عندما نطبق جهدا كهربائيا عبر LED، ينتج ضوءا. كل هذا يأتي من قطعة صغيرة جدا من مادة أشباه الموصلات داخل LED، والتي تصدر طاقة على شكل فوتونات. ومن المثير للاهتمام، إذا سلطنا الضوء على LED، فإننا نعيد الفوتونات إليه، مما يعكس العملية وننتج جهدا صغيرا. تأتي مصابيح LED بأشكال وألوان وأحجام مختلفة لتطبيقات متنوعة. LED تعني دايود الإصدار من الضوء.
رمز LED والأساسيات
في الرسومات الهندسية، نستخدم رمزا محددا لمصابيح LED. لاحظ أنه يشبه إلى حد كبير رمز الصمام الثنائي لكنه يتضمن أسهما تشير إلى أن الضوء ينبعث. تعمل كل من مصابيح LED والصمامات الثنائية على نفس المبدأ: حيث يتم وضع مادة أشباه الموصلات بين الموصلات الكهربائية. بينما يصدر كلاهما فوتونات، إلا أن مصابيح LED فقط تصدر فوتونات في النطاق المرئي للبشر، وتحديدا أطوال موجية تتراوح بين 400 إلى 700 نانومتر. اعتمادا على الطول الموجي، ندرك ألوانا مختلفة.
على سبيل المثال:
- إشارات راديو FM هي موجات فوتونية بطول حوالي 3 أمتار.
- إشارات الواي فاي أصغر حجما بحوالي ستة سنتيمترات.
- الأشعة السينية الطبية صغيرة جدا عند حوالي 0.01 نانومتر.
كل هذه خارج الطيف المرئي لدينا. ربما لاحظت وجود ضوء LED في جهاز التحكم عن بعد يصدر ضوء تحت أحمر، عادة حوالي 940 نانومتر—غير ملحوظ للبشر لكنه مرئي على كاميرا الهاتف.
كيف تختلف مصابيح LED عن الصمامات الثنائية القياسية
داخل LED، تندمج الإلكترونات مع فتحات، مما يطلق فوتونات في العملية. تستخدم الصمامات الصنية القياسية مواد مختلفة في طبقات أشباه الموصلات، مما ينتج فوتونات في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. تمتص هذه الفوتونات في الغلاف وتتحول إلى حرارة، مما يسبب حرارة الصمامات. على النقيض من ذلك، تنتج مصابيح LED حرارة قليلة جدا، مما يجعلها أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة مقارنة بالأضواء المتوهجة التقليدية التي تولد حرارة كبيرة عن طريق تسخين خيط لإنتاج ضوء مرئي.
معظم مصابيح LED التي ستتعرف عليها هي من نوع الفتحة التي تتجاوز خمسة ملم، وغالبا ما يكون لها جانب واحد بحافة مسطحة. تشير هذه الحافة المسطحة إلى جانب الكاثود، مما يسهل تحديد القطبية الصحيحة. مصابيح LED ذات الفتحات مثالية لتعلم الإلكترونيات، وتتوفر بكميات كبيرة وبسعر رخيص ومناسبة للإدخال في لوحات الاختبار أو اللحام في لوحات الدوائر المطبوعة. هناك أيضا نسخ أصغر بقطر 3 ملم وأكبر بحجم 10 ملم، عادة على شكل قبة، بالإضافة إلى نسخ مربعة الشكل.
أجهزة التثبيت السطحي (SMD) ومصابيح LED عالية الطاقة
يتم لحام مصابيح SMD، أو أجهزة التركيب السطحي، مباشرة على لوحات الدوائر للتصميمات المدمجة. هذه النسخ أصغر بكثير، وأحيانا تتطلب مجهر للحام. تستخدم مصابيح SMD LED بشكل شائع في المصابيح. على سبيل المثال، LED أزرق مع طبقة من الفوسفور الأصفر يجمع بين الضوء الأصفر والأزرق لإنتاج ضوء أبيض. تستخدم مصابيح LED عالية القوة، وهي في الأساس العديد من مصابيح LED مجمعة معا بإحكام، غالبا في استخدام المشاعل والأضواء الكاشفة بسبب سطوعها ورؤيتها من مسافات بعيدة.
قطبية LED والحماية
تضيء مصابيح LED فقط عندما يكون سلك الأنود متصلا بالموجب والكاثود بالسالب. أطول سلك في LED عادة ما يكون الأنود، مما يجعل تحديد القطبية سهلا. إذا تم قص الأسلاك، فإن الحافة المسطحة في غلاف LED تشير إلى جانب الكاثود. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي مصابيح LED على لوحين معدنيين بداخلهما — والصفيحة الأكبر هي الكاثود. بعض مصابيح LED تحتوي على نقطة صغيرة للدلالة على القطبية، لكن من الضروري التحقق من ورقة بيانات الشركة المصنعة أو اختبارها بنفسك.
توصيل LED مباشرة بمصدر جهد أعلى، مثل بطارية تسعة فولت، يمكن أن يدمره. لمنع ذلك، يستخدم مقاوم لتقليل تيار الإلكترونات، مما يحمي LED عن طريق إزالة الطاقة الكهربائية الزائدة كحرارة. على سبيل المثال، مع بطارية 9 فولت، قد ترفع المقاومة حوالي 7 فولت، مما يسمح لمصباح LED بالعمل بأمان عند الفولت المتبقي. تحدد المقاومة التيار للدائرة، ويمكن تغييره للتحكم في سطوع LED.
محركات ودوائر LED
تستخدم محركات LED في المصابيح والوحدات المخصصة لتشغيل إضاءة الشريط لتوفير الجهد والتيار الصحيحين. على سبيل المثال، المصباح الذي يعمل بجهد 230 فولت يستخدم مقوما لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، ومكثفا لتنعمه، وشريحة لتوفير تيار ثابت للمصابيح الLED لمنع الوميض.
شرائط إضاءة USB هي دوائر بسيطة حيث يوفر منفذ USB سكة 5 فولت وسكة أرضية، مع مقاومة وLED متصلين بالتوازي. يتيح هذا التصميم مرونة في الطول، حيث يؤثر قطع الشريط على التيار بناء على عدد مصابيح LED.
داخل LED
داخل هيكل LED، يحتوي كل من الأسلاك الأنودية والكاثودية على صفائح معدنية مفصولة بفجوة صغيرة. تشير الصفيحة الأكبر إلى جانب الكاثود. يتكون أشباه الموصل في LED من طبقة من النوع n مع إلكترونات حرة وطبقة من النوع p بها ثقوب. عند تزويدها بالطاقة، تتدفق الإلكترونات من النوع n إلى طبقة النوع p، مطلقة فوتونات عند نقطة التقاء PN. يحدد طول موجة هذه الفوتونات لون الضوء، والذي يعتمد على المادة شبه الموصلة المستخدمة.
مواد أشباه الموصلات واللون الفاتح
تنتج مواد أشباه الموصلات المختلفة أطوال موجية مختلفة للضوء. على سبيل المثال:
- تصدر صمامات السيليكون ضوءا قريبا من الأشعة تحت الحمراء، لا يستطيع البشر رؤيته.
- يسمح الزرنيخ الجاليومي مع فوسفيد الغاليوم بتنوع الألوان عن طريق تعديل فجوة الشريط في مادة أشباه الموصلات.
من خلال خلط مواد مختلفة، يمكن للعلماء تحقيق أي لون بين الأحمر والأخضر، مما يتيح إنتاج ألوان مختلفة وضوء أبيض من خلال دمج مصابيح LED الحمراء والأخضر والأزرق.
استنتاج
تعد مصابيح LED مصادر إضاءة متعددة الاستخدامات وموفرة للطاقة تستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، من المؤشرات البسيطة إلى أنظمة الإضاءة المعقدة. فهم كيفية عمل مصابيح LED يتطلب معرفة فيزياء أشباه الموصلات، وتصميم الدوائر، وعلوم المواد، وكلها تساهم في حلول الإضاءة الحيوية والفعالة التي نعتمد عليها اليوم.
الأسئلة الشائعة (FAQs)
- ماذا تعني LED؟
LED تعني دايود الإصدار من الضوء. هو جهاز شبه موصل يصدر الضوء عندما يمر تيار كهربائي من خلاله.
- لماذا تنتج مصابيح LED ألوانا مختلفة؟
يعتمد لون الضوء الناتج عن LED على طول موجة الفوتونات المنبعثة، والذي يحدده مادة أشباه الموصلات المستخدمة في بناء LED. المواد المختلفة لها فجوات نطاقية مختلفة، مما يؤدي إلى اختلاف الأطوال الموجية وألوان الضوء.
- كيف يمكنني حماية LED من التلف بسبب الجهد العالي؟
لحماية LED من الجهد العالي، استخدم مقاوما في الدائرة للحد من التيار المار عبر LED. يقلل المقاومة الجهد إلى مستوى آمن، مما يمنع التيار الزائد الذي قد يضر مصباح LED.
