بکارگیری LED در حوزه‌های مختلف

بسته‌بندیLED دارای یک اثر جانبی ناخواسته است. از آنجا که LED نور را در زوایای مختلف ساطع می‌کند مقداری از نور به داخل این بسته برخورد می‌کند. این تا حدودی اثربخشی را تحت تاثیر قرار می‌دهد؛ اما برخی از نورهای پخش شده، منعکس و به بیرون از LED ساطع می‌شوند. این امر عادی است به غیر از زمانی که پکیج LED (در شرایط به مدت 50000 ساعت) در تست طول عمر قرار می‌گیرد. آن موقع نورش تبدیل به زرد می‌شود. با زرد شدن LED، جذب نور توسط دیواره‌های داخلی LED افزایش یافته و این به منزله کاهش بازدهی LEDمی‌باشد. از طرف دیگر این تغییر منجر به تغییراتی در مقادیر CCT و CRI می‌گردد. این موضوع دقیقاً همان دلیلی است که چرا بازدهی LED در محدوده 50000 ساعت، حداکثر 70% می‌باشد. به عبارتی بازدهی LED بعد از گذشت 50000 ساعت حداکثر 70% می‌باشد.

برخی از LEDها همچنین شامل برخی از نورها در بسته خود هستند. این ممکن است به صورت لنز و یا آینه باشد. ممکن است از نوری برای افزایش استخراج نور یا شکل دادن به جهت انتشار نور استفاده شود. اگر به جهت انتشار نور اهمیتی ندهید به عنوان مثال اگر شما در حال ساختن یک لامپ جهت‌دار همه کاره هستید شما باید سعی کنید از استفاده از دستگاه‌هایی با اپتیک مازاد خودداری کنید. ( عدم پرداخت هزینه اضافه).

بنابراین LED ها قطعات پیچیده‌ای هستند. خوب است که بخواهید در مورد نحوه ساخت LED ها سوالات مفصلی از تامین کننده خود بپرسید و اینکه LED ها چگونه ساخته شده‌اند و اینکه چگونه تست طول عمر دمای بالا را پاس می‌نمایند. حتی ممکن است لازم باشد شما با پرسنل کارخانه تولید کننده LED نیز صحبت داشته باشید.

آیا LED انتخاب شده برای کاربرد من مناسب است؟

با گوش دادن به یک بازاریاب حوزه روشنایی، به نظر می‌رسد که LED ها در همه جا قابل استفاده هستند. اما حتی اگر این کتاب در مورد LED باشد باید بگوییم که درست نیست برای هر کاربردی از LED استفاده شود. همانطور که LED روز به روز افزایش بازدهی دارد و از طرفی قیمت آن کاهش چشمگیری داشته است، در کاربردهای بیشتری از LED استفاده خواهد شد. اما ما همچنان باید انتظار داشته باشیم که لامپ‌های رشته‌ای به مدت طولانی، دور و بر ما باشند. در اینجا چک لیستی ارائه می شود که با کمک آن می توانید تصمیم بگیرید که لامپ LED در پروژه جاری، انتخابی مناسب است یا خیر.

قانون هایتز

‌‌احتمالاً درباره قانون مور شنیده‌اید. پیش‌بینی مور در سال ۱۹۶۵ بدین صورت بود که بیان می‌کرد عملکرد ریزپردازنده‌ها هر دو سال دو برابر می‌شود. این قانون مبتنی بر مشاهدات بود. اما به طرز قابل توجهی برای ۴۰ سال آینده ثابت گردید. فقط اکنون نرخ تغییرات آن کمی کند شده است چرا که IC ها به مرزهای محدودیت فیزیکی خود رسیده‌اند.

جدول (1): چک لیست ملاحظات مربوط به انتخاب نوع لامپ

سوال LED فلورسنت رشته‌ای

آیا مصرف انرژی مهمترین پارامتر است؟

آیا هزینه تمام شده پارامتر مهمی است؟ LEDها بهترین گزینه هستند بهتر است فلورسنت نیز مورد توجه قرار گیرد —

آیا هزینه تمام شده تنها عامل مهم است؟

آیا در این کاربرد، طول عمر بالا مورد نیاز است؟ LED با کیفیت، بهترین گزینه می‌باشد فلورسنت ممکن است به اندازه کافی خوب باشد بهترین روش این است که از این نوع لامپ استفاده کنید

آیا تعداد دفعات خاموش و روشن شدن بالاست؟

محدودیت دمای محیطی وجود دارد؟ LED انتخاب بسیار مناسبی می‌باشد

LED نسبت به فلورسنت انتخاب مناسب‌تری بوده و به اندازه کافی مطلوب است — در شرایطی که محدودیت دمای محیطی وجود داشته باشد این نوع لامپ انتخاب مناسبی است

آیا حرارت تولید شده برای سایر کاربردها مفید است؟

LED آنقدر حرارت تولید نمی‌کنند که برای ذوب کردن برف از روی چراغ راهنمایی کافی باشند این نوع لامپ نیز آنقدر حرارت تولید نمی‌کند تا برای ذوب کردن برف از روی چراغ راهنمایی کافی باشد لامپ رشته‌ای برای این حالت بهترین گزینه می‌باشد

آیا CRI‌ مناسبی دارد؟ LED دارای CRI‌ مناسبی است لامپ فلورسنت هرگز CRI مناسبی ندارد لامپ رشته‌ای گزینه خوبی است

آیا نیازی است که رنگ نور بسته به کاربرد تغییر کند؟ LED تنها انتخاب ممکنه است — —

آیا به شکل جدیدی از نور نیاز است؟ LED ها تنها انتخاب ممکنه هستند — —

پیش بینی مشابهی برای LEDها توسط رولند هایتز در سال ۲۰۰۶ ارائه شد. این موضوع از نظر تاریخی نیز پشتیبانی می‌شود. ( شکل (4) را ببینید) همانطور که اخیراً بیان شد پیش‌بینی می‌شود که میزان نور قطعات مبتنی بر LED با سرعت ۳۵ درصد در سال در حال افزایش باشند. هزینه هر لومن نیز با نرخ 20 درصد در سال کاهش می‌یابد. با توجه به میزان تمرکز تولیدکنندگان برای استفاده از LED های 3 وات در محصولات خود، به نظر می‌رسد که همان نرخ افزایشی ۳۵ درصد در سال منطقی باشد.

این نرخ پیش‌بینی شده برای افزایش عملکرد، کاملاً غیرقابل باور است. نویسندگان چند سال پیش موضوع پیش‌بینی را ردیابی نمودند و بازدهی ماهانه رو محاسبه کردند. سال به سال اعداد بدست آمده صحه‌گذاری شد و در واقع بازدهی همچنان در حال افزایش است.

نظر هایتز در مورد قانونش این است که هنوز هم این قانون پابرجا است. در حالی که ممکن است درست گفته باشد که لومن یک محصول در حال افزایش بوده و البته مقادیر مربوط به بازدهی محصول بنا به محدودیت‌های علم فیزیک در این حوزه، پراکنده خواهد بود.

شکل(‏4): قانون هایتز

برای درک قانون هایتز باید معنای لومن را در نظر بگیریم. لومن دقیقا اندازه‌گیری نور نیست. بلکه اندازه‌گیری میزان نوری است که انسان ها با چشمان خود می‌بینند. همینطور خیلی به نحوه کار چشم بستگی دارد. به ویژه چشم انسان نسبت به نور سبز حساس است. اگر شما یک توان نوری را در طول موج 555 nm تولید نمایید شما 683 لومن نور خواهید داشت. هیچ راهی برای افزایش این مقدار وجود ندارد. این تقریباً یک تعریف است. این موضوع در مورد LEDها صادق است. اگر یک LED یک وات انرژی دریافت نماید و آن را به طور کامل به نور 555 nm تبدیل کند به هیچ وجه اتلاف انرژی گرمایی نخواهد داشت. (بدیهی است که این امر به دلیل قانون دوم ترمودینامیک واقعاً امکانپذیر نیست.) سپس تمام آن نور با ۶۸۳ لومن برابر است. بنابراین بدون در نظر گرفتن سایر پارامترها، بازدهی به 683 Lm/W محدود خواهد شد.

واقعیت این است که به طور معمول ما نور سبز رنگ نمی‌خواهیم. ما نورسفید می‌خواهیم و از آنجایی که نور سفید از رنگهای مختلفی تشکیل شده است لومن ها و بازدهی باید کمتر از 683 Lm/W باشد در این صورت حد واقعی بازدهی چه مقداری است؟

بسته به نحوه تولید نور سفید دو حد متفاوت وجود دارد. به یاد بیاورید که می‌توان نور سفید را با ترکیب مستقیم نور با رنگ‌های مختلف و یا با تابش طول موج کمتر(مثل طول موج آبی یا UV) ایجاد کرد و آن را با فسفر به سفید تبدیل کرد. روش فسفر با توجه به مشخصات پیاده‌سازی آن محدودیت‌های خاص خود را دارد. از آنجایی که فسفر، طول موج کم (انرژی بالا) را جذب می‌کند و طول موج بالاتر (انرژی پایین تر) ساطع می‌کند تفاوت انرژی در اثر گرما از بین می‌رود. این امر توسط قانون استوکس توضیح داده شده است. در حالی که حد واقعی، مشروط به بیان جزئیات است. (مانند آنچهCRI نور قابل قبول است.) در فرایند تبدیل نور سفید توسط فسفر LED ها، مقدار بازدهی به 238 Lm/W محدود می‌شود. توجه داشته باشید که از آنجایی که لامپ‌های فلورسنت نقطه شروع طول موجشان 235 nm است بازدهی نوری آنها کمتر از LED می‌باشد. هرچند که فضای بهبود برای لامپ های فلورسنت باز هست اما با توجه به مطرح شدن LED ، بازدهی آنها از لامپ های فلورسنت بیشتر خواهد بود.

انتشار مستقیم نورهای رنگی مختلف می‌تواند کارآمدتر باشد. زیرا هیچ جذب و تغییر مجدد نوری (جذب نور و ساطع شدن مجدد نور در روش فسفری) وجود ندارد. اما از آنجایی که به رنگ‌هایی غیر از رنگ سبز نیاز است، پاسخ چشم انسان بدان معنی است که 683 Lm/W از این طریق قابل دستیابی نیست. مقاله‌ای که توسط Ohno در سال 2004 ارائه شد نشان می‌دهد که برای به دست آوردن CRI قابل قبول، نور سفید را نمی‌توان با بازدهی بالاتر از 350 Lm/W ایجاد کرد.

قانون‌ هایتز که بازدهی نوری را مطرح نموده است همچنان در سال‌های پیش رو معتبر خواهد بود. با رسیدن به حد 200 Lm/W دیگر روش تبدیل نور آبی توسط فسفر به سقف خودش رسیده است. برای افزایش بازدهی نوری به مقادیر بالاتر، باید از سیستم قرمز، سبز، آبی (RGB) استفاده نمود. اما اگر ۳۵ درصد در هر سال ادامه یابد. فقط دو سال قبل از رسیدن به حد نهایی بازدهی نوری باقی خواهد ماند. پس از آن قانون هایتز هنوز هم ممکن است برای هزینه هر لومن پابرجا باشد. در واقع این رقم نشان می‌دهد که پس از سال ۲۰۱۵ هزینه هر لومن نور LED به لامپ‌های رشته‌ای ۶۰ وات نزدیک شود.

در نهایت انتظار می‌رود که LED ها به سقف مقادیر بازدهی تئوری برسند و در نهایت هزینه آنها می‌تواند پایین‌تر از لامپ‌های رشته‌ای باشد. اما بعد از آن چه می‌شود؟ از آنجایی که بازدهی با توجه به علم فیزیک محدود شده است، ممکن است منطقی باشد که تصور کنیم LED ها برای مدتی طولانی ماندگار باشند. هیچ چیز نمی‌تواند از LED ها بهتر باشد مگر اینکه ارزان‌تر باشد.

صنعت روشنایی LED و به طور خاص، صنعت LED در حال حاضر مانند غرب وحشی است. قوانین زیادی وجود ندارد و به هر حال اکثر مردم به آنها توجه نمی‌کنند. انواع ادعاها مطرح است که بدیهی است اشتباه ‌باشند و بسیاری دیگر که برای کشف، نیاز به تجهیزات ویژه دارند.

با نگاه اول به تولید قطعات LED باید با گفتن این نکته که برخی از تولیدکنندگان، معتبر هستند شروع کنیم. این شرکت‌ها بزرگترین آنها هستند. آنها آنچه که می‌گویند را تولید می‌کنند و برگه اطلاعاتی آنها حاوی اطلاعات مربوط به اندازه‌گیری‌هایی است که از آنها گرفته شده است. این مشکلات بیشتر از طرف بخش بازاریابی آنها آغاز می‌شود.

در حال حاضر بزرگترین بازیکنان در یک مسابقه حضور دارند تا نشان دهند که آنها دارای LED های درخشان سفید با کارایی بالاتری نسبت به رقبا هستند. در نتیجه آنها به طور معمول اعلامیه‌های مطبوعاتی را منتشر می‌کنند و پیشرفت خود را اعلام می‌کنند.

در حال حاضر همه در صنعت روشنایی، بازدهی نوری را در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد اندازه‌گیری می‌کنند. اما عملکرد واقعی همیشه در دماهای بالا می‌باشد زیرا لامپ‌های LED با افزایش زمان کارکرد، گرم می‌شوند. شرکت‌ها بیان نمی‌کنند که با افزایش دمای کاری لامپ LED چقدر از بازدهی نوری آن کاسته می‌شود. فرایندهای مختلف تولیدکنندگان دارای بازده‌های مختلفی است، بنابراین شما نمی‌دانید چه چیزی از این قطعه جدید دریافت خواهید کرد. چیز دیگری که رایج است اینکه نتایج را از یک آزمایشگاه خاص استعلام می‌کنند. از این رو بدون اعمال تغییرات زیاد مقدور نخواهد بود که محصولی به تولید برسد. به عبارتی دیگر، کمی غلو در این زمینه انجام شده است.

حتی به نظر می‌رسد که تولیدکنندگان بزرگ نیز با تست طول عمرمحصول، با پارامتر بازدهی نوری و حفظ آن مشکل داشته باشند. حقیقت این است که به نظر می‌رسد فرآیندهای مختلف تولیدیLEDها به گونه‌ای است که طول عمرهای متفاوتی را برای آنها رقم می‌زند. طول عمر LED بسته به پارامترهایی از قبیل جریان راه‌اندازی، دمای نیمه‌هادی که LED از آن ساخته می‌شود و حتی دمای پکیج LED متفاوت خواهد بود. مشکل اساسی این است که 50000 ساعت معادل 8 سال پیوسته است. در این برهه زمانی، فرایند تولید LED تغییر یافته و بهبود خواهد داشت و به عبارتی زمان کافی برای جمع آوری تست طول عمر، قبل از منقضی شدن تکنولوژی قبلی وجود نخواهد داشت. اما ممکن است فکر کنید استخراج دیتا در مورد LED ها در بازه 1000 ساعته ممکن باشد. اما واقعیت این است که موضوع طول عمر با توجه به پیچیدگی ذاتی، توسط کمیته فنی LED کنار گذاشته شد. پس طول عمر LED چگونه است؟ واضح است که هر فردی می تواند حدسی بزند.

علاوه بر این، بسیاری از تولیدکنندگان LED مشکلاتی را با دیتاهای مربوطه دارند. دیتاشیت‌های محصولاتی دیده شده که به مدت یکسال در خط تولید بودند اما هنوز پارامتر افت ولتاژ هدایت مستقیم خود را از دیتا شیت شرکت رقیب کپی می‌کنند. مقادیری برای بازدهی نوری رویت شده بود که توسط دستگاه اندازه‌گیری دستی بدست آمده بود. در بعضی موارد، قطعات LED با پارامترهای درج شده در دیتا شیت از قبیل بازدهی نوری یا دمای رنگ، تطابق نداشتند. بخش بد ماجرا این است که این داستان هم چنان ادامه دارد. جمع بندی این که به منظور اطمینان از محصول دریافت شده، بهتر است که اندازه‌گیری‌های لازمه انجام شود. در مجموع تمامی این مسائل نشان می‌دهد که صنعت روشنایی در سن کودکی خود است. بدون شک این شرایط بهبود خواهد یافت. امیدواریم که مشتریان این صنعت نیز نا امید نشده و امکان رشد آن را فراهم نمایند.

LED و OLED و …. ؟

لامپ‌های رشته‌ای جایگزین شمع‌ها و لامپ‌های نفتی شدند. لامپ های فلورسنت به منظور پوشش برخی نیازها، جایگزین لامپ‌های رشته‌ای شدند. به نظر می‌رسد LEDها نیز جایگزین هر دو لامپ فلورسنت و رشته ای خواهند شد. اما چه چیزی جایگزین لامپ‌های LED خواهد شد؟

صحبت‌های زیادی در مورد OLED به عنوان جایگزین LED در صنعت روشنایی شده است. حرف “O” در اول کلمه OLED به منظور ارگانیک بودن می‌باشد. اما همچنان یک LED است. تفاوت در این است که برای تولید OLED از موارد ارگانیک برای تولید استفاده می‌شود در حالی که برای تولید LED از موارد غیرارگانیک استفاده می‌شود. خصوصیت اصلی OLED این است که از نظر مکانیکی ، انعطاف پذیری بیشتری نسبت به مواد غیر ارگانیک(LED) دارند. چه بسا که بتوان بطور مستقیم به شکل لامپ حبابی ساخته شده یا بصورت شکل‌های مکانیکی دیگری از لامپ حبابی بوجود آید.

همانطور که در بخش قانون هایتز اشاره کردیم LED ها احتمالاً به سمتی می‌روند که از نظر بازدهی نوری به مقدار حداکثر نظری خود می‌رسند. بنابراین اگر OLEDها بخواهند جانشین لامپ‌های LED شوند نمی‌توان روی پارامتر بازدهی نوری حساب باز کرد، چرا که بدست آوردن مقادیر بالاتر، از نظر تئوری مقدور نیست. این موضوع در مورد هر منبع نوری دیگری نیز صادق است. همین که به مرز مقادیر تئوری برسیم دیگر بهتر بودنی در کار نخواهد بود.

راهی که می‌توانستیم OLED را جایگزین LED نماییم این بود که قیمت آن پایین‌تر می‌بود. در حالیکه راه‌های زیادی برای دستیابی به حداکثر مقدار بازدهی نوری وجود دارد ، از نظر بازار، آن موردی که از همه بیشتر باشد ارزان‌تر هم خواهد بود. در واقع OLED نوعی LED می‌باشد و پیشرفت آن تحت قانون هایتز خواهد بود. بنابراین ما نمی‌دانیم که کدامیک (OELD یا LED ) از نظر قیمتی مناسب‌تر خواهد بود. اما عقیده بر این است که شاید تکنولوژی جدیدی در عرصه روشنایی وجود نخواهد داشت که بطور کامل بتواند جایگزین LED گردد. قیمت LED اینقدر پایین خواهد آمد که دیگر ارزان‌تر بودن برای مشتری مهم نخواهد بود. ما فکر می‌کنیم LED ها آمده اند که بمانند.