الصمام الثنائي الباعث للضوء – LED

الصمام الثنائي الباعث للضوء – LED

تعريف:

الصمام الثنائي الباعث للضوء – LED وسأختصر الاسم في هذه التدوينة بالصمام الثنائي هو مصدر ضوئي مصنوع من أشباه الموصلات يبعث الضوء حين مرور التيار الكهربائي من خلاله .و العكس صحيح بتعريض الصمام الثنائي لضوء الشمس يقوم الصمام بتوليد الكهرباء و لكن بنسبة ضئيلة مقارنة بالخلايا الفولت ضوئية Photovoltaic cells.

نيك هوليناك هو مخترع الصمام الثنائي عام 1962 و قد حصل على جائزة الألفية للتكنولوجيا عام 2006 بسبب هذا الاختراع.

الصمام الثنائي يصنع بأشكال وألوان مختلفة  منها ( الأحمر – الأخضر – الأزرق – الشفاف ) و يستخدم  LED في لوحات الإعلانات التجارية و الإنارة و أجهزة التلفاز الحديثة و السيارات و العديد من الأجهزة الكهربائية.

كيف يعمل الصمام الثنائي :

الصمام الثنائي مكون من مصعد و مهبط منفصلان عن بعضهما البعض يشكل المهبط على هيئة حفرة ملتحم فيها بلورة تبعث هذه البلورة عند توصيل التيار الكهربائي ضوء نتيجة لتحفيز التيار لذرات المادة شبه الموصلة تقوم إلكترونات الذرة بتحميل طاقة عالية وبعضها تكون طاقته منخفضة الفرق بين طاقتي إلكترونات الذرة ينتج عنه فوتونة أي شعاع ضوئي ذو تردد محدد وطول موجي معين ويمكن تحديد لون الضوء المطلوب من خلال التحكم في تردد الشعاع و طوله الموجي.الصمام الثنائي يبعث الضوء في شعاع زاويته 60 درجة لذا ينصح عند عمل لمبات الصمام الثنائي توزيعها في عدة إتجهات لتغطية أكبر مساحة من المكان المراد إنارته.

ميزات الصمام الثنائي :

أهم ميزة هي استهلاك الصمام الثنائي للقدرة الكهربائية قليل جدا بحيث يمكن تشغيله ببطاريات صغيرة الحجم.

كما يمتاز بصغر الحجم ( 5 ملم ) و طول العمر الزمني بحث يصل إلى 100000 ساعة استخدام.

يحول الصمام الثنائي 20% من الطاقة إلي ضوء بينما اللمبات العادية التنجستون تحول فقط 4% من الطاقة إلى ضوء.

استخدامات الصمام الثنائي:

نظرا للحاجة لتوفير الطاقة أصبح الصمام الثنائي يستخدم في العديد من الأجهزة الكهربائية وخاصة أجهزة التلفاز و الهواتف النقالة و لكن أهم هذه الاستخدامات هي الإنارة. الصمام الثنائي عمل ثورة في مصابيح الإنارة الموفرة وتستخدم هذه المصابيح على نطاق واسع رغم غلاء ثمنها ألا إنها مجدية من ناحية اقتصادية في توفير استهلاك الطاقة.

كما دخلت هذه المصابيح في نطاق الاستخدام كبديل عن لمبات التنجستون في السيارات الحديثة على نطاق واسع.

و لا ننسى أن معظم أجهزة إنارة الطوارئ تستخدم الصمام الثنائي في وقتنا الحاضر وهي موجدة بكثرة في الأسواق المحلية لقطاع غزة الذي يعاني من أزمة حادة بسبب نقص في الكهرباء و انقطاع التيار الكهربائي بشكل شبه دائم يوميا.

دائرة الصمام الثنائي:

الشكل التالي يوضح أبسط دائرة كهربائية لتشغيل الصمام الثنائي ذو اللون الشفاف ذو 5 ملم وعلى ضوئها سأشرح بعض التطبيقات العملية لاستخدام الصمام الثنائي في عمل دوائر تستخدم في الإنارة باستخدام بطاريات الرصاص المستعملة كما ذكرت في موضوعي عن البطاريات.

V = فولت البطارية و يرجى ملاحظة أقطاب البطارية حيث يوصل الطرف الموجب لمصعد الصمام الثنائي و القطب السالب لمهبط الصمام الثنائي .

I = شدة التيار بالأمبير حيث أن جميع الصمامات الثنائية ذات اللون الشفاف 5 ملم تستهلك 20 ملي أمبير.

R = مقاومة
جميع الصمامات الثنائية تشتغل من  3 فولت وحتى 3.4 فولت بحيث متوسط الفولت اللازم للتشغيل هو 3.2 فولت و باستخدام بطارية أعلى من هذا الفولت المذكور يلزم مقاومة للحد من فولتية البطارية وملائمته مع فولتية الصمام الثنائي لمنع احتراقه.

كيف نحسب قيمة المقاومة ؟

نفترض أنني أستخدم بطارية 12 فولت لتشغيل الصمام الثنائي ما هي قيمة المقاومة التي تلزم لتشغيل الصمام الثنائي

المقاومة R= ( فولت البطارية أو المصدر Vs – فولت الصمام الثنائي Vf ) / شدة تيار الصمام الثنائي i

المقاومة = (12- 3.2)/ 0.02 = 440 أوم

باستخدام  Led calculator  نجد أن القيمة 470 أوم وهذا يرجع لاحترافية هذه الحاسبة بحيث أن قيمة المقاومة 470 أوم من السهل إيجادها في محلات بيع القطع الإلكترونية بينما تحتاج لتوصيل عدة مقاومات على التوالي أو التوازي للحصول على قيمة 440 أوم .

الآن لو احتجنا لتشغيل أكثر من صمام ثنائي في هذه الحالة يجب مراعاة طريقة توصيل الصمامات الثنائية سواء على التوالي أو التوازي.

المثال الأول على التوالي:

يوصل الصمام الثنائي على التوالي كما توصل البطاريات كما في الشكل التالي:

  

نلاحظ طرف البطارية الموجب متصل بمصعد الصمام الثنائي الأول ومهبط الصمام الثنائي الأول نتصل بمصعد الصمام الثنائي الثاني ومهبط الثاني متصل بمصعد الثالث ومهبط الثالث متصل بالمقاومة التي بدورها متصلة بالطرف السالب للبطارية 12 فولت. لا يمكن توصيل أكثر من ثلاثة صمامات ثنائية على التوالي على بطارية 12 فولت بسبب أن كل صمام ثنائي يحتاج إلى 3.2 فولت أي مجموع الفولت اللازم لتشغيل هذه المنظومة 3*3.2 = 9.6 فولت و لحساب المقاومة في هذه الحالة = ( 12- 9.6 )/ 0.02 = 120 أوم

يجب ملاحظة في حالة التوصيل على التوالي تكون شدة التيار المستهلكة من مجموع الصمامات الثنائية مساوية لشدة التيار المستهلكة من صمام ثنائي واحد .

المثال الثاني على التوازي:

يوصل الصمام الثنائي على التوازي كما توصل البطاريات أيضا كما في الشكل التالي:

نلاحظ هنا أن طرف البطارية الموجب متصل بعدد 3 مقاومات التي يتصل كل منها بمصعد كل صمام ثنائي على إنفراد و مهبط كل صمام ثنائي متصل بالطرف السالب.

على فرض أن البطارية 12 فولت نحتاج هنا مقاومة 470 أوم لكل صمام ثنائي ويكون التيار المستهلك يساوي مجموع التيار المستهلك من 1 صمام ثنائي * 3 = 60 ملي أمبير.

الشكل في الأعلى لثلاثة صمامات ثنائية و لكن باستخدام مقاومة واحدة و لحساب المقاومة على فرض أن البطارية 12 فولت = ( 12- 3.2 ) / 0.06 = 146 أوم أي 150 أوم حسب المتوفر في السوق.

نلاحظ في الصورة عند إدخال البيانات اعتبرنا أن مجموع الصمامات الثنائية هو 1 و لكن شدة التيار المدخلة قيمتها هنا هو مجموع التيار المستهلك ل 3 صمامات ثنائية.

يمكن توصيل عدد لامتناهي من الصمامات الثنائية على التوازي و يكون إجمالي شدة التيار هو عدد الصمامات الثنائية * 0.02

ملي أمبيرعلى فرض أنني سأوصل عدد 30 من الصمامات الثنائية على التوازي يتم حساب المقاومة كالتالي:

( 12- 3.2 ) / ( 30 * 0.02 ) = 8.8 / 0.6 = 15 أوم

في هذه الحالة نواجه مشكلة في قدرة المقاومة إذ نحتاج إلى مقاومة ذات وات عالي لتلاشى احتراقها بسبب الحرارة.وهذه الطريقة أي توصيل عدة صمامات ثنائية على التوازي باستخدام مقاومة واحدة غير محبذة.

النوع الثالث على التوالي و التوازي معا:

يتم توصيل عدد 30 من الصمامات الثنائية حسب الشكل التالي:

كل الأمثلة استخدمت فيها بطارية 12 فولت ولكن يمكنكم استخدام أي بطارية تمتلكونها 6 فولت 9 فولت أو بطاريات الجوال ذات 3.7 فولت .
في نهاية موضوعي هذا قد يتساءل البعض بخصوص لمبات الصمامات الثنائية التي تعمل على 220 فولت و الجواب أن الآلية المتبعة هنا هي نفس الآلية المتبعة مع 220 فولت و لكن مع بعض الإضافات إذ يجب تحويل التيار الكهربائي المتردد إلى تيار مستمر بواسطة قنطرة و مكثف للتنعيم وطبعا مقاومة لحد الفولتية كما في الشكل التالي:

يتم توحيد التيار بواسطة 4 ديودات 1N4007 + مكثف كيميائي C1 + مقاومة للحد من الفولتية  لاحظ قيمة المقاومة 20 كيلو أوم بقدرة 10 وات + عدد 20 صمام ثنائي.

الخط الأحمر هنا يمثل الطرف الموجب و الأسود يمثل الطرف السالب.

في تدوينة لاحقة سأشرح بالصور تطبيقات عملية لبعض المشاريع الصغيرة التي قمت بعملها لإنارة بيتي بالصمامات الثنائية Led's
أنا على استعداد للإجابة على استفساراتكم و أسئلتكم من خلال صفحتي على الفيسبوك باسم خريس أو جوجل+ BASEM .