مبانی علمی روشنایی  LED  ،  تفاوت ها و نوآوری گرین برق

در حوزه تبادل انرژی در ابعاد اتمی و مولکولی ، یکی از جذابترین مباحث ، تبادل انرژی بین الکترون های جاری پیوند با الکترونهای لایه والانس اتمی و فوتونهای ساطع شده ناشی از اصابت فوتونهای  پر قدرت به الکترونهای لایه والانس اتم های مواد دارای خاصیت فلوئورسانس است.

ابتدا ببینیم در یک پیوند PN در یک LED چه رخ می دهد؟

الکترونها در یک پیوند  PN می توانند به سه روش عرض پیوند را پشت سر بگذارند:

الف) پرش از سد پتانسیل با کسب انرژی از ولتاژ بایاس مستقیم پیوند.

ب) عبور از سد پتانسیل با کسب انرژی گرمایی از محیط اطراف پیوند.

ج) عبور از سد پتانسیل به روش تونل زنی ( اغلب در بایاس معکوس )

در یک پیوند  PN در LED که به صورت شماتیک و به اختصار ذیل نمایش داده می شود، انرژی الکتریکی به صورت ولتاژ اعمالی به پیوند در بایاس مستقیم به مدار داده می شود. ( اگر از اصلاحات بایاس مستقیم و پیوند  PN اطلاعاتی ندارید بخش مربوطه را در سایت جریکو نگاه کنید. )

 الکترونهای عبوری از محل پیوند موجب جذب انرژی  بالاتر از تراز فرمی پیوند توسط چاه های کوانتومی محل پیوند شده و الکترونهای این محل ها به ترازی بالاتر منتقل می شوند. چنانچه این الکترونها به ترازی بالاتر منتقل شوند برای مدتی کوتاه در تراز بالاتر مانده و سپس به سطح تراز قبلی سقوط می کنند .این رفت و برگشت بسته به میزان فاصله تراز موقت بالایی از تراز با ثبات پایینی منجر به نوسانی می شود که این نوسان در انرژی خود را به صورت بسته های انرژی موسوم به فوتون آزاد می کند. این بسته های انرژی می توانند حاوی انرژی کم ( نور قرمز و مادون قرمز ) یا انرژی زیاد ( نور آبی و بنفش و ماورابنفش) و یا انرژی فوق العاده زیاد ( ایکس ری و یا حتی تابش گاما ) باشد. بسته به طراحی پیوند و دوپینگ انجام گرفته و تراز فرمی پیوند تمامی پارامتر های پیوند توسط طراح آن قابل کنترل است.

انتقال نور از داخل یک ماده به فضای بیرون از آن ، آنچنان که به سادگی تصور می شود اصلا فرآیند ساده ای نیست ، بلکه فرآیندی پیچیده و زمانبر است.مثلا انتقال فوتونهای تولیدی از درون خورشید به سطح آن میلیونها سال زمان نیاز دارد. اما چه رخ می دهد و درک آن چه ضرورتی دارد؟ در بررسی ما از LED ها گفتیم فوتونهای پر قدرتی تولید می شوند، این فوتونها می تواند در حوزه نور مریی از قرمز تا بنفش و یا حتی ماورا بنفش باشند. بحث عمده ما در رابطه با LED های تولید کننده نور به اصطلاح سفید است. که در بازار برای گسترش فناوری روشنایی LED کاربرد دارد، با توجه به خیره کنندگی زیاد نور آبی و بنفش برای چشم انسان تصاویر زیر نور آبی بسیار متفاوت دیده می شوند که اصلا مطلوب چشم انسان نیست. حساسیت چشم انسان در نمودار نشان داده شده است.

برای بهره مندی از نور سفید لازم است تبدیل انرژی ای صورت گیرد، در این حالت لایه ای نازک به ضخامت چند میکرون بر روی  LED قرار می گیرد این لایه نازک از جنس مواد فلئوروسانس بوده و در برخورد فوتونهای نور آبی و ماورا بنفش از خود فوتون های نور مریی با طول موج بالاتر آزاد می کند.

 این فوتون ها بسته به تعداد و دفعات دست به دست شدن بین اتم ها طول موج های متفاوتی پیدا می کنند که می توانند فام های نوری مختلفی مانند متمایل به زرد ( اصلاحا معروف به آفتابی ) و فام نوری سفیدتر معروف به دی لایت ( شبیه به روشنایی روز) و فام نوری با سطح انرژی بیشتر در حوزه رنگ آبی معروف به سفید مهتابی یا سفید سرد، تولید کنند .

به طور ساده می توان گفت الکترون حول لایه والانس ماده فلئوروسانس با جذب فوتون پر انرژی در مسیری حلزونی ( اسپیرال) به یک تراز بالاتر می رود و به دلیل عدم داشتن ثبات در این تراز در مسیری حلزونی مجددا به تراز قبلی باز می گردد .

 بخش از انرژی جذب شده توسط الکترون صرف حرکت بین تراز ها شده و در هنگام سقوط به تراز پایینتر و با ثبات تر این انرژی را به صورت یک فوتو نور مریی با فرکانس کمتر و طول موج بزرگتر از فوتون اولیه منتشر می کند . در حین انتشار این فوتون بر طبق قانون عمل و عکس العمل، اتم ساطع کننده قدری به عقب می پرد و همین جنبش منجر به ایجاد گرما یا به عبارتی افزایش میانگین جنبش اتمی در ماده می شود.

صنعت روشنایی و درایو کردن LED ، انتخاب و تولید  LED  :

صنعت روشنایی  LED  با رویکرد سودآوری بیشتر ، سرعت عمل در تولید ، قیمت تمام شده پایین تر ، و تصاحب سهم بزرگتری از بازار به دنبال صنعتی کردن بیشتر این فناوری بوده است. هرچقدر فرایند صنعتی سازی صرفا به دنبال سود بیشتر رفته است از دلایل بکارگیری این فناوری دورتر شده است. فناوری LED با دو رویکرد عمده به بازار فناوری صنعت روشنایی وارد شد :

الف) نور کنترل شده ، دقیق و متناسب با نیاز مصرف کننده.

ب) کاهش مصرف انرژی الکتریکی و گرمای تولید شده در حین کار.

با ورود شرکت هایی که عملا اطلاعات درستی از روند طراحی صحیح در حوزه روشنایی LED نداشتند روند صنعتی سازی فناوری هر چه بیشتر از روند علمی و اهداف اصلی دورتر شد و بعد از ده سال این فناوری از نظر کیفیت هر چه بیشتر شبیه فناوری CFL شده است.

فناوری ترمولس Thermolessجریکو

با توجه به قابلیت های عنصر LED در فناوری ، شرکت گرین برق از سال 2011  اقدام به طراحی درایور هایی نمود که گرمای کمتری به نسبت سایر درایور ها تولید کند و با داشتن POWER FACTOR بالا در حدود 98% میزان زیادی از توان جذب شده را به بخش تولید نور در مدار منتقل می نمود و تنها دو درصد از توان جذب شده به صورت توان راکتیو و گرمای مداری در حوزه درایور تلف می شود و از این راه موفق شد گرمای بدنه لامپ را تا حد زیادی کمتر نماید. با کمتر شدن گرما دوام  LED ها بیشتر شده عمر لامپ و کیفیت نوردهی آن افزایش می یابد. این فناوری در شرکت گرین برق به فناوری ترمولس مشهور شد.

گسترش فناوری ترمولس Thermoless چه اثراتی خواهد داشت؟

فناوری ترمولس در حال حاضر در شرکت گرین برق به صورت کاملا تجاری تولید انبوه شده و در اختیار مصرف کنندگان است. گسترش مصرف این فناوری منجر می شود تا توان راکتیو شبکه به شدت کاهش یابد و شبکه خود را تنظیم بنماید و از این طریق بار اضافی به شبکه توزیع برق وارد نمی شود. در عین حال با کاهش ضریب مصرف و انتقال میزان اتلاف در خطوط انتقال نیز به شدت کاهش می یابدو این مساله می تواند در بهبود شرایط شبکه برق کشور بسیار موثر واقع شود.

فناوری ترموفری Thermofree

با توجه به فوتون ساطع شده از محل پیوند PN می توان انرژی لازم برای ساطع شدن این فوتون را با دقت مناسبی محاسبه کرد ، معمولا این کار با مطالعه طیف انتشار LED و ولتاژ اعمال شده به پیوند PN و نیز جریان پیوند و دمای پیوند انجام می شود. که نیازمند تجهیزات پیشرفته و دقیق است . با انجام این کار می توان حداقل انرژی لازم را برای درایو پیوند فراهم کرد به گونه ای که بخش عمده الکترون های عبوری پیوند صرف پرش از سد پتانسیل پیوند شوند و مقدار بسیار کمی از الکترون های دوسوی پیوند با جذب گرما از سد پتانسیل عبور کنند یا مکانیزم تونل زنی بایاس معکوس نیز به حداقل برسد. در چنین حالتی گرمای تولید شده در محل پیوند ناشی از پس زنی اتمی حین گسیل فوتون ، به حداقل می رسد و دمای پیوند هر چه بیشتر به دمای شرایط STP نزدیکتر می شود.

فناوری ترموفری در شرکت گرین برق توسعه داده شده و به “ترموفری جریکو ” مشهور شده است. این فناوری به صورت نمونه در گرین برق نمونه سازی شده و تا زمان تدوین این متن ( ژانویه 2022) بیش از یک سال و نیم است که در وضعیت عملکرد واقعی قرارگرفته است و در حین عملکرد در محدوده دمای اتاق کار می کند .این محصول برگ برنده ای در حوزه فناوری LED در جهان تلقی می گردد.

گسترش فناوری THERMOFREE چه اثراتی خواهد داشت؟ 

با گسترش این فناوری علاوه بر مصرف برق بسیار کمتر ( در حدود 70% کمتر نسبت به سایر فناوری های حوزه LED ، یک لامپ ترموفری با مصرف 2 وات می تواند به اندازه یک لامپ 7 وات سایر فناوری های LED  نور دهی داشته باشد و نیز گرمای در حد صفر داشته باشد. ) که منجر به کاهش فشار بر نیروگاه ها ، خطوط انتقال و نیز کاهش اتلاف در خطوط انتقال شود . هر کدام از این دستاوردها به تنهایی یک تحول چشمگیر در صنعت برق تلقی می گردد و دستیابی به همه آنها در قالب یک فناوری ، فناوری ترموفری را به یک انقلاب حقیقی در حوزه فناوری روشنایی تبدیل کرده است.