المقالة مترجمة للكاتب [1] Bill Giovino
تعد الصمامات الثنائية (diodes) الباعثة للضوء (LED) وسيلة سهلة وفعالة من حيث التكلفة لتوفير الإضاءة. ولكن بالنسبة لبعض المشاريع، قد لا يكون مؤشر LED أحادي اللون كافيًا، وقد تكون مصابيح LED المتعددة غير عملية بسبب قيود المساحة أو التكلفة أو الطاقة. لذلك يتم استخدام مصابيح LED متعددة الألوان والتي بإمكانها إنتاج ما يصل إلى 16 مليون لون مختلف عن طريق ربطها بوحدة تحكم دقيقة (microcontroller).
يتم التعامل مع مصابيح LED كصمامات ثنائية وهي عبارة عن طبقتان من أشباه الموصلات التي تصدر ضوءًا من تقاطع p-n كما يوضح الشكل 1. وعادةً تسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط، يتدفق التيار من القطب الموجب المتصل بالسيليكون من النوع p إلى القطب السالب المتصل بالسيليكون من النوع n. وتكون مادة الوصل بين تقاطع p-n هي الجرمانيوم (Ge) أو السيليكون (Si).
الشكل 1: مصباح الصمام الثنائي الباعث للضوء LED
المصابيح أحادية اللون
تتوفر مصابيح LED بعدة ألوان، بما في ذلك الأحمر والأخضر والأصفر والأبيض والأزرق. تحتوي المصابيح أحادية اللون على قالب أشباه الموصلات والذي يتكون من مادة تولد الطول الموجي المطلوب للضوء. وليس من الضروري أن يكون لون العدسة أو الغلاف الخارجي بنفس لون الضوء المنبعث، ولكن من الأفضل أن يتم ذلك لسهولة التعرف على لون الضوء ومنع الالتباس مع مصابيح LED الأخرى.
المصابيح متعددة الألوان
بالنسبة لبعض الأنظمة التي تكون فيها المساحة والتكلفة والطاقة محدودة، من المفيد أن يكون لديك مصباح LED واحد يمكنه اشعاع أكثر من لون. عادةً ما تحتوي مصابيح LED متعددة الألوان على ثلاثة مصابيح LED، أحمر وأخضر وأزرق (RGB) مجتمعين في مصباح واحد كما يظهر الشكل 2.
الشكل 2: مصباح RGB متعدد الألوان
يتكون مصباح RGB على عدسة مستطيلة مع أربعة دبابيس للتركيب عبر لوحة المتحكم الدقيق كالاردوينو على سبيل المثال. يمكن استخدام أي من مصابيح LED الثلاثة بشكل فردي أو بالاشتراك مع المصابيح الأخرى لإنتاج ألوان مختلفة.
تتوفر مصابيح RGB LED متعددة الألوان في ثلاثة اشكال:
1- قطب موجب مشترك لجميع مصابيح LED، مع قطب سالب لكل مصباح والاجمالي أربعة دبابيس.
2- قطب سالب مشترك لجميع مصابيح LED، مع قطب موجب لكل مصباح والإجمالي أربعة دبابيس.
3- قطب موجب وسالب لكل مصباح بإجمالي ستة دبابيس.
يوضح الشكل 3 نموذج مصباح RGB بقطب موجب مشترك واقطاب سالبة فردية لكل من المصابيح الحمراء والخضراء والزرقاء. يتم توصيل القطب المشترك الموجب بمصدر الطاقة الموجب، والاقطاب السالبة يتم توصيلها بالأرضي (ground).
الشكل 3: نموذج مصباح RGB
إذا كان المشروع يحتاج إلى عرض لون واحد فقط، فيتم ذلك عن طريق تشغيل مؤشر LED واحد في كل مرة، ولكن للمشاريع التي تتطلب ألوان أكثر، يتم دمج الوان RBG معا بنسب معينة للحصول على اللون المرغوب. على سبيل المثال، للحصول على اللون الاصفر يتم تشغيل اللون الأحمر والأخضر. وللحصول على اللون السماوي، يتم تشغيل اللون الأخضر والأزرق معاً.
بالنسبة للتطبيقات الأكثر تعقيدًا، يمكن أن تغير مجموعة RGB في شدتها لتوليد ما يصل إلى 16 مليون لون. وذلك عن طريق تعديل عرض النبضة (Pulse width modulation – PWM) على كل من مصابيح LED، وذلك لكي تتوافق دورة التشغيل (duty cycle) مع شدة الإضاءة. يمكن للعين البشرية رؤية وميض يبلغ 200 هرتز أو أبطئ، ولتجنب الوميض، يجب استخدام تردد PWM بمقدار 1000 هرتز أو أسرع.
يمكن تحديد الألوان عن طريق اختصار رمز اللون كـ (R،G،B) وكل حرف يمثل القيم العشرية لشدة اللون الأحمر والأخضر والأزرق والتي تتراوح من 0 إلى 255. على سبيل المثال، رمز RGB العشري للون للأزرق هو (0،0،255)، الأرجواني (128،0،128)، والأبيض بـ (255،255،255). ولتحديد دورة التشغيل (duty cycle) لكل لون، يتم تقسيم هذه القيم على 255، وبالتالي فإن قيم دورة التشغيل للون الأزرق ستكون (100%,0%,0%)، والأرجواني (50%,0%,50%)، والأبيض (100%,100%,100%).وتكمن مشكلة مصباح RGB عندما يتم تشغيل اللون الأبيض، حيث يكون اللون الناتج ليس أبيض تماما، بل أبيض مائل للأزرق وتحدث هذه المشكلة بسبب اختلاف الأطوال الموجية للون الأحمر والأخضر والأزرق عن القيم الفعلية.
المراجع:
[1]: https://www.digikey.com/en/articles/how-to-drive-multicolor-leds
[2]: https://learn.adafruit.com/digital-led-strip
