كيف تعمل مصابيح LED المثبتة على السطح

تعمل مصابيح LED المثبتة على السطح (SMD LEDs) عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر شريحة شبه موصلة، والتي تصدر الضوء من خلال التألق الكهربائي. يتم لحام مصابيح LED المدمجة هذه مباشرة على لوحات الدوائر الكهربائية (PCBs)، وتتراوح الفولتية التشغيلية النموذجية لها من 2 فولت إلى 3.5 فولت وتيارات حوالي 20 مللي أمبير. يتم تغليف الشريحة بغلاف بلاستيكي مع طلاء فوسفوري (لمصابيح LED البيضاء) وتعكس الضوء بكفاءة، مما يوفر سطوعًا يصل إلى 100 لومن لكل واط. إن حجمها الصغير (على سبيل المثال، 3.5 مم × 2.8 مم لمصباح 5050 SMD) وإخراج الحرارة المنخفض يجعلها مثالية للإلكترونيات الحديثة.

الهيكل الأساسي لمصباح LED

يتراوح قياس مصباح LED SMD النموذجي بين 1.6 مم × 0.8 مم (حجم 0603) و 5.0 مم × 5.0 مم (حجم 5050)، ويتراوح سطوعه من 3 إلى 150 لومن حسب الطراز. في الداخل، تقوم شريحة شبه موصلة (عادة ما تكون مصنوعة من نتريد الغاليوم أو مواد مماثلة) بتحويل الكهرباء إلى ضوء بكفاءة تتراوح بين 80 إلى 200 لومن لكل واط، وهو أفضل بكثير من المصابيح المتوهجة القديمة.

يتكون جوهر مصباح LED SMD من ثلاثة أجزاء رئيسية:

القالب (Die) هو المكون الفعلي الباعث للضوء، وعادة ما يكون بعرض 0.2 مم إلى 1.0 مم، ومثبت على قاعدة عاكسة من السيراميك أو المعدن. عندما يتدفق التيار الكهربائي من خلاله، تقفز الإلكترونات عبر فجوة، مطلقة الطاقة على شكل ضوء – وهي عملية تسمى التألق الكهربائي. بالنسبة لمصابيح LED البيضاء، تحول طبقة فوسفورية صفراء بعضًا من الضوء الأزرق إلى نغمات أكثر دفئًا، مما يحقق درجة حرارة لون تتراوح بين 2700 كلفن (أبيض دافئ) و 6500 كلفن (أبيض بارد).

تحتوي بعض مصابيح LED SMD على زاوية رؤية 120 درجة، مما يجعلها مناسبة للإضاءة الواسعة، بينما تركز أخرى الضوء في شعاع أضيق بزاوية 30 درجة للإضاءة الموضعية. يعتبر تبديد الحرارة أمرًا بالغ الأهمية – فالإدارة الحرارية السيئة يمكن أن تقلل العمر الافتراضي لمصباح LED البالغ 50,000 ساعة إلى النصف. ولهذا السبب غالبًا ما تستخدم مصابيح LED SMD عالية الطاقة ركائز نحاسية أو ألومنيوم لسحب الحرارة بعيدًا عن القالب.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لمصابيح LED SMD في انخفاض جهد التشغيل – حيث يعمل معظمها بين 2.8 فولت و 3.4 فولت بتيارات تتراوح من 20 مللي أمبير إلى 350 مللي أمبير. وهذا يجعلها موفرة للطاقة، وتستهلك طاقة أقل بنسبة 60-80% من تقنيات الإضاءة القديمة. كما يتيح حجمها الصغير أيضًا ترتيبات عالية الكثافة؛ يمكن للوحة دارة واحدة أن تحمل مئات مصابيح LED لكل بوصة مربعة، مما يتيح شاشات عرض فائقة النحافة وإضاءة خلفية ساطعة وموحدة.

على عكس مصابيح LED القديمة، لا تعتمد إصدارات SMD على قباب بلاستيكية ضخمة. بدلاً من ذلك، يسمح تصميمها المسطح بـ اللحام المباشر على لوحات الدوائر الكهربائية (PCBs)، مما يقلل من تكاليف التجميع بنسبة 15-30% مقارنة بمصابيح LED ذات الثقب المار (through-hole). بعض الطرازات المتقدمة تدمج حتى قوالب متعددة (أحمر/أخضر/أزرق أو أبيض) في حزمة واحدة، مما يتيح شاشات عرض بالألوان الكاملة دون أسلاك إضافية.

كيف يولد التيار الضوء

على عكس المصابيح المتوهجة القديمة التي تهدر 90% من طاقتها كحرارة، تحول مصابيح LED ما يصل إلى 50% من الطاقة الكهربائية إلى ضوء مرئي، مما يجعلها أكثر كفاءة بكثير. يحدث هذا داخل شريحة صغيرة من أشباه الموصلات، تُصنع عادةً من مواد مثل نتريد الغاليوم (GaN) أو نتريد الغاليوم والإنديوم (InGaN)، حيث تتصادم الإلكترونات و “الفجوات” (الإلكترونات المفقودة) لإطلاق الفوتونات – الجسيمات الأساسية للضوء.

عندما تطبق جهدًا يتراوح بين 2 فولت و 3.5 فولت على مصباح LED، تقفز الإلكترونات من الجانب السالب (شبه الموصل من النوع n) إلى الجانب الموجب (شبه الموصل من النوع p). تحدد فجوة الطاقة بين هذه الطبقات لون الضوء. على سبيل المثال، انخفاض 2.1 فولت ينتج عادةً ضوءًا أحمر، بينما 3.2 فولت ينتج ضوءًا أزرق. تغش مصابيح LED البيضاء قليلاً – تبدأ بالضوء الأزرق (بطول موجي حوالي 450 نانومتر) وتمرره عبر طلاء فوسفوري أصفر، لتمزج الاثنين لإنشاء اللون الأبيض. يضبط التركيب الدقيق للفوسفور درجة حرارة اللون، بدءًا من 2700 كلفن (أبيض دافئ) إلى 6500 كلفن (ضوء النهار).

يمكن لمصابيح LED الممتازة المعتمدة على GaN أن تصل إلى 200 لومن لكل واط، بينما قد تتمكن المصابيح الأرخص من إدارة 80 لومن/واط فقط. الحرارة هي العدو هنا – فمقابل كل ارتفاع بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة الوصلة، ينخفض سطوع LED بنسبة 2-5%، ويتقلص العمر الافتراضي بنسبة 15-20%. ولهذا السبب تستخدم مصابيح LED عالية الطاقة مواد مثل ركائز الياقوت أو كربيد السيليكون، التي توصل الحرارة أفضل بثلاث مرات من الإيبوكسي القياسي.

التحكم في التيار أمر بالغ الأهمية. القليل جدًا (أقل من 10 مللي أمبير)، ويبقى مصباح LED خافتًا؛ الكثير جدًا (أكثر من 350 مللي أمبير لمصابيح SMD الصغيرة)، ويحترق بسرعة. تعمل معظم مصابيح LED على النحو الأمثل عند 20-150 مللي أمبير، مع تباين الجهد الأمامي حسب اللون:

• أحمر/برتقالي/أصفر: 1.8–2.2 فولت
• أخضر/أزرق/أبيض: 2.8–3.4 فولت

عن طريق تشغيل/إيقاف التيار آلاف المرات في الثانية (على سبيل المثال، تردد 1 كيلو هرتز)، يبدو مصباح LED خافتًا عند دورة عمل 30% ولكنه يحافظ على نفس اللون. وهذا يتجنب تحول اللون الناتج عن التعتيم التناظري، حيث يمكن أن يؤدي تقليل التيار إلى تحويل مصابيح LED الزرقاء إلى اللون الأرجواني قليلاً.

من المثير للاهتمام أن ليست كل الفوتونات تهرب من مصباح LED. بسبب الانعكاسات الداخلية، يتم حجز 20-30% من الضوء داخل الشريحة. تحارب مصابيح LED المتطورة هذا باستخدام صفائف العدسات الدقيقة أو الأسطح المزخرفة التي تعزز استخراج الضوء بنسبة 15-40%. يستخدم البعض الآخر تصميمات رقاقة الوجه (flip-chip) حيث توجد طبقة انبعاث الضوء أقرب إلى الركيزة، مما يقلل الخسائر الناتجة عن وصلات الأسلاك.

النتيجة؟ تقنية أحدثت ثورة في الإضاءة. يمكن لمصباح LED SMD واحد بقوة 3 واط أن يحل محل مصباح متوهج بقوة 40 واط، ويدوم 25 مرة أطول (50,000 مقابل 2,000 ساعة)، ويستخدم طاقة أقل بنسبة 85%. بعد ذلك، سنقارن مصابيح LED SMD بأسلافها الأكبر حجمًا – ولماذا فازت المربعات الصغيرة المسطحة.

SMD مقابل مصابيح LED التقليدية

السطوع والكفاءة

• مصابيح LED التقليدية (مثل 5 مم دائرية):
  1. الإخراج: 2-5 لومن عند 20 مللي أمبير
  2. زاوية الرؤية: 30-60
  3. الكفاءة: 80-100 لومن/واط
• مصابيح LED SMD (مثل حجم 5050):
  1. الإخراج: 15-20 لومن عند 20 مللي أمبير (أكثر سطوعًا بـ 3-4 مرات)
  2. زاوية الرؤية: 120° (تغطية أوسع)
  3. الكفاءة: تصل إلى 200 لومن/واط (أكثر كفاءة بمرتين)

الحجم ومرونة التصميم

• مصابيح LED التقليدية:
  1. ضخمة (قطر 5 مم × ارتفاع 8 مم)
  2. تتطلب تباعدًا ≥10 مم على لوحات الدوائر الكهربائية (PCBs)
  3. مثال: تتطلب الإضاءة الخلفية للهاتف الذكي 30 مصباح LED ذو ثقب مار
• مصابيح LED SMD:
  1. مدمجة (على سبيل المثال، 3.5 مم × 2.8 مم)
  2. بصمة PCB أصغر بنسبة 60-80%
  3. تستخدم نفس الإضاءة الخلفية للهاتف الذكي الآن 10 مصابيح SMD فقط

الأداء الحراري والعمر الافتراضي

• مصابيح LED التقليدية:
  1. أغلفة الإيبوكسي تحبس الحرارة → 100 درجة مئوية عند 50 مللي أمبير
  2. ينخفض العمر الافتراضي بنسبة 50% في الاستخدام الواقعي
  3. معدل 50,000 ساعة (ولكن غالبًا 25,000 ساعة في الممارسة)
• مصابيح LED SMD:
  1. الربط المباشر للقالب بالمعادن → أكثر برودة بـ 20-30 درجة مئوية
  2. تتعامل المتغيرات عالية الطاقة مع 700 مللي أمبير بشكل مستمر
  3. تحافظ على 50,000+ ساعة حتى عند التيارات العالية

التكلفة والتصنيع

• تكلفة الوحدة:
  1. التقليدية: $0.02–$0.05
  2. SMD: $0.03–$0.08 (أعلى قليلاً)
• مدخرات التجميع:
  1. التقليدية: لحام يدوي/موجة (0.10–$0.15 لكل LED)
  2. SMD: آلية اختيار ووضع (0.01–$0.03 لكل LED)
  3. توفر $800–$1,200 لكل 10,000 وحدة
• معدلات الكسر:
  1. التقليدية: 15-20% (تلف الرصاص أثناء المناولة)
  2. SMD: قريب من 0% (مسطحة، لا يوجد أسلاك هشة)

اتساق اللون والموثوقية

• مصابيح LED التقليدية:
  1. تغير في الطول الموجي بمقدار 20-30 نانومتر (اختلافات واضحة في اللون)
  2. مطابقة رديئة للألوان (نادرًا ما تلبي الاحتياجات الطبية/CRI >95)
• مصابيح LED SMD:
  1. تفاوت 5-10 نانومتر (طلاء فوسفوري آلي)
  2. 90% ضمن إهليلج ماك آدم المكون من 3 خطوات (توحيد دقيق للألوان)

المتانة (المقاومة الحرارية والاهتزاز)

• مصابيح LED التقليدية:
  1. معدل فشل 12-15% بعد 1,000 دورة حرارية (-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية)
  2. تفشل عند اهتزاز 20G (إجهاد الرصاص)
• مصابيح LED SMD:
  1. أقل من 3% معدل فشل في نفس الظروف
  2. تتحمل اهتزاز 50G لأكثر من 100 ساعة

المدخرات في العالم الحقيقي

• مثال إضاءة الشارع:
  1. توفر مصابيح SMD 500 كيلوواط ساعة/سنة لكل تركيب (مقابل التقليدية)
  2. تكلفة أولية أعلى بنسبة 20-30% يتم استردادها في أقل من 18 شهرًا
• استخدام المؤشر:
  1. العمر الافتراضي لـ SMD: 3-5 سنوات
  2. العمر الافتراضي التقليدي: 1-2 سنوات (عند 50 مللي أمبير مستمر)

لماذا تهيمن SMD (90% من الإضاءة الحديثة)

✔ أصغر، أكثر سطوعًا، وأكثر كفاءة
✔ عمر أطول وإدارة حرارة أفضل
✔ تكاليف تجميع أقل وموثوقية أعلى
✔ اتساق فائق للألوان
✔ عائد استثمار مثبت في الاستخدام التجاري/الصناعي

الأحجام والمواصفات الشائعة

اصطلاح التسمية مباشر:

• 2835 LED = 2.8 مم × 3.5 مم
• 5050 LED = 5.0 مم × 5.0 مم

لكن الأبعاد وحدها لا تحدد الأداء.

مصابيح LED صغيرة الحجم (مؤشرات وإضاءة خلفية)

• مصابيح 0402 LED (0.4 مم × 0.2 مم)
  1. التيار: 10-15 مللي أمبير
  2. الإخراج: 2-3 لومن
  3. الاستخدام: مؤشرات حالة الهاتف الذكي (مساحة < 1 مم²)
• مصابيح 1608 LED (1.6 مم × 0.8 مم)
  1. التيار: 20 مللي أمبير
  2. الإخراج: 5-8 لومن
  3. الاستخدام: الإضاءة الخلفية للساعة الذكية

مصابيح LED متوسطة المدى (إضاءة عامة)

• مصابيح 2835 و 5050 LED
  1. الإخراج: 20-50 لومن
  2. التيار: 60-150 مللي أمبير
  3. زاوية الرؤية: 120°
  4. المتغيرات عالية الطاقة: 300-700 مللي أمبير (تتطلب تشتيتًا حراريًا)

اختلافات اللون والجهد

• الأبيض الدافئ (2700-3000 كلفن): إخراج أقل بنسبة 5-10% من الأبيض البارد (5000-6500 كلفن) بسبب فقدان الفوسفور.
• مصابيح RGB 5050 LED:
  1. تحتوي على 3 قوالب (أحمر: 620-625 نانومتر، أخضر: 520-525 نانومتر، أزرق: 465-470 نانومتر)
  2. الإخراج الفردي: 7-10 لومن لكل لون
  3. الضوء الأبيض المدمج: 500-800 ملي شمعة
• اختلافات الجهد الأمامي:
  1. 2835 أبيض دافئ: 2.8-3.2 فولت
  2. 3528 أزرق: 3.0-3.4 فولت
  3. اعتبارات التسلسل مقابل التوازي:
     • 10 مصابيح LED بجهد 3 فولت على التوالي ← يلزم مشغل 30 فولت
     • ترتيبات التوازي ← يلزم تنظيم دقيق للتيار

العوامل الحرارية وعوامل الكفاءة

• حزمة 5630 (5.6 مم × 3.0 مم)
  1. تعمل أكثر برودة بـ 15-20 درجة مئوية من 3528 عند 150 مللي أمبير
  2. عمر أطول بنسبة 10-15% بسبب تبديد الحرارة الأفضل
• صناديق السطوع مهمة:
  1. أعلى صندوق 3014 LED (3.0 مم × 1.4 مم): 12 لومن عند 30 مللي أمبير
  2. الصندوق القياسي: 9 لومن عند 30 مللي أمبير (فرق 25%)
  3. يؤثر على عدد مصابيح LED التي تحتاجها التركيبة

العمر الافتراضي والأداء في العالم الحقيقي

• معدل 50,000 ساعة (عند 25 درجة مئوية مع تنظيم تيار مناسب)
• في العالم الحقيقي (85 درجة مئوية محيطة): ~30,000 ساعة
• حزمة 7030 (7.0 مم × 3.0 مم) – ركائز السيراميك تحافظ على 90% من الإخراج بعد 60,000 ساعة حتى عند 105 درجة مئوية

مصابيح LED الدقيقة (شاشات العرض من الجيل التالي)

• الحجم: <0.1 مم²
• التيار: 1-5 مللي أمبير
• السطوع: 5,000-10,000 شمعة/متر مربع (قابلة للقراءة في الهواء الطلق)
• الكثافة: 500+ مصابيح LED/سم² (تتيح 4K على شاشات الهواتف الذكية)
• التكلفة: أعلى بنسبة 30-50% من تجميع SMD القياسي

النقاط الرئيسية

• يؤثر الحجم على الأداء الحراري والسطوع
• تختلف متطلبات الجهد والتيار حسب اللون والحزمة
• تتطلب مصابيح LED عالية الطاقة تشتيتًا حراريًا
• تؤثر درجات الصناديق على إخراج الضوء الفعلي
• ينخفض العمر الافتراضي في البيئات ذات درجة الحرارة العالية
• تتيح مصابيح LED الدقيقة شاشات عرض عالية الدقة ولكنها تكلف أكثر

وصلات الدوائر النموذجية

الفرق بين التشغيل المناسب وغير المناسب يمكن أن يعني 50,000 ساعة مقابل 5,000 ساعة من العمر التشغيلي.

بالنسبة لمصباح LED أبيض بجهد 3 فولت وتيار 20 مللي أمبير على مصدر 5 فولت، تحتاج إلى مقاوم 100 أوم = (5 فولت – 3 فولت) / 0.02 أمبير، يتبدد 0.04 واط. هذا يعمل لمؤشرات التيار المنخفض ولكنه يصبح غير فعال عند الطاقة الأعلى – يهدر مصباح LED بتيار 150 مللي أمبير 0.45 واط كحرارة، مما يقلل الكفاءة إلى أقل من 70%. ولهذا السبب تحل مشغلات التيار المستمر محل المقاومات فوق أحمال 100 مللي أمبير.

تحل منظمات التحويل مشاكل الكفاءة. يحقق محول التنحي (buck converter) الذي يقود عشرة مصابيح LED بجهد 3 فولت على التوالي من 24 فولت كفاءة 90-95% من خلال توفير 30 فولت اللازمة فقط. يحافظ هؤلاء على تباين تيار بنسبة 1-3% على الرغم من تقلبات المدخلات (20 فولت إلى 30 فولت)، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات السيارات أو التي تعمل بالبطارية. إن سلسلة Mean Well LDD (مشغلات 350 مللي أمبير، $1.50–$2.00) تسترد تكلفتها في 6-12 شهرًا عبر توفير الطاقة مقابل دوائر المقاومة.

حتى مصابيح LED من نفس الدفعة تظهر تباينًا في الجهد الأمامي بنسبة 5-10%. توصيل خمسة مصابيح LED بجهد 3 فولت بالتوازي بـ 3.3 فولت بدون مقاومات يتسبب في اختناق التيار – قد يسحب مصباح LED واحد 120 مللي أمبير بينما يحصل الآخرون على 80 مللي أمبير، مما يؤدي إلى سطوع غير متساوٍ وتدهور متسارع. الحلول:

• مقاومات فردية (على سبيل المثال، 22 أوم لمصابيح LED بتيار 20 مللي أمبير)
• مشغلات متعددة القنوات (على سبيل المثال، TI TLC5916) تنظم كل فرع بشكل مستقل.

يؤدي نبض مصباح LED بتيار 500 مللي أمبير عند 1 كيلو هرتز (دورة عمل 30%) إلى تحقيق متوسط تيار 150 مللي أمبير دون تحول اللون. تدعم المشغلات المتطورة مثل AL8805 تعديل عرض النبض (PWM) بتردد 25 كيلو هرتز، مما يقضي على الوميض مع تمكين التعتيم بنسبة 0-100%. المقايضة؟ تضيف دوائر PWM $0.30–$0.50 إلى فاتورة المواد (BOM) ولكنها تتيح ميزات مثل تأثيرات شروق الشمس السلسة في الإضاءة الذكية.

يولد مصباح LED بقوة 3 واط (700 مللي أمبير عند 3.4 فولت) 2.4 واط من الحرارة، مما يتطلب 1 بوصة مربعة من النحاس بوزن 2 أونصة لكل واط للتبريد السلبي. إذا كان غير كافٍ، ترتفع درجة حرارة الوصلة من 25 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.1 فولت – مما يزيد التيار بنسبة 15-20% ويحرف حسابات المقاومة. تعمل دوائر الطي الحراري (thermal foldback circuits) على تخفيف هذا عن طريق تقليل التيار عندما يفشل التبريد.

يعاني شريط 12 فولت بطول 5 أمتار مع 50 مصباح LED من انخفاض الجهد – يحصل مصباح LED الأول على 12.0 فولت، والأخير على 10.4 فولت، مما يخلق تدرج سطوع بنسبة 20%. الحلول:

• جهد أعلى (24 فولت أو 48 فولت)
• حقن الطاقة كل 5 أمتار (كابلات 18AWG) للحفاظ على انخفاض الجهد أقل من 5%.