CÔNG NGHỆ ĐÈN LED - NHỮNG ĐIỀU BẠN CẦN BIẾT

Công nghệ chiếu sáng đã phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua nhờ những cải tiến mới trong công nghệ LED. Đèn LED, viết tắt của Light-Emitting Diodes, đã được sử dụng rộng rãi kể từ khi được giới thiệu thương mại cách đây gần sáu thập kỷ như một đèn báo đơn giản cho các vật dụng như bảng điều khiển, dàn âm thanh và nhiều loại thiết bị điện tử khác. Ngày nay, đèn LED đã phát triển đến mức đáp ứng được một số ứng dụng chiếu sáng khắt khe nhất trên hành tinh.

Trong khi khái niệm cơ bản đằng sau công nghệ này tương tự như của hầu hết các loại chiếu sáng khác, có sự khác biệt đáng kể về cách thức hoạt động của công nghệ LED so với tất cả các loại chiếu sáng khác. Hiểu được những khác biệt này là điều quan trọng khi mua sắm các tùy chọn chiếu sáng LED, đặc biệt là đối với những người đang thay thế các thiết bị truyền thống hiện có như các thiết bị sử dụng công nghệ huỳnh quang, HID và sợi đốt.

Lịch sử hình thành

Sự khởi đầu của công nghệ LED bắt nguồn từ việc phát hiện ra điện phát quang vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm người Anh H.J. Round of Marconi Labs bằng cách sử dụng tinh thể cacbua silicon và máy dò tinh thể. Điều này đã tạo nền tảng cho việc tạo ra đèn LED đầu tiên vào năm 1927 bởi nhà phát minh người Nga Oleg Losev, người đã chia sẻ nghiên cứu của mình trên các tạp chí khoa học của Liên Xô, Đức và Anh.

Trong những thập kỷ tiếp theo, đã có nhiều thử nghiệm và tiến bộ đề cập đến khái niệm đèn LED trong những thập kỷ sau công trình của Losev. Tuy nhiên, phải đến khi James R. Board và Gary Pittman của Texas Instruments phát hiện ra sự phát xạ ánh sáng gần hồng ngoại vào năm 1961, thực tế của việc sử dụng đèn LED trong thực tế mới được thực hiện. Vào ngày 8 tháng 8 năm 1962, hai kỹ sư đã nộp bằng sáng chế cho “Điốt bức xạ bán dẫn” dựa trên công trình của họ, mà Văn phòng Bằng sáng chế Hoa Kỳ đã cấp cho điốt phát quang tia hồng ngoại GaAs của họ, theo Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 3.293.513.

Công việc từ Texas Instruments đã được Hewlett-Packard (HP) mở rộng để tạo ra đèn LED hiệu quả về chi phí cho thị trường thương mại. Bắt đầu từ năm 1962, HP đã tham gia vào nghiên cứu và phát triển để tìm ra cách cải thiện hiệu suất của đèn LED, đồng thời giảm chi phí để chúng được sử dụng trong các mặt hàng tiêu dùng và điện tử thông thường. Ngoài nhóm R&D của riêng HP, còn có những nỗ lực hợp tác với Công ty Monsanto, công ty vào thời điểm đó là nhà sản xuất duy nhất vật liệu bán dẫn Gali Arsenide Phosphide thô, một thành phần quan trọng của đèn LED.

Nỗ lực hợp tác nghiên cứu và phát triển này đã được đền đáp vào năm 1968, với sự ra đời đồng thời của màn hình LED của HP và đèn báo LED của Mosanto. Đây là những sản phẩm LED khả thi về mặt thương mại đầu tiên và gây ra cuộc cách mạng trong chiếu sáng màn hình kỹ thuật số, thay thế ống nixie làm công nghệ hiển thị chính cũng như đèn neon và sợi đốt cho đèn báo. Trong vài thập kỷ tiếp theo, công nghệ LED tiếp tục được cải thiện, cung cấp thêm màu sắc cũng như tăng độ bền, tuổi thọ và hiệu suất tổng thể.

Với sự ra đời của Đèn LED công suất cao (HP-LED) trong thập kỷ qua, đèn LED đã hoàn toàn thống trị hầu hết mọi ứng dụng chiếu sáng có thể hiểu được đang tồn tại. Bắt đầu trong các ứng dụng đặc biệt như đèn pin và đèn chiếu nhỏ gọn cho các ứng dụng thương mại, quân sự và công nghiệp, HP-LED đã tiến sâu vào các ứng dụng chiếu sáng dân dụng phổ biến, chẳng hạn như đèn LED ống, bóng đèn và thậm chí cả các thiết bị chiếu sáng LED chuyên dụng.

Với HP-LED, chất lượng ánh sáng được tạo ra đã dần được cải thiện cùng với sản lượng lumen. Chất lượng ánh sáng này, được đo bằng Chỉ số hoàn màu (CRI), hiện đã vượt qua thực tế mọi loại đèn khác ngoài ánh sáng ban ngày tự nhiên. Tuân theo định luật Haitz, sự tiến bộ tổng thể của công nghệ LED sẽ tiếp tục tăng theo cấp số nhân với chi phí tỷ lệ nghịch làm cho công nghệ trở nên kinh tế hơn để sử dụng rộng rãi.

Đèn LED hoạt động như thế nào

Như đã đề cập, điốt phát sáng hoạt động theo khái niệm cơ bản giống như các nguồn chiếu sáng truyền thống – chúng tạo ra ánh sáng bằng dòng điện chạy qua chúng. Tuy nhiên, đây là điểm kết thúc với sự tương đồng giữa chúng. Không giống như các nguồn chiếu sáng truyền thống dựa vào nhiệt hoặc phản ứng hóa học để tạo ra ánh sáng, đèn LED dựa vào chất bán dẫn cho nguồn sáng của chúng. Đây là một công nghệ độc đáo mang lại những lợi ích công nghệ đáng kể và tiềm năng phát triển lớn hơn nhiều.

Để giải thích cách thức hoạt động của đèn LED, điều quan trọng trước tiên là phải hiểu chất bán dẫn là gì và nó hoạt động như thế nào. Chất bán dẫn là vật liệu có khả năng dẫn dòng điện thay đổi. Điốt phát quang là một số loại bán dẫn đơn giản nhất đang tồn tại. Hầu hết các chất bán dẫn đều có tạp chất được thêm vào để cho phép các điện tử chạy qua, vì bản thân vật liệu bán dẫn tinh khiết của chúng là một chất dẫn điện kém. Khi một chất bán dẫn có thêm tạp chất, điều này được gọi là pha tạp.

Các chất bán dẫn này được làm bằng nhôm-gali-arsenide (AlGaAs). Khi vật liệu này được pha tạp chất, nó có thể thêm các điện tử tự do hoặc tạo ra các lỗ trống trong vật liệu nơi các điện tử có thể đi tới. Khi một chất bán dẫn có thêm các electron, nó được gọi là vật liệu loại N vì nó có thêm các hạt mang điện tích âm. Khi có thêm các lỗ trống trong chất bán dẫn, nó được gọi là vật liệu loại P vì nó có thêm các hạt mang điện tích dương.

Cấu tạo cơ bản của một diode bao gồm một phần vật liệu loại N và loại P được liên kết với nhau bằng các điện cực ở mỗi đầu. Trong cách sắp xếp này, điện chỉ được dẫn theo một hướng duy nhất. Khi không có điện áp đặt vào, một vùng suy giảm được tạo ra giữa vật liệu loại P và N, khôi phục chất bán dẫn về trạng thái cách điện ban đầu nơi không có electron hoặc dòng điện nào có thể chạy qua.

Để vùng suy giảm bị loại bỏ, các điện tử phải được chuyển từ vùng loại N sang vùng loại P, cũng như các lỗ trống theo hướng ngược lại. Một khi điều này xảy ra thông qua một điện áp đủ đáng kể, vùng cạn kiệt sẽ bị loại bỏ và điện tích di chuyển qua diode. Chính sự tương tác này giữa các electron và lỗ trống tạo ra ánh sáng nhìn thấy trong đèn LED.

Cụ thể, ánh sáng do đèn LED tạo ra thực sự là kết quả của việc giải phóng các photon từ sự chuyển động của các electron này từ quỹ đạo này của nguyên tử sang quỹ đạo khác. Khoảng cách giữa các obitan càng lớn thì năng lượng do êlectron giải phóng ra trong quá trình tương tác càng lớn và tần số ánh sáng tạo ra càng cao. Ngược lại, khoảng cách giữa các obitan càng ngắn thì năng lượng giải phóng trong quá trình tương tác càng thấp và tần số càng thấp. Các tần số thấp hơn thường nằm trong phần hồng ngoại của quang phổ ánh sáng, nghĩa là mắt người không nhìn thấy được.

Sự biến đổi này trong sự thay đổi quỹ đạo của electron là nguyên nhân dẫn đến nhiều tùy chọn nhiệt độ màu có sẵn trong đèn LED ngày nay. So với chiếu sáng truyền thống với nhiệt độ màu cố định hoặc bị hạn chế, đèn LED cung cấp nhiều khả năng gần như vô tận cho mọi loại bóng đèn. Trên thực tế, một số thiết bị đèn LED cung cấp tùy chọn để người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa các nhiệt độ màu khác nhau.

Cấu tạo tổng thể

Ngoài diode bán dẫn, cần có một số thành phần quan trọng khác của đèn LED để nó hoạt động. Chúng bao gồm khung chì, khoang phản chiếu, liên kết dây và thấu kính hoặc vỏ epoxy. Một số thiết kế LED nhất định có thể bao gồm các bộ phận bổ sung hoặc có độ tinh vi cao hơn, nhưng tất cả đều chứa các bộ phận cơ bản này. Dưới đây là danh sách chi tiết của từng thành phần này.

Mặt tiếp xúc – Bên ngoài khuôn bán dẫn, mặt tiếp xúc là trái tim của chip LED. Điều này bao gồm một mặt tiếp xúc, được tích điện âm và giữ chính vật liệu bán dẫn, và trụ được tích điện dương và chứa dây cung cấp điện vào khuôn. Hai thành phần này của khung dẫn không tiếp xúc vật lý và chỉ được kết nối thông qua liên kết dây.

Khoang phản xạ – Đây là vật liệu phản xạ bao quanh khuôn bán dẫn, hướng tất cả ánh sáng ra ngoài về phía thấu kính.

Dây liên kết – Đây là sợi dây nhỏ chạy từ trụ đến trung tâm của khuôn bán dẫn, cung cấp cho nó dòng điện.

Ống kính / Vỏ Epoxy – Điều này cung cấp khả năng bảo vệ và ổn định cấu trúc cho đèn LED, gắn chặt tất cả các thành phần vào đúng vị trí. Nó cung cấp một mức độ bảo vệ va đập, cũng như khả năng chống rung động đáng kể, rất quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp hoặc hiệu suất cao.

Các loại công nghệ

 

Tất cả các Điốt phát quang đều được chế tạo trên nguyên tắc và các thành phần cơ bản giống nhau. Tuy nhiên, có một số khác biệt đáng kể trong thiết kế giữa các công nghệ khác nhau này, được trình bày chi tiết trong các sơ đồ sau.

 

Diode tiêu chuẩn – Đây là dạng LED cơ bản nhất và cũng là dạng lâu đời nhất. Nó liên quan đến một mạch tương đối đơn giản bao gồm một cái đe và một cái trụ, với một liên kết dây dẫn điện kết nối cái trụ với vật liệu bán dẫn trong cái đe. Tất cả các thành phần này được bọc trong một ống kính / vỏ bọc bằng nhựa epoxy, với các kết nối cực dương và cực âm sẵn sàng để dễ dàng hàn vào bo mạch.

SMD LED – Viết tắt của “Surface Mount Device”, đèn LED này độc đáo ở chỗ thay vì là các bộ phận riêng lẻ được hàn thủ công vào bảng, chúng thực sự được gắn vào chính bảng. Một trong những ưu điểm lớn nhất của thiết kế này là giá đỡ LED hoạt động như một tấm tản nhiệt, cho phép dòng điện chạy qua và hiệu suất cao hơn, tạo ra nhiều ánh sáng hơn.

 

COB LED – Viết tắt của “Chip on Board”, đây là một bước tiến của thiết kế SMD. Trong thiết kế này, chip LED được gắn trực tiếp vào bảng mạch bằng keo tản nhiệt. Điều này cho phép tăng hiệu quả làm mát do tiếp xúc trực tiếp giữa khuôn bán dẫn và bo mạch. Sự gia tăng hiệu quả làm mát so với các thiết kế SMD cho phép hiệu suất và hiệu suất cao hơn nữa.

 

Các thành phần hỗ trợ

Trong khi đi-ốt bán dẫn là bộ phận trung tâm của đèn LED, cần có các thành phần khác để làm cho nó hoạt động bình thường. Đèn LED hoạt động trên một điện áp tương đối thấp, thông thường trong khoảng từ 3 đến 3,6 vôn. Mặc dù điều này hoạt động hiệu quả trong các mạch và thiết bị điện áp thấp như điện thoại di động và các thiết bị chạy bằng pin khác, nhưng điện áp cao hơn do nguồn điện gia dụng cung cấp không phù hợp với riêng đèn LED.

Không chỉ là nguồn điện gia dụng trong dải 120 – 240V, nó còn là dòng điện xoay chiều (AC) không tương thích với đèn LED yêu cầu dòng điện một chiều (DC). Điều này yêu cầu sử dụng mạch chuyển đổi có thể biến đổi điện áp AC đường dây gia đình thành điện áp DC trong phạm vi sử dụng được cho đèn LED. Mạch chuyển đổi này được gọi là LED Driver, sau đây là một số thành phần của mạchcó thể kể đến:

Cầu chì đầu vào – Đây là một thành phần quan trọng để ngăn ngừa sự cố hỏng hóc nghiêm trọng trong trường hợp đoản mạch hoặc sự cố quá dòng. Các cầu chì đầu vào được yêu cầu theo tiêu chuẩn an toàn cháy nổ, với tùy chọn sử dụng dây dẫn bảng mạch in hoặc cầu chì truyền thống cho mục đích này.

Bảo vệ quá độ đầu vào – Đây là bảo vệ chống lại các trường điện từ bên ngoài, chẳng hạn như các trường điện từ chập điện hoặc sét. Movistors thường được sử dụng cho mục đích này và đặc biệt quan trọng đối với các đèn LED hiệu suất cao có biên điện áp chặt chẽ hơn.

Bộ chỉnh lưu – Vì đèn LED hoạt động trên dòng điện một chiều chứ không phải dòng điện xoay chiều nên cần phải có bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu cầu được sử dụng cho mục đích này, vì chúng cung cấp khả năng chỉnh lưu sóng đầy đủ bằng cách sử dụng cả hai nửa của dạng sóng tới để đạt hiệu quả cao nhất có thể. Ngoài ra, không giống như các loại chỉnh lưu khác, chúng không yêu cầu một máy biến áp điều chỉnh trung tâm sẽ không phù hợp với các ứng dụng LED.

Cuộn cản làm nhẵn – Vì dạng sóng xuất phát từ bộ chỉnh lưu cầu bao gồm một chuỗi nửa dạng sóng không đổi tăng và giảm giữa điện áp đỉnh và điện áp bằng không, nên cần có tụ điện để làm phẳng điện áp đi vào mạch.

Bộ chuyển đổi DC-DC – Trình điều khiển cho đèn LED khá đơn giản và bao gồm một bộ chuyển đổi DC-DC chi phí thấp. Điều này cung cấp một nguồn dòng điện liên tục cho các đèn LED, cho phép chúng hoạt động.

Tản nhiệt – Các ứng dụng LED hiện đại có yêu cầu cao hơn đáng kể so với các đèn báo đơn giản trước đây. Đèn LED công suất cao tạo ra một lượng nhiệt đáng kể, đòi hỏi một bộ tản nhiệt phải tản nhiệt đúng cách để tránh hư hỏng.

Các ứng dụng khác ngoài chiếu sáng

Một ứng dụng thú vị không thường được xem xét cho đèn LED là trong lĩnh vực truyền thông. Một trong những đặc điểm độc đáo của điốt phát quang là chúng bật và tắt hàng triệu lần mỗi giây, có thể đạt được băng thông dữ liệu rất cao. Điều này có nghĩa là chúng có thể được sử dụng cho các mục đích liên lạc, trở thành bộ định tuyến không dây một cách hiệu quả để truyền thông tin đến và đi từ các thiết bị khác nhau.

Miễn là các thiết bị liên lạc nằm trong khu vực đủ ánh sáng với trường nhìn rõ ràng, đây có thể là một phương pháp liên lạc hiệu quả cao, thay cho kết nối internet wifi tốc độ cao trong khi sử dụng một phần năng lượng. Trên thực tế, đây là nguyên lý hoạt động chính xác của cáp quang – truyền thông qua đường truyền ánh sáng. Một nhược điểm của điều này là không giống như truyền sóng RF như wifi, tín hiệu sẽ không thể xuyên qua hoặc đi qua các vật thể hoặc vật cản như tường, đồ đạc, v.v.