هر آنچه باید از لامپ های LED بدانید

چکیده:

آن گروه از لامپ هایی که برای روشنایی از دیود های نوری LED استفاده می کنند به لامپ LED مشهورند. این لامپ‌ها که در ابتدا بیشتر به عنوان یک چراغ هشدار در درون دستگاه‌های الکترونیکی کاربرد داشتند، با توجه به مصرف برق کم نسبت به سایر لامپ‌ها، عمر بسیار بالا و فناوری جدید ساخت به رنگ‌های دیگر توانسته‌اند جای خود را در صنعت روشنایی باز کنند.

لامپ‌های LED کارایی، طول عمر و بازدهی بالایی دارند که چند برابر لامپ‌های رشته‌ای بوده و نسبت به لامپ‌های فلورسنت کارآمدتر هستند.

عبارت LED مخفف کلمات Light Emitting Diode است که معنای دیود منتشر کننده نور می باشد. دیودهای ساطع‌کننده نور از زیرمجموعه دیودها (نیمه هادی ها) هستند.یکی از پارامترهایی که  LED‌ها را از سایر نیمه‌هادی‌ها متمایز می‌کند تبدیل جریان الکتریکی عبوری به نور است.

مقدمه:

لامپ‌های رشته‌ای یکی از مهم‌ترین دلایل افزایش مصرف انرژی و در نتیجه افزایش حجم تولید گازهای گلخانه‌ای در جهان می‌باشند؛ در سال 2003 نوعی LED تجاریوارد بازار شد که با مصرف جریان تنها 20 میلی آمپر، معادل 3 برابر لامپ های فلورسنت در همان مقیاس نور دهی داشت. این دستاوردی بزرگ بود چرا که بازار مصرف لوازم نوری را متحول می کرد. در سال 2007 به بعد تولیدات لامپ های LED بسیار گسترش یافت و حتی برخی کشورها استفاده از لامپ اجباری شد.

در ابتدا مقدمه ای بر عناصر خواهیم داشت و سپس روی نیمه رسانا ها و LED  ها که از مشتقات آن است متمرکز می شویم، سپس طرزکار لامپ های LED بیان شده و پس از مرور مزایا و معایب آن در نهایت به بررسی آینده این نوع لامپ ها خواهیم پرداخت.

عناصر از دیدگاه الکترونیک:

عناصر بر اساس رفتار در مقابل الکتریسیته به سه دسته رسانا، نیمه رسانا و عایق تقسیم می گردند. عبور جریان  به نوع عنصر بستگی دارد. در عناصر رسانا، الکترون ها با کوچکترین تحریک (اختلاف پتانسیل) جابجا می شوند و در نیمه رسانا و عایق به دلیل آرایش الکترونی متفاوت، نیاز به انرژی بیشتری برای جابجایی الکترون ها خواهد بود.

شکل 1 تعریف ساده ای از سه نوع عنصر را به تصویر کشیده است.

تولید نور در نیمه هادی:

اختلاف در پتانسیل الکتریکی در یک نیمه‌رسانا می‌تواند باعث خارج شدن از تعادل گرمایی و قرار گرفتن در یک وضعیت برانگیختگی قرارگیرند. این الکترون‌های برانگیخته شده برای برگشتن به حالت عادی حین عبور از محل اتصال (Junction) دو نیمه هادی مثبت ومنفی از خود نور ساطع می‌کنند از این نیمه‌رساناها برای ساختLED استفاده می‌ گردد.

در شکل 2 فرایند تولید نور توسط ال ای دی نمایش داده شده است. اگر نقطه اتصال دو نیمه هادی در معرض دید باشد با عبور جریان از نیمه هادی، الکترون ها حین جابجایی از لایه منفی به مثبت انرژی خود را به صورت فوتون آزاد می کنند. در واقع این پدیده در کلیه ی نیمه هادی ها رخ می دهد اما در ساختLED  سعی می شود که این خاصیت به حداکثر میزان خود رسیده تا مقدار قابل توجهی نور تولید گردد.

طیف نور LED:

بسته به این که کاربرد LED  چه باشد، رنگ نور آن متفاوت است.حتی میتوان LED هایی با طیف نوری خارج از محدوده دید تولید نمود. به عنوان مثال  LEDمادون قرمز برای ریموت کنترل ها و LED  ماورا بنفش برای دستگاه های تشخیص اسکناس کاربرد دارد.دسته ای از LED ها نیز با ترکیب طیف مرئی و نامرئی می توانند نور خورشید را شبیه سازی می کنند که به LED های رشد گیاه مشهور اند که کاربرد آنها در گلخانه های مصنوعی می باشد.

طیف نور لامپ LED:

حوزه ای از نور که چشم انسان قادر به دیدن آن است را نور مرئی می گویند. برای تولید لامپ LED از رنگ های روشن مثل سفید مهتابی،  زرد آفتابی و یا ترکیبی (طبیعی - نچرال) استفاده می شود. LED ها در تمامی رنگ ها تولید شده و کاربرد های زیادی جدا از روشنایی نیز داراست که از جمله آن ها می توان به نور پردازی، تزیین، ارتباطات، صنایع لیزر و ... اشاره کرد.

انواع چیپ لامپ LED :

از آنجایی که لامپ های LED به منظور تولید و تابش نور طراحی شده اند، بازدهی نوردهی بالا ، مصرف برق بهینه و تمرکز نور بسیار حائز اهمیت است. بنابراین استفاده حداکثری از فضای لامپ و چیدمان مناسب جهت تبادل گرما امری حیاتی به حساب می آید. با تولید LED های SMD (نصب سطحی) این امر به صورت خوبی میسر گردید.نسل های اول لامپ های LED دارای دیودهای نورانی نصب سطحی بودند. با استفاده روز افزون از دیود های نصب سطحی، سازندگان اقدام به یکپارچه کردن LED، اتصالات و درنهایت مدارچاپی آن نمودند، به طوری که همه این موارد در داخل چیپ و حین طراحی LED در کارخانه قابل تنظیم باشد. این گونه از LED ها اصطلاحا بهCOB  (Chip On Board) شهرت یافتند.در این نوع از LED  ها محافظ طلقی شفاف حذف شده تا نوردهی به حداکثر رسیده و  هزینه کاهش یابد. ضمنا چیدمان دیودهای نورانی در داخل چیپ به صورت ترکیب آرایه های سری و موازی (یا بالعکس) در آمده تا در صورت آسیب دیدن یک آرایه کل مجموعه دچار از کار افتادگی نشود.

در LED های COB تقریبا تمام پیش نیازهای مرتبط با روشن شدن عنصر نوری در خود برد فراهم شده است، از مدارات جانبی گرفته تا مسیر های سیم کشی و خنک کننده های آلومینیومی که مصرف کننده به راحتی بتواند آن را استفاده کند.

از تکنولوژی COB به دلیل مقرون به صرفه بودن و فشرده بودن آن برای تولید لامپ های LED استفاده می شود. در شکل 4 نسبت ذخیره انرژی چهار نوع لامپ را مشاهده می کنید. مصرف لامپ LED حداقل و طبیعتا نسبت صرفه جویی انرژی آن حداکثر خواهد بود.

ساختمان داخلی لامپ LED:

لامپ هایLED برای استفاده تجاری در منازل و کارخانجات نیازمند استاندارد های خاصی هستند؛ مثلا لامپی که قرار است در محیط باز و در گرما، سرما، باران یا برف مورد استفاده قرار گیرد نسبت به لامپی که در محیط بسته مثل اتاق یا دفتر کار استفاده می شود متفاوت است. در محیط های باز باید اصول عایق بندی و دفع حرارت به درستی صورت پذیرد تا لامپ کارایی و دوام خود را حفظ کند. به طور کلی لامپ هایLED ساختمان داخلی مشابهی دارند. شکل 5 اجزای داخلی این لامپ ها را نمایش می دهد. وظیفه هر یک از اجزا به طور خلاصه بدین شرح است:

• حباب لامپ: جهت محافظت از ال ای دی و یکنواخت سازی نور استفاده می گردد.
• برد آلومینیومی LED: شامل آرایه های سری موازی )یا موازی سری) دیودهای نورانی به همراه سیم کشی ها به شکل مدار چاپی است. جنس این برد جهت انتقال بهتر گرما از آلومینیوم می باشد.
• پیچ ها: جهت اتصال برد به خنک کننده با هدف دفع حرارت استفاده می شود.
• خنک کننده: برای خنک سازی نیمه هادی  استفاده می شود تا دمای آن بیش از حد بالا نرفته و باعث کاهش عمر لامپ نشود.
• سرامیک: کاربرد آن به دلیل استحکام و تحمل حرارت بالا می باشد. همچنین وظیفه اتصال نیمه پایین لامپ به سرپیچ را داراست و در دفع گرمای تولیدی توسط درایور لامپ نیز موثر است.
• سرپیچ و اتصال به پاتروم: به منظور پیچ شدن لامپ در پاتروم و رساندن الکتریسیته به درایور است که استاندارد های مختلفی از آن وجود دارد.
• درایور: مهم ترین قسمت هر لامپ درایور آن است. درایور نوعی منبع تغذیه کاهنده به شمار می آید که جریان برق شهری متاوب AC  را پس از تبدیل کردن به جریان مستقیم DC با توجه به آرایش LED های لامپ کاسته و بسته به مدل LED آن را طوری تنظیم می کند که بیشترین بازده و نور را در خروجی فراهم آورد. درایور ارتباط مستقیمی با کارایی و عمر لامپ دارد و هرچه درایور دقیق تر و با کیفیت تر طراحی شده باشد، عمر مفید لامپ نیز بیشتر خواهد بود.

مزایا و معایب لامپ LED:

مزایای مهم لامپ های  LEDشامل موارد زیر است:

1.  عمر بالا تا 100 هزارساعت (با فرض کنترل حرارت و جریان الکتریکی تنظیم شده)
2.  مصرف بسیار کم؛ تا 10/1 نسبت به لامپ های رشته ای
3. بازدهی بالا؛ به دلیل مصرف پایین و تبدیل انرژی بالا
4. دوست دار محیط زیست؛ نسبت به لامپ های فلورسنت (که حاوی بخار جیوه و مواد سمی برای محیط زیست هستند)
5. تعمیر سریع؛ حتی می تواند با تعویض LED ها در صورت سوختن، مجددا به چرخه مصرف برگردد.
6. عدم حساسیت به روشن و خاموش شدن پی در پی؛ هر بار که لامپ فلورسنت با فواصل کمتر از 15 دقیقه روشن و خاموش گردد، از عمر آن ها کاسته می شود. این از مهم ترین معایب لامپ های فلورسنت است که خوشبختانه لامپ های LED هیچ حساسیتی به این مورد ندارند.

معایب مهم این لامپ شامل موارد زیر است:

1. وابستگی عمر مفید به گرما؛ گرما دشمن درجه یک قطعات الکترونیکی است، گرما باعث عبور جریان بیشتر از نیمه هادی ها شده و منجر به آسیب یا سوختن آنها می شود.
2. درایور غیر استاندارد؛ انتخاب لامپ های ارزان قیمت که قطعات بی کیفیت دارند باعث سوختن زودهنگام این لامپ ها می شود، حتی اگر بهترین نوع LED هم در لامپ استفاده شده باشد، در صورتی که درایور آن استاندارد نباشد باعث سوختن یا کم نور شدن و در نتیجه کاهش عمر مفید خواهد شد.
3. قیمت گران تر آن ها نسبت به لامپ های فلورسنت؛ که در حقیقت عیب نیست به شرطی که کیفیت لامپ بالا باشد به نوعی سرمایه گزاری نیز تلقی می شود.

آینده لامپ های LED و راهکار هایی برای عمر بیشتر آنها:

هنوز تا بالغ شدن این محصول راه زیادی مانده و همپنین در آینده بازارها رقابتی تر خواهند شد، بنابراین شاهد محصولات بسیار باکیفیت و خلاقانه تری نسبت به قبل خواهیم بود. در لامپ های جدید تر مدارات محافظ و محدود کننده های جریان دقیق تری قرار داده شده که با افزایش دما به طور خودکار، جریان لامپ را کم می کنند که البته واضح است که در جاهای گرم، لامپ اندکی کم نور تر از جاهای خنک تر خواهد بود اما به قیمت ایمنی و دوام و عمر بالاتر. با ارزان تر شدن تکنولوژی ساخت آی سی ها و مدارات مجتمع، سری آی سی هایی مخصوص کنترل لامپ های LED ساخته شده که دست کمی از میکرو کنترلر ها ندارند چرا که این آی سی ها در لحظه دمای لامپ و جریان گذرنده از آن را اندازه گیری کرده و به سرعت بهترین حالت کارکرد را برای لامپ فراهم می کنند. حتی برخی از درایور ها می توانند عمر لامپ را نیز تخمین بزنند که این به نوبه خود تحولی بزرگ در صنایع روشنایی تلقی می شود. علاوه بر این لامپ های نسل بعدی برای کنترل گرمای درایور LED  با تغییراتی همراه خواهند بود که از جمله آن ها جابجایی درایور در لامپ و یا ماژولار کردن لامپ است؛ جابجایی درایور از داخل محفظه سرامیکی بسته و محافظت شده به محفظه حباب لامپ به منظور دفع گرمایی سریع درایور و جلوگیری از خرابی های  مرتبط با درایور می باشد؛ همچنین استفاده از درایور مجزا که قبل از پاتروم بسته می شود نیز راهکاری بسیار پر طرفدار خواهد بود زیرا علاوه بر مدیریت دمای  درایور باعث تولید ارزان لامپ های LED (دست کم تا 50 درصد) خواهدشد، چرا که همانند لامپ های مهتابی با سوختن لامپ (با فرض درایور استاندارد و با کیفیت) فقط کافیست قسمت LED آن تعویض گردد و دیگر هزینه اضافی برای بخش درایور آن صرف نخواهد شد.

پایان