تاریخچه نور و روشنایی از مشعل‌های روغنی تا تکنولوژی LED و SMD

چگونه روشنایی از غارها به خانه‌های ما راه یافت؟

بشریت همواره دنبال یافتن راهی برای روشن کردن شب‌های تاریک خودش بوده و حتی قبل از شکل‌گیری تمد‌ن‌ها با این نیاز دست و پنجه نرم می‌کرده است.  میل به نور در درون انسان‌ها باعث شد که شب‌ها علیرغم تاریکی زمین به زندگی خود ادامه دهند و این ویژگی ساختاری طبیعت نتوانست اراده انسان برای در جریان بودن زندگی در کل ساعات شبانه را متوقف کند.

اولین چراغ در حدود 70000 سال قبل از میلاد اختراع شد. یک سنگ توخالی، پوسته یا سایر اشیا یافت شده طبیعی پر از خزه یا مواد مشابه بود که با چربی حیوانات آغشته شده و مشتعل می‌شد. انسان‌ها با ظروف سفالین دست‌ساز، آلبستر و لامپ‌های فلزی تقلید از اشکال طبیعی را آغاز کردند. بعداً فیتیله‌هایی برای کنترل میزان سوختن اضافه شدند. درحدود قرن 7 قبل از میلاد، یونانی‌‌ها شروع به ساخت لامپ‌های سفالی برای جایگزینی مشعل‌های دستی کردند. کلمه لامپ از کلمه یونانی lampas گرفته شده است.

1- چراغ‌های روغن

در قرن هجدهم، مشعل مرکزی اختراع شد که پیشرفت عمده‌ای در طراحی لامپ است. منبع سوخت در یک محفظه‌ی فلزی قرار داده شده بود و برای کنترل شدت سوختن و شدت نور از یک لوله فلزی قابل تنظیم استفاده شده بود. تقریباً در همان زمان، دودکش‌های کوچک شیشه‌ای استوانه‌ای به لامپ‌ها اضافه شدند تا هم از شعله محافظت کنند و هم جریان هوا به شعله را کنترل کنند. آمی ارگند، یک شیمیدان سوئیسی اولین عامل استفاده از یک چراغ روغن با یک فتیله مدور توخالی است که در سال 1783 توسط دودکش شیشه‌ای احاطه شده است.

سوخت‌های روشنایی اولیه شامل روغن زیتون، موم، روغن ماهی، روغن نهنگ، روغن کنجد، روغن مغز و مواد مشابه بودند. در سال 1859، حفاری برای نفت شروع شد و چراغ نفت سفید (مشتق شده از نفت) محبوب شد و اولین بار در سال 1853 در آلمان معرفی شد. لامپ‌های زغال سنگ و گاز طبیعی نیز در حال گسترش بودند. گاز ذغال سنگ برای اولین بار به عنوان سوخت روشنایی در اوایل سال 1784 استفاده شد.

2- چراغ‌های گازی

در سال 1792، اولین استفاده تجاری از روشنایی گاز هنگامی آغاز شد که ویلیام مرداک از گاز ذغال سنگ برای روشنایی خانه خود استفاده کرد. فریدریش وینزر (وینسور) مخترع آلمانی اولین شخصی بود که در سال 1804 نور گاز زغال سنگ را ثبت اختراع کرد و ترمولامپی با استفاده از گاز تقطیر شده از چوب در سال 1799 ثبت اختراع شد.
در اوایل قرن نوزدهم، بیشتر شهرهای ایالات متحده و اروپا خیابان‌هایی داشتند که چراغ گاز داشتند. روشنایی گاز برای خیابان‌ها جای خود را به فشار کم سدیم و فشار زیاد جیوه در دهه 1930 داد و توسعه روشنایی الکتریکی در آغاز قرن نوزدهم جایگزین روشنایی گاز در خانه‌ها شد.

3-لامپ‌های قوس الکتریکی

سر همفری دیوی شیمیدان بریتانیایی از انگلستان اولین لامپ قوس کربنی برقی را در سال 1801 اختراع کرد. این اختراع اولین گام در تولید نور با انرژی الکتریکی بود. یک لامپ قوس کربنی با قلاب زدن دو میله کربن به یک منبع  برق کار می‌کند. جریان الکتریکی از طریق "قوس" کربن بخار شونده عبور می‌کند و یک نور شدید سفید ایجاد می‌کند. در این چراغ باتری به عنوان مولد جریان الکتریسیته عمل می‌کرد. این دانشمند در حین آزمایشات با نیروی الکتریسیته، موفق شد اولین باتری الکتریکی را بسازد. اما متاسفانه عملاً کارایی نداشت! چرا که پایداری این روشنایی به دلیل حرارت زیاد کوتاه می‌شد و میزان درخشش آن نیز به اندازه نیاز نبوده و در ضمن از زیبایی ظاهری نیز برخوردار نبوده و قابلیت نصب و استفاده در منازل را نداشت. تمام لامپ‌های قوس الکتریکی از جریان عبوری در انواع مختلف پلاسمای گاز استفاده می‌کنند. AE Becquerel از فرانسه در مورد لامپ فلورسنت در سال 1857 نظریه‌پردازی کرد. چراغ‌های کم فشار از یک لوله بزرگ پلاسمای گاز کم فشار استفاده می‌کنند و شامل چراغ‌های فلورسنت و علائم نئون است.

4- اولین لامپ‌های رشته‌ای (التهابی) برقی

سر جوزف سوان از انگلیس و  توماس ادیسون از آمریکا  هر دو در طول دهه 1870 اولین لامپ‌های رشته‌ای الکتریکی را اختراع کردند. 

در لامپ رشته‌ای نور بر اثر عبور جريان از يك رشته رسانا توليد می‌شود. این رشته مقاومت در برابر جریان الکتریکی از خود نشان می‌دهد. بر اثر این مقاومت، رشته به درجه حرارت بالا می‌رسد، رشته ملتهب، طبق قانون جسم سیاه از خود نور تابش می‌کند.
چراغ توماس ادیسون اولین چراغ رشته‌ای تجاری موفق (حدود سال 1879) شد. ادیسون حق ثبت اختراع آمریکایی را برای لامپ رشته‌ای خود در سال 1880 دریافت کرد. لامپ‌های رشته‌ای هنوز هم به طور منظم در خانه‌های ما استفاده می‌شوند.
ایده اولیه طراحی لامپ رشته‌ای را توماس آلوا ادیسون از دو مخترع به نام‌های هنری وودوارد و متیو ایوان به منظور بهبود و تجاری نمودن آن دریافت نمود. ادیسون تحقیقاتی بسیار جدی از سال 1878 در خصوص تولید لامپ حبابی با نور مناسب و عمر قابل قبول را با نام "بهبود در روند چراغ‌های برقی" آغاز کرده بود. تا اینکه هنری وودوارد از تورنتو، که به همراه متیو ایوانز در سال 1875 یک لامپ را ثبت اختراع کردند. لامپ آنها از استوانه شیشه‌ای پر شده از گاز نیتروژن و دو میله الکترودی که از طریق نوار رشته‌ای از جنس کربن به هم متصل می‌شدند ساخته شده بود، دو کارآفرین نتوانستند بودجه مالی را برای تجاری سازی اختراع خود جمع کنند. توماس ادیسون آمریکایی مبتکر، که روی همان ایده کار کرده بود، حق ثبت اختراع خود را خریداری کرد. ادیسون با استفاده از جریان کم، یک رشته کوچک گازدار در داخل کره شیشه‌ای تخلیه شده از هوا قرار داد و اولین لامپ رشته‌ای را اختراع کرد.
در حال حاضر در ساخت لامپ رشته‌ای از ترکیب گاز آرگون و نیتروژن  و حباب سودا لایم به شکل و اندازه‌های مختلف استفاده می‌کنند و برای شار نوری  و عمر بیشتر  از فیلامنت یا همان رشته تنگستن دوبار پیچیده شده Coiled Coil استفاده می‌شود.  

بهره نوری میانگین لامپ‌های رشته‌ای در حدود 12 لومن بر وات و عمر متوسط آنها 1250 ساعت می‌باشد. در این نوع لامپ‌ها 95 درصد انرژی الکتریکی استفاده شده به گرما تبدیل می‌شود و 5 درصد آن به نور تبدیل می‌شود. به همین دلیل استفاده از این نوع لامپ‌ها در جوامع امروزی بدلیل نیاز به هزینه زیاد برای تولید انرژی، مقرون به صرفه نمی‌باشد.

لامپ‌های تنگستن هالوژنی

 اساس کار لامپ‌های هالوژنی همچون لامپ رشته‌ای می‌باشد ولی برای افزایش طول عمر لامپ نزدیک به دو برابر نوع گاز و  طراحی رشته تنگستنی متفاوت می‌باشد. برحسب مقدار فشار گاز داخل لامپ به دو دسته كلی تقسيم می‌شوند:

1- لامپ‌های پر فشار:

فشار گاز داخل اين‌ گونه لامپ‌ها بين 2 تا 4 برابر فشار جو است و بايد آن‌ها را در چراغ‌های مناسب به كار برد و كاربرد آن‌ها نيز خاص است (استوديوهای عكاسی و فيلمبرداری).

2- لامپ‌های  كم فشار:

فشار  گاز   داخل   اين   لامپ‌ها   كمتر از و يا  در حدود فشار جو  است  و  برای  مصارف  عمومی  مورد استفاده قرار می‌گيرد. كيفيت رنگ  اين  لامپ‌ها  به  خوبی دسته اول نيست ولی رعايت نكات ايمنی در مورد آن‌ها نيز الزامی است.
گاز هالوژنی، برقراركننده چرخه هالوژنی است كه به طول عمر فيلامنت  كمك  می‎‌كند  و  نيز  نوع  (و تركيبات)  هالوژن  به كار رفته  و ميزان آن در تعيين رنگ  و دمايی رنگ نور گسيل شده از اين نوع لامپ‌ها نقش اساسی دارد. 

دلایل میل به تغییر لامپ‌های رشته‌ای

به دلیل بالا بودن مصرف انرژی برق لامپ‌های رشته‌‌ای و استفاده از سوخت فسیلی در نیروگاه‌های برق، لامپ‌های رشته‌ای یکی از عوامل گرم شدن زمین به شمار می‌‌روند و حفاظت از نیرو و انرژی می‌طلبید که تکنولوژی جدیدی در صنعت روشنایی بوجود بیاید.

5- لامپ‌های تخلیه گازی:

گازها در حالت عادی الکترون آزاد ندارند و هادی جریان الکتریسیته نیستد. یک روش ساده برای تحریک اتم‌های گاز و تولید نور، عبور دادن الکترون‌های پر انرژی از داخل گاز است که در برخورد به اتم‌های خنثی گاز سبب تحریک آنها می‌شود.

1- لامپ تخلیه گازی کم‌فشار: 

اصول اساسی لامپ‌های فلورسنت (لامپ تخلیه گازی کم‌فشار)

  لامپ‌های فلورسنت لوله‌ای مورد مصرف در كاربردهای روشنایی عمومی، اساساً لامپ‌های تخليه الكتريكيی، كم‌فشار با كاتد داغ (ARC MODE) هستند. تخليه الكتريكی در بخار جيوه با فشار كم صورت می‌گيرد. اساس كار همه لامپ‌های تخليه الكتريكی در بخارهای فلزی است. طول این لامپ‌ها نسبتاً زياد هستند. مثلاً طول لامپ 40 وات فلورسنت 1200 میلی‌متر و شار نور آن در حدود 2700 لومن است. این لامپ ‌ها همچنین طول عمری در حدود 10000 ساعت دارند که تقریباً 10 برابر لامپ رشته‌ای می‌باشد. همچنین بهره نوری لامپ‌های فلورسنت درحدود 65 لومن بر وات می‌باشد که صرفه‌جویی بالایی در مصرف انرژی را نشان می‌دهد. انرژی الكتريكی مصرف شده در تخليه الكتريكی به طور عمده به صورت تابش الكترومغناطيسی در ناحيه فرابنفش (UV) طيف صورت می‌گيرد. نوعاً، در حدود 63 درصد آن به صورت تابش UV-C در طول موج‌های 185 نانومتر و 254 نانومتر كه هر دو خط‌های تشديد تابش در طيف اتمی جيوه هستند تبديل می‌شوند. همچنين برخی تابش UV با طول موج‌های بلندتر نيز در اين طيف وجود دارند. 

 UV-A:320-400 nm        UV-B:290-320 nm     UV-C:180-290 nm

مقدار بسيار كمی انرژی، در حدود 3 درصد، از انرژی به طور مستقيم در فرايند تخليه الكتريكی به نور مرئی تبديل می‌شود. تابش فرابنفشی كه در فرايند تخليه به وجود می‌آيد به مواد پوشش يا اندود فسفرب روب جدار داخلب تيوب فرود می‌آيد. انرژی پرتوهای UV توسط مواد فسفری، جذب شده و بخشی از اين انرژی تبديل شده و به صورت نور مرئی از لامپ گسيل می‌شود، فرايند اصلی توليد نور در يك لامپ فلورسنت شامل دو گام كاملاً متمايز است كه آن را در زير نشان داده‌ايم:

طرح مقدماتی برای ساخت یک لامپ فلورسنت در شکل زیر نشان داده شده است.

 

لامپ‌های کم‌مصرف فشرده (لامپ‌های فلورسنت فشرده):

در سال 1938 پیشرفت لامپ‌ها منجر به تولید لامپ‌های کم‌مصرف شد و توسط کمپانی جنرال‌الکتریک به تولید گسترده رسید. همان طور كه از نامش برمی‌آيد، اين لامپ‌ها واقعاً لامپ فلورسنت هستند و چنان طراحی شده‌اند كه فضای در برگيرنده آن به قدر كافی در هم فشرده شده است كه بتوان آن‌ها را در چراغ‌های متداول مربوط به لامپ‌های (رشته‌ای) التهابی جايگزين كرد. اين لامپ‌‌ها از لوله‌های شيشه‌ای با قطرهای خيلی کم، در محدوده 6 تا 16 ميلی‌متر ساخته شده ‌اند. لوله‌های شیشه‌ای خم شده و به هم جوش داده شده‌اند كه يك لامپ خيلی درهم فشرده را به وجود آوردند. امروزه شکل‌های متفاوتی از این لامپ‌ها در بازار عرضه .شده است

CFL لامپ‌های بالاست سرخود:

  اين گروه عبارت است از تيوب‌های لامپی که به همراه مدار كنترل به صورت يكپارچه در‌آمده‌اند و در واقع يك واحد روشنايی كامل، به همراه كلاهك پيچی اديسونی يا كلاهك دو ميخی هستند.  مدار كنترل همواره در داخل يك محفظه قرار داده می‌شود ولی قسمتی كه شامل تيوب می‌شود ممكن است به طور اختياريی در داخل يك حباب حفاظتی خارجی نیز قرار داده ‌شود. وقتي كه حباب خارجی مورد استفاده قرار می‌گيرد، ممكن است شفاف، مشجر، مات يا دارای بازتابنده باشد كه اشكال و اندازه‌های متفاوتی دارند. مدار كنترل‌كننده در لامپ ممكن است يك بالاست القايی يا يك بالاست الكترونيكی باشد كه لامپ را در بسامد بالا راه‌اندازی می‌كند. آن‌ها را می‌توان در نگهدارنده‌های استاندارد لامپ‌های التهابی به صورت مستقيم به عنوان جايگزين لامپ التهابی  استفاده نمود.

 

2- لامپ تخلیه گازی پرفشار:

در كليه لامپ‌های اين  گروه برای ايجاد نور از فرآيند تخليه الكتريكی در يك بخار  فلزی  استفاده  مي‌‎شود.  بنابراين  همه  لامپ‌های اين  گروه  دارای  يك كپسول داخلی است كه از نوعی بخار فلزی پر شده است. اين كپسول را برنر، آرك تيوب يا مشعل می‌خوانند.

جنس آرك تيوب  به نوع بخار فلزی داخل آن بستگی دارد. در مورد لامپ‌های جيوه‎ای  و  متال  هالايد  آرك  تيوب  از جنس شيشه كوارتز است و در سال‌های اخير آرك  تيوب  لامپ‌های  متال  هالايد  را از جنس سراميك ساخته‎‌اند. آرك  تيوب‌ها   در  واقع   يك  لامپ  كامل   هستند  كه معمولاً‌  شامل  دو الكترود  بوده  و  با  نوعی  گاز  پر شده‎‌اند.  آرك  تيوب  به  همراه  يك قاب و تجهيزاتی  مانند  حباب، ليداين واير، فلر، اگزوست تيوب، كلاهك  و چسب در فرآيندی نه  خيلی متفاوت با توليد لامپ التهابی به يك لامپ تبديل می‌شود كه طول عمری نسبتاً طولانی دارد. لامپ‌های بخار جيوه پرفشار، لامپ‌های بخار سديم پرفشار، لامپ‌های متال هالايد، لامپ‌های سديم گزنونی (DS) و لامپ‌های گزنونی از این گروه می‌باشند.

 روشنایی حاصل از نیمه هادی‌ها: تکنولوژی LED | SMD | COB:

دیود منتشر کننده نور (Light Emitting Diode)) دردنیایی که به سمت اتمام منابع انرژی طبیعی پیش می‌رود استفاده  بهینه از انرژی‌های موجود، ازمسائل مهم روز محسوب می‌شود. از جمله محصولات مطرح دنیای الکترونیک دیودهای منتشرکننده نور می باشند.

برای اولین بار در در سال۱۹۶۲در مقیاس صنعتی تولید و به بازار عرضه شد. در آن سال ال‌ای‌دی تنها به رنگ قرمز و با ترکیب آلومینیوم، گالیم،آرسناید بود. اوایل دهه هفتاد میلادی ال‌ی‌دی  در رنگ‌های دیگر (سبز، آبی، زرد، نارنجی) تولید شدند. در این سال‌ها کارایی ال‌ای‌دی و بهره نوری آن‌ها مرتب در حال افزایش بود. در این سال‌ها کارایی ال‌ای‌دی و بهره نوری آن‌ها مرتب در حال افزایش بود. در سال‌های دهه ۸۰ و اوایل دهه نود میلادی، کارایی ال‌ای‌دی  به میزان قابل توجهی افزایش یافت و به صورت گروهی ماجولار (Modular) به بازار عرضه شدند.

 در سال ۱۹۹۷ ال‌ای‌دی هایی که نور سفید را به روش الکترولومینانس تولید می‌کردند به بازار معرفی شدند. در سال‌های اولیه بهره نور ال‌ای‌دی‌ها پایین بود و تنها در مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. امروزه  بهره نوری به بالای 100 نیز رسیده است و دارای طول عمر بسیار بالایی در حدود 25000 ساعت و گاهاً در برخی  انواع دیگر تا 50000 ساعت نیز دیده می‌شود.

 

نسل‌های مختلف دیودهای تابنده:

 1- مدلDIP:

 نسل اول ال‌ای‌دی‌ها هستند و بهره‌ نوری بسیار پایین داشتند به همین منظور تنها در مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

2- مدل  SMD | COB:

نسل جدید لامپ‌های ال‌ای‌دی SMD نام دارد در فناوری تولید این لامپ‌ها از سیم استفاده نمی‌شود و اجزای از پیش ساخته شده روی مداری لحیم می شوند که برد بسیار نازکی دارد.
نسل بعدی تکنولوژی COB می‌باشد که دیود مستقیماً روی برد قرار دارد و در چراغ‌های وات بالا بدلیل بالا بودن توان هر کدام استفاده می‌شود.

 

ویژگی های لامپ‌های COB | SMD | LED:

1- عدم ایجاد آلودگی برای محیط زیست
2- ثبات تابش نور
3- مقاومت در برابر آب و گردوغبار (مناسب نورپردازی های خارج از محیط‌های مسقف)
4-بی صدا بودن مدار
5-هزینه تولید پایین
6- عدم آلودگی جیوه
7- عدم فلیکر یا سوسو

بیشتر بخوانید: