Hiểu công nghệ LED

Đèn LED có thể ít, nhưng các mẫu mới có độ sáng cao đang tạo ra một lượng ánh sáng đáng kể. Lần đầu tiên được sử dụng như đèn báo trạng thái và đèn báo, và gần đây hơn trong các ứng dụng chiếu sáng dưới kệ, chiếu sáng điểm nhấn và đánh dấu hướng, đèn LED có độ sáng cao đã xuất hiện trong vòng 6 năm qua. Nhưng chỉ gần đây chúng mới được xem xét một cách nghiêm túc như một phương án khả thi trong chiếu sáng mục đích chung.
Lần đầu tiên được sử dụng như đèn báo trạng thái và đèn báo, và gần đây hơn trong các ứng dụng chiếu sáng dưới kệ, chiếu sáng điểm nhấn và đánh dấu hướng, đèn LED có độ sáng cao đã xuất hiện trong vòng sáu năm qua. Nhưng chỉ gần đây chúng mới được xem xét một cách nghiêm túc như một lựa chọn khả thi trong các ứng dụng chiếu sáng mục đích chung. Trước khi đề xuất hoặc lắp đặt loại hệ thống chiếu sáng này, bạn nên hiểu công nghệ cơ bản mà các thiết bị này dựa trên.
Điốt phát quang (đèn LED) là thiết bị ở trạng thái rắn chuyển đổi năng lượng điện trực tiếp thành ánh sáng có một màu duy nhất. Bởi vì chúng sử dụng công nghệ tạo ánh sáng “lạnh”, trong đó phần lớn năng lượng được phân phối trong quang phổ nhìn thấy được, đèn LED không lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt không tạo ra ánh sáng. Để so sánh, hầu hết năng lượng trong đèn sợi đốt nằm trong phần hồng ngoại (hoặc không nhìn thấy) của quang phổ. Kết quả là cả đèn huỳnh quang và đèn HID đều tạo ra một lượng nhiệt lớn. Ngoài việc tạo ra ánh sáng lạnh, đèn LED:

  • Có thể được cung cấp năng lượng từ một bộ pin di động hoặc thậm chí là một mảng năng lượng mặt trời.
  • Có thể được tích hợp vào một hệ thống điều khiển.
  • Có kích thước nhỏ và có khả năng chống rung và sốc.
  • Có “đúng giờ” rất nhanh (60 nsec so với 10 msec đối với đèn sợi đốt).
  • Có độ phân giải màu tốt và có nguy cơ sốc thấp, hoặc không.

Trung tâm của đèn LED điển hình là một đi-ốt được gắn chip trong cốc phản xạ và được giữ cố định bằng một khung thép nhẹ được kết nối với một cặp dây điện. Toàn bộ sự sắp xếp sau đó được đóng gói trong epoxy. Chip diode thường có kích thước khoảng 0,25 mm vuông. Khi dòng điện chạy qua điểm nối của hai vật liệu khác nhau, ánh sáng được tạo ra từ bên trong chip tinh thể rắn. Hình dạng hoặc chiều rộng của chùm ánh sáng phát ra được xác định bởi nhiều yếu tố: hình dạng của cốc phản xạ, kích thước của chip LED, hình dạng của thấu kính epoxy và khoảng cách giữa chip LED và thấu kính epoxy . Thành phần của các vật liệu quyết định bước sóng và màu sắc của ánh sáng. Ngoài bước sóng nhìn thấy, đèn LED cũng có sẵn bước sóng hồng ngoại, từ 830 nm đến 940 nm.

Định nghĩa về “cuộc sống” khác nhau giữa các ngành. Tuổi thọ hữu ích của một chất bán dẫn được định nghĩa là thời gian được tính toán để mức độ ánh sáng giảm xuống còn 50% giá trị ban đầu của nó. Đối với ngành chiếu sáng, tuổi thọ trung bình của một loại đèn cụ thể là điểm mà 50% số bóng đèn trong một nhóm đại diện đã cháy hết. Tuổi thọ của đèn LED phụ thuộc vào cấu hình đóng gói, dòng ổ đĩa và môi trường hoạt động của nó. Nhiệt độ môi trường cao sẽ làm giảm tuổi thọ của đèn LED.

Ngoài ra, đèn LED hiện bao phủ toàn bộ quang phổ ánh sáng, bao gồm đỏ, cam, vàng, lục, lam và trắng. Mặc dù ánh sáng màu hữu ích cho các cài đặt sáng tạo hơn, nhưng ánh sáng trắng vẫn là chén thánh của công nghệ LED. Cho đến khi có được màu trắng thực sự, các nhà nghiên cứu đã phát triển ba cách để phân phối nó:

Xay chùm ngây. Kỹ thuật này bao gồm việc trộn ánh sáng từ nhiều thiết bị đơn màu. (Điển hình là màu đỏ, xanh lam và xanh lục.) Điều chỉnh cường độ tương đối của chùm tia sẽ mang lại màu sắc mong muốn.

Cung cấp một lớp phủ phosphor. Khi các photon được cung cấp năng lượng từ đèn LED màu xanh lam chạm vào lớp phủ phosphor, nó sẽ phát ra ánh sáng dưới dạng hỗn hợp các bước sóng để tạo ra màu trắng.

Tạo bánh sandwich nhẹ. Ánh sáng xanh lam từ một thiết bị LED tạo ra ánh sáng cam từ một lớp vật liệu khác liền kề. Các màu bổ sung trộn lẫn để tạo ra màu trắng. Trong số ba phương pháp, phương pháp phosphor dường như là công nghệ hứa hẹn nhất.
Một thiếu sót khác của các thiết kế đèn LED ban đầu là công suất phát sáng, vì vậy các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu một số phương pháp để tăng lumen trên mỗi watt. Một kỹ thuật “pha tạp” mới giúp tăng công suất ánh sáng lên nhiều lần so với các thế hệ đèn LED trước đó. Các phương pháp khác đang được phát triển bao gồm:

  • Sản xuất chất bán dẫn lớn hơn.
  • Truyền dòng điện lớn hơn với khả năng tách nhiệt tốt hơn.
  • Thiết kế một hình dạng khác cho thiết bị.
  • Nâng cao hiệu quả chuyển đổi ánh sáng.
  • Đóng gói một số đèn LED trong một mái vòm epoxy duy nhất.

Một họ đèn LED có thể đã gần hơn với công suất ánh sáng được cải thiện. Các thiết bị có chip phóng to sẽ tạo ra nhiều ánh sáng hơn trong khi vẫn duy trì khả năng quản lý nhiệt và dòng điện thích hợp. Những tiến bộ này cho phép các thiết bị tạo ra ánh sáng nhiều hơn từ 10 lần đến 20 lần so với đèn báo tiêu chuẩn, khiến chúng trở thành nguồn chiếu sáng thiết thực cho các thiết bị chiếu sáng.

Trước khi đèn LED có thể tham gia vào thị trường chiếu sáng chung, các nhà thiết kế và người ủng hộ công nghệ này phải vượt qua một số vấn đề, bao gồm những trở ngại thông thường đối với việc áp dụng thị trường chính thống: Phải phát triển các tiêu chuẩn được ngành công nghiệp chấp nhận và phải giảm chi phí. Nhưng các vấn đề cụ thể hơn vẫn còn. Những thứ như hiệu quả lumen trên mỗi watt và độ nhất quán của màu sắc phải được cải thiện, đồng thời phải giải quyết độ tin cậy và duy trì quang thông. Tuy nhiên, đèn LED đang trên đường trở thành một giải pháp thay thế chiếu sáng khả thi.