أصبحت تقنية LED ذات الطيف الكامل كلمة رائجة في السنوات الأخيرة، خاصة عندما يتعلق الأمر بمحاكاة ضوء الشمس الطبيعي وتحسين جودة الضوء. في هذه المقالة، سنتعمق في عالم مصابيح LED ذات الطيف الكامل، وكيف نشأت، وكيف يتم تصنيعها، وأين يتم استخدامها. سنتحدث عن كيفية تحقيق مصابيح LED ذات الطيف الكامل باستخدام مجموعات مختلفة من الرقائق والفوسفور، والتحديات التي تواجه تصنيعها، وكيف تظهر في منتجات مثل مصابيح المكتب، الإضاءة الصناعية، وحتى أضواء نمو النباتات. وأخيرًا، سنجيب على السؤال "هل تحتاج حقًا إلى إضاءة كاملة الطيف؟" و"كيف يمكن إضاءة كاملة الطيف "هل تستفيد من بيئتك؟"
تعريف مصابيح LED ذات الطيف الكامل
عندما نتحدث عن مصابيح LED ذات الطيف الكامل الشائعة اليوم، من المهم توضيح ما يعنيه "الطيف الكامل". يشير "الطيف الكامل" الحقيقي إلى الضوء المنبعث من مصدر يغطي الطيف الكامل من الأشعة فوق البنفسجية (UV)، والضوء المرئي، إلى الأشعة تحت الحمراء (IR)، محاكياً الطيف الكامل لأشعة الشمس (كما هو موضح في الشكل 1).
هذا هو الطيف الكامل الأكثر شمولاً الموجود في الطبيعة. ومع ذلك، فإن LED "الطيف الكامل" الذي يتحدث عنه معظم الناس اليوم هو تعريف أضيق. في سياق LED، يشير "الطيف الكامل" إلى الضوء المنبعث ضمن نطاق الضوء المرئي الذي يشبه إلى حد كبير طيف ضوء الشمس في نفس النطاق (كما هو موضح في الشكل 2).
تم استبعاد أجزاء الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، وذلك بشكل أساسي لجعل مصابيح LED ذات الطيف الكامل أكثر قابلية للتطبيق للإنتاج الضخم. إن إضافة الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء من شأنها أن تعقد نظام التغليف والتطبيق بالكامل، مما يجعل الإنتاج على نطاق واسع والاستخدام العملي مستحيلاً تقريبًا. حتى مع تضمين الطيف المرئي فقط، فليس من السهل تحقيق مصابيح LED ذات الطيف الكامل. على سبيل المثال، لتحقيق طيف عالي مؤشر تجسيد اللون (CRI) مع اقتراب مؤشر CRI من 100، تكافح العديد من الشركات لتحسينه من 96 إلى 98، ناهيك عن تحقيق 99 أو أعلى.
الشكل 1: الطيف الكامل لأشعة الشمس (280 نانومتر - 4000 نانومتر)
الشكل 2: طيف ضوء الشمس ضمن النطاق المرئي (380 نانومتر - 780 نانومتر)
كيفية تحقيق طيف كامل من مصابيح LED
من الناحية النظرية، هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق طيف كامل من مصابيح LED: الأولى هي استخدام الرقائق والثانية هي استخدام الفوسفور. على جانب الرقائق، هناك طريقتان رئيسيتان: الأولى هي أن تقوم الرقائق بإثارة الفوسفور، والثانية هي استخدام الرقائق وحدها بدون الفوسفور. على جانب الفوسفور، تحتاج إلى إقران الفوسفور بالشريحة، وتحتاج إلى تحديد أطوال موجية مختلفة للانبعاث والإثارة للتركيبة. في المجموع، هناك أربع طرق رئيسية لتحقيق طيف كامل من مصابيح LED:
1. الفوسفور المثير ذو الرقاقة الزرقاء أحادية النطاق
هذه الطريقة تشبه التغليف العادي للصمامات الثنائية الباعثة للضوء، ولكن يتم إضافة عدة أنواع من الفوسفور (مثل الأخضر والأصفر والأحمر أو حتى البرتقالي والسماوي والأزرق). ورغم أن هذه الطريقة يمكن أن تنتج ضوءًا قريبًا من الطيف الكامل، إلا أن ذروة الضوء الأزرق لا تزال بارزة. وعلاوة على ذلك، فإن كفاءة الفوسفور مثل السماوي والأزرق منخفضة نسبيًا، وقد يكون الضوء في نطاق 470-510 نانومتر مفقودًا.
2. الفوسفور المثير ثنائي النطاق أو ثلاثي النطاق
تعمل هذه الطريقة على تحسين نهج النطاق الفردي من خلال استخدام شريحة زرقاء ثنائية النطاق أو ثلاثية النطاق لإثارة الفوسفور عبر أطوال موجية مختلفة. تستخدم الشرائح ثنائية النطاق عادةً نطاقين: 430-450 نانومتر و460-480 نانومتر، بينما تستخدم الشرائح ثلاثية النطاق ثلاثة نطاقات: 430-440 نانومتر و440-460 نانومتر و460-480 نانومتر. يتيح هذا مزيدًا من المرونة في إقران الشرائح بالفوسفور لتتناسب بشكل أفضل مع طيف ضوء الشمس (كما هو موضح في الشكل 3). باستخدام هذا النهج، يمكن أن يتجاوز مؤشر تجسيد اللون 98. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة مجموعة متنوعة من الفوسفور، مما يجعل من الصعب ضمان الاتساق والاستقرار أثناء الإنتاج الضخم.
الشكل 3: طيف مصابيح LED ذات الطيف الكامل للضوء الأزرق ثنائي النطاق وثلاثي النطاق (للمرجع)
3. رقاقة الأشعة فوق البنفسجية التي تثير الفوسفور
تتميز هذه الطريقة بكفاءة ضوء أقل. والسبب الرئيسي هو أن معظم الفوسفورات المتوفرة تجاريًا مصممة للعمل مع رقائق زرقاء، وليس رقائق الأشعة فوق البنفسجية، وبالتالي فإن كفاءة إثارتها أقل بكثير في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك، تتراوح رقائق الأشعة فوق البنفسجية عادةً من 385 إلى 405 نانومتر، والتي تتمتع أيضًا بكفاءة أقل. على الرغم من أن رقائق الأشعة فوق البنفسجية يمكنها محاكاة طيف ضوء الشمس عن كثب وتجنب وجود الضوء الأزرق قصير الموجة (كما هو موضح في الشكل 4)، إلا أن هذه الطريقة لها عيوب. على سبيل المثال، تتسبب رقائق الأشعة فوق البنفسجية في تدهور أكثر أهمية للفوسفورات بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تحولات اللون ومشاكل درجة حرارة اللون. كما يتسبب ضوء الأشعة فوق البنفسجية في إتلاف المواد العضوية مثل المواد المغلفة، مما يقلل من عمر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED).
الشكل 4: طيف مصابيح LED ذات الطيف الكامل للأشعة فوق البنفسجية (للمرجع)
4. طريقة الجمع بين عدة شرائح
تجمع هذه الطريقة بين الرقائق التي تصدر الضوء الأزرق والسماوي والأخضر والأصفر والأحمر لتحقيق طيف كامل. وفي حين أن هذا قد ينجح من الناحية النظرية، إلا أنه أقل استخدامًا بسبب العديد من التحديات. أولاً، تصدر الرقائق الضوء بنطاقات ترددية ضيقة، مما يجعل من الصعب تحقيق الطيف الأوسع الذي توفره الفوسفورات. بالإضافة إلى ذلك، تتفاوت كفاءة الرقائق ذات الألوان المختلفة بشكل كبير، مما يجعل من الصعب موازنة ناتج الضوء. بمرور الوقت، قد تحدث أيضًا تحولات في اللون وتغيرات في درجات الحرارة بسبب معدلات تدهور الرقائق المختلفة.
لتوفير مقارنة أكثر وضوحًا، يلخص الجدول التالي الطرق الأربع لتحقيق مصابيح LED ذات الطيف الكامل:
| الأسلوب | الكفاءة | CRI | التكلفة | صعوبة التعبئة والتغليف | الأداء العام | نوع الطريقة |
| الفوسفور المثير ذو الشريحة الزرقاء أحادية النطاق | مرتفع | معتدل | منخفض | منخفض | الخير | رقاقة تثير الفوسفور |
| الفوسفور المثير ثنائي/ثلاثي النطاق الأزرق | مرتفع | مرتفع | معتدل | معتدل | جيد جدا | رقاقة تثير الفوسفور |
| رقاقة الأشعة فوق البنفسجية تثير الفوسفور | منخفض | مرتفع | مرتفع | منخفض | فقير | رقاقة تثير الفوسفور |
| مجموعة شرائح متعددة | منخفض | مرتفع | مرتفع | منخفض | فقير | رقاقة (يمكن إضافة الفوسفور) |
تطبيقات مصابيح LED ذات الطيف الكامل
الآن بعد أن تناولنا طرق تحقيق طيف كامل من مصابيح LED، كيف يمكننا تطبيقها بفعالية؟ أحد الاعتبارات الرئيسية هو درجة حرارة اللون. يتغير ضوء الشمس طوال اليوم وعبر الفصول. على سبيل المثال، درجة حرارة اللون تبلغ درجة الحرارة عند شروق الشمس حوالي 2000 كلفن، وعند الظهيرة حوالي 5000 كلفن، وعند غروب الشمس حوالي 2300 كلفن. لذلك، يجب تصميم مصابيح LED ذات الطيف الكامل لمحاكاة طيف ضوء الشمس المقابل عند درجات حرارة ألوان مختلفة، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام الطرق الموضحة أعلاه.
بناءً على الشرح أعلاه، يمكن استخدام مصابيح LED ذات الطيف الكامل في أي تركيبات إضاءة قياسية تقريبًا، مثل الإضاءة المنزلية، إضاءة خارجية، الإضاءة الصناعية، ومصابيح المكتب، شرائط ليد ذات طيف كامل وحتى إضاءة المصنعتعتمد التطبيقات المحددة إلى حد كبير على السعر وقبول المستهلك. حاليًا، تعد مصابيح المكتب هي التطبيق الأكثر شيوعًا، وغالبًا ما يتم تسويقها على أنها مصابيح ذات ضوء أزرق منخفض، وحماية للعين، ودرجة حرارة لون قابلة للتعديل. أسعار هذه المصابيح أعلى من المصابيح القياسية. يوضح الجدول 2 المقارنة بين المعايير الوطنية الصينية ومتطلبات CRI "لشهادة الطيف الكامل". كما هو موضح في الجدول، يمكن تلبية المعيار الوطني الصيني لمصابيح المكتب بسهولة من خلال مصادر ضوء LED العادية، بينما تتطلب شهادة الطيف الكامل أداءً أكثر تقدمًا.
الجدول 2: مقارنة مؤشر تجسيد اللون لمصابيح المكتب
| المجموعة الأساسية | شهادة الطيف الكامل |
| الرقم القياسي والاسم | GB/T 9473-2022 "متطلبات الأداء لمصابيح القراءة والكتابة" |
| متطلبات CRI | مؤشر CRI العام: Ra ≥ 80 |
| مؤشر CRI الخاص: R9 > 0 |
خاتمة
بناءً على المقدمة أعلاه لتقنية LED ذات الطيف الكامل، يتعين علينا، باعتبارنا متخصصين في الصناعة، أن نفكر في: هل مصدر الضوء الحالي "ذو الطيف الكامل" هو شيء يحتاجه الناس حقًا؟ لا تتردد في مراسلتي أو ترك تعليقات لمزيد من المناقشة!
