مقدمة: قام تشين شومينغ وآخرون من الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا بتطوير سلسلة من الصمام الثنائي الباعث للضوء ذو النقطة الكمومية باستخدام أكسيد الزنك الإنديوم الموصل الشفاف كقطب كهربائي وسيط. يمكن أن يعمل الصمام الثنائي في ظل دورات تيار متناوب إيجابية وسلبية، مع كفاءات كمية خارجية تبلغ 20.09% و21.15% على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، من خلال توصيل العديد من الأجهزة المتصلة، يمكن تشغيل اللوحة مباشرة بواسطة طاقة التيار المتردد المنزلية دون الحاجة إلى دوائر خلفية معقدة. تحت محرك 220 فولت/50 هرتز، تبلغ كفاءة الطاقة للوحة التوصيل والتشغيل الحمراء 15.70 لومن واط-1، ويمكن أن يصل السطوع القابل للتعديل إلى 25834 قرص م-2.
أصبحت الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) تكنولوجيا الإضاءة السائدة بسبب كفاءتها العالية وعمرها الطويل وحالتها الصلبة ومزايا السلامة البيئية، مما يلبي الطلب العالمي على كفاءة الطاقة والاستدامة البيئية. باعتباره صمامًا ثنائيًا لأشباه الموصلات، يمكن أن يعمل LED فقط تحت محرك مصدر تيار مباشر منخفض الجهد (DC). بسبب حقن الشحن أحادي الاتجاه والمستمر، تتراكم الشحنات وتسخين الجول داخل الجهاز، مما يقلل من الاستقرار التشغيلي لمصباح LED. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد مصدر الطاقة العالمي بشكل أساسي على التيار المتردد عالي الجهد، ولا يمكن للعديد من الأجهزة المنزلية مثل مصابيح LED استخدام التيار المتردد عالي الجهد بشكل مباشر. لذلك، عندما يتم تشغيل LED بواسطة الكهرباء المنزلية، يلزم وجود محول AC-DC إضافي كوسيط لتحويل طاقة التيار المتردد ذات الجهد العالي إلى طاقة تيار مستمر منخفضة الجهد. يشتمل محول AC-DC النموذجي على محول لتقليل جهد التيار الكهربائي ودائرة مقوم لتصحيح دخل التيار المتردد (انظر الشكل 1 أ). على الرغم من أن كفاءة التحويل لمعظم محولات AC-DC يمكن أن تصل إلى أكثر من 90%، إلا أنه لا يزال هناك فقدان للطاقة أثناء عملية التحويل. بالإضافة إلى ذلك، لضبط سطوع مؤشر LED، يجب استخدام دائرة قيادة مخصصة لتنظيم مصدر طاقة التيار المستمر وتوفير التيار المثالي لمصباح LED (انظر الشكل التكميلي 1 ب).
ستؤثر موثوقية دائرة التشغيل على متانة مصابيح LED. لذلك، فإن إدخال محولات AC-DC ومحركات التيار المستمر لا يؤدي فقط إلى تكاليف إضافية (تمثل حوالي 17% من إجمالي تكلفة مصابيح LED)، ولكنه يزيد أيضًا من استهلاك الطاقة ويقلل من متانة مصابيح LED. ولذلك، فإن تطوير أجهزة LED أو الإضاءة الكهربائية (EL) التي يمكن تشغيلها مباشرة بواسطة الفولتية المنزلية 110 فولت/220 فولت بتردد 50 هرتز/60 هرتز دون الحاجة إلى أجهزة إلكترونية خلفية معقدة أمر مرغوب فيه للغاية.
في العقود القليلة الماضية، تم عرض العديد من أجهزة الإضاءة الكهربائية التي تعمل بالتيار المتردد (AC-EL). يتكون الصابورة الإلكترونية AC النموذجية من طبقة ينبعث منها مسحوق الفلورسنت وتقع بين طبقتين عازلتين (الشكل 2 أ). إن استخدام الطبقة العازلة يمنع حقن حاملات الشحن الخارجية، وبالتالي لا يتدفق تيار مباشر عبر الجهاز. يحتوي الجهاز على وظيفة مكثف، وتحت محرك مجال كهربائي عالي التيار المتردد، يمكن للإلكترونات المولدة داخليًا أن تنفق من نقطة الالتقاط إلى طبقة الانبعاث. وبعد الحصول على طاقة حركية كافية، تصطدم الإلكترونات بمركز الانارة، منتجة الإكسيتونات ومصدرًا للضوء. ونظراً لعدم القدرة على حقن الإلكترونات من خارج الأقطاب الكهربائية، فإن سطوع وكفاءة هذه الأجهزة يقل بشكل ملحوظ، مما يحد من تطبيقاتها في مجالات الإضاءة والعرض.
من أجل تحسين أدائها، قام الناس بتصميم كوابح إلكترونية تعمل بالتيار المتردد بطبقة عازلة واحدة (انظر الشكل التكميلي 2 ب). في هذا الهيكل، خلال نصف الدورة الإيجابية لمحرك التيار المتردد، يتم حقن حامل الشحنة مباشرة في طبقة الانبعاث من القطب الخارجي؛ يمكن ملاحظة انبعاث الضوء الفعال من خلال إعادة التركيب مع نوع آخر من حاملات الشحن المتولدة داخليًا. ومع ذلك، خلال نصف الدورة السلبية لمحرك التيار المتردد، سيتم تحرير ناقلات الشحن المحقونة من الجهاز وبالتالي لن ينبعث منها ضوء. ونظرًا لحقيقة أن انبعاث الضوء يحدث فقط خلال نصف دورة القيادة، فإن كفاءة جهاز التيار المتردد هذا أقل من أجهزة التيار المستمر. بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لخصائص السعة الخاصة بالأجهزة، فإن أداء التألق الكهربائي لكلا جهازي التيار المتردد يعتمد على التردد، وعادةً ما يتم تحقيق الأداء الأمثل عند ترددات عالية تصل إلى عدة كيلو هرتز، مما يجعل من الصعب توافقها مع طاقة التيار المتردد المنزلية القياسية عند مستويات منخفضة. الترددات (50 هرتز/60 هرتز).
مؤخرًا، اقترح أحد الأشخاص جهازًا إلكترونيًا يعمل بالتيار المتردد يمكنه العمل بترددات 50 هرتز/60 هرتز. يتكون هذا الجهاز من جهازين متوازيين للتيار المستمر (انظر الشكل 2ج). من خلال قصر دائرة الأقطاب الكهربائية العلوية للجهازين وتوصيل الأقطاب الكهربائية السفلية بمصدر طاقة تيار متردد، يمكن تشغيل الجهازين بالتناوب. من منظور الدائرة، يتم الحصول على جهاز AC-DC هذا عن طريق توصيل جهاز أمامي وجهاز عكسي على التوالي. عندما يتم تشغيل الجهاز الأمامي، يتم إيقاف تشغيل الجهاز العكسي، ويعمل كمقاوم. نظرًا لوجود المقاومة، فإن كفاءة التألق الكهربائي منخفضة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأجهزة التي ينبعث منها ضوء التيار المتردد أن تعمل فقط بجهد منخفض ولا يمكن دمجها مباشرة مع الكهرباء المنزلية القياسية 110 فولت/220 فولت. كما هو مبين في الشكل التكميلي 3 والجدول التكميلي 1، فإن الأداء (السطوع وكفاءة الطاقة) لأجهزة طاقة AC-DC المُبلغ عنها والتي يقودها جهد التيار المتردد العالي أقل من أداء أجهزة التيار المستمر. حتى الآن، لا يوجد جهاز طاقة AC-DC يمكن تشغيله مباشرة بالكهرباء المنزلية بجهد 110 فولت/220 فولت، 50 هرتز/60 هرتز، ويتميز بكفاءة عالية وعمر افتراضي طويل.
قام تشين شومينغ وفريقه من الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا بتطوير سلسلة من الصمام الثنائي الباعث للضوء ذو النقطة الكمومية باستخدام أكسيد الزنك الإنديوم الموصل الشفاف كقطب وسيط. يمكن أن يعمل الصمام الثنائي في ظل دورات تيار متناوب إيجابية وسلبية، مع كفاءات كمية خارجية تبلغ 20.09% و21.15% على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، من خلال توصيل العديد من الأجهزة المتصلة المتسلسلة، يمكن تشغيل اللوحة مباشرة بواسطة طاقة التيار المتردد المنزلية دون الحاجة إلى دوائر خلفية معقدة. تحت محرك 220 فولت/50 هرتز، تبلغ كفاءة الطاقة للوحة التوصيل والتشغيل الحمراء 15.70 lm W-1، ويمكن أن يصل السطوع القابل للتعديل إلى 25834 شمعة م-2. يمكن للوحة LED ذات النقاط الكمومية المطورة للتوصيل والتشغيل إنتاج مصادر إضاءة اقتصادية ومدمجة وفعالة ومستقرة يمكن تشغيلها مباشرة بواسطة كهرباء التيار المتردد المنزلية.
مأخوذة من موقع Lightingchina.com
وقت النشر: 14 يناير 2025