Đèn LED trong công nghệ chiếu sáng, hiện đeng là chủ đề nóng bỏng được quan tâm nhiều nhất trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng hiện nay, đặc tính tiết kiệm năng lượng của bóng đèn LED đã được đề cập nhiều trong các tài liệu, trong bài này chủ yếu đề cập đến cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một bộ đèn LED hoàn chỉnh. Một bộ đèn LED thông thường bao gồm các bộ phận chính sau : phần tử phát sáng LED, bộ nguồn, mạch in tỏa nhiệt, vỏ.
Phần tử phát sáng LED:
LED (Light-emitting diode – Đi-ốt bức xạ ánh sáng).
Bản chất của LED là một đi-ốt, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt( kênh P) đến K-tốt (kênh N), khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng, các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn. LED phân thành ba loại chính theo dải công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn .
– LED cỡ nhỏ tiêu thụ dòng điện từ 2 mA đến 20 mA điện áp đặt trên chíp từ 1.5V đến 3V, chúng được thiết kế đơn chiếc phục vụ cho mục đích hiển thị trạng thái của máy, chiếu sáng cục bộ.
– Đèn LED cỡ trung: được thiết kế có chân cắm để hàn vào mạch in hoặc thành chíp 4 chân để giúp tản nhiệt tốt, chúng được ghép thành bảng mạch với nhiều LED nối tiếp hoặc song song. Loại đèn LED này thường sử dụng làm các biển báo, đèn chiếu hậu ô-tô, đèn chiếu sáng khẩn cấp, chúng tiêu thụ dòng điện cỡ 100 mA.
– LED công suất lớn hay HPLED tiêu thụ dòng điện vài trăm mA đến vài Ampe, do tiêu thụ dòng điện lớn nên loại này nhất thiết phải gắn với một bộ tỏa nhiệt tốt, nếu không HPLED sẽ hỏng sau vài giây. Hiệu suất của HPLED rất cao có thể lên tới 105 lm/W. Ứng dụng của HPLED là để thay loại đèn chiếu sáng trong nhà, ngoài trời.
Bản thân công nghệ LED cho phép nó phát sáng đến 100.000 h nhưng có các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ bộ đèn như:
Mạch in của bộ đèn:
Chất lượng mạch in, chất lượng mối hàn giữa LED với mạch in ảnh hưởng đến lớn đến độ bền của đèn, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt nam, nếu chất lượng của mạch in và mối hàn không tốt dễ gây oxi-hóa đứt mạch in, không tiếp xúc làm cho đèn không thể phát sáng sau một thời gian sử dụng. Trong thực tế người ta có thể sử dụng mạch in thường, hoặc bằng nhôm, gốm cho phép tản nhiệt nhanh cho loại LED công suất trung bình và lớn.
Loại mạch in gắn liền với tản nhiệt của bóng đèn LED
Bộ phận tản nhiệt của bóng đèn LED:
Phần tản nhiệt cho đèn LED được thiết kế nhằm đưa phần tinh thể phát sáng xuống nhiệt độ thấp nhanh nhất, bộ phận này đặc biệt quan trọng khi thiết kế đèn
LED công suất lớn, nếu bộ phận tản nhiệt này có kết cấu không phù hợp thì phần tử LED sẽ nhanh bị già, hiệu suất phát sáng giảm đáng kể.
Bộ nguồn cung cấp của bóng đèn LED:
Bộ nguồn cấp điện cho đèn LED phải đảm bảo cung cấp dòng điện và điện áp ổn định phù hợp lới loại LED đang sử dụng các linh kiện chế tạo bộ nguồn phải có tuổi thọ sử dụng tương đương với tuổi thọ của LED. Với loại đèn công suất nhỏ bộ nguồn đơn giản chỉ là một nguồn áp kết với một điện trở hạn dòng cho LED nhưng đối với với LED công suất trung bình và lớn cần tạo một nguồn dòng cho LED.
Vỏ đèn:
Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn được chế tạo để có độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng.
Do vậy khi sử dụng đèn LED chúng ta căn cứ vào các yếu tố chính trên đây để có thể đưa quyết định đúng khi mua hàng .
Hình ảnh LED
Đèn LED, còn gọi là đi ốt phát quang, là loại đèn có khả năng phát ra ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại. Loại đèn này hoạt động theo nguyên lý sau.
Nguyên lý hoạt động của đèn LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Khối bán dẫn loại P chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (Chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuyếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Mức năng lượng, màu sắc của LED phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. Do đó, tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác nhau, tức màu sắc của LED sẽ khác nhau.
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.
Màu sắc ánh sáng của LED do chất liệu của liên kết bán dẫn PN quyết định. Khi khoảng trống giữa liên kết PN với các chất liệu khác nhau, khoảng trống càng lớn, năng lượng do điện tử và lỗ trống kết hợp với nhau tạo ra năng lượng ánh sáng càng lớn. Năng lượng dưới dạng ánh sáng cũng chính là màu của ánh sáng mà mắt thường thấy được, ánh sáng màu xanh dương, màu tím mang năng lượng nhiều nhất, màu đỏ, màu cam mang năng lượng ít nhất, các nhà sản xuất ứng dụng các chất liệu cho liên kết PN khác nhau sẽ nhận được các LED có màu sắc khác nhau.
LED có ba loại màu phổ biến là: Màu đỏ, màu xanh lá, xanh dương, tạo thành 3 màu cơ bản (RGB), thường sử dụng chip 1 màu hoặc nhiều chip có màu khác nhau để sản xuất LED.
Ánh sáng màu trắng của LED được hình thành theo hai nguyên tắc sau. Nguyên tắc 1, ứng dụng 3 màu cơ bản RGB để hợp thành, 3 chip với 3 màu RGB sẽ được tích hợp trong cùng 1 bóng LED, màu đỏ 21%, màu xanh lá 69%, màu xanh dương 10%.
Đèn LED trong ứng dụng chiếu sáng đường phố
Nguyên tắc hai, sử dụng bột huỳnh quang (phốt pho) để tạo màu trắng cho ánh sáng. Bạn có thể phủ lên bề mặt chip màu xanh dương lớp phốt pho NdYAG (màu vàng) để tạo thành màu trắng hoặc dùng phốt pho YAN phủ lên tinh thể màu xanh dương inGaN có bước sóng 460nm, lớp phốt pho cùng với ánh sáng xanh dương phát ra kết hợp tạo ra ánh sáng vàng có bước sóng 555nm. Sau đó ứng dụng nguyên lý thấu kính kết hợp ánh sáng vàng này và ánh sáng xanh dương tạo ra ánh sáng trắng mà mắt thường thấy được, đây là kỹ thuật hiện nay được ứng dụng nhiều nhất để tạo ra
ánh sáng màu trắng của LED.