أساسيات تقنية LED – التعريف والبنية التصميمية وطريقة العمل
تجد هنا معلومات مفيدة ونصائح مهمة حول موضوع كشافات الليد (LED) في السيارات.
إرشاد أمان مهم
المعلومات والنصائح الفنية التالية للتطبيق العمليّ أعدتها شركة HELLA من أجل دعم ورش صيانة السيارات في عملها بطريقةٍ احترافية. ويجب ألا يستخدم المعلوماتُ المُقدَّمة هنا في هذا الموقع سوى فنيين مُدرَّبين على هذا النوع من الأعمال.
يُسمى دايود الإضاءة أيضا باسم الدايود الباعث للإضاءة أو يُسمى اختصارا بالدايود أو LED. ويرمز الاختصار LED إلى "Light Emitting Diode" (الدايود الباعث للإضاءة)؛ نظرًا لأنه يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء. ومن المنظور الفيزيائي، فإنه عبارة عن مصدر ضوء بارد ومُكَوِّن إلكتروني من أشباه الموصلات في الإلكترونيات الضوئية، وتتوسط قدرته على التوصيل الكهربائي بين العناصر الموصلة (مثل المعادن والماء والجرافيت) والعناصر غير الموصلة (مثل العناصر غير المعدنية والزجاج والخشب).
تتوفر دايودات الإضاءة بحسب الحاجة في تشكيلة متنوعة للغاية من الأحجام والأشكال والألوان. ويتسم النمط التقليدي (دايود LED القياسي) بشكل مشابه للأسطوانة المغلقة على شكل نصف كروي في الموضع الذي ينبعث منه الضوء.
تتكون دايودات الإضاءة البسيطة من الأجزاء التركيبية التالية
تشتمل الدايودات فائقة الأداء على قطعة معدنية كبيرة، تتكفل بالتحكم في الحرارة بشكل أفضل. ونظرًا لأنه يمكن تشتيت الحرارة بشكل أسهل، فيمكن أن يتدفق قدر أكبر من التيار عبر الدايود، ومن ثم ينبعث الضوء على مساحة أكبر وقدرة الإضاءة أكبر. وبالمقارنة مع دايود LED البسيط 5 مم فإن المقاومة الحرارية تكون أقل بمقدار عشرة أضعاف. ومن الناحية العملية يعني ذلك أن الدايود فائق الأداء، على سبيل المثال دايود Luxeon Rebel، يتمتع بمساحة انبعاث ضوئي مربعة مقدارها 1 مم ودرجة كفاءة تبلغ حوالي 40-100 لومن. في حين تقل قدرة دايود LED القياسي 5 مم العادي. فالدايود الذي يبلغ حجمه 0,25 مم وقدرته أقل من 0,1 واط و20-30 مللي أمبير لا تتعدى درجة كفائته 1-2 لومن.
التصميم الصغير المسطح لدايودات LED يوفر مساحة حرية إبداعية لتصميمات منتجات متطورة تلبي احتياجات مستقبلية، مثل وحدات ضوء القيادة النهاري "LEDayFlex" لسيارات الركوب والشاحنات وسيارات الكارفان.
توجد أنواع وتصميمات مختلفة لدايودات الإضاءة. وبحسب مجال الاستخدام تختلف تلك الدايودات من حيث البنية التصميمية والقدرة والعمر الافتراضي. ويندرج ضمن أهم ديودات LED الأنواع التالية:
تعتبر دايودات الإضاءة السلكية الفئة الرائدة بين جميع دايودات LED، والذي له الأولوية في الاستخدام لأغراض المراقبة. وبالاشتراك مع العديد من دايودات LED فإن هذا النوع يُستخدم اليوم أيضا كمصابيح سبوت LED ووحدات ومصابيح الإضاءة الفلوروسنت أنبوبية الشكل. وهي تتوفر اليوم بأحجام 3 و5 و10 مم. ويمكن التعرف على الكاثود، أي القطب السالب لدايود LED السلكي، من خلال أنه يكون أقصر طولاً من الأنود (القطب الموجب) وأن الغلاف البلاستيكي يكون مسطحًا. وتتحدد زاوية انبعاث الضوء من خلال شكل العدسة الموجودة في جسم الدايود.
تتمتع دايودات SuperFlux-LED بقدرة أعلى من دايودات LED السلكية البسيطة، وهي تحتوي على عدة رقاقات إلكترونية قد يصل عددها إلى أربع رقاقات (كريستالات من أشباه الموصلات). ومن بين الموديلات الشائع فيها استخدام تلك الدايودات عربات "Piranha" و"Spider". وهي تتميز بزاوية إشعاعها الكبيرة ويتم استخدامها بصفة خاصة في مجال الإضاءة السطحية، نظرا لأنه يتم إشعاع الضوء بشكل مسطح. ويتم تبديد قدر جيد من الحرارة عن طريق أربعة ملامسات يمكن التحكم فيها بشكل منفرد. كما أن بنية دايودات High Flux تضمن عمرًا افتراضيًا طويلاً وتجعل منها وسيلة إضاءة فعالة يمكن استخدامها في مجالات متعددة.
يرمز الاختصار SMD إلى "Surface Mounted Device" (تجهيزة دايودات LED التي تُركب سطحيًا)، ويعني ذلك أن هذا الدايود يتم استخدامه كوحدة سطحية. وتتكون دايودات SMD LED في الغالب من ثلاث إلى أربع رقاقات وتشتمل على ملامسات ملحومة على لوحة دوائر التوصيل المعنية أو سطح التوصيل المعني. وهي غير حساسة نسبيًا فيما يتعلق بكثافة التيار ولذلك يمكن أن تضيء بشكل مكثف. تتسم أنماط دايود SMD-LED التنوع الكبير. ويمكن اختيار الحجم وشكل الجسم المحيط بها وشدة التدفق الضوئي بشكل متنوع. كما يمكن استخدامها بالاشتراك مع دايودات الإضاءة SMD أخرى في وحدات أو مصابيح الإضاءة الفلوروسنت LED أنبوبية الشكل. في صناعة السيارات يُفضَّل استخدام هذه الدايودات في مصابيح ضوء إشارة تغيير الاتجاه أو المكابح أو ضوء القيادة النهاري.
الدايودات فائقة القدرة High Power LED هي دايودات إضاءة مفعمة بالقدرة وعالية المقاومة، ويمكن تشغيلها في ظل ظروف التشغيل المثالية بقيم تيار كهربائي تبلغ 1000 مللي أمبير. ويتم استخدامها غالبا في لوحات دوائر توصيل ذات نواة معدنية. ونتيجة لتصميمها غير المألوف فإنها تتطلب قدرة كبيرة فيما يتعلق بإدارة الحرارة الصادرة عن أجزائها.
دايود LED المكون من "رقاقة إلكترونية على لوحة التوصيل" (COB) هو دايود الإضاءة الأكثر تطورًا. ويحمل هذا الاسم نظرًا لأنه يتم تثبيته مباشرةً على لوحة التوصيل. ويتم ذلك بواسطة "التجميع" الذي يتم فيه تثبيت الرقاقات بطريقة أوتوماتيكي بالكامل على لوحة دوائر التوصيل المطلية بالذهب. ويتم التوصيل بالقطب المعاكس عن طريق سلك من الذهب أو الألومنيوم. ونظرًا لأنه لا يتم مع دايودات COB LED استخدام عواكس أو عدسات بصرية، فإن زاوية إشعاع الضوء المنبعث تكون كبيرة للغاية. تكمن أكبر مزايا تكنولوجيا COB في قوة الإضاءة الكبيرة والإضاءة المتجانسة وكذلك في تنوع مجالات استخدامها.
في الأساس يتكون دايود LED من عدة طبقات من وصلات أشباه الموصلات. أشباه الموصلات، مثل السيليكون، هي مواد تتسم بقدرتها المتوسطة على التوصيل الكهربائي مقارنة بالعناصر الموصلة مثل المعادن والفضة والنحاس، والعناصر غير الموصلة (العوازل) مثل التيفلون وزجاج الكوارتز. ومن خلال دمج عناصر خارجية فعالة كهربائيًا (إضافة الشوائب) بطريقة محسوبة يمكن التأثير بشكل كبير على أشباه الموصلات من حيث قدرتها على التوصيل الكهربائي. وتُكوِّن طبقات أشباه الموصلات المختلفة معًا رقاقة LED. وتعتمد كفاءة إضاءة (أي فعالية) الدايود LED ولون الضوء اعتمادًا رئيسيًا على نوع وطريقة تكوين هذه الطبقات (أشباه الموصلات المختلفة).
عندما تدفق تيار كهربائي في الدايود LED في اتجاه التدفق (من الأنود + إلى الكاثود –)، يتم توليد (انبعاث) الضوء.
يتم تحضير الطبقة المُضاف إليها نيتروجين (n) من خلال تركيب ذرات خارجية، بحيث يتوفر فيض من الإلكترونات. وفي الطبقة المُضاف إليها حمض الفسفوريك (p) لا يتواجد سوى القليل من حاملات الشحنة هذه. ومن خلال ذلك يوجد ما يُسمى بثغرات الإلكترونات (الفجوات). عند توصيل جهد كهربائي (+) إلى الطبقة المُضاف إليها حمض الفسفوريك p و(–) إلى الطبقة المُضاف إليها النيتروجين n تتحرك حاملات الشحنة تجاه بعضها البعض. في حالة وصلة ناقلة تجمع ما بين النيتروجين والفوسفوريك (pn) تحدث إعادة اندماج (إعادة توحيد الأجزاء المشحونة بشكل معاكس ليتكون مركب محايد). ونتيجة لتلك العملية يتم إطلاق الطاقة على شكل ضوء.
إذا تم توصيل جهد كهربائي إلى دايود إضاءة، فسوف تنخفض مقاومته إلى الصفر. دايودات الإضاءة هي أجزاء حساسة للغاية، فمجرد تجاوز التيار الكهربائي القيمة المسموح بها ولو بأقل مقدار يؤدي إلى تلف هذه الدايودات. ولذلك يجب مراعاة عدم توصيل دايودات الإضاءة مطلقًا بشكل مباشر بمصدر جهد كهربائي. ولذلك لا يجوز توصيلها إلا في حالة تركيب مُحدد تيار كهربائي أو مقاومة موصلة على التوالي في الدائرة الكهربائية. أما في دايودات LED فائقة القدرة فيتم التحكم فيها عن طريق كابح تيار إلكتروني يعمل على ثبات التيار.
الرسم المجاور يوضح دائرة كهربائية ضرورية لضمان عمل دايود LED بصورة مثالية. في هذه الحالة يلزم تركيب مقاومة على التوالي لتقوم بدور محدد التيار وتتحكم في التيار الأمامي (IF) الذي يتدفق عبر دايود الإضاءة. لاختيار المقاومة المناسبة يلزم قبل ذلك احتساب الجهد الأمامي (UF).
لاحتساب المقاومة على التوالي (RV) سوف تحتاج إلى معرفة الجهد الإجمالي والجهد الأمامي والتيار الأمامي.
نظرًا لأن دايودات LED لا تحتاج سوى القليل من التيار الكهربائي، فإنها تضيء بمجرد أن يصل إليها أقل قدر (قيمة مللي أمبير ضئيلة) من التيار الأمامي المسموح به. وفي الغالب يكفي ذلك لتوفير ضوء كاف. وكما ذكرنا بالفعل فحسب حالة الاستخدام توجد إمكانيات مختلفة لتشغيل دايودات LED.
صحيح أن تقنية LED لا تُستخدم حتى الآن، إلا في فئة السيارات الفاخرة في مجال صناعة السيارات نظرًا لتكاليف تصنيعها العالية، ولكن على المدى البعيد سوف يسود استخدامها. فبالإضافة إلى الأوجه الاقتصادية هناك على وجه الخصوص أسباب فنية تدفع باتجاه تركيب دايودات LED بشكل قياسي.
تبهرك دايودات الإضاءة بكفاءتها الوظيفية وأدائها التقني ونتائج إضاءتها المثالية. كما أنها تدعم ترشيد استخدام موارد الطاقة وتعمل على توفير درجة أمان أعلى للحركة المرورية. علاوة على ذلك يتيح لون الضوء المشابه للضوء النهاري إمكانية الإدراك الضوء بطريقة مريحة.
يتطور سوق تقنية LED للمصابيح والكشافات باستمرار في اتجاهين: فمن ناحية تزداد قيمة فئة السيارات الفاخرة، وهو ما يتطلب كفاءة وظيفية عالية مع قدرة إضاءة ممتازة. ومن ناحية أخرى فإن قطاع الفئات التي تتحرك انطلاقا من دوافع اقتصادية وبيئية يشهد مزيدا من التصاعد، وبالإضافة إلى خفض استهلاك الطاقة فإنه أيضا يشترط توفير حلول منخفضة التكلفة. فائقة التطور، عملانية، اقتصادية – دايودات LED تتيح الكثير من الإمكانيات.
توجد طرق مختلفة لتوجيه الضوء في اتجاه معين. وأهم طرق توجيه الضوء في منظومة إضاءة السيارة تتمثل في طريقة الانعكاس وطريقة الانكسار والطريقة الهجينة (مزيج من طريقتي الانعكاس والانكسار).
نظرًا لأن دايودات LED لا تحتاج سوى القليل من التيار الكهربائي، فإنها تضيء بمجرد أن يصل إليها أقل قدر (قيمة مللي أمبير ضئيلة) من التيار الأمامي المسموح به. وفي الغالب يكفي ذلك لتوفير ضوء كاف. وكما ذكرنا بالفعل فحسب حالة الاستخدام توجد إمكانيات مختلفة لتشغيل دايودات LED. ونذكر هنا ثلاثا من تلك الإمكانيات.
تلعب إدارة الحرارة عند استخدام دايودات الإضاءة دورًا حاسمًا، لأن هذه المكونات تتجاوب بحساسية فائقة مع الحرارة.
تعد دايودات الإضاءة مصادر للضوء البارد، فرغم أنها تشع الضوء، إلا أنها لا تشع تقريبا أية أشعة فوق بنفسجية أو أشعة تحت حمراء. والضوء المنبعث يكون باردًا ولا يتسبب في تسخين الأجسام المنبعث نحوها الضوء. إلا أن دايود LED نفسه يسخن نتيجة عملية إشعاع الضوء. ويتم تحويل ما يصل إلى 85 % من الطاقة إلى حرارة. وكلما انخفضت درجة الحرارة، ازداد سطوع ومدة إضاءة دايود LED. ولذلك يجب ضمان توفير تبريد مناسب. بالإضافة إلى الحرارة الناتجة عن المصباح نفسه يجب في حالة الكشافات أو المصابيح أن تأخذ في الاعتبار أيضا مصادر الحرارة الأخرى، مثل حرارة المحرك وأشعة الشمس وخلافه. ولذا تُستخدم اليوم أيضا، بحسب نوع دايود LED والهدف من استخدامه، تقنيات متنوعة من أجل زيادة انتقال الحرارة أو تشتيتها.
أ) ممتص الحرارة المضلع
ب) ممتص الحرارة الإبري
ج) ممتص الحرارة المزود "بأنبوب حراري"
فضلا عن ذلك تتوفر في معظم الأحوال إمكانية التحكم في التيار الواصل إلى دايودات LED. في ظل الظروف القاسية يمكن تخفيض قدرة دايودات LED حتى مستوى معين من أجل تخفيض إنتاج الحرارة. ولزيادة قدرة التبريد أكثر يتم زيادة تدوير الهواء من خلال مروحة محورية أو قطرية بين عناصر التبريد.
تبهرك دايودات الإضاءة بتميزها في العديد من الجوانب. صحيح أن تكلفة تصنيعها أعلى من لمبات الإضاءة العادية أو لمبات الهالوجين، إلا أن جدوى استخدامها تتضح بالفعل بعد فترة قصيرة. ويستفيد قطاع صناعة السيارات على وجه الخصوص من الخصائص الإيجابية لتقنية LED وتُستخدم بشكل أكبر في السيارات الجديدة بسبب المزايا التالية:
مصدر الضوء | التدفق الضوئي [لومن] | الكفاءة [لومن/واط] | درجة حرارة اللون [كلفن] | كثافة الإضاءة [مللي شمعة/م2] |
---|---|---|---|---|
لمبة الإضاءة التقليدية W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
لمبة الهالوجين H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
لمبة التفريغ الغازي D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
دايود LED 2,5 واط | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
تعد حماية البيئة وارتفاع أسعار الوقود أقوى مبررين يفسران سبب أهمية موضوع توفير الطاقة اليوم أكثر من أي وقت مضى. حيث ينصب التركيز الرئيسي اليوم بوضوح عند شراء سيارة جديدة على استهلاك الوقود. ولكن في كثير من الأحيان لا يتم الانتباه لإمكانية التوفير المرتبطة باحتياجات الطاقة اللازمة لإضاءة السيارة.
تهيئة السيارة (الكشاف/المصباح الخلفي) | استهلاك الوقود [لتر/100 كم] | انبعاث ثاني أكسيد الكربون [كجم/100 كم] | التخفيض |
---|---|---|---|
لمبة الهالوجين/اللمبة التقليدية | ~ 0.126 | ~ 0.297 | - |
لمبة الهالوجين/اللمبة التقليدية | ~ 0.077 | ~ 0.182 | 39% |
لمبة LED/لمبة LED (محتمل عام 2015) | ~ 0.051 | ~ 0.120 | 60% |
استهلاك الوقود وانبعاث ثاني أكسيد الكربون عند متوسط فترة تشغيل الإضاءة
نظام ضوء القيادة النهاري DRL | استهلاك الوقود [لتر/100 كم] | انبعاث ثاني أكسيد الكربون [كجم/100 كم] | التخفيض |
---|---|---|---|
كشاف الهالوجين | ~ 0.138 | ~ 0.326 | - |
لمبة LED (وظيفة DRL منفصلة) | ~ 0.013 | ~ 0.031 | 91 % |
استهلاك الوقود الإضافي وانبعاث ثاني أكسيد الكربون لضوء القيادة النهاري (DRL)
مقارنة المصابيح | استهلاك الوقود |
---|---|
مجموعة لمبات الهالوجين/لمبات الإضاءة | 0,10 – 0,25 لتر /100 كم |
مجموعة لمبة زينون/لمبة LED | 0,05 – 0,15 لتر /100 كم |
مجموعة لمبات LED بالكامل (محتمل 2015) | 0,03 – 0,09 لتر /100 كم |
استهلاك الوقود بحسب نوع مجموعة الإضاءة (سيارات من الشركات)
يتزايد على مستوى العالم عدد السيارات المرخصة. ومن خلال زيادة الكثافة المرورية على الطرق تتزايد باستمرار حوادث الاصطدام. ولتجنب حدوث ذلك، فإن الإدراك السريع للإشارات الضوئية من قِبَل السائق يمثل أهمية كبيرة. وفي حين تحتاج لمبة الإضاءة العادية ما يصل إلى 0,2 ثانية لكي تضيء، فإن لمبة LED تتجاوب مباشرةً. وهي لا تحتاج إلى فترة تسخين وتضيء على الفور بمجرد الضغط على دواسة المكابح. وبذلك تستطيع السيارة الخلفية التجاوب بشكل أسرع مع عملية كبح السيارة الأمامية.
مثال
سيارتان تسيران بسرعة 100 كم/س (مسافة الأمان 50 م) خلف بعضهما. تقوم السيارة الأمامية بالكبح، فيستطيع سائق السيارة الخلفية من خلال الإضاءة الفورية لمصابيح LED من التجاوب في نفس اللحظة تقريبا ويقوم بالكبح كذلك. وبهذه الطريقة تقل مسافة الكبح بمقدار 5 م تقريبا. ويعني ذلك زيادة كبيرة في مستوى الأمان.
بصفة عامة يمكن ضبط جميع كشافات LED باستخدام جهاز ضبط كشافات عادي. كشافات LED المزودة بعدسة بصرية واحدة فقط (ضوء السير) يتم التعامل معها عند إجراء فحص وضبط توزيع الضوء بطريقة مماثلة تماما لطريقة التعامل مع جميع الكشافات الأخرى المزودة بمصدر ضوء واحد فقط أيضا. ومع بعض الكشافات المزودة بالعديد من مصادر الضوء يجب مراعاة السمات الخاصة. وبسبب تصميم بعض الكشافات تكون عدسة تجميع جهاز الضبط ببساطة صغيرة من أجل تجميع الضوء المنبعث (ضوء السير) من جميع لمبات LED. وفي مثل هذه الحالات من المهم معرفة لمبة LED المعنية المسؤولة عن الوظيفة المعنية.
عند تحضير السيارة يجب مراعاة تعليمات الشركة المصنعة. وسيتم توضيح ذلك مع ضوء السير بالسيارة Audi A8. كما ذكرنا من قبل تقوم ثلاثة مصابيح LED مركبة في وضعية رأسية بتوليد جزء متماثل وجزء غير متماثل من ضوء السير.
لذلك يجب توجيه جهاز الضبط على هذه العدسات. وإذا تم توجيه جهاز ضبط الكشافات طبقا للتعليمات، يمكن ضبط توزيع الضوء كالمعتاد.
غير مفيد على الإطلاق
مفيد جدا