Cấu tạo, ưu điểm và ứng dụng của đèn LED chiếu sáng
Cấu tạo, ưu điểm và ứng dụng của đèn LED chiếu sáng, 75774, Đỗ Thanh Tùng Blog MuaBanNhanh
1. Tổng quan về đèn LED
LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode hay điốt phát quang là một linh kiện điện tử dựa trên chuyển tiếp p-n. LED có cấu trúc cơ bản của một điốt. Cấu trúc cơ bản của LED gồm hai lớp bán dẫn p, n ghép với nhau qua lớp tiếp xúc công nghệ. Hoạt động của LED dựa trên hoạt động của chuyển tiếp p-n.
Cơ chế phát quang của đèn LED
Hiện tượng phát quang: Các điện tử ở lân cận cực tiểu vùng dẫn sau một thời gian tồn tại ở đây có thể chuyển mức xuống trạng thái trống trong vùng hóa trị, tái hợp với lỗ trống và phát ra một photon.
Đối với một chất bán dẫn, đây là quá trình tái hợp bức xạ tự phát, không phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng của bức xạ điện từ bên ngoài.
Xét chuyển tiếp p-n ở trạng thái không phân cực tại cả vùng nghèo và vùng trung hòa. Do hệ đã thiết lập trạng thái cân bằng,do đó số điện tử tái hợp bằng số điện tử phát xạ. Mật độ dòng photon phát ra rất nhỏ, phần lớn bị hấp thụ do đó không có hiện tượng phát quang.
Xét chuyển tiếp p-n ở trạng thái phân cực thuận. Tại vùng nghèo do hiện tượng khuếch tán và phun hạt dẫn. Nồng độ hạt dẫn dư ( điện tử và lỗ trống) tại vùng nghèo tăng đột ngột,để thiết lập lại cân bằng các điện tử và lỗ trống tái hợp theo cơ chế tái hợp tự phát và phát ra các photon. Do tác dụng của điện áp thuận đặt vào lớp chuyển tiếp,vùng nghèo luôn luôn ở trạng thái thừa hạt dẫn, do đó mật độ dòng photon phát ra từ vùng nghèo luôn được duy trì tạo thành chùm sáng thoát ra khỏi lớp chuyển tiếp.
Trong trường hợp chuyển tiếp p-n ở trạng thái phân cực ngược. Dòng ngược là dòng của hạt dẫn thiểu số rất nhỏ dẫn tới mật độ dòng photon phát ra quá nhỏ, phần lớn bị hấp thụ trở lại do đó không có ánh sáng phát ra.
Như vậy, điện áp thuận đặt vào LED sẽ tạo ra hiện tượng phun hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, qua đó làm tăng đột ngột nồng độ hạt dẫn dư, sự tăng nồng độ hạt dẫn dư làm xuất hiện sự tái hợp bức xạ để trở về trạng thái cân bằng. Đó chính là cơ chế hoạt động của LED.
2. Sự ra đời của đèn LED
Năm 1907, nhà khoa học người Anh H.J. Round đã phát minh ra điốt bán dẫn phát sáng đầu tiên, tiếp đó nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra chiếc đèn LED đầu tiên, tuy nhiên thành tựu này đã nhanh chóng rơi vào quên lãng khi mà nó không được biết đến rộng rãi.
Phải đến tận năm 1961, hai nhà khoa học Mỹ là Robert Biard và Gary Pittman, làm việc tại Texas cũng phát hiện GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện tác động tới nó, ngay sau đó 2 ông đã được cấp bằng sáng chế ra đèn LED hồng ngoại.
Đèn LED là gì? Cấu tạo, ưu điểm và ứng dụng của đèn LED chiếu sáng - Ảnh 3
Năm 1962, chiếc đèn LED phát ra ánh sáng đỏ đầu tiên được nghiên cứu bởi Nick Holonyak Jr. Tiếp đến năm 1972, M. George Craford là người đã phát minh ra bóng đèn led có màu vàng đầu tiên có cường độ sáng gấp 10 lần ánh sáng của bóng led màu đỏ và màu cam.
Và phải đến năm 1993, chiếc đèn LED xanh da trời đầu tiền được làm từ InGaN là phát minh của nhà khóa học Shuji Nakamura làm việc cho công ty Nichia Corporation. Sau đó, người ta lấy ánh sáng vàng trộn với ánh sáng xanh da trời và phủ thêm một lớp hợp chất có tên là YAG để cho ra đời ánh sáng trắng. Phải đên hơn 10 năm sau thì Nakamura mới được được trao giải thưởng công nghệ thiên nhiên kỷ cho phát minh đèn led ánh sáng xanh này.
3. Cấu tạo của đèn LED chiếu sáng
- Lăng kính – Ánh sáng đèn LED là ánh sáng hướng. Góc phân bố ánh sáng tiêu chuẩn của đèn LED là 180 độ và ánh sáng phát ra vào khoảng nửa trên của bóng đèn. Đối với một số đèn LED, góc phân bố có thể điều chỉnh được, có chùm hẹp, rộng khách nhau. Góc chiếu sáng có thể được thay đổi bằng lăng kính. Lăng kính Polycarbonate được ưu tiên sử dụng vì chúng ít cản ánh sáng và tương đối dễ sản xuất. Chất lượng bề mặt và hình dáng của lăng kính rất quan trọng để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng và để hạn chế tổn thất trong sản lượng ánh sáng.
- Chip LED – Như chúng ta đã tìm hiểu ở trên, đây là bộ phận phát ra ánh sáng cho đèn.
- Lớp bề mặt (Substrate material)– Thường là một lõi kim loại PCB được sử dụng để gắn đèn LED. Bên cạnh việc cung cấp bề mặt để gắn chip LED, lõi kim loại còn dùng giúp chuyển nó vào bộ tản nhiệt với bề mặt tiếp xúc rộng hơn.
- Lớp tiếp xúc (Interface materials) – Thông thường là keo hoặc dầu mỡ. Phần này được sử dụng để tối đa tiếp xúc khi gắn lớp bề mặt vào bộ phần tản nhiệt giúp tối đa hóa việc truyền tải nhiệt.
- Bộ tản nhiệt – Bộ phận tản nhiệt có 2 loại. Tản nhiệt chủ động, thường là quạt dùng để lưu thông không khí. Tản nhiệt bị động sử dụng vây kim loại để làm tiêu tán nhiệt. Tản nhiệt chủ động thường giải nhiệt tốt hơn, nhưng trong hầu hết các ứng dụng, tản nhiệt bị đồng là đủ để giúp cho bộ đèn có nhiệt độ hoạt động tốt nhất.
4. Những Ưu Điểm của đèn LED chiếu sáng
- Sản lượng ánh sáng – Năm 2002, sản lượng ánh sáng từ đèn LED đã ở mức 20 lm/W. Đèn ngày hôm nay các thiết bị đèn LED thương mại có hiệu suất lên 150 lm/W. Và theo báo cáo các bóng đèn thử nghiệm đã cho ra sản lượng ánh sáng lên đến 208 lm/W. Hiệu suất đạt được đã vượt xa ánh sáng được sản xuất bởi bóng đèn sợi đốt (15 lumen / watt) hoặc đèn huỳnh quang (80-95 Lumens trên mỗi watt). Với hiệu suất cao hơn, đồng nghĩa với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, như vậy thì khả năng hoàn vốn khi sử dụng đèn LED so với các bóng đèn truyền thống trên là chỉ trong khoảng trên dưới 1 năm tùy theo thời lượng sử dụng.
- Tuổi thọ – Đèn LED có tuổi thọ từ 30.000 đến 100.000 giờ. Hầu hết các đèn LED thương mại có tuổi thọ từ 30.000 đến 50.000 giờ. Điều này có nghĩa là khi sử dụng đèn LED, bạn có thể sử dụng chúng kéo dài từ 10 đến 30 năm, tùy thuộc vào số giờ hoạt động mỗi ngày. Tuổi thọ cao làm giảm chi phí bảo trì và làm cho những bóng đèn này đặc biệt phù hợp với các vị trí khó tiếp cận, như đèn nhà xưởng hay đèn đường, là những nơi có chi phí bảo trì đáng kể.
- Đặc tính hoạt động – LED hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn, không nhạy cảm với nhiệt độ thấp và không bị ảnh hưởng khi bị bắt tắt thường xuyên. Điều này làm cho chúng an toàn hơn, hiệu quả hơn trong môi trường lạnh (đèn ngoài trời, đèn tủ lạnh và đèn kho lạnh) và tốt hơn cho các ứng dụng đòi hỏi phải thường xuyên chuyển mạch và tắt đèn. Những bóng đèn không bị ảnh hưởng bởi rung động khiến chúng trở thành lựa chọn tốt nhất cho những chỗ như cầu.
- Chống sốc – Các thành phần hoạt động của đèn LED được cách ly với bề mặt bên ngoài với một lớp cách điện chất lượng cao. Các điện cực được và gói đèn LED và cách thành phần điện tử đều nằm trong vỏ bọc an toàn. Một lớp vật liệu giữa LED và tản nhiệt đảm bảo rằng không có dòng điện nào có thể rò rỉ vào tản nhiệt.
- Chống rung – Nếu bạn nhìn vào hình ảnh của đèn LED ở đầu trang, bạn sẽ nhận thấy rằng các điện cực được bọc trong lớp nhựa acrylic trong suốt. Không có dây tóc bóng đèn do đó, đèn LED có khả năng chống rung động. Nhiều người sử dụng ôtô, xe gắn máy và các thiết bị đi lại đã chuyển qua sử dụng đèn LED vì ưu điểm này.
5. Ứng dụng nổi bật của đèn LED trong cuộc sống hiện nay
5.1 Ứng dụng trong chiếu sáng và trang trí
Tất nhiên ứng dụng chiếu sáng là một ứng dụng không thể thiếu đối với đèn LED. Hiện nay, đèn LED đang dần dần được thay thế cho các loại đèn truyền thống khác như đèn sợi đốt, đèn Halogen... Khi đời sống ngày càng nâng cao, đèn LED không những có tác dụng chiếu sáng, mà nó còn góp phần vào việc trang trí không gian trở nên lung linh và đầy màu sắc.
Tuy chi phí lắp đặt ban đầu của đèn LED cao hơn so với các loại đèn khác nhưng khoản tiết kiệm điện năng đem lại còn nhiều hơn chi phí bỏ ra nên nhiều nơi trên thế giới đã có kế hoạch thay thế đèn chiếu sáng bằng đèn LED.
Chuỗi nhà hàng của Chili (gồm 827 nhà hàng) công bố kế hoạch sử dụng 125.000 bóng đèn LED, giúp tiết kiệm một khoản chi phí khổng lồ, khoảng 3,7 triệu USD/năm và trở thành đơn vị sử dụng LED lớn nhất tại Mỹ từ trước đến nay.
Tòa nhà chọc trời Torre Agbar (Agbar tower - tháp Agbar) ở quảng trường Glòries Catalanes thuộc thành phố Barcelona, Tây Ban Nha có hệ thống chiếu sáng về đêm bao gồm 4.500 đèn LED được điều khiển bởi hệ thống máy tính tự động, cho phép chiếu sáng với hơn 40 màu sắc bằng nhiều hình thù khác nhau...
5.2 Ứng dụng đèn LED trong y học
Trẻ hóa da bằng đèn LED: Đèn chiếu LED được sử dụng với một bước sóng phù hợp ánh sáng màu vàng (bước sóng 590 nm), với cường độ thấp tạo ra một chuỗi tia sáng phát theo xung, được lập trình đặc biệt nhằm tác động kích thích quá trình trẻ hóa tự nhiên của da, theo công nghệ điều biến quang để điều biến tăng hoặc giảm hoạt động của các tế bào sống. Khi chiếu vào da, các LED được lập trình sẵn này sẽ tác động kích thích cơ thể tăng sinh collagen và elastin bên dưới.
Trị vàng da bằng đèn LED: Vàng da sơ sinh - một trong những căn bệnh phổ biến ở trẻ sơ sinh. Đèn LED cung cấp đủ ánh sáng cần thiết để loại bỏ lượng sắc tố vàng cam trong máu ở bệnh nhân bị dư thừa sắc tố vàng cam - căn bệnh có thể dẫn đến các tổn thương nghiêm trọng về não thậm chí tử vong. Liệu pháp dùng đèn chiếu vàng da là một trong những biện pháp đơn giản và an toàn nhất để điều trị căn bệnh này.
Điều trị mụn trứng cá bằng kỹ thuật LED: Đèn LED với bước sóng phù hợp, tạo ra một chuỗi tia sáng phát ra cường độ thấp, được lập trình đặc biệt nhằm tác động sâu xuống trung bì da, kích thích tăng sinh collagen và elastin, thúc đẩy quá trình chống viêm da, làm lành da và điều tiết làm giảm nhờn da.
5.3 Ứng dụng đèn LED trong các ngành nông nghiệp
Đặc tính của cây trồng là chỉ hấp thụ một dải phổ ánh sáng nhất định, không phải hấp thụ toàn dải ánh sáng như ánh sáng trắng. Do đó lá cây sẽ có màu, vì dải ánh sáng mà lá cây không hấp thụ sẽ phản xạ trở lại môi trường. LED có đặc điểm là phát ra dải sáng hẹp nên tùy theo loại cây trồng cần hấp thụ dải sáng nào sẽ dùng loại bóng LED có dải sáng thích hợp để giảm chi phí tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí đầu tư, tăng hiệu suất canh tác tránh lãng phí, thích hợp cho việc canh tác trong nhà kính, và các sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao.
Hệ thống chiếu sáng cung cấp ánh sáng cho cây quan hợp sử dụng ánh sáng nhân tạo để cây sinh trưởng nên điện năng tiêu thụ là rất lớn. Tuy nhiên, nhờ chiếu sáng bằng đèn LED, hệ thống sẽ sử dụng 1 lượng điện năng tối thiểu.
5.4 Ứng dụng LED trong nghành công nghiệp quảng cáo
Các bảng hiệu quảng cáo đã có sự phát triển với sự đa dạng về chủng loại cũng như phong cách. Nổi bật trong số đó là sự xuất hiện của đèn LED được các nhà quảng cáo rất trọng dụng.
Đèn LED dùng trong báo hiệu hàng không, hàng hải, không lưu
Đặc điểm các loại đèn này là hoạt động chớp tắt liên tục, ánh sáng màu theo qui định, lắp trên các điểm cao như nóc tòa nhà cao tầng, tháp truyền hình, trạm phát sóng, cột điện cao áp, trạm truyền tải điện, sân bay và vị trí lắp đặt khó tiếp cận với nguồn điện lưới mà phải dùng acquy, năng lượng mặt trời.…
Đèn LED là loại đèn thỏa mãn được các yếu tố trên: tuổi thọ cao, giảm chi phí thay thế, tiêu hao năng lượng ít, dãi màu đa dạng…
5.5 Công nghệ LED trong thiết bị nghe nhìn
Màn hình máy tính và ti vi công nghệ LED có ưu điểm vượt trội so với các công nghệ trước đây (TV Plasma, LCD, ti vi đèn hình ống tia điện tử) vì nó cung cấp màu sắc tươi sáng, chất lượng cao, hình ảnh cực kỳ sắc nét mà không chiếm không gian. TV đèn nền LED cũng có chất lượng phát ánh sáng cao bởi vì chúng sử dụng một đi-ốt phát ánh sáng để tạo ra những hình ảnh siêu sáng.
Ngoài ra còn rất nhiều ứng dụng của đèn LED, ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau nữa. Có thể nói Đèn LED ra đời mang đến một bước đột phá mới về lĩnh vực chiếu sáng.
Đỗ Thanh Tùng Chưa xác định sản phẩm bán chạy, tiêu điểm.
