نور و ملحقات (بخش دوم)

نور و ملحقات (بخش دوم)

◂لامپ بخار سدیم پرفشار

اساس عملکرد این لامپ و سایر لامپ های گازی، تخلیه الکتریکی است. در این لامپ ها اتم گاز تحریک شده و

نتیجتاً الکترونی از یک مدار پایین به مدار بالاتر که ناپایدارتر است، حرکت می کند. 

الکترون جهت پیدا کردن یک موقعیت پایدارتر مجدداً به حالت اولیه یا یک مدار پایین تر برمی گردد.

این عمل با آزاد شدن انرژی به صورت انرژی نورانی و گرمایی همراه است. لامپ های گازی بخار سدیم پرفشار

به علت اینکه فشار درون محفظهٔ آنها بیش از0/1 بار(10000 پاسگال) است به پرفشار معروف هستند.  

البته هنگام روشن شدن، فشار گاز داخل آنها تا 10MPa افزایش می یابد. 

درون محفظه از بخار گاز سدیم و گزنون(گاز بی اثر) پر شده است. جهت تخلیهٔ اولی ولتاژی حدود 5kv نیاز است

و جریان تخلیه بین 1 تا 10 آمپر است. دمای محفظهٔ تخلیه تا چندین هزار درجه سلسیوس بالا می رود.

بهره نوری این لام پها در حالت معمول تا 130 و درشرایط خاص تا 150 لومن بروات ثبت شده است.

طول عمر این لامپ ها نسبتاً بالا است،به طوری که لامپ هایی با طول عمر متوسط 32000ساعت نیز ارائه شده است.

با توجه به درجهٔ حرارت داخلی این لامپ ها درجهٔ حرارت محیط بر عملکرد آن ها بی تاثیر است.

ضریب نمود رنگ (CRI) این لامپ ها پایین و دارای طیف زرد و کمی طیف آبی است؛ درنتیجه رنگ قرمز زیر این لامپ ها به خوبی قابل رؤیت نیست.

کاربرد اصلی این لامپ ها روشنایی خیابان ها است و برای این کار بسیار مناسب هستند.

 

لامپ بخار سدیم پرفشار

لامپ های سدیم پرفشار با توان بین 35 تا 1000 وات در بازار وجود دارند. طبق استاندارد می بایست از این

لامپ با توان بالاتر از 50 وات استفاده شود. اما از معایب این لامپ ها علاوه بر پایین بودن ضریب نمود

رنگ، می توان به بالا بودن زمان روشن و خاموش شدن مجدد آنها اشاره کرد.زیرا در موقع روشن شدن،

حدود 4 دقیقه زمان لازم است تا شار نوری لامپ به حالت نرمال برسد. 

درضمن نمی توان این لامپ را بلافاصله بعد از خاموش کردن روشن کرد و باید تا کاهش فشار بخار سدیم و سرد شدن لامپ منتظر ماند.

بعد از خاموش شدن نیز زمانی بین 10 تا 15 دقیقه لازم است (زمان خنک شدن) تا لامپ دوباره روشن شود.

◂لامپ بخار سدیم کم فشار

لامپ بخار سدیم ک مفشار متشکل از یک لولهٔ داخلی با دو الکترود اصلی است که درون آن با گاز بخار سدیم

پر شده و داخل آن قوس الکتریکی ایجاد می شود.به همین علت و با توجه به وقوع قوس، درجهٔ حرارت این

لوله بالا بوده (در حدود 270 درجه) و نتیجتاً برای جلوگیری از اتلاف حرارتی، از یک حباب خارجی استفاده می شود.

درون این حباب خلاء است و سطح داخلی آن نیز با یک مادهٔ منعکس کنندهٔ اشعهٔ حرارتی مادون قرمز مانند اکسید اینیدیوم پوشانیده می شود.

در این لامپ ها به علت طول بلند تیوب، به شکل U ساخته می شوند. با این عمل، هم حجم لامپ کم می شود و

هم از اتلاف انرژی حرارتی جلوگیری می شود. این لامپ فقط در وضعیت افقی روشن می شود.

در لامپ بخار سدیم ک مفشار حدود 5/ 99 درصد از تشعشعات مرئی در ناحیهٔ زرد رنگ با طول

موج 589 تا 6/ 589 نانومتر است در شروع کار (زمان استارت)، نور قرمزی تولید می شود که ناشی از

تخلیه در گاز نئون است، ولی کم کم به نور زرد ناشی از بخار سدیم تبدیل می شود. 

این لامپ ها ضریب بهرهٔ نوری بالایی دارند؛ ب هطوری که ضریب بهرهٔ نوری آنها گاه تا 200 لومن بر وات نیز رسیده است.

علی رغم ضریب بهرهٔ نوری بالای این لامپ ها، ضریب نمود رنگ آنها خیلی پایین(کمتر از 20 ) است.

به همین علت به حالت تک رنگ (رنگ زرد) نیز شناخته می شوند.

درجهٔ حرارت محیط مانند سایر لامپ های گازی کم فشار، برعملکرد این لامپ ها تأثیر می گذارد.

این لامپ ها پس از خاموش شدن می توانند فرمان وصل بگیرند. در حالت عادی، حدود 20 دقیقه طول می کشد تا لامپ به شار نوری اسمی خود برسد.

از دیگر نقاط ضعف لامپ های بخار سدیم کم فشار، طول عمر آنها (حدوداً 16000ساعت) است که در

مقایسه با لامپ های بخار سدیم پرفشار بسیار کمتر است. همچنین این لامپ ها ابعاد بزرگی دارند.

با توجه به دلایل ذکر شده، استفاده از لامپ بخار سدیم ک مفشار فقط در معابری امکان پذیر است که کاربری

اصلی آنها جابجایی است، زیرا در چنین معابری نیازی به نور با ترکیب رنگ های مختلف نیست.

اما در سایر معابر، از جمله معابری که از مرا کز خرید و مرا کز فعالیت های اجتماعی و اقتصادی شهری و

غیره می گذرند، استفاده از لامپ های بخار سدیم پرفشار که دارای ترکیب مناسبی از رنگِ نور هستند، مناسب تر است.

از مزایای به کارگیری لامپ بخار سدیم کم فشار می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نوری که این لامپ ها تولید می کنند، زرد رنگ است. چشم انسان بیشترین حساسیت را به این رنگ دارد.

درخشندگی این لامپ در حدود 10 استیلب است، لذا باعث خیرگی نمی شود.

در صورتی که به هر دلیل لامپ را خاموش کنیم، می توان در سرعت کمتر از یک دقیقه آن را روشن کرد.

تأثیر این لامپ بر برافروختگی آسمان بسیار کمتر از لام پهای دیگر بوده و بنابراین بهترین لامپ جهت

نصب در معابر اطراف رصدخان هها، آن هم بدون فیلتر است.

ضریب بهرهٔ نوری لامپ بالا است و نور آن در تمام عمر لامپ، تقریباً ثابت است.

◂لامپ بخار جیوه پرفشار

لامپ های بخار جیوه از نسل های اولیهٔ لامپ های گازی است که امروزه خیلی کمتر از آنها استفاده می شود.

به خاطر وجود جیوه در این لامپ ها، کاربرد آنها علیرغم قیمت پایین، محدود است. ضریب بهرهٔ نوری لامپ های بخار جیوه تا 70 لومن بر وات است.

این لامپ ها که در روشنایی معابر، محوطه ها و روشنایی صنعتی به کار برده می شوند، این نوع از لامپ ها

به خانواده لامپ های پرفشار تعلق دارند و ضریب نمود رنگ در آنها از60 نیز بالاتر می رود.

لامپ بخار جیوه را نمی توان بلافاصله بعد از خاموش کردن، روشن کرد.

برای روشن کردن دوبارهٔ آن باید مانند لامپ بخار سدیم پرفشار 10 تا 15 دقیقه صبر کرد. 

ضریب توان و ضریب نگهداری این لامپ ها پایین است. از این لامپ ها بیشتر برای روشنایی خیابان ها، میادین، معادن و کارخانه ها استفاده می شود.

در توان الکتریکی برابر، نور لامپ جیوه بیش از سه برابر نور لامپ رشته ای است.

از سال 2015 پارلمان اروپا استفاده و خرید و فروش این لامپ ها را به علت مضرات زیست محیطی جیوه

در اروپا ممنوع کرده است. طول عمر این لامپ ها نیز مانند لامپ های بخار سدیم کم فشار بالغ بر 16000 ساعت است.

◂لامپ متال هالید

درون محفظهٔ جرقهٔ این لام پهای پرفشار از گازهای هالوژنه (عمدتاً گزنون و یا نئون) پر شده است.

بزر گترین مزیت این لامپ ها ضریب نمود رنگ بسیار بالای آنها است ب هطوری که تا سقف 96 نیز برای آن ثبت شده است.

ضریب بهرهٔ نوری این لامپ ها (به استثنای تلفات بالاست) 75 تا 125 لومن بر وات است.

از مزایای دیگر این لامپ ها، درجهٔ حرارت رنگ آنهاست که تا 3000 k و تا 7000 k قابل تغییر است.

طول عمر لامپ های متال هالید در مقایسه با لامپ های دیگر پایین (حدوداً 12000 ساعت) و قیمت آنها در مقایسه با سایر لامپ ها بیشتر است.

کاربرد اصلی این لامپ ها در ورزشگاه ها، فروشگاه ها و محل های خرید و یا مناطقی است که به ضریب نمود رنگ بالا نیاز دارند.

با را هاندازی الکترونیکی، در زمانی حدود 40 ثانیه پس از روشن شدن به 90 درصد شار اسمی خود می رسند.

زمان خنک شدن(خاموش و روشن شد مجدد) آن ها مانند لامپ های بخار سدیم پرفشارحدود 10 تا 15 دقیقه است.

◂دیود نور گسیل (LED)

در واقع از حروف اول عبارت Light Emitting Diode تشکیل است که عبارت است از دیودی که با

تحریک توسط اعمال ولتاژ در یک جهت خاص، از خود نور ساطع می کند. به LED ، دیود نور گسیل یا دیود نور افشان نیز گفته می شود.

LED ها از نیمه هادی ها تشکیل شده اند که با توجه به میزان شکاف انرژی آنها، نوری با طول موج
معینی از خود ساطع می کنند.

با تغییر ترکیبات مواد تشکیل دهنده یا با تغییر میزان سهم هریک از ترکیبات مذکور، می توان فرکانس نور ساطع شده را مدیریت کرد.

اولین LED که دارای نور مرئی بود در سال 1962 در کارخانه General Electirc ساخته شد.

در سا لهای بعد کمپانی Monsanto و HP به تولید انبوه LED قرمز اقدام کردند که بیشتر در تولید حروف الفبایی یا ماشین حساب استفاده می شد.

از سال 1970، LED ها در قیمت های پایین تر و در رنگ های قرمز، زرد، نارنجی و نهایتاً سبز ارائه و

بیشتر در نشانگرها و نمایشگرها استفاده می شدند.از آنجا که برای تولید نور سفید، حداقل به نور آبی نیاز بود،

تحقیقات روی تولید نور آبی ادامه یافت و سرانجام در سال 1991 شرکت Nichia با تلا شهای آقای شوجی نا کامورا توانست LED-FH نور آبی تولید کند.

با رشد تکنولوژی و دستیابی به LED هایی با راندمان بالا، این محصولات از سال 2006 میلادی در صنعت روشنایی فرا گیر شدند.

 

نمونه از پکیج ال ای دی با پوشش فسفر جهت تولید نور سفید

نمونه از پکیج LED با پوشش فسفر جهت تولید نور سفید

 

LED ها در در ابتدا به عنوان نشانگر و یا نمایش دهی وضعیت روشن یا خاموش بودن دستگاه ها مورداستفاده قرار گرفتند.
اما بهت دریج و با تولید LED های نور آبی با بهرهٔ نوری
بالا، امکان تولید نور سفید با تبدیل بخشی از نور

آبی توسط لایه ای از فسفر به نور زرد فراهم آمد.این LED ها که به آنها LED های با نور سفید تبدیل شده به وسیله فسفر1 گفته می شود.

 

عمدتاً در منابع نوری جهت روشنایی عمومی و نورپردازی کاربرد وسیعی دارند. تلاش محققان در زمینۀ

اصلاح طیف نور گسیل شده از LED ها با تغییر ترکیبات فسفر و نیز روش های لایه نشانی فسفر برای تولید

نوری با شاخص نمود رنگ بالا و یکنواخت در زوایای تابشی مختلف، در جریان است.

همچنین فناوری ساخت نیمه هادی ها برای افزایش راندمان نوری و نیز تولید و به کارگیری زیر لایه (Substrate)اپتیک و فرایند

پکیجینگ برای خروج نور با راندمان بالا در حال تکامل و رشد چشمگیر است. 

لازم به توضیح است که توسط این LED ها انواع لامپ ها و چراغ های LED با اشکال و ابعاد
مختلف تولید و روانۀ بازار شده است.

 

LED و پنل روکار LEDتوکار ,Downlightچراغ فروتاب ,LED لامپ

LED و پنل روکار LEDتوکار ,Downlight چراغ فروتاب ,LED لامپ 

امروزه تحقیقات فراوانی جهت تولید LED ها در پکی جهای مختلف و افزایش بهرهٔ نوری و کاهش تلفات حرارتی آنها در جریان است.

طراحی و توسعهٔ محصولات مبتنی بر LED نیز در حال حاضر بسیار پرشتاب است و در آیند های نزدیک 

شاهد قیمت تمام شدهٔ کمتر و بهرهٔ نوری بیشتر برای این محصولات خواهیم بود.

از ویژگی های منابع نوری LED می توان به بهرهٔ نوری بالا، طول عمر بالا، تنوع رنگ نور، تنوع شکل و

ابعاد منابع نوری LED اشاره کرد. ضمناً این گونه منابع نوری به علت ماهیت الکترونیکی ای که دارند،

امکان هوشمند سازی و نیز به کارگیری آنها در پنل های نمایشی جهت نورپردازی های پویا تسهیل شده است.

زمان روشن شدن سریع، عملکرد مناسب در دماهای پایین، عدم حساسیت به کلیدزنی از دیگر مزایای این منابع

نوری به حساب می آید. ب همنظور عدم افت شار نوری سریع و کاهش طول عمر LED ، دفع حرارت تولید

شده در LED ها با انتخاب هی تسینک (گرما گیر) مناسب و اتصال مناسب LED ها به آنها باید صورت پذیرد.

در صورتی که حرارت تولید شده در LED به درستی دفع نشود، گرما منجر به کاهش شار نوری یا حتی سوختن نا گهانی LED می شود.

تشریح فن فناوری های SMD و COB در ساخت پکیج LED

 فناوری SMD برای پکیج های LED با توان های کم ، متوسط و بالا و با آرایش گسسته و با ابعاد متنوع پیشتر 

از فناوری COB به بازار روشنایی عرضه شده است و اکنون نیز در بسایری از لامپ ها و چراغ های  LED مورد استفاده قرار میگیرد.

واژۀ SMD برگرفته از حروف اول عبارت Surface Mounted Device است.

این مفهوم به کلی قطعات مداری اطلاق می شود که جهت مونتاژ کاملاً روی بُرد مدار چاپی قرار می گیرد

ودر مقابل قطعات مداری بنام ThroughHole که پایه های آنها از سطح مونتاژ قطعه عبور می کند،به کار برده میشود.

در شکل زیر نمونه هایی از پکیج LED با فناوری SMD نشان داده شده است.

SMD با فناوری LED نمونه هایی از پکیج

نمونه هایی از پکیج LED با فناوری SMD

نحوه قرار گیری LED ها با فناوری SMD  روی بردهای مدارچاپی با زیر لایه آلومینیومی

نحوه قرار گیری LED ها با فناوری SMD  روی بردهای مدارچاپی با زیر لایه آلومینیومی

 

این نوع بسته بندی دارای انواع مختلفی است که از آن جمله می توان به بسته بندی PLCC ، بسته بندی با زیرلایۀ سرامیکی بسته بندی با چندین اتصال 2 اشاره کرد.

مهم ترین مزیت بسته بندی PLCC قیمت پایین آن است. همچنین در این بسته بندی، LEDها روی ماژول با

فواصل معینی مونتاژ می شود تا گرما و نور تولید شده در گسترۀ وسیعی توزیع شود. در این فناوری پکیجینگ

معمولاً یک یا چند عدد تراشۀ LED در هر پکیج قرار گرفته است در بسته بندی با زیرلایۀ سرامیکی که غالباً

برای LED های توان بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

ایجاد شار نوری بالا در سطح مقطع کم از ویژگی های آن است.

هدایت حرارتی آن نیز به مراتب بهتر از هدایت حرارتی بسته بندی PLCC است.

در بسته بندی با چندین اتصال، تعداد زیادی از چیپ های LED با مساحت کوچک به صورت سری با یکدیگر

در داخل بسته بندی قرار می گیرد. لذا به علت سری شدن تراش ههای LED با یکدیگر، ولتاژ هدایت مستقیم

این نوع بسته بندی بالا است و به ازای توان برابر با بسته بندی PLCC ، جریان کاری آن کمتر است.

به علت جریان کاری پایین، این نوع بسته بندی را می توان با درایورهای ولتاژ بالا و جریان پایین تغذیه کرد

که درنتیجه امکان داشتن بازدهی بالا برای درایور مذکور به سهولت قابل دستیابی است.

همچنین عبور یک نواخت تر جریان در کل تراش هها باعث توزیع نور یکنواخت تر در کل سطح تراشه شده و بهرهٔ نوری را نیز به همراه خواهد داشت.(Cokgor, 2012)

برای استفاده از LED های SMD لازم است که آ نها را روی بر ده ای مدار چاپی مونتاژ کرد. به منظور دفع

حرارتی بهتر، لایۀ زیرین این بردها معمولاً از جنس آلومینیوم یا آلیاژهای آن است.

این نوع از بردهای مدار چاپی که از قابلیت دفع حرارتی مناسبی برخوردارند،3MCPCB نامیده می شوند.

در شکل مقابل نحوۀ قرارگیری L ED ها با فناوری SMD روی برده ای مدار چاپی با زیر لایۀ آلومینیومی (MCPCB) نشان داده شده است.

در نهایت برد مذکور با چسب ها یا خمیرهای خاصی که هادی حرارت هستند به انضمام پیچ و مهره،به هی

تسینک (گرما گیر) مناسب متصل می شود تا گرمای تولیدشده در تراشۀ LED به محیط پیرامون انتقال یابد.

لازم به توضیح است که در تراشه های LED هم علاوه بر نور مقدار زیادی گرما تولید می شود.

در صورتی که گرمای تولید شده در تراش ههای LED به نحو مناسبی به محیط خارج از تراشه انتقال نیابد

این گرما موجب کاهش شدید شار نوری LED ها و درنتیجه کاهش طول عمر محصول روشنایی می شود.

همچنین عدم انتقال مناسب گرما منجر به تغییر شدید رنگ نور تابیده شده از LED در طول کارکرد آن می شود.

لذا هرچه مقاومت حرارتی مسیر دفع گرمای تراشه بیشتر باشد، تأثیر نامطلوبی روی کیفیت محصول روشنایی خواهد داشت.

به طور کلی مقاوت حرارتی مسیر دفع گرما برای بسته بندی SMD در گسترۀ 20 تا 200 درجۀ کلوین بر وات است و در مورد

بسته بندی LED های توان بالا که روی زیر لایۀ سرامیکی نصب می شوند، مقدار مقاومت حرارتی درحدود 6 تا 12 درجۀ کلوین بر وات است.

نکتۀ دیگری که در ساخت محصول نهایی روشنایی با فناوری SMD باید مورد توجه قرار گیرد، نیاز به

مونتاژ تعداد زیادی از پکیج های LED روی برد الکترونیکی است که زمان تولید و احتمال خطا در حین تولید را افزایش می دهد.

 

 

 

جهت ادامه مطلب مبحث منابع نوری و ملحقات >>کلیک <<کنید.

 

  پانویس و منابع

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________  

  1.  Phosphor converted white LEDs
  2.  Multi-junction High Voltage
  3.  Metal-core printed circuit board

 

 

1-برگرفته از فصل دوم کتاب مروری برمفاهیم روشنایی،نورپردازی و تجهیزات مرتبط