المواضيع:
- مقدمة
- تشغيل الصمام
- جهد التوصيل بالنسبة للون LED
- طرق التحكم
- مصابيح LED متعددة الألوان
مقدمة:
LED هو أحد مكونات أشباه الموصلات شائعة الاستخدام لإصدار الضوء. LED يرمز إلى: Light Emitting Diode ويعني: صمام ثنائي باعث للضوء. بعد اختراعه في عام 1962، تم استخدام LED بشكل أساسي كمؤشر ضوئي ولنقل الإشارات. منذ أواخر التسعينيات، أتاحت التطورات التكنولوجية إنتاج مصابيح LED التي تعمل كمصدر للضوء للاستخدام اليومي. في تكنولوجيا السيارات، تُستخدم مصابيح LED بشكل متكرر كإضاءة للأجهزة (لوحة القيادة)، أو إضاءة خارجية (المصابيح الخلفية) أو إضاءة رئيسية (في المصابيح الأمامية) بسبب المزايا التالية مقارنة بالمصابيح المتوهجة ومصابيح الهالوجين:
- استهلاك منخفض للطاقة: مع نفس شدة الإضاءة مقارنة بأنواع المصابيح الأخرى، يستخدم مصباح LED طاقة أقل بكثير. يتمتع مصباح LED بكفاءة عالية جدًا تصل إلى 80%؛
- السلامة: تحتاج المصابيح المتوهجة إلى حوالي 200 مللي ثانية لتسخين الفتيل وإصدار الضوء. لا يتطلب مصباح LED مرحلة إحماء، مما يعني أن مصباح LED يصل إلى شدة الضوء بشكل أسرع (في أقل من 1 مللي ثانية). عند استخدام مؤشر LED كضوء للفرامل، تتم ملاحظة الكبح مبكرًا ويكون له تأثير إيجابي على وقت التوقف؛
- تطور الحرارة المنخفضة: نظرًا لأن مصابيح LED لا تسخن كثيرًا، يمكن جعل أغطية المصابيح أصغر حجمًا ويمكن استخدام مواد أرخص أقل مقاومة للإجهاد الحراري؛
- عمر افتراضي طويل: يدوم مصباح LED طوال عمر السيارة بالكامل تقريبًا. إذا تبين أن مصابيح LED معيبة، فغالبًا ما يمكن العثور على السبب في مكان آخر، مثل انقطاع في مسار الطباعة أو التحكم غير الصحيح. يمكن أن ينخفض سطوع LED مع عدد معين من ساعات الاحتراق.
تُظهر الصورة أدناه رمز الصمام الثنائي، مع نص إضافي فوق جانبي "الأنود" و"الكاثود". رمز LED مطابق تقريبًا لرمز الصمام الثنائي، ولكن تمت إضافة سهمين يشيران إلى الأعلى، مما يشير إلى إشعاع الضوء. الاتجاه الحالي، كما هو الحال مع الصمام الثنائي، هو في اتجاه السهم. السكتة الدماغية العمودية هي الاتجاه المعاكس. إذا كان التيار يتدفق عبر مؤشر LED في اتجاه السهم، فسوف يضيء. وعلى العكس من ذلك، سيتم حظره، وبالتالي لن يضيء.
تشغيل الصمام:
تمامًا مثل الصمام الثنائي "العادي"، يتكون LED من طبقتين شبه موصلتين:
- الطبقة السلبية (الطبقة n) تحتوي على فائض من الإلكترونات؛
- الطبقة الموجبة (الطبقة p) بها نقص في الإلكترونات.
يمكن رؤية نقص الإلكترونات في الطبقة p على أنه عدد من الثقوب الإيجابية الزائدة. في تقاطع p-n (طبقة النضوب)، فإن فائض الإلكترونات في الطبقة n سوف يملأ الفجوات في الطبقة p. لا يوجد تيار يتدفق بعد، وبالتالي فإن الشحنة في الوصلة np محايدة.
لكي يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي، يجب أولاً التغلب على الجهد الداخلي لمنطقة النضوب. هذا هو ما يسمى بجهد الانتشار أو جهد عتبة الصمام الثنائي. عند زيادة الجهد، سيتمكن تيار الإلكترون من التدفق من الطبقة n إلى الطبقة p. ومع ذلك، في الطبقة المستنفدة، يتم التقاط بعض هذه الإلكترونات بواسطة الثقوب. تطلق هذه الإلكترونات جزءًا من طاقتها على شكل ومضات ضوئية. يمكن للضوء المتولد الهروب من خلال الطبقة الرقيقة. يتم تحديد شدة الضوء بواسطة التيار: كلما كان التيار أقوى، كلما كان الضوء أكثر كثافة.
إن قفز إلكترونات التكافؤ من الطبقة السالبة إلى الطبقة الموجبة يوفر الضوء الذي ينبعث من الصمام الثنائي.
جهد الموصل بالنسبة للون LED:
يأتي LED بثلاثة ألوان: الأحمر والأخضر والأزرق. وبهذه الألوان الثلاثة الأساسية يمكن الحصول على ألوان أخرى عن طريق مزجها. يحدد تركيب المواد في الطبقتين n وp كمية الطاقة الموجودة في الإلكترونات والثقوب.
- تحول الإلكترونات منخفضة الطاقة طاقة أقل إلى إشعاع ضوئي مقارنة بالإلكترون عالي الطاقة؛
- يحتوي الضوء الأحمر على طاقة أقل من الضوء الأزرق؛
- يتم إنشاء اللون الأحمر بواسطة إلكترونات منخفضة الطاقة والأزرق بواسطة إلكترونات عالية الطاقة.
لا يمكن إنتاج مصابيح LED البيضاء. ومن خلال إضافة طبقة فلورسنت إضافية إلى مصباح LED الأزرق، يتم تحويل جزء من الضوء الأزرق إلى ضوء أصفر. ترى العين البشرية مزيج الضوء الأزرق والأصفر على أنه ضوء أبيض. ومن خلال ضبط نسبة الخلط بين هذا الضوء الأصفر والأزرق، يمكنك إصدار ضوء أبيض دافئ أو بارد.
في الخاصية نرى الجهد الكهربي الذي يتراكم في منطقة النضوب، وبالتالي فهو جهد التوصيل الخاص بمصباح LED الملون ذي الصلة. عندما يتم إرسال التيار عبر LED، يكون هناك انخفاض ثابت تقريبًا في الجهد.
طرق التحكم:
في تكنولوجيا السيارات يمكننا استخدام مصابيح LED مع المقاوم سلسلة أو في دوائر متتالية، حتى نتمكن من تحقيق جهد التحكم المطلوب.
LED مع المقاوم سلسلة:
إذا أردنا توصيل مؤشر LED مباشرة بالبطارية الموجبة والسالبة، فسوف يفشل مؤشر LED على الفور. يجب أن يكون هناك دائما واحد المقاوم سلسلة يتم وضعها في سلسلة مع LED.
يتم تحديد قيمة المقاومة التسلسلية بعاملين: التيار وجهد المصدر. يضيء مصباح LED باللون الأحمر بمجرد الوصول إلى جهد التشغيل البالغ 1,5 فولت ويتدفق عبره ما يقرب من 20 مللي أمبير.
يعتمد جهد الإمداد المزود على التطبيق. في صناعة السيارات يمكن أن يكون هذا 5، ولكن أيضًا 12 أو 24 فولت. يمكن تحديد المقاومة المطلوبة باستخدام قانون أوم. اطرح جهد التشغيل من جهد الإمداد وقسمه على التيار.
- مع جهد إمداد يبلغ 5 فولت، ستكون هناك حاجة إلى مقاومة متسلسلة (5 - 1,5) / 0,02 = 175 أوم لمصباح LED الأحمر.
- بجهد إمداد 12 فولت ومصباح LED أحمر: (12 - 1,5) / 0,02 = 525 أوم (مقاومة أعلى بعامل واحد).
نواجه بشكل أساسي مصابيح LED ذات مقاومات متسلسلة في إضاءة LED المعدلة (التحديثية). يمكن أن تكون أوقات التشغيل والإيقاف السريعة وسطوع مصابيح LED سببًا لاستبدال المصابيح المتوهجة بمصابيح LED. ليس عليك القيام بذلك من أجل كفاءة استخدام الطاقة، حيث تتسبب المقاومة المتسلسلة أيضًا في فقدان الطاقة الذي يكون في بعض الحالات كبيرًا مثل تبديد طاقة المصباح الأصلي.
توصيل المصابيح في سلسلة:
من خلال توصيل مصابيح LED على التوالي، لا يلزم وجود مقاوم تسلسلي أو مقاوم تسلسلي بقيمة مقاومة منخفضة. تضمن المقاومة الداخلية لمصابيح LED نفسها توزيع جهد الإمداد بين مصابيح LED في الدائرة المتسلسلة. كلما زاد عدد مصابيح LED المتصلة على التوالي، كلما كان من الممكن تصنيع مقاومة متسلسلة أصغر. في الشكل، ستة مصابيح LED متصلة على التوالي، وصفين متصلين بالتوازي.
توجد مصابيح LED المتصلة على التوالي في وحدات الإضاءة الخلفية أو وحدات إضاءة الفرامل الثالثة. هذه طريقة تحكم شائعة الاستخدام في تكنولوجيا السيارات.
ضبط شدة الضوء:
باستخدام المتحكم الدقيق يمكننا التحكم في التحكم في مصباح LED عن طريق النبض. نحن نسمي هذا: نبض العرض التحوير (PWM).
تحدد دورة العمل الوقت الذي يتم فيه تنشيط مؤشر LED. من خلال تبديل نبضات التشغيل والإيقاف بين 3,3 و0 فولت بسرعة عالية، يضيء مصباح LED بسطوع أقل.
طريقة التحكم هذه هي نفسها الموجودة على المصباح الكهربائي مع وظائف متعددة، مثل:
- سطوع 50% مع تشغيل الأضواء؛
- ضوء ساطع بنسبة 100% مع تشغيل ضوء الفرامل.
في الإعداد العملي باستخدام Arduino، يمكنك تجربة التحكم في PWM لمصابيح LED الموجودة على Arduino أو مصابيح LED المتصلة خارجيًا (المجهزة بمقاومات متسلسلة).
مصابيح LED متعددة الألوان:
يمكن أن تتكون جميع الألوان من الألوان الأساسية الثلاثة الأحمر والأخضر والأزرق. يمكن الاستفادة من ذلك بشكل جيد من خلال الجمع بين اثنين أو ثلاثة مصابيح LED. فيما يلي ثلاثة مبادئ تستخدم للحصول على ألوان متعددة من خلال دائرة كهربائية.
ثنائي اللون LED:
يوضح الرسم البياني اثنين من مصابيح LED متصلتين بالتوازي، مع الاتجاهين العكسي والأمامي. يحدد اتجاه التيار نوع LED الذي سيضيء: أخضر (أعلى) أو أحمر (أسفل).يتم عكس القطبية بواسطة دائرة خارجية أو وحدة تحكم إلكترونية.
الصمام ثلاثي الألوان:
يوضح هذا الرسم البياني أيضًا مصباحين LED متصلين بالتوازي. في الدائرة، يمكن تطبيق جهد الإمداد على أحد مصباحي LED (الأخضر أو الأحمر)، أو كليهما في نفس الوقت. في هذه الحالة، يحدث خلط الألوان ويتحول مؤشر LED الأحمر والأخضر إلى اللون الأصفر.
RGB LED:
مع مصابيح RGB LED، يتم وضع ثلاثة مصابيح LED، كل منها بلون خاص بها، في مبيت واحد. يمكن التحكم في الألوان بشكل منفصل. للتحكم في RGB LED، يلزم وجود ثلاثة عناصر تحكم PWM، والتي تولد نسبة تشغيل/إيقاف قابلة للتعديل على كل طرف طاقة. بالإضافة إلى الألوان المختلفة، يمكن أيضًا تعديل شدة الضوء.
في الصورة التالية نرى ثلاثة مصابيح LED، لكل منها اتصال الأنود الخاص بها (A1 إلى A3) وكاثود مشترك.
