تاریخچه روشنایی

ادیسون اولین لامپ رشته‌ای را در دهه 1880 ساخت. لامپ‌های فلورسنت در دهه 1950 محبوبیت پیدا کرده و متداول شدند. چراغ های LED از دهه 2000 میلادی رواج پیدا نمودند. هم اکنون لامپ‌های حبابی همه جا هستند و امروزه بیش از ۲۰ میلیارد لامپ حبابی در سراسر جهان وجود دارد. به عبارتی برای هر فرد در روی کره زمین، ۳ عدد لامپ وجود دارد. ما انتظار داریم که طی ۱۰ سال آینده در اکثر این لامپ‌ها از تکنولوژی دیودهای ساطع‌کننده نور(LED) استفاده شده باشد. این امر به این دلیل است که بازدهی لامپ‌های LED، ده‌ها برابر بیشتر از لامپ‌های رشته‌ای می‌باشد. بازدهی این نوع لامپ می‌تواند تا حدی افزایش یابد که علم فیزیک برای تبدیل الکتریسیته به نور مشخص نموده است.

LED چیست؟

نام LED به تنهایی بار معنایی خاصی را برای شما تداعی می‌کند. در وهله اول به شما می‌گوید که این قطعه(LED) یک دیود است. دیود، جریان را در یک جهت مشخص هدایت می‌کند و در جهت دیگر از خود جریانی عبور نمی‌دهد و این چیزی است که یک LED انجام می‌دهد. تنها نکته‌ای که در حال حاضر باید به آن توجه کنیم این است که LED ها نسبت به دیودهایی که معمولاً در صنعت الکترونیک استفاده می‌شوند ولتاژ بسیار بالاتری دارند. در حالی که یک دیود 1N4148 افت ولتاژی حدود700 mV دارد و LED ممکن است 3.6 V افت ولتاژ داشته باشد. این امر به این دلیل است که LED از سیلیکون ساخته نشده‌ است، بلکه از نیمه‌هادی‌های دیگر برای ساخت آن استفاده می‌شود. اما سوای این موضوع، سایر مشخصات اتصال الکتریکی یک LED بسیار شبیه به دیودهای دیگر است.

ترکیب “ساطع کننده نور” برای LED چیزهای زیادی به شما می‌گوید. اکنون همه دیودها حداقل کمی نور ساطع می‌کنند. شما می‌توانید مدار داخلی یک IC را باز نموده و با استفاده از یک اسکنر ببینید کدام قسمت از مدار IC، ساطع‌کننده نور است. این به شما می‌گوید کدام قسمت‌های یک IC از خود جریان عبور می‌دهند. طراحان IC از این روش برای کمک به اشکال‌زدایی در IC‌های خود استفاده می‌کنند. با این حال مقدار نور ساطع شده توسط IC بسیار اندک است. از آنجا که هدف از ساخت LED ، ساطع کردن نور است، به گونه‌ای طراحی و ساخته شده است که این ویژگی(ساطع نمودن نور) بهبود یافته باشد. این همان دلیلی است که ولتاژ مستقیم LED‌ها بسیار بیشتر از دیودهای یکسوکننده معمولی می‌باشد. دیودهای یکسوکننده نیز به گونه‌ای طراحی و ساخته شده‌اند که ولتاژ مستقیم آنها حداقل و ولتاژ شکست معکوس آنها حداکثر باشد. LED ها به گونه‌ای طراحی و ساخته شده‌اند که در ازای حداقل توان، بیشترین نور را در رنگ مورد نظر تولید کنند و پارامتری مثل افت ولتاژ مستقیم مهم نخواهد بود. البته این افت ولتاژ برای محاسبه میزان افت توان LED مهم هست.

LED های کوچک در مقابل قطعات توان بالا

با دیدگاهی که امروزه در جهان وجود دارد، LED به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شود: LED توان پایین و LED توان بالا. LED های کوچک به طور گسترده‌ای در دهه ۱۹۷۰ مورد استفاده قرار گرفتند. LED ها در رنگ‌های مختلف مانند قرمز، نارنجی، سبز، زرد و آبی عرضه شدند. شکل (1) نشان‌دهنده قطعه کوچک (5 mm) می‌باشد. امروزه به معنای واقعی کلمه، ده‌ها بیلیون تعداد از آنها در سال فروخته می‌شود. LED در کاربردهای مختلف از قبیل روشنایی پس زمینه تلفن همراه، کلیدهای فشاری آسانسور، چراغ قوه، جایگزینی لامپهای رشته‌ای، جایگزینی لامپ‌های فلورسنت، علائم جاده‌ای، چراغ‌های کامیون، چراغهای ترافیک، داشبورد خودرو و غیره به کار می‌روند.

شکل (‏1): LED‌ با سایزهای مختلف

آنچه این قطعات کوچک را توصیف می‌کند میزان توان آنها می‌باشد؛ یا اگر بخواهیم از دید صنعتی بیان نماییم جریان راه‌انداز آنهاست. به عنوان مثال، LED کوچک قرمز معمولی دارای جریان راه‌اندازی 20 mA است. در صورتی که افت ولتاژ این LED، 2.2 V باشد توان مصرفی آن، معادل 44 mW است. بازدهی آنقدر کم است که تقریباً برابر با اتلاف گرمای LED است. LED های سفید کوچک، افت ولتاژ هدایت مستقیم بالاتری دارند ( 3.6 V متناظر با 72 mW ) و برخی از LED های کوچک را می‌توان با جریان 100 mA راه اندازی نمود. اما اساساً این نوع LED به عنوان یک نشانگر استفاده می شود نه یک منبع نور واقعی. برای درست کردن یک چراغ قوه ۱ وات باید 14 عدد از آنها را استفاده نمود و برای جایگزینی یک لامپ فلورسنت باید صدها عدد از آن را بکار بست. در حالی که اطلاعات پیش رو ، در مورد این LED های کوچک می باشد، تمرکز اصلی بر روی قطعات توان بالا است. قطعات توان بالا، معمولاً 1W الی 3W وات بوده و با جریان 350 mA کار می‌کنند. میزان سطح نیمه‌هادی که قطعات توان بالا استفاده می‌کنند طبیعتاً در مقایسه با قطعات توان پایین بزرگتر می‌باشد هرچند ابعاد قرارگیری هر دو بر روی PCB یکسان می‌باشد. این قطعات در جاهایی استفاده می‌شود که نیاز به روشنایی دارند نه اینکه صرفاً بخواهند برای نشان دادن استفاده شوند. کاربردهایی از قبیل چراغ قوه، جایگزین لامپ‌های رشته‌ای، صفحه نمایش تلویزیون‌های بزرگ، چراغ‌های پروژکتور، چراغ‌های جلوی اتومبیل، نورپردازی باند هوایی و تقریباً در همه جا از نور استفاده می‌شود. هرچند، در تمامی این کاربردها یا از LED (با توان کم یا زیاد) استفاده می‌شود یا فعلاً استفاده نمی‌شود؛ البته آینده چیز دیگری را نشان خواهد داد.

فسفر در مقابل رنگهای قرمز، سبز و آبی (RGB)

به نظر می‌رسد که طبق یک قرار نانوشته، بیشتر طراحی‌های روشنایی با نور سفید ساخته می شوند. به همین دلیل در این مقاله بطور عمده، روی LED های سفید تمرکز شده است. با این حال آنچه که در اینجا برای LED های سفید بیان شده است می تواند به سادگی در مورد LED های رنگی هم اعمال شود. LED های رنگی با اینکه افت ولتاژ هدایت مستقیم متفاوتی نسبت به LED های سفید دارند اما بسیار شبیه به LED های سفید هستند. دلیل افت ولتاژ هدایت مستقیم متفاوت این است که نورهای قرمز، زرد، آبی و غیره مستقیماً توسط ماده نیمه هادی تولید می‌شود. این ماده برای به دست آوردن رنگ های مختلف، متفاوت خواهد بود؛ از این رو تفاوت در مواد به نوبه خود باعث ایجاد اختلاف در افت ولتاژ LED ها با رنگ های مختلف نسبت به LED های سفید خواهد شد.

با این حال نور سفید را نمی‌توان مستقیماً توسط یک ماده واحد تولید کرد. (در اینجا از انواع خاصی از مواد مهندسی شده که هنوز تولید نشده‌اند چشم‌پوشی می‌کنیم). نور سفید از ترکیبی از همه رنگ‌ها تشکیل شده است. شما این موضوع را از قبل می‌دانید زیرا نور سفید با یک منشور می‌تواند به رنگ‌های تشکیل دهنده آن تفکیک شود. بنابراین باید نور سفید را ایجاد نمود. در حال حاضر دو روش اصلی برای تولید نور سفید با LED وجود دارد. در یک روش از LED که نور آبی ساطع می‌کند استفاده می‌شود. نور آبی توسط یک فسفر به رنگ سفید تبدیل می‌شود. در روش دیگر از ترکیبی از LED های رنگی مختلف استفاده می‌شود.

روش اول رایج‌تر است. طول موج معمول برای نور آبی که توسط LED تولید می‌شود 435 nm است. چرا از نور آبی استفاده می‌کنیم؟ این امر بخاطرتئوری فیزیک مربوط به نحوه تولید نور سفید است. نور آبی توسط یک فسفر جذب می‌شود و به عنوان طیف گسترده‌ای از نور تقریباً سفید مجدداً منتشر می‌شود. برای اینکه فسفر بتواند عمل جذب نور آبی را انجام داده و نور سفید را خارج نماید، نور خارج شده، انرژی کمتری از نور وارد شده به فسفر خواهد داشت. این دقیقاً مثل یک قطعه الکترونیکی است. انرژی وارد می‌شود بخشی به عنوان گرما هدر می‌رود و باقیمانده انرژی از آن خارج می‌شود؛ در مرحله آخر عمل تبدیل انرژی نیز انجام گرفته است(الکتریکی به نوری). برای به دست آوردن همه رنگ‌ها در طیفی که انسان‌ها می‌توانند ببینند فسفر نیاز به ورودی با انرژی بالاتر (طول موج کوتاه‌تر) نسبت به انرژی متناظر با کمترین طول موج رنگ دارد. برای انسان‌ها این عدد حدود 450 nm است بنابراین یک LED آبی 435 nm کارآمدترین روش تولید نور سفید با استفاده از فسفر است.

قبل از روی آوردن به روش دوم تولید نور سفید، باید چند کلمه‌ای در مورد فسفر بگوییم. انواع مختلف فسفر وجود دارد. فسفرها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که طول موج مشخصی از نور را جذب می‌کنند و مجدداً آن را در یک یا چند طول موج مختلف یا در باندی از طول موج منتشر می‌کنند. فسفرهای LED معمولاً برای انجام روش دوم طراحی شده‌اند. اما در چگونگی گسترش باند رنگ‌هایی که فسفر منتشر می‌کند محدودیت‌هایی وجود دارد. بنابراین بسیاری از LED ها از فسفرهای دو باند یا سه باند استفاده می‌کنند تا طیف نور مورد نیاز برای رنگ سفید را تقریباً پوشش دهند.

این فسفرها مخلوطی از دو یا سه فسفر اصلی هستند. این فسفرهای پیچیده به طور معمول زمانی استفاده می‌شوند که ترکیب رنگ بهتری (CRI بالاتر) مدنظر باشد(مبحث CRI در فصل سوم بیان خواهد شد).

به عنوان یک مسئله جانبی، می‌توانیم به طور خلاصه در مورد چراغ‌های فلورسنت نظر بدهیم. نور فلورسنت از بعضی جهات کاملاً شبیه به LED است اما مکانیزم انتشار نور آن متفاوت است. یک پلاسما در دمای بالا داخل یک لوله تولید می‌شود که نور را در محدوده ماورابنفش 254 nm نانومتر به جای محدوده آبی ساطع می‌کند. اما پس از آن از فسفر نیز برای جذب نور و باز تولید مجدد آن در محدوده مرئی استفاده می‌شود. توجه داشته باشید از آنجایی که طول موج نور تولید شده به طور قابل توجهی متفاوت از طیف مرئی در مقایسه با 435 nm تولید شده توسط LED می‌باشد، کارایی لامپ فلورسنت، ذاتاً پایین‌تر از حد ممکن برای یک LED باشد. (در حال حاضر چراغهای فلورسنت و LED تقریباً همان کارایی را دارند.)

نکته جالب در چراغ معمولی فلورسنت، نوع فسفر مورد استفاده در آن است. این فسفرها از نوعی هستند که فقط در یک یا دو طول موج باریک بازتاب می‌کنند نه در یک باند رنگ. طول موج های ساطع شده خیلی با دقت انتخاب شده‌اند تا بتوانند عدد CRI مناسبی را برای نور ساطع شده بوجود آورند؛ اما ماهیت تیز طیف انتشار( به شکل (2) نگاه کنید ) به این معنی است که رنگها در طول موجی غیر از این‌ها توسط لامپ فلورسنت ضعیف تولید می‌شوند. البته هیچ دلیلی وجود ندارد که لامپ‌های فلورسنت همان طیفی را که LED ها دارند نداشته باشند؛ اما در حال حاضر، عدد CRI که لامپ‌های LED ارائه می‌کنند بسیار بهتر از لامپ‌های فلورسنت می‌باشد.