية . فطيفه ضيق بما يكفي ليظهر للعين البشرية كلون نقي ( مشبع ). [ 16 ] [ 17 ] كما أنه لا يقترب من شدة الإضاءة العالية جدًا التي تميز الليزر .
باختيار مواد أشباه موصلات مختلفة ، يمكن تصنيع مصابيح LED أحادية اللون تُصدر ضوءًا ضمن نطاق ضيق من الأطوال الموجية، بدءًا من الأشعة تحت الحمراء القريبة مرورًا بالطيف المرئي وصولًا إلى نطاق الأشعة فوق البنفسجية. يزداد جهد التشغيل المطلوب لهذه المصابيح كلما قصرت الأطوال الموجية المنبعثة (أي كلما زادت الطاقة، من الأحمر إلى الأزرق)، وذلك بسبب ازدياد فجوة الطاقة في أشباه الموصلات.
تتكون منطقة فعّالة في مصابيح LED الزرقاء من بئر كمومي واحد أو أكثر من InGaN محصورة بين طبقات أكثر سمكًا من GaN، تُسمى طبقات التغليف. ومن خلال تغيير النسبة النسبية بين In وGa في الآبار الكمومية InGaN، يمكن نظريًا تغيير لون الضوء المنبعث من البنفسجي إلى الكهرماني.
يمكن استخدام نتريد الألومنيوم والغاليوم (AlGaN) بنسب متفاوتة من الألومنيوم إلى الغاليوم (Al/Ga) لتصنيع طبقات التغليف والآبار الكمومية لمصابيح LED فوق البنفسجية ، إلا أن هذه الأجهزة لم تصل بعد إلى مستوى الكفاءة والنضج التقني لأجهزة InGaN/GaN الزرقاء/الخضراء. في حال استخدام GaN غير المخلوط لتشكيل طبقات الآبار الكمومية النشطة، يُصدر الجهاز ضوءًا فوق بنفسجيًا قريبًا بطول موجي ذروي يبلغ حوالي 365 نانومتر. تتميز مصابيح LED الخضراء المصنعة من نظام InGaN/GaN بكفاءة وسطوع أعلى بكثير من مصابيح LED الخضراء المصنعة باستخدام أنظمة مواد غير نتريدية، إلا أن كفاءة الأجهزة العملية لا تزال منخفضة جدًا بالنسبة لتطبيقات السطوع العالي. [ 18 ]
باستخدام AlGaN و AlGaInN ، يُمكن تحقيق أطوال موجية أقصر. تُعدّ مُشعّات الأشعة فوق البنفسجية القريبة، بأطوال موجية تتراوح بين 360 و395 نانومتر، رخيصة الثمن وشائعة الاستخدام، على سبيل المثال، كبديل لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية لفحص العلامات المائية المضادة للتزييف في الوثائق والأوراق النقدية، وللمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية . وتتوفر تجاريًا ثنائيات باعثة للأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية أقصر، تصل إلى 240 نانومتر، وهي أغلى ثمنًا بكثير. [ 19 ] ونظرًا لأن حساسية الكائنات الدقيقة للضوء تُقارب طيف امتصاص الحمض النووي ، مع ذروة عند حوالي 260 نانومتر، فمن المتوقع استخدام مصابيح LED فوق البنفسجية التي تُصدر أشعة بطول موجي يتراوح بين 250 و270 نانومتر في أجهزة التطهير والتعقيم المستقبلية. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة أن مصابيح LED فوق البنفسجية من النوع A (365 نانومتر) المتوفرة تجاريًا تُعدّ بالفعل أجهزة تطهير وتعقيم فعّالة. [ 20 ] تم الحصول على أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية من النوع C في المختبرات باستخدام نتريد الألومنيوم (210 نانومتر)، [ 21 ] ونتريد البورون (215 نانومتر) ، [ 22 ] [ 23 ] والماس (235 نانومتر). [ 24 ]
مصابيح LED بيضاء
توجد طريقتان أساسيتان لإنتاج مصابيح LED البيضاء . الأولى هي استخدام مصابيح LED فردية تُصدر ثلاثة ألوان أساسية - الأحمر والأخضر والأزرق - ثم مزجها لتكوين الضوء الأبيض. أما الطريقة الثانية، والأكثر شيوعًا، فهي استخدام مادة فسفورية لتحويل الضوء أحادي اللون من مصباح LED أزرق أو فوق بنفسجي إلى ضوء أبيض واسع الطيف، على غرار المصباح الفلوري . تتكون المادة الفسفورية الصفراء من بلورات YAG مُطعّمة بالسيريوم ، معلقة داخل غلاف المصباح أو مطلية على سطحه. تتسبب هذه المادة الفسفورية في ظهور مصابيح LED البيضاء باللون الأصفر عند إطفائها، وتسمح الفراغات بين البلورات بمرور بعض الضوء الأزرق في مصابيح LED ذات التحويل الفسفوري الجزئي. بدلاً من ذلك، قد تستخدم مصابيح LED البيضاء مواد فسفورية أخرى مثل فلوروسيليكات البوتاسيوم المُطعّم بالمنغنيز (IV) أو مواد فسفورية مُهندسة أخرى. يُساعد PFS في توليد الضوء الأحمر، ويُستخدم بالتزامن مع فسفور Ce:YAG التقليدي.
في مصابيح LED المزودة بفوسفور PFS، يمر جزء من الضوء الأزرق عبر الفوسفور، حيث يحول فوسفور Ce:YAG الضوء الأزرق إلى ضوء أخضر وأحمر (أصفر)، بينما يحول فوسفور PFS الضوء الأزرق إلى ضوء أحمر. ويمكن التحكم في طيف انبعاث اللون أو درجة حرارة اللون لمصابيح LED المحولة بالفوسفور الأبيض وغيرها من مصابيح LED المحولة بالفوسفور عن طريق تغيير تركيز عدة أنواع من الفوسفور التي تشكل مزيج الفوسفور المستخدم في عبوة LED. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
تُصمَّم درجة بياض الضوء الناتج لتلائم العين البشرية. وبسبب ظاهرة التماثل اللوني ، من الممكن أن تظهر أطياف مختلفة تمامًا باللون الأبيض. وقد يختلف مظهر الأجسام المضاءة بهذا الضوء باختلاف الطيف. هذه هي مسألة تجسيد اللون، وهي منفصلة تمامًا عن درجة حرارة اللون. قد يظهر جسم برتقالي أو سماوي بلون خاطئ وأكثر قتامة لأن الصمام الثنائي الباعث للضوء أو الفوسفور لا يُصدر الطول الموجي الذي يعكسه. تستخدم أفضل مصابيح LED لتجسيد الألوان مزيجًا من الفوسفور، مما ينتج عنه كفاءة أقل وتجسيد أفضل للألوان.
طُرحت أولى الثنائيات الباعثة للضوء الأبيض (LEDs) للبيع في خريف عام 1996. [ 29 ] صنعت شركة نيشيا بعضًا من أوائل الثنائيات الباعثة للضوء الأبيض، والتي كانت تعتمد على الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق مع فوسفور Ce:YAG. [ 30 ] غالبًا ما يُنمّى Ce:YAG باستخدام طريقة تشوخرالسكي . [ 31 ]
أنظمة RGB
منحنيات طيفية مجمعة لثنائيات باعثة للضوء من أشباه الموصلات الصلبة باللون الأزرق، والأصفر المخضر، والأحمر عالي السطوع. يبلغ عرض النطاق الطيفي عند نصف الارتفاع الأقصى (FWHM) حوالي 24-27 نانومتر لجميع الألوان الثلاثة.مصباح LED ثلاثي الألوان (RGB) يُسقط ألوان الأحمر والأخضر والأزرق على سطح ما
يتطلب مزج مصادر الضوء الأحمر والأخضر والأزرق لإنتاج الضوء الأبيض دوائر إلكترونية للتحكم في مزج الألوان. ونظرًا لاختلاف أنماط انبعاث الضوء في مصابيح LED اختلافًا طفيفًا، فقد يتغير توازن الألوان تبعًا لزاوية الرؤية، حتى لو كانت مصادر RGB في حزمة واحدة، لذا نادرًا ما تُستخدم ثنائيات RGB لإنتاج الإضاءة البيضاء. ومع ذلك، تتمتع هذه الطريقة بالعديد من التطبيقات نظرًا لمرونة مزج الألوان المختلفة، [ 32 ] ومن حيث المبدأ، تتميز هذه الآلية أيضًا بكفاءة كمية أعلى في إنتاج الضوء الأبيض. [ 33 ]
توجد أنواع عديدة من مصابيح LED البيضاء متعددة الألوان: ثنائية اللون ، وثلاثية اللون ، ورباعية اللون . وتشمل العوامل الرئيسية المؤثرة في هذه الأنواع المختلفة: ثبات اللون، وقدرة تجسيد اللون ، والكفاءة الضوئية. غالبًا ما تعني الكفاءة الأعلى انخفاضًا في تجسيد اللون، مما يُشكل مفاضلة بين الكفاءة الضوئية وتجسيد اللون. على سبيل المثال، تتميز مصابيح LED البيضاء ثنائية اللون بأفضل كفاءة ضوئية (120 لومن/واط)، ولكنها الأقل قدرة على تجسيد اللون. وعلى الرغم من أن مصابيح LED البيضاء رباعية اللون تتمتع بقدرة ممتازة على تجسيد اللون، إلا أنها غالبًا ما تكون ذات كفاءة ضوئية ضعيفة. أما مصابيح LED البيضاء ثلاثية اللون، فتقع بينهما، إذ تتميز بكفاءة ضوئية جيدة (>70 لومن/واط) وقدرة مقبولة على تجسيد اللون. [ 34 ]
يتمثل أحد التحديات في تطوير مصابيح LED خضراء أكثر كفاءة. يبلغ الحد الأقصى النظري لمصابيح LED الخضراء 683 لومن لكل واط، ولكن حتى عام 2010، لم يتجاوز عدد قليل من مصابيح LED الخضراء 100 لومن لكل واط.تقترب مصابيح LED الزرقاء والحمراء من حدودها النظرية.
توفر مصابيح LED متعددة الألوان وسيلةً لتكوين ضوء بألوان مختلفة. ويمكن تكوين معظم الألوان المرئية عن طريق مزج كميات مختلفة من ثلاثة ألوان أساسية، مما يسمح بتحكم دقيق وديناميكي في اللون. إلا أن قوة انبعاثها تتناقص أُسّيًا مع ارتفاع درجة الحرارة [ 35 ] ، مما يؤدي إلى تغيير كبير في ثبات اللون. وتعيق هذه المشاكل استخدامها في الصناعة. ولا تستطيع مصابيح LED متعددة الألوان الخالية من الفوسفور تقديم عرض ألوان جيد لأن كل مصباح LED يُعد مصدرًا ضيق النطاق. ورغم أن مصابيح LED الخالية من الفوسفور تُعد حلاً أقل جودة للإضاءة العامة، إلا أنها تُعتبر الحل الأمثل للشاشات، سواء كانت بإضاءة خلفية LCD أو بوحدات بكسل LED مباشرة.
يُعدّ خفض إضاءة مصدر LED متعدد الألوان ليُحاكي خصائص المصابيح المتوهجة أمرًا صعبًا، نظرًا لتأثير اختلافات التصنيع، وعمر المصباح، ودرجة الحرارة على قيمة اللون الفعلية الخارجة. ولمحاكاة مظهر خفض الإضاءة في المصابيح المتوهجة، قد تتطلب مصابيح LED نظام تغذية راجعة مزودًا بمستشعر لون لمراقبة اللون والتحكم فيه بشكل فعّال. [ 36 ]
مصابيح LED القائمة على الفوسفور
طيف مصباح LED أبيض يُظهر الضوء الأزرق المنبعث مباشرةً من مصباح LED القائم على GaN (ذروة عند حوالي 465 نانومتر) والضوء المُزاح ستوكس ذو النطاق الأوسع المنبعث من فوسفور Ce 3+ :YAG، والذي ينبعث عند حوالي 500-700 نانومتر
تتضمن هذه الطريقة طلاء مصابيح LED أحادية اللون (غالبًا مصابيح LED زرقاء مصنوعة من InGaN ) بفوسفورات ذات ألوان مختلفة لتكوين ضوء أبيض؛ وتُسمى مصابيح LED الناتجة بمصابيح LED البيضاء المُحوّلة بالفوسفور (pcLEDs). [ 37 ] يخضع جزء من الضوء الأزرق لانزياح ستوكس ، مما يحوّله من أطوال موجية أقصر إلى أطوال موجية أطول. اعتمادًا على لون مصباح LED الأصلي، تُستخدم فوسفورات ملونة مختلفة. يؤدي استخدام عدة طبقات من الفوسفور بألوان مميزة إلى توسيع الطيف المنبعث، مما يرفع بشكل فعال مؤشر تجسيد اللون (CRI). [ 38 ]
تعاني مصابيح LED القائمة على الفوسفور من انخفاض في الكفاءة نتيجة فقدان الحرارة بسبب انزياح ستوكس ومشاكل أخرى متعلقة بالفوسفور. وتعتمد كفاءتها الضوئية، مقارنةً بمصابيح LED العادية، على التوزيع الطيفي للضوء الناتج والطول الموجي الأصلي للمصباح نفسه. فعلى سبيل المثال، تتراوح الكفاءة الضوئية لمصباح LED أبيض نموذجي قائم على فوسفور YAG الأصفر بين 3 إلى 5 أضعاف الكفاءة الضوئية لمصباح LED أزرق أصلي، وذلك لأن العين البشرية أكثر حساسية للون الأصفر من اللون الأزرق (كما هو موضح في دالة الإضاءة ).
نظراً لبساطة عملية التصنيع، لا تزال طريقة الفوسفور هي الطريقة الأكثر شيوعاً لإنتاج مصابيح LED البيضاء عالية الكثافة. يُعد تصميم وإنتاج مصدر ضوئي أو وحدة إضاءة باستخدام باعث أحادي اللون مع تحويل الفوسفور أبسط وأقل تكلفة من نظام RGB المعقد ، وتُصنع غالبية مصابيح LED البيضاء عالية الكثافة المتوفرة حالياً في السوق باستخدام تحويل الفوسفور الضوئي. [ 39 ]
مصباح LED أبيض ذو قاعدة فسفورية ثلاثي الرقائق SMD بقدرة 1 واط و9 فولت
من بين التحديات التي تواجه تحسين كفاءة مصادر الضوء الأبيض القائمة على تقنية LED، تطوير مواد فسفورية أكثر كفاءة. وحتى عام 2010، لا تزال مادة YAG الفسفورية الصفراء الأكثر كفاءة، حيث لا تتجاوز نسبة فقدان إزاحة ستوكس فيها 10%. وتُعزى الخسائر الناتجة عن الفقد الضوئي الداخلي بسبب إعادة الامتصاص في شريحة LED وفي غلافها إلى نسبة تتراوح عادةً بين 10% و30%. ويُبذل حاليًا جهد كبير في مجال تطوير مصابيح LED الفسفورية لتحسين هذه الأجهزة لزيادة إنتاج الضوء ورفع درجات حرارة التشغيل. فعلى سبيل المثال، يمكن رفع الكفاءة من خلال تصميم غلاف أفضل أو استخدام نوع أكثر ملاءمة من الفسفور. وتُستخدم عملية الطلاء المطابق بشكل متكرر لمعالجة مشكلة اختلاف سُمك الفسفور.
تُغلّف بعض مصابيح LED البيضاء القائمة على الفوسفور مصابيح LED زرقاء من نوع InGaN داخل راتنج إيبوكسي مطلي بالفوسفور. وبدلاً من ذلك، يمكن إقران مصباح LED بفوسفور خارجي، وهو عبارة عن قطعة من البولي كربونات مُشكّلة مسبقًا ومطلية بمادة الفوسفور. توفر الفوسفورات الخارجية ضوءًا أكثر انتشارًا، وهو أمر مرغوب فيه للعديد من التطبيقات. كما أن تصميمات الفوسفورات الخارجية أكثر تحملاً للتغيرات في طيف انبعاثات LED. ومن مواد الفوسفور الصفراء الشائعة غارنيت الألومنيوم الإيتريوم المُطعّم بالسيريوم (Ce³⁺ : YAG). [ 40 ]
يمكن أيضًا تصنيع مصابيح LED البيضاء عن طريق طلاء مصابيح LED القريبة من الأشعة فوق البنفسجية (NUV) بمزيج من الفوسفور عالي الكفاءة القائم على اليوروبيوم ، والذي يُصدر ضوءًا أحمر وأزرق، بالإضافة إلى كبريتيد الزنك المُطعّم بالنحاس والألومنيوم (ZnS:Cu, Al) الذي يُصدر ضوءًا أخضر. هذه طريقة مشابهة لطريقة عمل المصابيح الفلورية . هذه الطريقة أقل كفاءة من مصابيح LED الزرقاء المزودة بفوسفور YAG:Ce، نظرًا لكبر إزاحة ستوكس، لكنها تُنتج ضوءًا بخصائص طيفية أفضل، مما يُحسّن من دقة الألوان. نظرًا لارتفاع الإشعاع الصادر من مصابيح LED فوق البنفسجية مقارنةً بالمصابيح الزرقاء، تُوفر كلتا الطريقتين سطوعًا متقاربًا. يُثير القلق احتمال تسرب ضوء الأشعة فوق البنفسجية من مصدر ضوئي معطل، مما قد يُسبب ضررًا للعين أو الجلد. [ 41 ]
مجموعة مصابيح LED بيضاء قابلة للتعديل في كشاف ضوئي
تتوفر في الأسواق مصابيح LED من نوع RGBW تجمع بين وحدات RGB ومصباح LED أبيض فسفوري. يحافظ هذا النوع على إمكانية ضبط لون مصابيح RGB LED بدقة عالية، ولكنه يسمح بتحسين عرض الألوان وكفاءة الإضاءة عند اختيار لون قريب من الأبيض. [ 44 ]
تتميز بعض وحدات LED البيضاء الفسفورية بخاصية "اللون الأبيض القابل للتعديل"، حيث تمزج بين درجتي حرارة لونيتين متطرفتين (عادةً 2700 كلفن و6500 كلفن) لإنتاج قيم متوسطة. تتيح هذه الخاصية للمستخدمين تغيير الإضاءة لتناسب الاستخدام الحالي للغرفة متعددة الوظائف. [ 45 ] وكما هو موضح بخط مستقيم على مخطط اللونية، فإن مزيج اللونين الأبيضين البسيطين سيميل إلى اللون الوردي ، ويصبح هذا الميل أشد وضوحًا في المنتصف. ويمكن تصحيح هذه المشكلة بإضافة كمية صغيرة من الضوء الأخضر، من خلال مصباح LED آخر. [ 46 ] بعض المنتجات من نوع RGBWW، أي RGBW مع لون أبيض قابل للتعديل. [ 47 ]
النوع الأخير من مصابيح LED البيضاء ذات الإضاءة المختلطة هو مصابيح LED ذات الإضاءة الخافتة إلى الدافئة. وهي عبارة عن مصابيح LED بيضاء عادية بدرجة حرارة لونية 2700 كلفن مزودة بمصباح LED أحمر صغير يضيء عند خفض إضاءة المصباح. يؤدي ذلك إلى جعل اللون أكثر دفئًا، محاكيًا بذلك مصباح الإضاءة المتوهج. [ 47 ]
مصابيح LED بيضاء من سيلينيد الزنك
تم تطوير مصابيح LED بيضاء تجريبية باستخدام سيلينيد الزنك (ZnSe) المُنمّى بالتراصف المتجانس على ركائز ZnSe. تفتقر هذه المصابيح إلى الفوسفور الأصفر الموجود في مصابيح LED البيضاء التقليدية. [ 48 ] في مصابيح ZnSe LED، تُصدر المنطقة النشطة ضوءًا أزرق، بينما تُصدر ركيزة ZnSe الموصلة ضوءًا أصفر، مما ينتج عنه ضوء أبيض. ويشير الباحثون إلى أن هذه المصابيح توفر جهد تشغيل أقل ونطاقًا أوسع لدرجات حرارة اللون مقارنةً بمصابيح LED البيضاء التقليدية. [ 49 ]
تشمل المزايا المحتملة لشاشات OLED شاشات رقيقة ومنخفضة التكلفة ذات جهد تشغيل منخفض، وزاوية رؤية واسعة، وتباين عالٍ ونطاق ألوان واسع . [ 52 ] تتميز مصابيح LED البوليمرية بميزة إضافية تتمثل في إمكانية طباعتها وشاشاتها المرنة . [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] وقد استُخدمت شاشات OLED في صناعة شاشات عرض للأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية والإضاءة وأجهزة التلفزيون. [ 51 ] [ 52 ]
الأنواع
تتوفر مصابيح LED بأشكال وأحجام متنوعة. غالبًا ما يكون لون العدسة البلاستيكية مطابقًا للون الضوء المنبعث، ولكن ليس دائمًا. على سبيل المثال، يُستخدم البلاستيك الأرجواني عادةً في مصابيح LED التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، بينما تتميز معظم الأجهزة الزرقاء بهياكل عديمة اللون. أما مصابيح LED الحديثة عالية الطاقة، مثل تلك المستخدمة في الإضاءة والإضاءة الخلفية، فتوجد عادةً في عبوات بتقنية التثبيت السطحي (SMT) (غير موضحة).مجموعة متنوعة من مصابيح LED المنتشرة ذات الفتحة 5 مم
أحمر، 650-625 نانومتر
برتقالي، 600-610 نانومتر
أصفر، 587-591 نانومتر
أخضر، 570-575 نانومتر
أزرق، 465-467 نانومتر
أرجواني، 395-400 نانومتر
تُصنع مصابيح LED بأغلفة مختلفة لتناسب تطبيقات متنوعة. قد تُجمع وصلة LED واحدة أو عدة وصلات في جهاز مصغر واحد لاستخدامها كمؤشر أو مصباح إرشادي. قد تتضمن مصفوفة LED دوائر تحكم داخل الغلاف نفسه، تتراوح بين مقاومة بسيطة للتحكم في الوميض أو تغيير اللون، أو وحدة تحكم قابلة للعنونة لأجهزة RGB. تُركّب الأجهزة ذات الطاقة العالية التي تُصدر ضوءًا أبيض على مشتتات حرارية وتُستخدم للإضاءة. تتوفر شاشات عرض أبجدية رقمية بتنسيقات المصفوفة النقطية أو الشريطية على نطاق واسع. تسمح أغلفة خاصة بتوصيل مصابيح LED بالألياف الضوئية لإنشاء روابط اتصال بيانات عالية السرعة.
مصغر
صورة لمصابيح LED صغيرة الحجم تُركّب على السطح بأحجامها الأكثر شيوعًا. يمكن أن تكون أصغر بكثير من مصباح LED التقليدي من نوع 5 مم، الموضح في الزاوية العلوية اليسرى.عبوة LED صغيرة جدًا (1.6×1.6×0.35 مم) حمراء وخضراء وزرقاء للتثبيت السطحي مع تفاصيل توصيل الأسلاك الذهبية
تُستخدم هذه المصابيح في الغالب كمؤشرات ضوئية، وهي عبارة عن مصابيح LED أحادية الشريحة، وتأتي بأحجام مختلفة تتراوح من 1.8 مم إلى 10 مم، وتتوفر في عبوات تثبيت سطحية أو عبر الثقوب . [ 56 ] تتراوح قيم التيار النموذجية من حوالي 1 مللي أمبير إلى أكثر من 20 مللي أمبير. يمكن لحام مصابيح LED على شريط لوحة دوائر مطبوعة مرن لتشكيل شريط LED يُستخدم على نطاق واسع لأغراض الزينة.
تشمل أشكال التغليف الشائعة الشكل الدائري ذو السطح المقبب أو المسطح، والشكل المستطيل ذو السطح المسطح (كما هو مستخدم في شاشات العرض البيانية الشريطية)، والشكل المثلث أو المربع ذو السطح المسطح. وقد يكون الغلاف شفافًا أو ملونًا لتحسين التباين وزاوية الرؤية. وقد تحتوي أجهزة الأشعة تحت الحمراء على طبقة سوداء لحجب الضوء المرئي مع السماح بمرور الأشعة تحت الحمراء، مثل جهاز Osram SFH 4546. [ 57 ]
مصابيح LED بجهد 5 فولت و12 فولت هي مصابيح LED مصغرة عادية مزودة بمقاومة متسلسلة للتوصيل المباشر بمصدر طاقة بجهد 5 فولت أو 12 فولت. [ 58 ]
طاقة عالية
ثنائيات باعثة للضوء عالية الطاقة مثبتة على قاعدة نجمية LED ( Luxeon ، Lumileds )
يمكن تشغيل مصابيح LED عالية القدرة (HP-LEDs) أو مصابيح LED عالية الإخراج (HO-LEDs) بتيارات تتراوح من مئات الميلي أمبير إلى أكثر من أمبير، مقارنةً بعشرات الميلي أمبير لأنواع LED الأخرى. ويمكن لبعضها أن يُصدر أكثر من ألف لومن. [ 59 ] [ 60 ] وقد تم تحقيق كثافات طاقة تصل إلى 300 واط/سم² . ونظرًا لأن ارتفاع درجة الحرارة يُعدّ مُتلفًا، يجب تركيب مصابيح HP-LEDs على مُشتت حراري لتبديد الحرارة. وإذا لم تتم إزالة الحرارة من مصباح HP-LED، فسيتعطل الجهاز في غضون ثوانٍ. ويمكن لمصباح HP-LED واحد أن يحل محل المصباح المتوهج في مصباح يدوي ، أو يمكن تجميعها في مصفوفة لتشكيل مصباح LED قوي .
من بين مصابيح LED عالية الكفاءة في هذه الفئة: سلسلة Nichia 19، و Lumileds Rebel Led، وOsram Opto Semiconductors Golden Dragon، وCree X-lamp. اعتبارًا من سبتمبر 2009، تجاوزت كفاءة بعض مصابيح LED عالية الكفاءة المصنعة من قبل شركة Cree 105 لومن/واط. [ 61 ]
ومن الأمثلة على قانون هايتز - الذي يتنبأ بزيادة أسية في ناتج الضوء وكفاءة مصابيح LED بمرور الوقت - سلسلة CREE XP-G LED، التي حققت 105 لومن/واط في عام 2009 [ 61 ] وسلسلة Nichia 19 ذات الكفاءة النموذجية 140 لومن/واط، والتي تم إصدارها في عام 2010. [ 62 ]
يعمل بالتيار المتردد
يمكن لمصابيح LED التي طورتها شركة سيول سيميكوندكتور العمل على التيار المتردد دون الحاجة إلى محول تيار مستمر. في كل نصف دورة، يُضيء جزء من المصباح بينما يبقى الجزء الآخر مظلمًا، وينعكس هذا الوضع في النصف دورة التالي. تبلغ كفاءة هذا النوع من مصابيح LED عالية الجهد عادةً 40 لومن/واط. [ 63 ] قد تتمكن مجموعة كبيرة من مصابيح LED الموصولة على التوالي من العمل مباشرةً بجهد التيار الكهربائي. في عام 2009، أصدرت شركة سيول سيميكوندكتور مصباح LED عالي الجهد المستمر، أطلق عليه اسم "Acrich MJT"، والذي يمكن تشغيله بالتيار المتردد باستخدام دائرة تحكم بسيطة. يمنح استهلاك الطاقة المنخفض لهذه المصابيح مرونة أكبر من تصميم مصابيح LED الأصلية التي تعمل بالتيار المتردد. [ 64 ]
تم إنتاج شرائط إضاءة LED لأول مرة في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ومنذ ذلك الحين، سمحت زيادة الكفاءة الضوئية وزيادة الطاقة في مصابيح SMD باستخدامها في تطبيقات مثل إضاءة المهام عالية السطوع، واستبدال تجهيزات الإضاءة الفلورية والهالوجينية، وتطبيقات الإضاءة غير المباشرة، والفحص بالأشعة فوق البنفسجية أثناء عمليات التصنيع، وتصميم الديكورات والأزياء ، وزراعة النباتات .
توجد أنواع عديدة من شرائط الإضاءة LED، لكل منها اسم رمزي وأنواع مختلفة من مصابيح LED. وتختلف هذه الأنواع في طاقة الإدخال، والمسافة بين مصابيح LED، وإمكانية اختيار الألوان، وغير ذلك.
خاص بالتطبيق
مصباح LED بتقنية RGB-SMDصورة مركبة لشاشة عرض بطاقة تعريفية على طية صدر السترة، مقاسها 11 × 44، مزودة بمصفوفة LED من نوع SMD 1608/0603. أعلى: ما يزيد قليلاً عن نصف الشاشة (21 × 86 مم) . وسط: صورة مقرّبة لمصابيح LED في ضوء محيط. أسفل: مصابيح LED تحت ضوءها الأحمر الخاص.
وميض
تُستخدم مصابيح LED الوامضة كمؤشرات لجذب الانتباه دون الحاجة إلى مكونات إلكترونية خارجية. تشبه هذه المصابيح مصابيح LED العادية، لكنها تحتوي على منظم جهد مدمج ودائرة اهتزاز متعددة تجعلها تومض بفترة نموذجية تبلغ ثانية واحدة. في مصابيح LED ذات العدسات المشتتة، تظهر هذه الدائرة كنقطة سوداء صغيرة. تُصدر معظم مصابيح LED الوامضة ضوءًا بلون واحد، لكن الأجهزة الأكثر تطورًا قادرة على الوميض بين ألوان متعددة، بل وحتى التدرج اللوني باستخدام مزج ألوان RGB. تتوفر مصابيح SMD LED الوامضة بأحجام 0805 وغيرها منذ أوائل عام 2019.
وميض
ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث من رقاقة LED الخاصة بمصباح LED بالأشعة تحت الحمراء كما تراه الكاميرا الرقميةتُستخدم الدوائر الإلكترونية البسيطة المدمجة في غلاف مصابيح LED منذ عام 2011 على الأقل، وهي تُنتج نمطًا عشوائيًا لشدة إضاءة LED يُشبه وميض شمعة . [ 65 ] وقد أشارت الهندسة العكسية في عام 2024 إلى أن بعض مصابيح LED الوامضة المزودة بأوضاع السكون والاستيقاظ التلقائية قد تستخدم وحدة تحكم دقيقة مدمجة ذات 8 بت لهذه الوظيفة. [ 66 ] وفي بعض الأحيان، قد يحدث الوميض نتيجة خلل كهربائي. [ 67 ]
ثنائي اللون
تحتوي مصابيح LED ثنائية اللون على باعثين ضوئيين مختلفين في غلاف واحد. يوجد نوعان منها. النوع الأول يتكون من شريحتين متصلتين بنفس السلكين بشكل عكسي . عند مرور التيار في اتجاه معين، ينبعث لون معين، وعند مروره في الاتجاه المعاكس، ينبعث اللون الآخر. أما النوع الثاني فيتكون من شريحتين مع أسلاك منفصلة لكل منهما، وسلك ثالث مشترك للأنود أو الكاثود، مما يسمح بالتحكم بهما بشكل مستقل. التركيبة الأكثر شيوعًا للمصابيح ثنائية اللون هي الأحمر/الأخضر التقليدي . ومن التركيبات الأخرى: الكهرماني/الأخضر التقليدي، والأحمر/الأخضر النقي، والأحمر/الأزرق، والأزرق/الأخضر النقي.
ألوان RGB ثلاثية
تحتوي مصابيح LED ثلاثية الألوان على ثلاثة مصادر إضاءة LED مختلفة في غلاف واحد. يتصل كل مصدر إضاءة بسلك منفصل، مما يسمح بالتحكم فيه بشكل مستقل. عادةً ما يكون الترتيب رباعي الأسلاك، حيث يوجد سلك مشترك (مصعد أو مهبط) وسلك إضافي لكل لون. بينما تحتوي أنواع أخرى على سلكين فقط (موجب وسالب) ووحدة تحكم إلكترونية مدمجة. تتكون مصابيح RGB LED من مصباح أحمر، وآخر أخضر، وثالث أزرق. [ 68 ] وبفضل إمكانية ضبط كل مصباح من هذه المصابيح الثلاثة بشكل مستقل، تستطيع مصابيح RGB LED إنتاج نطاق واسع من الألوان. على عكس مصابيح LED ذات الألوان المحددة، لا تُنتج هذه المصابيح أطوال موجية نقية، وقد لا تكون وحداتها مُحسّنة لمزج الألوان بسلاسة.
ألوان متعددة زخرفية
تتضمن مصابيح LED متعددة الألوان ذات الطابع الزخرفي عدة مصادر إضاءة بألوان مختلفة يتم توصيلها بسلكين فقط. ويتم تغيير الألوان داخليًا عن طريق تغيير جهد التغذية.
أبجدي رقمي
تتوفر شاشات LED الأبجدية الرقمية بأنواع مختلفة، منها سباعية الأجزاء ، ونجمية الشكل ، ونقطية الشكل . تعرض الشاشات سباعية الأجزاء جميع الأرقام ومجموعة محدودة من الأحرف. أما الشاشات النجمية الشكل، فتُعرض جميع الأحرف. وتستخدم الشاشات نقطية الشكل عادةً 5×7 بكسل لكل حرف. كانت شاشات LED سباعية الأجزاء شائعة الاستخدام في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، ولكن مع ازدياد استخدام شاشات الكريستال السائل ، التي تتميز بانخفاض استهلاكها للطاقة ومرونتها العالية في العرض، تراجعت شعبية شاشات LED الرقمية والأبجدية الرقمية.
نظام ألوان RGB الرقمي
تحتوي مصابيح LED الرقمية RGB القابلة للعنونة على إلكترونيات تحكم ذكية خاصة بها. بالإضافة إلى الطاقة والأرضي، توفر هذه الإلكترونيات منافذ لإدخال البيانات وإخراجها، وإشارة الساعة، وأحيانًا إشارة الوميض. يتم توصيل هذه المصابيح على شكل سلسلة متصلة ، مما يسمح بالتحكم بسهولة في كل مصباح LED على حدة في شريط إضاءة LED طويل باستخدام متحكم دقيق. يمكن للبيانات المرسلة إلى أول مصباح LED في السلسلة التحكم في سطوع ولون كل مصباح بشكل مستقل عن الآخر. تُستخدم هذه المصابيح عندما يكون من الضروري الجمع بين أقصى قدر من التحكم وأقل قدر من الإلكترونيات المرئية، مثل سلاسل إضاءة عيد الميلاد ومصفوفات LED. بعضها يتميز بمعدلات تحديث تصل إلى نطاق الكيلوهرتز، مما يسمح باستخدامها في تطبيقات الفيديو الأساسية. تُعرف هذه الأجهزة برقم القطعة ( WS2812 هو الأكثر شيوعًا) أو باسم علامة تجارية مثل NeoPixel .
خيط
يتكون فتيل LED من عدة رقائق LED موصولة على التوالي على ركيزة طولية مشتركة، لتشكل قضيبًا رفيعًا يُشبه فتيل المصباح المتوهج التقليدي. [ 69 ] تُستخدم هذه الفتائل كبديل زخرفي منخفض التكلفة للمصابيح التقليدية التي يجري التخلص منها تدريجيًا في العديد من البلدان. تستخدم هذه الفتائل جهدًا عاليًا نسبيًا، مما يسمح لها بالعمل بكفاءة مع جهد التيار الكهربائي. غالبًا ما يُستخدم مُقوِّم بسيط ومُحدِّد تيار سعوي لإنشاء بديل منخفض التكلفة للمصباح التقليدي دون تعقيد مُحوِّل الجهد المنخفض والتيار العالي الذي تحتاجه رقائق LED أحادية الشريحة. [ 70 ] عادةً ما تُغلَّف هذه الفتائل في مصابيح مشابهة للمصابيح التي صُمِّمت لتحل محلها، وتُملأ بغاز خامل بضغط أقل بقليل من الضغط الجوي لتبديد الحرارة بكفاءة ومنع التآكل.
مصفوفات الرقائق على اللوحة
تُصنع مصابيح LED السطحية عادةً في مصفوفات رقائق مدمجة (COB)، مما يسمح بتبديد حرارة أفضل من مصباح LED واحد ذي ناتج إضاءة مماثل. [ 71 ] يمكن ترتيب مصابيح LED حول أسطوانة، وتُسمى "مصابيح كوز الذرة" نسبةً إلى صفوف مصابيح LED الصفراء. [ 72 ]
اعتبارات الاستخدام
الكفاءة: تُصدر مصابيح LED عددًا أكبر من اللومن لكل واط مقارنةً بالمصابيح المتوهجة. [ 73 ] لا تتأثر كفاءة تجهيزات إضاءة LED بالشكل والحجم، على عكس مصابيح الفلورسنت أو الأنابيب.
الحجم: يمكن أن تكون مصابيح LED صغيرة جدًا (أصغر من 2 مم 2 [ 74 ] ) ويمكن تثبيتها بسهولة على لوحات الدوائر المطبوعة.
مصادر الطاقة
دائرة LED بسيطة مزودة بمقاومة للحد من التيار
يزداد التيار في الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) أو غيره من الصمامات الثنائية بشكل أُسّي مع الجهد المُطبّق (انظر معادلة شوكلي للصمام الثنائي )، لذا فإن أي تغيير طفيف في الجهد قد يُسبب تغييراً كبيراً في التيار. يجب تنظيم التيار المار عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء بواسطة دائرة خارجية، مثل مصدر تيار ثابت، لمنع تلفه. [ 75 ]
تتأثر مصابيح LED بالجهد الكهربائي. يجب تزويدها بجهد أعلى من جهد العتبة وتيار أقل من التيار المقنن . يتغير التيار وعمرها الافتراضي بشكل كبير مع أي تغيير طفيف في الجهد المطبق. لذلك، فهي تتطلب مصدر طاقة منظم التيار (عادةً ما يكون مجرد مقاومة متصلة على التوالي لمصابيح LED المؤشرة). [ 76 ]
انخفاض الكفاءة : تنخفض كفاءة مصابيح LED مع زيادة التيار الكهربائي . كما تزداد الحرارة مع ارتفاع التيار، مما يؤثر سلبًا على عمر مصابيح LED. تفرض هذه التأثيرات قيودًا عملية على التيار المار عبر مصابيح LED في التطبيقات عالية الطاقة. [ 77 ]
القطبية الكهربائية
على عكس المصباح المتوهج التقليدي، لا يضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) إلا عند تطبيق جهد كهربائي في اتجاهه الأمامي. لا يمر تيار ولا ينبعث ضوء عند تطبيق الجهد في الاتجاه العكسي. إذا تجاوز الجهد العكسي جهد الانهيار ، والذي يبلغ عادةً حوالي خمسة فولتات، يمر تيار كبير ويتلف الصمام الثنائي الباعث للضوء. إذا تم تقييد التيار العكسي بشكل كافٍ لتجنب التلف، يصبح الصمام الثنائي الباعث للضوء ذو التوصيل العكسي صمامًا ثنائيًا مفيدًا لتقليل الضوضاء .
بحسب التعريف، تكون فجوة الطاقة لأي ثنائي أعلى عند الانحياز العكسي مقارنةً بالانحياز الأمامي. ولأن طاقة فجوة الطاقة تحدد طول موجة الضوء المنبعث، فلا يمكن أن يكون اللون متطابقًا عند الانحياز العكسي. يكون جهد الانهيار العكسي مرتفعًا بما يكفي بحيث لا يمكن أن يكون طول الموجة المنبعثة متقاربًا بما يكفي ليظل مرئيًا. مع أن هناك عبوات ثنائية تحتوي على ثنائي باعث للضوء (LED) بلون مختلف في كل اتجاه، فإنه من غير المتوقع أن يُصدر أي عنصر LED منفرد ضوءًا مرئيًا عند الانحياز العكسي.
من غير المعروف ما إذا كان هناك أي ثنائي زينر يُصدر الضوء فقط في وضع الانحياز العكسي. ومن المثير للاهتمام أن هذا النوع من الثنائيات الباعثة للضوء (LED) يُوصل التيار عند توصيله بشكل عكسي.
مظهر
اللون: يمكن لمصابيح LED أن تُصدر ضوءًا باللون المطلوب دون الحاجة إلى استخدام أي مرشحات لونية كما هو الحال في طرق الإضاءة التقليدية. وهذا أكثر كفاءة ويمكن أن يقلل التكاليف الأولية.
إضاءة باردة: على عكس معظم مصادر الإضاءة، تُشعّ مصابيح LED حرارة ضئيلة جدًا على شكل أشعة تحت حمراء، والتي قد تُلحق الضرر بالأشياء أو الأقمشة الحساسة. وتُبدد الطاقة المهدرة على شكل حرارة من خلال قاعدة مصباح LED.
تجسيد الألوان: تتميز معظم مصابيح LED البيضاء الباردة بأطياف ضوئية تختلف اختلافًا كبيرًا عن أطياف الجسم الأسود المشع، كالشمس أو المصابيح المتوهجة. قد يؤدي الارتفاع الحاد عند 460 نانومتر والانخفاض الحاد عند 500 نانومتر إلى ظهور ألوان الأجسام بشكل مختلف تحت إضاءة مصابيح LED البيضاء الباردة مقارنةً بضوء الشمس أو مصادر الإضاءة المتوهجة، وذلك بسبب ظاهرة التماثل اللوني [ 78 ]، حيث تُعرض الأسطح الحمراء بشكل سيئ للغاية بواسطة مصابيح LED البيضاء الباردة التقليدية القائمة على الفوسفور. وينطبق الأمر نفسه على الأسطح الخضراء. تُقاس جودة تجسيد الألوان لمصباح LED بمؤشر تجسيد الألوان (CRI) .
التعتيم: يمكن تعتيم مصابيح LED إما عن طريق تعديل عرض النبضة أو خفض التيار الأمامي. [ 79 ] هذا التعديل لعرض النبضة هو السبب في أن مصابيح LED، وخاصة المصابيح الأمامية في السيارات، تبدو وكأنها تومض أو تتذبذب عند رؤيتها بالكاميرا أو من قبل بعض الأشخاص. هذا نوع من التأثير الوميضي .
خصائص الضوء
زمن التشغيل: تضيء مصابيح LED بسرعة فائقة. يصل مؤشر LED الأحمر النموذجي إلى أقصى سطوع له في أقل من ميكروثانية . [ 80 ] ويمكن أن تتمتع مصابيح LED المستخدمة في أجهزة الاتصالات بأوقات استجابة أسرع.
التركيز: يمكن تصميم الغلاف الصلب لمصباح LED لتركيز ضوئه. غالبًا ما تتطلب مصادر الإضاءة المتوهجة والفلورية عاكسًا خارجيًا لتجميع الضوء وتوجيهه بشكل فعال. بالنسبة لأغلفة مصابيح LED الأكبر حجمًا، تُستخدم عدسات الانعكاس الداخلي الكلي (TIR) لتحقيق نفس الغرض. عند الحاجة إلى كميات كبيرة من الضوء، تُستخدم عادةً مصادر ضوئية متعددة، مثل رقائق LED، والتي يصعب تركيزها أو توجيهها نحو نفس الهدف.
مصدر ضوء مساحي: لا تُحاكي مصابيح LED المفردة مصدر ضوء نقطي يُعطي توزيعًا كرويًا للضوء، بل تُعطي توزيعًا لامبرتيًا . لذا، يصعب استخدام مصابيح LED في التطبيقات التي تتطلب مجالًا ضوئيًا كرويًا. يمكن التحكم في مجالات الضوء المختلفة باستخدام بصريات أو "عدسات" مختلفة. لا تستطيع مصابيح LED توفير تباعد أقل من بضع درجات. [ 81 ]
مصداقية
مقاومة الصدمات: تتميز مصابيح LED، كونها مكونات صلبة، بصعوبة تلفها بالصدمات الخارجية، على عكس المصابيح الفلورية والمتوهجة، التي تتسم بالهشاشة. [ 82 ]
الهروب الحراري: لن تتوزع التيارات بالتساوي بين سلاسل مصابيح LED المتوازية بسبب تفاوتات التصنيع في جهدها الأمامي. قد يؤدي تشغيل سلسلتين أو أكثر من مصدر تيار واحد إلى تلف مصابيح LED مع ارتفاع درجة حرارتها. إذا تعذر تصنيف الجهد الأمامي، يلزم وجود دائرة كهربائية لضمان توزيع متساوٍ للتيار بين السلاسل المتوازية. [ 83 ]
التلف التدريجي: تتلف مصابيح LED بشكل رئيسي عن طريق خفوتها بمرور الوقت، بدلاً من التلف المفاجئ للمصابيح المتوهجة. [ 84 ]
العمر الافتراضي: تتميز مصابيح LED بعمر افتراضي طويل نسبيًا. تشير إحدى الدراسات إلى أن العمر الافتراضي لمصابيح LED البيضاء يتراوح بين 35,000 و50,000 ساعة، مع العلم أن مدة تعطلها التام قد تكون أقصر أو أطول. [ 85 ] أما أنابيب الفلورسنت، فيتراوح عمرها الافتراضي عادةً بين 10,000 و25,000 ساعة، وذلك تبعًا لظروف الاستخدام، بينما يتراوح عمر المصابيح المتوهجة بين 1,000 و2,000 ساعة. وقد أظهرت العديد من التجارب التي أجرتها وزارة الطاقة الأمريكية أن انخفاض تكاليف الصيانة الناتج عن هذا العمر الافتراضي الطويل، وليس توفير الطاقة، هو العامل الأساسي في تحديد فترة استرداد تكلفة منتج LED. [ 86 ]
دورات التشغيل: تعتبر مصابيح LED مثالية للاستخدامات التي تخضع لدورات تشغيل وإيقاف متكررة، على عكس المصابيح المتوهجة والفلورية التي تتعطل بشكل أسرع عند تشغيلها بشكل متكرر، أو مصابيح التفريغ عالية الكثافة (مصابيح HID) التي تتطلب وقتًا طويلاً للتسخين إلى أقصى إنتاجية وللتبريد قبل أن يمكن إضاءتها مرة أخرى إذا تمت إعادة تشغيلها.
تأثير درجة الحرارة: يعتمد أداء مصابيح LED بشكل كبير على درجة حرارة بيئة التشغيل ، أو خصائص إدارة الحرارة. قد يؤدي تشغيل مصباح LED فوق طاقته في درجات حرارة محيطة عالية إلى ارتفاع درجة حرارة غلافه، مما قد يتسبب في تلفه. لذا، يلزم وجود مشتت حراري مناسب لضمان عمر طويل للمصابيح. يكتسب هذا الأمر أهمية خاصة في تطبيقات السيارات والأجهزة الطبية والعسكرية، حيث يجب أن تعمل الأجهزة ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة، وتتطلب معدلات فشل منخفضة.
تصنيع
تتضمن عملية تصنيع مصابيح LED عدة خطوات، بما في ذلك الترسيب الطبقي، ومعالجة الرقائق، وفصل الرقائق، والتغليف. [ 87 ]
في عملية تصنيع مصابيح LED النموذجية، تتم عملية التغليف بعد الفحص والتقطيع ونقل الرقاقة من السيليكون إلى العبوة، ثم توصيل الأسلاك أو تركيب الرقاقة المقلوبة، [ 88 ] ربما باستخدام أكسيد الإنديوم والقصدير ، وهو موصل كهربائي شفاف. في هذه الحالة، يتم توصيل سلك (أو أسلاك) التوصيل بطبقة أكسيد الإنديوم والقصدير المترسبة داخل مصابيح LED.
تُعد تقنية رقاقة التوصيل المقلوبة على اللوحة (COB) تقنية يمكن استخدامها لتصنيع مصابيح LED. [ 89 ]
الألوان والمواد
تُصنع مصابيح LED التقليدية من مجموعة متنوعة من مواد أشباه الموصلات غير العضوية . يوضح الجدول التالي الألوان المتاحة مع نطاق الطول الموجي، وانخفاض الجهد، والمادة المصنوعة منها:
أحدث استخدام مصابيح LED في البستنة ثورة في زراعة النباتات، إذ وفر حلول إضاءة موفرة للطاقة وقابلة للتخصيص، مما يُحسّن نمو النباتات وتطورها. [ 101 ] توفر مصابيح LED تحكمًا دقيقًا في طيف الضوء وشدته وفترات الإضاءة، مما يُمكّن المزارعين من تكييف ظروف الإضاءة مع الاحتياجات الخاصة لأنواع النباتات المختلفة ومراحل نموها. تُعزز هذه التقنية عملية التمثيل الضوئي، وتُحسّن غلة المحاصيل، وتُقلل تكاليف الطاقة مقارنةً بأنظمة الإضاءة التقليدية. إضافةً إلى ذلك، تُولّد مصابيح LED حرارة أقل، مما يسمح بوضعها على مقربة من النباتات دون خطر التلف الحراري، وتُساهم في ممارسات الزراعة المستدامة من خلال تقليل البصمة الكربونية وإطالة مواسم النمو في بيئات مُتحكّم بها. [ 102 ] يؤثر طيف الضوء على نمو شتلات الطماطم (Solanum lycopersicum) وتركيبها الأيضي ومقاومتها لمسببات الأمراض الفطرية . [ 103 ] يُمكن أيضًا استخدام مصابيح LED في الإكثار الدقيق . [ 104 ]
بفضل عمرها الطويل، وسرعة استجابتها، ووضوحها في ضوء النهار الساطع نتيجةً لشدة إضاءتها وتركيزها، تُستخدم مصابيح LED في أضواء الفرامل وإشارات الانعطاف في السيارات. يُحسّن استخدامها في الفرامل من السلامة، نظرًا لانخفاض وقت الإضاءة الكامل بشكل كبير، أو ما يُعرف بسرعة الاستجابة، حيث تصل إلى حوالي 200 مللي ثانية أسرع [ 105 ] من المصابيح المتوهجة. وهذا يُتيح للسائقين في الخلف وقتًا أطول للتفاعل. في دائرة الإضاءة ثنائية الشدة (أضواء التحديد الخلفية والفرامل)، إذا لم يتم تشغيل مصابيح LED بتردد كافٍ، فقد تُشكّل ما يُعرف بـ" مصفوفة الوهم "، حيث تظهر صور باهتة لمصابيح LED عند مسح العين للمصفوفة بسرعة. بدأت مصابيح LED الأمامية البيضاء بالظهور. يتميز استخدام مصابيح LED بمزايا تصميمية، لأنها تُنتج أضواءً أرق بكثير من المصابيح المتوهجة ذات العاكسات المكافئة .
نظراً لانخفاض تكلفة مصابيح LED ذات الإضاءة المنخفضة، تُستخدم أيضاً في العديد من التطبيقات المؤقتة مثل العصي المضيئة والألعاب النارية. كما استخدمها الفنانون في أعمالهم الفنية .
إضاءة
مع تطور مصابيح LED عالية الكفاءة والطاقة، أصبح من الممكن استخدامها في الإضاءة. ولتشجيع التحول إلى مصابيح LED وغيرها من تقنيات الإضاءة عالية الكفاءة، أطلقت وزارة الطاقة الأمريكية في عام 2008 مسابقة جائزة L. وفازت لمبة LED من شركة Philips Lighting North America بالمسابقة الأولى في 3 أغسطس 2011، بعد إتمامها بنجاح 18 شهرًا من الاختبارات الميدانية والمخبرية واختبارات المنتج المكثفة. [ 106 ]
يُعدّ توفير إضاءة فعّالة ضرورةً أساسيةً للهندسة المعمارية المستدامة . ففي عام 2011، كانت بعض مصابيح LED تُوفّر ما يصل إلى 150 لومن/واط، بل إنّ الطرازات الرخيصة منها تتجاوز عادةً 50 لومن/واط، ما يعني أنّ مصباح LED بقوة 6 واط يُمكنه تحقيق نفس نتائج مصباح متوهج قياسي بقوة 40 واط. كما أنّ انخفاض الحرارة المنبعثة من مصابيح LED يُقلّل من الطلب على أنظمة تكييف الهواء . وعلى الصعيد العالمي، يتمّ اعتماد مصابيح LED بسرعةٍ كبيرةٍ لاستبدال مصادر الإضاءة الأقلّ كفاءةً، مثل المصابيح المتوهجة ومصابيح الفلورسنت المدمجة ، ولتقليل استهلاك الطاقة الكهربائية والانبعاثات المرتبطة بها. وتُستخدم مصابيح LED التي تعمل بالطاقة الشمسية في إنارة الشوارع والإضاءة المعمارية .
تُستخدم متانة مصابيح LED الميكانيكية وعمرها الطويل في إضاءة السيارات والدراجات النارية والهوائية . كما تُستخدم مصابيح LED في إنارة الشوارع على الأعمدة وفي مواقف السيارات. وفي عام 2007، كانت قرية تورّاكا الإيطالية أول مكان يُحوّل إنارة شوارعه إلى مصابيح LED. [ 107 ]
تستخدم إضاءة المقصورة في طائرات إيرباص وبوينغ الحديثة تقنية LED. كما تُستخدم هذه التقنية في إضاءة المطارات ومهابط طائرات الهليكوبتر. وتشمل تجهيزات إضاءة المطارات بتقنية LED حاليًا مصابيح المدرج متوسطة الشدة، ومصابيح خط منتصف المدرج، ومصابيح خط منتصف الممرات الجانبية وحوافها، ولوحات الإرشاد، وإضاءة العوائق.
تُستخدم مصابيح LED أيضًا كمصدر إضاءة لأجهزة عرض DLP ، ولإضاءة شاشات LCD الحديثة (المعروفة باسم تلفزيونات LED )، وشاشات الكمبيوتر (بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر المحمولة )، وشاشات LCD للأجهزة المحمولة، خلفًا لشاشات LCD القديمة ذات الإضاءة الخلفية CCFL ، على الرغم من استبدالها بشاشات OLED . تزيد مصابيح RGB LED من نطاق الألوان بنسبة تصل إلى 45%. ويمكن تصنيع شاشات التلفزيون وشاشات الكمبيوتر بسماكة أقل باستخدام مصابيح LED للإضاءة الخلفية. [ 108 ]
مصابيح LED لعمال المناجم، لزيادة الرؤية داخل المناجمجسر فينسنت توماس في لوس أنجلوس مضاء بمصابيح LED زرقاء
تُستخدم مصابيح LED في عمليات التعدين ، كمصابيح رأسية لتوفير الإضاءة للعمال. وقد أُجريت أبحاث لتحسين مصابيح LED المستخدمة في التعدين، بهدف تقليل الوهج وزيادة الإضاءة، مما يقلل من خطر إصابة العمال. [ 109 ]
تتزايد استخدامات مصابيح LED في التطبيقات الطبية والتعليمية، على سبيل المثال لتحسين الحالة المزاجية. [ 110 ] وقد رعت وكالة ناسا أبحاثًا حول استخدام مصابيح LED لتعزيز صحة رواد الفضاء. [ 111 ]
الاتصالات البياناتية وغيرها من الإشارات
يمكن استخدام الضوء لنقل البيانات والإشارات التناظرية. على سبيل المثال، يمكن استخدام مصابيح LED البيضاء في الأنظمة التي تساعد الأشخاص على التنقل في الأماكن المغلقة أثناء البحث عن الغرف أو الأشياء المطلوبة. [ 112 ]
تستخدم أجهزة المساعدة السمعية في العديد من المسارح والأماكن المشابهة مصفوفات من مصابيح LED تعمل بالأشعة تحت الحمراء لإرسال الصوت إلى أجهزة استقبال المستمعين. وتُستخدم الثنائيات الباعثة للضوء (وكذلك ليزرات أشباه الموصلات) لإرسال البيانات عبر أنواع عديدة من كابلات الألياف الضوئية ، بدءًا من الصوت الرقمي عبر كابلات TOSLINK وصولًا إلى وصلات الألياف ذات النطاق الترددي العالي جدًا التي تُشكل العمود الفقري للإنترنت. ولبعض الوقت، كانت أجهزة الكمبيوتر مُجهزة بشكل شائع بواجهات IrDA ، مما سمح لها بإرسال واستقبال البيانات إلى الأجهزة القريبة عبر الأشعة تحت الحمراء.
تتطلب أنظمة الرؤية الآلية عادةً إضاءة ساطعة ومتجانسة، مما يُسهّل معالجة الميزات المهمة. وغالبًا ما تُستخدم مصابيح LED.
تُعدّ ماسحات الباركود المثال الأكثر شيوعًا لتطبيقات الرؤية الآلية، ويستخدم العديد منها مصابيح LED حمراء بدلًا من الليزر. كما تستخدم فئران الحاسوب الضوئية مصابيح LED كمصدر ضوء للكاميرا المصغرة الموجودة داخل الفأرة.
تُعدّ مصابيح LED مفيدةً لأنظمة الرؤية الآلية لأنها توفر مصدراً ضوئياً صغيراً وموثوقاً. ويمكن تشغيل مصابيح LED وإيقافها حسب احتياجات نظام الرؤية، كما يمكن تعديل شكل الشعاع الناتج ليتناسب مع متطلبات النظام.
يُعدّ التألق الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية من أكثر التقنيات فعاليةً للكشف السريع والفوري عن الهباء الجوي البيولوجي. [ 117 ] كانت أجهزة الاستشعار الأولى للأشعة فوق البنفسجية عبارة عن ليزرات تفتقر إلى التطبيق العملي في الميدان. وللتغلب على هذه المشكلة، دمجت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) تقنية SUVOS لإنشاء جهاز منخفض التكلفة، صغير الحجم، خفيف الوزن، ومنخفض استهلاك الطاقة. استغرق كاشف TAC-BIO دقيقة واحدة للاستجابة من لحظة استشعاره للعامل البيولوجي. كما ثبت أيضًا إمكانية تشغيل الكاشف دون مراقبة في الأماكن المغلقة والمفتوحة لأسابيع متواصلة. [ 117 ]
تتألق الجسيمات البيولوجية المحمولة جوًا وتشتت الضوء عند تعرضها لشعاع الأشعة فوق البنفسجية. ويعتمد التألق المرصود على الطول الموجي المستخدم والفلوروفورات الكيميائية الحيوية الموجودة في العامل البيولوجي. يوفر التألق الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية طريقة سريعة ودقيقة وفعالة وعملية من الناحية اللوجستية للكشف عن العوامل البيولوجية. ويعود ذلك إلى أن استخدام التألق بالأشعة فوق البنفسجية لا يتطلب استخدام كواشف، أي أنه عملية لا تحتاج إلى إضافة مواد كيميائية لإحداث التفاعل، ولا ينتج عنها مواد استهلاكية أو نواتج ثانوية كيميائية. [ 117 ]
بالإضافة إلى ذلك، يتميز جهاز TAC-BIO بقدرته على التمييز بدقة بين الهباء الجوي الضار وغير الضار. وقد زُعم أنه يتمتع بحساسية كافية للكشف عن التركيزات المنخفضة، ولكن ليس لدرجة التسبب في نتائج إيجابية خاطئة. وتقوم خوارزمية عد الجسيمات المستخدمة في الجهاز بتحويل البيانات الأولية إلى معلومات عن طريق عد نبضات الفوتونات لكل وحدة زمنية من كاشفات التألق والتشتت، ومقارنة القيمة بعتبة محددة. [ 118 ]
طُرح جهاز TAC-BIO الأصلي في عام 2010، بينما صُمم الجيل الثاني منه، TAC-BIO GEN II، في عام 2015 ليكون أكثر فعالية من حيث التكلفة، وذلك باستخدام أجزاء بلاستيكية. يسمح تصميمه الصغير وخفيف الوزن بتركيبه على المركبات والروبوتات والطائرات المسيّرة. كما يمكن استخدام جهاز الجيل الثاني ككاشف بيئي لمراقبة جودة الهواء في المستشفيات والطائرات، أو حتى في المنازل للكشف عن الفطريات والعفن. [ 119 ] [ 120 ]
تطبيقات أخرى
زيّ LED لفناني المسرحورق جدران بإضاءة LED من تصميم Meystyleشاشة عرض LED كبيرة خلف منسق الأغانيشاشة عرض سباعية الأجزاء يمكنها عرض أربعة أرقام ونقاطمصدر إضاءة لوحة LED مستخدم في تجربة مبكرة على نمو البطاطس خلال مهمة المكوك STS-73 للتحقق من إمكانية زراعة الغذاء في مهمات طويلة الأمد مستقبلية
يمكن تعديل ضوء مصابيح LED بسرعة فائقة، لذا فهي تُستخدم على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية والاتصالات البصرية في الفضاء الحر . ويشمل ذلك أجهزة التحكم عن بُعد ، مثل أجهزة التلفزيون، حيث تُستخدم مصابيح LED التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء بكثرة. تستخدم العوازل الضوئية مصباح LED مُدمجًا مع ثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي لتوفير مسار إشارة مع عزل كهربائي بين دائرتين. يُعد هذا مفيدًا بشكل خاص في المعدات الطبية، حيث يجب عزل الإشارات الصادرة من دائرة استشعار منخفضة الجهد (تعمل عادةً بالبطارية) والمتصلة بكائن حي كهربائيًا عن أي عطل كهربائي محتمل في جهاز التسجيل أو المراقبة الذي يعمل بفولتيات قد تكون خطيرة. كما يسمح العازل الضوئي بنقل المعلومات بين الدوائر التي لا تشترك في جهد أرضي مشترك.
تعتمد العديد من أنظمة الاستشعار على الضوء كمصدر للإشارة. وتُعدّ مصابيح LED مثاليةً كمصدر للضوء نظرًا لمتطلبات المستشعرات. يستخدم شريط الاستشعار في جهاز نينتندو وي مصابيح LED تعمل بالأشعة تحت الحمراء. كما تستخدمها أجهزة قياس تشبع الأكسجين لقياس نسبة الأكسجين في الدم . وتستخدم بعض الماسحات الضوئية المسطحة مصفوفات من مصابيح LED ثلاثية الألوان (RGB) بدلاً من مصباح الفلورسنت التقليدي ذي الكاثود البارد كمصدر للضوء. يتيح التحكم المستقل في الألوان الثلاثة المضيئة للماسح الضوئي معايرة نفسه تلقائيًا لتحقيق توازن لوني أكثر دقة، دون الحاجة إلى التسخين المسبق. علاوة على ذلك، يكفي أن تكون مستشعراته أحادية اللون، لأن الصفحة التي يتم مسحها ضوئيًا تُضاء بلون واحد فقط في كل مرة.
بما أن مصابيح LED تُستخدم أيضًا كصمامات ثنائية ضوئية، فيمكن استخدامها في كلٍ من انبعاث الضوء وكشفه. على سبيل المثال، يمكن استخدامها في شاشة لمسية تستقبل الضوء المنعكس من إصبع أو قلم . [ 121 ] العديد من المواد والأنظمة البيولوجية حساسة للضوء أو تعتمد عليه. تستخدم مصابيح النمو مصابيح LED لزيادة عملية التمثيل الضوئي في النباتات ، [ 122 ] ويمكن إزالة البكتيريا والفيروسات من الماء ومواد أخرى باستخدام مصابيح LED فوق البنفسجية للتعقيم . [ 20 ] كما استُخدمت مصابيح LED ذات أطوال موجية معينة في العلاج الضوئي ليرقان حديثي الولادة وحب الشباب . [ 123 ]
تُستخدم مصابيح LED أيضًا كمرجع جهد متوسط الجودة في الدوائر الإلكترونية. يمكن استخدام انخفاض الجهد الأمامي (حوالي 1.7 فولت لمصباح LED أحمر أو 1.2 فولت لمصباح LED بالأشعة تحت الحمراء) بدلاً من ثنائي زينر في منظمات الجهد المنخفض. تتميز مصابيح LED الحمراء بمنحنى تيار/جهد مسطح للغاية فوق نقطة الانعطاف. أما مصابيح LED المصنوعة من النيتريد، فلها منحنى تيار/جهد حاد نسبيًا، وهي غير مناسبة لهذا الغرض. على الرغم من أن جهد التشغيل الأمامي لمصابيح LED يعتمد على التيار بشكل أكبر بكثير من ثنائي زينر، إلا أن ثنائيات زينر ذات جهد انهيار أقل من 3 فولت غير متوفرة على نطاق واسع.
لقد شجع التصغير التدريجي لتكنولوجيا الإضاءة منخفضة الجهد، مثل مصابيح LED و OLED، المناسبة للدمج في المواد ذات السماكة المنخفضة، على إجراء تجارب في الجمع بين مصادر الضوء وأسطح تغطية الجدران للجدران الداخلية على شكل ورق جدران LED .
البحث والتطوير
التحديات الرئيسية
تعتمد كفاءة مصابيح LED المُحسّنة على التحسينات المستمرة مثل مواد الفوسفور والنقاط الكمومية . [ 125 ]
تحتاج عملية التحويل التنازلي (الطريقة التي تحول بها المواد الفوتونات ذات الطاقة العالية إلى ألوان مختلفة ذات طاقة أقل) إلى تحسينات. فعلى سبيل المثال، تتأثر الفوسفورات الحمراء المستخدمة حاليًا بالحرارة، ويجب تحسينها في هذا الجانب حتى لا يتغير لونها وتتراجع كفاءتها مع ارتفاع درجة الحرارة. كما يمكن أن تستفيد الفوسفورات الحمراء من نطاق طيفي أضيق لإصدار المزيد من اللومن وزيادة كفاءتها في تحويل الفوتونات. [ 126 ]
بالإضافة إلى ذلك، لا يزال هناك عمل يتعين القيام به في مجالات انخفاض كفاءة التيار، وتغير اللون، وموثوقية النظام، وتوزيع الضوء، والتعتيم، والإدارة الحرارية، وأداء مصدر الطاقة. [ 125 ]
كانت الشكوك الأولية تشير إلى أن انخفاض كفاءة مصابيح LED ناتج عن ارتفاع درجات الحرارة. إلا أن العلماء أثبتوا أن درجة الحرارة ليست السبب الرئيسي لانخفاض الكفاءة. [ 127 ] وفي عام 2007، تم تحديد آلية انخفاض الكفاءة على أنها إعادة تركيب أوجيه ، والتي تم ربطها بالتفاعل المختلط. [ 77 ] وأكدت دراسة أجريت عام 2013 بشكل قاطع أن إعادة تركيب أوجيه هي السبب. [ 128 ]
التكنولوجيا المحتملة
تعتمد عائلة جديدة من مصابيح LED على أشباه الموصلات المعروفة باسم البيروفسكايت . في عام 2018، أي بعد أقل من أربع سنوات من اكتشافها، نافست قدرة مصابيح LED المصنوعة من البيروفسكايت (PLEDs) على إنتاج الضوء من الإلكترونات أداء أفضل مصابيح OLED . [ 129 ] تتميز هذه المصابيح بإمكانية خفض التكاليف نظرًا لإمكانية تصنيعها من المحلول، وهي طريقة منخفضة التكلفة والتقنية، مما قد يسمح بإنتاج أجهزة كبيرة الحجم تعتمد على البيروفسكايت بتكلفة منخفضة للغاية. وتتفوق كفاءتها من خلال التخلص من الفقد غير الإشعاعي، أي القضاء على مسارات إعادة التركيب التي لا تنتج فوتونات؛ أو من خلال حل مشكلة الاقتران الخارجي (الشائعة في مصابيح LED ذات الأغشية الرقيقة) أو موازنة حقن حاملات الشحنة لزيادة الكفاءة الكمية الخارجية ( EQE ). وقد تجاوزت أحدث أجهزة PLED حاجز الأداء برفع الكفاءة الكمية الخارجية إلى أكثر من 20%. [ 130 ]
في عام 2018، نشر كلٌ من كاو وآخرون ولين وآخرون، كلٌ على حدة، ورقتين بحثيتين حول تطوير مصابيح LED من البيروفسكايت بكفاءة كمية خارجية (EQE) تتجاوز 20%، مما جعل هاتين الورقتين علامة فارقة في تطوير مصابيح PLED. يتميز جهازهم ببنية مستوية متشابهة، حيث تقع الطبقة النشطة (البيروفسكايت) بين قطبين كهربائيين. ولتحقيق كفاءة كمية خارجية عالية، لم يكتفوا بتقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي، بل استخدموا أيضًا أساليبهم الخاصة، وإن كانت مختلفة قليلاً، لتحسين الكفاءة الكمية الخارجية. [ 130 ]
في دراسة أجراها كاو وآخرون [ 131 ] ، ركز الباحثون على مشكلة إخراج الضوء، وهي أن الخصائص الفيزيائية البصرية لثنائيات الباعثة للضوء الرقيقة تتسبب في احتجاز معظم الضوء الناتج عن أشباه الموصلات داخل الجهاز. [ 132 ] ولتحقيق هذا الهدف، أثبتوا أن البيروفسكايت المُعالَج بالمحاليل قادر على تكوين صفائح بلورية دون الميكرومتر تلقائيًا، مما يُتيح له استخلاص الضوء بكفاءة من الجهاز. يتم تكوين هذه البيروفسكايت عبر إضافة أحماض أمينية إلى محاليل طليعة البيروفسكايت . إضافةً إلى ذلك، تُسهم طريقتهم في تخميل عيوب سطح البيروفسكايت وتقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي. وبالتالي، من خلال تحسين إخراج الضوء وتقليل الفقد غير الإشعاعي، نجح كاو وزملاؤه في تحقيق ثنائيات باعثة للضوء ذات كفاءة كمية خارجية تصل إلى 20.7%. [ 131 ]
استخدم لين وزملاؤه نهجًا مختلفًا لتحقيق كفاءة كمية خارجية عالية. فبدلًا من تعديل البنية المجهرية لطبقة البيروفسكايت، اختاروا استراتيجية جديدة لإدارة التوزيع التركيبي في الجهاز، وهو نهج يوفر في آنٍ واحد إضاءة عالية وحقنًا متوازنًا للشحنات. بعبارة أخرى، استمروا في استخدام طبقة باعثة مسطحة، لكنهم سعوا إلى تحسين توازن الإلكترونات والفجوات المحقونة في البيروفسكايت، وذلك لتحقيق أقصى استفادة من حاملات الشحنة. علاوة على ذلك، في طبقة البيروفسكايت، تُحاط البلورات تمامًا بمادة MABr المضافة (حيث MA هي CH₃NH₃ ) . يعمل غلاف MABr على تخميل العيوب غير الإشعاعية التي قد توجد في بلورات البيروفسكايت، مما يؤدي إلى تقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي. لذلك، من خلال موازنة حقن الشحنات وتقليل الخسائر غير الإشعاعية، طور لين وزملاؤه ثنائيًا باعثًا للضوء من البيروفسكايت ( PLED ) بكفاءة كمية خارجية تصل إلى 20.3%. [ 133 ]
الصحة والسلامة
قد تتجاوز بعض مصابيح LED الزرقاء ومصابيح LED البيضاء الباردة الحدود الآمنة لما يُعرف بمخاطر الضوء الأزرق ، كما هو مُحدد في مواصفات سلامة العين، مثل "ANSI/IESNA RP-27.1–05: الممارسات الموصى بها للسلامة الضوئية البيولوجية للمصابيح وأنظمة الإضاءة". [ 134 ] وأظهرت إحدى الدراسات عدم وجود دليل على وجود خطر في الاستخدام العادي عند مستوى الإضاءة المنزلية، [ 135 ] وأن الحذر مطلوب فقط في حالات مهنية مُحددة أو لفئات سكانية مُعينة. [ 136 ] في عام 2006، نشرت اللجنة الكهروتقنية الدولية معيار IEC 62471 للسلامة الضوئية البيولوجية للمصابيح وأنظمة الإضاءة ، ليحل محل تطبيق المعايير السابقة المُوجهة نحو الليزر لتصنيف مصادر LED. [ 137 ]
التأثير على الحياة البرية: تُعدّ مصابيح LED أكثر جاذبية للحشرات من مصابيح بخار الصوديوم، لدرجةٍ أثارت مخاوف بشأن إمكانية إحداث خلل في السلاسل الغذائية . [ 140 ] [ 141 ] قد تُربك إضاءة LED بالقرب من الشواطئ، وخاصةً الألوان الزرقاء والبيضاء الشديدة، صغار السلاحف وتدفعها إلى التجول في الداخل. [ 142 ] تشجع جماعات الحفاظ على البيئة على استخدام مصابيح LED "الآمنة للسلاحف" التي تُصدر ضوءًا ضمن نطاق ضيق من الطيف المرئي، وذلك للحد من الضرر. [ 143 ]
الاستخدام في ظروف الشتاء: نظرًا لأنها لا تُصدر حرارة كبيرة مقارنةً بالمصابيح المتوهجة، فإن مصابيح LED المستخدمة في تنظيم حركة المرور قد تُحجب بالثلوج، مما يؤدي إلى وقوع حوادث. [ 144 ] [ 145 ]
↑ «كان إتش جيه راوند رائدًا في تطوير تقنية LED» . www.myledpassion.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 أكتوبر 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 أبريل 2017 .
↑ "حياة وتطورات الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) - تاريخ يمتد لمئة عام" (ملف PDF) . مركز أبحاث الإلكترونيات الضوئية، جامعة ساوثهامبتون. أبريل 2007. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 15 سبتمبر 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 سبتمبر 2012 .
↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 3293513 ، "ثنائي إشعاعي شبه موصل"، جيمس ر. بيارد وغاري بيتمان، تم تقديمها في 8 أغسطس 1962، وتم إصدارها في 20 ديسمبر 1966.
↑ «مخترع مصدر ضوئي طويل الأمد ومنخفض الحرارة يحصل على جائزة ليميلسون-معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للاختراع بقيمة 500,000 دولار» . واشنطن العاصمة، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. 21 أبريل 2004. مؤرشف من الأصل في 9 أكتوبر 2011. تم الاطلاع عليه في 21 ديسمبر 2011 .
↑ إدواردز، كيمبرلي د. "الثنائيات الباعثة للضوء" (ملف PDF) . جامعة كاليفورنيا، إرفاين . ص 2. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 14 فبراير 2019. تم الاطلاع عليه في 12 يناير 2019 .
↑ مركز أبحاث الإضاءة. "كيف يُصنع الضوء الأبيض باستخدام مصابيح LED؟" . معهد رينسيلار للفنون التطبيقية . مؤرشف من الأصل في 2 مايو 2021. تم الاطلاع عليه في 12 يناير 2019 .
↑ بيلايز، إي. أ؛ فيليغاس، إي. ر (2007). "مفاضلات خفض استهلاك الطاقة لمصابيح LED في قياس تشبع الأكسجين النبضي المتنقل". المؤتمر الدولي السنوي التاسع والعشرون لجمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في الطب وعلم الأحياء . المجلد 2007. الصفحات 2296-2299 . doi : 10.1109/IEMBS.2007.4352784 . ISBN978-1-4244-0787-3ISSN 1557-170X . PMID 18002450 . S2CID 34626885 .
↑ ويب، جوناثان (7 أكتوبر 2014). "اختراع مصابيح LED الزرقاء يفوز بجائزة نوبل في الفيزياء" . بي بي سي . مؤرشف من الأصل في 20 يناير 2025. تم الاطلاع عليه في 1 مارس 2025 .
↑ أوفرباي، دينيس (7 أكتوبر 2014). "فيزيائي أمريكي وعالمان يابانيان يتقاسمون جائزة نوبل لأبحاثهم حول مصابيح LED" . صحيفة نيويورك تايمز . مؤرشف من الأصل في 18 فبراير 2025.
↑ بيرسال، توماس (2010). أساسيات الفوتونيات، الطبعة الثانية . ماكجرو هيل. ISBN978-0-07-162935-5أُرشف من المصدر الأصلي في 17 أغسطس 2021. تم الاطلاع عليه في 25 فبراير 2021 .
↑ أوف دير ماور، ماتياس؛ كاربوف، سيرجي (1 مارس 2017). "التعامل مع الفجوة الخضراء" . أشباه الموصلات المركبة . تم الاسترجاع في 5 مايو 2026 .
↑ كوك، مايك (أبريل-مايو 2010). "التعمق في مصابيح LED للتعقيم بالأشعة فوق البنفسجية" (ملف PDF) . مجلة أشباه الموصلات اليوم . 5 (3): 82. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 15 مايو 2013.
↑ نيمز، توماس؛ هايلر، فريدريك؛ جنسن، كيفن (نوفمبر 2012). "أجهزة الاستشعار والتحكم بالتغذية الراجعة لأنظمة LED متعددة الألوان" . مراجعة LED الاحترافية: الاتجاهات والتقنيات لحلول الإضاءة المستقبلية (34). LED Professional: 2-5 . ISSN 1993-890X . مؤرشف من الأصل (PDF) في 29 أبريل 2014.
↑ تانابي، س.؛ فوجيتا، س.؛ يوشيهارا، س.؛ ساكاموتو، أ.؛ ياماموتو، س. (2005). "فوسفور زجاجي خزفي YAG لمصابيح LED البيضاء (II): خصائص الإضاءة" (ملف PDF) . في: فيرغسون، إيان ت.؛ كارانو، جون س.؛ تاغوتشي، تسونيماسا؛ أشداون، إيان إي. (محررون). المؤتمر الدولي الخامس حول إضاءة الحالة الصلبة . المجلد 5941. ص 594112. رمز Bibcode : 2005SPIE.5941..193T . doi : 10.1117/12.614681 . S2CID 38290951. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 11 مايو 2011.{{cite book}}تم |journal=تجاهله ( مساعدة )
↑ أونو، ي. (2004). فيرغسون، إيان ت؛ ناريندران، ناداراجا؛ دينبارز، ستيفن ب؛ كارانو، جون س (محررون). "تجسيد الألوان والكفاءة الضوئية لأطياف مصابيح LED البيضاء" (ملف PDF) . وقائع SPIE . المؤتمر الدولي الرابع حول إضاءة الحالة الصلبة. 5530 : 89. Bibcode : 2004SPIE.5530...88O . doi : 10.1117/12.565757 . S2CID 122777225. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 11 مايو 2011.
↑ "منتجات لومينوس" . أجهزة لومينوس. مؤرشف من الأصل في 25 يوليو 2008. تم الاطلاع عليه في 21 أكتوبر 2009 .
↑ "ورقة بيانات سلسلة CST-90 من منتجات لومينوس" (ملف PDF) . أجهزة لومينوس. مؤرشفة من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 31 مارس 2010. تم الاطلاع عليها بتاريخ 25 أكتوبر 2009 .
1 2 "Xlamp Xp-G Led" . Cree.com . شركة Cree. مؤرشف من الأصل في 13 مارس 2012. تم الاطلاع عليه في 16 مارس 2012 .
↑ "شركة سيول لأشباه الموصلات تطلق مصدر إضاءة LED يعمل بالتيار المتردد Acrich" . مجلة LEDS. 17 نوفمبر 2006. مؤرشف من الأصل في 15 أكتوبر 2007. تم الاطلاع عليه في 17 فبراير 2008 .
١ ٢ قضايا الرؤية والبيئة والفلك المرتبطة بالإضاءة الخارجية البيضاء الغنية باللون الأزرق (ملف PDF) . الرابطة الدولية للسماء المظلمة. ٤ مايو ٢٠١٠. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في ١٦ يناير ٢٠١٣.
↑ أوسكاي، ويندل (22 يونيو 2011). "هل يبدو لك صوت هذا المصباح LED مضحكًا؟" . مختبرات العالم المجنون الشرير . مؤرشف من الأصل في 24 سبتمبر 2023. تم الاطلاع عليه في 30 يناير 2024 .
↑ "إضاءة الحالة الصلبة: مقارنة مصابيح LED بمصادر الإضاءة التقليدية" . eere.energy.gov . مؤرشف من الأصل في 5 مايو 2009.
↑ "ورقة بيانات مصابيح LED الصغيرة بتقنية SMD من سلسلة Dialight 598" (ملف PDF) . Dialight.com . مؤرشفة من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 5 فبراير 2009.
1 2 ستيفنسون، ريتشارد (أغسطس 2009)، " السر المظلم لمصابيح LED: لن تحل الإضاءة ذات الحالة الصلبة محل المصباح الكهربائي حتى تتمكن من التغلب على المرض الغامض المعروف باسم التدلي ". IEEE Spectrum .
↑ وورثي، جيمس أ. "كيف يعمل الضوء الأبيض" . ندوة أبحاث الإضاءة LRO، الضوء واللون . تم الاطلاع عليه في 6 أكتوبر 2007 .
↑ نارا، براتيوثا؛ زينجر، دي إس (2004). "نهج فعال لتعتيم مصابيح LED". وقائع مؤتمر تطبيقات الصناعة لعام 2004 التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 2004. الاجتماع السنوي التاسع والثلاثون لتطبيقات الصناعة . المجلد 3. الصفحات 1671-1676 . doi : 10.1109 /IAS.2004.1348695 . ISBN978-0-7803-8486-6. S2CID 16372401 .
↑ بن عزرا، موشيه؛ وانغ، جيا بينغ؛ ويلبورن، بينيت؛ شياويانغ لي؛ لي ما (2008). "جهاز قياس BRDF باستخدام مصابيح LED فقط". مؤتمر IEEE لعام 2008 حول رؤية الحاسوب والتعرف على الأنماط . الصفحات 1-8 . CiteSeerX 10.1.1.165.484 . doi : 10.1109/CVPR.2008.4587766 . ISBN978-1-4244-2242-5. S2CID 206591080 .
↑ ميلر ن.، كولوس د.، ووزني أ.، ريمارز د.، هايزر م.، فيرزبوفسكي ك.، نيلكه ر.، سزيفس ل.، 2019. تطبيق الثنائيات الباعثة للضوء واسعة الطيف في الإكثار الدقيق لأنواع نباتات الزينة الشائعة: دراسة حول جودة النبات وخفض التكاليف. علم الأحياء الخلوي والتنموي في المختبر - النبات 55: 99-108. https://doi.org/10.1007/s11627-018-9939-5
↑ Tymoszuk A.، Kulus D.، Błażejewska A.، Nadolan K.، Kulpińska A.، Pietrzykowski K.، 2023. تطبيق الثنائيات الباعثة للضوء واسعة الطيف في الإنتاج الداخلي لشتلات الخيار والطماطم. اكتا أجروبوتانيكا 76: 762. https://doi.org/10.5586/aa.762
↑ تيموسزوك أ.، كولوس د.، كوالسكا ج.، كولبينسكا أ.، بانكا د.، جيسكي م.، أنتكوفياك م. 2024. يؤثر طيف الضوء على النمو، والتركيب الأيضي، ومقاومة شتلات الطماطم (Solanum lycopersicum L.) ضد مسببات الأمراض الفطرية. مجلة أبحاث وقاية النبات 64(2). https://doi.org/10.24425/jppr.2024.150247
↑ كولوس د.، ووزني أ.، 2020. تأثير ظروف الإضاءة على الاستجابة المورفوجينية والكيميائية الحيوية لأنواع مختارة من نباتات الزينة في ظروف المختبر: مراجعة موجزة. BioTechnologia 101(1): 75-83. http://doi.org/10.5114/bta.2020.92930
↑ سامباث، أ. ف.؛ ريد، م. ل.؛ مو، س.؛ غاريت، ج. أ.؛ ريدينجر، إ. د.؛ سارني، و. ل.؛ شين، هـ.؛ وراباك، م.؛ تشوا، س. (1 ديسمبر 2009)، "تأثير زيادة الكسر المولي لـ AlN على أداء المناطق النشطة لـ AlGaN التي تحتوي على عدم تجانس في التركيب على مستوى النانومتر"، الأجهزة المتقدمة عالية السرعة ، مواضيع مختارة في الإلكترونيات والأنظمة، المجلد 51، وورلد ساينتيفيك، الصفحات 69-76 ، doi : 10.1142/9789814287876_0007 ، ISBN978-981-4287-86-9{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN ( link )
↑ جاسكا، ر.؛ شور، م.س.؛ تشانغ، ج. (أكتوبر 2006). "فيزياء وتطبيقات مصابيح LED فوق البنفسجية العميقة". وقائع المؤتمر الدولي الثامن لتكنولوجيا الدوائر المتكاملة والحالة الصلبة لعام 2006. الصفحات 842-844 . doi : 10.1109/ICSICT.2006.306525 . ISBN1-4244-0160-7. S2CID 17258357 .
↑ ليم، إس آر؛ كانغ، دي؛ أوغونسيتان، أو إيه؛ شونونغ، جيه إم (2011). "الآثار البيئية المحتملة للثنائيات الباعثة للضوء (LEDs): الموارد المعدنية، والسمية، وتصنيف النفايات الخطرة". العلوم والتكنولوجيا البيئية . 45 (1): 320-327 . Bibcode : 2011EnST...45..320L . doi : 10.1021/es101052q . PMID 21138290 .
↑ "رد على بيان جمعية التسويق الأمريكية بشأن إضاءة الشوارع عالية الكثافة" . ledroadwaylighting.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 يناير 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2019 .