معرفی دیودهای ساطع کننده نور (LED)

  معرفی دیودهای ساطع کننده نور (LED)

به طور خلاصه، دیودهای ساطع کننده نور (LED) دستگاههای نیمه هادی هستند که با اعمال ولتاژ مستقیم، نور پویا و غیرمنسجمی را تولید می کنند. دامنه طول موج ال‌ای‌دی  ها از اشعه فرابنفش(UCV) تا فروسرخ (IR) متغیر است و در بسته بندی هایی با توان چند میلی وات تا بیش از 10 وات موجود هستند.

اولین ال‌ای‌دی یک قطعه تابش مادون قرمز بود که در سال 1961 میلادی ثبت اختراع شد. در سال 1962، اولین ال‌ای‌دی با طیف نور مرئی توسعه یافت. اولین ال‌ای‌دی پرقدرت (1 وات) در اواخر دهه 1990 توسعه یافتند. ال‌ای‌دی ها نور را از طریق فرآیند نیمه هادی تولید می کنند، برخلاف لامپ های سنتی که با یک عنصر فوق گرم در گاز یونیزه شده یا تخلیه ی قوسی (لامپ‌های گازی) تولید نور می‌کردند. طول موج نور منتشر شده در ال‌ای‌دی وابسته به مواد استفاده شده برای ایجاد اتصال نیمه هادی است. لامپ های ال‌ای‌دی نور بیشتری در ازای وات مصرفی نسبت به لامپ های رشته‌ای تولید می‌کنند، به نحوی که با لامپ‌ های فلورسنت (مهتابی) در بازدهی انرژی رقابت می‌کنند.

این قطعه با حالتی جامد بسیار مقاوم تر از هر لامپی با پوشش شیشه ای هستند و برخلاف لامپ های فلورسنت حاوی مواد خطرناک نیستند. همچنین لامپ های ال‌ای‌دی عمر بسیار طولانی تری نسبت به لامپ های رشته ای، مهتابی و فشار قوی دارند. اگرچه ال‌ای‌دی  ها مزایای زیادی نسبت به منابع نور سنتی دارند، باید هنگام طراحی سیستم روشنایی مبتنی بر ال‌ای‌دی ، یک رویکرد کلی در نظر گرفته شود. ال‌ای‌دی ها به طور مستقیم گرما تولید نمی‌کنند، ولی مقدار گرمایی که تولید می‌کنند باید برای عمر طولانی‌تر و نهایت کارایی دفع شود. ال‌ای‌دی ها به منبع تغذیه جریان ثابت DC نیاز دارند نه ولتاژ متغیر AC. سرانجام، به دلیل اینکه ال‌ای‌دی  ها منبع نور جهت‌دار هستند، ممکن است به لنز یا دیفیوزر برای توزیع نور دلخواه نیاز باشد. یک سیستم روشنایی ال‌ای‌دی صحیح قادر است عملکرد و عمری فراتر از هر منبع نور سنتی‌ای ارائه دهد.

در حوزه کشاورزی کنترل شده (CEA)، یکی از موضوعات مورد بحث، نورپردازی است. سیستم روشنایی به طور کلی جزء گران ترین بخش تاسیسات CEA از نظر هزینه های اولیه و همچنین هزینه های جاری (مصرف برق و همچنین لامپ های جایگزین) است. به همین دلیل پیشرفت در فناوری روشنایی برای جامعه CEA بسیار ارزشمند است. دیودهای ساطع کننده نور (ال‌ای‌دی) جدیدترین فناوری روشنایی هستند که وارد عرصه CEA شده اند و پتانسیل زیادی برای بهبود عملکرد و کاهش هزینه کلی روشنایی محیط کنترل شده دارند.

اصول اولیه

ال‌ای‌دی یک قطعه نیمه هادی جامد است. یعنی بیشتر به یک تراشه کامپیوتر شباهت دارد تا یک لامپ معمولی. به طور دقیق، این یک دستگاه نیمه هادی با پیوند یک واحدی است. با معرفی ناخالصی ها (فرآیندی به نام "doping") در ساختار شیمیایی نیمه هادی، خواص الکتریکی آن را می توان تغییر داد. با تغلیظ کردن نیمه هادی با مواد مختلف در مکان های مختلف، می توان یک پیوند بین دو ناحیه با جنس متفاوت ایجاد کرد.

مانند یک دیود معمولی، جریان الکتریکی به راحتی در یک از جهت عبور می کند، اما در جهت دیگر نه. هنگامی که جریان الکتریکی جاری است، ال‌ای‌دی به حالت بایاس مستقیم است. ال‌ای‌دی ها فقط زمانی نور ساطع می کنند که در حالت بایاس مستقیم باشند. رنگ نور ساطع شده توسط ال‌ای‌دی  ها به نوع ماده نیمه هادی و ناخالصی های استفاده شده برای تشکیل پیوند وابسته است. ال‌ای‌دی ها می توانند طیف نوری از 250 نانومتر (فرابنفش) تا 1000 نانومتر (مادون قرمز) و بیشتر داشته باشند.

ال‌ای‌دی یک لیزر نیست (اگرچه دیود لیزری وجود دارد، اما یک قطعه کاملاً متفاوت است). نور ال‌ای‌دی از یک نوار غیرمنسجم و باریک است. به طور کلی، ال‌ای‌دی ها خطرناک نیستند. با این حال، باید مراقب ال‌ای‌دی های انواع طول موج فرابنفش باشید، زیرا این طول موج می تواند در قدرت کافی برای چشم ها و پوست خطرناک باشند. همچنین، برخی از ال‌ای‌دی ها بسیار نورانی هستند و به همان دلیلی که نباید به خورشید نگاه کرد نباید مستقیماً به آنها نگاه کرد.

ال‌ای‌دی های تکی به صورت تجاری با توان چند میلی وات تا 5 وات یا بیشتر موجود هستند. بسته بندی‌ با مجموعه از ال‌ای‌دی هایی که نیازمند بیش 100 وات جریان هستند هم عرضه شدند. استاندارد رسمی برای یک ال‌ای‌دی مدرن و پرقدرت یک قطعه با قدرت 1 وات با جریان مستقیم 350 میلی آمپر در 3 ولت است. با این حال، ال‌ای‌دی های تکی می توانند در جریان هایی تا 1.5 آمپر نیز کار کنند.

اگرچه ال‌ای‌دی در دهه 1920 اختراع شد، اما تولید نمونه قابل استفاده با نور مرئی (قرمز) تا اوایل دهه 1960 به سرانجام نرسید. این قطعه های اولیه بسیار ضعیف بودند و فقط به عنوان چراغ راهنما استفاده می‌شدند. در طول دهه 1970، توسعه آنها ادامه یافت و طول موج های کوتاه‌تر (نارنجی، زرد و سبز) وارد بازار شدند. اولین ال‌ای‌دی قابل استفاده آبی در سال 1993 توسعه یافت، و در سال 1996، یک لایه فسفر به ال‌ای‌دی آبی اعمال شد تا اولین ال‌ای‌دی سفید جهان تولید شود. مهم ترین پیشرفت اخیر در فناوری ال‌ای‌دی توسعه قطعه پرقدرت (1 وات یا بیشتر) در سال 1999 بود. این منجر به انقلابی در سراسر زمینه روشنایی شده است، و روشنایی در صنعت کشاورزی نیز از این قاعده مستثنی نیست.

مزایا

چرا ال‌ای‌دی‌ها در دنیای روشنایی چنین سر و صدایی به پا کرده اند؟

 دو مزیت ال‌ای‌دی که به طور مکرر ذکر می شوند، بهره وری و طول عمر هستند. ال‌ای‌دی های پرقدرت جدید از نظر بهره وری (انرژی تابیده شده تقسیم بر انرژی ورودی الکتریکی) از لامپ های رشته ای و مهتابی بهتر و تقریباً برابر با لامپ های تخلیه شدت بالا (HID) هستند.

 ال‌ای‌دی های سفید نسبت به نوع تک رنگ بهره‌وری بسیار کمتری دارند، زیرا از یک لایه فسفر بر روی ال‌ای‌دی تک رنگ (معمولاً آبی) برای ایجاد نور سفید استفاده می‌شود. بخش عمده ای از افت بهره وری در این فرایند فسفری (فلورسانس) اتفاق می افتد. اندازه گیری طول عمر ال‌ای‌دی  تا حدودی نسبی است زیرا ال‌ای‌دی ها به مانند لامپ های سنتی "نمیسوزند"؛ آنها به آرامی با گذشت زمان کم نور می شوند. رایج ترین شاخص "عمر" برای ال‌ای‌دی ها اندازه گیری زمانی است که ال‌ای‌دی با 70٪ شدت اولیه خود در جریان و دمای مناسب آن می‌تابد. بیشتر ال‌ای‌دی های پرقدرت دارای 50،000 ساعت عمر مفید هستند. این دو تا سه برابر بهتر از لامپ های مهتابی یا HID و 50 برابر بیشتر از لامپ های رشته ای است. ال‌ای‌دی ها قطعه های بسیار محکمی هستند. هیچ پوسته شیشه ای شکننده ای برای شکستن وجود ندارد و عمر آنها با چرخه روشن و خاموش کردن مکرر مانند لامپ های رشته ای ، مهتابی و تخلیه قوس کاهش نمی یابد. لامپ های مهتابی حاوی جیوه هستند که در صورت شکستن می‌توانند مشکل ایجاد کنند. بیشتر شهرداری ها مجبور هستند این لامپ ها را به صورت خاصی و با هزینه اضافی دفع کنند تا بتوانند جیوه آن را به درستی پردازش کنند. ال‌ای‌دی ها حاوی مواد خطرناک نیستند ، بنابراین این مسئله برای آنها مطرح نیست. اندازه کوچک ال‌ای‌دی ها امکان انعطاف پذیری بی سابقه ای در طراحی متعلقات روشنایی را فراهم می کند. به جای پایه های بزرگ و حجیم برای نگهداری لامپ ها، رفلکتور و وزنه ی تعادل، ال‌ای‌دی ها در پایه هایی که در دید نیستند و فضایی را اشغال نمی‌کنند، قرار می‌گیرند.

یک تصور غلط در مورد ال‌ای‌دی ها این است که آنها گرمایی تولید نمی‌کنند. آنها گرما تولید می‌کنند ولی مقدار کمی از آن از طریق نور ساطع شده انتقال می‌یابند. بیشتر گرمای تولیدی از پشت قطعه به هیت سینک انتقال می‌یابد. این ویژگی این امکان را می‌دهد تا ال‌ای‌دی  ها را نزدیک به محصولات زراعی تنظیم کرد بدون آنکه نگرانی برای گرمای نور تابش شده وجود داشته باشد. در زمان طراحی سیستم روشنایی باید به این توجه داشت که چگونه قطعه نگه دارنده ال‌ای‌دی  را باید طراحی کرد تا که به خوبی گرمای تولیدی را دفع کند، در غیر این صورت عمر مفید قطعه کاهش خواهد یافت.

کاربرد و قاعده طراحی

با آنکه ال‌ای‌دی ها مزایای بسیار زیادی نسبت به سیستم های روشنایی قدیمی دارند، ولی نمیتوان آن را خرید، به سیم متصل کرد و انتظار یک عملکرد بالا را داشت. تفکر دقیقی باید پشت طراحی دفع حرارتی، منبع تغذیه، سیستم کنترل و زیرسیستم نوری هر ساختار روشنایی دارای ال‌ای‌دی باشد.

همان‌گونه که پیش‌تر مطرح شد، مهمترین بخش یک سیستم روشنایی، طراحی حرارتی آن است. سازوکارهای خنک کننده مختلفی وجود دارند، که هرکدام کاربرد خاص خود را دارند. اتصال مستقیم به پایه، انتقال گرمای طبیعی، خنک کننده بادی و خنک کننده مایع از جمله روش‌هایی برای دفع گرما از ال‌ای‌دی ها هستند. انتخاب سیستم خنک کننده بستگی به اندازه و کاربرد آن سیستم روشنایی دارد.

برای مثال یک چراغ قوه ال‌ای‌دی نیازی به سیستم خنک کننده مایع ندارد؛ اتصال مستقیم به بدنه چراغ قوه برای آن کافی است. با این حال، یک سیستم روشنایی باغبانی بزرگ نیازمند یک سیستم خنک کننده مایع برای دفع گرما است.

ال‌ای‌دی قطعه‌ای با جریان تنظیم شده است. آنها به گونه‌‍ای طراحی شده‌اند که بهترین عملکرد را در زمانی دارند که جریان الکتریسیته تنظیم و کنترل شده باشد. به دلیل آنکه ال‌ای‌دی ها نوعی دیود با بایاس مستقیم هستند، گرایش به دریافت جریان بیش از حد نهایت ایمن خود دارند. اگر ال‌ای‌دی مستقیم به منبع تغذیه با ولتاژ بیشتر از مقدار استاندارد ال‌ای‌دی متصل شود، می‌تواند باعث آسیب یا خرابی آن شود. یک مدار درایور برای تنظیم و نظارت بر مقدار جریان وارده بر ال‌ای‌دی مورد استفاده قرار می‌گیرد. طراحی ها و ساختارهای مختلفی از درایور وجود دارند.

درایور رابطی بین ال‌ای‌دی و منبع تغذیه است که بر روی جریان ورودی به ال‌ای‌دی ها را نظارت می‌کند، تا جریان فراتر از حد ایمن به آن وارد نشود. درایورها نسبت به نیاز می‌توانند دارای ساختاری پیچیده یا ساده باشند. برای مثال: اگر بهره‌وری بالا و تنظیم دقیق جریان مورد نیاز نباشد، یک مقاومت معمولی می‌تواند به عنوان درایور تنظیم کننده جریان مورد استفاده قرار بگیرد. از سوی دیگر، درایور های متغیر پیچیده می‌توانند برای کنترل کامل بر جریان و بهره‌وری بالا مورد استفاده قرار بگیرند. درایور های کوچک و متوسط به صورت تجاری در بازار موجود هستند. این ها منحصرا برای نظارت بر ال‌ای‌دی ها طراحی شده‌اند و می‌توانند طراحی سیستم روشنایی را آسان کنند. برخی از این درایور ها حتی دارای یک منبع تغذیه در مدار خود هستند که باعث می‌شود که بتوان آنها را مستقیم به برق وصل کرد.

در زمان طراحی سیستم روشنایی بزرگ باید به منبع انرژی مورد نیاز آن توجه کرد. برای اینگونه سیستم های روشنایی از منبع تغذیه صنعتی استفاده می‌شود. فرقی نمی‌کند که از چه منبع تغذیه‌ای استفاده شده است، به هرحال باید از درایور برای عملکرد صحیح ال‌ای‌دی استفاده شود.

سیستم های کنترل کننده ال‌ای‌دی این امکان را به کاربر می‌دهند که پارامتر های مختلفی مانند: میزان روشنایی، مدت زمان روشن بودن، کیفیت نور و رنگ آن را تغییر دهند. این کنترل ها معمولا به مدار درایور برای کنترل روشنایی متصل هستند. این سیستم می‌تواند بسته به نیاز پیچیده یا ساده باشند و به صورت دستی یا کامپیوتری کنترل شوند.

آخرین نکته در زمان طراحی یک سیستم روشنایی ال‌ای‌دی ، بحث بازتاب نور است. یک طراحی مناسب در سیستم روشنایی می‌تواند مقدار ال‌ای‌دی های مورد نیاز و همچنین هزینه های سخت افزاری و برق مورد استفاده آن را کاهش دهد. انواع مختلفی از لنز ها برای انواع ال‌ای‌دی در بازار موجود هستند. این لنز ها معمولا برای روی ال‌ای‌دی قرار می‌گیرند. بازتابنده های مورد استفاده در لامپ های تخلیه شدت بالا (HID) معمولا برای لامپ های  ال‌ای‌دی به دلیل جهت‌دار بودن آنها مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

لنز ها در شکل دهی و هدایت پرتو نور بسیار کارآمد هستند و می‌توانند شدت نور را در محل مورد نظر به مقدار قابل توجهی افزایش دهند. ال‌ای‌دی ها توانسته‌اند به هر نوع نورپردازی نفوذ کنند. از اولین استفاده آنها در چراغ راهنما و نمایشگر اطلاعات گرفته، تا هزاران استفاده که الان از آنها می‌شود. برای مثال: تابلوی امتیازات، صفحه ی نمایش عریض، چراغ راهنمایی، چراغ های خیابانی، چراغ های وسایل نقلیه ( چراغ جلو، چراغ عقب، چراغ پلیسی، هواپیما، فضاپیما)، سبک معماری و به طور کلی روشنایی.

Bourget, M. (2008). An Introduction to Light-emitting Diodes. Horticultural Science, 43(7), 1944-1953.