قانون هیتز چیست؟

احتمالاً درباره قانون مور شنیده‌اید. این پیش‌بینی توسط مور در سال 1965 ارائه شد که عملکرد ریزپردازنده‌ها هر 2 سال دو برابر می‌شود. این مبتنی بر مشاهدات بود، اما ثابت شد که به طرز چشم‌گیری برای 40 سال آینده دقیق است. فقط در حال حاضر کند شده است، زیرا IC ها به برخی از محدودیت‌های اساسی فیزیکی رسیده اند.

پیش‌بینی مشابهی برای LED ها توسط رولان هیتز (2006) انجام شده است. این داده ها از اطلاعات تاریخی بسیار بیشتری پشتیبانی می‌شوند. همان‌طور که اخیراً بیان شد، پیش‌بینی می‌شود که میزان تابش دستگاه‌های LED  منحصربه‌فرد با میزان ترکیبی 35٪ در سال در حال افزایش است و هزینه هر لومن با 20٪ در سال کاهش می‌یابد. در حدی که به نظر می‌رسد تولیدکنندگان فعلی 3وات را به عنوان حداکثر توان عملی در ادوات کوچک معین کرده‌اند، می‌توان این مطلب را درنظر داشت که یک افزایش کارآیی 35٪ در سال امکان‌پذیر است.

این نرخ افزایش عملکرد پیش‌بینی‌شده کاملاً غیرقابل باور است. نویسندگان چند سال پیش پی‌گیری پیش‌بینی را شروع کردند و محاسبه کردند که کارایی در هرماه چه‌قدر خواهد بود. سال به سال، ما اعداد را بازبینی کرده‌ایم، و در حقیقت اثربخشی هم‌چنان در حال افزایش است.

ما چند سال پیش در مورد قانون او با هیتز صحبت کردیم. عقیده وی این بود که مسیری طولانی پشت سر گذاشته و ممکن است طبق گفته او هنوز هم افزایش میزان تابش ادامه داشته باشد ولی در چند سال آینده کارآیی قطعاً شروع به انحراف خواهد کرد که البته علت آن محدودیت های اساسی فیزیکی خواهد بود.

برای درک قانون هیتز، باید معنای “لومن” را در نظر بگیریم. لومن دقیقاً اندازه نور نیست، بلکه اندازه میزان نوری است که انسان با چشمان خود می‌بیند. به همین ترتیب، خیلی به نحوه کار چشم بستگی دارد. به ویژه، چشم انسان نسبت به نور سبز حساس است. بنابراین، اگر 1وات نور را در 555 نانومتر تولید کنید، 683 لومن دارید. هیچ راه ممکن برای افزایش این تعداد وجود ندارد؛ این واقعاً تقریباً یک تعریف است. البته همین مورد در مورد LED ها نیز صادق است. اگر یک چراغ 1وات قدرت داشته باشد و آن را کاملاً به 555 نانومتر برساند، به هیچ وجه از بین رفتن گرما وجود نخواهد داشت. (بدیهی است که این امر به دلیل قانون دوم ترمودینامیک در واقع امکان پذیر نیست.) بنابراین تمام این نور برابر است با 683 لومن. بنابراین کارآیی محدود به 683 لومن است.

 قانون هیتز

اکنون واقعیت این است که ما به طور معمول چراغ سبز نمی‌خواهیم. ما نور سفید می خواهیم. و از آنجا که نور سفید از رنگ های مختلفی تشکیل شده است ، لومن ها و کارآیی آن‌ها باید کمتر از 683 لومن بر وات باشد. بنابراین محدودیت واقعی کارآیی چه‌قدر است؟

بسته به نحوه تولید چراغ سفید، دو حد متفاوت وجود دارد. به یاد بیاورید که می توان نور سفید را با ترکیب مستقیم چراغ های رنگ های مختلف و یا با تابش نور با طول موج کم (مانند آبی یا اشعه ماوراء بنفش) و تبدیل آن با فسفر به رنگ سفید ایجاد کرد. روش فسفر با کارآیی بدنی فسفرها محدود است. از آنجا که آنها نور کم طول موج (= انرژی بالا) را جذب می‌کنند و از طول موج بالاتر (= انرژی پایین تر) ساطع می‌شوند، تفاوت انرژی در اثر گرما از بین می‌رود. این توسط قانون استوکس توضیح داده شده است. درحالی که محدودیت دقیق مشروط به جزئیات است (مانند آنکه چه CRI نور قابل قبول است)، تبدیل فسفر نور سفید از LED ها به حدود 238 لومن بر وات محدود می شود. توجه داشته باشید که از آنجا که چراغ‌های فلورسنت نیز ازطریق تبدیل فسفر هستند، اما با شروع از 235 نانومتر به جای 435 نانومتر، کارایی نهایی آنها به طور قابل توجهی پایین‌تر از LED ها است. درحالی که در حال حاضر آنها نیز در حال حاضر جا برای پیشرفت دارند، ولی نهایتاً چراغ‌های LED کارآمدتر از چراغ‌های فلورسنت خواهندبود.

انتشار مستقیم چراغ‌های رنگی مختلف می‌تواند مؤثرتر باشد، زیرا هیچ جذب و انتشار مجدد در آن وجود ندارد. اما از آنجایی که به رنگ‌هایی غیر از رنگ سبز نیاز است، پاسخ چشم انسان بدان معنی است که 683 Lm/W نیز به این روش قابل دست‌یابی نیست. یک مقاله اصلی توسط Ohno (2004) نشان می‌دهد که برای به‌دست آوردن CRI  قابل‌قبول، نورسفید را نمی‌توان در کارایی بالاتر از حدود 350Lm/W  ایجاد کرد.

بررسی قانون هیتز درمورد کارآمدی، بنابراین چندین سال دیگر زمان نیاز دارد. با رسیدن به حد 200 لومن بر وات، نور آبی که توسط فسفرها تبدیل می‌شود در کارآیی ثابت می‌شود. برای ادامه افزایش کارایی ، سیستم های قرمز-سبز-آبی (RGB) نیاز به پیاده سازی دارند.

درنهایت، بنابراین انتظار می‌رود که LED ها به حد نظری کارآیی برسند و در نهایت هزینه آن‌ها می‌تواند پایین‌تر از لامپ‌های رشته‌ای باشد. و بعد از آن چه می شود؟ از آنجا که کارآیی به دلیل فیزیک نمی‌تواند افزایش یابد، ممکن است منطقی باشد که تصور کنیم LED ها برای ماندن در طولانی مدت بکار روند.

سخن آخر