الصمام الثنائي الباعث للضوء
(بالإنجليزية: light-emitting diode أو مختصرا LED)
هو مصدر ضوئي مصنوع من مواد أشباه الموصلات تبعث الضوء حينما يمر خلاله تيار كهربائي. يكثر استخدامه كما يكثر تسميته بـ LED أو الإضاءة الثبلية، "ثبل".
يعتبر مصباح LED أوفر المصابيح الكهربائية من وجهة استهلاكه للكهرباء ، فمثلا فإذا كانت قوة لمبة عادية من التي تعمل بفتيل من التنجستن قدرتها 25 واط فإن مصباحا LED يعوضها بقدرة 4 - 5 واط فقط ، على الرغم من أن كل واحد منهما ينتج شدة إضاء تبلغ 190 لومن.
تنتج مصابيح "LED" بقدرات بين 4 واط إلى 100 واط .
بتاريخ 7 أكتوبر/تشرين الأول ، تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لمخترعي الصمام الثنائي الباعث للضوء، إيسامو اكاساكي وهيروشي أمانو وشوجي ناكامورا لـ"اختراع الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق المتميز بكفائته والذي ادى إلى إمكانية توفير مصادر ساطعة وموفرة للطاقة للضوء الأبيض".
ابتكاره وتطويره
يرجع تطويره إلى ستينات القرن العشرين عند اكتشاف أشباه الموصلات. في البدء كان يبعث ضوءا واحدا ضعيفا ، لكن مع الوقت أمكن تطويره لبعث الثلاثة ألوان الأساسية : الأحمر والأزرق والأخضر. وكثيرا ما يستعمل في اللوحات الكبيرة المنيرة وغيرها.
وأصبح لها طاقة كبيرة على إصدار ضوء ناصع باستهلاك قليل جدّاً للكهرباء.
بدأ نيك هولنياك ابتكاره على إثر اختراع أنصاف الموصلات التي ازداد استعمالها في النصف الثاني من القرن الماضي في الحاسوب. ونال بسبب هذا الاختراع جائزة الألفية للتكنلوجيا في عام 2006.
وكانت تستخدم الصمامات الباعثة للضوء في الأسواق التجارية بدلا من المصابيح المتوهجة ومؤشر النيون ، وتستخدم في شاشات العرض ، ثم استخدمت في أجهزة كثيرة مثل: أجهزة التلفاز ، وأجهزة الراديو والهواتف والآلات الحاسبة والساعات.
طريقة عمله
يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء من مصعد ومهبط لتوصيل التيار الكهربائي يكونان منفصلان (انظر الصور).
يشكل المهبط في هيئة حفرة تركز الضوء الصادر وملتحم في قاعها بلورة المادة شبه الموصلة، تبعث الطبقة الوسطية لالتحام البلورة بمادة المهبط ضوء عند توصيلها بمصدر كهربائي، فيصلها التيار الكهربائي عن طريق سلك ربط يوصل بين البلورة والمصعد.
يثير التيار الكهربائي الذرات في شبه الموصل فتشغل بعض إلكتروناتها مستوى طاقة عالي في الذرة. في الثنائي الضوئي تقفز متأثرة بالتيار الكهربائي إلكترونات الذرّة من مستوى طاقة عالي إلى مستوي طاقة منخفضة، فيصدر الإلكترون فارق الطاقة بين الحالتين على هيئة فوتون، أي شعاع ضوء ذو تردد محدد وبالتالي له طول موجة ولون محددة. وباختيار مادة الثنائي يمكن الحصول على لون الضوء الصادر المطلوب.
وهذا يتعلق باختيار المادة المناسبة وكذلك اختيار مستويي الطاقة الذريين (المدارين المعنيين في الذرة) الذي يقفز الإلكترون من أحدهما إلى المستوي الآخر المنخفض. فهذا الفارق في طاقة المستويين يحدد طاقة الفوتون الذي يطلقه الإلكترون عند قفزته يتميز بطول موجة معينة وبالتالي بلون معين للشعاع.
زمر الليد الباعث للضوء في المخططات
ميزاته
له ميزات كثيرة يتفوق بها عن الوسائل المعتادة للإضاءة. فاستهلاكه للقدرة الكهربائية قليل، فيمكن تشغيله ببطاريات صغيرة، وعمره طويل، ويتحمل الصدمات، وصغير الحجم (فهو لايزيد عن 5 مللي متر في مقاييسه). إلا أنه مايزال باهظ الثمن نسبيا، كما أنه يحتاج إلى مصدر كهربائي ذو تيار ثابت وأنظمة لتشتيت الحرارة المنبعثة منه.
توجد منه أنواع صغيرة تصدر الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء وتستخدم في أجهزة التحكم عن بعد مثلما في التلفزيونات وأجهزة التسجيل DVD.
تحسن أداء الصمامات الثناية المضيئة في السنوات الأخيرة بحيث كثر استخدامها في السيارات، فبينما كان استخدامها في الماضي ينقصر فقط على استخدام اللمبات الصغيرة على لوحات مقصورة السيارة، ازدادت قدرتها بحيث تستخدم في مصابيح السيارة لإضاءة الطريق والإضاءة البعيدة، وذلك عن طريق تجميع عدد كبير منها في حزمة مع استخدام عدسات تركيز الضوء.
ميزة الصمامات الثناية المضيئة أنها تحول 20 % من الطاقة الكهربائية إلى ضوء بالمقارنة باللمبات العادية ذات فتيل سلكي فهي تحول 4% فقط من الكهرباء إلى ضوء والباقي يتشتت كحرارة.
في الصورة التالية توضيح لمتطلبات الليدات من الطاقة الكهربائية
تطويره مستقبليا
كل تلك الميزات أفسحت المجال لاستخدامه في مجالات لا تستطيع وسائل الإضاءة التقليدية القيام بها، وعلى الأخص تلك التطبيقات القائمة على مصادر صغيرة للطاقة. كما تجرى بحوث بغرض توجيه الأشعة الصادرة مما يوفر مستقبلا جزء الإضاءة الضائع وخصوصا عند استخدامه في إضاءة الشوارع، فما ينبعث من الضوء إلى أعلى يعتبر ضائعا. وقد بدأت بعض الدول الأوروبية فعلا في استخدامه لإضاءة الشوارع. وعلى الرغم من ارتفاع ثمنه نسبيا فتجرى البحوث في تطويره ليقوم بوظائف خاصة بجانب الإضاءة، ومايزال طريق تطويره مفتوحا.
دائرة الثنائي باعث الضوء
توجد دوائر خاصة تستخدم لإضاءة الصمام الثنائي. وتتألف من عنصرين بجانبه موصولان في تسلسل ؛ مصدر جهد ، ومفتاح لفتح الدائرة (مؤديا لإظلام الثنائي) أو إغلاقها (مؤديا لإضاءة الثنائي). ويمكن توصيله بجهاز تحكم فيضيئ وينطفئ بطريقة دورية. تستخدم منه أعدادا كثيرة مختلفة الألوان في شاشات الإعلان.
مقارنة الاستهلاك
يتفوق الثنائي الباعث للضوء على المصباح العادي (مصباح متوهج) من وجهة ادخاره للكهرباء . فإذا رغبنا في شدة إضاءة قدرها 800 لومن مثلا فإننا نحتاج مصباح "LED" قدرته 12 واط ، في حين لو استخدمنا لهذا الغرض مصباها تقليديا (متوهجا) لاحتجنا لمصباح يستهلك 75 واط.
في نفس الوقت يتفوق مصباح "LED" على مصباح بخار الزئبق ، ففي مثالنا أعلاه يستهلك مصباح بخار الزئبق طاقة كهربية قدرها 16 واط.ويعتبر مصباح بخار الزئبق أيضا مصباحا قليل الاستهلاك للطاقة.
أنواعه و الوانه
طريقة توصيل الليد
كن حذرا من توصيل الليد بشكل مباشر بالمصدر الكهربائي لضمان عدم إتلافه و يكون الحل بتوصيل الليد مع مقاومة لتحديد قيمة التيار المار به
كما في الشكل التالي
ولتحديد قيمة المقاومة المطلوبة ننظر للمثال التالي :
نفترض لدينا هذه الدائرة
وهي عبارة عن
مصدر جهد Vs
المقاومة المطلوبة لتحديد قيمة التيار المار في الليد Rs
ليد برتقالي
نعود لهذه الصورة
فنجد ان الليد البرتاقالي يحتاج الى 2 فولت ليعمل
واذا فرضنا اننا نريد تمرير تيار بقيمة 10mA If فقط و مصدر الجهد بالدائرة هو 5 فولت
كيف سنحسب قيمة المقاومة المطلوبة التي ستضمن لنا تمرير تيار بقيمة 10mA فقط؟
الحل:
حسب قانون أوم
قيمة التيار تساوي قيمة الجهد على المقاومة
في هذه الدائرة يكون لدينا الجهد على هذه المقاومة هو عبارة عن Vs مصدر الجهد - Vf الجهد الموجود على الليد
فبالتالي يصبح لدينا ما يلي
Rs=Vs-Vf÷If = 5v-2v÷10mA = 3×10-10-3=300Ω
Vs أو 5V هي جهد التغزية
Vf أو 2v هي قيمة جهد الليد حسب الصورة السابقة
If أو 10mA قيمة التيار المطلوب تمرمره في الليد
صورة للتوضيح
فبالتالي سنحتاج الى قيمة مقاومة تساوي 300 أوم لكي يمر التيار المطلوب في الليد
لكن قيم المقاومات الموجودة تعتبر ثابتة أو ستاندر فلا يمكننا ايجاد مقاومة بقيمة 300 أوم بل سنجد 330 أوم واذا احتجنا الى شدة اضاءة اعلى نقوم بتصغير قيمة المقاومة الى 220 أوم
الى هنا نكون انتهينا من هذا الدرس راجيين من الله أن نكون قد شرحنا كل شيئ عن الليد
(بالإنجليزية: light-emitting diode أو مختصرا LED)
هو مصدر ضوئي مصنوع من مواد أشباه الموصلات تبعث الضوء حينما يمر خلاله تيار كهربائي. يكثر استخدامه كما يكثر تسميته بـ LED أو الإضاءة الثبلية، "ثبل".
يعتبر مصباح LED أوفر المصابيح الكهربائية من وجهة استهلاكه للكهرباء ، فمثلا فإذا كانت قوة لمبة عادية من التي تعمل بفتيل من التنجستن قدرتها 25 واط فإن مصباحا LED يعوضها بقدرة 4 - 5 واط فقط ، على الرغم من أن كل واحد منهما ينتج شدة إضاء تبلغ 190 لومن.
تنتج مصابيح "LED" بقدرات بين 4 واط إلى 100 واط .
بتاريخ 7 أكتوبر/تشرين الأول ، تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لمخترعي الصمام الثنائي الباعث للضوء، إيسامو اكاساكي وهيروشي أمانو وشوجي ناكامورا لـ"اختراع الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق المتميز بكفائته والذي ادى إلى إمكانية توفير مصادر ساطعة وموفرة للطاقة للضوء الأبيض".
ابتكاره وتطويره
يرجع تطويره إلى ستينات القرن العشرين عند اكتشاف أشباه الموصلات. في البدء كان يبعث ضوءا واحدا ضعيفا ، لكن مع الوقت أمكن تطويره لبعث الثلاثة ألوان الأساسية : الأحمر والأزرق والأخضر. وكثيرا ما يستعمل في اللوحات الكبيرة المنيرة وغيرها.
وأصبح لها طاقة كبيرة على إصدار ضوء ناصع باستهلاك قليل جدّاً للكهرباء.
بدأ نيك هولنياك ابتكاره على إثر اختراع أنصاف الموصلات التي ازداد استعمالها في النصف الثاني من القرن الماضي في الحاسوب. ونال بسبب هذا الاختراع جائزة الألفية للتكنلوجيا في عام 2006.
وكانت تستخدم الصمامات الباعثة للضوء في الأسواق التجارية بدلا من المصابيح المتوهجة ومؤشر النيون ، وتستخدم في شاشات العرض ، ثم استخدمت في أجهزة كثيرة مثل: أجهزة التلفاز ، وأجهزة الراديو والهواتف والآلات الحاسبة والساعات.
طريقة عمله
يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء من مصعد ومهبط لتوصيل التيار الكهربائي يكونان منفصلان (انظر الصور).
يشكل المهبط في هيئة حفرة تركز الضوء الصادر وملتحم في قاعها بلورة المادة شبه الموصلة، تبعث الطبقة الوسطية لالتحام البلورة بمادة المهبط ضوء عند توصيلها بمصدر كهربائي، فيصلها التيار الكهربائي عن طريق سلك ربط يوصل بين البلورة والمصعد.
يثير التيار الكهربائي الذرات في شبه الموصل فتشغل بعض إلكتروناتها مستوى طاقة عالي في الذرة. في الثنائي الضوئي تقفز متأثرة بالتيار الكهربائي إلكترونات الذرّة من مستوى طاقة عالي إلى مستوي طاقة منخفضة، فيصدر الإلكترون فارق الطاقة بين الحالتين على هيئة فوتون، أي شعاع ضوء ذو تردد محدد وبالتالي له طول موجة ولون محددة. وباختيار مادة الثنائي يمكن الحصول على لون الضوء الصادر المطلوب.
وهذا يتعلق باختيار المادة المناسبة وكذلك اختيار مستويي الطاقة الذريين (المدارين المعنيين في الذرة) الذي يقفز الإلكترون من أحدهما إلى المستوي الآخر المنخفض. فهذا الفارق في طاقة المستويين يحدد طاقة الفوتون الذي يطلقه الإلكترون عند قفزته يتميز بطول موجة معينة وبالتالي بلون معين للشعاع.
زمر الليد الباعث للضوء في المخططات
ميزاته
له ميزات كثيرة يتفوق بها عن الوسائل المعتادة للإضاءة. فاستهلاكه للقدرة الكهربائية قليل، فيمكن تشغيله ببطاريات صغيرة، وعمره طويل، ويتحمل الصدمات، وصغير الحجم (فهو لايزيد عن 5 مللي متر في مقاييسه). إلا أنه مايزال باهظ الثمن نسبيا، كما أنه يحتاج إلى مصدر كهربائي ذو تيار ثابت وأنظمة لتشتيت الحرارة المنبعثة منه.
توجد منه أنواع صغيرة تصدر الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء وتستخدم في أجهزة التحكم عن بعد مثلما في التلفزيونات وأجهزة التسجيل DVD.
تحسن أداء الصمامات الثناية المضيئة في السنوات الأخيرة بحيث كثر استخدامها في السيارات، فبينما كان استخدامها في الماضي ينقصر فقط على استخدام اللمبات الصغيرة على لوحات مقصورة السيارة، ازدادت قدرتها بحيث تستخدم في مصابيح السيارة لإضاءة الطريق والإضاءة البعيدة، وذلك عن طريق تجميع عدد كبير منها في حزمة مع استخدام عدسات تركيز الضوء.
ميزة الصمامات الثناية المضيئة أنها تحول 20 % من الطاقة الكهربائية إلى ضوء بالمقارنة باللمبات العادية ذات فتيل سلكي فهي تحول 4% فقط من الكهرباء إلى ضوء والباقي يتشتت كحرارة.
في الصورة التالية توضيح لمتطلبات الليدات من الطاقة الكهربائية
تطويره مستقبليا
كل تلك الميزات أفسحت المجال لاستخدامه في مجالات لا تستطيع وسائل الإضاءة التقليدية القيام بها، وعلى الأخص تلك التطبيقات القائمة على مصادر صغيرة للطاقة. كما تجرى بحوث بغرض توجيه الأشعة الصادرة مما يوفر مستقبلا جزء الإضاءة الضائع وخصوصا عند استخدامه في إضاءة الشوارع، فما ينبعث من الضوء إلى أعلى يعتبر ضائعا. وقد بدأت بعض الدول الأوروبية فعلا في استخدامه لإضاءة الشوارع. وعلى الرغم من ارتفاع ثمنه نسبيا فتجرى البحوث في تطويره ليقوم بوظائف خاصة بجانب الإضاءة، ومايزال طريق تطويره مفتوحا.
دائرة الثنائي باعث الضوء
توجد دوائر خاصة تستخدم لإضاءة الصمام الثنائي. وتتألف من عنصرين بجانبه موصولان في تسلسل ؛ مصدر جهد ، ومفتاح لفتح الدائرة (مؤديا لإظلام الثنائي) أو إغلاقها (مؤديا لإضاءة الثنائي). ويمكن توصيله بجهاز تحكم فيضيئ وينطفئ بطريقة دورية. تستخدم منه أعدادا كثيرة مختلفة الألوان في شاشات الإعلان.
مقارنة الاستهلاك
يتفوق الثنائي الباعث للضوء على المصباح العادي (مصباح متوهج) من وجهة ادخاره للكهرباء . فإذا رغبنا في شدة إضاءة قدرها 800 لومن مثلا فإننا نحتاج مصباح "LED" قدرته 12 واط ، في حين لو استخدمنا لهذا الغرض مصباها تقليديا (متوهجا) لاحتجنا لمصباح يستهلك 75 واط.
في نفس الوقت يتفوق مصباح "LED" على مصباح بخار الزئبق ، ففي مثالنا أعلاه يستهلك مصباح بخار الزئبق طاقة كهربية قدرها 16 واط.ويعتبر مصباح بخار الزئبق أيضا مصباحا قليل الاستهلاك للطاقة.
أنواعه و الوانه
طريقة توصيل الليد
كن حذرا من توصيل الليد بشكل مباشر بالمصدر الكهربائي لضمان عدم إتلافه و يكون الحل بتوصيل الليد مع مقاومة لتحديد قيمة التيار المار به
كما في الشكل التالي
ولتحديد قيمة المقاومة المطلوبة ننظر للمثال التالي :
نفترض لدينا هذه الدائرة
وهي عبارة عن
مصدر جهد Vs
المقاومة المطلوبة لتحديد قيمة التيار المار في الليد Rs
ليد برتقالي
نعود لهذه الصورة
فنجد ان الليد البرتاقالي يحتاج الى 2 فولت ليعمل
واذا فرضنا اننا نريد تمرير تيار بقيمة 10mA If فقط و مصدر الجهد بالدائرة هو 5 فولت
كيف سنحسب قيمة المقاومة المطلوبة التي ستضمن لنا تمرير تيار بقيمة 10mA فقط؟
الحل:
حسب قانون أوم
قيمة التيار تساوي قيمة الجهد على المقاومة
في هذه الدائرة يكون لدينا الجهد على هذه المقاومة هو عبارة عن Vs مصدر الجهد - Vf الجهد الموجود على الليد
فبالتالي يصبح لدينا ما يلي
Rs=Vs-Vf÷If = 5v-2v÷10mA = 3×10-10-3=300Ω
Vs أو 5V هي جهد التغزية
Vf أو 2v هي قيمة جهد الليد حسب الصورة السابقة
If أو 10mA قيمة التيار المطلوب تمرمره في الليد
صورة للتوضيح
فبالتالي سنحتاج الى قيمة مقاومة تساوي 300 أوم لكي يمر التيار المطلوب في الليد
لكن قيم المقاومات الموجودة تعتبر ثابتة أو ستاندر فلا يمكننا ايجاد مقاومة بقيمة 300 أوم بل سنجد 330 أوم واذا احتجنا الى شدة اضاءة اعلى نقوم بتصغير قيمة المقاومة الى 220 أوم
الى هنا نكون انتهينا من هذا الدرس راجيين من الله أن نكون قد شرحنا كل شيئ عن الليد
التعديل الأخير:
