دیود منتشر کننده نور Light Emitting Diode) LED ) در دنیایی که به سمت اتمام منابع انرژی طبیعی پیش می رود استفاده بهینه از انرژی های موجود ، از مسائل مهم روز محسوب می شود . از جمله محصولات مطرح دنیای الکترونیک دیودهای منتشر کننده نور یا LED ها هستند . در سال های اخیر سیر تحول عظیمی در روند تولید این محصول را شاهد بوده ایم و علیرغم تصور عمومی ، نه تنها در نمایشگرها ، تابلوها و دستگاه های تخصصی به کار می روند بلکه از دنیای خود فراتر رفته وارد دنیای جدید نور پردازی و زیبا سازی گشته اند و استفاده بسیار وسیعی در صنعت روشنائی دارد.
تاریخچه LED :
برای اولین بار در در سال ۱۹۶۲ در مقیاس صنعتی تولید وبه بازار عرضه شد در آن سال LED تنها به رنگ قرمز و با ترکیب آلومینیوم،گالیم ،آرسناید بود . اوایل دهه هفتاد میلادیLED در رنگ های دیگر (سبز ٬آبی ٬زرد٬نارنجی)تولید شدند.در این سال ها کارایی LED و بهره نوری آن ها مرتب در حال افزایش بود. در سال های دهه ۸۰و اوایل دهه نود میلادی ٬ کارایی LED به میزان قال توجهی افزایش یافت و به صورت گروهی ماجولار(Modular)به بازار عرضه شدند. در سال ۱۹۹۷ LEDهایی که نور سفی د را به روش الکترو لومینانس تولید می کردندبه بازار معرفی شدند.در سال های اولیه بهره نورLEDها پایین بود و تنها در مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می گرفتند امروزه بهره نوری LEDهای سفید در حدود ۳۰ لومن بر وات بوده و بهره نوریLEDهای رنگی تا ۵۰ لومن بر وات نیز می رسد و پیش بینی می شود بهره نوری آن ها تا ۱۰۰ لومن بر وات نیز برسد
در حال حاضر کلیه رنگ های قابل رویت موجود در طبیعت (بیش از ۱۶ میلیون رنگ ) ، به صورت مستقیم یا غیرمستقیم (از طریق DMX – Digital multiplexer ) بدون نیاز به هیچ گونه لنز یا فیلتر رنگی که در پروژکتورهای معمولی جهت تغییر رنگ به کار می رود ، به تنهائی به وسیله LED قابل تولید می باشد. با ترکیب رنگ LED های مختلف می توان به طیف رنگی بسیار زیبائی همچون رنگین کمان دست یافت که کنترل تک تک رنگ ها در اختیار خواهد بود .بسته به نوع اتصال مجموعه LED های بکاررفته ، ولتاژ ورودی از ۵ ولت تا ۲۲۰ ولت قابل تغییر می باشد.به عبارتی درصورتی که قصد تعویض لامپ های معمولی را دارید ، هیچگونه نیازی به تغییر سیم کشی کنونی نمی باشد.کارائی بالای سیستم های نورپردازی LED را علاوه بر مسائل فنی ، بررسی و مقایسه طول عمر و مضرات احتمالی سیستم بیشتر مشخص خواهد کرد. جهت ترسیم نمای صحیح ، طول عمر ، مصرف و قیمت محصولات LED و لامپ های معمولی باید مقایسه گردند .
| جدول ۱ ) |
| نوع منبع نور | نور مرئی | پرتوهای نامرئی | گرما |
| لامپ های ادیسونی | %۳- ۵ | %۳۰-۴۰ IR | %67- 55 |
| لامپ های هالوژن | %۶- ۸ | %۴۰-۵۰ IR | %55- 40 |
| لامپ های فلورسنت | %۱۵- ۲۵ | %۱۵-۲۰ UV | %70- 55 |
| LED (2007) | %20- 30 | %0 | %70- 80 |
| لامپ های بخار سدیم | %۴۰- ۶۰ | %۲۰-۳۰ | %۲۰- ۳۰ |
نگاهی به جدول ۱ نشان می دهد که LED ها حدود ۷۰ تا ۸۰ % انرژی را به گرمایی نامحسوس تبدیل می کنند (البته این اندازه گیری هادر سال ٢٠٠٧ انجام گرفته اند.در حال حاضر کمتر از ٣٠% انرژی مصرفی LEDها به حرارت تبدیل میشوند )ولی با این وجود ، کم مصرف ترین منبع نوری حاضر دنیا هستند.تولید نکردن اشعه های مضر برای انسان خود به تنهائی ، ملاک ارزشمندی برای انتخاب نوع لامپ مصرفی می باشد.عمر بسیار بالا ، این محصول را به منبع نوری ایده آل ، فارغ از مشکلات پرپر زدن (مانند لامپ های فلورسنت) یا ناهماهنگی ناشی از به تعویق افتادن تعویض لامپ های از کارافتاده معمولی و مقرون به صرفه تبدیل کرده است.طول عمر LED با کیفیت حدود ۱۰۰۰۰۰ ساعت می باشد که چندین برابر لامپ های معمولی است البته به شرط رعایت عوامل موثر بر عمر LED که عبارتند از:تبادل گرمائی ، نوسانات برق و ایزولاسیونبا درنظر گرفتن عوامل فوق و مقایسه شدت نور لامپ های مختلف ، به جرات می توان LED را مقرون به صرفه ترین محصول نوری حاضر دنیا دانست . جدول مقایسه نور تولید شده در منابع نوری مختلف گویای این مطلب است.
جدول ۲ )
| لامپ های ادیسونی | ۵- ۱۰ Lm/Watt |
| لامپ های هالوژن | ۸-۱۵ lm/Watt |
| لامپ های فلورسنت | ۶۰-۸۰ Lm/Watt |
| LED (SSC P4 2007) | 90-120 Lm /Watt (۱۰,۲۰۰۷) |
| لامپ های بخار سدیم | ۱۶۰ – ۲۰۰ Lm/Watt (Yellow Street Lamps) |
(Lm/Watt : لومن بر وات)
در حال حاضر با توجه به عمر طولانی ، عدم تولید حرارت و کم مصرف بودن LED ، این محصول استفاده وسیعی در نورپردازی هتل ها ، سالن های اجتماعات ، راهروها ، خصوصاً در برق اضطراری هتل ها دارد. تنها مسئله باقیمانده تفاوت قیمت محصولات LED با لامپ های معمولی می باشد ، که با در نظر گرفتن طول عمر ( مدت زمان نیاز به تعویض لامپ ) ، مصرف انرژی ناچیز و تولید نکردن حرارت که به صورت غیرمستقیم باعث کاهش مصرف دستگاه های برودتی نیز می گردد، کاملاً منتفی است .قیمت یک لامپ هالوژن LED مرغوب ۳ وات با شدت نوری معادل هالوژن معمولی تقریباً ۴ تا ۵ برابر گران تر از هالوژن معمولی درجه یک می باشد و در مقابل مصرف لامپ هالوژن LED ، ۱۳ برابر کمتر از هالوژن معمولی و عمر آن حداقل ۵ برابر هالوژن معمولی است.به عنوان مثال درپروژه سالن فرودگاه تبریز ، مصرف مورد نیاز جهت روشنائی حدود ۸۶ کیلو وات پیش بینی شده بود در حالی که مصرف کنونی سالن با پروژکتورهای نصب شده از نوع Power LED ، تنها ۷ کیلو وات می باشد و این خود گویای کاهش ۹۰ درصدی مصرف برق می باشد که کاهش چشم گیر هزینه را در پی خواهد داشت . علاوه بر این هزینه های نصب ترانس ، کابل فشارقوی و تجهیزات برق ۲۲۰v نیز عملاً مورد نیاز نمی باشد.علاوه بر کلیه محاسن فوق یک مشخصه اساسی که لامپ های LED دارند ، قابلیت کار با یک سیستم UPS معمولی در مواقع قطع جریان برق می باشد که در مواقع قطع برق تا زمان Load ژنراتور به کار می آیند و گزینه مناسبی در فضاهای عمومی ، هتل ها ، استخرها و فروشگاه ها دارد. علاوه بر این محصولات نورپردازیLED به علت تولید نکردن حرارت ، هیچ گونه اثر سوئی در محیط داخل ساختمان مانند تجمع گرد و غبار و خرابی های ناشی از گرمای زیاد را به دنبال نخواهد داشت .در نهایت با برررسی های به عمل آمده در مدت کمتر از یک سال کلیه هزینه های سرمایه گذاری شده در قالب صرفه جویی در مصرف برق و هزینه های ناشی از آن ، تأمین و پس از این مدت تبدیل به پس انداز خواهند شد.
ممنوعیت استفاده از لامپ نورتابان در برخی از کشورها
بسیاری از کشورها ، منتظر تغییر علاقه مصرف کنندگان نشده و قوانینی را برای حذف لامپ های مضر وضع کرده اند. در ایالت کالیفرنیا آمریکا و کشور کانادا قانونی وضع شده که تا سال ۲۰۱۲ میلادی ، استفاده از هر نوع لامپ دارای نورتابان در این مناطق ممنوع خواهد شد و کاربران فرصت دارند به صورت تدریجی نوع محصولات مصرفی خود را تغییر دهند.
کشور استرالیا هم مشابه ، این قانون را تا سال ۲۰۱۰ میلادی وضع کرده است. اتحادیه اروپا نیز به دنبال راهکاری برای وضع قانون جدید و کارا در این زمینه در کشورهای عضو این اتحادیه است. در نیجرسی ، مکانی که توماس ادیسون در سال ۱۸۷۹ موفق به تولید الکتریسیته و روشن کردن لامپ شد ، قانونی وضع شده که استفاده از لامپ تابان ( رشته ای ) در ادارات دولتی ممنوع و تنها لامپ فلورسنت و LED قابل استفاده خواهند بود.
لامپ های تابان ( رشته ای ) علاوه بر کارایی و بازده پایین ، از انرژی بالایی برای تولید روشنایی استفاده می کنند. به عنوان مثال یک لامپ ۱۰۰ واتی ، روشنایی معادل یک لامپ ۲۰ واتی فلورسنت را خواهد داشت ، یعنی برای تولید نور مشابه ، لامپ های تابان ، ۵ برابر بیشتر انرژی مصرف می کنند.
هم اکنون در کشور ما نیز استفاده از لامپ های کم مصرف ، فلورسنت و FPL به لامپ های تابان ترجیح داده می شود و طبق بخشنامه های جدید ارگانهای دولتی در مواقعی که از نظر فنی محدودیتی ندارند ملزم به استفاده از لامپ های کم مصرف شده اند و دیگر مصرف کنندگان نیز می توانند از لامپ های کم مصرف یارانه ای استفاده کنند. اما استفاده از LED چندان رواج نیافته و بیشتر جنبه تزئینی دارد.
نمودار ذیل هزینه های اولیه و جاری در لامپ های LED در مقایسه با سایر نمونه های متداول سطح شهر از جمله جیوه‌ای و سدیم فشرده را نشان میدهد. نتیجه این مقایسه به خوبی اثبات میکند. روشنایی LED علارقم هزینه اولیه بالا تر با گذشت زمان به دلیل عمر طولانی ،مصرف پایین تر و هزینه سرویس کمتربسیار مقرون به صرفه است .
خط آبی نشانگرعمر و هزینه انرژی نورهای LED
خط قرمزنشانگرعمر و هزینه انرژی نورهای متداول
ساختمان و طرز کار LED :
روش تولید نور در LED تشعشع کریستال ها است که نور توسط تحریک کریستال ها که از عناصر نیمه هادی هستند تولید می شود (روش الکترولومینانس)(Elecctroluminance) ساختمان LED شامل دو ناحیه P و N است. در ناحیه N اتم های کریستال دارای الکترونهای مازاد هستند و در ناحیه P کمبود الکترون وجود دارد. با اعمال ولتاژ دو سر LED، بین این دو ناحیه یک ناحیه PN تشکیل می شود که به آن ناحیه تخلیه(LIGHT EMITTING DIODES) نیز می گویند. در اثر عبور جریان الکتریکی ، الکترون ها با اتم هایی که کمبود الکترون داشتند ترکیب می شوند و به این ترتیب نور تولید می شود.
خصوصیات LED :
۱) طیف نور منتشر شده توسط LED بسیار باریک است و اشعه ماوراءبنفش و مادون قرمز در آن وجود ندارد پس به دلیل عدم وجود این دو اشعه مخرب بر اشیاء قدیمی و قیمتی از این نوع لامپ ها برای روشنایی موز ها استفاده می شود
۲) رنگ نور به نوع کریستال به کار رفته و ترکیبات آن بستگی دارد
| نوع ماده نیمه هادی | علامت اختصاری | رنگ نور |
| آلومینیوم،گالیم ،آرسناید | AlGaAs | قرمز |
| آلومینیوم،ایندیم ،گالیم ،فسفر | AlInGaP | قرمز نارنجی زرد |
| گالیم ،آرسناید،فسفر | GaAsP | قرمز نارنجی زرد |
| ایندیم،گالیم ،نیتروژن | InGaN | سبز آبی |
با توجه به تولید رنگ نور های مختلف می توان از ان ها برای خلق فضای دکوراتیو و نور پردازی تزیینی استفاده نمود
۳) طول عمر بالای لامپ های LEDباعث می شود قابلیت اطمینان افزایش یابد به همین دلیل از این نوع لامپ ها در چراغ های راهنمایی و رانندگی استفاده می شودضمن این که به دلیل درخشندگی بالاتر LEDُ امکان دید در روز بهتر می شود و در مصرف انرژی نیز به مقدار زیادی صرفه جویی می گردد.
۴) با توجه به توان مصرفی پایین لامپ LED از آنها می توان به عنوان روشنایی اضطراری و علایم نجات استفاده کرد.
۵) هدایت نور در LED آسانتر ازسایر انواع لامپ که به طور معمول در تمام جهات نور را منتشر می کنند است زیراد برای محافظت نیمه هادی ها٬ یک لایه محافظ بر روی نیمه هادی ها قرار می گیرد از آن جا که معمولا نیمه هادی ها بر روی یک صفحه قرار دارند لذا نور تنها در نیم صفحه بالایی منتشر می شود.
نمایشگرهای LCD مجهز به نورپس زمینه LED
نورپس زمینه LED نمایشگرهای رنگی در دو نوع سفید و RGB (ترکیبی از سه رنگ اصلی قرمز، آبی و سبز) عرضه می گردد. نور سفید LED غالباً در نمایشگرهای لپ تاپ، مانیتورهای PC و بطورکلی در کلیه ی نمایشگرهای LCD سیستم های همراه بکار برده می شود. در حقیقت نور سفید LED ترکیبی از نورهای آبی و زرد فسفری ست که به رنگ سفید ظاهر می شود. از آنجاییکه در منحنی رنگها بین طیف رنگ سبز و قرمز فاصله ی زیادی وجود دارد، لامپLED مدل RGB که حاوی سه رنگ قرمز، آبی و سبز است با برخورداری از این فناوری می تواند با کنترل نوع ترکیب رنگها، انواع مختلفی از طیف رنگ سفید را پدید آورد. لامپ LED مدل RGB که بعنوان نورپس زمینه ی رنگی از آن نام برده می شود، در نمایشگرهای پیشرفته و رنگی بکار برده می شود، بطورمثال این فناوری در صفحه نمایش لپ تاپ سریDell Studio تعبیه شده است. در عوض در نمایشگر Cinema LED Apple از نورسفید LED استفاده کرده اند. لامپ RGB LED قادر است طیف گسترده ایی از رنگها را نمایش دهد. هر گاه نمایشگری مجهز به سه رنگ مجزای LED (رنگ ترکیبی) باشد، نورپس زمینه می تواند طیف رنگهایی که با فیلترهای رنگی دقیقاً هماهنگی دارد را در پیکسل های نمایشگر پدید آورد. بدین ترتیب، پهنای باند passband فیلتر کوچک می شود، درنتیجه هر کدام از اجزاء ترکیب دهنده رنگ فقط می تواند با یک نوار کوچک طیف نوری، از سطوح نمایشگر LCD عبور کند. این امر کارایی نمایشگر را بهبود می بخشد، چرا که مسیر انتشار نور کم نمایشگر هنگام نمایش رنگ سفید، مسدود می شود. همچنین نورهای قرمز، آبی و سبز می توانند در فواصل دورتری انتشار یابند، درنتیجه صفحه نمایش قابلیت تولید دوباره رنگها را با درخشندگی بیشتر دارد. کیفیت نورپس زمینه CCFL نیز در این زمینه بهبود یافته است. درحال حاضر تعداد بسیاری از نمایشگرهای جدید LCD؛ از نمایشگر ارزان TN گرفته تا پنل های رنگی S-IPS یا S-PVA، محدوده رنگی پهن و عریضی را پوشش می دهند که بیش از ۹۵درصد از کیفیت رنگ NTSC را نمایش می دهد. هم اکنون نورپس زمینه LED در انواع و اقسام مدلهای متنوع نمایشگرها ساخته می شود که بین هر کدام از آنها رقابتهای شدیدی پدید آمده است. دسترسی به فناوری نورپس زمینه ی یکنواخت دشوارتر از سایر فناوریهای موجود است، این امر بویژه در عصر فناوری LED، که هر کدام از آنها با سرعت رو به رشد متفاوتی در حال تولید هستند بیشتر به چشم می خورد. همچنین، کاربرد سه منبع نور قرمز، سبز و آبی که بعبارتی مشتقات نور سفید هستند در لامپ LED با سرعت مختلفی انتشار می یابند. بنابراین می توان چنین استنباط کرد که نمایشگرهای LED کارایی و توان بیشتری دارند، البته این مشخصه قطعی و مسلم نیست، تعداد بیشماری از نمایشگرهای نسل اول ممکن است از همین فناوری استفاده کنند و یا قدرتمند تر از رقبای CCFL خود باشند.
پیشرفت های ساخت لامپ های LED
محققین دانشگاه کمبریج موفق به ساخت نوعی لامپ LED شدند که علارغم سایز کوچک، راندمان کاری آن ۱۲ برابر بیشتر از لامپهای حاوی رشته تنگستین است و ۳ برابر بهتر از لامپ های کم مصرف کنونی عمل می کنند. طول عمر کاری این لامپ کوچک LED صد هزار ساعت یعنی معادل با ۶۰ سال تخمین زده شده است. به گفته طراحان, این لامپ قادر است صورت حساب برق مصرفی منزل شما را از روند صعودی، به ۵ درصد کاهش دهد.
تکنولوژی ساخت این لامپ LED بر پایه گستردن لایه نیترید گالیم بر روی صفحات رسانای سیلیکونی می باشد. جالب است بدانید که استفاده از نیترید گالیم و گستردن آن بر روی صفحات رسانایی از جنس دیگر می توانست قیمت تقریبی این محصول را از ۳$ به ۲۸$ افزایش دهد. اما از آنجا که سیلیکون به وفور در طبیعت یافت می شود بهترین نیمه هادی برای ساخت سطح رسانای این طرح انتخاب شد. بنابراین قیمت تمام شده هر کدام از این لامپ ها کمتر از سه دلار خواهد بود.
به گفته محققین دانشگاه کمبریج این لامپ مشکل پرش نور در لامپ های فلورسنت را هم ندارد و بنابراین باعث ایجاد سردرد و میگرن نخواهد شد. پس از اتمام مراحل تست آزمایشگاهی, این محصول تا دو سال دیگر در فروشگاهای ادوات الکتریکی به عنوان یک محصول خانگی به فروش خواهد رسید.
تصور کنید . سایز چراغ مطالعه میزتان به اندازه این لامپ LED, کوچک شود و یا لوستر های فانتزی با این لامپ عدسی کوچک تزیین شود.همه چیز در حال آب رفتن است!
اینترنت ۲ مگابیت از طریق لامپ های LED
آیا می توانستید تصورش را بکنید که ممکن است در آینده لامپ های خانه تان، علاوه بر روشنایی کار تامین اینترنت بی سیم را هم انجام دهند؟ این کاری است که محققان چینی موفق به اجرای آن شده اند.
آنها با استفاده از لامپ های LED توانسته اند اطلاعات را از یک لامپ تعبیه شده در سقف با سرعت ۲ مگابیت در ثانیه به لپ تاپ ارسال کنند. با این کار حالا لامپ های LED می توانند هم کار نوردهی را انجام بدهند هم کار انتقال اطلاعات بی سیم را انجام دهند. این روزها قیمت لامپ های LED به سرعت در حال کاهش است و در آینده نزدیک شاهد جایگزین شدن آنها به جای لامپ های کم مصرف فعلی خواهیم بود. بنابراین باید به زودی منتظر فراگیر شدن آنها باشیم. و اگر امکان انتقال اطلاعات توسط آنها هم توسعه پیدا کند این یک مشخصه فوق العاده برای آنها خواهد بود.
شاید محدودیت در فاصله انتقال اطلاعات توسط لامپ های LED یک عامل منفی محسوب شود. اما چه کسی از داشتن یک روش مکمل برای انتقال اطلاعات در خانه آن هم توسط لامپ ها خوشش نمی آید؟ به خصوص اگر هزینه اضافه ای نداشته باشد.
