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 Điốt phát sáng, đã được sử dụng rộng rãi kể từ khi được giới thiệu thương mại cách đây gần sáu thập kỷ dưới dạng đèn báo đơn giản cho các hạng mục như bảng điều khiển, dàn âm thanh nổi 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 đòi hỏi khắt khe nhất trên hành tinh.

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

Lịch sử

Sự khởi đầu của công nghệ LED bắt nguồn từ việc phát hiện ra hiện tượng điện phát quang vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm người Anh HJ Round của Phòng thí nghiệm Marconi sử dụng tinh thể cacbua silic và máy dò râu mèo. 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 liên quan 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 cận hồng ngoại vào năm 1961 thì việc sử dụng đèn LED thực tế mới có thể thực hiện được. Vào ngày 8 tháng 8 năm 1962, hai kỹ sư này 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 sáng hồng ngoại GaAs của họ, theo Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 3.293.513 .

Công việc của Texas Instruments đã được Hewlett-Packard (HP) mở rộng để tạo ra đèn LED tiết kiệm chi phí cho thị trường thương mại. Bắt đầu từ năm 1962, HP tham gia nghiên cứu và phát triển để tìm cách cải thiện hiệu suất của đèn LED, đồng thời giảm chi phí để chúng có thể được sử dụng trong hàng tiêu dùng thông thường và đồ điện tử. Ngoài nhóm R&D của 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 Gallium Arsenide Phosphide thô, một thành phần quan trọng của đèn LED.

Nỗ lực hợp tác R&D này đã được đền đáp vào năm 1968, với việc giới thiệu đồng thời màn hình LED của HP và đèn báo LED của Mosanto. Đây là những sản phẩm LED đầu tiên có khả năng thương mại hóa và tạo ra một cuộc cách mạng về chiếu sáng màn hình kỹ thuật số, thay thế ống nixie làm công nghệ hiển thị chính cũng như đèn neon và đèn sợi đốt cho đèn báo. Trong vài thập kỷ tiếp theo, công nghệ LED tiếp tục được cải tiến, 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 thống trị hoàn toàn hầu hết mọi ứng dụng chiếu sáng hiện có. Bắt đầu từ các ứng dụng đặc biệt như đèn pin và đèn định vị nhỏ gọn cho các ứng dụng thương mại, quân sự và công nghiệp, đèn LED HP đã xâm nhập vào các ứng dụng chiếu sáng tiêu dùng phổ biến, chẳng hạn như ống LED, bóng đèn và thậm chí cả các thiết bị chiếu sáng LED chuyên dụng.

Với đèn LED HP, chất lượng ánh sáng được tạo ra đã dần được cải thiện cùng với lượng lumen phát ra. Chất lượng ánh sáng này, được đo bằng Chỉ số hoàn màu (CRI), hiện đã vượt qua hầu hết mọi dạng ánh sáng khác ngoài ánh sáng ban ngày tự nhiên. Theo định luật Haitz, sự phát triển chung của công nghệ LED sẽ tiếp tục tăng theo cấp số nhân với chi phí tỷ lệ nghịch khiến công nghệ này trở nên kinh tế hơn khi sử dụng rộng rãi. Giống như quá khứ của họ, tương lai của đèn LED tiếp tục tươi sáng.

Đèn LED hoạt động như thế nào

Như đã đề cập trước đây, Điốt phát sáng hoạt động dựa trên 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 nơi mà sự tương đồng kết thúc. 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 làm nguồn sáng. Đây là một công nghệ độc đáo mang lại lợi ích công nghệ đáng kể và tiềm năng phát triển không ngừng 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 khác nhau. Điốt phát sáng là một số loại chất bán dẫn đơn giản nhất hiện có. Hầu hết các chất bán dẫn đều có thêm tạp chất để cho phép các electron chạy qua, vì vật liệu bán dẫn nguyên chất của chúng là chất dẫn điện kém. Khi chất bán dẫn có thêm tạp chất thì điều này được gọi là doping.

Nói chung, các chất bán dẫn này được làm từ nhôm-gallium-arsenide (AlGaAs). Khi vật liệu này được pha tạp, nó có thể thêm các electron tự do hoặc tạo ra các lỗ trống trong vật liệu để các electron có thể đi tới. Khi chất bán dẫn có thêm electron, nó được gọi là vật liệu loại N vì nó có thêm các hạt tích điện âm. Khi có thêm lỗ trống trong chất bán dẫn, nó được gọi là vật liệu loại P vì nó thực sự có thêm các hạt tích điện dương.

Cấu trúc 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 sự sắp xếp này, điện chỉ được dẫn theo một hướng duy nhất. Khi không áp dụng điện áp, một vùng cạn kiệt 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 loại bỏ vùng cạn kiệt, các electron phải được di 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 lớn, vùng suy giảm sẽ bị loại bỏ và điện tích sẽ di chuyển qua diode. Chính sự tương tác giữa các electron và lỗ trống này đã tạo ra ánh sáng nhìn thấy trong đèn LED.

Cụ thể, ánh sáng do đèn LED tạo ra thực chất là kết quả của sự giải phóng các photon từ sự chuyển động của các electron này từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác của nguyên tử. Khoảng cách giữa các quỹ đạo càng lớn thì năng lượng được giải phóng bởi một electron trong quá trình tương tác càng lớn và tần số ánh sáng được tạo ra càng cao. Ngược lại, khoảng cách giữa các quỹ đạo 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 trong sự thay đổi quỹ đạo của electron này là nguyên nhân tạo ra nhiều lựa chọn nhiệt độ màu có sẵn trong hệ thống chiếu sáng LED ngày nay. So với hệ thống chiếu sáng truyền thống có nhiệt độ màu cố định hoặc hạn chế, đèn LED mang đến nhiều khả năng gần như vô tận cho mọi loại bóng đèn. Trên thực tế, một số đèn LED nhất định cung cấp tùy chọn để người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa các nhiệt độ màu khác nhau.

Xây dựng tổng thể

Ngoài diode bán dẫn, còn có một số thành phần quan trọng khác của đèn LED cần thiết để nó hoạt động. Chúng bao gồm khung chì được tạo thành từ trụ và đe, 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 phức tạp hơn, nhưng tất cả đều chứa các bộ phận cơ bản này. Dưới đây là danh sách chi tiết của từng thành phần này.

Khung chì – Bên ngoài khuôn bán dẫn, khung chì là trái tim của chip LED. Nó bao gồm một cái đe, được tích điện âm và giữ chính vật liệu bán dẫn, và trụ, được tích điện dương và chứa liên kết dây cung cấp dòng điện vào khuôn. Hai thành phần này của khung chì không chạm vào nhau về mặt vật lý và chỉ được kết nối thông qua liên kết dây.

Khoang phản chiếu - Đây là vật liệu phản chiếu bao quanh khuôn bán dẫn, hướng tất cả ánh sáng ra ngoài về phía ống kính. Nó thường lớn hơn nhiều lần so với khuôn.

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

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

Loại phụ

Tất cả các Điốt phát sáng đều được chế tạo dựa trên cùng một nguyên tắc và thành phần cơ bản. 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 sơ đồ sau.

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

Đèn LED SMD – Viết tắt của “Thiết bị gắn trên bề mặt”, những 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 trên chính bảng. Một trong những ưu điểm lớn nhất của thiết kế này là giá treo đèn LED hoạt động như một bộ tản nhiệt, cho phép dòng điện chạy qua cao hơn và hiệu suất cao hơn, tạo ra nhiều ánh sáng hơn.

COB LED – Viết tắt của “Chip on Board”, đây là một sự phát triển của thiết kế SMD. Trong thiết kế này, chip LED được gắn trực tiếp vào bảng mạch bằng keo nhiệt. Điều này cho phép làm mát hiệu quả hơn nhờ sự 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 quả và hiệu suất cao hơn nữa.

Thành phần hỗ trợ

Mặc dù điốt bán dẫn là bộ phận trung tâm của đèn LED nhưng vẫn cần có những thành phần khác để đèn hoạt động bình thường. Đèn LED hoạt động ở điện áp tương đối thấp, thông thường trong khoảng từ 3 đến 3,6 volt. Mặc dù điều này hoạt động tốt 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 đình cung cấp không phù hợp với đèn LED.

Nguồn điện gia dụng không chỉ nằm trong phạm vi 120 đến 240 volt mà còn là dòng điện xoay chiều (AC) không tương thích với đèn LED yêu cầu dòng điện một chiều (DC). Điều này đòi hỏi phải sử dụng mạch chuyển đổi có thể chuyển đổi điện áp AC của đường dây hộ gia đình thành điện áp DC trong phạm vi có thể sử dụng được cho đèn LED. Có một số thành phần của mạch này được liệt kê dưới đây:

Cầu chì đầu vào - Đây là thành phần quan trọng để ngăn chặn sự tan rã thảm khốc trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá dòng. Cầu chì đầu vào được yêu cầu theo mã an toàn phòng cháy, với tùy chọn sử dụng dây dẫn bảng mạch in hoặc cầu chì truyền thống cho mục đích này.

Bảo vệ nhất thời đầu vào – Đây là để bảo vệ chống lại các trường điện từ bên ngoài, chẳng hạn như trường hợp xảy ra trong cơn bão điện hoặc sét. Movistor thường được sử dụng cho mục đích này và đặc biệt quan trọng đối với đèn LED hiệu suất cao có biên điện áp chặt chẽ hơn.

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

Làm mịn tụ điện - Bởi vì dạng sóng phát ra từ bộ chỉnh lưu cầu bao gồm một chuỗi không đổi các nửa dạng sóng tăng giảm giữa điện áp cực đại và điện áp bằng 0, nên cần có một 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 bộ chuyển đổi DC-DC chi phí thấp. Điều này cung cấp một nguồn dòng điện liên tục cho đèn LED, cho phép chúng hoạt động.

Tản nhiệt – Các ứng dụng LED hiện đại đòi hỏi khắt khe hơn đáng kể so với các đèn chỉ báo đơn giản trước đây, đòi hỏi thứ được gọi là đèn LED công suất cao (HP-LED). Những thứ này tạo ra một lượng nhiệt đáng kể, đòi hỏi một bộ tản nhiệt phải tản nhiệt đúng cách để tránh hư hỏng.

Ứng dụng 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 sáng là chúng bật 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 mục đích liên lạc, trở thành bộ định tuyến không dây để truyền thông tin đến và đi từ nhiều thiết bị khác nhau một cách hiệu quả.

Miễn là các thiết bị liên lạc ở trong khu vực có ánh sáng tốt với tầm nhìn rõ ràng, đây có thể là phương pháp liên lạc hiệu quả cao, thay thế kết nối internet wifi tốc độ cao trong khi sử dụng một phần năng lượng. Trên thực tế, đây chính là nguyên lý hoạt động của cáp quang – giao tiếp thông qua truyền ánh sáng. Nhược điểm của điều này là không giống như truyền RF như wifi, tín hiệu sẽ không thể xuyên qua hoặc xuyên qua các vật thể hoặc rào cản như tường, đồ nội thất, v.v.