دائرة LED

في مجال الإلكترونيات ، تُعرف دائرة LED أو مشغل LED بأنها دائرة كهربائية تُستخدم لتشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). يجب أن توفر الدائرة تيارًا كافيًا لإضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء بالسطوع المطلوب، ولكن يجب أن تحد من التيار لمنع تلف الصمام. يكون انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء المضاء ثابتًا تقريبًا ضمن نطاق واسع من تيار التشغيل؛ لذلك، فإن زيادة طفيفة في الجهد المطبق تزيد التيار بشكل كبير. قد تُحدد جداول البيانات هذا الانخفاض على أنه "جهد أمامي" (${\displaystyle V_{f}}$عند تيار تشغيل محدد. تُستخدم دوائر بسيطة للغاية لمؤشرات LED منخفضة الطاقة. أما عند تشغيل مصابيح LED عالية الطاقة للإضاءة، فتُستخدم دوائر مصدر تيار أكثر تعقيدًا لتحقيق تنظيم التيار الصحيح.

أبسط دائرة لتشغيل مصباح LED هي تلك التي تستخدم مقاومة متصلة على التوالي. وهي شائعة الاستخدام في المؤشرات والشاشات الرقمية في العديد من الأجهزة المنزلية. مع ذلك، لا تُعد هذه الدائرة موفرة للطاقة، لأن الطاقة تُبدد في المقاومة على شكل حرارة.

مصابيح LED${\displaystyle V_{f}}$يعتمد ذلك على مادته . يُستخدم قانون أوم وقوانين كيرشوف للدوائر الكهربائية لحساب قيمة المقاومة المناسبة، وذلك بطرح قيمة مقاومة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED).${\displaystyle V_{f}}$يتم حساب التيار من جهد التغذية وقسمته على تيار التشغيل المطلوب. عند استخدام جهد تغذية عالٍ بما فيه الكفاية، يمكن تشغيل عدة مصابيح LED موصولة على التوالي باستخدام مقاومة واحدة.

إذا كان جهد التغذية قريبًا من أو يساوي جهد تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)${\displaystyle V_{f}}$إذا لم يكن بالإمكان حساب قيمة معقولة للمقاومة، فسيتم استخدام طريقة أخرى للحد من التيار.

تتشابه خصائص الجهد مقابل التيار في الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) مع خصائص أي صمام ثنائي . ويُعتبر التيار تقريبًا دالة أسية للجهد وفقًا لمعادلة شوكلي للصمام الثنائي ، وقد يؤدي تغير طفيف في الجهد إلى تغير كبير في التيار. إذا كان الجهد أقل من أو يساوي عتبة الجهد، فلن يمر تيار، وبالتالي لن يضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء. أما إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا، فسيتجاوز التيار الحد الأقصى المسموح به، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الصمام الثنائي الباعث للضوء واحتمالية تلفه.

صُممت مشغلات مصابيح LED للتعامل مع الأحمال المتغيرة، حيث توفر تيارًا كافيًا لتحقيق السطوع المطلوب دون السماح بمرور مستويات تيار ضارة. قد تكون هذه المشغلات ذات تيار ثابت (CC) أو جهد ثابت (CV). في مشغلات التيار الثابت، يتغير الجهد بينما يبقى التيار ثابتًا. تُستخدم مشغلات التيار الثابت عندما يكون الحمل الكهربائي لدائرة LED غير معروف أو متقلب، على سبيل المثال، دائرة إضاءة قد تحتوي على عدد متغير من مصابيح LED.

عندما يسخن الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، ينخفض ​​انخفاض الجهد الكهربائي فيه (انخفاض فجوة النطاق ^{[ 1 ]} ). وهذا قد يشجع على زيادة التيار.

يُستخدم مصدر تيار ثابت نشط عادةً مع مصابيح LED عالية القدرة، حيث يعمل على تثبيت خرج الضوء ضمن نطاق واسع من جهد الدخل، مما قد يُطيل عمر البطاريات. ويتم تنظيم التيار الثابت النشط عادةً باستخدام ترانزستور MOSFET (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) من نوع الاستنزاف ، وهو أبسط أنواع محددات التيار. ^{[ 2 ]} كما تسمح منظمات التيار الثابت منخفضة التسرب (LDO) بأن يكون جهد LED الكلي نسبةً أعلى من جهد مصدر الطاقة.

تُستخدم مصادر الطاقة ذات الوضع المُبدَّل (مثل محولات خفض الجهد ، ورفع الجهد ، ومحولات خفض ورفع الجهد) في مصابيح LED اليدوية ومصابيح LED المنزلية . وتُستخدم ترانزستورات MOSFET عادةً لتشغيل مُشغِّلات LED، وهو حلٌّ فعّال لتشغيل مصابيح LED عالية السطوع. وتُستخدم رقائق الدوائر المتكاملة للطاقة (IC) على نطاق واسع لتشغيل ترانزستورات MOSFET مباشرةً، دون الحاجة إلى دوائر إضافية. ^{[ 2 ]}

تُعد المقاومات المتصلة على التوالي طريقة بسيطة لتثبيت تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، ولكن الطاقة تُهدر في المقاومة.

تُشغَّل مصابيح LED المؤشرة المصغرة عادةً بتيار مستمر منخفض الجهد عبر مقاومة لتحديد التيار. وتُعدّ تيارات 2  مللي أمبير و10  مللي أمبير و20  مللي أمبير شائعة. ويمكن تصنيع مؤشرات ذات تيار أقل من مللي أمبير عن طريق تشغيل مصابيح LED فائقة السطوع بتيار منخفض جدًا. تميل الكفاءة إلى الانخفاض عند التيارات المنخفضة، ^{[ 3 ]} ولكن  تظل المؤشرات التي تعمل بتيار 100 ميكرو أمبير عملية.

في مصابيح LED من نوع سلسلة المفاتيح التي تعمل ببطارية زر ، عادة ما تكون مقاومة الخلية نفسها هي الجهاز الوحيد المحدد للتيار.

تتوفر مصابيح LED مزودة بمقاومات توالي مدمجة. قد توفر هذه المصابيح مساحة على لوحة الدوائر المطبوعة ، وهي مفيدة بشكل خاص عند بناء النماذج الأولية أو تركيب مكونات على لوحة الدوائر المطبوعة بطريقة تختلف عما صممه المصممون. مع ذلك، يتم ضبط قيمة المقاومة أثناء التصنيع، مما يُلغي إحدى الطرق الرئيسية لضبط شدة إضاءة مصباح LED.

يمكن الحصول على قيمة المقاومة التسلسلية من قانون أوم ، مع الأخذ في الاعتبار أن جهد التغذية يتم تعويضه بواسطة مقاومة الثنائي.${\displaystyle V_{f}}$والتي لا تختلف كثيراً ضمن نطاق التيارات المفيدة:

${\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over I_{led}}}$  أو  ${\displaystyle I_{led}}={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over R}$

أين:

${\displaystyle R}$المقاومة (بالأوم ) ، وعادة ما يتم تقريبها إلى قيمة المقاومة الأعلى التالية .

${\displaystyle V_{power}}$يمثل جهد مصدر الطاقة ( بالفولت )، على سبيل المثال بطارية 9 فولت.

${\displaystyle V_{f}}$يمثل انخفاض الجهد الأمامي للثنائي الباعث للضوء (بالفولت) عند إضاءته.${\displaystyle V_{f}}$ويزداد تردد ضوء الصمام الثنائي الباعث للضوء (الذي ندركه كلون ) مع زيادة فجوة النطاق لمواد الصمام . ونتيجة لذلك،${\displaystyle V_{f}}$يتراوح جهد التشغيل لمصابيح LED الحمراء بين 1.7 و2.0 فولت تقريبًا، بينما يتراوح جهد التشغيل لمصابيح LED البنفسجية بين 2.8 و4.0 فولت تقريبًا . أما مصابيح LED التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فعادةً ما يكون جهد تشغيلها أقل بكثير، مثل 1.2 فولت. يُرجى مراجعة بيانات الشركة المصنعة لكل مصباح LED لتحديد جهد التشغيل الخاص به.${\displaystyle V_{f}}$.

${\displaystyle V_{switch}}$يمثل انخفاض الجهد عبر المفتاح (بالفولت): (أ) في حالة عدم وجود مفتاح، استخدم 0 فولت، (ب) في حالة وجود مفتاح ميكانيكي، استخدم 0 فولت، (ج) في حالة وجود ترانزستور ثنائي القطبية ، استخدم${\displaystyle V_{CE(sat)}}$جهد التشبع بين الجامع والباعث من ورقة بيانات الترانزستور.

${\displaystyle I_{led}}$يمثل التيار المطلوب لتشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) (بالأمبير ) . يُوضح الحد الأقصى لتيار التشغيل المستمر في بيانات الصمام الثنائي الباعث للضوء، فعلى سبيل المثال، يُعد 20  مللي أمبير (0.020  أمبير) قيمة شائعة لمعظم الصمامات الثنائية الباعثة للضوء الصغيرة. تعمل العديد من الدوائر الإلكترونية على تشغيل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء بتيار أقل من الحد الأقصى المحدد لتوفير الطاقة، أو لتقليل السطوع، أو لاستخدام قيمة مقاومة مشتركة . للاستخدام الداخلي، يمكن للصمامات الثنائية الباعثة للضوء الصغيرة عالية الكفاءة المثبتة على السطح أن تضيء بسهولة بتيار 1  مللي أمبير (0.001  أمبير)، وهو ما يمكن لمعظم مخارج المنطق الرقمي توفيره أو استهلاكه بسهولة.

باستخدام الصيغة الجبرية (أعلاه) وبافتراض${\displaystyle V_{switch}}$إذا كانت القيمة صفرًا (لتبسيط الأمثلة)، يتم حساب أمثلة المقاومة والتيار على النحو التالي:

المثال 1 مع${\displaystyle V_{power}}$بجهد 12 و 9  فولت،${\displaystyle V_{f}}$= 1.8  فولت،${\displaystyle I_{led}}$= 5  مللي أمبير، احسب${\displaystyle R}$:

${\displaystyle R}$= (12  فولت - 1.8  فولت) / 5  مللي أمبير = (12 - 1.8) / 0.005 = 2040 أوم، ربما يتم تقريبها إلى مقاومة 2 كيلو أوم ( قيم المقاومة الشائعة ).

${\displaystyle R}$= (9  فولت - 1.8  فولت) / 5  مللي أمبير = (9 - 1.8) / 0.005 = 1440 أوم، ربما يتم تقريبها إلى مقاومة 1.5 كيلو أوم.

المثال الثاني مع${\displaystyle V_{power}}$بجهد 5 و 3.3  فولت (جهد المنطق الرقمي)،${\displaystyle V_{f}}$= 1.8  فولت،${\displaystyle I_{led}}$= 1  مللي أمبير، احسب${\displaystyle R}$:

${\displaystyle R}$= (5  فولت - 1.8  فولت) / 1  مللي أمبير = (5 - 1.8) / 0.001 = 3200 أوم، ربما يتم تقريبها إلى مقاومة 3.3 كيلو أوم.

${\displaystyle R}$= (3.3  فولت - 1.8  فولت) / 1  مللي أمبير = (3.3 - 1.8) / 0.001 = 1500 أوم.

المثال 3 مع${\displaystyle V_{power}}$بجهد 5  فولت و 3.3  فولت (جهود المنطق الرقمي)،${\displaystyle V_{f}}$= 1.8  فولت،${\displaystyle R}$= 1 كيلو أوم، احسب${\displaystyle I_{led}}$:

${\displaystyle I_{led}}$= (5  فولت - 1.8  فولت) / 1 كيلو أوم = (5 - 1.8) / 1000 = 0.0032  أمبير، وهو ما يعادل 3.2  مللي أمبير.

${\displaystyle I_{led}}$= (3.3  فولت - 1.8  فولت) / 1 كيلو أوم = (3.3 - 1.8) / 1000 = 0.0015  أمبير، وهو ما يعادل 1.5  مللي أمبير.

تُوصل سلاسل مصابيح LED المتعددة عادةً على التوالي . في أحد التكوينات، يجب أن يكون جهد المصدر أكبر من أو يساوي مجموع جهود مصابيح LED الفردية؛ وعادةً ما يصل مجموع جهود مصابيح LED إلى حوالي ثلثي جهد المصدر. يمكن استخدام مقاومة واحدة لتحديد التيار لكل سلسلة.

التشغيل المتوازي ممكن أيضاً، ولكنه قد يكون أكثر إشكالية. يجب أن تكون مصابيح LED المتوازية متطابقة تماماً.${\displaystyle V_{f}}$للحصول على تيارات فرعية متشابهة، وبالتالي ناتج ضوئي متشابه. قد تؤدي الاختلافات في عملية التصنيع إلى صعوبة الحصول على تشغيل مُرضٍ عند توصيل بعض أنواع مصابيح LED بالتوازي. ^{[ 4 ]}

غالباً ما يتم ترتيب مصابيح LED بطرق تسمح بتشغيل وإيقاف كل مصباح LED (أو كل سلسلة من مصابيح LED) بشكل فردي.

يُعدّ نظام التشغيل المباشر أبسط الطرق للفهم، إذ يستخدم العديد من الدوائر المستقلة أحادية الصمام الثنائي الباعث للضوء (أو سلسلة أحادية). على سبيل المثال، يمكن تصميم ساعة رقمية بحيث عندما تعرض الساعة "12:34" على شاشة عرض سباعية الأجزاء ، تُشغّل الساعة الأجزاء المناسبة مباشرةً وتُبقيها مضاءة حتى الحاجة إلى عرض شيء آخر.

مع ذلك، تُستخدم تقنيات العرض المتعدد بشكل أكثر شيوعًا من تقنية التشغيل المباشر، نظرًا لانخفاض تكاليفها الإجمالية للأجهزة. على سبيل المثال، يُصمم معظم مصممي الساعات الرقمية ساعاتهم بحيث عندما تعرض الساعة "12:34" على شاشة سباعية الأجزاء ، تُضيء الساعة في لحظة معينة أجزاءً محددة من أحد الأرقام، بينما تبقى باقي الأرقام مظلمة. تُجري الساعة مسحًا سريعًا للأرقام، مما يُوحي بأنها تعرض "12:34" باستمرار لمدة دقيقة كاملة. لكن في الواقع، يتم تشغيل كل جزء مضاء وإيقافه بسرعة عدة مرات في الثانية.

يُعدّ تشارلي بليكسينغ امتدادًا لهذه التقنية، حيث تُمكّن قدرة بعض المتحكمات الدقيقة على تغيير حالة منافذ الإخراج من تشغيل عدد أكبر من مصابيح LED دون استخدام دوائر التثبيت. فعلى سبيل المثال، يُمكن تشغيل n² - n من مصابيح LED باستخدام N ^منفذًا .

يعود استخدام تقنية الدوائر المتكاملة لتشغيل مصابيح LED إلى أواخر ستينيات القرن العشرين. في عام 1969، طرحت شركة هيوليت-باكارد جهاز العرض الرقمي HP Model 5082-7000، وهو من أوائل شاشات LED وأول جهاز LED يستخدم تقنية الدوائر المتكاملة. قاد تطويره هوارد سي. بوردن وجيرالد بي. بيغيني في شركتي HP Associates و HP Labs ، اللذان شاركا في البحث والتطوير لمصابيح LED العملية بين عامي 1962 و1968. ^{[ 5 ]} كان هذا الجهاز أول شاشة LED ذكية، مما أحدث ثورة في تكنولوجيا العرض الرقمي ، حيث حل محل أنبوب نيكسي وأصبح أساسًا لشاشات LED اللاحقة. ^{[ 6 ]}

على عكس المصابيح المتوهجة التي تضيء بغض النظر عن قطبية التيار الكهربائي ، فإن مصابيح LED لا تضيء إلا عند تطبيق القطبية الصحيحة. عندما يكون الجهد عبر وصلة pn في الاتجاه الصحيح، يمر تيار كبير، ويُقال إن الجهاز منحاز انحيازًا أماميًا . أما إذا كان الجهد بقطبية خاطئة، فيُقال إن الجهاز منحاز انحيازًا عكسيًا ، ويمر تيار ضئيل جدًا، ولا ينبعث أي ضوء. يمكن تشغيل مصابيح LED بالتيار المتردد ، لكنها تضيء فقط في نصف دورة التيار المتردد حيث يكون الانحياز أماميًا. وهذا ما يجعل مصباح LED يضيء وينطفئ بتردد مصدر التيار المتردد.

تتميز معظم مصابيح LED بانخفاض جهد الانهيار العكسي مقارنةً بالثنائيات القياسية، لذا قد يكون من السهل، أكثر من المتوقع، الدخول في هذا الوضع والتسبب في تلف المصباح نتيجةً لزيادة التيار. مع ذلك، يكون جهد التشغيل دائمًا أقل من جهد الانهيار، لذا لا حاجة إلى حماية خاصة ضد التيار العكسي عند تشغيل مصباح LED مباشرةً من مصدر تيار متردد عند تحديد التيار بشكل صحيح للتشغيل في وضع الانحياز الأمامي.

عادةً ما توضح الشركة المصنعة كيفية تحديد قطبية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) في ورقة بيانات المنتج. مع ذلك، لا يوجد توحيد قياسي لعلامات القطبية لأجهزة التثبيت السطحي . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تعتمد العديد من الأنظمة على تشغيل وإطفاء مصابيح LED بشكل متقطع أو دوري، وذلك بتطبيق الطاقة بشكل دوري أو متقطع. وطالما أن معدل الوميض أعلى من عتبة التمييز البصري البشري ، وكان مصباح LED ثابتًا بالنسبة للعين، فسيبدو وكأنه مضاء باستمرار. يُعرف تغيير نسبة التشغيل/الإطفاء للنبضات بتعديل عرض النبضة (PWM). في بعض الحالات، تكون مشغلات PWM أكثر كفاءة من مشغلات التيار الثابت أو الجهد الثابت. ^{[ 3 ] [ 9 ]}

تُحدد معظم بيانات مصابيح LED الحد الأقصى لتيار التيار المستمر الآمن للتشغيل المستمر. وغالبًا ما تُحدد حدًا أقصى أعلى لتيار النبضات الآمن للنبضات القصيرة، شريطة أن يُبقي مُتحكم LED النبضة قصيرة بما يكفي ثم يفصل الطاقة عن LED لفترة كافية ليبرد.

إضافةً إلى وظيفة الانبعاث، يمكن استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) كصمام ثنائي ضوئي في كشف الضوء . ويمكن الاستفادة من هذه الخاصية في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك كشف الضوء المحيط والاتصالات ثنائية الاتجاه. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

باعتبارها ثنائيات ضوئية، فإن الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) حساس للأطوال الموجية التي تساوي أو تقل عن الطول الموجي السائد الذي ينبعث منه. على سبيل المثال، الصمام الثنائي الباعث للضوء الأخضر حساس للضوء الأزرق وبعض الضوء الأخضر، ولكنه غير حساس للضوء الأصفر أو الأحمر.

يمكن إضافة هذه التقنية لمصابيح LED إلى التصاميم بإجراء تعديلات طفيفة فقط على الدوائر الإلكترونية. ^{[ 10 ]} يمكن استخدام مصباح LED في دائرة متعددة الوظائف ، بحيث يمكن استخدامه لإصدار الضوء والاستشعار في أوقات مختلفة. ^{[ 10 ] [ 12 ]}

• سارق الجول - تشغيل مصباح LED باستخدام  بطارية 1.5 فولت ودائرة معزز الجهد
• علاقة بلانك-أينشتاين - العلاقة بين فجوة النطاق وتردد الفوتون
• معادلة شوكلي للثنائي - العلاقة بين الجهد والتيار الأماميين

• حاسبة مقاومة LED