ĐÈN LED LÀ GÌ, CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐÈN LED

1. Định nghĩa và sự ra đời của đèn LED.

1.1. Định nghĩa đèn LED là gì?

• Là đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ LED.
• LED được viết tắt từ Light-Emitting-Diode, có nghĩa là đi ốt bức xạ ánh sáng ( Diot phát sáng ). Là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó.
• Về bản chất LED là một đi-ốt, nó chứa một chip 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 nhìn thấy.
• Ngoài ra có thể hiểu LED là các điốt có khả năng phát sáng hoặc tia tử ngoại, tia hồng ngoại,…

1.2 Sự ra đời của đèn LED

Điốt bán dẫn phát sáng đầu tiên (LED ) được biết đến vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm người Anh H.J. Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm với tinh thể SiC(Silic và Cacbon). Sau đó, nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra Đèn LED đầu tiên, nghiên cứu sau đó đã bị quên lãng do không có ứng dụng nhiều trong thực tiễn. Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại bởi hợp chất GaAs(Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác.

Năm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện tác động và sau đó Bob và Gary được cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại.

Năm 1962, chiếc đèn LED phát ra ánh sáng đỏ ra đời bởi Nick Holonyak Jr. 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.

Phải đến năm 1993, chiếc đèn LED xanh da trời đầu tiên 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.

2. Nguyên lý hoạt động của đèn LED

Nguyên lý hoạt động của đèn LED là 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%.

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 khác 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 – 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 tản nhiệt. 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. ( Ứng dụng lắp trong đèn Highbay SH-HB2 ). 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

Công suất ánh sáng – Năm 2002, công suất 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 của đèn LED 

5.1. LED trong chiếu sáng và trang trí.

5.1.1 Chiếu sáng công nghiệp và dân dụng.

Hiện nay, chiếu sáng bằng đèn LED đang dần dần được thay thế cho các loại đèn truyền thống khác như đèn sợi đốt, đèn Halogen… Vì những ưu điểm đèn LED mang lại không hề nhỏ.

Với dải sản phẩm đa dạng, như : Đèn Highbay, đèn LED chống cháy nổ, đèn Panel, đèn T8. Đáp ứng được mọi yêu cầu của các doanh nghiệp và cá nhân. 

5.1.2 Trang trí

Ngoài ra với công nghệ LED phát triển, độ bền cao và tiết kiệm điện. Đèn LED còn được sử dụng chính trong việc chiếu sáng trang trí các không gian, sự kiện. Nhờ có đèn LED mà các khu vực được chiếu sáng trở nên lung linh và sang trọng hơn. 

5.2. 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.

5.3. 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 quang 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. LED trong nghành công nghiệp quảng cáo

Với công nghệ hiện đại, đầy đủ màu sắc và dễ dàng lắpđặt, sửa chữa. Nên đèn LED được ứng dụng hầu hết trên các biển quảng cáo ngày nay. Các bảng hiệu sử dụng công nghệ chiếu sáng LED thường tạo được những hiệu ứng, ánh sáng thu hút người xem hơn.

5.5. 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.…

5.6. Công nghệ LED trong thiết bị nghe nhìn

Màn hình máy tính và ti vi ngày nay ngày càng mỏng và sắc nét hơn. Do được sử dụng công nghệ LED. (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.