الهندسة والآليات > كيف تعمل الأشياء
كيف يعمل الثنائي الباعث للضوء Light Emitting Diode LED؟
تعتبر الثنائيات الباعثة للضوء (الليدات) من أكثر أنواع الثنائيات Diodes انتشاراً، حيث تستخدم في الكثير من التطبيقات مستفيدةً من طيف الألوان المتعدد الذي يمكن أن تُشعه، بما في ذلك الليدات التي تقوم بالعمل ضمن مجال الأشعة تحت الحمراء، والتي تستخدم في أجهزة التحكم عن بعد.
ماهي هذه الثنائيات؟ كيف تعمل؟ وماهي تطبيقاتها؟
سنتعرف في هذا المقال. تابعونا
تعتبر الثنائيات الباعثة للضوء (الليدات) من أكثر أنواع الثنائيات Diodes انتشاراً، حيث تستخدم في الكثير من التطبيقات مستفيدةً من طيف الألوان المتعدد الذي يمكن أن تُشعه، بما في ذلك الليدات التي تقوم بالعمل ضمن مجال الأشعة تحت الحمراء، والتي تستخدم في أجهزة التحكم عن بعد.
تعد هذه الثنائيات المميزة أحد تطبيقات الوصلة PN، وتمتاز الوصلة في هذه الليدات بكونها رقيقة جداً مع درجة عالية من الإشابة لمادة نصف الناقل.
عند وصل الثنائي بوضعية الانحياز الأمامي تندمج الالكترونات الموجودة في مجال الناقلية والثقوب الموجودة في نطاق التكافؤ، فيتولد عن ذلك طاقة على شكل فوتونات تشع لوناً وحيداً من الضوء، وبسبب وجود الوصلة PN على شكل طبقة رقيقة، فإن كمية الفوتونات المنطلقة يكون كبيراً الأمر الذي يولد الضوء الملون المرئي.
وبالتالي تعمل الثنائيات الباعثة للضوء على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية في وضعية الانحياز الأمامي.
تختلف بنية الثنائي الباعث للضوء عن بنية الثنائي العادي.
ففي الثنائي الباعث للضوء تُحاط وصلة PN بطبقة شفافة" transparent"، إضافةً لغلاف قاسي من مادة راتنجية بلاستيكية شفافة " plastic epoxy resin"على شكل قطعة من كرة لحماية قلب الثنائي من الارتجاج والقصر الكهربائي.
وبما أن الفوتونات المنبعثة من الوصلة لا تستطيع لوحدها إعطاء القدر الكافي من الإضاءة المطلوبة، يتم تشكيل الغلاف البلاستيكي" epoxy resin" بحيث يعكس الفوتونات التي يتم إطلاقها من الوصلة بعيداً عن طبقة القاعدة الأساسية التي يتم تثبيت الثنائي عليها، فتتجمع الفوتونات في التحدب الموجود أعلى الثنائي والذي يلعب دور العدسة التي تقوم بتركيز الأشعة، وهذا ما يفسر إضاءة الثنائي الباعث للضوء بشكل كبير عند مقدمته.
يمكن أن تُصنَّع الثنائيات الباعثة للضوء بأشكال متعددة، فمنها المستطيلي والأسطواني الذي يكون قسمه العلوي مسطحاً، كما يمكن تشكيلها على شكل قطع ضيقة.
تمتلك جميع الثنائيات الباعثة للضوء (تقريباً) طرفين للتغذية الكهربائي:
* مهبط" Cathode " ويتميز بوجود شق صغير عليه أو انضغاط مسطح لتمييزه.
* مصعد" Anode" الذي يكون عادة أطول من المهبط.
تسمى هذه الثنائيات الباعثة للضوء بجيل الإنارة الباردة "a cold generation of light "
وذلك لأن إشعاعها للضوء لا يرافقه عادةً إطلاق حرارة على عكس مصابيح الإنارة التقليدية ومصابيح الفلوريسنت.
وهذا يزيد من فعالية هذه الثنائيات وحفاظها على الطاقة لعدم إهدارها على شكل حراري وإنما تحويل القسم الأكبر منها إلى ضوء، كما تمتاز بحياة أطول من حياة المصابيح التقليدية.
ألوان الثنائيات الباعثة للضوء
تتكون الديودات العادية التي تصنع من أجل الكشف أو تعديل الطاقة من نصف ناقل واحد كالجاليوم أو السيليكون، بينما تصنع الثنائيات الباعثة للضوء من خليط من أنصاف النواقل ترتبط معاً ضمن نسب مختلفة مشكلةً مركبات جديدة مثل:
_الغاليوم أرسينيد ، Gallium Arsenide " GaAs" .
_الغاليوم فوسفور Gallium Phosphide، " GaP”.
_الغاليوم أرسينيد فوسفورGallium Arsenide Phosphide ، " GaAsP".
_سيليكون الكربيد Silicon Carbide ، " SiC”.
والغاليوم إنديوم نتريد Gallium Indium Nitride ، " GaInN".
وبناءً على المركب الناتج سيكون اللون المميز كما في الجدول التالي:
نلاحظ من الجدول السابق:
_ إن لون الضوء المنبعث يتعلق بطول الموجة التي تختلف بحسب المواد نصف الناقلة المشكلة للوصلة PN في الثنائي الباعث للضوء، فاللون لا يتعلق بلون الغلاف البلاستيكي المحيط بالثنائي، علماً أن الشركات تقوم في بعض الأحيان بتلوين هذا الغلاف البلاستيكي بنفس اللون المنبعث لتعزيزه وتسهيل التعرف على لون الضوء الناتج من قبل الزبون عند شرائه بدون الحاجة لتجريبه.
_ المركب GaAs يتكون من إشابة الجاليوم Ga وهو نصف ناقل من النمط P وعدده الذري 31، وإشابة الزرنيخ As وهو نصف ناقل من النمط N وعدده الذري 33، فنحصل بذلك على المركب GaAs ذي البنية البلورية. إن استخدام GaAs لوحده يعطي إشعاعاً ذو طول موجة يتراوح بين (850nm-940nm) وهو مجال الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي يستخدم هذا المركب في صنع ثنائيات باعثة للضوء خاصة بأجهزة التحكم عن بعد.
أما الثنائيات الباعثة للضوء الأحمر المرئي، فنحصل عليها بإضافة شائبة ثالثة للمركب السابق وهي الفوسفور P ذو الرقم الذري 15، مما يقلل طول موجة الأشعة المنبعثة إلى أقل من (680nm) فنحصل على الضوء الأحمر المرئي.
* يعتبر الثنائيان الباعثان للضوء الأزرق والأبيض من آخر الثنائيات التي تم إنتاجها، وذات تزال ثمن أغلى من باقي الثنائيات، بسبب ارتفاع كلفة مزج المواد المكونة لها بالنسب الدقيقة والمناسبة لتوليد هذين اللونين ولصعوبة حقن ذرات النتروجين ضمن البنية البلورية خلال عملية الإشابة.
يبين الجدول التالي بعض أنواع الثنائيات الباعثة للضوء حسب نوع أنصاف النواقل المشكلة لها ولون كل منها:
إضافة لنوع نصف الناقل، يحتاج الثنائي لجهد انحياز أمامي VF لينبعث الضوء بشكل صحيح، وهذا الجهد يتراوح بين 1.2 v للثنائيات الباعثة للضوء الأحمر، و 3.6 v للثنائيات الباعثة للضوء الأزرق، وهذا الجهد تحدده الشركة المصنعة للثنائي.
يحتاج الثنائي الباعث للضوء قبل أن يستطيع العمل إلى مرور تيار كهربائي عبره، وعادة ما تتعلق شدة الإضاءة بكمية تيار الانحياز الأمامي المار في الثنائي.
لكن عند توصيل الثنائي الباعث للضوء في الدارة يجب وصل مقاومة معه على التسلسل لضبط التيار المار في الدارة، لأن مقاومة الثنائي في حالة الانحياز الأمامي تكون صغيرة جداً مما يؤدي لمرور تيار كبير يسبب تلف الثنائي مالم تُربط مقاومة على التسلسل. يحتاج الثنائي بحسب نوعه لقيمة جهد انحياز أمامي خاص كي يصدر الضوء (كما سبق وشرحنا)، في حين تعتبر أفضل قيمة لتيار الانحياز الأمامي (20 mA) لجميع الأنواع، علماً أنه يمكن التحكم بشدة الإضاءة ضمن مجال) 5mA (تقريباً للإضاءة الخافتة وحتى 30 mA) ( للإضاءة الشديدة.
كيف يتم حساب قيمة المقاومة المربوطة مع الثنائي على التسلسل:
يتم حساب قيمة هذه المقاومة انطلاقاً من قانون أوم بعد معرفة قيمة تيار الانحياز الأمامي IF ، جهد التغذية VS:
تطبيقات الثنائيات الباعثة للضوء:
الثنائي الباعث للضوء متعدد الألوان:
يتم في الوقت الحالي تصنيع شاشات وأجهزة محمولة وتلفزيونات تستخدم عدداً كبيراً من الثنائيات الباعثة للضوء متعددة الألوان، والتي يتم التحكم بها بواسطة دارات متكاملة IC خاصة، ويمكن لكل ثنائي من هذه الثنائيات أن يشع لونين أو ثلاثة:
الثنائيات الباعثة للضوء ذات اللونين:
يتم تشكيل هذه الثنائيات من ربط ثنائيين مختلفي اللون على التوازي وبقطبية متعاكسة، أي مصعد الأول مع مهبط الثاني، ومهبط الأول مع مصعد الثاني فيبدو أحد الثنائيين منحازاً أمامياً والثنائي الآخر في وضعية انحياز عكسي.
يمكن لهذا التشكيل أن يُنتِج ثلاثة ألوان مختلفة:
• الأحمر عند مرور تيار مستمر من اليمين لليسار.
• الأخضر عند مرور تيار مستمر من اليسار لليمين.
• الأصفر عند تطبيق تيار متناوب.
الثنائيات الباعثة للضوء ذات ثلاثة ألوان:
يتم تشكيل هذه الثنائيات عادة بجمع ثنائي أحمر وثنائي أخضر يربط مصعديهما معاً، في حين تترك المهابط حرة. فنحصل بالنتيجة على ثلاثة أقطاب، ويتعلق لون الضوء الناتج بشدة التيار المار.
لوحات العرض التي تستخدم LEDs
يمكن تجميع عدة ثنائيات باعثة للضوء معاً في دارة تشكل لوحة عرض، ويمكن أن تأخذ عدة أشكال وتستخدم في عدة تطبيقات، نذكر منها:
لوحة العرض ذات السبع قطع 7-segment LED display:
تستخدم هذه اللوحات في العدادات وعارضات الحروف البسيطة، وتتألف عادة من سبعة قطع مضيئة كل منها عبارة عن ثنائي باعث للضوء. يتم بناء هذه اللوحات بطريقتين:
• عارضة المهبط المشترك Common Cathode Display CCD:
توصل فيها جميع مهابط الثنائيات معاً وتربط مع سالب منبع التغذية، ويبقى مصعد كل ثنائي حر. يتم تشكيل الرقم المطلوب من خلال تطبيق الجهد الموجب على المصاعد المكافئة لإظهار ذلك الرقم.
• عارضة المصعد المشترك Common Anode Display CAD:
توصل فيها جميع مصاعد الثنائيات معاً وتربط مع موجب منبع التغذية، ويبقى مهبط كل ثنائي حر. يتم تشكيل الرقم المطلوب من خلال تطبيق الجهد السالب على المهابط المكافئة لإظهار ذلك الرقم.
يبين الجدول التالي جدول الحقيقة للوحة العرض ذات السبع قطع:
جهاز العازل الضوئي Opto-coupler:
هو جهاز الكتروني يتضمن ثنائي باعث للضوء مع ثنائي أو ترانزستور أو ترياك مستقبل للضوء، حيث يشكل الضوء عنصر الربط بين دارة الدخل ودارة الخرج، حيث تسمح التشكيلة بعزل الدارتين عن بعض نتيجة وجود جهد انهيار بحدود 5000 فولط بين القسمين.
يستخدم هذا الجهاز في ربط دارة التحكم التي يكون جهدها منخفض كالحاسب أو المعالجات الصغرية مع دارة عاملة ذات جهود عالية.
يعتبر العازل الضوئي بمثابة مفتاح الكتروني، كما يمكن نقل الإشارات التماثلية بين الدارتين من خلال التعديل الترددي أو التعديل بعرض النبضة Pulse Width Modulation " PWM".
المراجع:
مصادر الصور:
هنا.svg/2000px-LED،_5mm،_green_(en).svg.png
مصدر الإنفوغراف:
